传感器技术.ppt

P1第第4章章 传感器技术P2 123本章核心要点本章核心要点传感器的基本概念、定义，分类常用传感器的原理、性能、参数无线传感器网组成和工作原理无线传感器体系结构定位系统P3v1.基本概念基本概念广义地可以把传感器归纳为:一种能感受外界信息(力、热、声、光、磁、气体、湿度等等)，并按一定的规律将其转换成易处理的电信号的装置。4.14.1传感器传感器P42.传感器分类传感器分类按照工作机理可以分为物性传感器和结构型传感器两大类。按照工作机理可以分为物性传感器和结构型传感器两大类。1、物性传感器 利用外界信息使材料本身的固有性质发生变化，通过检测性质的变化来检测外界信息。物理传感器：化学传感器：生物传感器：4.14.1传感器传感器P52.传感器分类传感器分类按照工作机理可以分为物性传感器和结构型传感器两大类。按照工作机理可以分为物性传感器和结构型传感器两大类。2、结构型传感器利用外界信息使一些元件的结构(如弹簧)发生形变、通过测量结构的变化来检测被测对象，如用金属的伸缩来感知温度等等4.14.1传感器传感器P62.传感器分类传感器分类按照信息的传递方式可以分为直接型和间接型传感器。按照信息的传递方式可以分为直接型和间接型传感器。直接型传感器 间接型传感器4.14.1传感器传感器P72.传感器分类传感器分类按照人类的感觉功能分为按照人类的感觉功能分为视觉、听觉、嗅觉、味觉和触觉视觉、听觉、嗅觉、味觉和触觉5类传感器类传感器4.14.1传感器传感器P83.传感器的应用与发展传感器的应用与发展在工农业、国防、航空、航天、医疗卫生和生物工程等各个领域中人们日常生活的各个方面，如家电中温度、湿度的测控、音响系统、电视机和电风扇的遥控、煤气和液化气的泄漏报警、路灯的声控等等都离不开传感器。4.14.1传感器传感器P93.传感器的方向发展传感器的方向发展高精度，且数值化。智能化。微型化，集成化。4.14.1传感器传感器P104.常见传感器原理常见传感器原理热敏元件及温度传感器热敏元件及温度传感器。4.14.1传感器传感器P114.常见传感器原理常见传感器原理光传感器及光敏元件光传感器及光敏元件。4.14.1传感器传感器P124.常见传感器原理常见传感器原理光传感器及光敏元件光传感器及光敏元件。4.14.1传感器传感器P134.常见传感器原理常见传感器原理气敏传感器及气敏元件气敏传感器及气敏元件4.14.1传感器传感器半导体气敏元件有N型和P型之分。N型在检测时阻值随气体浓度的增大而减小；P型阻值随气体浓度的增大而增大。利用SnO2金属氧化物半导体气敏材料，通过颗粒超微细化和掺杂工艺制备SnO2纳米颗粒，并以此为基体掺杂一定催化剂，经适当烧结工艺进行表面修饰，制成旁热式烧结型CO敏感元件，能够探测0.005%0.5%范围的CO气体P144.常见传感器原理常见传感器原理气敏传感器及气敏元件气敏传感器及气敏元件4.14.1传感器传感器气敏元件的参数主要有：加热电压、电流，测量回路电压，灵敏度，响应时间，恢复时间，标定气体（0.1%丁烷气体）中电压，负载电阻值等。P154.常见传感器原理常见传感器原理力敏传感器和力敏元件力敏传感器和力敏元件4.14.1传感器传感器力/压力传感器不仅可以测量力和压力，也可测量负荷、加速度、扭矩、位移、流量等其他物理量，它们都与机械应力有关。P164.常见传感器原理常见传感器原理力敏传感器和力敏元件力敏传感器和力敏元件4.14.1传感器传感器当半导体材料受到应力作用时，其晶格间距就会发生变化，使得其电阻率发生变化现象称为压阻效应。