《传感器技术与应用》课件-项目13：传感器与物联网

传感器技术与应用15.1物联网概述物联网情境展示

太阳渐渐升起，房间里的光传感器和温度传感器感受到世界的微妙变化.....七点窗帘自动打开。床头的电子提示器告诉你昨晚的睡眠质量和各项身体指标。

你出门锻炼时，带有智能传感器的手表一路跟踪显示你运动消耗的热量，跑步速度，脉搏等信息。回到家后依靠指纹识别系统开门，走到车库门口，车库自动感应到主人，打开库门

当你到达办公室时，今天的工作日程早已经发生到了你的手机中，美好的一天就这样拉开了序幕......物联网概述物联网（Internet

of

Things，IoT）是在互联网、移动通信网等通信网络的基础上，针对不同应用领域的需求，利用具有感知、通信与计算能力的智能物体自动获取物理世界的各种信息；将所有能够独立寻址的物理对象互联起来，实现全面感知、可靠传输、智能处理，构建人与物、物与物互联的智能信息服务系统。物联网的体系结构物联网可分为三个层次：网络感知层、传输网络层、应用网络层。物联网的体系结构感知层由各种传感器以及传感器网关构成，包括二氧化碳浓度传感器、温度传感器、湿度传感器、二维码标签、RFID标签和读写器、摄像头、GPS等感知终端。感知层的作用相当于人的眼耳鼻喉和皮肤等神经末梢，它的主要功能是识别物体，采集信息。网络感知层：传输网络层由各种私有网络、互联网、有线和无线通信网、网络管理系统和云计算平台等组成，相当于人的神经中枢，负责传递感知层获取到的信息。物联网的体系结构传输网络层：应用层主要解决信息处理和人机界面的问题，也即输入输出控制终端。物联网的体系结构应用网络层：应用层针对的是直接用户，为用户提供丰富的服务及功能，用户也可以通过终端在应用层定制自己需要的服务。应用层相当于人的大脑，负责计算和处理感知层通过传输层传递来的信息。1.互联网特征

物联网的重要特征物联网具有三个方面的重要特征：物联网实现了物与物、人与物之间的通信。它是在互联网基础之上延伸和扩展的一种网络。2.识别与通信特征物联网系统形成的前提是让物品感觉化。物联网实现物品的自动通信，要求物品要像人一样有一定的识别和判断功能。3.智能化特征物联网系统中让物品感觉化之后，还应该让其具有自动化、自我反馈与智能控制的特点。支持物联网发展的技术基于物联网三个方面的重要特征，物联网中包括很多技术，其中重要的有：射频识别（RFID）、感知控制技术、无线网络技术、嵌入式技术、信息安全技术、云计算、智能处理等技术。射频识别技术（RFID）射频识别技术（RFID），是一种自动识别技术，通过无线射频方式，进行非接触双向数据通信，以对目标进行识别。与传统的识别方式相比，RFID无须直接接触、无须光学可见、无须人工干预就可完成信息的采集与处理，更加方便、快捷。感知控制技术感知是应用传感器采集“物”的信息，控制器是按照信息处理与应用系统的决策对“物”进行控制。传感器涉及非电量的信息获取、将非电量信息转换为电量信息，以及对电量信息的处理传输等方面，与材料、机械制造、微电子、信息处理、通信等技术密切相关，是多种技术的综合。控制主要是应用决策信息改变“物”的某一运动状态，它涉及测量与执行等多个方面。无线网络技术无线网络技术主要包括短距离无线网络技术、基于IEEE802.11系列的无线物联网技术、移动通信技术，以及其他无线网络技术。短距离无线网络技术主要包括无线传感网、蓝牙等技术。尤其是无线传感网，由于其节点的通信距离有限、携带的电能有限，因此长距离的通信需要多个节点通过组网技术来实现，因此，如何在有限的电能与有限的通信距离约束的条件下持久的工作，是无线传感网络的关键技术。智能处理技术在物联网中，感知层获得了海量的信息，这些信息只有经过处理才能为人们提供某一领域的服务。就像互联网中的搜索引擎一样，当人们输入关键字后，引擎就将给出与关键字相关的信息，智能处理技术就是让人们在这些信息中获得所需要的关键信息。另外，人们在获得信息服务的同时，也需要获得某种决策服务，如在智能交通服务中，系统可根据交通情况为人们规划一条合理的道路。决策服务也需要智能处理，以提供高效服务。可以说，物联网的最终目标之一就是让机器替人思考。传感器技术与应用15.2无线传感器网络无线传感器网络(Wireless

