传感器-智能传感器与无线传感器网络技术.ppt

第3章 传感器、传感网与无线传感器网络技术的发展,1,第 3 章 知 识 点 结 构,2,物联网大爆炸,据市场研究机构IDC 预测，到2020 年时，全球物联网设备安装量将达到281 亿台。 软银董事长兼CEO孙正义预测未来20年，物联网设备的数量将会超过人口数，物联网芯片的发货量会超过1万亿。 联网可以让物体变得智能，这便是物联网的本质。,3,感知层,1、RFID 2、传感器,4,传感器具有突出的地位,传感器技术作为现代科技的前沿技术，同计算机技术与通信技术组成现代信息技术的三大基础，是物联网在工业领域应用的关键。 从茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各种复杂的工程系统，几乎每一个现代化项目，都离不开各种各样的传感器。,5,3.1 传感器概述3.1.1 感知能力与传感器的发展,1. 人的感知能力 眼、耳、鼻、舌、皮肤是人类感知外部物理世界的重要感官。 随着人类对外部世界的改造，对未知领域与空间的拓展，人类需要的信息来源、种类、数量、精度不断增加，对信息获取的手段也提出了更高的要求，而传感器是能够满足人类对各种信息感知需求的主要工具,6,身边的传感器,7,图像传感器,iPhone7的主摄像头为1200万像素，传感器尺寸为1/2.6，f/1.9光圈以及1.3m 的像素尺寸。,8,声音传感器,俗名麦克风。手机上常用的是驻极体话筒（电容式），通过声音的振动，引起电容量的改变，来得到声音的电量。,9,电容式触摸屏传感器,电容式触摸屏的构造主要是在玻璃屏幕上镀一层透明的薄膜导体层,再在导体层外加上一块保护玻璃,在触摸屏四边均镀上狭长的电极,在导体层内形成一个低压交流电场.在触摸屏幕时,由于人体是导体,手指与内部导体层间会形成一个特殊电容（耦合电容）,对于高频电流来说，电容是直接导体，于是手指从接触点吸走一个很小的电流，四边电极发出的电流会流向触点,而电流强弱与手指到电极的距离成正比,位于触摸屏后的控制器便会计算电流的比例及强弱,准确算出触摸点的位置。,10,近距离传感器,在 手机的正面，有一个近距离传感器，通过红外线感应，可以检测到人脸与手机屏幕的距离，如果非常贴近，就会将屏幕关掉，这样既能省电，又能避免脸部触碰产生的误操作。,11,光线传感器,在正面还有个光线传感器，可以获取到周边的光亮强度，这样就可以智能的调节屏幕亮度了。,12,加速度传感器（Accelerometer）,加速度传感器用来感知手机的运动情况，它的原理就像在一个盒子里装个铁球，由于重力的作用，如果转动盒子的方向，各个侧面收到的铁球的压力是不同的，以此来判断盒子的朝向。基于加速度传感器，iPhone 可以实现横屏时，内容自动转成宽屏显示。,13,电子罗盘,14,在手机里，电子罗盘起到指南者的作用。目前手机当中的“电子罗盘”的工作原理是基于霍尔效应的磁传感器。,陀螺仪（Gyroscope）,陀螺仪可以用来测量物体的旋转角度，可以获得更好的游戏体验，和精准导航。,15,陀螺仪,16,现在智能手机上采用的陀螺仪是MEMS（微机电）陀螺仪，它精度并不如前面说到的光纤陀螺仪，需要参考其他传感器的数据才能实现功能，但其体积小、功耗低、易于数字化和智能化。,内部温度传感器,iPhone 上还有个温度传感器，并不是为了测外部温度，主要是为了监测手机本身是否过热。手机温度过热时，会提示关机一段再开机。,17,指纹识别（Touch ID）,Touch ID本质上是个指纹扫描仪，分为光学的和电容的。光学传感器不在乎你的手指是否是潮湿的或者是占有水渍，一样能够识别指纹信息；但Touch ID 使用的是电容技术，电容传感器通过表皮的电容分布还原指纹。水是具有导电性的，会影响表皮电容的分布，让传感器接收到的电信号很差，所以基本上在手指沾了水的情况下用户是无法正常使用 Touch ID 的。,18,光学指纹传感器,当你把手指放上去的时候，采集端发出来的光线会被你的手指挡回来。由于指纹上有脊（凸起的部分）有谷（凹下的部分），光线遇到它们后会发生不同的反射原理，导致返回的光线有明暗之分。反射回来的光线再经过三棱镜的折射，打在感光元件上，就可以成像。,19,电容式指纹传感器,半导体指纹传感器上布满了非常细小的半导体器件，它们充当起了电容的一极；当手指接触传感器时，指纹就成了电容的另一极。由于指纹上的脊（凸起的部分）和谷（凹下的部分）距离半导体器件的距离是不同的，所以会导致每一个半导体器件的电容值都各不相同。通过汇总不同的数值，就可以完成对指纹的采集。,20,2传感器的基本概念,传感器（sensor）是由敏感元件和转换元件组成的一种检测装置，能感受到被测量，并能将检测和感受到的信息，按一定规律变换成为电信号（电压、电流、频率或相位）输出（传），以满足感知信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制的要求。 将非电量转换为与之有确定关系的电量输出的装置。,21,2传感器的基本概念,传感器结构与工作原理示意图,22,为什么一定要用传感器？,声音，图像，光线都不是电信号。 而计算机处理的是电信号。,23,真正把温度变成电信号的传感器是1821年由德国物理学家赛贝发明的，这就是后来的热电偶传感器。,3.1.2 传感器的分类,传感器分类的基本方法： 根据传感器功能分类 根据传感器工作原理分类 根据传感器感知的对象分类 根据传感器的应用领域分类,24,25,功能分类,工作原理分类,26,3.1.3 物理传感器,1. 物理传感器 物理传感器的原理是利用力、热、声、光、电、磁、射线等物理效应，将被测信号量的微小变化转换成电信号 物理传感器可以进一步分为：力传感器、热传感器、声传感器、光传感器、电传感器、磁传感器与射线传感器等7类,27,（1）力传感器,力传感器是能感受外力并将其转换成可用输出信号的传感器。 