物聯(lián)網(wǎng)工程導(dǎo)論

（第3版）南開大學(xué)吳功宜

吳英第3章

傳感器與無線傳感網(wǎng)技術(shù)本章知識(shí)點(diǎn)結(jié)構(gòu)本章教學(xué)要求了解物聯(lián)網(wǎng)對(duì)感知技術(shù)的需求掌握傳感器原理、分類與性能指標(biāo)理解無線傳感器網(wǎng)的工作原理了解無線傳感器網(wǎng)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)3.1傳感器的基本概念

3.1.1感知能力與傳感器發(fā)展人的感知能力眼、耳、鼻、舌、皮膚是人類感知外部物理世界的重要感官隨著人類對(duì)外部世界的改造，對(duì)未知領(lǐng)域與空間的拓展，人類需要的信息來源、種類、數(shù)量、精度不斷增加，對(duì)信息獲取的手段也提出了更高的要求，而傳感器是能夠滿足人類對(duì)各種信息感知需求的主要工具傳感器的概念傳感器（sensor）是由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成的一種檢測(cè)裝置，能感受到被測(cè)量，并能將檢測(cè)和感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號(hào)（電壓、電流、頻率或相位）輸出，以滿足感知信息的傳輸、處理、存儲(chǔ)、顯示、記錄和控制的要求3.1.2傳感器類型傳感器分類的基本方法：根據(jù)傳感器功能分類根據(jù)傳感器工作原理分類根據(jù)傳感器感知的對(duì)象分類根據(jù)傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域分類常用的傳感器類型3.1.3物理傳感器物理傳感器的原理是利用力、熱、聲、光、電、磁、射線等物理效應(yīng)，將被測(cè)信號(hào)量的微小變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)物理傳感器可以進(jìn)一步分為：力傳感器、熱傳感器、聲傳感器、光傳感器、電傳感器、磁傳感器與射線傳感器等7類力傳感器力傳感器是能感受外力并將其轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的傳感器力傳感器的種類繁多，常用的力與壓力傳感器有電阻應(yīng)變式、半導(dǎo)體、應(yīng)變式、壓阻式、電感式、電容式、諧振式壓力傳感器，以及光纖壓力傳感器等熱傳感器熱傳感器是能夠感受到外界的熱學(xué)信號(hào)量，并將其轉(zhuǎn)換成相應(yīng)電信號(hào)輸出的傳感器熱傳感器能夠檢測(cè)出的熱學(xué)信號(hào)主要包括：溫度、熱流量、熱導(dǎo)率等熱傳感器由兩部分組成：熱敏元件、轉(zhuǎn)換元件及電路聲傳感器聲傳感器是能夠感受到外界的聲學(xué)信號(hào)量，并將其轉(zhuǎn)換成相應(yīng)電信號(hào)輸出的傳感器聲傳感器能夠檢測(cè)出的聲學(xué)信號(hào)主要包括：聲音頻率、聲音強(qiáng)度、噪聲等聲傳感器由兩部分組成：聲敏元件、轉(zhuǎn)換元件及電路光傳感器圖像傳感器光纖傳感器分布式光纖傳感系統(tǒng)分布式光纖傳感系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域：智能電網(wǎng)的電力電纜表面溫度檢測(cè)、事故點(diǎn)定位發(fā)電廠和變電站的溫度監(jiān)測(cè)、故障點(diǎn)檢測(cè)和報(bào)警水庫大壩、河堤安全與滲漏監(jiān)測(cè)橋梁與高層建筑結(jié)構(gòu)安全性監(jiān)測(cè)公路、地鐵、隧道地質(zhì)狀況的監(jiān)測(cè)分布式光纖傳感系統(tǒng)利用光纖作為傳感敏感元件和傳輸信號(hào)介質(zhì)，探測(cè)出沿著光纖不同位置的溫度和應(yīng)變的變化，實(shí)現(xiàn)分布、自動(dòng)、實(shí)時(shí)、連續(xù)、精確的測(cè)量分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)可以在易燃、易爆的環(huán)境下同時(shí)測(cè)量上萬個(gè)，可以對(duì)每個(gè)溫度測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量與定位電傳感器電傳感器可以分為：電阻式、電容式、電感式傳感器電阻式傳感器利用變阻器將非電量轉(zhuǎn)換成電阻信號(hào)的原理制成的，電阻式傳感器主要用于位移、壓力、應(yīng)變、力矩、氣流流速、液面與液體流量等參數(shù)的測(cè)量電容式是利用改變電容器的幾何尺寸或介質(zhì)參數(shù)，來使電容量變化的原理制成的；電容式傳感器主要用于壓力、位移、液面、厚度、水分含量等參數(shù)的測(cè)量電感式是利用改變電感磁路的幾何尺寸或磁體位置，來使電感或互感量變化的原理制成的，主要用于壓力、位移、力、振動(dòng)、加速度等參數(shù)的測(cè)量磁傳感器磁傳感器是最古老的傳感器，指南針是磁傳感器的最早的一種應(yīng)用磁傳感器將磁信號(hào)轉(zhuǎn)化成為電信號(hào)輸出磁電式傳感器目前已經(jīng)被高性能磁敏感材料的新型磁傳感器所替代射線傳感器射線傳感器是將射線強(qiáng)度轉(zhuǎn)換出可輸出的電信號(hào)的傳感器射線傳感器可以分為：X射線傳感器、γ射線傳感器、β射線傳感器、輻射劑量傳感器射線傳感器已經(jīng)在環(huán)境保護(hù)、醫(yī)療衛(wèi)生、科學(xué)研究與安全保護(hù)領(lǐng)域廣泛使用3.1.4化學(xué)傳感器化學(xué)傳感器可以將化學(xué)吸附、電化學(xué)反應(yīng)過程中被測(cè)信號(hào)的微小變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的一類傳感器