Sensor

Networks,

WSN)是由部署在监测区域内大量的微型传感器节点通过无线电通信形成的一个多跳的自组织网络系统，其目的是协作感知、采集和处理网络覆盖区域里被监测对象的信息，并发送给观察者。通过网关，传感器网络还可以连接到现有的网络基础设施上（如Internet、移动通信网络等）,从而将采集到的信息传递给远程的终端用户使用。无线传感器网络无线传感器网络1.自组织节点自己寻找邻居节点，通过多跳传输的方式搭建整个网络。如果有节点加入或退出，则需要重新组织网络。2.分布式网络的感知能力由若干冗余节点共同完成，每个节点具有相同的硬件资源和通信距离，网络的运行不受个别节点加入和退出的影响。3.节点平等除汇聚节点以外，各传感器节点分布随机，以自己为中心，负责通信范围内的数据交换。4.可靠性要求高由于采用无线信道，且需经过多跳路由，故可靠性不高。易受到干扰、窃听，保密性差。无线自组网：无线传感器网络特征1.能量受限无线传感器网络由于部署在特定环境中，通常没有持续的外接电能供应。在实际应用中，多以电池作为能量源，因而节点的计算能力极为有限。2.网络规模大覆盖范围大且部署密集，单位面积存在大量节点。独特特征：3.时效性无线传感器网络需要在一定时间内将采集到的信息传递给观察者或数据中心。智能传感器与无线传感器智能传感（IntelligentSensor）是用嵌入式技术将传感器与微处理器集为一体，具有环境感知、数据处理、智能控制与数据通信功能的智能数据终端设备。智能传感器智能传感器能够对采集的数据进行处理，进行数据的归并与融合；通过自学习，重新标定传感器的线性度，以适应所处的实际感知环境，提高测量精度与可信度；自学习、自诊断与自补偿能力能够采用自补偿算法，调整针对传感器温度漂移的非线性补偿法；能够根据自诊断算法，采用自修复方法改进传感器工作可靠性，设备非正常断电时的数据保护，或在故障出现之前警报。智能传感器智能传感器对物体与外部环境的物理量、化学量或生物量具有复合感知能力。复合感知能力智能传感器具有灵活的通信能力，能够提供适应互联网、无线个人区域网、移动通信网、无线区域网通信的标准接口，具有接入无线自组网通信环境的能力。灵活的通信能力无线传感器集成有传感器、数据处理单元和通信模块，可以通过自组织的方式构成网络。无线传感器在战场侦查中的应用已经有十几年的历史了。无线传感器早在20世纪60年代，美军便已使用了“热带树”的无人值守传感器。“热带树”的无人值守传感器实际上是由一个震动传感器与声音传感器组成的系统，它被飞机空投到被观测的地区，插在地上，仅露出伪装成树枝的无线天线。当人或车辆在它附近经过时，无人值守传感器就能够探测到目标发出的声音与震动信号，并立即通过无线信道向指挥部报告。指挥部对获得的信息进行处理，再决定如何处置。无线传感网络技术低能耗、低成本的调制机制无线传感器网络物理层的主要技术挑战便于与上层协议结合的跨层优化设计微型、低功耗、低成本的传感、数据处理和通信单元的设计复杂度和性能的折中无线传感器网络数据链路层的主要技术挑战各种性能指标间的折中跨层优化无线传感网络技术网络层的主要技术挑战高效利用能量采用数据聚合、过滤等技术针对流量特征、通信耗能等特点，采用通信量负载平衡技术针对节点易失效的特点，采用多路径机制无线传感器网络传输层的主要技术挑战需要设计具有较短时延的传输协议需要考虑如何保证传输的安全性需要优化现有的传输协议，提高可扩展性和容错性，降低能量消耗并缩短响应时间。常见的通信技术和协议常见的通信技术对比传感器技术与应用15.3典型行业应用的物联网传感器物联网的核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础上延伸和扩展的网络。其用户端延伸和扩展到了物品与物品之间，可以进行信息交换和通信，也就是物物相联。物联网的应用大致集中在智能家居、智能交通、智能农业、智能工业、智能物流、智能电力、智能医疗、智能安防等领域。物联网的行业应用周界防护物联网传感器周界入侵防护是物联网应用的重要组成部分。