传感器应用技术（下篇共上中下3篇）

传感器应用技术北京出版社目录CONTNETS1初识传感器2温度传感器3湿度传感器4力敏传感器5光敏传感器目录CONTNETS6气敏传感器7磁敏传感器8超声波传感器9无线传感器网络项目七磁敏传感器01认识磁敏传感器一、磁场与电磁感应定律当导体在稳定均匀的磁场中，沿垂直于磁场方向作切割磁力线运动时，导体内将产生感应电动势。这就是电磁感应定律。（二）电磁感应定律磁感应强度：描述磁场强弱和方向的物理量，是一个矢量，用B表示，国际通用单位为特斯拉（符号为T）。（一）磁场参量一、磁场与电磁感应定律（二）电磁感应定律对于一个N匝的线圈，设穿过线圈的磁通为Φ，则线圈内的感应电动势将与Φ的变化速率成正比，即

（7-1）如果线圈相对于磁场的运动速度为υ或角速度ω时，则式（7-1）可改写为式中，B——线圈所在磁场的磁感应强度；L——每匝线圈的平均长度；A——每匝线圈的平均截面积。二、磁敏传感器的定义与分类磁敏传感器又称为磁电传感器，是一种利用电磁感应原理将被测量（如振动、位移、转速等）转换成电信号的器件或装置。磁敏传感器不需要辅助电源就能把被测对象的机械量转换成易测量的电信号，属于有源传感器。由于磁敏传感器的输出功率较大且性能稳定，并具有一定的工作带宽（10～1000Hz），因此更适用于转速、振动、位移及扭矩等测量。（一）磁敏传感器的定义通常，磁敏传感器可分为磁电感应式传感器和磁电效应传感器两大类。磁电感应式传感器主要是基于电磁感应定律，利用导体和磁场的相对运动在导体两端产生感应电动势；而磁电效应则是指材料在外磁场的作用下产生诱导磁化的现象，常见的磁电效应传感器主要包括磁敏电阻、磁敏二极管、磁敏三极管和霍尔元件等。磁敏传感器具有结构简单、响应速度快、高可靠性、可实现非接触测量等一系列优点，可广泛用于直接对压力、液位、振动、速度、位置检测等测量系统中。（二）磁敏传感器的分类0102三、磁敏电阻及其应用（一）磁阻效应在通有电流的金属或半导体上施加磁场时，其电阻值将发生明显变化，这种现象称为磁致电阻效应，也称磁阻效应。在磁场作用下，半导体片内电流分布是不均匀的，改变磁场的强弱就影响电流密度的分布，故表现为式中，ρ0——零磁场时的电阻率；Δρ——磁感应强度为B时电阻率的变化量；K——比例因子；μ——电子迁移率；B——磁感应强度；f（L/b）——形状效应系数；L，b——分别为磁敏电阻的长（沿电流方向）和宽。磁阻效应与材料性质及几何形状有关，一般迁移率大的材料，磁阻效应愈显著；元件的长宽比越小，磁阻效应越大。三、磁敏电阻及其应用（二）磁敏电阻磁敏电阻常选用锑化铟（InSb）、砷化铟（InAs）和锑化铌（NiSb）等半导体材料，在绝缘基片上蒸镀薄膜的半导体材料，也可在半导体薄片上光刻或腐蚀成型（栅状结构）。半导体材料的磁阻效应包括物理磁阻效应和几何磁阻效应，其中物理磁阻效应又称为磁电阻率效应。磁敏电阻主要用于测定磁场强度、频率和功率等测量、运算、控制以及信息处理等领域，并可用于制作无触点开关等。1.磁敏电阻的结构与电路符号磁敏电阻元件多采用片形膜式封装结构，有两端、三端（内部有两只串联的磁敏电阻）之分。在磁通密度改变时，它的阻值会随之产生变化，图7-1为磁敏电阻的结构与等效电路。磁敏电阻器的文字符号：用“MR”或“R”表示。三、磁敏电阻及其应用（二）磁敏电阻2.磁敏电阻的特性与主要参数作为磁场参数检测元件，磁敏电阻只能检测磁力的大小，而不能判断磁场的极性，只有配合辅助材料（磁钢）才能具备识别磁极的能力。