物联网导论3_传感器技术2012
物联网技术之传感器与智能终端
x
θ a) 角 位 移 型 b) 齿 形 极 板 型 c) 圆 筒 型
变面积式电容传感器的派生型
物联网导论：第3章 传感器与智能终端
3.1 传感器
3.1.3 代表性传感器原理——电容传感器
●变间隙式电容传感器
变间隙式电容传感器的原理图中：1为固定极板，2为与被测对象相连
的活动极板。当活动极板因被测参数的改变而引起移动时，两极板间的距
智能传感器集成了传感器、智能仪表全部功能及部分控制功能，具有很高的 线性度和低的温度漂移，降低了系统的复杂性、简化了系统结构。其带有微处理 机，具有采集、处理、交换信息的能力，是传感器集成化与微处理机相结合的产 物。
与一般传感器相比，智能传感器具有以下三个优点： ■通过软件技术可实现高精度的信息采集，而且成本低； ■具有一定的编程自动化能力； ■功能多样化。
(1) 掌握电阻、电容以及电感传感器的基本工作原理
(1) 掌握智能终端的三大特点 (2) 理解智能传感器为何能够成为智能终端的重要组成部分
(1) 了解智能终端在消费电子领域中的应用 (2) 了解智能终端在工业中的应用
(1) 了解智能终端的发展现状 (2) 了解智能终端的发展趋势
1. 传感器 2. 智能终端
Contents
物联网导论：第3章 传感器与智能终端
3.1 传感器
3.1.1 概述——传感器的定义
传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按 一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、 存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节，也 是物联网获取物理世界信息的基本手段。国家标准 GB7665-87 对传感器下的定义 是：“能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通 常由敏感元件和转换元件组成”。
《物联网技术导论》教案
《物联网技术导论》教案第一章：物联网概述1.1 物联网的定义与发展历程1.2 物联网的体系结构与关键技术1.3 物联网的应用领域与前景第二章：物联网感知技术2.1 传感器技术2.2 无线射频识别（RFID）技术2.3 二维码技术第三章：物联网传输技术3.1 无线通信技术3.2 互联网技术3.3 边缘计算技术第四章：物联网平台与中间件技术4.1 物联网平台概述4.2 物联网中间件技术4.3 物联网平台案例分析第五章：物联网安全与隐私保护5.1 物联网安全威胁与挑战5.2 物联网安全技术5.3 物联网隐私保护策略第六章：物联网协议与标准6.1 物联网协议栈6.2 常用物联网通信协议6.3 物联网标准化组织与规范第七章：物联网应用案例分析7.1 智能家居物联网应用7.2 智能交通物联网应用7.3 工业物联网应用第八章：物联网项目设计与实施8.1 物联网项目需求分析8.2 物联网系统设计与规划8.3 物联网项目实施与管理第九章：物联网产业与发展趋势9.1 物联网产业链分析9.2 物联网产业发展现状9.3 物联网未来发展趋势第十章：物联网技术在特定领域的应用10.1 医疗健康领域的物联网应用10.2 农业领域的物联网应用10.3 环境监测领域的物联网应用重点和难点解析一、物联网的定义与发展历程难点解析：物联网的定义涵盖了多种技术和应用领域，理解其核心思想需要对相关技术有一定了解。
物联网的发展历程反映了技术的不断演进和应用的扩展。
二、物联网感知技术难点解析：感知技术是物联网获取信息的基础，涉及多种传感器的原理和应用。
RFID和二维码技术在信息传递和识别方面有重要作用，但具体的工作原理和实施方式较为复杂。
三、物联网传输技术难点解析：物联网的传输技术涵盖了多种通信协议和网络技术，边缘计算技术对于降低延迟和提高效率有重要作用，但理解其工作原理需要深入的知识。
四、物联网平台与中间件技术难点解析：物联网平台是连接设备、数据和应用的关键，中间件技术对于平台的稳定运行至关重要。
物联网导论(概论)
教学安排
4学时
1.1 物联网的概念与定义
1.1.1 物联网的起源
1.1.2 物联网的概念与定义
1.1.3 物联网的特征
1.1.1 物联网的起源