力传感器的种类繁多，常用的力与压力传感器有电阻应变式、半导体应变式、压阻式、电感式、电容式、谐振式压力传感器，以及光纤压力传感器等,28,（1）力传感器,用金属应变丝作为敏感元件的压力传感器原理示意图,29,当传感器中的弹性元件或被测机械零件受作用力产生应变时，粘贴在其上的应变片/丝也随之发生相同的机械变形，引起应变片/丝电阻发生相应的变化。这时，电阻应变片/丝便将力学量转换为电阻的变化量输出。,血压测量,我们通常的血压测量都是间接测量，通过体表检测出来的血流和压力之间的关系，从而测出脉管里的血压值。 测量血压所需要的传感器通常都包括一个弹性膜片，它将压力信号转变成为膜片的变形，然后再根据膜片的应变或位移转换成为相应的电信号。,30,压阻式压力传感器,固体材料在收到压力后，电阻率会发生一定的变化，半导体最为显著。单晶硅材料在受到力的作用后，晶体的晶格产生变形，电阻率发生变化，通过测量电路就可得到正比于力变化的电信号输出。 压阻式传感器，是利用单晶硅材料的压阻效应和集成电路技术制成的传感器。它不同于粘贴式应变计需通过弹性敏感元件间接感受外力，而是直接通过硅膜片感受被测压力的。,31,直线位移传感器,直线位移传感器的功能在于把直线机械位移量转换成电信号。为了达到这一效果，通常将可变电阻滑轨定置在传感器的固定部位，通过滑片在滑轨上的位移来测量不同的阻值。传感器滑轨连接稳态直流电压，允许流过微安培的小电流，滑片和始端之间的电压，与滑片移动的长度成正比。,32,流速传感器,空气流量传感器，是电喷发动机的重要传感器之一。它将吸入的空气流量转换成电信号送至电控单元(ECU），作为决定喷油的基本信号之一，是测定吸入发动机的空气流量的传感器。 卡曼涡旋式空气流量计，是在进气道中安装涡旋发生管，流经的空气速度不同，在管的出口端附近产生频率不同的涡旋，在涡旋附近安装一金属薄片。薄片随涡旋发生振动。薄片上涂有反光材料，对发光二极管发出的光线进行反射，当反射光线经过光电晶体管时产生电脉冲信号。通过计算脉冲的频率可以知道涡旋的频率，从而得到空气的流速。,33,不同用途的 力传感器,34,（2）温度传感器,35,温度是一个基本的物理量，自然界中的一切过程无不与温度密切相关。 温度传感器是最早开发，应用最广的一类传感器。温度传感器的市场份额大大超过了其他的传感器。 按测量方式可分为接触式和非接触式两大类，按照传感器材料及电子元件特性分为热电阻和热电偶两类。,温度传感器,体温计,利用热敏电阻（温度改变，电阻阻值改变）或半导体材料构成的PN结在不同温度下导通性能改变的特点，将体温以数字的形式显示出来。,37,塞贝克效应（德国物理学家（1770-1831）,塞贝克（Seeback）效应，又称作第一热电效应，它是指由于温差而产生的热电现象。在两种金属A和B组成的回路中，如果使两个接触点的温度不同，则在回路中将出现电流，称为热电流。,38,39,热电偶传感器,热电偶是温度测量仪表中常用的测温元件，是由两种不同成分的导体两端接合成回路时，当两接合点 热电偶温度不同时，就会在回路内产生热电流。,40,41,（3）声传感器,42,声控传感器，能够通过声音的振动，产生微弱的电信号。,43,声波传感器,将在气体、液体或固体中传播的机械振动转换成电信号的器件或装置都称为声波传感器，可用接触或非接触的方法检出声波信号。 人们能听到声音是由于物体振动产生的，它的频率在20HZ-20KHZ超声波传感器范围内，超过20KHZ称为超声波，低于20HZ的称为次声波。,44,次声波,由于次声的频率很低，所以大气对次声波的吸收系数很小，因而其穿透力极强，可传播至极远处而能量衰减很小。 1983年夏，位于印度尼西亚的火山爆发，火山爆发时产生的强次声波绕地球转了3圈，历时108小时后才慢慢消逝。 次声波对人体的危害主要是共振引起的。 1980年，一艘名叫“马尔波罗”的帆船在由新西兰驶往英国的途中突然神秘地失踪；20年后，却在火地岛附近被人发现。船上的一切都原封不动、完好如初。就连已死多年的船员也都各就各位，保持着工作状态。科学家对他们的神秘死亡引起了极大的关注，经过长期研究，终于发现，原来他们正是死于海上风暴产生的次声。,45,超声波传感器,超声波传感器由压电晶片组成，既可以发射超声波，也可以接收超声波。（压电效应） 超声波频率高，波长短，对液体、固体穿透能力强。,46,B超,超声波可以向一定方向传播，而且能穿透物体，如果碰到障碍，就会产生回声，不相同的障碍物就会产生不相同的回声，人们通过仪器将这种回声收集并显示在屏幕上，可以用来了解物体的内部结构。 平时说的“B超”就是向人体发射超声波，同时接收体内脏器的反射波，将所携信息反映在屏幕上。,47,超声波指纹识别,利用皮肤与空气对于声波阻抗的差异，就可以区分指纹嵴与峪所在的位置。 按压电容传感器做出的是二维指纹图像，而超声波扫描可以对指纹进行更深入的分析采样，甚至能渗透到皮肤表面之下识别出指纹独特的3D特征。,48,声呐,是一种应用声波在水下的传播特征，经由过程电声转换跟信息处置，实现水下探测跟通信义务的电子装备。 有主动式和被动式，属于声学定位的范围。 声纳是一种非常重要的海军装备，随着潜艇等水下武器的使用而受到各国极大的重视。,49,动物声呐,海豚跟鲸等则领有“水下声呐” 。海豚声呐的敏锐度很高，能发现多少米以外直径0.2mm的金属丝，能发现几百米外的鱼群，能遮住眼睛在插满竹竿的水池子中穿行而不会遇到竹竿。,50,声波传播,主动声纳工作时类似雷达，更确切地说像蝙蝠，发出声波后，接受反射回来的声信号。 为何不把雷达直接搬到水下呢？ 很简单，雷达依赖的电磁波在水下衰减严重，根本不足以用于远距离的探测。而声波是由物体振动产生，在水中的传播距离非常远，在深海声道中爆炸一个几公斤的炸弹，在两万公里外还可以收到信号。 在水中进行观察和测量，具有得天独厚条件的只有声波。,51,压电效应,当有外力F作用在压电体表面时，无论是拉伸还是压缩变形，都会在施加力的两个表面产生电荷。利用这个原理，就可以制成传感器。