磁敏电阻在无偏置磁场时的输出特性曲线如图7-2所示。在无偏置磁场情况下检测磁场时与磁场极性无关，此时的磁敏电阻只有大小的变化，不能判断磁极性。当磁敏电阻在外加偏置磁场时，相当于在检测磁场中外加了偏置磁场，其输出特性如图7-3所示。在偏置磁场的作用下，工作点移到线性区，此时的磁场灵敏度得到提高，磁场极性也作为电阻值的变化表现出来。通过图7-3可以看出，磁敏电阻在弱磁场时，磁阻比与磁感应强度的平方成正比；在强磁场时，则与磁感应强度成正比。三、磁敏电阻及其应用（二）磁敏电阻3.磁敏电阻的典型应用磁敏电阻器一般用于磁场强度、漏磁的检测，或在交流变换器、频率变换器、功率电压变换器、位移电压变换器等电路中作控制元件；还可用于接近开关、磁卡文字识别、磁电编码器、电动机测速、阀门位置控制等方面。在实际应用中，通常在衬底上做两个相互串联的磁敏电阻，或四个磁敏电阻接成电桥的形式，以用于不同的场合。三、磁敏电阻及其应用（三）巨磁电阻2.巨磁电阻传感器的工作原理巨磁电阻（GMR）传感器在实际应用中通常采用电桥结构，即将四个巨磁电阻（GMR）构成惠斯通电桥。4.巨磁电阻的典型应用巨磁电阻不仅在读出磁头方面获得广泛的应用，还可在测量位移、角度等传感器中发挥作用，也可广泛地应用于数控机床、汽车导航、非接触开关和旋转编码器等领域。3.巨磁电阻使用时的注意事项巨磁电阻传感器作为一种有源器件，其工作必须提供5～20V的直流电源，而且该电源的稳定性直接影响传感器的测试精度，因此要求提供稳压电源。1.巨磁阻效应巨磁电阻效应来自载流电子的不同自旋状态与磁场的作用不同，因而导致电阻值的变化。三、磁敏电阻及其应用（四）磁敏电阻综合应用近年来，巨磁电阻传感器在道路车辆参数检测系统中获得了广泛的应用。众所周知，地球磁场的强度大约在0.5～0.6高斯，而且地球磁场在很广阔的区域内（大约几千米）其强度保持恒定。当一个铁磁性物体（如汽车）置身于磁场中时，它将会使磁场产生扰动，原理如图7-5所示。此时，如果将巨磁电阻传感器放置于被测行进的汽车附近，则当汽车在道路上正常行驶时，便可以利用巨磁电阻传感器测量出地磁场强度的变化，从而对车辆的相关运行参数进行测量与判断。02常见磁敏传感器及应用一、干簧管（一）干簧管的作用与结构干簧管又称磁簧管、舌簧管，是一种对磁场敏感的特殊开关。干簧管通常有两个软磁性材料做成的、无磁时处于断开状态的金属簧片触点，有的还有第三个作为动断触点的簧片。这些簧片触点被封装在充有惰性气体（如氮、氦等）或真空的玻璃管里，玻璃管内平行封装的簧片端部相互重叠，并留有一定间隙或相互接触，以构成开关的动合或动断触点。干簧管与一般机械开关相比，具有结构简单、体积小、速度快、工作寿命长等优点；而与电子开关相比，它又有抗负载冲击能力强、工作可靠性高等特点。（二）干簧管的工作原理干簧管在工作时，由永磁铁或线圈产生的磁场施加于干簧管上，使干簧管的两个舌簧片磁化而动作。当磁性物质靠近干簧管或线圈通电时，干簧管中两舌簧片的自由端分别被磁化成N极和S极，而相互吸引，接通被控制的电路；而当磁性物质远离干簧管或线圈断电时，舌簧片在本身弹力作用下分开复位，控制电路被断开。干簧管用永磁体驱动时，可反映非电信号，用于限位及行程控制、非电量检测等领域，常做成磁控开关，用于报警装置、门磁开关等。当干簧管用线圈驱动时，即可作为继电器使用。二、磁敏晶体管1.磁敏二极管的结构与特性磁敏二极管是一种PIN型的磁敏元件，由硅或锗材料制成。