按傳感方式的不同，可分為：接觸式化學(xué)傳感器與非接觸式化學(xué)傳感器按結(jié)構(gòu)形式的不同，可以分為：分離型化學(xué)傳感器與組裝一體化化學(xué)傳感器按檢測(cè)對(duì)象的不同，可以分為：氣體傳感器、離子傳感器與濕度傳感器

3.1.5生物傳感器生物傳感器是由生物敏感元件和信號(hào)傳導(dǎo)器組成生物敏感元件可以是生物體、組織、細(xì)胞、酶、核酸或有機(jī)物分子不同的生物元件對(duì)于光強(qiáng)度、熱量、聲強(qiáng)度、壓力有不同的感應(yīng)特性3.1.6納米傳感器任何一種傳感器只要具備以下屬性之一者都可以稱為納米傳感器。這些屬性是：傳感器大小是納米級(jí)的傳感器靈敏度是納米級(jí)的傳感器與被觀測(cè)物之間的相互作用距離

在納米級(jí)的納米傳感器分類納米傳感器包含利用納米結(jié)構(gòu)（至少一個(gè)維度上橫向尺寸小于100nm，同時(shí)其他維度上尺寸小于1μm）的環(huán)境中傳遞信息從納米傳感器定義可以看出：納米傳感器必須遵循幾何尺寸上達(dá)到納米量級(jí)的要求體積小的納米傳感器可以作為植入式傳感器，應(yīng)用于疾病醫(yī)療與健康監(jiān)測(cè)中

納米傳感器的特點(diǎn)幾種典型的醫(yī)用植入式傳感器3.2傳感器技術(shù)發(fā)展

3.2.1無線傳感器無線傳感器在戰(zhàn)場(chǎng)偵察中的應(yīng)用已經(jīng)有幾十年的歷史。在20世紀(jì)60年代的越南戰(zhàn)爭(zhēng)期間，美軍使用名為“熱帶樹”的無人值守傳感器對(duì)付越南軍隊(duì)的補(bǔ)給線路。各國(guó)軍方相繼開展各類無線傳感器技術(shù)研究與應(yīng)用3.2.2智能傳感器智能傳感器的特點(diǎn)：自學(xué)習(xí)、自診斷與自補(bǔ)償能力復(fù)合感知能力靈活的通信能力智能傳感器的發(fā)展為傳感器技術(shù)的研究提出了很多富有挑戰(zhàn)性的課題3.2.3微型傳感器MEMS與NEMS技術(shù)是MEMS與NEMS是在微電子技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的多學(xué)科交叉的新興學(xué)科，它以微電子及機(jī)械加工技術(shù)為依托，研究涉及微電子學(xué)、機(jī)械學(xué)、力學(xué)、自動(dòng)控制科學(xué)、材料科學(xué)等多個(gè)學(xué)科20世紀(jì)60年代，科學(xué)家開始了MEMS技術(shù)的研究80年代微型硅加速度計(jì)、微型硅陀螺儀、微型硅靜電馬達(dá)相繼問世90年代科學(xué)家開展了NEMS技術(shù)的研究與納米傳感器器件制備3.2.4傳感器技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)集成化與智能化微型化與系統(tǒng)化網(wǎng)絡(luò)化與無線化3.3無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

