现代传感器技术12物联网典型应用中的传感器和典型节点方案2016

2020/6/7,1,现代传感器技术面向物联网应用,第五篇物联网典型应用中的传感器和典型节点方案,2020/6/7,2,12.1物联网典型应用中的传感器概况,12.1.0物联网中传感器的主要应用领域(1)物流和安保领域当前最成功的物联网应用领域-货物及流动信息，身份、闯入、危险物、食药质量等安全信息(2)自然或生产环境监测领域野外和生产环境的气象、土壤、水文、地质等的信息(3)设备状态检测领域-位置、运动、振动等的信息(4)过程自动化领域-电压、电流、压力、流量、温度、物位、功率等的检测、计量(5)家居环境与安防领域-智能家居中的环境参量和安全防护信息(6)医疗与人体健康监护领域-人体生理参数、医学检验生化参数等信息,2020/6/7,3,12.1物联网典型应用中的传感器概况,12.1.1智能家居中的传感器智能家居及其功能常见的家用计量传感器常见环境安全监测传感器,2020/6/7,4,12.1.1智能家居中的传感器智能家居及其功能智能家居(智能住宅或电子家庭、数字家园)：利用信息技术，将与家居生活有关的各种子系统经网络连接到一起，满足整个系统的自动化要求，提供更便捷控制管理的系统.,智能家居系统结构,12.1物联网典型应用中的传感器概况,2020/6/7,5,12.1.1智能家居中的传感器1.智能家居及其功能功能（1）防盗报警；（2）防灾报警；（3）求助报警；（4）远程控制；（5）定时控制；（6）短消息收发；（7）联动控制；（8）服务；传感器及其网络系统的作用：（1）家庭自动化（2）实现智能环境,12.1物联网典型应用中的传感器概况,2020/6/7,6,12.1物联网典型应用中的传感器概况,12.1.1智能家居中的传感器2.常见的家用计量传感器自动抄收室内外传感器或仪表的数据成为需求和操作方式1）智能水表：用于自来水、供热水的流量计量及数据远传，常用涡轮流量传感器实现。2）智能电表：实时采集并存储电表信息、无线收发、防窃电以及对电表的通断控制。,智能水表组成原理框图,智能电表内部结构示意图,2020/6/7,7,12.1物联网典型应用中的传感器概况,12.1.1智能家居中的传感器2.常见的家用计量传感器3）智能热表：由流量传感器、微处理器、配对温度传感器组合而成的智能网络热量表4）智能气表：用于人工燃气、天然气、液化气、液化石油气的流量计量及数据远传，可用热流速气体流量传感器等.,智能热表结构图,热流速微传感器原理结构图,2020/6/7,8,12.1物联网典型应用中的传感器概况,12.1.1智能家居中的传感器3.家用环境安全监测传感器安防系统通过网络化传感器实时监测温度、湿度、光照、空气成分，自动调控门窗、空调及其他家电设备，实现家居环境参数自动调节，提供安全、舒适宜人的居住环境。,智能家居环境安全系统的总体架构,按照家居环境和安防需求，智能家居系统安防所需传感器分四类：温湿度、烟雾报警、燃气泄露、家庭防盗等传感器。,2020/6/7,9,12.1物联网典型应用中的传感器概况,12.1.1智能家居中的传感器3.家用环境安全监测传感器1）温湿度传感器：家用温湿度传感器一般宜选用温湿度集成传感器2）火灾探测器：利用敏感元件探测火灾中出现的质量流(可燃或燃烧气体、烟颗粒等)和能量流(火焰、燃烧音)等特征信号。有气敏型、感温型、感烟型、感光型和感声型五大类(表11-1-1)，烟雾报警传感器在火灾探测器中最常用。,离子感烟传感器实物图,温湿度传感器及其内部组成原理框图,2020/6/7,10,12.1物联网典型应用中的传感器概况,12.1.1智能家居中的传感器3.家用环境安全监测传感器3）燃气泄漏传感器:布置在厨房监测燃气泄漏，防止燃气中毒和燃气爆炸事件4）家庭防盗传感器:用于发现有人非法侵入（如盗窃、抢劫），并及时向住户和小区安全保卫部门发出报警信号,可燃性气体检测报警器结构框图,门窗磁式传感器及红外防盗传感器,2020/6/7,11,12.1物联网典型应用中的传感器概况,12.1.2环境监测中的传感器环境监测系统结构物理环境监测参量与传感器化学环境监测参量及传感器,2020/6/7,12,12.1物联网典型应用中的传感器概况,12.1.2环境监测中的传感器1.环境监测系统结构利用传感器网络，可对环境进行不间断的数据搜集。与传统环境监测手段相比，使用传感器网络监测环境有优势。,环境监测系统结构,2020/6/7,13,12.1物联网典型应用中的传感器概况,12.1.2环境监测中的传感器2.