其结构与电路符号如图7-8所示。（一）磁敏二极管P型和N型电极由高阻材料制成，I为本征区。I区的r面粗糙，设置成高复合区（r区），目的是使电子-空穴对易于在粗糙表面复合而消失；另一面则比较光滑。磁敏二极管的主要特性包括伏安特性、磁电特性、温度特性等。（1）伏安特性。在给定的磁场下，磁敏二极管正向偏压与偏流的关系称为磁敏二极管的伏安特性，如图7-9所示。（2）磁电特性。磁敏二极管的磁电特性是指磁敏二极管输出电压变化量与外加磁场的关系。（3）温度特性及补偿。磁敏二极管的温度特性是指在标准测试条件下，输出电压变化量与温度变化的关系曲线。由于磁敏二极管是由锗和硅材料制成的，因而受温度的影响较大，在使用磁敏二极管时，必须进行温度补偿。二、磁敏晶体管（一）磁敏二极管2.磁敏二极管的工作原理磁敏二极管的工作原理如图7-13所示。当磁敏二极管受到外界磁场H+作用时，电子和空穴受到洛仑兹力的作用向r区偏转，电子和空穴复合速度加快，所形成的电流减小；当磁敏二极管受到外界磁场H-作用时，电子和空穴受到洛仑兹力的作用向I区偏转，电子和空穴复合速度减慢，所形成的电流增大。二、磁敏晶体管1.磁敏三极管的结构与特性磁敏三极管是基于磁敏二极管的工艺技术，有NPN型和PNP型两种，使用材料也分为硅和锗两种。NPN型磁敏三极管的结构与电路符号如图7-14所示。如果外加正向偏压，即P区接正、N区接负，那么将会有大量空穴从P区注入I区，同时也有大量电子从N区注入I区，如将这样的磁敏三极管置于磁场中，则注入的电子和空穴都要受到洛仑兹力的作用而向一个方向偏转，当磁场方向使电子和空穴向r面偏转时，它们将因复合而消失，因而电流很小；当磁场方向使电子和空穴向光滑面偏转时它们的复合率变小，电流就大。2.磁敏三极管的工作原理磁敏三极管是在磁敏二极管的基础上设计的一种磁电转换器件。磁敏三极管又称磁敏晶体管或磁三极管，是20世纪70年代发展起来的新型半导体磁电转换器件，主要用于磁检测、无触点开关和近接开关等。磁敏三极管是在磁敏二极管的基础上设计的长基区三极管。（二）磁敏三极管三、霍尔传感器霍尔传感器是基于霍尔效应制作而成的一类磁性传感器。所谓霍尔效应，是指当载流导体或半导体处于与电流相垂直的磁场中时，在其两端将产生电位差的现象。霍尔效应产生的电动势称为霍尔电动势。霍尔效应的原理如图7-16所示。若在一块长为l、宽度为b、厚度为d的长方形导电板上，于两对垂直侧面装设电极。若在长度方向上通入控制电流I，在厚度方向上施加磁感应强度为B的磁场，那么导电板中的自由电子在电场作用下定向运动，此时每个电子受到洛伦兹力fL的作用，其大小为fL=evB式中，e——电子电荷；υ——电子平均运动速度；B——磁感应强度。（一）霍尔效应三、霍尔传感器1.霍尔元件的结构与材料霍尔元件为三端或四端器件，由霍尔片、引线和壳体组成，其结构如图7-17所示。（二）霍尔元件霍尔片是一块矩形半导体单晶薄片，尺寸一般为4mm×2mm×0.1mm，在长度方向上焊接有两根控制电流端引线（ab），它们在薄片上的焊点称为激励电极；在薄片另两侧端面的中央以点的形式对称焊有两根输出引线（cd），相应在薄片上的焊点称为霍尔电极。霍尔元件壳体是由非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装而成的。三、霍尔传感器2.霍尔元件的主要特性与基本参数（二）霍尔元件（1）线性特性与开关特性。