1991年：美国麻省理工学院Kevin Ashton教授，首次提出物联网的概念。 1995年：比尔．盖茨在《未来之路》一书中也曾提及物联网。 1999年：美国麻省理工学院建立了Auto-ID，提出“万物皆可通过网络互联”。 2005年：ITU互联网报告2005：物联网》。报告中提出：通过一些关键技术， 用互联网将世界上的物体都连接在一起，使世界万物都可以上网。
2. 源信息处理
一般来说采集的源信息需要经过一定的处理才能通过通信系统的传输 传送出去。这是因为传感器采集的信息一般是一个电压或电流信号，而这 样一个信号不能直接由通信系统传送，需经过一定的处理、编码、变换才 能传送。
3.信息传送
信息传送就是将经过处理的源信息通过通信系统传送到信息处理与应用部分。 它主要由通信系统组成，包括有线与无线通信系统。最简单的传输系统是两根导 线。
1.3.2 物联网应用
*智能物流 *智能交通 *智能家居 *环境监测 *金融与服务业 *智慧医疗 *智慧农业 *智慧工业 *智能电网 *国防军事
1.4 物联网涉及的主要学科及其知识体系
一级学科
二级学科
电子、通信与自动控制技术 电子技术 信息处理技术 通信技术 自动控制技术
计算机科学技术 计算机科学技术基础 人工智能 计算机系统与结构 计算机软件 计算机工程
欧盟定义：将现有的互联的计算机网络扩展到互联的物品网络。
国际电信联盟(ITU)的定义 物联网主要解决物品到物品( Thing to Thing, T2T)，人到物品(Human to Thing，H2T)，人到人(Human to Human，H2H)之间的互连。
物联网导论习题解答
物联网导论习题解答令狐采学第1章概述一、本章学习目标本章主要了解物联网的起源、物联网关键技术及其应用进展；掌握物联网的概念与定义、物联网的特征、信息处理流程与物联网框架结构、物联网的基本结构、物联网的层次框架。
二、本章知识点●物联网的概念与定义●物联网的特征●信息处理流程与物联网框架结构●物联网的基本结构、物联网的层次框架三、习题及解答1. 物联网的含义包含哪些方面？答：“物联网”或“The Internet of Things”具有以下含义：（1）“物联网”依然是一个网，是一个在现有互联网基础上的网，应具有互联网的共性，这些共性应包括信息传输、信息交换、信息存储与信息的应用。
（2）物联网中的“物”应具有英特网中的终端或端点的特性，即“物”可以被寻址，“物”可以“产生”信息、交换信息。
（3）物联网中的“物”“所产生”的信息可以加以应用，或者说，人们可以应用“物”的信息。
（4）物联网应为人服务，能满足人的某些方面的需求，如果不能为人服务，它是没有意义的。
2. 学术界、我国及国际组织对物联网是如何定义的？答：学术界对物联网的定义有以下几个：（1）面向互联网的定义：“全球化的基础设施，连接物理与虚拟的对象，以应用其捕获的数据和通信功能。
这个基础设施包括了现存的和演进的英特网和网络，它将提供特殊的对象识别、感知和连接能力，以作为开发独立的、协作的、服务和应用基础。
这些将是由高度自治的数据捕获、事件传输、网络互联和交互为特征的”。
该定义是由CASAGRAS(Coordination and Support Action for Global RFID-related Activities and Standardisation，全球RFID运作及标准化协调支持行动)提出的。
（2）面向物的定义：在智能空间，被辨识的、拟人化操作的物，通过界面连接，与社区、环境和用户进行交互。
（3）面向语义的定义：“利用适当的建模解决方案，对物体进行描述、对物联网产生的数据进行推理、适应物联网需求的语义执行环境和架构、可扩展性存储和通信基础设施。
物联网技术导论 总复习
UMTS/ WCDMA
CDMA2000EVDO
TD-SCDMA WiMAX
语音业务
语音业务 低速数据业务
数据业务
宽带业务
重要概念：
1. MIMO 2. OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 3. LTE（Long Term Evolution） 下行有100M， IP V6,
第5章 互联网技术
TCP/IP的5层模型
OSI七层模型
第6章 数据融合和数据库
1，数据融合： 是指利用计算机对按时序获得的若干观测信 息，在一定准则下加以自动分析、综合，以完成所需的决 策和评估任务而进行的信息处理技术。
2，数据融合的分类：
低层（数据级或像素级）直接在采集到的原始数据层上进行的融合
3. 智能医疗是将物联网应用于医疗领域，借助数字化、可 视化、自动感知、智能处理技术，实现感知技术、计算 机技术、通信技术、智能技术与医疗技术的融合，将有 限的医疗资源提供给更多的人共享
