傳感器-智能傳感器與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù).ppt

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1、第3章 傳感器、傳感網(wǎng)與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展,1,,第 3 章 知 識 點(diǎn) 結(jié) 構(gòu),2,物聯(lián)網(wǎng)大爆炸,據(jù)市場研究機(jī)構(gòu)IDC 預(yù)測，到2020 年時，全球物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備安裝量將達(dá)到281 億臺。 軟銀董事長兼CEO孫正義預(yù)測未來20年，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的數(shù)量將會超過人口數(shù)，物聯(lián)網(wǎng)芯片的發(fā)貨量會超過1萬億。 聯(lián)網(wǎng)可以讓物體變得智能，這便是物聯(lián)網(wǎng)的本質(zhì)。,3,感知層,1、RFID 2、傳感器,4,傳感器具有突出的地位,傳感器技術(shù)作為現(xiàn)代科技的前沿技術(shù)，同計算機(jī)技術(shù)與通信技術(shù)組成現(xiàn)代信息技術(shù)的三大基礎(chǔ)，是物聯(lián)網(wǎng)在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的關(guān)鍵。 從茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各種復(fù)雜的工程系統(tǒng)，幾乎每一個現(xiàn)代化項(xiàng)目，

2、都離不開各種各樣的傳感器。,5,3.1 傳感器概述3.1.1 感知能力與傳感器的發(fā)展,1. 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。 隨著人類對外部世界的改造，對未知領(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各種信息感知需求的主要工具,6,身邊的傳感器,7,,圖像傳感器,iPhone7的主攝像頭為1200萬像素，傳感器尺寸為1/2.6，f/1.9光圈以及1.3m 的像素尺寸。。,8,聲音傳感器,俗名麥克風(fēng)。手機(jī)上常用的是駐極體話筒（電容式），通過聲音的振動，引起電容量的改變，來得到聲音

3、的電量。,9,電容式觸摸屏傳感器,電容式觸摸屏的構(gòu)造主要是在玻璃屏幕上鍍一層透明的薄膜導(dǎo)體層,再在導(dǎo)體層外加上一塊保護(hù)玻璃,在觸摸屏四邊均鍍上狹長的電極,在導(dǎo)體層內(nèi)形成一個低壓交流電場.在觸摸屏幕時,由于人體是導(dǎo)體,手指與內(nèi)部導(dǎo)體層間會形成一個特殊電容（耦合電容）,對于高頻電流來說，電容是直接導(dǎo)體，于是手指從接觸點(diǎn)吸走一個很小的電流，四邊電極發(fā)出的電流會流向觸點(diǎn),而電流強(qiáng)弱與手指到電極的距離成正比,位于觸摸屏后的控制器便會計算電流的比例及強(qiáng)弱,準(zhǔn)確算出觸摸點(diǎn)的位置。,10,近距離傳感器,在 手機(jī)的正面，有一個近距離傳感器，通過紅外線感應(yīng)，可以檢測到人臉與手機(jī)屏幕的距離，如果非常貼近，就會將屏幕

4、關(guān)掉，這樣既能省電，又能避免臉部觸碰產(chǎn)生的誤操作。,11,光線傳感器,在正面還有個光線傳感器，可以獲取到周邊的光亮強(qiáng)度，這樣就可以智能的調(diào)節(jié)屏幕亮度了。,12,加速度傳感器（Accelerometer）,加速度傳感器用來感知手機(jī)的運(yùn)動情況，它的原理就像在一個盒子里裝個鐵球，由于重力的作用，如果轉(zhuǎn)動盒子的方向，各個側(cè)面收到的鐵球的壓力是不同的，以此來判斷盒子的朝向?；诩铀俣葌鞲衅?，iPhone 可以實(shí)現(xiàn)橫屏?xí)r，內(nèi)容自動轉(zhuǎn)成寬屏顯示。,13,電子羅盤,14,在手機(jī)里，電子羅盤起到指南者的作用。目前手機(jī)當(dāng)中的“電子羅盤”的工作原理是基于霍爾效應(yīng)的磁傳感器。,陀螺儀（Gyroscope）,陀螺儀可以

5、用來測量物體的旋轉(zhuǎn)角度，可以獲得更好的游戲體驗(yàn)，和精準(zhǔn)導(dǎo)航。,15,陀螺儀,16,現(xiàn)在智能手機(jī)上采用的陀螺儀是MEMS（微機(jī)電）陀螺儀，它精度并不如前面說到的光纖陀螺儀，需要參考其他傳感器的數(shù)據(jù)才能實(shí)現(xiàn)功能，但其體積小、功耗低、易于數(shù)字化和智能化。,內(nèi)部溫度傳感器,iPhone 上還有個溫度傳感器，并不是為了測外部溫度，主要是為了監(jiān)測手機(jī)本身是否過熱。手機(jī)溫度過熱時，會提示關(guān)機(jī)一段再開機(jī)。,17,指紋識別（Touch ID）,Touch ID本質(zhì)上是個指紋掃描儀，分為光學(xué)的和電容的。光學(xué)傳感器不在乎你的手指是否是潮濕的或者是占有水漬，一樣能夠識別指紋信息；但Touch ID 使用的是電容技術(shù)，

6、電容傳感器通過表皮的電容分布還原指紋。水是具有導(dǎo)電性的，會影響表皮電容的分布，讓傳感器接收到的電信號很差，所以基本上在手指沾了水的情況下用戶是無法正常使用 Touch ID 的。,18,光學(xué)指紋傳感器,當(dāng)你把手指放上去的時候，采集端發(fā)出來的光線會被你的手指擋回來。由于指紋上有脊（凸起的部分）有谷（凹下的部分），光線遇到它們后會發(fā)生不同的反射原理，導(dǎo)致返回的光線有明暗之分。反射回來的光線再經(jīng)過三棱鏡的折射，打在感光元件上，就可以成像。,19,電容式指紋傳感器,半導(dǎo)體指紋傳感器上布滿了非常細(xì)小的半導(dǎo)體器件，它們充當(dāng)起了電容的一極；當(dāng)手指接觸傳感器時，指紋就成了電容的另一極。由于指紋上的脊（凸起的部

7、分）和谷（凹下的部分）距離半導(dǎo)體器件的距離是不同的，所以會導(dǎo)致每一個半導(dǎo)體器件的電容值都各不相同。通過匯總不同的數(shù)值，就可以完成對指紋的采集。,20,2傳感器的基本概念,傳感器（sensor）是由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成的一種檢測裝置，能感受到被測量，并能將檢測和感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號（電壓、電流、頻率或相位）輸出（傳），以滿足感知信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制的要求。 將非電量轉(zhuǎn)換為與之有確定關(guān)系的電量輸出的裝置。,21,2傳感器的基本概念,傳感器結(jié)構(gòu)與工作原理示意圖,22,為什么一定要用傳感器？,聲音，圖像，光線都不是電信號。 而計算機(jī)處理的是電信號。,23,真正把

8、溫度變成電信號的傳感器是1821年由德國物理學(xué)家賽貝發(fā)明的，這就是后來的熱電偶傳感器。,3.1.2 傳感器的分類,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)傳感器感知的對象分類 根據(jù)傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域分類,24,25,功能分類,工作原理分類,26,,3.1.3 物理傳感器,1. 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)，將被測信號量的微小變化轉(zhuǎn)換成電信號 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,27,（1）力傳感器,力傳感器是能感受外力并將其轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的傳感器。

9、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,28,（1）力傳感器,用金屬應(yīng)變絲作為敏感元件的壓力傳感器原理示意圖,29,當(dāng)傳感器中的彈性元件或被測機(jī)械零件受作用力產(chǎn)生應(yīng)變時，粘貼在其上的應(yīng)變片/絲也隨之發(fā)生相同的機(jī)械變形，引起應(yīng)變片/絲電阻發(fā)生相應(yīng)的變化。這時，電阻應(yīng)變片/絲便將力學(xué)量轉(zhuǎn)換為電阻的變化量輸出。,血壓測量,我們通常的血壓測量都是間接測量，通過體表檢測出來的血流和壓力之間的關(guān)系，從而測出脈管里的血壓值。 測量血壓所需要的傳感器通常都包括一個彈性膜片，它將壓力信號轉(zhuǎn)變成為膜片的變形，然后再根據(jù)膜片