3.3.1從無線分組網(wǎng)到無線自組網(wǎng)IEEE將無線自組網(wǎng)定義為一種特殊的自組織、對(duì)等式、多跳、無線移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)（MANET），它是在無線分組網(wǎng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的無線自組網(wǎng)有多個(gè)英文名稱，如Adhocnetwork、Self-organizingnetwork、Infrastructurelessnetwork與Multi-hopnetwork1991年5月，IEEE正式采用“Adhoc網(wǎng)絡(luò)”術(shù)語，Adhoc在英語中的含義是“forthespecificpurposeonly”，即“專門為某個(gè)特定目的、即興的、事先未準(zhǔn)備的”意思

無線結(jié)點(diǎn)的覆蓋范圍作戰(zhàn)環(huán)境中特殊的無線網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)需求無線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)銩dhoc物理結(jié)構(gòu)與拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Adhoc的特點(diǎn)：自組織與獨(dú)立組網(wǎng)無中心多跳路由動(dòng)態(tài)拓?fù)錈o線傳輸?shù)木窒夼c節(jié)點(diǎn)能量的限制網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間的限制Adhoc的民用領(lǐng)域Adhoc適用于一些臨時(shí)性工作場(chǎng)景下的通信，例如大型會(huì)議、慶典活動(dòng)、展覽會(huì)、演唱會(huì)等。在室外臨時(shí)環(huán)境中，工作人員可以將多臺(tái)筆記本電腦構(gòu)成一個(gè)Adhoc，實(shí)現(xiàn)臨時(shí)性的協(xié)同工作。在室內(nèi)臨時(shí)環(huán)境中，工作人員也可以將智能手機(jī)、Pad等設(shè)備構(gòu)成一個(gè)Adhoc，實(shí)現(xiàn)臨時(shí)性的通信服務(wù)在遭受地震、水災(zāi)、火災(zāi)或其他災(zāi)難后，某個(gè)區(qū)域內(nèi)的固定通信設(shè)施可能全部損毀或無法正常工作。Adhoc能夠在這些惡劣或特殊環(huán)境下提供通信服務(wù)當(dāng)用戶在野外或偏遠(yuǎn)地區(qū)工作時(shí)，例如野外科考、礦山作業(yè)、偏遠(yuǎn)地區(qū)的設(shè)備巡檢等，可能無法依賴固定通信設(shè)施提供的通信服務(wù)。Adhoc能夠在這些工作環(huán)境下提供通信服務(wù)對(duì)于執(zhí)行運(yùn)輸任務(wù)的多輛汽車組成的車隊(duì)，Adhoc能夠?yàn)檫@些車輛的編隊(duì)行駛提供通信服務(wù)3.3.2從無線自組網(wǎng)到無線傳感器網(wǎng)1.LWIM與WINS研究2.智能塵埃項(xiàng)目各種智能塵埃節(jié)點(diǎn)智能塵埃(SmartDust)項(xiàng)目研究的目標(biāo)是通過MEMS技術(shù)，實(shí)現(xiàn)傳感、計(jì)算與通信能力的集成，用智能傳感器技術(shù)去增強(qiáng)微型機(jī)器人環(huán)境感知與智慧處理能力無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展過程3.3.3無線傳感器網(wǎng)的基本結(jié)構(gòu)無線傳感器網(wǎng)節(jié)點(diǎn)類型:傳感器節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)、管理節(jié)點(diǎn)電源能量對(duì)無線傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的限制無線傳感器節(jié)點(diǎn)通常是一個(gè)微型的嵌入式系統(tǒng)，它的處理能力、存儲(chǔ)能力和通信能力相對(duì)較弱，通過自身攜帶的能量有限的電池（鈕扣電池或干電池）供電匯聚節(jié)點(diǎn)既可以是一個(gè)具有增強(qiáng)功能的傳感器節(jié)點(diǎn)，有足夠的能量提供給更多的內(nèi)存與計(jì)算資源，也可以是沒有監(jiān)測(cè)功能僅帶有無線通信接口的特殊網(wǎng)關(guān)設(shè)備無線傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)無線傳感器節(jié)點(diǎn)模塊的功能傳感器模塊：傳感器完成監(jiān)控區(qū)域內(nèi)信息感知和采集，AC/DC電路將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)處理器模塊：負(fù)責(zé)控制整個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的操作，存儲(chǔ)和處理傳感器采集的數(shù)據(jù)，以及其他節(jié)點(diǎn)傳送來的數(shù)據(jù)無線通信模塊：負(fù)責(zé)與其他傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無線通信，網(wǎng)絡(luò)層模塊負(fù)責(zé)完成數(shù)據(jù)包的傳輸路由選擇，介質(zhì)訪問控制模塊負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)多節(jié)點(diǎn)對(duì)公共通信信道的訪問控制，無線收發(fā)器模塊負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)信號(hào)的發(fā)送和接收無線傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)原則微型化低成本低功耗靈活性魯棒性傳感器節(jié)點(diǎn)各部分能量消耗情況3.3.4無線傳感器網(wǎng)技術(shù)特點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模自組織網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化以數(shù)據(jù)為中心3.4無線傳感器網(wǎng)技術(shù)發(fā)展無線傳感器與執(zhí)行器網(wǎng)WSAN地下無線傳感器網(wǎng)WUSN水下無線傳感器網(wǎng)UWSN納米無線傳感器網(wǎng)NWSN無線的媒體傳感器網(wǎng)WMSN傳統(tǒng)意義上的WSN向全方位、智能化與微型化方向發(fā)展3.4.1無線傳感器與執(zhí)行器網(wǎng)隨著WSN在環(huán)境監(jiān)測(cè)、智能醫(yī)療、智能交通與軍事領(lǐng)域應(yīng)用的深入，人們認(rèn)識(shí)到：在某些應(yīng)用環(huán)境中必須將執(zhí)行器與傳感器結(jié)合起來，無線傳感器與執(zhí)行器網(wǎng)（WirelessSensorandActor