综合应用2
4. 智能物流是利用集成智能化技术，使物流系统能模仿人 的智能，具有思维，感知，学习，推理判断和自行解决 物流中某些问题的能力 5. 智能建筑是集现代科学技术之大成的产物。其技术基础 主要由现代建筑技术、现代电脑技术现代通讯技术和现 代控制技术所组成
第4章 定位和位置服务
位置信息的三要素：空间 时间 身份信息 四种定位系统： 1. 卫星定位：GPS的系统组成，定位原理，典型应用和优 缺点。 2. 蜂窝基站定位： 3. 无线室内环境定位技术： 基于距离（差）的定位距离测量的两种方法 ToA, TDoA的原 理和优缺点 基于测量信号接收到达角度AOA的原理 2 基于信号特征的定位 RSSI： Pr d t PGt Gr 4 d 4. 新兴定位系统：A-GPS，网络定位
物联网技术导论--第03章
300kHz～ 3 000kHz
1km～0.1km
HF（高频）
3MHz～ 30MHz
100m～10m
IEEE频谱
VHF（甚高频） UHF（超高频） SHF（特高频） EHF（极高频）
30MHz～300MHz 300MHz～ 3 000MHz
3GHz～30GHz
30GHz～300GHz
亚毫米波
P波段 L波段 S波段 C波段 X波段
物联网技术导论(第二版)
近距离无线通信技术
无线通信系统概述 射频通信 微波通信 近距离无线通信技术概览 近场通信（NFC） 本章小结
《物联网技术导论(第二版)》
2
无线通信系统概述
无线通信（Wireless Communication）是利用电磁波信号可 以在空间传播的特性进行信息交换的一种通信方式。 无线通信包括固定体之间的无线通信和移动通信两大部分。 由于人类社会活动具有的显著的移动性，因而移动通信在 无线通信中占主导地位。 移动通信（Mobile Communication）就是移动体之间的通 信，或移动体与固定体之间的通信。
按使用的频段，现代无线与移动通信又可分为：中长波通 信（小于1MHz）、短波通信（1~30MHz）、超短波通信（ 30MHz~1GHz）、微波通信（1GHz到几十吉赫兹）、毫米 波通信（几十吉赫兹）、红外光通信、红外光通信、大气 激光通信等
《物联网技术导论(第二版)》
5
无线通信系统概述
按用途不同，现代无线与移动通信系统可以分为：陆地公 众蜂窝移动通信系统、宽带无线接入系统、无线局域网、 无线个域网、无绳电话、集群通信、卫星移动通信等。
10cm～1cm 1cm～0.1cm 1mm～0.1mm 130cm～30cm 30cm～15cm 15cm～7.5cm 7.5cm～3.75cm 3.75cm～2.4cm 2.4cm～1.67cm 1.67cm～1.13cm 1.13cm～0.75cm
物联网工程导论课后习题答案
兰州理工大学物联网工程导论课后习题参考答案人才v2012-7-19第1章物联网概论 (1)1.简述物联网的定义 (1)2.简述物联网应具备的三个特征 (1)3.简述信息浪潮15年定律的内容 (1)4.请解释以下名词：RFID；EPC (1)5.物联网的三大推动力分别是什么？ (2)6.国家提出的战略性新兴产业领域，主要包括哪七个方面？ (2)第2章物联网应用案例 (2)1.请说出数字城市发展的两个阶段 (2)2.什么是智慧城市？ (2)3.谈谈数字城市与智慧城市的区别 (3)4.智慧城市的构建涵盖了哪五个方面？ (3)5.什么是智慧校园？ (4)6.智慧校园的架构有哪几方面？它们分别是什么？ (4)7.请写出智慧校园的技术方法 (4)8.老年人用物联网信息终端由哪几部分组成？ (5)11.简述微电网的定义以及微电网的基本架构 (5)13.实现智能家居需要几个条件，这些条件是什么？ (6)第3章物联网技术基础 (6)1.简述物联网的三个层次 (6)2简述物联网的八层架构 (7)3.画出物联网的框架模型 (8)4.简述物联网的四大支撑技术 (9)5.RFID基本组成部分有哪些，并说明各个部分的作用是什么 (10)6.名字解释：WSN；Zigbee；WIFI；GPS；PLC；MEMS (10)7.说出Zigbee的技术优势所在 (11)8.简述ZigBee协议与IEEE802.15.4标准的联系与区别 (11)9.什么叫现场总线？它有什么特点？ (12)10.说一下GPS有哪几部分组成 (12)11. PLC（电力线通信）的关键技术是什么？ (12)12.请说出几种常见的微传感器 (12)13.简述物联网的两大技术范畴 (13)14.