（9）霍尔电压。（6）控制电流。（3）温度特性。（8）灵敏度。（5）输出阻抗。（2）负载特性。（7）不等位电动势。（4）输入阻抗。三、霍尔传感器（三）霍尔传感器的组成与分类1.霍尔传感器的组成霍尔元件输出的电动势一般都很小，并且容易受温度变化的影响。随着半导体工艺的不断发展，现已经将霍尔元件、放大器、温度补偿电路及稳压电源等制作在一个芯片上，制成霍尔集成传感器，简称霍尔传感器。2.霍尔传感器的分类根据霍尔传感器的输出特性，其可分为线性型霍尔传感器、开关型霍尔传感器和锁键型霍尔传感器三种大类。三、霍尔传感器（三）霍尔传感器的组成与分类2.霍尔传感器的分类根据霍尔传感器的输出特性，其可分为线性型霍尔传感器、开关型霍尔传感器和锁键型霍尔传感器三种大类。（1）线性型霍尔传感器。线性型霍尔传感器的输出电动势与外加磁场强度在一定范围内呈近似的线性关系，如图7-19所示。（2）开关型霍尔传感器。开关型霍尔传感器的内部结构主要由稳压器、霍尔元件、差分放大器、整形电路（施密特触发器）和开关输出等电路组成，其输出为数字量。（3）锁键型霍尔传感器。锁键型霍尔传感器是开关型霍尔传感器的一种特殊形式，它的输出也是数字量。锁键型霍尔传感器的特性如图7-22所示。三、霍尔传感器霍尔传感器的基本测量电路如图7-23所示。在图7-23中，电源E提供激励电流，可变电阻用于调节激励电流的大小，RL为输出霍尔电动势的负载电阻，一般用于表征显示仪表、记录装置或放大器的输入阻抗。（四）霍尔传感器应用2.开关型霍尔传感器应用开关型霍尔传感器，主要用于测量转数、转速、风速、流速、接近开关、关门告知器、报警器、自动控制电路等。1.线性型霍尔传感器应用（1）电流传感器。（2）位移测量。（3）压力测量。感谢观看传感器应用技术北京出版社目录CONTNETS1初识传感器2温度传感器3湿度传感器4力敏传感器5光敏传感器目录CONTNETS6气敏传感器7磁敏传感器8超声波传感器9无线传感器网络项目八超声波传感器01认识超声波传感器一、超声波的特性（一）声波声波是声音的传播形式，是一种机械波，由物体振动产生。当声源在介质中施力方向与波在介质中传播方向不同时，声波的波形也不同。声波按照频率范围的不同可分为次声波、声波和超声波等。其中，频率在20Hz～20kHz的机械波能够被人耳所听到，称为可闻声波，简称声波；频率低于20Hz的机械波称为次声波；频率高于20kHz的机械波称为超声波。次声波与超声波都是人耳无法听到的声波。各类声波的频率范围如图8-1所示。一、超声波的特性（二）超声波的物理性质由于声源在介质中施力方向与波在介质中传播方向的不同，声波的波形也有所不同。1.超声波的波形超声波为直线传播方式，频率越高，就越接近光学的反射、折射等特性。因此可利用这些性质制成超声波传感器。2.超声波的特性超声波在不同介质中的传播速度是不同的，而且超声波在通过两种不同的介质时也会产生折射和反射现象。3.超声波的传播速度231二、超声波传感器（一）超声波传感器的定义与分类利用超声波在超声场中的物理特性和各种效应研制而成的器件或装置，称为超声波传感器，也称为超声波探测器、换能器、探头。超声波传感器在工业、国防、生物医学和现实生活中均获得广泛的应用。超声波传感器按原理不同，可分为压电式、磁致伸缩式、电磁式等多种类型，其中最常用的是压电式超声波传感器。二、超声波传感器（二）超声波传感器的工作原理1.压电式超声波传感器压电式超声波传感器是利用压电材料的压电效应原理工作的。