无线传感器网络智能技术与应用 课件 第2章WSN传感技术

无线传感器网络智能技术与应用武汉理工大学清华大学出版社

2025年5月

无线传感器网络武汉理工大学人工智能与计算机学院

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第1章绪论

第2章WSN传感技术◆了解传感器的基础知识、传感器的基本特性、常用的传感器中的各种传感器的名称和特点、图像传感器中的各类名称和特点、RFID的定义和组成、RFID与传感器的整合。◆掌握传感器的的分类、智能传感器的定义组成特点和应用、机器人种类传感器的名称及特点。学习目标2.1传感器的基础知识1.传感器与执行器的定义

传感器的定义是指能够把特定的被测量信息(物理量、化学量、生物量等)按一定规律转换成某种可用信号(电信号、光信号等)的器件或装置。执行器是根据电信号并通过电动控制一些机械动作。2.传感器的作用传感器的作用类似于人的感觉器官，是实现测试与控制的首要环节。3.

传感器的组成传感器的组成如图1-5：

传感器一般由敏感元件、转换元件和基本转换电路组成。同时，基本转换电路工作时必须有辅助电源。传感器接口技术是非常实用和重要的技术。2.2传感器的基本特性根据传感器的基本特性正确选用是保证不失真测量的首要环节，传感器的基本特性有如下九种：1．灵敏度

传感器的灵敏度指传感器达到稳定工作状态时,输出变化量与引起变化的输入变化量之比,即

K＝输出变化量/输入变化量＝△y/△X===dy/dz2．响应特性

传感器的动态性能是指传感器对于随时间变化的输入量的响应特性。3．线性范围

所谓线性度是指传感器的实际输入输出曲线(校准曲线)与拟合直线之间的吻合(偏离)程度4．稳定性

稳定性表示传感器经过长期使用之后，输出特性不发生变化的性能，影响传感器稳定性的因素是时间与环境。5．重复性

重复性是指在同一工作条件下，输入量按同一方向在全测量范围内连续变化多次所得特征曲线的不一致性，6．漂移

由于传感器内部因素或外界干扰,传感器的输出变化称为漂移。当输入状态为零时的漂移称为零点漂移。

在其他因素不变的情况下,输出随着时间的变化产生的漂移称为时间漂移。随着温度变化产生的漂移称为温度漂移。2.2传感器的基本特性（继）2.2传感器的基本特性（继）7．精度

传感器精度指测量结果的可靠程度，传感器的精度表示为传感器在规定条件下,允许的最大绝对误差相对传感器满量程输出的百分数。8．分辨率(力)

分辨力是指能检测出的输入量的最小变化量，即传感器能检测到的最小输入增量。9．迟滞

迟滞是指在相同工作条件下作全测量范围校准时，在同一次校准中对应同一输入量的正行程和反行程间的最大偏差。2.3传感器的分类传感器种类很多，分类方法各不相同，一般常用的分类方法有以下几种：(1)

按能量关系分类,可分为有源传感器和无源传感器。(2)传感器按测量原理分类，主要有物理和化学原理，包括电参量式、磁电式、磁致伸缩式、压电式和半导体式等。(3)按被测量的性质不同划分为位移传感器、力传感器、温度传感器等。

(4)按输出信号的性质可分为开关型(二值型)、数字型、模拟型。(5)在光机电一体化领域，传感器按被测参数分类如下：尺寸与形状、位置、温度、速度、力、振动、加速度、流量、湿度、黏度、颜色、照度和视觉图像等非电量传感器。(6)按输出信号的性质分为数字传感器和模拟传感器。2.4常见传感器2.4.1能量控制型传感器能量控制型传感器将被测非电量转换成电参量,在工作过程中不能起换能作用,需从外部供给辅助能源使其工作,所以又称为无源传感器。电阻式、电容式、电感式传感器均属这一类型。2.4.2

能量转换型传感器能量转换型传感器感受外界机械量变化后,输出电压、电流或电荷量。压电式、磁电式和热电式传感器等均属这一类型。2.4.3光敏传感器光敏传感器是一种感应光线强弱的传感器。2.4.4气、湿敏传感器气敏传感器是一种能将检测到的气体成分和浓度转换为电信号的传感器。2.4常见传感器(继)2.4.5生物传感器生物传感器是对生物物质敏感并可将其浓度转换为电信号进行检测的仪器。生物传感器具有接收器与转换器的功能。生物传感器是一门由生物、化学、物理、医学、电子技术等多种学科互相渗透成长起来的高新技术。2.4.6