10、的應(yīng)變或位移轉(zhuǎn)換成為相應(yīng)的電信號。,30,壓阻式壓力傳感器,固體材料在收到壓力后，電阻率會發(fā)生一定的變化，半導(dǎo)體最為顯著。單晶硅材料在受到力的作用后，晶體的晶格產(chǎn)生變形，電阻率發(fā)生變化，通過測量電路就可得到正比于力變化的電信號輸出。 壓阻式傳感器，是利用單晶硅材料的壓阻效應(yīng)和集成電路技術(shù)制成的傳感器。它不同于粘貼式應(yīng)變計需通過彈性敏感元件間接感受外力，而是直接通過硅膜片感受被測壓力的。,31,直線位移傳感器,直線位移傳感器的功能在于把直線機(jī)械位移量轉(zhuǎn)換成電信號。為了達(dá)到這一效果，通常將可變電阻滑軌定置在傳感器的固定部位，通過滑片在滑軌上的位移來測量不同的阻值。傳感器滑軌連接穩(wěn)態(tài)直流電壓，允許流

11、過微安培的小電流，滑片和始端之間的電壓，與滑片移動的長度成正比。,32,流速傳感器,空氣流量傳感器，是電噴發(fā)動機(jī)的重要傳感器之一。它將吸入的空氣流量轉(zhuǎn)換成電信號送至電控單元(ECU），作為決定噴油的基本信號之一，是測定吸入發(fā)動機(jī)的空氣流量的傳感器。 卡曼渦旋式空氣流量計，是在進(jìn)氣道中安裝渦旋發(fā)生管，流經(jīng)的空氣速度不同，在管的出口端附近產(chǎn)生頻率不同的渦旋，在渦旋附近安裝一金屬薄片。薄片隨渦旋發(fā)生振動。薄片上涂有反光材料，對發(fā)光二極管發(fā)出的光線進(jìn)行反射，當(dāng)反射光線經(jīng)過光電晶體管時產(chǎn)生電脈沖信號。通過計算脈沖的頻率可以知道渦旋的頻率，從而得到空氣的流速。,33,不同用途的 力傳感器,34,,（2）

12、溫度傳感器,35,溫度是一個基本的物理量，自然界中的一切過程無不與溫度密切相關(guān)。 溫度傳感器是最早開發(fā)，應(yīng)用最廣的一類傳感器。溫度傳感器的市場份額大大超過了其他的傳感器。 按測量方式可分為接觸式和非接觸式兩大類，按照傳感器材料及電子元件特性分為熱電阻和熱電偶兩類。,溫度傳感器,體溫計,利用熱敏電阻（溫度改變，電阻阻值改變）或半導(dǎo)體材料構(gòu)成的PN結(jié)在不同溫度下導(dǎo)通性能改變的特點(diǎn)，將體溫以數(shù)字的形式顯示出來。,37,塞貝克效應(yīng)（德國物理學(xué)家（1770-1831））,塞貝克（Seeback）效應(yīng)，又稱作第一熱電效應(yīng)，它是指由于溫差而產(chǎn)生的熱電現(xiàn)象。在兩種金屬A和B組成的回路中，如果使兩個接觸點(diǎn)的溫度

13、不同，則在回路中將出現(xiàn)電流，稱為熱電流。,38,39,熱電偶傳感器,熱電偶是溫度測量儀表中常用的測溫元件，是由兩種不同成分的導(dǎo)體兩端接合成回路時，當(dāng)兩接合點(diǎn) 熱電偶溫度不同時，就會在回路內(nèi)產(chǎn)生熱電流。,40,41,,（3）聲傳感器,42,聲控傳感器，能夠通過聲音的振動，產(chǎn)生微弱的電信號。,43,聲波傳感器,將在氣體、液體或固體中傳播的機(jī)械振動轉(zhuǎn)換成電信號的器件或裝置都稱為聲波傳感器，可用接觸或非接觸的方法檢出聲波信號。 人們能聽到聲音是由于物體振動產(chǎn)生的，它的頻率在20HZ-20KHZ超聲波傳感器范圍內(nèi)，超過20KHZ稱為超聲波，低于20HZ的稱為次聲波。,44,次聲波,由于次聲的頻率很低，所

14、以大氣對次聲波的吸收系數(shù)很小，因而其穿透力極強(qiáng)，可傳播至極遠(yuǎn)處而能量衰減很小。 1983年夏，位于印度尼西亞的火山爆發(fā)，火山爆發(fā)時產(chǎn)生的強(qiáng)次聲波繞地球轉(zhuǎn)了3圈，歷時108小時后才慢慢消逝。 次聲波對人體的危害主要是共振引起的。 1980年，一艘名叫“馬爾波羅”的帆船在由新西蘭駛往英國的途中突然神秘地失蹤；20年后，卻在火地島附近被人發(fā)現(xiàn)。船上的一切都原封不動、完好如初。就連已死多年的船員也都各就各位，保持著工作狀態(tài)。科學(xué)家對他們的神秘死亡引起了極大的關(guān)注，經(jīng)過長期研究，終于發(fā)現(xiàn)，原來他們正是死于海上風(fēng)暴產(chǎn)生的次聲。,45,超聲波傳感器,超聲波傳感器由壓電晶片組成，既可以發(fā)射超聲波，也可以接收超

15、聲波。（壓電效應(yīng)） 超聲波頻率高，波長短，對液體、固體穿透能力強(qiáng)。,46,B超,超聲波可以向一定方向傳播，而且能穿透物體，如果碰到障礙，就會產(chǎn)生回聲，不相同的障礙物就會產(chǎn)生不相同的回聲，人們通過儀器將這種回聲收集并顯示在屏幕上，可以用來了解物體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。 平時說的“B超”就是向人體發(fā)射超聲波，同時接收體內(nèi)臟器的反射波，將所攜信息反映在屏幕上。,47,超聲波指紋識別,利用皮膚與空氣對于聲波阻抗的差異，就可以區(qū)分指紋嵴與峪所在的位置。 按壓電容傳感器做出的是二維指紋圖像，而超聲波掃描可以對指紋進(jìn)行更深入的分析采樣，甚至能滲透到皮膚表面之下識別出指紋獨(dú)特的3D特征。,48,聲吶,是一種應(yīng)用聲波在水

16、下的傳播特征，經(jīng)由過程電聲轉(zhuǎn)換跟信息處置，實(shí)現(xiàn)水下探測跟通信義務(wù)的電子裝備。 有主動式和被動式，屬于聲學(xué)定位的范圍。 聲納是一種非常重要的海軍裝備，隨著潛艇等水下武器的使用而受到各國極大的重視。,49,動物聲吶,海豚跟鯨等則領(lǐng)有“水下聲吶” 。海豚聲吶的敏銳度很高，能發(fā)現(xiàn)多少米以外直徑0.2mm的金屬絲，能發(fā)現(xiàn)幾百米外的魚群，能遮住眼睛在插滿竹竿的水池子中穿行而不會遇到竹竿。,50,聲波傳播,主動聲納工作時類似雷達(dá)，更確切地說像蝙蝠，發(fā)出聲波后，接受反射回來的聲信號。 為何不把雷達(dá)直接搬到水下呢？ 很簡單，雷達(dá)依賴的電磁波在水下衰減嚴(yán)重，根本不足以用于遠(yuǎn)距離的探測。而聲波是由物體振動產(chǎn)生，在水

17、中的傳播距離非常遠(yuǎn)，在深海聲道中爆炸一個幾公斤的炸彈，在兩萬公里外還可以收到信號。 在水中進(jìn)行觀察和測量，具有得天獨(dú)厚條件的只有聲波。,51,壓電效應(yīng),當(dāng)有外力F作用在壓電體表面時，無論是拉伸還是壓縮變形，都會在施加力的兩個表面產(chǎn)生電荷。利用這個原理，就可以制成傳感器。聲波傳播當(dāng)中遇到這個傳感器會引起傳感器微小的振動，這種細(xì)微的變形會產(chǎn)生電荷信號。結(jié)合其他電路和計算機(jī)，就可以制成聽聲器。,52,逆壓電效應(yīng),逆壓電效應(yīng)就是由電場來控制物體的形變。當(dāng)壓電體上下兩端接好電線并且施加電壓時，就會使物體沿著電場的方向伸長或是縮短。如果把電場的加載速度變快，即頻率加大，就能讓該物體形變加快產(chǎn)生振動發(fā)出聲波