声波传播当中遇到这个传感器会引起传感器微小的振动，这种细微的变形会产生电荷信号。结合其他电路和计算机，就可以制成听声器。,52,逆压电效应,逆压电效应就是由电场来控制物体的形变。当压电体上下两端接好电线并且施加电压时，就会使物体沿着电场的方向伸长或是缩短。如果把电场的加载速度变快，即频率加大，就能让该物体形变加快产生振动发出声波。再加上其他的配套设备，就成了主动声纳的声源。,53,压电效应的应用,超声波 声呐 石英钟表 晶体振荡器,54,（4）光传感器 图像传感器,55,图像传感器,图像传感器，或称感光元件，是一种将光学图像转换成电子信号的设备，是数字摄像头的重要组成部分。根据元件的不同，可分为CCD和CMOS两大类。,56,（4）光传感器 光纤传感器,57,光纤传感器,光纤传感器的基本工作原理是将来自光源的光信号经过光纤送入调制器，使待测参数与进入调制区的光相互作用后，导致光的光学性质（如光的强度、波长、频率、相位、偏振态等）发生变化，成为被调制的信号源，在经过光纤送入光探测器，经解调后，获得被测参数。 光纤具有很多优异的性能，例如：抗电磁干扰和原子辐射的性能，径细、质软、重量轻的机械性能，绝缘、无感应的电气性能，耐水、耐高温、耐腐蚀的化学性能等，它能够在人达不到的地方(如高温区)，或者对人有害的地区(如核辐射区)，接收人的感官所感受不到的外界信息。,58,磁光效应（法拉第效应）,当一束偏振光通过介质时，若在光束传播方向存在着一个外磁场，那么光通过偏振面将旋转一个角度，这就是磁光效应。 也就是可以通过旋转的角度来测量外加的磁场。在特定的试验装置下，偏转的角度和输出的光强成正比，就可以用来测量特定的物理量。,59,光纤电流传感器,光纤电流传感器是以法拉第磁光效应为基础，以光纤为介质的新兴电力计量装置，它通过测量光波在通过磁光材料时其偏振面由于电流产生的磁场的作用而发生旋转的角度来确定被测电流的大小。,60,分布式光纤传感系统 分布式光纤传感系统利用光纤作为传感敏感元件和传输信号介质，探测出沿着光纤不同位置的温度和应变的变化，实现分布、自动、实时、连续、精确的测量。 分布式光纤传感系统应用领域包括： 智能电网的电力电缆表面温度检测、事故点定位 发电厂和变电站的温度监测、故障点检测和报警 水库大坝、河堤安全与渗漏监测 桥梁与高层建筑结构安全性监测 公路、地铁、隧道地质状况的监测 分布光纤温度传感系统可以在易燃、易爆的环境下同时测量上万个点，可以对每个温度测量点进行实时测量与定位,61,（5）电传感器 电传感器可以分为：电阻式、电容式、电感式传感器 电阻式传感器利用变阻器将非电量转换成电阻信号的原理制成的。电阻式传感器主要用于位移、压力、应变、力矩、气流流速、液面与液体流量等参数的测量 电容式是利用改变电容器的几何尺寸或介质参数，来使电容量变化的原理制成的。电容式传感器主要用于压力、位移、液面、厚度、水分含量等参数的测量 电感式是利用改变电感磁路的几何尺寸或磁体位置，来使电感或互感量变化的原理制成的，主要用于压力、位移、力、振动、加速度等参数的测量。,62,（6）磁传感器,磁传感器是最古老的传感器，指南针是磁传感器的最早的一种应用 磁传感器将磁信号转化成为电信号输出 磁电式传感器目前已经被高性能磁敏感材料的新型磁传感器所替代,63,磁旋转传感器,磁旋转传感器主要由半导体磁阻元件、永久磁铁、固定器、外壳等几个部分组成。典型结构是将一对磁阻元件安装在一个永磁体的刺激上，元件的输入输出端子接到固定器上，然后安装在金属盒中，再用工程塑料密封，形成密闭结构，这个结构就具有良好的可靠性。 磁旋转传感器有许多半导体磁阻元件无法比拟一款电磁传感器的外形的优点。除了具备很高的灵敏度和很大的输出信号外，而且有很强的转速检测范围，这是由于电子技术发展的结果。另外，这种传感器还能够应用在很大的温度范围中，有很长的工作寿命、抗灰尘、水和油污的能力强，因此耐受各种环境条件及外部噪声。所以，这种传感器在工业应用中受到广泛的重视。,64,磁阻传感器,某些金属或半导体在遇到外加磁场时，其电阻值会随着外加磁场的大小发生变化，这种现象叫做磁阻效应，电阻的变化量叫做磁阻。 磁阻传感器可用来检测一些铁磁性物体如飞机、火车、汽车。,65,（7）射线传感器 射线传感器是将射线强度转换出可输出的电信号的传感器 射线传感器可以分为：X射线传感器、射线传感器、射线传感器、辐射剂量传感器 射线传感器已经在环境保护、医疗卫生、科学研究与安全保护领域广泛使用,66,辐射究竟是什么？,它是指物体以波或粒子的形式向周围空间发射能量的过程。 自然界中的一切物体只要其温度在绝对零度（-273.15）以上，都会以电磁波或粒子的形式不停地向外界传送能量。 辐射是一个广泛的定义，包括很多种类，按能量划分，可以分为电离辐射以及非电离辐射两大类。,67,电离辐射,电离辐射的所具有的超高能量可以破坏生物分子的化学键，使分子性质改变，因而对生物体构成损伤。 电离辐射主要有粒子、粒子、中子、射线和X射线，其中、中子为粒子辐射；、X射线为高能电磁波辐射(电磁波的频率愈高，能量愈强，电离能力愈强。)。,68,X射线CT,X射线又称伦琴射线，它是肉眼看不见的一种射线，它具有穿透物质的本领，但对不同物质它的穿透本领不同。人体不同组织对X线的吸收与透过率的不同，当X线透过人体各种不同组织结构时，它被吸收的程度不同，所以到达荧屏或胶片上的X线的量有差异，在荧屏或X射线片上形成黑白对比不同的影像。 CT是用X射线束对人体某部一定厚度的层面进行扫描，X射线探测器，用荧光物质接收透过该层面的X射线，转变为可见光后，由光电转换变为电信号，再经模拟/数字转换器（analog/digital converter）转为数字，输入计算机处理。,69,核辐射探测仪,放射性物质以波或微粒形式发射出的一种能量就叫核辐射，核爆炸和核事故都有核辐射。 核辐射主要是、三种射线： 利用放射性同位素来进行测量的传感器。原理是射线通过物质时产生的电离作用，产生电量变化；或产生荧光，配以光电元件，将光信号变成电信号。