压电材料通常可分为无机压电材料和有机压电材料两大类。无机压电材料分为压电晶体和压电陶瓷；有机压电材料又称压电聚合物，如聚偏氟乙烯（PVDF)（薄膜）及其为代表的其他有机压电（薄膜）材料。2.磁致伸缩式超声波传感器铁磁材料在交变磁场中沿着磁场方向产生伸缩的现象，被称为磁致伸缩效应。磁致伸缩效应的强弱即材料伸长缩短的程度，会因铁磁材料的不同而不同。用作磁致伸缩传感器的材料主要有铝铁合金、铁钴合金、镍钴合金以及铁氧体等。三、超声波传感器的结构与性能指标压电式超声波传感器主要由压电晶片、吸收块（阻尼块）、保护膜、引线等组成。压电晶片多为圆板形，厚度为δ。超声波频率f与其厚度δ成反比关系。压电晶片的两面镀有银层，作导电的极板。阻尼块的作用是降低晶片的机械品质，吸收声能量。如果没有阻尼块，当激励的电脉冲信号停止时，晶片将会继续振荡，致使超声波的脉冲宽度加长，使分辨率降低。（一）超声波传感器的结构1.工作频率工作频率就是压电晶片的共振频率。2.工作温度由于压电材料的居里点一般比较高，特别是诊断用超声波探头使用功率较小，所以工作温度比较低，可以长时间地工作而不失效。3.灵敏度灵敏度反映了换能器在谐振频率下接收或检测微弱回波信号的能力，主要取决于制造晶片本身。机电耦合系数大，则灵敏度高；反之，灵敏度低。（二）超声波传感器的性能指标010202超声波传感器的转换电路一、超声波发射电路超声波换能器驱动脉冲电路需要产生方波信号，可以用两块555集成电路组成超声波发射电路，如图8-5所示。二、超声波接收电路的反射信号放大电路超声波接收电路包括超声波接收头和由NJM4580D芯片组成的超声波信号的检测和放大电路。反射回来的超声波信号经放大器4580的两级放大1000倍（60dB），其中第一级放大100倍（40dB），第二级放大10倍（20dB）。由于一般的运算放大器需要正、负对称电源，而该装置电源使用的是单电源（9V）供电，为保证其可靠工作，这里用R10和R11进行分压，这时在4580的同相端有4.5V的电压，这样可以保证放大的交流信号的质量，避免产生信号失真。其电路连接图如图8-9所示。03超声波传感器的应用一、超声波测厚用超声波测量金属零件的厚度，具有测量精度高、操作简单、可连续自动检测等优点。超声波探头与被测物体表面接触，主控制器用一定频率的脉冲信号激励压电式探头，使之产生重复的超声脉冲。脉冲被传到被测工件另一面时被会反射回来，并由同一探头接收。如果超声波在工件中的声速c是已知的，设工件厚度为d，脉冲波从发射到接收的时间间隔Δt可以测量，因此可求出工件厚度二、超声波测物位将存于各种容器内的液体表面高度及所在的位置称为液位。固体颗粒、粉料、块料的高度或表面所在位置称为料位，二者统称为物位。超声波测物位属于非接触式连续测量，安装方便，不受被测介质影响，在物位仪表中越来越受到重视。图8-12为超声液面传感器的工作原理图。探头发出的超声脉冲通过介质到达液面，经液面发射后又被探头接收。通过测量发射与接收超声脉冲的时间间隔和介质中的传播速度，即可求出探头与液面之间的距离。三、超声波测流量（一）传播时间差式的超声流量计当声波在流动的液体中传播时，如顺流方向传播，则声波的速度会增大；当逆流方向传播时，则声波的速度会减小，从而有不同的传播时间。传播时间差式的超声流量计正是根据这样一个基本的物理现象而工作的。通过测量两种不同的传播时间，就可以推算管道中流体的流速。