18、。再加上其他的配套設(shè)備，就成了主動聲納的聲源。,53,壓電效應(yīng)的應(yīng)用,超聲波 聲吶 石英鐘表 晶體振蕩器,54,,（4）光傳感器 圖像傳感器,55,圖像傳感器,圖像傳感器，或稱感光元件，是一種將光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換成電子信號的設(shè)備，是數(shù)字?jǐn)z像頭的重要組成部分。根據(jù)元件的不同，可分為CCD和CMOS兩大類。,56,,（4）光傳感器 光纖傳感器,57,光纖傳感器,光纖傳感器的基本工作原理是將來自光源的光信號經(jīng)過光纖送入調(diào)制器，使待測參數(shù)與進(jìn)入調(diào)制區(qū)的光相互作用后，導(dǎo)致光的光學(xué)性質(zhì)（如光的強(qiáng)度、波長、頻率、相位、偏振態(tài)等）發(fā)生變化，成為被調(diào)制的信號源，在經(jīng)過光纖送入光探測器，經(jīng)解調(diào)后，獲得被測參數(shù)。 光纖具

19、有很多優(yōu)異的性能，例如：抗電磁干擾和原子輻射的性能，徑細(xì)、質(zhì)軟、重量輕的機(jī)械性能，絕緣、無感應(yīng)的電氣性能，耐水、耐高溫、耐腐蝕的化學(xué)性能等，它能夠在人達(dá)不到的地方(如高溫區(qū))，或者對人有害的地區(qū)(如核輻射區(qū))，接收人的感官所感受不到的外界信息。,58,磁光效應(yīng)（法拉第效應(yīng)）,當(dāng)一束偏振光通過介質(zhì)時，若在光束傳播方向存在著一個外磁場，那么光通過偏振面將旋轉(zhuǎn)一個角度，這就是磁光效應(yīng)。 也就是可以通過旋轉(zhuǎn)的角度來測量外加的磁場。在特定的試驗(yàn)裝置下，偏轉(zhuǎn)的角度和輸出的光強(qiáng)成正比，就可以用來測量特定的物理量。,59,光纖電流傳感器,光纖電流傳感器是以法拉第磁光效應(yīng)為基礎(chǔ)，以光纖為介質(zhì)的新興電力計量裝置，

20、它通過測量光波在通過磁光材料時其偏振面由于電流產(chǎn)生的磁場的作用而發(fā)生旋轉(zhuǎn)的角度來確定被測電流的大小。,60,,分布式光纖傳感系統(tǒng) 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介質(zhì)，探測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、實(shí)時、連續(xù)、精確的測量。 分布式光纖傳感系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域包括： 智能電網(wǎng)的電力電纜表面溫度檢測、事故點(diǎn)定位 發(fā)電廠和變電站的溫度監(jiān)測、故障點(diǎn)檢測和報警 水庫大壩、河堤安全與滲漏監(jiān)測 橋梁與高層建筑結(jié)構(gòu)安全性監(jiān)測 公路、地鐵、隧道地質(zhì)狀況的監(jiān)測 分布光纖溫度傳感系統(tǒng)可以在易燃、易爆的環(huán)境下同時測量上萬個點(diǎn)，可以對每個溫度測量點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時測量與定位,6

21、1,（5）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、加速度等參數(shù)的測量。,62,（6）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 磁傳感器將磁信號轉(zhuǎn)化成為電信號輸出 磁電

22、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,63,磁旋轉(zhuǎn)傳感器,磁旋轉(zhuǎn)傳感器主要由半導(dǎo)體磁阻元件、永久磁鐵、固定器、外殼等幾個部分組成。典型結(jié)構(gòu)是將一對磁阻元件安裝在一個永磁體的刺激上，元件的輸入輸出端子接到固定器上，然后安裝在金屬盒中，再用工程塑料密封，形成密閉結(jié)構(gòu)，這個結(jié)構(gòu)就具有良好的可靠性。 磁旋轉(zhuǎn)傳感器有許多半導(dǎo)體磁阻元件無法比擬一款電磁傳感器的外形的優(yōu)點(diǎn)。除了具備很高的靈敏度和很大的輸出信號外，而且有很強(qiáng)的轉(zhuǎn)速檢測范圍，這是由于電子技術(shù)發(fā)展的結(jié)果。另外，這種傳感器還能夠應(yīng)用在很大的溫度范圍中，有很長的工作壽命、抗灰塵、水和油污的能力強(qiáng)，因此耐受各種環(huán)境條件及外部噪聲。所以

23、，這種傳感器在工業(yè)應(yīng)用中受到廣泛的重視。,64,磁阻傳感器,某些金屬或半導(dǎo)體在遇到外加磁場時，其電阻值會隨著外加磁場的大小發(fā)生變化，這種現(xiàn)象叫做磁阻效應(yīng)，電阻的變化量叫做磁阻。 磁阻傳感器可用來檢測一些鐵磁性物體如飛機(jī)、火車、汽車。,65,（7）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的傳感器 射線傳感器可以分為：X射線傳感器、射線傳感器、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,66,輻射究竟是什么？,它是指物體以波或粒子的形式向周圍空間發(fā)射能量的過程。 自然界中的一切物體只要其溫度在絕對零度（-273.15）以上，都會以電

24、磁波或粒子的形式不停地向外界傳送能量。 輻射是一個廣泛的定義，包括很多種類，按能量劃分，可以分為電離輻射以及非電離輻射兩大類。,67,電離輻射,電離輻射的所具有的超高能量可以破壞生物分子的化學(xué)鍵，使分子性質(zhì)改變，因而對生物體構(gòu)成損傷。 電離輻射主要有粒子、粒子、中子、射線和X射線，其中、、中子為粒子輻射；、X射線為高能電磁波輻射(電磁波的頻率愈高，能量愈強(qiáng)，電離能力愈強(qiáng)。)。,68,X射線CT,X射線又稱倫琴射線，它是肉眼看不見的一種射線，它具有穿透物質(zhì)的本領(lǐng)，但對不同物質(zhì)它的穿透本領(lǐng)不同。人體不同組織對X線的吸收與透過率的不同，當(dāng)X線透過人體各種不同組織結(jié)構(gòu)時，它被吸收的程度不同，所以到達(dá)熒

25、屏或膠片上的X線的量有差異，在熒屏或X射線片上形成黑白對比不同的影像。 CT是用X射線束對人體某部一定厚度的層面進(jìn)行掃描，X射線探測器，用熒光物質(zhì)接收透過該層面的X射線，轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢姽夂?，由光電轉(zhuǎn)換變?yōu)殡娦盘?，再?jīng)模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器（analog/digital converter）轉(zhuǎn)為數(shù)字，輸入計算機(jī)處理。,69,核輻射探測儀,放射性物質(zhì)以波或微粒形式發(fā)射出的一種能量就叫核輻射，核爆炸和核事故都有核輻射。 核輻射主要是、、三種射線： 利用放射性同位素來進(jìn)行測量的傳感器。原理是射線通過物質(zhì)時產(chǎn)生的電離作用，產(chǎn)生電量變化；或產(chǎn)生熒光，配以光電元件，將光信號變成電信號。,70,非電離輻射,主要是電磁輻

26、射。人們經(jīng)常接觸到的就是低能電磁輻射。 電磁輻射已被世衛(wèi)組織列為繼水源、大氣、噪聲之后的第四大環(huán)境污染源，成為危害人類身體健康的隱形“殺手”，長期且過量的電磁輻射會對人體造成傷害，誘發(fā)各種疾病。,71,紅外線,紅外光，又叫紅外線，是波長比可見光要長的電磁波（光），波長為770納米到1毫米之間，光譜上面在紅色光的外側(cè)。 1800年，赫胥爾(Herschel)在研究太陽光時，讓光通過棱鏡分解為彩色光帶，他用溫度計去測量光帶中不同顏色所含的熱量。他放在光帶紅光外的一支溫度計，比室內(nèi)其他溫度的指示數(shù)值高。 在絕對零度(-273) 以上的物體都輻射紅外能量，是紅外測溫技術(shù)的基礎(chǔ)。,72,紅外傳感器,將紅