集成传感器集成传感器是以集成电路的制作理念将某功能传感器以组合模式、模块模式乃至集成模式按电信号输出要求组合制作成单功能或有限多功能的传感器。由于信号采集、应用和安装的要求，每一类集成传感器在结构上有所差异，可分为陶瓷传感器、厚膜传感器、薄膜传感器和集成传感器，统称为集成传感器。2.4.6

集成传感器（继）1.

集成温度传感器2.

集成压力传感器3.

集成霍尔传感器

集成传感器按照信号输出分为模拟传感器、数字传感器和开关传感器。按照所选用的材料分为材料类别型（有金属聚合物和混合物）、材料物理性质型（有导体、绝缘体、半导体和磁性材料）和材料晶体结构型（如单晶、多晶和非晶材料）。常用有：2.5智能传感器智能传感器是集成化智能传感器的简称。智能传感器是指具有微处理器、信息检测和信息处理功能的传感器。

2.5.2智能传感器的组成2.5.1智能传感器的定义智能传感器是将传感器与微处理器相结合而构成的。智能传感器的典型的结构组成如图所示。2.5智能传感器（继）2.5.3智能传感器的特点智能传感器与传统传感器相比，具有如下5个特点：(1)具有自动调零和自动校准功能。

(2)具有判断和信息处理功能，对测量值进行各种修正和误差补偿。(3)实现多参数综合测量。(4)自动诊断故障。(5)具有数字通信接口，便于与计算机联机。2.5.4智能传感器应用智能传感器广泛地应用于航空航天、土木工程、海洋监测、工业、医学、农业、军事与国防等诸多领域。2.6机器人传感器2.6.1机器人传感器网络

机器人运行时离不开诸多传感器。机器人是一个高端人工智能体,在实时发挥设定功能时要有相应的传感体系,形成机器人传感器网络。其节点的组成如图所示。

如下图所示,根据用途的不同,机器人传感器通常可以分为用于检测机器人自身状态的内部传感器和用于检测机器人相关环境参数的外部传感器。2.6.1机器人传感器网络（继）2.6.2视觉传感器视觉传感器主要检测对象的明暗度、位置、运动方向、形状特征等。通过色觉传感器检测物体的色彩,达到根据颜色选择物体进行正常工作的目的。视觉传感器的工作过程包括检测、分析、识别和再现等主要步骤。2.6.3听觉传感器

听觉传感器是人工智能装置,包括声音检测转换和语音信号处理两部分,它能使机器人实现“人-机”对话。2.6.4触觉传感器

触觉传感器用来感知被接触物体的特性和接触对象物体后自身的状况。触觉传感器能感知物体的表面特征和物理性能,如柔软性、弹性、硬度、粗糙度、材质等。2.6.5嗅觉传感器嗅觉传感器主要用来检测运行环境中的气味,并转换成与之对应的电信号,即人工嗅觉。味觉是指酸、咸、甜、苦、鲜等人类味觉器官的感觉。2.6.6味觉传感器

1.机器人定位的基本概念

在机器人定位中需要关注环境感知和姿态估计两个基本概念。环境感知是机器人定位的第一步,它包括机器人通过传感器感知周围环境的过程。2.6.7无线传感器与机器人姿态估计是机器人定位的第二步,它是指机器人确定自身方向和角度的过程。2.无线传感器在机器人定位中的作用无线传感器还可以利用无线定位技术来实现机器人的定位。超宽带技术作为一种高精度的无线定位手段,也在机器人定位中发挥着重要作用。2.6.7无线传感器与机器人（继）3.无线传感器与机器人导航的紧密关联

无线传感器通过感知环境中的无线信号并提供定位信息,为机器人导航提供了关键的支持和数据。

多个无线传感器之间可以通过无线通信进行数据交流和协作,构成一个分布式的传感器网络。无线传感器还可以与机器人的导航系统相结合,实现更高级的导航任务。传感器网络可以提供实时的环境感知和定位信息,使机器人能够自主进行路径规划和障碍物避让,实现自主导航功能。4.机器人精准定位的优势与挑战