物理环境监测参量传感器主要对包括环境的噪声、温湿度、水位、土壤水分以及电导率等环境物理量的监测(a)环境噪声监测:噪声传感器实际上是传声器(b)水位/液位监测,环境噪声监测系统前端噪声传感器结构,环境噪声传感器,2020/6/7,14,12.1物联网典型应用中的传感器概况,12.1.2环境监测中的传感器2.理环境监测参量传感器(c)土壤水分监测:都是基于被测介质中表观介电常数随土壤含水量变化，方法主要包括时域反射法(TDR)、时域传播法(TDT)、频域反射法(FDR)、驻波比法(SWR)、高频电容探头法(d)电导率监测:根据测量原理与方法的不同，电导率传感器可分为电极型、电感型以及超声波等电导率传感器,FDR土壤水分传感器及其探头,电极型和电感型电导率传感器,2020/6/7,15,12.1物联网典型应用中的传感器概况,12.1.2环境监测中的传感器3.化学环境监测参量及传感器环境中化学量的监测，主要包括有害气体浓度监测、pH值监测、溶解氧监测、总有机碳（TOC）监测等(a)有害气体浓度监测:通过可检测有害气体浓度的传感器来检测所处环境中的目标气体的成分和含量。通过可测多种气体的色谱检测传感器组件解决物联网用传感器体小、量轻、低功耗、高分辨率、易操作、远程输出结果等要求。(b)水质监测:包括pH值、溶解氧量、电导率、总有机碳（TOC）、浊度等一系列参量的综合性检测，通常使用水质监测系统来完成，该系统需有相应参数监测的传感器。,2020/6/7,16,12.1物联网典型应用中的传感器概况,12.1.3健康监护中的人体生理量传感器1）常见生理参数测量及其特殊性人体生理参数有生物电参数和非电参数，实质是对基本电量和温度、压力、流量、位移等非电参数的测量。但生命系统的信号特征量与一般工程物理量的测量有本质不同，需注意生理量测量的特殊性对系统的影响与要求需考虑的特殊性：(1）人体生理信息测量条件-生理量参数的测量范围(2）生物医学测量的强噪声背景(3）测量的安全性考虑(4）测量中施加于人体的各种能量的限制(5）测量的精确度和可靠性的要求(6）考虑的最主要的安全问题-测量中的电流防护,2020/6/7,17,12.1物联网典型应用中的传感器概况,12.1.3健康监护中的人体生理量传感器2.生理压力测量1）血压近年来，血压监护仪和自动电子血压计大都采用示波法间接测量血压。它通过建立收缩压、舒张压、平均压与袖套动脉压力波的关系来判别血压。其中，压力传感器可选精度高、体积小、信号易处理的硅压阻式集成压力传感器。2）脉搏*,示波法测量血压示意图,2020/6/7,18,12.1物联网典型应用中的传感器概况,12.1.3人体健康监护中的传感器2.典型参数测量和传感器3）脑电大脑皮层的神经元具有自发生物电活动，因此大脑皮层经常具有持续的节律性电位改变，称为自发脑电活动。临床上用双极或单极记录方法在头皮上观察皮层的电位变化，所得脑电波称为脑电图，直接在皮层表面引起的电位变化称为皮层电图。生医学电极按工作性质可分为检测和刺激两类电极，其中检测电极是敏感元件。4）心电(测试方法类似测脑电，采用三个以上的多电极)5）肌电肌电图反映肌肉神经系统生物电活动的波形图，从肌细胞外用电极导出肌肉运动单位的动作电位得到肌电图,2020/6/7,19,12.1物联网典型应用中的传感器概况,12.1.3人体健康监护中的传感器2.典型参数测量和传感器6）生理流体量测量例如血管中的血流速度；生理流量测量常用超声传感器。7）体温测体温可选择薄膜铂电阻做敏感元件，它适合测量精度要求较高的应用需求。在一些场合（如海关、码头、机场）需用非接触式温度测量，红外辐射计和红外热像仪主要用于测皮肤温度，微波辐射计测量微波频段的热辐射，用于测人体深部组织的温度。8）血氧饱和度9）呼吸速率,超声流量传感器工作原理图,2020/6/7,20,12.2传感器网络节点典型方案示例,12.2.1可持续监测振动的低功耗无线传感器节点1）背景a)节点的一般构成与功耗分布特点：四大模块，电压、功率b)节点低功耗设计的一般技术：低占空比、传感模块的功耗c)传感器持续工作与低能耗的矛盾：性能需求、能耗大小2）实现节能的节点构成设计持续监测振动的无线节点低功耗设计思路:(a)采用低能耗的自源型传感器持续监测，起触发作用，当目标出现时，采用能量耗费多的外源型传感器保证精度要求。(b)节点各模块要有不同功耗的工作模式及工作电压极电流，因而按需调整电源。