压阻效应被用来制成各种压力、应力、应变、速度、加速度传感器，把力学量转换成电信号。P174.常见传感器原理常见传感器原理超声波传感器超声波传感器4.14.1传感器传感器超声波传感器有压电式、磁致伸缩式、电磁式等。在检测技术中最常用的是压电式。压电式换能器是利用电致伸缩现象制成的，在压电材料切片上施加交变电压，使它产生电致伸缩振动而产生超声波。P184.常见传感器原理常见传感器原理超声波传感器超声波传感器4.14.1传感器传感器P194.常见传感器原理常见传感器原理磁敏传感器和磁敏元件磁敏传感器和磁敏元件4.14.1传感器传感器目前磁敏元件有霍尔器件、磁阻器件、磁敏二极管和三极管等。以磁敏元件为基础的磁敏传感器在一些电、磁学量和力学量的测量中广泛应用。P205.光纤传感器和光纤传感器和MEMSMEMS传感器传感器光纤传感器光纤传感器4.14.1传感器传感器P215.光纤传感器和光纤传感器和MEMSMEMS传感器传感器MEMS传感器传感器4.14.1传感器传感器P225.光纤传感器和光纤传感器和MEMSMEMS传感器传感器微传感器和微执行器4.14.1传感器传感器P235.光纤传感器和光纤传感器和MEMSMEMS传感器传感器利用静电力驱动的微型镊子4.14.1传感器传感器P245.光纤传感器和光纤传感器和MEMSMEMS传感器传感器典型的MEMS产品4.14.1传感器传感器（1）微型齿轮。（2）微型马达。（3）微型涡轮。（4）微型光学元件P251.概述4.2 4.2 无线传感器网络无线传感器网络无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，WSN）无线传感器网络就是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳自组织网络的网络系统，其目的是协作感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给观察者。P262.无线传感器网络的体系结构无线传感器网络的体系结构4.2 4.2 无线传感器网络无线传感器网络汇聚节点汇聚节点传感节点传感节点管理节点管理节点P293.传感器节点的结构传感器节点的结构4.2 4.2 无线传感器网络无线传感器网络传感器节点由四部分组成：传感器节点由四部分组成：传感器模块、处理器模块、无线通信模块和电源模块传感器模块、处理器模块、无线通信模块和电源模块P314.无线传感器网络的特征无线传感器网络的特征4.2 4.2 无线传感器网络无线传感器网络l电源能量有限电源能量有限l通信能量有限通信能量有限l计算能力有限计算能力有限l网络规模大，分布广网络规模大，分布广l自组织、动态性网络自组织、动态性网络l以数据为中心的网络以数据为中心的网络l应用相关的网络应用相关的网络5.5.传感器网络协议栈传感器网络协议栈协议栈包括五层协议和三层平台：协议栈包括五层协议和三层平台：物理层提供简单但健壮的信号调制和无线收发技术物理层提供简单但健壮的信号调制和无线收发技术数据链路层负责数据成帧，帧检测和媒体访问以及数据链路层负责数据成帧，帧检测和媒体访问以及差错控制。差错控制。网络层主要负责路由生成与路由选择网络层主要负责路由生成与路由选择传输层负责数据流的传输控制，保证通信服务质量传输层负责数据流的传输控制，保证通信服务质量应用层包括一系列基于检测任务的应用层软件应用层包括一系列基于检测任务的应用层软件各层协议功能各层协议功能:三层功能三层功能能量管理平台管理传感器节点如何使用能量，在各个协议能量管理平台管理传感器节点如何使用能量，在各个协议层都需要考虑节省能量。