27、外輻射能轉(zhuǎn)換成電能的光敏元件稱為紅外傳感器，也常稱為紅外探測器。,73,自動門使用什么傳感器？,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)過程中被測信號的微小變化轉(zhuǎn)換成電信號的一類傳感器 按傳感方式的不同，可分為： 接觸式化學(xué)傳感器 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 組裝一體化化學(xué)傳感器 按檢測對象的不同，可以分為： 氣體傳感器 離子傳感器 濕度傳感器,74,氣敏傳感器,氣敏傳感器可用來測量氣體的類型、濃度和成分，能把氣體中的特定成分檢測出來，并將成分參量轉(zhuǎn)換成電信號的器件或裝置。其中用的最多的是半導(dǎo)體氣敏傳感器。大多是以金屬氧

28、化物半導(dǎo)體為基礎(chǔ)材料。當(dāng)被測氣體在該半導(dǎo)體表面吸附后，引起其電學(xué)特性(例如電導(dǎo)率)發(fā)生變化。,75,將空氣中的某種氣體的含量轉(zhuǎn)化為電信號的器件。,氣體傳感器,76,應(yīng)用主要有：一氧化碳?xì)怏w的檢測、瓦斯氣體的檢測、煤氣的檢測、氟利昂（R11、R12）的檢測、呼氣中乙醇的檢測、人體口腔口臭的檢測等等。,酒精測試儀傳感器,酒精測試儀傳感器的敏感部分以二氧化錫為主要的基體的一些材料,添加不同的物質(zhì)經(jīng)特變燒制而成。 當(dāng)酒精測試儀的表面吸附有還原性的氣體(如酒精產(chǎn)生的有機(jī)溶劑蒸汽)時,半導(dǎo)體微結(jié)晶粒子接觸界面的導(dǎo)電電子比例就會發(fā)生的變化,從而使電阻值隨被測氣體的濃度改變而改變的。從而使得酒精檢測儀上的數(shù)值

29、發(fā)生變化，同時，這一反應(yīng)是可逆的。,77,濕度傳感器,濕敏電阻的特點(diǎn)是在基片上覆蓋一層用感濕材料制成的膜，當(dāng)空氣中的水蒸氣吸附在感濕膜上時，元件的電阻率和電阻值都發(fā)生變化，利用這一特性即可測量濕度。,78,離子式煙霧傳感器,該煙霧傳感器內(nèi)部采用離子式煙霧傳感，是一種技術(shù)先進(jìn)、工作穩(wěn)足可靠的傳感器，被廣泛運(yùn)用到各消防報警系統(tǒng)中。其性能遠(yuǎn)優(yōu)于氣敏電阻類的火災(zāi)報警器。,79,3.1.5 生物傳感器,生物傳感器是由生物敏感元件和信號傳導(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（生物成分） 不同的生物元件對于光強(qiáng)度、熱量、聲強(qiáng)度、壓力有不同的感應(yīng)特性。 生物傳感器--感受物是生

30、命物質(zhì),80,,3.1.5 生物傳感器,81,生物傳感器的分類,,酶傳感器,酶，指具有生物催化功能的高分子物質(zhì)。 酶傳感器的基本結(jié)構(gòu)單元是由物質(zhì)識別元件(固定化酶膜)和信號轉(zhuǎn)換器(基體電極)組成。當(dāng)酶膜上發(fā)生酶促反應(yīng)時，產(chǎn)生的電活性物質(zhì)由基體電極對其響應(yīng).基體電極的作用是使化學(xué)信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，從而加以檢測，基體電極可采用碳質(zhì)電極、R 電極及相應(yīng)的修飾電極。 1967年Updike和Hicks研制出世界上第一支葡萄糖氧化酶電極，用于定量檢測血清中葡萄糖含量。,82,生物傳感器,目前，雖然已經(jīng)發(fā)展成功了許多生物傳感器，但穩(wěn)定性、再現(xiàn)性和可批量生產(chǎn)性明顯不足，所以生物傳感技術(shù)尚處于幼年期。 在不久

31、的將來，模擬生物機(jī)體功能的嗅覺、味覺、聽覺、觸覺生物傳感器將出現(xiàn)，有可能超過人類五官的敏感能力。,83,3.1.6 傳感器性能指標(biāo),線性度 靈敏度 分辨率 遲滯,重復(fù)性（穩(wěn)定） 漂移（老化） 測量范圍 精度,84,智能傳感器（智能化）微傳感器（微型化）無線傳感器（網(wǎng)絡(luò)化）,85,所謂智能傳感器(intelligentsensor或smartsensor)，就是一種帶有微處理器的兼有檢測、判斷與信息處理功能的傳感器。 智能傳感器的最大特點(diǎn)就是將傳感器檢測信息的功能與微處理器的信息處理功能有機(jī)融合在一起。,86,智能傳感器,3.2.1 智能傳感器的發(fā)展,智能傳感器的特點(diǎn)： 自學(xué)習(xí)、自診斷與自補(bǔ)償能

32、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,87,MEMS,MEMS全稱Micro Electromechanical System，微機(jī)電系統(tǒng)。 微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）是指集微型機(jī)構(gòu)、微型傳感器、微型執(zhí)行器以及信號處理和控制電路，直至接口、通信和電源等于一體的微型器件或系統(tǒng),88,3.2.2 微機(jī)電系統(tǒng)對智能傳感器發(fā)展的影響,微機(jī)電系統(tǒng)的基本概念 MEMS為傳感器微型化、智能化與網(wǎng)絡(luò)化的實(shí)現(xiàn)提供了技術(shù)支持，也為智能傳感器應(yīng)用與產(chǎn)業(yè)發(fā)展拓展了新的空間 MEMS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，

33、研究涉及微電子學(xué)、機(jī)械學(xué)、力學(xué)、自動控制科學(xué)、材料科學(xué)等多個學(xué)科,89,MEMS,尺寸在幾毫米乃至更小的高科技裝置，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)一般在微米甚至納米量級，是一個獨(dú)立的智能系統(tǒng)。 常見的產(chǎn)品包括MEMS加速度計、MEMS麥克風(fēng)、微馬達(dá)、微泵、微振子、MEMS壓力傳感器、MEMS陀螺儀、MEMS濕度傳感器等以及它們的集成產(chǎn)品。,90,MEMS的系統(tǒng)特點(diǎn),1.微型化：MEMS器件體積小、重量輕、耗能低、慣性小、諧振頻率高、響應(yīng)時間短。 2.以硅為主要材料。 3.批量生產(chǎn)：用硅微加工工藝在一片硅片上可同時制造成百上千個微型機(jī)電裝置或完整的MEMS。 4.集成化：可以把不同功能、不同敏感方向或致動方向的多個

34、傳感器或執(zhí)行器集成于一體，或形成微傳感器陣列、微執(zhí)行器陣列，甚至把多種功能的器件集成在一起，形成復(fù)雜的微系統(tǒng)。 5.多學(xué)科交叉：MEMS涉及電子、機(jī)械、材料、制造、信息與自動控制、物理、化學(xué)和生物等多種學(xué)科，并集約了當(dāng)今科學(xué)技術(shù)發(fā)展的許多尖端成果。,91,92,MEMS器件加工技術(shù)并非機(jī)械式。相反，它們采用類似于集成電路批處理式的微制造技術(shù)。因?yàn)樗鼈儾捎门cASIC制造相似的制造流程，MEMS結(jié)構(gòu)可以更容易地與微電子集成。,93,用MEMS技術(shù)制造的微型傳感器,94,麥克風(fēng),傳統(tǒng) ECM駐極體電容麥克風(fēng)/Apple Watch樓氏 MEMS硅麥克風(fēng),95,單晶硅片,數(shù)以萬計的MEMS芯片（有些工