在工程实际中，为了更好地估算平均流速和平均体积流量，采用的传声通道已多达四个。（二）多普勒式超声流量计多普勒式超声流量计是利用流体中的散射体（微粒物质）对声能的反射原理工作的，即在某一流速的微粒中发射超声波信号，并由接收器接收从微粒子反射回来的超声波信号，通过测量多普勒频移来确定流速，从而得出体积流量。可以用一个探头既作发射器，又作换能器，也可以用两个探头，一个作发射器，另一个作换能器。四、超声波探伤（一）透射式透射式探伤是根据超声波穿透工件后能量的变化状况来判断工件内部质量的方法。透射式探伤将两个探头分别置于工件相对两面，一个发射声波，一个接收声波。发射波可以是连续波，也可以是脉冲。其结构如图8-14所示。当工件内部无缺陷时，接收能量大，输出电压大；当工件内部有缺陷时，因部分能量被反射，接收能量小，输出电压小。根据能量的变化可判断有无缺陷。但是此法探测灵敏度较低，不能发现小缺陷，且不能定位，此法适宜探测超声波衰减大的材料，适宜探测薄板。另外，透射式探伤对两探头的相对距离和位置要求较高。四、超声波探伤（二）反射式反射式探伤是以声波在工件中反射后能量的不同来探测缺陷的。反射式探伤可分为一次脉冲反射法和多次脉冲反射法。四、超声波探伤（二）反射式1.一次脉冲反射法高频脉冲发生器产生脉冲加在探头上，使其产生超声波。超声波向工件内部传播时，一部分遇到缺陷被反射回来（缺陷波F），另一部分传至工件底面后也被反射回来（底波B），都被探头接收后又变为电压脉冲。反射波T、缺陷波F以及底波B被放大后，会在荧光屏上显示出来。荧光屏上的水平亮线为扫描线，其长度与时间成正比。由发射波、缺陷波以及底波在扫描线上的位置，可确定缺陷的位置。2.多次脉冲反射法多次脉冲反射法是以多次底波为依据进行探伤的方法。声波由底部反射回探头时，一部分声波被探头接收，另一部分折射回底部，这样往复反射，直至声能衰减为止。若工件中无缺陷，则荧光屏上出现呈指数曲线递减的多次反射底波；若工件内有吸收性缺陷时，声波在缺陷处的衰减很大，底波反射的次数减少，甚至消失，以此判断有无缺陷。当工件为板材时，一般常用多次脉冲反射法进行探伤。五、超声波清洗超声波清洗的原理是通过换能器，将功率超声频源的声能转换成机械振动，再通过清洗槽壁将超声波辐射到槽子中的清洗液。由于受到超声波的辐射，使槽内液体中的微气泡能够在声波的作用下保持振动，破坏污物与清洗件表面的吸附，引起污物层的疲劳破坏而被剥离，利用气体型气泡的振动对固体表面进行擦洗。超声波清洗主要应用于纺织印染、医药、机械、光学、表面喷涂处理、钟表首饰等行业。感谢观看传感器应用技术北京出版社目录CONTNETS1初识传感器2温度传感器3湿度传感器4力敏传感器5光敏传感器目录CONTNETS6气敏传感器7磁敏传感器8超声波传感器9无线传感器网络项目九无线传感器网络01认识无线传感器网络一、无线传感器网络无线传感器网络的出现即引起了全世界的广泛关注。最早开始研究无线传感器网络技术的是美国军方，此后美国国家自然科学基金委员会设立了大量与其相关的项目，英特尔、波音、摩托罗拉以及西门子等公司也较早开展了无线传感器网络的研究。无线传感器网络是由散布在工作区域中大量的体积小、成本低，且具有无线通信、传感和数据处理能力的传感器节点组成的。每个节点可能具有不同的感知形态，如声波、震动波、红外线等，节点可以完成对目标信息的采集、传输，从而完成区域监控、目标跟踪、定位和预测等任务。每一个节点都具有存储、处理、传输数据的能力。