《物联网概论》课件 第03章 物联网传感技术

第3章

物联网传感技术1传感器概述2传感器技术3传感网概述4传感网关键技术5无线传感网传感器概述传感器的概念、组成和分类传感器的特性传感器的具体实例01传感器概述传感器的概念、组成和分类广义上讲，传感器是一种能将物理或者化学形式的能量转换为另外一种形式的能量的转换器。国家标准中，对传感器的定义是：“能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。简言之，传感器是一种用于感知物理世界各种参数或信号的设备或装置。它们可以将各种类型的物理量，如温度、压力、光强、声音、位置等，转换成可量化的电信号或其他形式的信号，以便于被电子设备读取、处理和分析什么是传感器？传感器概述传感器的概念、组成和分类传感器一般由敏感元件、转换元件和其他辅助元件组成。有时也将辅助电路以及辅助电源作为传感器的组成部分。传感器的组成传感器组成示意图传感器概述传感器的概念、组成和分类1.根据工作原理分类。可将传感器分为三类，分别是物理类（力、光、热、电等物理范畴）、化学类（产生化学变化的结果或现象采集）、生物类（生长、增值、分裂和抗体指标等）。物理传感器是利用某些变换元件的物理性质，以及某些功能材料的特殊物理性能制成的传感器。化学传感器是利用电化学反应原理，把无机和有机化学物质的成分、浓度等转换为电信号的传感器。近年来，生物传感器作为一种新兴的传感器类型发展迅速。这种传感器利用生物活性物质对特定生物化学物质的选择性识别和测定。生物活性物质具有对某种物质的选择性亲和力，也称为识别能力，利用这种识别能力来判断物质的存在和浓度，并通过电化学方法将其转换为电信号。传感器的分类物理传感器（加速度；陀螺仪；压力传感器）化学传感器（电化学传感器）传感器概述传感器的概念、组成和分类2.根据输入信息分类。该分类方法是通过被测信号的不同来进行分类的，从传感器名字上理解起来较为方便直观，如位移、速度、加速度、力、压力、光强、温度、湿度、粘度等不同类型的传感器。3.根据应用范围来分类。传感器根据其应用范围可分为多个类别，包括工业传感器、环境传感器、生物传感器、医疗传感器、农业传感器、交通传感器、安防传感器和运动传感器等。其分类方法并没有明确标准，可根据任务需要灵活分类。传感器的分类生物传感器（高特异性电化学生物传感器原理图和植入小鼠体内示意图）传感器概述传感器的特性

传感器的特性是指传感器的输入量和输出量对应关系特性，其输入—特性反映的是与内部结构参数有关系的外部特征，通常用静态特性和动态特性来描述。

理想状态下，传感器的输入与输出呈一一对应关系，而且多为线性关系。但在实际情况下输入输出并不会完全符合对应的线性关系.

通常输入量分为两种形式。一种是静态形式，即待测量为不随时间变化或者变化缓慢的准静态信号。另外一种是动态形式，即待测量为随时间变化的信号。传感器的特性传感器概述传感器的特性

传感器的静态特性描述的是传感器在被测量各种参数处于稳定状态下的输入-输出的关系。评价传感器的静态特性的重要指标是：测量范围、线性度、灵敏度、迟滞和重复性等。传感器的静态性能指标A.线性度B.迟滞C.重复性。传感器的几种静态性能指标示意图传感器概述传感器的特性