35、藝也會把集成電路芯片放在同一步驟加工）出現(xiàn)在了每一片晶元上面。,96,硅與芯片,硅元素不僅在現(xiàn)代建筑中發(fā)揮了重要價值，而且也是現(xiàn)代電子計算器件的物質(zhì)基礎(chǔ)。 工廠生產(chǎn)好的硅晶體再經(jīng)過切片處理變成晶圓，然后在經(jīng)過蝕刻等等多項(xiàng)工藝流程最終制成我們可以使用的芯片。,97,Intel視頻,全球MEMS生產(chǎn)廠商,全球前十名 MEMS廠商主要包括博世、意法半導(dǎo)體、惠普、德州儀器、佳能、InvenSense、 Avago和 Qorvo、樓氏電子、松下等等。其中 BOSCH因?yàn)槠湓谄囯娮雍拖M(fèi)電子的雙重布局，牢牢占據(jù)著行業(yè)的第一的位置，其營收約占五大公司合計營收的三分之一。 河南：漢威電子是國內(nèi)最大的氣體傳感

36、器及儀表制造商。,98,3.2.3 無線傳感器的研究,UGS的無線傳感器外形與應(yīng)用,99,“熱帶樹”傳感器,最早的傳感器網(wǎng)絡(luò)可以追溯到上世紀(jì)70年代美軍在越戰(zhàn)中使用的“熱帶樹”傳感器。 為了遏制北越在胡志明小道的后勤補(bǔ)給，美軍在這條小道上沿途投放了上萬個“熱帶樹”傳感器，這是一種振動和聲響傳感器，當(dāng)北越車隊(duì)經(jīng)過時傳感器探測到振動和聲響即向指揮中心發(fā)送感知信號，美軍收到信號后即組織轟炸，有資料顯示越戰(zhàn)期間美軍依靠“熱帶樹”的幫助總共炸壞了4萬多輛北越運(yùn)輸卡車。,100,傳感器網(wǎng)絡(luò)化,“熱帶樹”傳感器之間沒有通信能力，所以實(shí)際上還稱不上網(wǎng)絡(luò)的概念。20世紀(jì)80年代以來，美國軍方陸續(xù)與高校開展傳感器

37、網(wǎng)絡(luò)方面的研究合作，旨在建立能夠用于軍事用途的自組織的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。 2000年，美國加州大學(xué)伯克利分校發(fā)布了傳感器節(jié)點(diǎn)專用操作系統(tǒng)TinyOS，后續(xù)又推出專用程序設(shè)計語言nesC。2001年，伯克利分校又推出Mica系列傳感器節(jié)點(diǎn)產(chǎn)品。 2001年，ZigBee聯(lián)盟成立，并對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議進(jìn)行了全面的標(biāo)準(zhǔn)化，后續(xù)多家公司發(fā)布了多款符合ZigBee協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的芯片和產(chǎn)品。,101,無線傳感器網(wǎng),102,103,3.3.1 從無線分組網(wǎng)到無線自組網(wǎng),無線分組網(wǎng)的研究 分組無線網(wǎng)是以無線信道通過分組方式傳送數(shù)據(jù)或話音信息的通信網(wǎng)絡(luò)，即網(wǎng)絡(luò)中傳送的信息要以“分組”或者稱“信包”為基本單元

38、。,104,3.3.1 從無線分組網(wǎng)到無線自組網(wǎng),1. 無線自組網(wǎng)的研究 IEEE將無線自組網(wǎng)定義為一種特殊的自組織、對等式、多跳、無線移動網(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)有多個英文名稱，如Ad hoc network 、Self-organizing network、Infrastructureless network 與Multi-hop network 1991年5月，IEEE正式采用“Ad hoc網(wǎng)絡(luò)”術(shù)語 Ad hoc在英語中的含義是“for the specific purpose only”，即“專門為某個特定目的、即興的、事先未準(zhǔn)備的”意思,1

39、05,2. 無線自組網(wǎng)的基本概念,Ad hoc網(wǎng)絡(luò) 物理結(jié)構(gòu)與 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),106,Ad hoc網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn): 自組織與獨(dú)立組網(wǎng) 無中心 多跳路由 動態(tài)拓?fù)?無線傳輸?shù)木窒夼c節(jié)點(diǎn)能量的限制性 網(wǎng)絡(luò)生存時間的限制,107,自組織和獨(dú)立組網(wǎng),Ad hoc 不需要任何預(yù)先架設(shè)的無線通信設(shè)施，所有節(jié)點(diǎn)通過分層的協(xié)議，協(xié)調(diào)各個節(jié)點(diǎn)的行為?？焖伲灾骱酮?dú)立地組網(wǎng)。,108,無中心,Ad hoc 是對等網(wǎng)，所有節(jié)點(diǎn)的地位平等，沒有專門用來分組路由，轉(zhuǎn)發(fā)的路由器。 任何節(jié)點(diǎn)可以隨時加入或離開網(wǎng)絡(luò)，任何節(jié)點(diǎn)的故障不會影響整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的工作。,109,多跳路由,在有效發(fā)射功率之外的節(jié)點(diǎn)之間通信，必須通過中間的節(jié)點(diǎn)

40、的多跳轉(zhuǎn)發(fā)來完成。,110,動態(tài)拓?fù)?Ad hoc網(wǎng)絡(luò)允許節(jié)點(diǎn)之間的通信關(guān)系不斷變化，也就是網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的動態(tài)改變。,111,無線傳輸?shù)木窒藓湍芰康南拗?無線信道比較窄，無線信號容易被竊聽。 節(jié)點(diǎn)尺寸比較小，電池容量有限，需要節(jié)約能量。,112,網(wǎng)絡(luò)生存時間的限制,Ad hoc通過是針對某種特殊目的而臨時構(gòu)建的，事件結(jié)束后應(yīng)自行結(jié)束并消失。,113,Ad hoc網(wǎng)絡(luò)的主要應(yīng)用領(lǐng)域: 軍事領(lǐng)域（ 自愈式雷場系統(tǒng)） 美國DAPRA資助了一項(xiàng)研究“自愈式雷場”。系統(tǒng)采用智能化的移動反坦克地雷陣來挫敗敵人對地雷防線的突破。這些地雷均配備有無線通信與自組織聯(lián)網(wǎng)單元，通過某種方式布撒之后，這些地雷迅速構(gòu)成

41、移動自組網(wǎng)。在遭到敵方坦克突破之后，這種地雷通過對拓樸結(jié)構(gòu)的判定，以及自動彈跳功能迅速“自愈”（地雷“長腳”，會蹦跳到指定位置，重新自行組網(wǎng)），即通過網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)恢復(fù)連通。 民用領(lǐng)域 地震、水災(zāi)、火災(zāi)后； 野外科考； 家庭無線網(wǎng)絡(luò)；,114,,3.3.2 從無線自組網(wǎng)到無線傳感器網(wǎng)絡(luò),115,傳感器技術(shù)發(fā)展史：兩條主線,1. LWIM 與WINS無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究 LWIM 與WINS無線傳感器節(jié)點(diǎn) 低功耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究。,117,2. 智能塵埃項(xiàng)目的研究 智能塵埃(Smart Dust)項(xiàng)目研究的目標(biāo)是通過MEMS技術(shù)，實(shí)現(xiàn)傳感、計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)器人的環(huán)

42、境感知與智慧處理能力,118,成功的示范,2001年，當(dāng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)被放置在一個無人駕駛飛機(jī)的機(jī)翼下，并按照預(yù)先設(shè)置的路徑依次撒下。裝備地磁儀的塵埃一旦被部署，就能記錄飛行器飛過的時間。當(dāng)無人機(jī)沿著該路徑返回時，查詢每個塵埃，塵埃就能夠準(zhǔn)確將飛行器飛過的時間向基站報告。,119,,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展的過程,120,3.3.3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)與結(jié)構(gòu),無線傳感器網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn): 網(wǎng)絡(luò)規(guī)模 自組織網(wǎng)絡(luò) 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的動態(tài)變化 以數(shù)據(jù)為中心,121,,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本結(jié)構(gòu) 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)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),122,無線傳感器節(jié)點(diǎn) 無線傳感器節(jié)點(diǎn)通常是一個微型的嵌入式系統(tǒng)，它