通过无线网络，传感器节点之间可以相互交换信息，也可以把信息传送到远程端。二、无线传感器网络的体系结构一个典型的无线传感器网络的系统架构，包括分布式无线传感器节点（群）、汇聚节点、互联网（或通信卫星）和任务管理节点等，如图9-2所示。二、无线传感器网络的体系结构（一）传感器节点传感器节点是无线传感器网络的基本功能单元。传感器节点基本组成，包括数据采集模块、数据处理和控制模块、通信模块、电源模块，如图9-3所示。数据采集模块用于感知、获取监测区域内的信息，并将其转换成数字信号，它由传感器和A/D转换器组成；数据处理和控制模块负责控制和协调节点各部分的工作，存储和处理自身采集的数据以及其他节点发来的数据，它由嵌入式系统构成，包括微处理器、存储器等；通信模块负责与其他传感器节点进行通信，交换控制信息，收发、采集数据，它由无线收发器、MAC层、网络组成；电源模块能够为传感器节点提供正常工作所必需的能源，通常采用微型电池。此外，传感器节点还包括其他辅助单元，如移动系统、定位系统和自供电系统。由于传感器节点采用电池供电，一旦电能耗尽，节点就失去了工作能力。为了最大限度地节约电能，在硬件设计方面，要尽量采用低功耗器件，在没有通信任务时，切断射频部分电源；在软件设计方面，隔层通信协议都应该以节能为核心，必要时可以牺牲其他的一些网络性能指标，以获得更高的电源效率。二、无线传感器网络的体系结构（二）传感器节点的限制传感器节点体积微小，通常携带能量十分有限的电池。由于传感器节点个数多、成本要求低、分布区域广，而且部署区域环境复杂，有些区域甚至人员无法到达，所以传感器节点通过更换电池来补充能源是不现实的。1.电源能量有限无线通信的能量消耗E与通信距离d的关系为E=kdn，式中，k是一个常量，这个值不是确定的，不同的产品k值也不同。参数n满足关系式2＜n＜4。2.通信能力有限传感器节点是一种微型嵌入式设备，要求它价格低、功耗小，这必然导致其携带的处理器能力比较弱，存储器容量比较小。然而，为了完成各种任务，传感器节点需要完成监测数据的采集和转换、数据的管理和处理、应答汇聚节点的任务请求和节点控制等多项工作。3.计算和存储能力有限010203二、无线传感器网络的体系结构（三）无线传感器网络的网络特征2.自组织网络在传感器网络使用过程中，部分传感器节点由于能量耗尽或环境因素而失效，也有一些节点为了替代失效节点、提高监测精度而补充到网络中。4.可靠的网络传感器网络特别适合部署在恶劣环境或人类难以抵达的区域。传感器节点可能在露天环境中作业，遭受太阳的暴晒或风吹雨淋，甚至遭到无关人员或动物的破坏。3.动态性网络（1）环境因素或电能耗尽造成的传感器节点出现故障或失效。（2）环境条件变化可能造成无线通信链路带宽变化，甚至时断时通。1.大规模网络一方面是指传感器节点分布在广阔的地理区域，如在原始森林采用传感器网络进行森林防火和环境监测时，需要部署大量的传感器节点；另一方面，是指传感器节点部署很密集，如在面积不是很大的空间内，密集部署了大量的传感器节点。02典型无线通信技术一、Wi-Fi（1）无线电波的覆盖范围广。（2）虽然由Wi-Fi技术传输的无线通信质量不是很好，数据安全性能比蓝牙差一些，传输质量也有待改进，但传输速度非常快，可以达到11Mbit/s，符合个人和社会信息化的需求。（3）厂商进入该领域的门槛比较低。（三）技术特点绝大多数智能手机、平板电脑和笔记本电脑都支持Wi-Fi上网，Wi-Fi是当今使用最广的一种无线网络传输技术。