精准定位对机器人技术具有重要的影响和意义。它不仅提升了机器人的导航能力和定位精度,还为机器人技术的发展和应用带来了许多重要的变革和创新。机器人能够准确地感知自身位置和周围环境,根据目标或任务要求规划最优的导航路径。4.机器人精准定位的优势与挑战（继）2.6.7无线传感器与机器人（继）

在需要精细操作或精确定位的任务中,如工业机器人的精密加工、医疗机器人的手术操作等,精准定位能力是至关重要的。通过准确的定位和姿态信息共享,多个机器人可以进行协同工作,共同完成复杂的任务。复杂和动态的环境条件对定位技术构成挑战。

不同类型的传感器,如GPS、惯性导航系统、激光雷达等,具有不同的精度和测量限制。定位技术在一些特定场景或条件下可能会面临一些限制。某些高精度的定位技术,如超宽带和激光雷达等,价格较高,不适用于所有应用场景。2.6.7无线传感器与机器人（继）5.未来无线传感器与机器人定位技术的发展方向未来无线传感器与机器人定位技术的发展方向是极其令人期待的。随着科技的不断进步,可以预见到许多令人激动的趋势和创新。随着人工智能的快速发展,无线传感器与机器人定位技术将变得更加智能化。

传感器将变得更加微小,甚至能够内置于各种设备、物体或者衣物之中,它们的功耗将大大降低,使用更高效的能源管理方式。

更强大的处理器和更快速的数据传输技术将使传感器能够实时地处理和分析大量的数据。

传统的卫星导航系统已经在一定程度上实现了位置定位的准确性,但在室内或复杂环境中的定位仍存在挑战。

无线传感器网络将帮助机器人建立实时的环境地图,并提供定位和路径规划的数据支持,2.7图像传感技术图像传感技术是在光电技术基础上发展起来的,利用光电器件的光电转换功能,将其感光面上的光信号转换为与光信号成对应比例关系的电信号“图像”的一门技术,该技术将光学图像转换成一维时序信号,其关键器件是图像传感器。2.7.1固态图像传感器

固态图像传感器是利用光敏元件的光电转换功能将投射到光敏单元上的光学图像转换成电信号“图像”,即将光强的空间分布转换为与光强成比例的电荷包空间分布,然后利用移位寄存器功能将这些电荷包在时钟脉冲控制下实现读取与输出,形成一系列幅值不等的时钟脉冲序列,完成光图像的电转换。1.固态图像传感器的特点

固态图像传感器是在同一半导体衬底上布设光敏元件阵列和电荷转移器件所构成的集成化、功能化的光电器件。

与光导摄像管相比,固态图像传感器再生图像的失真度极小,因此非常适合测试技术及图像识别技术。固态图像传感器也有不足之处,例如,分辨率和图像质量都不如光导摄像管。2.固态图像传感器的分类2.7.1固态图像传感器（继）固态图像传感器一般包括光敏单元和电荷寄存器两个主要部分。根据光敏元件的排列形式不同,固态图像传感器可分为线型和面型两种。

根据所用的敏感器件不同,固态图像传感器可分为CCD、MOS线型传感器以及CCD、CID、MOS阵列式面型传感器等。2.7.2红外图像传感器目前,红外CCD图像传感器有集成(单片)式和混合式两种。

1.集成式红外图像传感器集成式红外CCD固态图像传感器是在一块衬底上同时集成光敏元件和电荷转移部件所构成的,整个片体要进行冷却。

2.混合式红外图像传感器混合式红外CCD图像传感器的感光单元与电荷转移部件相分离,在工作时,红外光敏单元处于冷却状态,而Si-CCD的电荷转移部件工作于室温条件。2.7.3超导图像传感器

