物联网工程与实践07

1,1,物联网工程与实践,第七章：传感器信息系统设计,2,2,前言,RFID射频识别技术主要是用来进行物体的识别和跟踪，传感器主要是用来监控物体的实时状态信息。对于一些特定的物联网应用，它主要是利用各种传感器技术及通信技术来建立传感器信息系统，实施对特定物体的实时状态信息监控。这些物联网应用包括工业生产自动化、智能家居、海洋探测、大气污染监控、水污染监控、医学诊断和文物保护等。本章主要对传感器实时信息系统的设计进行相关介绍。,3,7.1传感器信息系统介绍,利用传感器及传感网技术，对感兴趣的物体或环境进行实时监控，将传感器收集到的大量数据传输到数据服务中心，存储到大型数据库，然后对数据进行智能化处理和显示，形成传感器信息系统。对于具体的应用来说，传感器实时信息系统是一个传感器数据采集、共享、处理、可视化及查询的统一平台。该平台对传感器实时数据来做分析，把智能信息提取出来并通过不同的手段实时传给用户。,4,7.1.1传感器信息系统概述,如图7-1所示，一个简单的传感器信息系统由三个主要的功能模块组成，它们是传感器信息收集功能模块、传感器信息处理功能模块和用户模块。传感器信息收集模块一般是指传感器信息系统中的网关设备和与其相连的各种传感器进行数据交互。用户以有线或无线的方式连接到传感器信息系统，获取经过智能化数据处理所得到的变化曲线、数据报告或警报。,5,图7-1传感器实时信息系统组成,6,图7-2基于各种传感器的空调系统监控,7,7.1.2传感器信息系统分类,传感器信息系统可以按照不同的分类方式进行。按照应用领域的不同，可分为工业应用传感器信息系统、农业传感器信息系统、智能家居传感器信息系统和安全监控传感器信息系统等。按照传感器信息系统的复杂度进行分类，可分为简单传感器信息系统和复杂传感器信息系统。,8,图7-3库房温湿度监控系统,9,图7-4森林火情监测预警系统,10,图7-5基于复杂传感器信息系统的智能机器人,11,7.2传感器的选取与设计,传感器信息系统是一种重要的物联网实时信息系统之一，根据不同的物联网应用，可以选择或设计不同结构及性能的传感器，用于监控人们感兴趣的物体或环境状态。,12,7.2.1传感器选取,传感器的结构原理各不相同，根据特定监控目的和具体的监控环境，可以选取合适的传感器。当确定某些传感器后，测量方法和测量装置也可以被相应地确定。测量结果的成功与否，在很大程度上取决于被选取的传感器是否合理。一般而言，选取传感器时，需要考虑很多事项，但有时不能满足需要的所有事项，往往要根据实际使用传感器的目的、所要达到的目标、传感器的使用环境等，划分不同的优先选择级别来进行合理的传感器选择。,13,7.2.2传感器设计,传统的传感器技术已经达到了极限，其性能和价格也都大致保持在一定的程度。传统的传感器所存在的问题包括以下几四方面。第一，传统传感器结构尺寸较大，其在时间和频率上的响应较差。第二，很多传感器的输入输出特性是非线性的，存在时漂现象。第三，传感器的测量结果易受环境条件的变化和漂移的影响。第四，很多传感器的信噪比低，易受噪声干扰。,14,图7-6智能传感器的发展阶段,15,图7-7内嵌微处理器智能传感器的基本结构,16,7.3传感器数据收集及传输,传感器数据的采集是通过网关来进行的，可以采集模拟信号和数字信号数据。传感器信息系统发给网关的命令主要包括数据采集命令和启动停止命令。采集命令可设置各个传感器采集的频率，启动停止命令控制采集的启动和停止。当收到启动命令后，控制器开始根据相应的采集频率采集各个传感器的数据，接收到停止命令后停止采集数据。,17,7.3.1简单传感器信息系统数据收集及发送,简单的传感器信息系统主要用来管理较小的区域，一般只涉及到一个服务器、一个网关和一定数量的传感器。有时传感器和网关会融合在一起形成一个融合性智能网关设备。另外，服务器和物联网网关也可以融合在一起形成一种独立的传感器管理系统。对于简单的传感器信息系统，网关直接通过有线（RS-232、RS-485、RJ-45）或无线（WiFi、ZigBee、蓝牙）方式从传感器获取数据，在对数据进行初步处理后存入到网关的嵌入式数据库。,18,图7-8Android客户端传感器数据收集和显示,19,7.3.2复杂传感器信息系统数据收集及发送,一方面，复杂传感器信息系统主要用来管理较大区域，且完成复杂的监控任务，一般涉及到一个或多个服务器、多个网关和大量的传感器，比如森林火情监测预警系统等。另一方面，复杂传感器信息系统还指那些需要依靠很多传感器的数据融合来完成复杂的智能决策的系统，比如机器人系统等。对于复杂的传感器系统，每个网关收集来自大量传感器的数据，并将数据实时发送到数据中心。数据中心的服务器往往需要利用多线程编程来实现同时接收来自多个网关的大量实时数据。,20,7.4传感器信息系统应用,常见的传感器信息系统应用领域包括军事侦查、工业自动化、智慧农业、城市数字化管理、环境监测、抢险救灾和危险区域远程控制等。随着传感器技术的快速发展，传感器信息系统在各个领域的应用也受到了广泛的重视。当今世界已经进入实时信息时代，传感器的数据采集、传输和处理技术也越来越成熟，各种基于传感器信息系统的应用也被不断开发出来。传感器信息系统集成了传感器设计及制造技术、嵌入式计算技术、无线局域网和移动通信技术。,21,7.4.1矿井安全监控系统,22,7.4.2工业大气排污监测系统,23,7.4.3水污染监测系统,24,7.4.4楼宇防火监控系统,25,7.4.5农业大棚智能监控系统,26,7.4.6森林防火监控系统,27,7.5小结,传感器信息系统是物联网应用信息系统的重要组成部分。本章首先对传感器信息的背景及分类进行了简介。传感器是建立信息系统的重要设备，本章对传感器的选取与设计进行了一定的介绍。同时，在传感器信息系统建立的过