（一）应用一般架设无线网络的基本配备就是无线网卡及一台AP。AP为AccessPoint的简称，一般翻译为“无线访问接入点”或“桥接器”。（二）组成结构二、蓝牙蓝牙技术（Bluetooth）是在1998年5月，由世界著名的5家大公司——爱立信（Ericsson)、诺基亚（Nokia)、东芝（Toshiba)、国际商用机器公司（IBM）和英特尔（Intel)，联合发布的一种新型无线通信技术。蓝牙能在包括移动电话、PDA、无线耳机、计算机、相关外设等众多设备之间进行无线信息交换。利用蓝牙技术，能够有效地简化移动通信终端设备之间的通信。目前，蓝牙技术在物联网中应用得并不是很广泛，因其主要有如下缺点。010302（2）蓝牙的连接过程较为烦琐。（1）蓝牙的功耗问题。（3）蓝牙的安全性存在隐患。添加大标题内容三、ZigBee每个ZigBee网络模块终端，只要它们彼此间在网络模块的通信范围内，通过彼此自动寻找，很快就可以形成一个互联互通的ZigBee网络。（一）ZigBee的自组织网通信方式1.低功耗

2.低成本3.低速率

4.传输距离灵活5.短时延

6.高容量7.高安全性8.免执照频段（二）ZigBee的主要特点IEEE802.15.4工作组主要负责制定物理层（PHY层）和媒介层（MAC层），其他协议主要参照和采用现有的标准。（三）ZigBee的通信协议123四、3G/4G/5G3G/4G/5G技术主要用于设备上网，适用无人值守或者偏远地区，没有有线网络但数据又需要传输到互联网的单个或者少量设备场景，如街边的无人售货机、蜂巢储物柜等。但是，使用3G/4G/5G技术的设备通常需要使用SIM卡，并需要支付给运营商流量费。五、NB-IoT窄带物联网（NarrowBandInternetofThings，NB-IoT）构建于蜂窝网络，仅消耗大约180kHz的带宽，可直接部署于GSM网络或LTE网络，实现平滑升级。六、LoRaLoRa是Semtech公司提出的低功耗局域网无线标准，它最大特点就是在同样的功耗条件下比其他无线方式传播的距离更远，在同样的功耗下比传统的无线射频通信距离扩大3～5倍，实现了低功耗和远距离的统一。六、LoRaLoRa的特性有以下几个方面。（1）传输距离。在城镇可达2～5km，在郊区可达15km。（2）工作频率。ISM频段包括433、868、915MHz等。（3）标准。IEEE802.15.4。（4）调制方式。LoRa基于扩频技术，是线性调制扩频（CSS）的一个变种，具有前向纠错（FEC）能力，是Semtech公司私有专利技术。（5）容量。一个LoRa网关可以连接成千上万个LoRa节点。（6）电池寿命。长达10年。（7）安全。AES128加密。目前主流的组网技术可以从电池寿命、传输距离、传输速率、组网方式、网络部署方式、单网接入点容量等方面做比较，具体情况如表9-1所示。03无线传感器网络的应用领域一、环境监测在环境问题日益严峻的背景下，人们对环境的关注与日俱增。环境的监测是一个长期的过程，而需要监测的地区一般人迹罕至，如海洋、冰川、火山和原始森林等地区。由于无线传感器网络部署简单易行，以无人值守的方式长期工作，因此可对环境变化进行长期有效的观察，并且还可以避免传统数据收集方式给环境带来的侵入式破坏。无线传感器网络在环境监测领域的主要应用包括极地环境监测、火山活动监测、海水质量及温度监测、动物活动监测、生物物种变化监测、森林火灾监控、海啸预警