,70,非电离辐射,主要是电磁辐射。人们经常接触到的就是低能电磁辐射。 电磁辐射已被世卫组织列为继水源、大气、噪声之后的第四大环境污染源，成为危害人类身体健康的隐形“杀手”，长期且过量的电磁辐射会对人体造成伤害，诱发各种疾病。,71,红外线,红外光，又叫红外线，是波长比可见光要长的电磁波（光），波长为770纳米到1毫米之间，光谱上面在红色光的外侧。 1800年，赫胥尔(Herschel)在研究太阳光时，让光通过棱镜分解为彩色光带，他用温度计去测量光带中不同颜色所含的热量。他放在光带红光外的一支温度计，比室内其他温度的指示数值高。 在绝对零度(-273) 以上的物体都辐射红外能量，是红外测温技术的基础。,72,红外传感器,将红外辐射能转换成电能的光敏元件称为红外传感器，也常称为红外探测器。,73,自动门使用什么传感器？,3.1.4 化学传感器,化学传感器可以将化学吸附、电化学反应过程中被测信号的微小变化转换成电信号的一类传感器 按传感方式的不同，可分为： 接触式化学传感器 非接触式化学传感器 按结构形式的不同，可以分为： 分离型化学传感器 组装一体化化学传感器 按检测对象的不同，可以分为： 气体传感器 离子传感器 湿度传感器,74,气敏传感器,气敏传感器可用来测量气体的类型、浓度和成分，能把气体中的特定成分检测出来，并将成分参量转换成电信号的器件或装置。其中用的最多的是半导体气敏传感器。大多是以金属氧化物半导体为基础材料。当被测气体在该半导体表面吸附后，引起其电学特性(例如电导率)发生变化。,75,将空气中的某种气体的含量转化为电信号的器件。,气体传感器,76,应用主要有：一氧化碳气体的检测、瓦斯气体的检测、煤气的检测、氟利昂（R11、R12）的检测、呼气中乙醇的检测、人体口腔口臭的检测等等。,酒精测试仪传感器,酒精测试仪传感器的敏感部分以二氧化锡为主要的基体的一些材料,添加不同的物质经特变烧制而成。 当酒精测试仪的表面吸附有还原性的气体(如酒精产生的有机溶剂蒸汽)时,半导体微结晶粒子接触界面的导电电子比例就会发生的变化,从而使电阻值随被测气体的浓度改变而改变的。从而使得酒精检测仪上的数值发生变化，同时，这一反应是可逆的。,77,湿度传感器,湿敏电阻的特点是在基片上覆盖一层用感湿材料制成的膜，当空气中的水蒸气吸附在感湿膜上时，元件的电阻率和电阻值都发生变化，利用这一特性即可测量湿度。,78,离子式烟雾传感器,该烟雾传感器内部采用离子式烟雾传感，是一种技术先进、工作稳足可靠的传感器，被广泛运用到各消防报警系统中。其性能远优于气敏电阻类的火灾报警器。,79,3.1.5 生物传感器,生物传感器是由生物敏感元件和信号传导器组成 生物敏感元件可以是生物体、组织、细胞、酶、核酸或有机物分子（生物成分） 不同的生物元件对于光强度、热量、声强度、压力有不同的感应特性。 生物传感器-感受物是生命物质,80,3.1.5 生物传感器,81,生物传感器的分类,酶传感器,酶，指具有生物催化功能的高分子物质。 酶传感器的基本结构单元是由物质识别元件(固定化酶膜)和信号转换器(基体电极)组成。当酶膜上发生酶促反应时，产生的电活性物质由基体电极对其响应.基体电极的作用是使化学信号转变为电信号，从而加以检测，基体电极可采用碳质电极、R 电极及相应的修饰电极。 1967年Updike和Hicks研制出世界上第一支葡萄糖氧化酶电极，用于定量检测血清中葡萄糖含量。,82,生物传感器,目前，虽然已经发展成功了许多生物传感器，但稳定性、再现性和可批量生产性明显不足，所以生物传感技术尚处于幼年期。 在不久的将来，模拟生物机体功能的嗅觉、味觉、听觉、触觉生物传感器将出现，有可能超过人类五官的敏感能力。,83,3.1.6 传感器性能指标,线性度 灵敏度 分辨率 迟滞,重复性（稳定） 漂移（老化） 测量范围 精度,84,智能传感器（智能化）微传感器（微型化）无线传感器（网络化）,85,所谓智能传感器(intelligentsensor或smartsensor)，就是一种带有微处理器的兼有检测、判断与信息处理功能的传感器。 智能传感器的最大特点就是将传感器检测信息的功能与微处理器的信息处理功能有机融合在一起。,86,智能传感器,3.2.1 智能传感器的发展,智能传感器的特点： 自学习、自诊断与自补偿能力 复合感知能力 灵活的通信能力 智能传感器的发展为传感器技术的研究提出了很多富有挑战性的课题,87,MEMS,MEMS全称Micro Electromechanical System，微机电系统。 微机电系统（MEMS）是指集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路，直至接口、通信和电源等于一体的微型器件或系统,88,3.2.2 微机电系统对智能传感器发展的影响,微机电系统的基本概念 MEMS为传感器微型化、智能化与网络化的实现提供了技术支持，也为智能传感器应用与产业发展拓展了新的空间 MEMS是在微电子技术基础上发展起来的多学科交叉的新兴学科，它以微电子及机械加工技术为依托，研究涉及微电子学、机械学、力学、自动控制科学、材料科学等多个学科,89,MEMS,尺寸在几毫米乃至更小的高科技装置，其内部结构一般在微米甚至纳米量级，是一个独立的智能系统。 常见的产品包括MEMS加速度计、MEMS麦克风、微马达、微泵、微振子、MEMS压力传感器、MEMS陀螺仪、MEMS湿度传感器等以及它们的集成产品。,90,MEMS的系统特点,1.微型化：MEMS器件体积小、重量轻、耗能低、惯性小、谐振频率高、响应时间短。 2.以硅为主要材料。 3.批量生产：用硅微加工工艺在一片硅片上可同时制造成百上千个微型机电装置或完整的MEMS。 4.集成化：可以把不同功能、不同敏感方向或致动方向的多个传感器或执行器集成于一体，或形成微传感器阵列、微执行器阵列，甚至把多种功能的器件集成在一起，形成复杂的微系统。 5.