传感器的动态特性指的是传感器的输出量与随时间变化的被测量之间的动态关系。一般利用微分方程来描述传感器的输入和输出关系。理论上，将传感器的静态特性当作其动态性的一个特例。将微分方程中的一阶及以上的微分项取0时，即可得到静态特性。在被检测量信号为时间的函数时（即输入信号随时间变化），其输出量也将是时间的函数（即输出信号也随时间变化），两者的关系要用动态特性来说明。动态误差：在实际情况下，当输入量变化较快的时候，由于传感器的机械惯性、热惯性、电磁储能元件及电路充放电等多种原因，输出信号相对于输入信号在波形上出现失真，从而造成两者的差异。传感器的动态性能指标传感器概述传感器的具体实例1.光线传感器。光线传感器类似于人类的眼睛，它们都能够感知不同光线环境并做出相应的调整，就像人眼在不同光线下能自动调节，光线传感器也能根据环境光线调整手机屏幕的亮度，从而延长电池续航时间。这种传感器可以根据环境光线实时调整屏幕亮度，并有些还能控制按键呼吸灯的明暗状态。例如，在明亮的户外环境中，屏幕会调至最亮状态，而在黑暗环境中，屏幕亮度则会相应降低。这种智能调节不仅提高了用户体验，还有助于节省电量，使手机在不同光线条件下都能够更好地工作。手机中的传感器光线感应器实物图传感器概述传感器的具体实例2.距离传感器。距离传感器的构成十分简单，通常由一个红外LED灯和红外辐射光线探测器组成，位于手机听筒附近。其工作原理为：红外LED灯发出不可见的红外光，照射到周围物体上并反射回来，最终被红外辐射光线探测器捕获。一般来说，距离传感器常与光线传感器一同使用。在实际应用中，距离传感器在通话过程中起到防误操作的作用。当用户通话时，若耳朵靠近距离传感器，传感器接收到信号后会立即关闭显示屏，避免用户在通话过程中误触屏幕干扰通话。距离传感器通常与光线传感器配合使用，通过测算手机与用户耳朵的距离来触发相应的功能，例如息屏显示或自动锁屏等。当我们将手置于屏幕上方阻挡感应器识别距离信息时，也会提醒请勿遮挡防止误触。手机中的传感器距离感应器实物图传感器概述传感器的具体实例3.重力传感器。重力传感器利用压电效应实现，其内部包含一块重物与压电片整合在一起。通过测量在正交两个方向产生的电压大小，可以计算出水平方向的倾斜角度。在实际应用中，重力传感器可用于切换横屏和直屏方向，并且在一些游戏中，如平衡球和赛车游戏等，也可以通过重力传感器实现更加丰富的交互控制。手机中的传感器重力感应器实物图传感器概述传感器的具体实例4.指纹传感器。指纹传感器是关键的指纹自动采集器件，分为光学和半导体两种类型。光学传感器利用光的折射和反射原理，通过底部射出的光线在手指表面的指纹凹凸上产生不同的角度和反射光强，由光学器件收集这些信息完成指纹采集。半导体传感器则有电容式和电感式两种，通过手指与集成半导体器件的平板接触形成电容或电感，不同凹凸造成的接触距离差异形成不同数值，完成指纹采集。从2013年起，指纹传感器在智能手机中迅速普及，不仅用于解锁设备，还与移动支付相结合，提高了设备安全性和用户隐私保护水平。手机中的传感器指纹传感器实物图传感器概述传感器的具体实例1.空气质量流量传感器。空气质量流量传感器（MAF）是汽车发动机中不可或缺的组件，用于测量进入发动机的空气密度，并将这些信息传送给发动机控制单元（ECU）。通过MAF传感器提供的数据，ECU能够精确控制燃油喷射量，从而优化燃烧过程，提高发动机效率并降低排放。如果MAF传感器失效，车辆将无法正常运行，燃油消耗也会显著增加。MAF传感器主要有两种类型：叶片流量计和热线流量计。叶片流量计通过空气流动推动叶片来测量空气量，而热线流量计则通过测量空气流经热线时的冷却效果来确定空气流量。这两种类型的传感器都能准确检测进入发动机的空气量，确保发动机在各种工况下都能获得最佳的空气燃油比。汽车中的传感器空气质量流量传感器实物图传感器概述传感器的具体实例2.发动机转速传感器。发动机转速传感器是汽车中至关重要的组件之一，常安装在曲轴上，负责监测曲轴的转速。该传感器的主要功能是提供精确的转速信息，以便控制燃油喷射和发动机正时，确保发动机高效运转。其工作原理是通过检测磁场变化或霍尔效应来获取曲轴的旋转速度。转速快磁场变化快，交流电频率和电压高；转速慢磁场变化慢，交流电频率和电压低。此外，它还能防止车辆在意外情况下停机，提高行车安全性。若传感器失效，发动机可能无法正常工作，进而阻止车辆行驶。因此，发动机转速传感器对于维持车辆性能和保障驾驶安全至关重要。汽车中的传感器发动机转速传感器实物图传感器概述传感器的具体实例3.氧传感器。氧气传感器（或O2传感器）是汽车排放控制系统中的关键组件，通常安装在废气流中，位于废气歧管附近以及催化转化器之后。其主要功能是监测废气中的氧气含量，并将其与周围空气中的氧气含量进行比较，以检测发动机运行的是富油比还是稀油比。ECU利用氧气传感器提供的信息来调整燃油喷射量，确保最佳空气燃油比，从而优化发动机性能和排放控制。如果检测到燃烧过程过于富油或稀油，ECU会相应调整燃油计量策略，以提高燃油效率并减少有害排放。因此，氧气传感器在维持发动机高效运转和降低排放方面起着至关重要的作用.汽车中的传感器氧传感器实物图传感器技术传感器技术的应用领域传感器技术的发展趋势02传感器技术传感器技术的应用领域工业自动化农业物联网医疗健康环境监测智能城市传感器技术