超导传感器包括超导红外传感器、超导可见光传感器、超导微波传感器、超导磁场传感器等。在使用超导传感器时,还要配以准光学结构组成的测量系统。2.7.4图像传感器

图像传感器是利用光电器件的光电转换功能将感光面上的光像转换为与光像成相应比例关系的电信号。图像传感器分为光导摄像管和固态图像传感器。1.CCD

CCD是应用在摄影摄像方面的高端技术元件,CMOS则应用于较低影像品质的产品中,它的优点是制造成本比CCD更低,功耗也低得多。2.CMOS

CMOS传感器采用一般半导体电路最常用的CMOS工艺,具有集成度高、功耗小、速度快、成本低等特点,近几年在宽动态、低照度方面发展迅速。2.7.4图像传感器（继）

在模拟摄像机以及标清网络摄像机中,CCD的使用最为广泛,长期以来都在市场上占有主导地位。CMOS与CCD相比,最主要的优势就是省电。2.CMOS

CMOS传感器采用一般半导体电路最常用的CMOS工艺,具有集成度高、功耗小、速度快、成本低等特点,近几年在宽动态、低照度方面发展迅速。2.7.4图像传感器（继）

在模拟摄像机以及标清网络摄像机中,CCD的使用最为广泛,长期以来都在市场上占有主导地位。CMOS与CCD相比,最主要的优势就是省电。

典型的RFID系统主要由阅读器、电子标签、RFID中间件和应用系统软件4个部分构成,一般把中间件和应用系统软件统称为应用系统,如图2-8所示。2.8.2RFID系统的基本构成

1.阅读器阅读器(Reader)又称读头、读写器等,在RFID系统中扮演着重要的角色。

2.电子标签

电子标签也称智能标签,是指由IC芯片和无线通信天线组成的超微型标签,其内置的射频天线用于和阅读器进行通信.3.软件组件(1)中间件:(2)RFID应用系统软件2.8.3RFID和WSN整合的原因1.射频识别技术和无线传感网的应用

通过结合RFID标签(识别和定位)和无线传感网(测知、识别以及定位)的属性,能概括出4个不同的应用。(1)整合RFID的识别和无线传感网的测知。(2)整合RFID标签与传感器来识别物体与人,在Broadcom中有一个有趣的结论。(3)整合RFID标签识别物体/人和无线传感网的定位(4)在整合系统中,用RFID标签协助传感器定位,传统的RFID系统由RFID标签和阅读器组成,阅读器和标签之间的通信是单跳的,见表2-12.RFID标签和无线传感网技术之间的不同2.8.3RFID和WSN整合的原因（继）RFID网络的标准化工作具有重要的意义。无线传感网节点的配置可以是随意或固定的。无线传感网节点的配置可以是随意或固定的。1.无源标签与集成传感器2.8.4RFID标签与传感器的整合整合的系统结构如图2-9所示。2.半无源-无源标签与集成传感器3.有源标签与集成传感器整合传感器的无源标签被用于下列申请:温度测知和监听、酸碱值发现和相片处理。整合的传感器半无源标签被用于下列申请:温度测知和监听,位置记录,车辆资产的跟踪和通路控制。整合的传感器有源标签用于下列申请:温度测知和监听,地震检测,血压和心跳比率监听等。2.8.5RFID标签与传感器节点的整合无线装置RFID与传感器整合的标签通信能力受限。在高端应用中,无线传感器节点和无线电装置的RFID标签是可能的,所以整合的标签能够与许多无线电装置通信,阅读器也没有限制。

AeroScout开发的AeroScoutT3标签是利用标准的Wi-Fi户内、户外真正时间评价资产和人建立的有源RFID标签。在亚洲,多脚RFID标签被NTT实验室开发用来阻止猴子/动物弄乱农场。

在一定程度上,这个级别的标签能用RFID当作无线传感器,它具有“即插即存”的能力,例如,Wi-Fi、蓝牙和RFID。

完成的系统是一个陀螺罗盘马达-编码器的系统,它包括两个智能节点和担任中央控制器的掌上电脑,每个传感器/主动器被连接到SSI用来与中央控制器通信。

脉冲RFID技术用来除去节点中的迟滞监听,节约能源,而能源是无线传感器节点中的关键。

2.8.6读写器与传感器节点的整合基于整合传感器节点的功能,目前的解决方法可以分为三类。在第一类中,RFID阅读器与Wi-Fi标准进行无线通信的无线服务整合。在第二类中,整合的传感器节点提供了传感和通信功能,它使用了热敏传感、高频RFID阅读器识别和检测金属伺候器的温度,每个伺候器连接了一个13.56MHz的标签。在第三类中,RFID阅读器和传感器连接了许多装置