层都需要考虑节省能量。移动管理平台检测并注册传感其节点的移动，维护到汇集移动管理平台检测并注册传感其节点的移动，维护到汇集节点的路由，使得传感器节点能够动态跟踪其邻居的位置。节点的路由，使得传感器节点能够动态跟踪其邻居的位置。任务管理平台在一个给定的区域内平衡和调度检测任务。任务管理平台在一个给定的区域内平衡和调度检测任务。P366.无线传感器网络介质访问控制（无线传感器网络介质访问控制（MACMAC）协议协议4.2 4.2 无线传感器网络无线传感器网络三种典的MAC协议：传感器协议(Sensor-MAC,S-MAC)、分布式能量意识协议（Distributed Energy-aware MAC，DE-MAC）协调设备协议(Mediation Device-MAC，MD-MAC)。P377.无线传感器网络的路由协议无线传感器网络的路由协议4.2 4.2 无线传感器网络无线传感器网络路由要实现两个基本功能：确定最佳路径和通过网络传输信息。数据传输的途径存于路由表，由路由算法初始化并负责维护。P388.无线传感器网络的操作系统无线传感器网络的操作系统4.2 4.2 无线传感器网络无线传感器网络无线传感器网络操作系统，是管理和操作设备的系统软件支持。它不仅具有传统操作系统的功能，负责管理系统中的软硬件资源，为用户提供应用开发和运行的平台，而且其在资源管理、体系结构、功耗管理等方面具有独特的特点。P399.无线传感器网络的关键技术无线传感器网络的关键技术4.2 4.2 无线传感器网络无线传感器网络还面临下列关键技术需要解决还面临下列关键技术需要解决：网络拓扑管理网络拓扑管理:满足网络覆盖和联通度的前提下，通过功率控制和骨干网节点满足网络覆盖和联通度的前提下，通过功率控制和骨干网节点满足网络覆盖和联通度的前提下，通过功率控制和骨干网节点满足网络覆盖和联通度的前提下，通过功率控制和骨干网节点选择，剔除节点间不必要的通信链路选择，剔除节点间不必要的通信链路选择，剔除节点间不必要的通信链路选择，剔除节点间不必要的通信链路,生成一个高效的数据转发的网络拓扑结构生成一个高效的数据转发的网络拓扑结构生成一个高效的数据转发的网络拓扑结构生成一个高效的数据转发的网络拓扑结构网络安全网络安全:为了保证任务执行的机密性，数据产生的可靠性，数据融合的高效性为了保证任务执行的机密性，数据产生的可靠性，数据融合的高效性为了保证任务执行的机密性，数据产生的可靠性，数据融合的高效性为了保证任务执行的机密性，数据产生的可靠性，数据融合的高效性以及数据传输的安全性等，以及数据传输的安全性等，以及数据传输的安全性等，以及数据传输的安全性等，wsnwsn需要实现一些最基本的安全机制：机密性，点到点需要实现一些最基本的安全机制：机密性，点到点需要实现一些最基本的安全机制：机密性，点到点需要实现一些最基本的安全机制：机密性，点到点消息认证，完整性鉴别，新鲜性，认证广播和安全管理消息认证，完整性鉴别，新鲜性，认证广播和安全管理消息认证，完整性鉴别，新鲜性，认证广播和安全管理消息认证，完整性鉴别，新鲜性，认证广播和安全管理，除此之外，为了确保数据，除此之外，为了确保数据，除此之外，为了确保数据，除此之外，为了确保数据融合后数据源信息的保留，水印技术也成为融合后数据源信息的保留，水印技术也成为融合后数据源信息的保留，水印技术也成为融合后数据源信息的保留，水印技术也成为wsnwsn网络安全的研究内容。网络安全的研究内容。网络安全的研究内容。网络安全的研究内容。