智能空间应具备的基本要求是什么？ (13)16.请说出什么是物联网终端，它有什么作用？ (14)17.物联网终端的基本原理是什么？ (14)18.请简述云计算的概念 (14)第4章信息处理与软件服务 (15)1、请说出智能系统研究的几个发展阶段 (15)2、Agent是谁什么时候提出的 (15)4、请用图表示出Agent与环境的交互模型 (16)5、说说什么是服务？什么是服务科学？ (16)6、服务科学的相关技术有哪些 (16)7、请简要归纳霍尔三维定律 (17)8、请画出运筹学的工作过程 (18)9、运筹学在服务科学中的应用主要体现在哪几个方面 (18)第1章物联网概论1.简述物联网的定义物联网是指通过信息传感设备，按照约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。
物联网导论(第3章传感器技术)
2 传感器的物理定律
• 守恒定律：主要有能量、动量、电荷量等守恒定律。 • 场定律：运动场、电磁场的感应定律等。其相可作用与物
体在空间的位置及分布状态有关。 如，电容式传感器； 利用电磁感应定律研制的自感、互感、电涡流式传感器。 • 物质定律：它是表示各种物质本身内在性质的定律，如欧 姆定律。通常以这种物质所固有的物理常数给予描述。例 如，压阻、热阻、磁阻、光阻、湿阻等。 • 统计法则 ：它是把微观系统与宏观系统联系起来的物理 法则。这些法则，常常与传感器的工作状态有关，是分析 某些传感器的理论基础。
广泛，如各种观察、瞄准装置、红外探测装置等。
2 传感器的发展趋势
• 发现新效应，开发新材料、新功能 • 多功能集成化与微型化： • 微型传感器的特征是体积微小、重量很轻，
体积、重量仅为传统传感器的几十分之一 甚至几百分之—，其敏感元件的尺寸一般 为微米级。 • 数字化、智能化与网络化 • 研究生物感官，开发仿生传感器
• 重复性误差反映的是校淮数据的离散程度、属随 机误差，因此应根据标准偏差计算。即
• 为各校准点正行程与反行程输出值的标准偏差 中的最大的值；a为置信系数
（4）灵敏度
• 灵敏度是传感器输出量增量与被测输入量 增量之比。线性传感器的灵敏度就是拟合 直线的斜率,即
（5）其他
• 分辨率：分辨率是传感器在规定测量范围内所能检测出的 被测输入量的最小变化量。有时用该值对满量程输入值的 百分比来表示。
3.1 传感器基础
3.1.1 传感器基本概念
• 1 传感器基本概念 • 传感器狭义定义：能把外界非电信息转换成电信号输出的
器件或装置。
• 传感器广义定义：凡是利用一定的物质（物理、化学、生 物等）法则、定理、定律、效应等进行能量转换与信息转 换，并输出与输入严格—一对应的器件或装置均。
物联网导论知识点总结
物联网导论知识点总结一、物联网的基本概念1. 传感器技术传感器是物联网中非常重要的组成部分，它能够实时地感知和测量环境的各种参数，并将这些数据通过网络传输到中心节点或者其他的设备中，实现数据的采集和监控。
常见的传感器包括温度传感器、湿度传感器、光传感器、压力传感器等。
传感器技术是物联网实现智能感知的基础。
2. 通信技术物联网设备之间需要通过网络进行数据的交换和通信，因此通信技术是物联网中非常重要的一环。
目前常用的通信技术包括蜂窝网络、无线局域网、低功耗广域网（LPWAN）等，这些技术能够实现不同范围和功耗需求下的设备之间的通信。
3. 数据处理和存储技术物联网设备产生的数据量巨大，因此在数据的处理和存储方面需要有相应的技术支持。
云计算、大数据分析、边缘计算等技术在物联网中扮演着重要的角色，能够对传感器采集的数据进行实时处理和存储，从而为后续的应用提供支持。
4. 应用场景物联网技术可以在许多领域得到应用，包括智能家居、智能交通、智慧城市、物流和供应链管理、工业自动化等。
在这些场景中，物联网能够帮助人们实现更加智能和高效的工作和生活方式。
二、物联网的关键技术1. 物联网感知技术感知技术是物联网中的核心技术，它能够实现对环境中各种参数和信息的感知和采集。
常见的感知技术包括传感器技术、RFID技术、摄像头和影像识别技术等，这些技术能够实时地获取环境的信息并传输到网络中。
2. 物联网通信技术物联网设备之间需要通过网络进行数据的传输和交流，因此通信技术是物联网中的重要技术之一。
短距离通信技术包括蓝牙、WiFi等，能够实现设备之间的直接通信；长距离通信技术包括蜂窝网络、NB-IoT等，能够实现设备与互联网的连接。
3. 物联网数据处理和存储技术物联网设备产生的数据量巨大，因此在数据的处理和存储方面需要有相应的技术支持。