Networks，WSAN）研究被提上日程小型、智能、自治、低能耗、低成本執(zhí)行器研發(fā)的速度，使得WSAN成為可能；目前WSAN已經(jīng)在工業(yè)生產(chǎn)線的工業(yè)機(jī)器人、軍事上廣泛應(yīng)用的無人機(jī)、未來戰(zhàn)士、防暴機(jī)器人、運(yùn)輸機(jī)器人中已經(jīng)應(yīng)用作為物聯(lián)網(wǎng)主要支撐技術(shù)的下一代無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，WSAN有望應(yīng)用于防災(zāi)救災(zāi)、智能工業(yè)、智能農(nóng)業(yè)、智能家居、智能交通、智能醫(yī)療，等應(yīng)用領(lǐng)域，同時(shí)WSAN的應(yīng)用又進(jìn)一步推動(dòng)了普適計(jì)算、CPS與環(huán)境智能化研究的發(fā)展WSAN的工作原理傳感器節(jié)點(diǎn)是靜態(tài)不移動(dòng)的，執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)是移動(dòng)的部署在監(jiān)控區(qū)域的傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)量很多，而執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)不需要很多，關(guān)鍵要看它執(zhí)行能力的強(qiáng)弱WSAN要求傳感器節(jié)點(diǎn)與傳感器節(jié)點(diǎn)、傳感器節(jié)點(diǎn)與執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)、執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)與執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)之間要能夠協(xié)同通信WSAN的主要特點(diǎn)WSAN特點(diǎn)異構(gòu)性實(shí)時(shí)性協(xié)作性移動(dòng)性自主機(jī)制與半自主機(jī)制WSAN的