多学科交叉：MEMS涉及电子、机械、材料、制造、信息与自动控制、物理、化学和生物等多种学科，并集约了当今科学技术发展的许多尖端成果。,91,92,MEMS器件加工技术并非机械式。相反，它们采用类似于集成电路批处理式的微制造技术。因为它们采用与ASIC制造相似的制造流程，MEMS结构可以更容易地与微电子集成。,93,用MEMS技术制造的微型传感器,94,麦克风,传统 ECM驻极体电容麦克风/Apple Watch楼氏 MEMS硅麦克风,95,单晶硅片,数以万计的MEMS芯片（有些工艺也会把集成电路芯片放在同一步骤加工）出现在了每一片晶元上面。,96,硅与芯片,硅元素不仅在现代建筑中发挥了重要价值，而且也是现代电子计算器件的物质基础。 工厂生产好的硅晶体再经过切片处理变成晶圆，然后在经过蚀刻等等多项工艺流程最终制成我们可以使用的芯片。,97,Intel视频,全球MEMS生产厂商,全球前十名 MEMS厂商主要包括博世、意法半导体、惠普、德州仪器、佳能、InvenSense、 Avago和 Qorvo、楼氏电子、松下等等。其中 BOSCH因为其在汽车电子和消费电子的双重布局，牢牢占据着行业的第一的位置，其营收约占五大公司合计营收的三分之一。 河南：汉威电子是国内最大的气体传感器及仪表制造商。,98,3.2.3 无线传感器的研究,UGS的无线传感器外形与应用,99,“热带树”传感器,最早的传感器网络可以追溯到上世纪70年代美军在越战中使用的“热带树”传感器。 为了遏制北越在胡志明小道的后勤补给，美军在这条小道上沿途投放了上万个“热带树”传感器，这是一种振动和声响传感器，当北越车队经过时传感器探测到振动和声响即向指挥中心发送感知信号，美军收到信号后即组织轰炸，有资料显示越战期间美军依靠“热带树”的帮助总共炸坏了4万多辆北越运输卡车。,100,传感器网络化,“热带树”传感器之间没有通信能力，所以实际上还称不上网络的概念。20世纪80年代以来，美国军方陆续与高校开展传感器网络方面的研究合作，旨在建立能够用于军事用途的自组织的无线传感器网络。 2000年，美国加州大学伯克利分校发布了传感器节点专用操作系统TinyOS，后续又推出专用程序设计语言nesC。2001年，伯克利分校又推出Mica系列传感器节点产品。 2001年，ZigBee联盟成立，并对无线传感器网络的通信协议进行了全面的标准化，后续多家公司发布了多款符合ZigBee协议标准的芯片和产品。,101,无线传感器网,102,103,3.3.1 从无线分组网到无线自组网,无线分组网的研究 分组无线网是以无线信道通过分组方式传送数据或话音信息的通信网络，即网络中传送的信息要以“分组”或者称“信包”为基本单元。,104,3.3.1 从无线分组网到无线自组网,1. 无线自组网的研究 IEEE将无线自组网定义为一种特殊的自组织、对等式、多跳、无线移动网络（MANET），它是在无线分组网的基础上发展起来的 无线自组网有多个英文名称，如Ad hoc network 、Self-organizing network、Infrastructureless network 与Multi-hop network 1991年5月，IEEE正式采用“Ad hoc网络”术语 Ad hoc在英语中的含义是“for the specific purpose only”，即“专门为某个特定目的、即兴的、事先未准备的”意思,105,2. 无线自组网的基本概念,Ad hoc网络 物理结构与 拓扑结构,106,Ad hoc网络的特点: 自组织与独立组网 无中心 多跳路由 动态拓扑 无线传输的局限与节点能量的限制性 网络生存时间的限制,107,自组织和独立组网,Ad hoc 不需要任何预先架设的无线通信设施，所有节点通过分层的协议，协调各个节点的行为。快速，自主和独立地组网。,108,无中心,Ad hoc 是对等网，所有节点的地位平等，没有专门用来分组路由，转发的路由器。 任何节点可以随时加入或离开网络，任何节点的故障不会影响整个网络系统的工作。,109,多跳路由,在有效发射功率之外的节点之间通信，必须通过中间的节点的多跳转发来完成。,110,动态拓扑,Ad hoc网络允许节点之间的通信关系不断变化，也就是网络拓扑结构的动态改变。,111,无线传输的局限和能量的限制,无线信道比较窄，无线信号容易被窃听。 节点尺寸比较小，电池容量有限，需要节约能量。,112,网络生存时间的限制,Ad hoc通过是针对某种特殊目的而临时构建的，事件结束后应自行结束并消失。,113,Ad hoc网络的主要应用领域: 军事领域（ 自愈式雷场系统） 美国DAPRA资助了一项研究“自愈式雷场”。系统采用智能化的移动反坦克地雷阵来挫败敌人对地雷防线的突破。这些地雷均配备有无线通信与自组织联网单元，通过某种方式布撒之后，这些地雷迅速构成移动自组网。在遭到敌方坦克突破之后，这种地雷通过对拓朴结构的判定，以及自动弹跳功能迅速“自愈”（地雷“长脚”，会蹦跳到指定位置，重新自行组网），即通过网络重构恢复连通。 民用领域 地震、水灾、火灾后； 野外科考； 家庭无线网络；,114,3.3.2 从无线自组网到无线传感器网络,115,传感器技术发展史：两条主线,1. LWIM 与WINS无线传感器网络的研究 LWIM 与WINS无线传感器节点 低功耗无线传感器网络的研究。,117,2. 智能尘埃项目的研究 智能尘埃(Smart Dust)项目研究的目标是通过MEMS技术，实现传感、计算与通信能力的集成，用智能传感器技术去增强微型机器人的环境感知与智慧处理能力,118,成功的示范,2001年，当无线传感器网络被放置在一个无人驾驶飞机的机翼下，并按照预先设置的路径依次撒下。装备地磁仪的尘埃一旦被部署，就能记录飞行器飞过的时间。当无人机沿着该路径返回时，查询每个尘埃，尘埃就能够准确将飞行器飞过的时间向基站报告。