时间同步技术时间同步技术:时间同步是需要协同工作的传感器网络系统的一个关键机制，时间同步是需要协同工作的传感器网络系统的一个关键机制，时间同步是需要协同工作的传感器网络系统的一个关键机制，时间同步是需要协同工作的传感器网络系统的一个关键机制，如测量移动车辆的速度需要计算不同传感器检测事件的时间差。目前已提出多个时如测量移动车辆的速度需要计算不同传感器检测事件的时间差。目前已提出多个时如测量移动车辆的速度需要计算不同传感器检测事件的时间差。目前已提出多个时如测量移动车辆的速度需要计算不同传感器检测事件的时间差。目前已提出多个时间同步机制。间同步机制。间同步机制。间同步机制。RBSRBS机制是基于接收者机制是基于接收者机制是基于接收者机制是基于接收者-接收者的时钟同步；接收者的时钟同步；接收者的时钟同步；接收者的时钟同步；TINY/MINI-SYNCTINY/MINI-SYNC是简单是简单是简单是简单的轻量级同步机制；的轻量级同步机制；的轻量级同步机制；的轻量级同步机制；TPSNTPSN采用层次结构实现整个网络节点的时间同步。采用层次结构实现整个网络节点的时间同步。采用层次结构实现整个网络节点的时间同步。采用层次结构实现整个网络节点的时间同步。数据融合：数据融合：传感器网络存在能量的约束，减少传输的数据量能够有效的节省能传感器网络存在能量的约束，减少传输的数据量能够有效的节省能传感器网络存在能量的约束，减少传输的数据量能够有效的节省能传感器网络存在能量的约束，减少传输的数据量能够有效的节省能量，因此在从各个传感器节点收集数据的过程中，可以利用节点的本地计算和存储量，因此在从各个传感器节点收集数据的过程中，可以利用节点的本地计算和存储量，因此在从各个传感器节点收集数据的过程中，可以利用节点的本地计算和存储量，因此在从各个传感器节点收集数据的过程中，可以利用节点的本地计算和存储能力处理数据的融合，去除冗余信息，从而达到节省能量的目的，由于传感器节点能力处理数据的融合，去除冗余信息，从而达到节省能量的目的，由于传感器节点能力处理数据的融合，去除冗余信息，从而达到节省能量的目的，由于传感器节点能力处理数据的融合，去除冗余信息，从而达到节省能量的目的，由于传感器节点的失效性，的失效性，的失效性，的失效性，,也需要数据融合技术对多份数据进行综合，提高信息的准确度。也需要数据融合技术对多份数据进行综合，提高信息的准确度。也需要数据融合技术对多份数据进行综合，提高信息的准确度。也需要数据融合技术对多份数据进行综合，提高信息的准确度。P4010.无线传感器网络的节点定位无线传感器网络的节点定位4.2 4.2 无线传感器网络无线传感器网络确定事件发生的位置或采集数据节点的位置是传感器网络的基本功能之一，如：我确定事件发生的位置或采集数据节点的位置是传感器网络的基本功能之一，如：我们可以利用定位技术来确定火灾发生的准确位置。根据定位过程中是否实际测量节们可以利用定位技术来确定火灾发生的准确位置。根据定位过程中是否实际测量节点间的距离或角度，把传感器网络中的定位分类为基于距离的定位和距离无关的定点间的距离或角度，把传感器网络中的定位分类为基于距离的定位和距离无关的定位。位。GPS是目前应用得最广泛最成熟的定位系统。但是定位适应于无遮挡的室外环境，用户节点通常能耗高，体积大，成本也比较高，需要固定的基础设施等，这使得它不适用于低成本自组织的无线传感器网络。为什么需要定位？为什么需要定位？