43、的處理能力、存儲能力和通信能力相對較弱，通過自身攜帶的能量有限的電池（鈕扣電池或干電池）供電。 設(shè)計節(jié)點(diǎn)：低成本，微型化，低功耗,123,匯聚節(jié)點(diǎn)的處理能力，存儲能力，通信能力比較強(qiáng)，連接傳感器網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)兩種協(xié)議的轉(zhuǎn)換，同時發(fā)布管理節(jié)點(diǎn)的監(jiān)測任務(wù)，并將收集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到外部網(wǎng)絡(luò)上。 匯聚節(jié)點(diǎn)既可以是一個具有增強(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)存與計算資源，也可以是沒有監(jiān)測功能僅帶有無線通信接口的特殊網(wǎng)關(guān)設(shè)備。,124,基于功能的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型,125,3.3.4 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)研究,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的主要內(nèi)容,126,拓?fù)淇刂婆c路由協(xié)議,拓?fù)淇刂疲詣由删W(wǎng)

44、絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。 路由協(xié)議：能量優(yōu)先，基于局部拓?fù)?，以?shù)據(jù)為中心。,127,介質(zhì)訪問控制協(xié)議,網(wǎng)絡(luò)協(xié)議不能太復(fù)雜 路由協(xié)議要關(guān)心單個節(jié)點(diǎn)的能耗，也要考慮整個網(wǎng)絡(luò)的能耗 以數(shù)據(jù)為主，單個節(jié)點(diǎn)沒有必要采用全網(wǎng)編址,128,節(jié)點(diǎn)定位,位置信息對傳感器網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控至關(guān)重要，沒有位置的信息監(jiān)測報告沒有意義。,129,時鐘同步,分布式系統(tǒng)需要一個表示整個系統(tǒng)的全局時間。 現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的時間同步機(jī)制不適用它。,130,數(shù)據(jù)融合和數(shù)據(jù)處理技術(shù),將傳感器節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的多份數(shù)據(jù)或信息進(jìn)行處理，組合出更有效，更符合用戶需求的數(shù)據(jù)的過程。,131,嵌入式操作系統(tǒng),直接在硬件上編寫應(yīng)用軟件無法適應(yīng)多種服務(wù)。 傳統(tǒng)的嵌入式OS比較復(fù)雜

45、。,132,網(wǎng)絡(luò)安全,信息泄密 空間攻擊,133,3.3.5 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議與標(biāo)準(zhǔn)*,,134,無線接入網(wǎng)技術(shù)概述 迄今為止，沒有任何一種單一的無線技術(shù)能夠滿足所有的場合和應(yīng)用需要，因而技術(shù)的多元性是無線接入的一個基本特征。 依通信覆蓋范圍的不同，無線網(wǎng)絡(luò)從小到大依次為無線個域網(wǎng)（WPAN）、無線局域網(wǎng)（WLAN）、無線城域網(wǎng)（WMAN）和無線廣域網(wǎng)（WWAN）。無線接入技術(shù)能實(shí)現(xiàn)真正意義上的個人通信， 目前無線接入有ZigBee、藍(lán)牙、RFID、UWB、60GHz、Wi-Fi、WiMAX、3G等。,無線局域網(wǎng)與IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn) 無線個域網(wǎng)與IEEE802.15標(biāo)準(zhǔn),1

46、37,什么是WLAN,全稱是：WirelessLocalAreaNetworks，是一種利用射頻技術(shù)進(jìn)行據(jù)傳輸?shù)南到y(tǒng)。 該技術(shù)的出現(xiàn)絕不是用來取代有線局域網(wǎng)絡(luò)，而是用來彌補(bǔ)有線局域網(wǎng)絡(luò)之不足，以達(dá)到網(wǎng)絡(luò)延伸之目的，使得無線局域網(wǎng)絡(luò)能利用簡單的存取架構(gòu)讓用戶透過它，實(shí)現(xiàn)無網(wǎng)線、無距離限制的通暢網(wǎng)絡(luò)。,138,IEEE802.11,IEEE802.11是IEEE制定的一個無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，主要用于解決辦公室局域網(wǎng)和校園網(wǎng)中，用戶與用戶終端的無線接入。由于802.11在速率和傳輸距離上都不能滿足人們的需要，IEEE小組相繼推出了一系列802.11標(biāo)準(zhǔn)。不同802.11協(xié)議的差異主要體現(xiàn)在使用頻段，調(diào)制

47、模式和信道差分等物理層技術(shù)上。,139,802.11無線局域網(wǎng)的發(fā)展,盡管物理層使用技術(shù)差異很大，一系列IEEE802.11協(xié)議的上層架構(gòu)和鏈路訪問協(xié)議是相同的。 如MAC層都使用帶沖突避免的載波監(jiān)聽多路訪問（CSMA/CA）技術(shù)，數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)相同以及都支持基站和自組織兩種組網(wǎng)模式。,802.11無線局域網(wǎng)的發(fā)展,802.11架構(gòu),基本服務(wù)組（Basic Service Set，BSS）是802.11架構(gòu)中最重要的組成部分。 基站模式 無線用戶（筆記本電腦、PDA、臺式機(jī)等）：通過與接入點(diǎn)相關(guān)聯(lián)獲取上層網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。 接入點(diǎn)（基站）：通過有線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（交換機(jī)/路由器）連入上層公共網(wǎng)絡(luò)?！盁o

48、線路由器”是接入點(diǎn)和路由器功能的結(jié)合體。 自組織模式 無線用戶：每個無線網(wǎng)絡(luò)用戶既是數(shù)據(jù)交互的終端也是數(shù)據(jù)傳輸過程中的路由。,802.11架構(gòu)：組成部分,信道： 802.11b/g：將85MHz的頻寬分為11個不同頻段的信道。 接入點(diǎn)管理者會為每個接入點(diǎn)指定信道。 不相互干擾的信道中間須隔4個或4個以上其他信道 用戶與接入點(diǎn)關(guān)聯(lián)（基站模式）： 接入點(diǎn)廣播的“識別幀”（包含了接入點(diǎn)的MAC地址和服務(wù)集表示符） 用戶根據(jù)收到的“識別幀”選擇與其中一個接入點(diǎn)建立關(guān)聯(lián) 識別幀掃描方式： 被動掃描，接入點(diǎn)周期性廣播“識別幀”。 主動掃描，首先無線用戶主動廣播“探測幀”，然后收到“探測幀”的接入點(diǎn)以“回應(yīng)

49、幀”響應(yīng)，最后用戶根據(jù)“回應(yīng)幀”選擇接入點(diǎn)。,802.11架構(gòu)：信道、關(guān)聯(lián)及掃瞄,信道,雖然物理世界中無線電信道很多，但能夠被Wi-Fi協(xié)議所用的信道卻是寥寥無幾，并主要集中在2.4GHz和5GHz頻段。 此外，由于各國對于無線電信道的用途不同，因此即使是在2.4GHz和5GHz這兩個公共頻段，信道的開放程度也是不同的，這其中既有出于國家安全的考慮，也有被其他應(yīng)用占用的情況。,145,各國或地區(qū)的信道開放程度,可以看到，在2.4GHz頻段，我國在2.412-2.472GHz，共有13個信道可供選擇。,146,建議選擇1,6,11信道？,,147,,,148,介質(zhì)訪問控制協(xié)議的目的：避免多個用戶

50、同時訪問信道 CSMA（Carrier Sense Multiple Access）：用戶在發(fā)送數(shù)據(jù)之前先監(jiān)聽信道，信道占用則不發(fā)送數(shù)據(jù)。 CA（Collision Avoidence）：沖突避免，要求建立數(shù)據(jù)鏈路層確認(rèn)/重傳機(jī)制以避免沖突。 CD（Collision Detected）：沖突檢測。 802.11采用帶沖突避免的載波監(jiān)聽多路訪問協(xié)議（CSMA/CA），而以太網(wǎng)采用帶沖突檢測的多載波監(jiān)聽多路訪問協(xié)議（CSMA/CD）。,802.11介質(zhì)訪問控制協(xié)議,CSMA/CD,工作原理是： 發(fā)送數(shù)據(jù)前 先偵聽信道是否空閑 ,若空閑則立即發(fā)送數(shù)據(jù)。在發(fā)送數(shù)據(jù)時，邊發(fā)送邊繼續(xù)偵聽。若偵聽到?jīng)_突，