传感器技术随着电子、通信和计算机技术的发展而变化，正从模拟式向数字式、由集成化向智能化、由局域网向云处理方向发展。

随着传感技术的不断进步，传感器不断朝着小型化、集成化和智能化方向发展。利用MEMS（Micro-Electro-MechanicalSystems）技术，将微传感器、微执行器、信号处理/控制电路、通信接口和电源等部件组成一体化的微型器件系统，大幅度地提高系统的自动化、智能化和可靠性水平。致使制造商将一件产品的所有功能集成到单个芯片上，从而降低成本，适用于大规模生产。在未来物联网发展中，通过更加智能和先进的传感器设备，可实现所有物体接入互联网，并达到对其进行智能化控制与管理的目的。发展趋势小型化和集成化低功耗技术无线通信和网络连接多模态和多功能自主学习和智能化传感器技术的发展趋势传感网概述传感网概念传感网协议体系结构传感网拓扑结构基于高速交通的道路健康监测传感网03传感网概述传感网概念传感网是在一定范围内，许多集成有传感器、数据处理单位和通信单元的微小节点通过一定的组织方式构成网络。通过大量的多种类别的传感器不断测量周围环境的物质现象信息，如光、热、位置等信息，并将信息发送至互联网、移动通信网等网络中，让事物与网络连接在一起，实现了物与人，物与物之间的信息交换。传感器网路将数据采集、数据处理、数据管理、网络传输等多种技术相结合，实现以数据为中心的高性能的网络体系。什么是传感网？传感网络结构图传感网概述传感网概念20世纪70年代，出现了利用点对点传输技术以及专门的连接控制器将传统的传感器连接起来。这类简单的传感网具有一定的信息获取能力。20世纪80年代，随着科学技术和传感器技术的不断发展和进步，串行、并行接口被应用在传感网中，使得传感网具有获取多种信息信号的能力，并且信息综合和信息处理能力得到提高。20世纪90年代后期至21世纪初期，现场总线，即连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支的通信网络，以及多功能传感器的应用，使得传感网逐渐实现智能化。无线传感通信技术应用于连接大量具有多功能、多信号采集能力的传感器，从而形成的无线传感网络，使传感网从最初的点覆盖、线覆盖、面覆盖，发展为区域覆盖，应用范围得到极大扩展。传感网的发展历程传感网概述传感网协议体系结构网络的协议分层以及网络协议的集合，是对网络及其组成部分的功能的描述。该网络体系结构由分布式网络通信协议、传感器网络管理以及应用支持技术三个部分组成：分层的网络通信协议模块、传感器网络管理模块和应用支持服务模块。网络协议体系结构传感器网路体系结构框图传感网概述传感网拓扑结构在传感器网络中，大量传感器节点随机部署在检测区域内。传感器节点以自组织形式构成网络，其组网技术即是传感网的网络拓扑结构。传感器节点将信息多跳转发，通过各种方式（基站或汇聚节点或网关）接人网络，在网络的任务管理节点再对感应的信息进行分类和处理，最后把感应信息送给用户。传感网的拓扑结构按照传感网网络的组网形态和方式来分类，有集中式、分布式和混合式。无线传感器网络的集中式结构：类似移动通信的蜂窝结构，将节点进行集中管理；无线传感器网络的分布式结构：类似AdHoc（多跳的、无中心的、自组织的点对点网络）网络结构，可自组织网络接人连接，分布管理；无线传感器网络的混合式结构：是集中式和分布式结构的组合。类似Mesh（无线多跳网络）网络结构，网状分布连接和管理。传感网概述传感网拓扑结构