基于位置的服务基于位置的服务自动导航自动导航搜索周边服务信息搜索周边服务信息基于位置的社交网络：基于位置的社交网络：Four square位置信息和我们的生活息息相关位置信息和我们的生活息息相关位置信息位置信息不是单纯的不是单纯的“位置位置”地理位置（地理位置（空间空间坐标）坐标）处在该位置的时刻（处在该位置的时刻（时间时间坐标）坐标）处在该位置的对象（处在该位置的对象（身份身份信息）信息）4.3典型定位系统定位系统现存主流定位系统现存主流定位系统卫星定位：卫星定位：GPS蜂窝基站定位蜂窝基站定位无线室内环境定位无线室内环境定位新兴定位系统：新兴定位系统：A-GPS，网络定位，网络定位卫星定位卫星定位各国的卫星定位系统各国的卫星定位系统美国：美国：GPS俄罗斯：俄罗斯：GLONASS欧盟：伽利略欧盟：伽利略中国：北斗一号（区域）、北斗二号（全球）中国：北斗一号（区域）、北斗二号（全球）GPS是目前世界上最常用的卫星导航系统是目前世界上最常用的卫星导航系统。GPS：发展简史：发展简史1973年，美国国防部开始年，美国国防部开始GPS计划计划1983年，里根承诺将来对民间开放使用年，里根承诺将来对民间开放使用1989年，正式开始发射年，正式开始发射GPS工作卫星工作卫星1994年，卫星星座组网完成，投入使用年，卫星星座组网完成，投入使用2000年，克林顿下令取消军用年，克林顿下令取消军用/民用信号的精度差别对民用信号的精度差别对待待GPS：系统结构：系统结构宇宙空间部分宇宙空间部分24颗工作卫星颗工作卫星地面监控部分（全部在美国境内）地面监控部分（全部在美国境内）1个主控中心（另有个主控中心（另有1个备用）个备用）4个专用地面天线个专用地面天线6个专用监视站个专用监视站用户设备部分用户设备部分GPS接收机接收机GPS：定位原理：定位原理GPS：主要优缺点：主要优缺点优点优点精度高精度高全球覆盖，可用于险恶环境全球覆盖，可用于险恶环境缺点缺点启动时间长启动时间长室内信号差室内信号差需要需要GPS接收机接收机GPS典型应用：汽车导航典型应用：汽车导航最初仅能提供位置和周边地图最初仅能提供位置和周边地图第二代汽车导航系统可根据目的地自动计算第二代汽车导航系统可根据目的地自动计算“最短最短”路线路线互联网时代，汽车导航可从交管部门取得路互联网时代，汽车导航可从交管部门取得路况咨询，优化路线，找出况咨询，优化路线，找出“最快最快”路线路线物联网时代，感知更透彻物联网时代，感知更透彻 综合道路状况，污染指数，天气状况，加综合道路状况，污染指数，天气状况，加油站的分布，驾驶员的身体状况等各种因素油站的分布，驾驶员的身体状况等各种因素找出找出“最佳最佳”路线。路线。由由“以路为本以路为本”转变到转变到“以人为本以人为本”蜂窝基站定位蜂窝基站定位GSM蜂窝网络蜂窝网络通讯区域被分割成蜂窝小区通讯区域被分割成蜂窝小区每个小区对应一个通讯基站每个小区对应一个通讯基站通讯设备连接小区对应基站进行通讯通讯设备连接小区对应基站进行通讯利用基站位置已知的条件，可对通讯设备进利用基站位置已知的条件，可对通讯设备进行定位行定位单基站定位法单基站定位法COO定位（定位（Cell of Origin）将移动设备所属基站的位置视为移动设备的位置将移动设备所属基站的位置视为移动设备的位置精度直接取决于基站覆盖的范围精度直接取决于基站覆盖的范围基站分布疏松地区，一个基站覆盖范围半径可达基站分布疏松地区，一个基站覆盖范围半径可达数公里，误差巨大数公里，误差巨大优点：简单、快速，适用紧急情况优点：简单、快速，适用紧急情况多基站定位法多基站定位法l需要三个基站才能定位需要三个基站才能定位l稀疏地区可能只能收到两个基站的信号，不稀疏地区可能只能收到两个基站的信号，不适用适用蜂窝基站定位：主要优缺点蜂窝基站定位：主要优缺点优点优点不需要不需要