51、則立即停止發(fā)送數(shù)據(jù)。等待一段隨機(jī)時間（通過二進(jìn)制指數(shù)回退算法），再重新嘗試。 先聽后發(fā)，邊發(fā)邊聽，沖突停發(fā)，隨即延遲后重發(fā)。,150,CSMA/CA,（1）首先檢測信道是否有使用，如果檢測出信道空閑，則等待一段隨機(jī)時間后（每個設(shè)備采用的隨機(jī)時間不同，所以可以減少沖突的機(jī)會），才送出數(shù)據(jù)。 （2）接收端如果正確收到此幀，則經(jīng)過一段時間間隔后，向發(fā)送端發(fā)送確認(rèn)幀ACK。 （3）發(fā)送端收到ACK幀，確定數(shù)據(jù)正確傳輸，否則重傳。,151,,802.11節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)幀過程,152,無線連接的特點(diǎn)導(dǎo)致的有線信道中不存在的問題： 隱藏終端（Hidden Terminal）問題 A，B之間可通訊 C，B之間可

52、通訊 A，C之間不可通訊 A，C可能同時向B傳輸且意識不到彼此之間的干擾,無線網(wǎng)絡(luò)的隱藏終端,CSMA/CA（隱藏終端）,當(dāng)發(fā)射端希望發(fā)送數(shù)據(jù)時： 1、首先檢測介質(zhì)是否空閑，若是介質(zhì)為空閑時，送出RTS（Request To Send請求發(fā)送）（RTS信號包括發(fā)射端的地址、接收端的地址、下一筆數(shù)據(jù)將持續(xù)發(fā)送的時間等信息）； 2、接收端收到RTS信號后，將響應(yīng)短信號CTS（Clear To Send）（CTS信號上也RTS內(nèi)記錄的持續(xù)發(fā)送的時間）； 3、當(dāng)發(fā)射端收到CTS包后，隨即開始發(fā)送數(shù)據(jù)包。 4、接收端收到數(shù)據(jù)包后，將以包內(nèi)的CRC（循環(huán)冗余校驗(yàn)）的數(shù)值來檢驗(yàn)包數(shù)據(jù)是否正確，若是檢驗(yàn)結(jié)果正

53、確時，接收端將響應(yīng)ACK包，告知發(fā)射端數(shù)據(jù)己經(jīng)被成功地接收。 5、當(dāng)發(fā)射端沒有收到接收端的ACK包時，將認(rèn)為包在傳輸過程中丟失，而一直重新發(fā)送包。,154,為了避免沖突和“隱藏終端”，發(fā)送端可以請求預(yù)留信道而不是隨機(jī)訪問，通過RTS（Request to Send）和CTS（Clear to Send）實(shí)現(xiàn)。 發(fā)送端 使用CSMA/CA向接入點(diǎn)發(fā)送RTS 接入點(diǎn) 廣播CTS 接收到CTS的用戶 RTS發(fā)送者發(fā)送數(shù)據(jù) 其它用戶延后其發(fā)送,RTS和CTS機(jī)制：預(yù)留信道,,沖突檢測（CD）需要全雙工（發(fā)送數(shù)據(jù)同時也可接受數(shù)據(jù)），硬件代價過高，無線網(wǎng)卡很難同時接收沖突探測幀和發(fā)送無線信號。 無線信號的

54、衰減特性和隱藏終端問題使沖突很難被偵測。,為什么802.11采用CSMA/CA,WLAN與WIFI,包含關(guān)系上來說，WIFI是WLAN的一個標(biāo)準(zhǔn)， Wi-Fi 是 WLAN（的一種實(shí)現(xiàn)）。 Wi-Fi聯(lián)盟（全稱：國際Wi-Fi聯(lián)盟組織），英語：Wi-Fi Alliance，簡稱WFA），是一個商業(yè)聯(lián)盟，擁有 Wi-Fi的商標(biāo)。它負(fù)責(zé)Wi-Fi 認(rèn)證與商標(biāo)授權(quán)的工作，總部位于美國德州奧斯?。ˋustin）。成立于1999年，主要目的是在全球范圍內(nèi)推行Wi-Fi產(chǎn)品的兼容認(rèn)證，發(fā)展IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)的無線局域網(wǎng)技術(shù)。,157,WPAN,無線個人域網(wǎng)（Wireless personal Are

55、a Network） WPAN的傳輸范圍比無線區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（Wireless Local Area Networks，WLAN）要小，目前常聽到的WPAN技術(shù)有藍(lán)牙與ZigBee。 IEEE 802.15.1中速無線個域網(wǎng) IEEE 802.15.3高速無線個域網(wǎng) IEEE 802.15.4低速，低功耗無線個域網(wǎng),158,紅外線通信技術(shù),紅外通信技術(shù)是利用紅外線來傳輸數(shù)據(jù)的技術(shù)。 由于通信距離，速率，可見性（由于紅外線波長較短，對障礙物衍射較差，因此兩個使用紅外通信的設(shè)備必須互相可見）等限制，慢慢地被藍(lán)牙和WIFI取代。,159,2. 藍(lán)牙技術(shù)與協(xié)議IEEE 802.15.1 藍(lán)牙（Bluetoo

56、th）一種用于將計算機(jī)與通信設(shè)備、附加部件和外部設(shè)備，通過短距離的、低功耗的、低成本的無線信道連接的無線標(biāo)準(zhǔn)。,160,藍(lán)牙(Bluetooth)名字來源于10世紀(jì)丹麥國王Harald Blatand英譯為Harold Bluetooth。 1994年，瑞典愛立信公司研發(fā)了一種基于個人操作空間(personal operating space, POS)的短距無線通信技術(shù)，并用Blatand國王的名字命名。,藍(lán)牙的起源,藍(lán)牙標(biāo)志由Scandinavian公司設(shè)計。標(biāo)志保留了它名字的傳統(tǒng)特色，包含了古北歐字母“H”，看上去非常類似一個星號和一個“B”，在標(biāo)志上仔細(xì)看兩者都能看到。,藍(lán)牙的起源（續(xù)

57、）,1998年，藍(lán)牙技術(shù)由藍(lán)牙特別興趣小組(Bluetooth Special Interest Group)成立，成員包括愛立信、IBM、Intel、東芝和諾基亞等國際通信巨頭。 1998年3月，藍(lán)牙技術(shù)成為IEEE 802.15.1標(biāo)準(zhǔn)。 藍(lán)牙技術(shù)的物理層采用跳頻擴(kuò)頻結(jié)合的調(diào)制技術(shù)，頻段范圍是2.402GHz-2.480GHz，通信速率一般能達(dá)到1Mbps左右。 藍(lán)牙設(shè)備有兩種可能的角色，分別為主設(shè)備和從設(shè)備。 同一個藍(lán)牙設(shè)備可以在這兩種角色之間轉(zhuǎn)換。 一個主藍(lán)牙設(shè)備可以最多同時和7個從設(shè)備通信。,藍(lán)牙的起源（續(xù)）,藍(lán)牙工作原理： 每一對設(shè)備之間進(jìn)行藍(lán)牙通信時，必須一個為主角色，另一為從

58、角色； 通信時，必須由主端進(jìn)行查找，發(fā)起配對，建鏈成功后，雙方即可收發(fā)數(shù)據(jù)。 （1）藍(lán)牙主端設(shè)備發(fā)起呼叫，首先是查找，找出周圍處于可被查找的藍(lán)牙設(shè)備。 （2）配對完成后，從端藍(lán)牙設(shè)備會記錄主端設(shè)備的信任信息，此時主端即可向從端設(shè)備發(fā)起呼叫，已配對的設(shè)備，作為從端的藍(lán)牙耳機(jī)也可以發(fā)起建鏈請求，但做數(shù)據(jù)通信的藍(lán)牙模塊一般不發(fā)起呼叫。 （3）鏈路建立成功后，主從設(shè)備之間即可進(jìn)行雙向的數(shù)據(jù)或語音通信。,建立連接時間長、 功耗高、 安全性不高,藍(lán)牙的缺點(diǎn),ZigBee技術(shù)與協(xié)議IEEE 802.15.4 ZigBee是一種面向自動控制的低速、低功耗、低價格的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù),166,ZigBee技術(shù)