,119,无线传感器网络技术发展的过程,120,3.3.3 无线传感器网络特点与结构,无线传感器网络特点: 网络规模 自组织网络 拓扑结构的动态变化 以数据为中心,121,无线传感器网络的基本结构 无线传感器网络节点类型: 传感器节点 汇聚节点 管理节点,122,无线传感器节点 无线传感器节点通常是一个微型的嵌入式系统，它的处理能力、存储能力和通信能力相对较弱，通过自身携带的能量有限的电池（钮扣电池或干电池）供电。 设计节点：低成本，微型化，低功耗,123,汇聚节点的处理能力，存储能力，通信能力比较强，连接传感器网络和互联网，实现两种协议的转换，同时发布管理节点的监测任务，并将收集的数据转发到外部网络上。 汇聚节点既可以是一个具有增强功能的传感器节点，有足够的能量提供给更多的内存与计算资源，也可以是没有监测功能仅带有无线通信接口的特殊网关设备。,124,基于功能的无线传感器网络结构模型,125,3.3.4 无线传感器网络关键技术研究,无线传感器网络研究的主要内容,126,拓扑控制与路由协议,拓扑控制，自动生成网络拓扑结构。 路由协议：能量优先，基于局部拓扑，以数据为中心。,127,介质访问控制协议,网络协议不能太复杂 路由协议要关心单个节点的能耗，也要考虑整个网络的能耗 以数据为主，单个节点没有必要采用全网编址,128,节点定位,位置信息对传感器网络的监控至关重要，没有位置的信息监测报告没有意义。,129,时钟同步,分布式系统需要一个表示整个系统的全局时间。 现有网络的时间同步机制不适用它。,130,数据融合和数据处理技术,将传感器节点产生的多份数据或信息进行处理，组合出更有效，更符合用户需求的数据的过程。,131,嵌入式操作系统,直接在硬件上编写应用软件无法适应多种服务。 传统的嵌入式OS比较复杂。,132,网络安全,信息泄密 空间攻击,133,3.3.5 无线传感器网络通信协议与标准*,134,无线接入网技术概述 迄今为止，没有任何一种单一的无线技术能够满足所有的场合和应用需要，因而技术的多元性是无线接入的一个基本特征。 依通信覆盖范围的不同，无线网络从小到大依次为无线个域网（WPAN）、无线局域网（WLAN）、无线城域网（WMAN）和无线广域网（WWAN）。无线接入技术能实现真正意义上的个人通信， 目前无线接入有ZigBee、蓝牙、RFID、UWB、60GHz、Wi-Fi、WiMAX、3G等。,无线局域网与IEEE802.11标准 无线个域网与IEEE802.15标准,137,什么是WLAN,全称是：WirelessLocalAreaNetworks，是一种利用射频技术进行据传输的系统。 该技术的出现绝不是用来取代有线局域网络，而是用来弥补有线局域网络之不足，以达到网络延伸之目的，使得无线局域网络能利用简单的存取架构让用户透过它，实现无网线、无距离限制的通畅网络。,138,IEEE802.11,IEEE802.11是IEEE制定的一个无线局域网标准，主要用于解决办公室局域网和校园网中，用户与用户终端的无线接入。由于802.11在速率和传输距离上都不能满足人们的需要，IEEE小组相继推出了一系列802.11标准。不同802.11协议的差异主要体现在使用频段，调制模式和信道差分等物理层技术上。,139,802.11无线局域网的发展,尽管物理层使用技术差异很大，一系列IEEE802.11协议的上层架构和链路访问协议是相同的。 如MAC层都使用带冲突避免的载波监听多路访问（CSMA/CA）技术，数据链路层数据帧结构相同以及都支持基站和自组织两种组网模式。,802.11无线局域网的发展,802.11架构,基本服务组（Basic Service Set，BSS）是802.11架构中最重要的组成部分。 基站模式 无线用户（笔记本电脑、PDA、台式机等）：通过与接入点相关联获取上层网络数据。 接入点（基站）：通过有线网络设备（交换机/路由器）连入上层公共网络。“无线路由器”是接入点和路由器功能的结合体。 自组织模式 无线用户：每个无线网络用户既是数据交互的终端也是数据传输过程中的路由。,802.11架构：组成部分,信道： 802.11b/g：将85MHz的频宽分为11个不同频段的信道。 接入点管理者会为每个接入点指定信道。 不相互干扰的信道中间须隔4个或4个以上其他信道 用户与接入点关联（基站模式）： 接入点广播的“识别帧”（包含了接入点的MAC地址和服务集表示符） 用户根据收到的“识别帧”选择与其中一个接入点建立关联 识别帧扫描方式： 被动扫描，接入点周期性广播“识别帧”。 主动扫描，首先无线用户主动广播“探测帧”，然后收到“探测帧”的接入点以“回应帧”响应，最后用户根据“回应帧”选择接入点。,802.11架构：信道、关联及扫瞄,信道,虽然物理世界中无线电信道很多，但能够被Wi-Fi协议所用的信道却是寥寥无几，并主要集中在2.4GHz和5GHz频段。 此外，由于各国对于无线电信道的用途不同，因此即使是在2.4GHz和5GHz这两个公共频段，信道的开放程度也是不同的，这其中既有出于国家安全的考虑，也有被其他应用占用的情况。,145,各国或地区的信道开放程度,可以看到，在2.4GHz频段，我国在2.412-2.472GHz，共有13个信道可供选择。,146,建议选择1,6,11信道？,147,148,介质访问控制协议的目的：避免多个用户同时访问信道 CSMA（Carrier Sense Multiple Access）：用户在发送数据之前先监听信道，信道占用则不发送数据。 CA（Collision Avoidence）：冲突避免，要求建立数据链路层确认/重传机制以避免冲突。 CD（Collision Detected）：冲突检测。 802.11采用带冲突避免的载波监听多路访问协议（CSMA/CA），而以太网采用带冲突检测的多载波监听多路访问协议（CSMA/CD）。,802.11介质访问控制协议,CSMA/CD,工作原理是： 发送数据前 先侦听信道是否空闲 ,若空闲则立即发送数据。在发送数据时，边发送边继续侦听。若侦听到冲突，则立即停止发送数据。