GPS接收机，可通讯即可定位接收机，可通讯即可定位启动速度慢启动速度慢信号穿透能力强，室内亦可接收到信号穿透能力强，室内亦可接收到缺点缺点定位精度相对较低定位精度相对较低基站需要有专门硬件，造价昂贵基站需要有专门硬件，造价昂贵典型应用：紧急电话定位典型应用：紧急电话定位美国美国E-911系统系统拨打报警电话时，根据基站定位出手机位拨打报警电话时，根据基站定位出手机位置，自动接到最近警局置，自动接到最近警局综合了各种定位系统，包括综合了各种定位系统，包括ToA，TDoA，AoA，RSS，A-GPS使用时尝试各种定位方法，择优而用使用时尝试各种定位方法，择优而用无线室内环境定位无线室内环境定位室内环境的复杂性室内环境的复杂性多径效应多径效应原因：障碍物反射电磁波，反射波和原始波在接原因：障碍物反射电磁波，反射波和原始波在接收端混叠收端混叠室内障碍物众多，多径效应明显室内障碍物众多，多径效应明显对电磁波的阻碍作用对电磁波的阻碍作用长波信号（长波信号（GPS）传播能力强，穿透能力弱）传播能力强，穿透能力弱室内应选用短波信号来进行定位室内应选用短波信号来进行定位无线室内环境定位无线室内环境定位需求主要来自企业和个人：难以购置需求主要来自企业和个人：难以购置蜂窝基蜂窝基站定位站定位技术所需的昂贵硬件技术所需的昂贵硬件RSS定位技术定位技术使用信号强度进行定位使用信号强度进行定位利用已有的无线网络（蓝牙、利用已有的无线网络（蓝牙、Wi-Fi、ZigBee）红外线、超声波、蓝牙、红外线、超声波、蓝牙、RFID、超宽带、超宽带RFID定位典型应用定位典型应用资产管理资产管理在设备上贴上在设备上贴上RFID标签标签需要使用时通过需要使用时通过RFID定位找到标签的位置，从而定位定位找到标签的位置，从而定位设备的位置设备的位置结合感知技术，还可以监控设备的状况结合感知技术，还可以监控设备的状况是否空闲是否空闲是否故障是否故障是否老化是否老化新兴定位系统新兴定位系统A-GPSGPS定位和蜂窝基站定位的结合体定位和蜂窝基站定位的结合体利用基站定位确定大致范围利用基站定位确定大致范围连接网络查询当前位置可见卫星连接网络查询当前位置可见卫星大大缩短搜索卫星的时间大大缩短搜索卫星的时间无线无线AP定位定位利用可见利用可见Wi-Fi接入点来定位接入点来定位在大城市中，无线在大城市中，无线AP数目多，定位非常精确数目多，定位非常精确在在iPhone中成熟应用中成熟应用网络定位网络定位用于无线传感网、自组织网络用于无线传感网、自组织网络通过少量位置已知节点，定位出全网络节点的位置通过少量位置已知节点，定位出全网络节点的位置新兴定位系统（续）无线无线AP定位定位利用可见Wi-Fi接入点来定位在大城市中，无线AP数目多，定位非常精确在iPhone中成熟应用网络定位网络定位用于无线传感网、自组织网络通过少量位置已知节点，定位出全网络节点的位置P60本章小结本章小结本章介绍了两个内容，一是传感器，二是无线传感器网络。对于传感器，首先介绍了基本概念、定义、分类，重点介绍常用传感器的原理和MEMS传感器原理。对于无线传感器网，从网络组成和工作原理、节点结构、网络协议、操作系统、关键技术及各类应用等进行了详尽的介绍。P61思考题思考题1.传感器有哪几种基本的分类形式？2.按照人的感觉系统分类，传感器有哪几种类型？3.简述新型传感器的发展方向。4.简述半导体热敏电阻的工作原理。5.简述半导体气敏传感器的基本原理6.什么是MEMS？MEMS的核心单元通常包括那些主要器件？7.简述无线传感器网络的体系结构。8.无线传感器网络具有哪些鲜明的特点？