通常采用红外、微波震动电缆或光纤作为传感器实现分布式周界安防监测的报警系统。通常沿着围栏、围墙进行铺设，也可以铺设在土壤、碎石或草皮下来探测，当发生翻越、穿过、攀爬、暴力入侵等行为时，系统便会报警。从而防止被入侵，保证安全性。周界防护物联网传感器微波墙式报警系统则主要由发射单元和接收单元两部分组成。发射机和接收机之间形成一个稳定的微波场，当微波场受到干扰，便会报警。振动电缆是一种带有永久预置电荷的介电材料。一端与报警控制电路相连，另一端与负载电阻相连。当有入侵者时，电缆因受到振动而产生模拟信号电压，即可触发报警。红外线对射周界防护传感器由红外发射器和红外接收器构成，当光线被入侵物体遮挡时即发出报警信号。周界防护物联网传感器泄漏电缆由射频发射器和射频接收器组成。射频发射器将45MHz或48MHz或48.5MHz的高频正弦波施加在泄漏电缆上，使发射泄漏电缆发射电磁场。射频接收器将接收电缆接收到的信号进行滤波放大后送主控板进行鉴别。在铺设的两个泄漏电缆之间形成了一个看不见的柱形电磁场防护区域，当人体和金属体在这个区域移动时，就引起了电磁场扰动而被探测器检测到，产生报警信号。周界防护物联网传感器光纤周界报警系统使用的传感器是光纤，这种光纤传感器对运动、振动和压力极其敏感，而且不会受到各种形式电磁信号的干扰。传感光纤安装在围栏上或埋地，入侵者试图攀爬或剪断围栏时会引起围栏的振动，这种振动会改变传输光的模式；入侵者踩在埋地光纤所产生压力也会改变传输光的模式，通过报警处理单元的数字信号处理器对该变化信号的分析，发出报警信号。智能家居物联网传感器传感器是智能家居控制系统实现控制的基础，随着技术的发展，越来越多的传感器被用到智能家居系统中，典型的传感器有温度、光照、门窗磁、烟感、红外、粉尘等等。智能家居环境光照传感器智能家居灯光控制系统中，最常用的是环境光传感器。环境光传感器可以感知周围光线情况，根据光线强弱控制灯光。环境光传感器主要由光敏元件组成。智能家居气体传感器烟雾传感器能够探测火灾时产生的烟雾，可以为家庭用户带去安全，在火情发生前为用户预警，如当检测到烟雾时，立即触发家中的电器开关做出断电动作，做到将损失降低。通常采用半导体气敏元件组成。智能家居温湿度传感器家庭环境中的温湿度条件，不仅关系到家庭环境的质量，更与人体健康紧密相连，可以说是智能家居中至关重要的一环，通过对温湿度的实时监测与调节，可以营造舒适的居住环境，带来良好的居家体验。智能家居PM2.5传感器近些年来，人们对雾霾的关注度越来越高，室内PM2.5含量也成为影响室内空气质量的重要指标。随着人们环保健康意识的增强，智能家居系统中对PM2.5的监测也成为不可缺少的一项重要工作。环境监测物联网传感器环境监测是通过对反映环境质量的指标进行监视和测定，以确定环境污染状况和环境质量的高低。环境监测的内容主要包括物理指标的监测、化学指标的监测和生态系统的监测。水污染监测传感器在水污染监测中，包括生化好氧量的测定，氨、硝酸盐、硫化物、磷酸盐浓度的测定，重金属离子的浓度测定，其他有毒污染物的浓度测定等系列传感器。大气污染监测传感器在大气污染监测中，电化学气体传感器被广泛应用，当被检测气体进入到相应的传感器内部后，就会发生化学反应，会产生大小正比于气体浓度的电流，此电流大小可以通过外部电路电阻测量。PPT系列网络化智能压力传感器PPT系列、PPTR系列和PPTE系列是美国霍尼威尔（Honeywell）公司新近推出的可实现网络化的智能型精密压力传感器。传感器将压敏电阻传感器、A/D转换器、微处理器、存储器（RAM、E2PROM）和接口电路集成在一起；品性能指标高，使用方便，可广泛用于工业、环境监测、自动控制、医疗设备等领域。PPT、PPTR系列压力传感器的性能特点PPT系列、PPTR系列和PPTE系列是美国霍尼威尔1）RS-232接口，传感器距离不超过18m，测量精度高达±0.05％（满量程时典型值），而过去的集成压力变送器最高只能达到±0.1％的精度；PPTR系列产品带RS-485接口，传输距离可达几千米，测量精度为±0.1％。该系列属于网