59、是一種具有統(tǒng)一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的短距離無線通信技術(shù)，其PHY層和MAC層協(xié)議為IEEE 802.15.4協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，網(wǎng)絡(luò)層由ZigBee技術(shù)聯(lián)盟制定，應(yīng)用層的開發(fā)應(yīng)用根據(jù)用戶自己的應(yīng)用需要，對其進(jìn)行開發(fā)利用，因此該技術(shù)能夠?yàn)橛脩籼峁C(jī)動、靈活的組網(wǎng)方式。 ZigBee頻道是全球免費(fèi)頻道2.4GHz。 ZigBee協(xié)議802.11.4標(biāo)準(zhǔn)把2.4GHz的ISM頻段劃分為16個信道，每個信道帶寬為2MHz。,IEEE802.15.4 技術(shù),IEEE802.15.4 規(guī)范特點(diǎn)： 經(jīng)濟(jì) 高效 低速率 2.4GHz 用于個域網(wǎng)和對等網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò) 支持傳感器、遠(yuǎn)端控制和家用自動化等 不適合傳輸語音，通常連接距離小于10

60、0m。 802.15.4不僅是ZigBee應(yīng)用層和網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議的基礎(chǔ)，也為無線 HART、ISA100、WIA-PA 等工業(yè)無線技術(shù)提供了物理層（Physical Layer，PHY）和媒體介入控制層（Meclia Accers Control，MAC）層協(xié)議。 同時802.15.4還是傳感器網(wǎng)絡(luò)使用的主要通信協(xié)議規(guī)范。,ZigBee，又稱為IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，其目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)類似于蜂群的低功耗、低復(fù)雜度、低速率、自組織的短距無線通信網(wǎng)絡(luò)，為個人或者家庭范圍內(nèi)不同設(shè)備之音的低速互連提供統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。 2001年，IEEE 802.15.4工作組成立了TG4工作組，制定規(guī)范IEEE 802.

61、15.4標(biāo)準(zhǔn)，同年，ZigBee聯(lián)盟成立。 2004年，ZigBee V1.0協(xié)議正式問世。 2006年，推出ZigBee 2006，比較完善。 2007年底，ZigBee PRO推出。2009年3月，ZigBee RF4CE推出，具備更強(qiáng)的靈活性和遠(yuǎn)程控制能力。 2009年開始，ZigBee采用了IETF的IPv6 6Lowpan標(biāo)準(zhǔn)作為新一代智能電網(wǎng)Smart Energy（SEP 2.0）的標(biāo)準(zhǔn)。,ZigBee的起源,ZigBee是一種無線連接，可工作在2.4GHz(全球流行)、868MHz(歐洲流行)和915MHz(美國流行)3個頻段上,分別具有最高250kbit/s、20kbit/s

62、和40kbit/s的傳輸速率，它的傳輸距離在10-180m的范圍內(nèi)(室內(nèi)一般不超過60米 室外一般不超過180米)。ZigBee具有如下特點(diǎn)： 低功耗: ZigBee的傳輸速率低,發(fā)射功率僅為1mW,而且采用了休眠模式，功耗低。 ZigBee設(shè)備僅靠兩節(jié)5號電池就可以維持長達(dá)6個月到2年左右的使用時間。,ZigBee的特點(diǎn),低成本： ZigBee模塊的初始成本在6美元左右，估計很快就能降到1.52.5美元。 ZigBee協(xié)議是免專利費(fèi)的。 時延短: 典型的搜索設(shè)備時延30ms, 休眠激活的時延是15ms, 活動設(shè)備信道接入的時延為15ms。 適用于對時延要求苛刻的無線控制(如工業(yè)控制場合等)應(yīng)

63、用。 網(wǎng)絡(luò)容量大: 一個星型結(jié)構(gòu)的Zigbee網(wǎng)絡(luò)最多可以容納254個從設(shè)備和一個主設(shè)備。 一個區(qū)域內(nèi)可以同時存在最多100個ZigBee網(wǎng)絡(luò)。,可靠： 支持沖突避免的載波多路偵聽技術(shù)（carrier sense multiple access with collision avoidance, CSMA-CA）。 MAC層采用了完全確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸模式，每個發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認(rèn)信息。 安全: 基于循環(huán)冗余校驗(yàn)(CRC)的數(shù)據(jù)包完整性檢查。 支持鑒權(quán)和認(rèn)證。 采用了AES-128的加密算法。 各個應(yīng)用可以靈活確定其安全屬性。,IEEE 802.15.4/ZigBee協(xié)議主要包括開放

64、系統(tǒng)互連（OSI）五層模型的物理層、介質(zhì)訪問控制層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層，以及應(yīng)用層。 IEEE 802.15.4主要規(guī)定了物理層和鏈路層的規(guī)范。 ZigBee主要提供了在物理層和鏈路層之上的網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層規(guī)范。,ZigBee的協(xié)議棧,IEEE 802.15.4/ZigBee體系結(jié)構(gòu),頻段：3個頻段，均為國際電信聯(lián)盟電信標(biāo)準(zhǔn)化組定義的用于科研和醫(yī)療的開放頻段，包括 868.0-868.6MHz，主要為歐洲采用，單信道； 902-928MHz，北美采用，10個信道，支持?jǐn)U展到30個信道； 2.4-2.4835GHz世界范圍內(nèi)通用，16個信道。 傳輸技術(shù)：最早為直接擴(kuò)頻，后來可采用調(diào)頻、調(diào)相等多

65、種技術(shù)。,ZigBee物理層,介質(zhì)訪問控制層（MAC）負(fù)責(zé)定義什么時候節(jié)點(diǎn)應(yīng)怎么樣使用物理層的信道資源，如何分配，什么時候釋放。 IEEE 802.15.4采用載波偵聽多路訪問方式(CSMA/CA)，與IEEE 802.11（Wi-Fi）類似。 傳輸之前，先偵聽介質(zhì)中是否有使用同一信道的載波存在，若不存在說明信道空閑，將直接進(jìn)入數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)； 若系統(tǒng)檢測到存在載波，則在隨機(jī)退避一段時間后重新檢測信道，退避的時間長短由具體的協(xié)議指定。,ZigBee介質(zhì)訪問控制層,典型無線傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)各個模塊能量消耗,MAC層設(shè)計：如何降低能量消耗？,無線收發(fā)模塊占據(jù)大部分的能量消耗。 無線收發(fā)器件（radio t

66、ransceiver）工作時通常處于三種狀態(tài)，發(fā)送，偵聽和空閑狀態(tài)。 空閑偵聽（idle listening）：是指節(jié)點(diǎn)處于偵聽狀態(tài)，但是并未偵聽到任何數(shù)據(jù)，從而浪費(fèi)掉了能量。 空閑（idle）：空閑狀態(tài)是指節(jié)點(diǎn)物理地關(guān)閉一些硬件功能，從而達(dá)到較低的能耗。 如何減少空閑偵聽是一個無線通信協(xié)議能夠適用于傳感網(wǎng)以及其他低功耗的網(wǎng)絡(luò)首先需要考慮的一個重要問題。,MAC層設(shè)計：如何降低能量消耗？,網(wǎng)絡(luò)層功能：路由，新節(jié)點(diǎn)和路徑的發(fā)現(xiàn)，決定一個節(jié)點(diǎn)屬于某一個子網(wǎng)絡(luò)等。 ZigBee網(wǎng)絡(luò)層采用距離矢量路由協(xié)議（AODV） 源節(jié)點(diǎn)廣播一個路由請求給它的所有鄰居 鄰居節(jié)點(diǎn)在收到消息后，再廣播收到的消息給它們的鄰居，如此直到消息到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)。 當(dāng)目的節(jié)點(diǎn)收到路由請求消息以后，目的節(jié)點(diǎn)返回一個路由回復(fù)給源節(jié)點(diǎn)。 回復(fù)不再以廣播方式發(fā)送到源節(jié)點(diǎn)，而是沿著路由請求數(shù)據(jù)包從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的路徑，這樣源節(jié)點(diǎn)就可以按照這條路徑發(fā)送消息到目的節(jié)點(diǎn)了。,ZigBee網(wǎng)絡(luò)層,距離矢量路由協(xié)議（AODV）,網(wǎng)絡(luò)層以及上提供了向終端用戶的接口 與互聯(lián)網(wǎng)類似，在網(wǎng)絡(luò)層以上： 互聯(lián)網(wǎng)模型中需要提供不同類型的傳輸服務(wù)（比如TCP