,2020/6/7,21,12.2传感器网络节点典型方案示例,12.2.1可持续监测振动的低功耗无线传感器节点2）实现节能的节点构成设计(1)节能节点构成方案,可持续监测振动的无线传感器网络节点装置组成结构,2020/6/7,22,12.2传感器网络节点典型方案示例,12.2.1可持续监测振动的低功耗无线传感器节点2）实现节能的节点构成设计(2)各模块内关键器件的功能控制方案-兼顾节能,模块内关键器件的功能控制结构方案,2020/6/7,23,12.2传感器网络节点典型方案示例,12.2.1可持续监测振动的低功耗无线传感器节点2）实现节能的节点构成设计(3)主要节能设计不同传感器组合+适应负载的多源多方式供电策略+超低功耗开关控制切换有效性:,多源多方式选择供电的节点电源模块电路方案,2020/6/7,24,12.2传感器网络节点典型方案示例,12.2.2一种灌区监测无线传感网络节点方案1）背景目的：实现水资源合理配置和灌溉的优化调度需求：采集水位、雨量、闸位、土壤含水率等信息特点：监测点检测参量不一、且分布于野外、农田2）灌区监测网络系统结构与传感节点功能结构：传感、汇聚、管理三种节点组成的无线传感网系统功能：负责水位、闸位、雨量、土壤含水量等现地信息的采集和传输,2020/6/7,25,12.2传感器网络节点典型方案示例,12.2.2一种灌区监测无线传感网络节点方案3)节点构成与低功耗节点设计(1)节点构成:(2)低功耗设计关键：传感器选型、现地信号处理,传感器节点硬件结构,2020/6/7,26,12.2传感器网络节点典型方案示例,12.2.2一种灌区监测无线传感网络节点方案3)节点构成与低功耗节点设计(3)低功耗设计关键之传感器选型雨量监测节点：基于可靠性和野外恶劣环境下工作的优势和输出为光电脉冲信号，选择翻斗式雨量计；水位/闸位节点：光电编码器型土壤含水量节点：选用FDR型；理由：具有方便、快速、不扰动土壤、工作频率和测量范围宽、不受滞后影响、精度高。,传感器节点的核心硬件框图,2020/6/7,27,12.2传感器网络节点典型方案示例,12.2.3穿戴式健康监护传感器节点方案1）背景穿戴式医疗/健康监护设备将生理参数检测技术和人们日常穿戴的衣物相融合，在自然状态下获取基本生理参数。可穿戴设备可在持续、实时获取生命参数的同时，将数据传送远端医疗监护中心，实现诊断或报警，并使受测对象感到方便或舒适。目前，各种穿戴式检测设备正不断涌现，如耳挂式血氧饱和度检测装置、手表式、戒指式、手套式、腕带式等检测设备以及智能衫等。,2020/6/7,28,12.2传感器网络节点典型方案示例,12.2.3穿戴式健康监护传感器节点方案1）背景Intel公司的Self-managing可穿戴生命信息健康监测系统，可实现同时多人多参数监测，无需人工干预。系统由可穿戴的生命信息检测模块、低功耗数据采集和处理模块以及无线收发模块组成。,2020/6/7,29,12.2传感器网络节点典型方案示例,12.2.3穿戴式健康监护传感器节点方案2）穿戴式生理参数的检测及要求不同生理参数的信号强弱等特征和测量方法不相同，实现穿戴式监护，必须有可穿戴式传感器来实现参量检测，并达到规定的准确性和可靠性检测质量要求。除了要满足检测质量要求外，穿戴式检测还需做到穿戴舒适、携带方便、自然美观。因此，穿戴式设备还应体积小、质量轻、功耗低。对心电、血氧和呼吸等信号的穿戴式检测，需进行针对性设计，以保证采集信号的准确性，并兼顾对节点尺寸和功耗的限制要求。,2020/6/7,30,12.2传感器网络节点典型方案示例,12.2.3穿戴式健康监护传感器节点方案3）系统结构和节点构成穿戴式监护系统根据其应用环境不用，网络规模、结构以及管理等都会有所不同。面向家庭健康监护的系统的硬件主要包括网络协调器和可穿戴的生理量检测传感器节点两部分。节点结构:,生理参数传感器节点结构,2020/6/7,31,12.2传感器网络节点典型方案示例,12.2.3穿戴式健康监护传感器节点方案4）生理参数采集模块设计(1)心电信号特点与设计思路人体心电信号微弱、低频、易受人体、仪器及环境影响，这些决定了放大器设计要达到：高共模抑止比、高输入阻抗、低噪声、低漂移、固定通带频率响应。穿戴式心电检测只需监护心电的基本情况，不需诊断分析，因此可裁剪传统心电模块。很多情况下只关心信号中R波的完整性，其能量主要集中在0.530Hz，可采用截止频率35Hz的三导联穿戴式心电模块，在保证工频干扰抑制的同时，最大程度保留心电信号的主要能量信息，并缩小心电模块的体积。,2