按照节点功能及结构层次来分，无线传感器网络通常可分为平面网络结构、分级网络结构、混合网络结构，以及Mesh网络结构。传感网的拓扑结构平面网络结构分级网络结构混合网络结构传感网概述传感网拓扑结构Mesh网络结构式也被称之为对等网，网络内部的节点一般是相同的，而且是规则分布的网络，通常指允许和节点最近的邻居通信。由于通常Mesh网络结构节点之间存在多条路由路径，传感网络对于单个节点或单个链路故障具有较强的容错能力。传感网的拓扑结构完全联通的网络结构传感网Mesh网络结构传感网概述基于高速交通的道路健康监测传感网

目前，常规监测利用的传感器包括振弦式应变计、单点位移计、土压力盒、温湿度传感器等。其中：（1）应变计主要能够提供变形体整体的变形状态及张力；（2）单点沉降计可监测高速公路道路路基垂直位移变化；（3）土压力盒用于岩土工程中进行介质内应力测量，以及围岩与支护结构之间，喷射混凝土与现浇混凝土之间接触的应力测量。（4）土壤温湿度传感器主要用来测量土壤容积含水量，做土壤墒情监测。目前常用到的土壤湿度传感器有FDR型和TDR型，即频域型和时域型。具体实例传感网概述基于高速交通的道路健康监测传感网高速交通智能监测传感网传感网关键技术传感网的关键技术传感网的节点技术传感网的节点部署传感网覆盖连接与节能04传感网关键技术传感网的关键技术通过拓扑控制技术，可以使得传感网在满足网络覆盖度和连通度前提下，通过功率控制盒骨干网节点的选择，剔除节点之间不必要的无线通信链路，生成一个高效的拓扑结构。网络拓扑控制技术拓扑控制方法分类图传感网关键技术传感网的关键技术传感网对网络协议要求较高。重点研究路由协议和MAC协议。路由传感器设计的主要目标是降低能量消耗，提高网络的生命周期。同时，传感网的MAC协议首先考虑的是节能和可扩展性，其次是公平性、利用率和实时性等。网络协议传感网需要实现一些基本的安全机制，例如：机密性，点到点消息认证，完全性鉴别，认证广播和安全管理等。网络安全技术传感网关键技术传感网的关键技术在各个传感器节点数据收集过程中，可以利用节点自身的计算和存储能力、数据处理融合能力对数据进行分析和管理，去除冗余信息，达到节能的目的。数据融合技术在目标跟踪、目标识别等领域得到广泛应用。数据融合技术数据管理系统一般尽可能的再传感器网络内部进行数据的分析和处理，以较少能量消耗，延长传感网的生命周期。数据管理技术传感网关键技术传感网的关键技术传感器节点的精确定位是传感器网络的基本功能之一，其网络中的传感器节点通常随即部署在区域中，要详细说明在事件发生的位置以及数据采集节点的位置，各个节点必须首先明确自身位置才能实现对外部目标的定位和跟踪。定位技术传感网关键技术传感网的关键技术时间同步机制主要从单广播域内时间同步和多跳范围内的时间同步两个方面进行研究。主要的时间同步算法主要有RBS算法和TPSN算法。时间同步RBS时间同步算法TPSN算法传感网关键技术传感网的节点技术传感器节点基本组成示意图传感网关键技术传感网的节点部署传感网络节点部署是传感网工作的基础，其直接关系到传感网检测的准确性、完整性和实效性。传感网的节点部署主要涉及覆盖、连接和节能等方面的技术。节点部署就是在指定的检测区域内，通过适当的方式布置传感网节点以满足设计要求。节点部署方式主要有确定性布设和随机性布设两种方式。节点部署传感网关键技术传感网覆盖按照传感器节点不同配置方式，可以将传感网的覆盖分为确定性覆盖、随机覆盖两大类。按照传感网对覆盖区域的不同要求和不同应用，分为：1.点覆盖（PointCoverage）2.区域覆盖（AverageCoverage）3.栅栏覆盖（BarrierCoverage）传感网覆盖点覆盖区域覆盖栅栏覆盖传感网关键技术连接与节能连接问题考察的是传感器节点之间的连接状况能否保证采集到的信息能够准确传递给汇聚节点。所以，一般从纯连接和路由连接两个方面来考虑。节能问题主要考虑的是网络部署时传感器节点的耗能以及传感器网络在使用过程中尽可能降低能量消耗等方面的问题。连接与节能传感器节点状态切换示意图无线传感网无线传感器网络概述无线传感器网络的应用领域无线传感器网络节点设计主要原则05无线