執(zhí)行機(jī)制協(xié)同機(jī)制3.4.2無線多媒體傳感器網(wǎng)在軍事戰(zhàn)場(chǎng)監(jiān)控與評(píng)估、機(jī)器人視覺、交通監(jiān)控、車輛主動(dòng)安全、醫(yī)療監(jiān)護(hù)、智能家居、環(huán)境監(jiān)控、工業(yè)工程控制等實(shí)際應(yīng)用中，需要對(duì)視頻、音頻、圖像等多媒體信息的感知、傳輸和處理，需要比傳統(tǒng)的WSN更為直觀、更清晰的信息WMSN是在傳統(tǒng)的WSN的基礎(chǔ)上引入視頻、音頻、圖像等多媒體信息感知、傳輸與處理功能的新型WSNWMSN能夠更準(zhǔn)確、直觀地反映現(xiàn)場(chǎng)，感知信息更豐富，它的研究與應(yīng)用將會(huì)推進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)和普適計(jì)算的實(shí)現(xiàn)無線多媒體傳感器網(wǎng)結(jié)構(gòu)分類、分級(jí)結(jié)構(gòu)的WMSN單層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)集中式處理的單層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)異構(gòu)的多層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)3.4.3水下無線傳感網(wǎng)隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與水下機(jī)器人技術(shù)的逐漸成熟，研究人員自然會(huì)想到：如何將WSN概念和水下機(jī)器人技術(shù)結(jié)合在一起，應(yīng)用于海洋自然資源探測(cè)、水域污染監(jiān)控、近海勘探、災(zāi)難預(yù)警、輔助導(dǎo)航與戰(zhàn)術(shù)監(jiān)控等領(lǐng)域中水下傳感器網(wǎng)主要利用聲波實(shí)現(xiàn)通信和組網(wǎng)，“水下聲傳感器網(wǎng)”或“水下無線傳感網(wǎng)”水下無線傳感網(wǎng)絡(luò)中解決間歇性、長(zhǎng)時(shí)延、高誤碼率和高包丟失率所引發(fā)的容遲問題UWSN與陸地WSN的區(qū)別陸地WSN節(jié)點(diǎn)造價(jià)相當(dāng)于水下無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)便宜，UWSN要考慮防水、防腐蝕等問題，結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，造價(jià)必然高，水下設(shè)備更新與維護(hù)費(fèi)用也相對(duì)高由于UWSN節(jié)點(diǎn)的造價(jià)高，因此它不可能像陸地WSN部署那么密集，也不可能不加固定的任其漂流，UWSN的傳感器節(jié)點(diǎn)相對(duì)較少聲波在海水中傳播時(shí)衰減很大，在水下通信節(jié)點(diǎn)之間的距離與陸地上相同時(shí)，需要的能量消耗要大得多，因此水下傳感器節(jié)點(diǎn)需要儲(chǔ)備更多的能量陸地WSN一般存儲(chǔ)空間都比較小，而水下聲波信道是間歇性的，水下傳感器節(jié)點(diǎn)需要將感知數(shù)據(jù)存儲(chǔ)起來，因此水下傳感器節(jié)點(diǎn)需要使用容量大一些的存儲(chǔ)器水下節(jié)點(diǎn)類型不同形狀的水下傳感器自主式水下航行器自主式水下航行器（AUV）完成與水下傳感器的通信、感知數(shù)據(jù)查

詢與網(wǎng)絡(luò)管理功能由于自主式水下航行器承擔(dān)的任務(wù)的不同，有些自主式水下航行器

像小型的潛水艇，有些水下機(jī)器人也可以成為自主式水下航行器很多種自主式水下航行器在海里接收水下傳感器傳送的數(shù)據(jù)，當(dāng)浮

出水面時(shí)將數(shù)據(jù)通過無線信道傳送給水上基站，水上基站再通過水面

匯聚節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到岸邊匯聚節(jié)點(diǎn)UWSN結(jié)構(gòu)三維水下傳感器網(wǎng)絡(luò)的水下傳感器節(jié)點(diǎn)懸浮在不同的深度和位置，形成一個(gè)能夠監(jiān)測(cè)三維海洋信息的傳感器網(wǎng)絡(luò)AUV傳感器網(wǎng)自主式水下航行器（AutonomousUnderwaterVehicle，AUV）又稱為“水下自主機(jī)器人”由水下自主機(jī)器人組成的傳感器網(wǎng)絡(luò)稱為“移動(dòng)水下傳感器網(wǎng)絡(luò)”3.4.4地下無線傳感器網(wǎng)地下無線信道的特點(diǎn)路徑衰耗反射/折射多徑衰減傳播速度降低噪聲WUSN結(jié)構(gòu)WUSN的優(yōu)點(diǎn)隱蔽性好易于部署實(shí)時(shí)性好可靠性高覆蓋密度高WUSN3.4.5無線納米傳感器網(wǎng)1.集成納米傳感器系統(tǒng)的研究2.納米級(jí)器件通信技術(shù)的研究3.納米電池技術(shù)的研究將適合納米器件信息處理與傳輸?shù)男盘?hào)處理單元與納米傳感器集成的系統(tǒng)稱為“集成納米傳感器系統(tǒng)（IntegrateNanoS