等待一段随机时间（通过二进制指数回退算法），再重新尝试。 先听后发，边发边听，冲突停发，随即延迟后重发。,150,CSMA/CA,（1）首先检测信道是否有使用，如果检测出信道空闲，则等待一段随机时间后（每个设备采用的随机时间不同，所以可以减少冲突的机会），才送出数据。 （2）接收端如果正确收到此帧，则经过一段时间间隔后，向发送端发送确认帧ACK。 （3）发送端收到ACK帧，确定数据正确传输，否则重传。,151,802.11节点发送数据帧过程,152,无线连接的特点导致的有线信道中不存在的问题： 隐藏终端（Hidden Terminal）问题 A，B之间可通讯 C，B之间可通讯 A，C之间不可通讯 A，C可能同时向B传输且意识不到彼此之间的干扰,无线网络的隐藏终端,CSMA/CA（隐藏终端）,当发射端希望发送数据时： 1、首先检测介质是否空闲，若是介质为空闲时，送出RTS（Request To Send请求发送）（RTS信号包括发射端的地址、接收端的地址、下一笔数据将持续发送的时间等信息）； 2、接收端收到RTS信号后，将响应短信号CTS（Clear To Send）（CTS信号上也RTS内记录的持续发送的时间）； 3、当发射端收到CTS包后，随即开始发送数据包。 4、接收端收到数据包后，将以包内的CRC（循环冗余校验）的数值来检验包数据是否正确，若是检验结果正确时，接收端将响应ACK包，告知发射端数据己经被成功地接收。 5、当发射端没有收到接收端的ACK包时，将认为包在传输过程中丢失，而一直重新发送包。,154,为了避免冲突和“隐藏终端”，发送端可以请求预留信道而不是随机访问，通过RTS（Request to Send）和CTS（Clear to Send）实现。 发送端 使用CSMA/CA向接入点发送RTS 接入点 广播CTS 接收到CTS的用户 RTS发送者发送数据 其它用户延后其发送,RTS和CTS机制：预留信道,冲突检测（CD）需要全双工（发送数据同时也可接受数据），硬件代价过高，无线网卡很难同时接收冲突探测帧和发送无线信号。 无线信号的衰减特性和隐藏终端问题使冲突很难被侦测。,为什么802.11采用CSMA/CA,WLAN与WIFI,包含关系上来说，WIFI是WLAN的一个标准， Wi-Fi 是 WLAN（的一种实现）。 Wi-Fi联盟（全称：国际Wi-Fi联盟组织），英语：Wi-Fi Alliance，简称WFA），是一个商业联盟，拥有 Wi-Fi的商标。它负责Wi-Fi 认证与商标授权的工作，总部位于美国德州奥斯汀（Austin）。成立于1999年，主要目的是在全球范围内推行Wi-Fi产品的兼容认证，发展IEEE802.11标准的无线局域网技术。,157,WPAN,无线个人域网（Wireless personal Area Network） WPAN的传输范围比无线区域网络（Wireless Local Area Networks，WLAN）要小，目前常听到的WPAN技术有蓝牙与ZigBee。 IEEE 802.15.1中速无线个域网 IEEE 802.15.3高速无线个域网 IEEE 802.15.4低速，低功耗无线个域网,158,红外线通信技术,红外通信技术是利用红外线来传输数据的技术。 由于通信距离，速率，可见性（由于红外线波长较短，对障碍物衍射较差，因此两个使用红外通信的设备必须互相可见）等限制，慢慢地被蓝牙和WIFI取代。,159,2. 蓝牙技术与协议IEEE 802.15.1 蓝牙（Bluetooth）一种用于将计算机与通信设备、附加部件和外部设备，通过短距离的、低功耗的、低成本的无线信道连接的无线标准。,160,蓝牙(Bluetooth)名字来源于10世纪丹麦国王Harald Blatand英译为Harold Bluetooth。 1994年，瑞典爱立信公司研发了一种基于个人操作空间(personal operating space, POS)的短距无线通信技术，并用Blatand国王的名字命名。,蓝牙的起源,蓝牙标志由Scandinavian公司设计。标志保留了它名字的传统特色，包含了古北欧字母“H”，看上去非常类似一个星号和一个“B”，在标志上仔细看两者都能看到。,蓝牙的起源（续）,1998年，蓝牙技术由蓝牙特别兴趣小组(Bluetooth Special Interest Group)成立，成员包括爱立信、IBM、Intel、东芝和诺基亚等国际通信巨头。 1998年3月，蓝牙技术成为IEEE 802.15.1标准。 蓝牙技术的物理层采用跳频扩频结合的调制技术，频段范围是2.402GHz-2.480GHz，通信速率一般能达到1Mbps左右。 蓝牙设备有两种可能的角色，分别为主设备和从设备。 同一个蓝牙设备可以在这两种角色之间转换。 一个主蓝牙设备可以最多同时和7个从设备通信。,蓝牙的起源（续）,蓝牙工作原理： 每一对设备之间进行蓝牙通信时，必须一个为主角色，另一为从角色； 通信时，必须由主端进行查找，发起配对，建链成功后，双方即可收发数据。 （1）蓝牙主端设备发起呼叫，首先是查找，找出周围处于可被查找的蓝牙设备。 （2）配对完成后，从端蓝牙设备会记录主端设备的信任信息，此时主端即可向从端设备发起呼叫，已配对的设备，作为从端的蓝牙耳机也可以发起建链请求，但做数据通信的蓝牙模块一般不发起呼叫。 （3）链路建立成功后，主从设备之间即可进行双向的数据或语音通信。,建立连接时间长、 功耗高、 安全性不高,蓝牙的缺点,ZigBee技术与协议IEEE 802.15.4 ZigBee是一种面向自动控制的低速、低功耗、低价格的无线网络技术,166,ZigBee技术是一种具有统一技术标准的短距离无线通信技术，其PHY层和MAC层协议为IEEE 802.15.4协议标准，网络层由ZigBee技术联盟制定，应用层的开发应用根据用户自己的应用需要，对其进行开发利用，因此该技术能够为用户提供机动、灵活的组网方式。 ZigBee频道是全球免费频道2.4GHz。 ZigBee协议802.11.4标准把2.4GHz的ISM频段划分为16个信道，每个信道带宽为2MHz。,IEEE802.15.4 技术,IEEE802.15.4 规范特点： 经济 高效 低速率 2.4GHz 用于个域网和对等网状网络 支持传感器、远端控制和家用自动化等 不适合传输语音，通常连接距离小于100m。 802.15.4不仅是ZigBee应用层和网络层协议的基础，也为无线 HART、ISA100、WIA-PA 等工业无线技术提供了物理层（Physical Layer，PHY）和媒体介入控制层（Meclia Accers Control，MAC）层协议。 同时802.15.4还是传感器网络使用的主要通信协议规范。,ZigBee，又称为IEEE 802.15.4标准，其目标是实现类似于蜂群的低功耗、低复杂度、低速率、自组织的短距无线通信网络，为个人或者家庭范围内不同设备之音的低速互连提供统一标准。 2001年，IEEE 802.15.4工作组成立了TG4工作组，制定规范IEEE 802.15.4标准，同年，ZigBee联盟成立。 2004年，ZigBee V1.0协议正式问世。 2006年，推出ZigBee 2006，比较完善。 2007年底，ZigBee PRO推出。2009年3月，ZigBee RF4CE推出，具备更强的灵活性和远程控制能力。 2009年开始，ZigBee采用了IETF的IPv6 6Lowpan标准作为新一代智能电网Smart Energy（SEP 2.0）的标准。,ZigBee的起源,ZigBee是一种无线连接，可工作在2.4GHz(全球流行)、868MHz(欧洲流行)和915MHz(美国流行)3个频段上,分别具有最高250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s的传输速率，它的传输距离在10-180m的范围内(室内一般不超过60米 室外一般不超过180米)。ZigBee具有如下特点： 低功耗: ZigBee的传输速率低,发射功率仅为1mW,而且采用了休眠模式，功耗低。 ZigBee设备仅靠两节5号电池就可以维持长达6个月到2年左右的使用时间。,ZigBee的特点,低成本： ZigBee模块的初始成本在6美元左右，估计很快就能降到1.52.5美元。 ZigBee协议是免专利费的。 时延短: 典型的搜索设备时延30ms, 休眠激活的时延是15ms, 活动设备信道接入的时延为15ms。 适用于对时延要求苛刻的无线控制(如工业控制场合等)应用。 网络容量大: 一个星型结构的Zigbee网络最多可以容纳254个从设备和一个主设备。 一个区域内可以同时存在最多100个ZigBee网络。,可靠： 支持冲突避免的载波多路侦听技术（carrier sense multiple access with collision avoidance, CSMA-CA）。 MAC层采用了完全确认的数据传输模式，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息。 安全: 基于循环冗余校验(CRC)的数据包完整性检查。 支持鉴权和认证。 采用了AES-128的加密算法。 各个应用可以灵活确定其安全属性。,IEEE 802.15.4/ZigBee协议主要包括开放系统互连（OSI）五层模型的物理层、介质访问控制层、网络层、传输层，以及应用层。 IEEE 802.15.4主要规定了物理层和链路层的规范。 ZigBee主要提供了在物理层和链路层之上的网络层、传输层和应用层规范。,ZigBee的协议栈,IEEE 802.15.4/ZigBee体系结构,频段：3个频段，均为国际电信联盟电信标准化组定义的用于科研和医疗的开放频段，包括 868.0-868.6MHz，主要为欧洲采用，单信道； 902-928MHz，北美采用，10个信道，支持扩展到30个信道； 2.4-2.4835GHz世界范围内通用，16个信道。 传输技术：最早为直接扩频，后来可采用调频、调相等多种技术。,ZigBee物理层,介质访问控制层（MAC）负责定义什么时候节点应怎么样使用物理层的信道资源，如何分配，什么时候释放。 IEEE 802.15.4采用载波侦听多路访问方式(CSMA/CA)，与IEEE 802.11（Wi-Fi）类似。 传输之前，先侦听介质中是否有使用同一信道的载波存在，若不存在说明信道空闲，将直接进入数据传输状态； 若系统检测到存在载波，则在随机退避一段时间后重新检测信道，退避的时间长短由具体的协议指定。,ZigBee介质访问控制层,典型无线传感网节点各个模块能量消耗,MAC层设计：如何降低能量消耗？,无线收发模块占据大部分的能量消耗。 无线收发器件（radio transceiver）工作时通常处于三种状态，发送，侦听和空闲状态。 空闲侦听（idle listening）：是指节点处于侦听状态，但是并未侦听到任何数据，从而浪费掉了能量。 空闲（idle）：空闲状态是指节点物理地关闭一些硬件功能，从而达到较低的能耗。 如何减少空闲侦听是一个无线通信协议能够适用于传感网以及其他低功耗的网络首先需要考虑的一个重要问题。,MAC层设计：如何降低能量消耗？,网络层功能：路由，新节点和路径的发现，决定一个节点属于某一个子网络等。 ZigBee网络层采用距离矢量路由协议（AODV） 源节点广播一个路由请求给它的所有邻居 邻居节点在收到消息后，再广播收到的消息给它们的邻居，如此直到消息到达目的节点。 当目的节点收到路由请求消息以后，目的节点返回一个路由回复给源节点。 回复不再以广播方式发送到源节点，而是沿着路由请求数据包从源节点到目的节点的路径，这样源节点就可以按照这条路径发送消息到目的节点了。,ZigBee网络层,距离矢量路由协议（AODV）,网络层以及上提供了向终端用户的接口 与互联网类似，在网络层以上： 互联网模型中需要提供不同类型的传输服务（比如TCP