云计算、大数据分析、边缘计算等技术能够对传感器采集的数据进行实时处理和存储，从而为后续的应用提供支持。
物联网技术基础第3章-传感器与传感网技术可修改全文
3.1 传感器概述
3.1.4 传感器的性能指标
对于阶跃输入信号，传感器的响应称 为阶跃响应或瞬态响应，是指传感器 在瞬变的非周期信号作用下的响应特 性。
对于正弦输入信号，传感器的响应称 为频率响应或稳态响应，是指传感器 在振幅稳定不变的正弦信号作用下的 响应特性。
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3.1 传感器概述
3.1.4 传感器的性能指标
建立微分方程是对传感器动态特性进行数学描述的基本方 法。可将传感器作为线性定常系统来考虑，因而其动态数 学模型可用线性常系数微分方程来表示。能用一、二阶线 性微分方程来描述的传感器分别称为一、二阶传感器。
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3.2 常用传感器
3.2 常用传感器
不同类别的传感器，其工作原理是不同的。下面介绍几种常用的传感器，包括温度传 感器、光电传感器、气敏传感器、力敏传感器、磁敏传感器、超声波传感器、激光传 感器、生物传感器等。
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3.1 传感器概述
3.1.3 传感器的分类
表3-3为传感器按被测量进行分类。
物理量 传感器
化学量 传感器 生理量 传感器
表3-3 传感器按被测量进行分类
力学量 热学量
压力传感器、力传感器、力矩传感器、速度传感器、 加速度传感器、流量传感器、位移传感器、位置传感 器、尺度传感器、密度传感器、黏度传感器、硬度传 感器、浊度传感器
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3.2 常用传感器
3.2.1 温度传感器
温度传感器是指能感受温度并转换成 可用输出信号的传感器。温度传感器 利用热敏元件的参数随温度变化而变 化的特性来达到测量温度的目的。常 见温度传感器如图3-3所示。
图3-3 温度传感器
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3.2 常用传感器
3.2.1 温度传感器
《物联网技术导论》教案
✓ 数据的实时采集 ✓ 信息的有效传递 ✓ 信息的智能化处理
应用决策层
2.2 物联网体系结构
➢ 2.2.2 感知控制层
传感技术
✓ 传感器是将能感受到的及规定的被测量按照一定的规律转换成可用输出信号 的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。
标识技术
✓标识技术是通过RFID、条形码等设备所感知到的目标外在特征信息 来证实和 判断目标本质的技术来。
图 EPC
2.4 已有架构
➢ 2.4.3 CPS
图 CPS
2.4 已有架构
➢ 2.4.4 M2M
图 M2M
2.5 物联网的反馈与控制
➢ 2.5.1自动控制的基本原理与方式
自动控制的概念及应用 反馈控制原理 反馈控制系统的基本组成 自动控制系统的基本控制方式
物联网系统的控制论解析
联
物联网中的“感、 智、控”分别构 成了物联网控制 系统的测量、比 较、执行等三大 部件，这三大部 件又在“联”这 种网络平台上得 以相互作用，形 成了“控制系 统”，最终实现 了“控”的目的。
1.3 物联网的应用
智能交通 智能物流 环境监测 智能电网 医疗健康 智能家居
1.4 小结
第二节 物联网体系结构
课堂讲授课时：4
作业：复习计算机网络相关内容 难点：物联网的体系结构与计算 机网络体系结构的区别 内容如下：
2.1 物联网体系结构概述
➢ 2.1.1 意义和功能
图 物联网
图 RFID的组成
4.2 RFID技术
➢ 4.2.1 RFID的概念及分类
RFID的标准
ISO/IEC、EPC global、Ubiquitous ID Center、AIM global和IP-X
物联网概论第3章 物联网技术基础
3.1.2传感器的分类
按
结构型：通过传感器结构参量的变化实现信号变换
被
信
号
转
换
特
征 分
物性型：利用敏感元件材料本身的物性变化来实现 信号的变换。
类
21
3.1.2传感器的分类
压电效应传感器---- 是一种自发电式机电转换式传感器。它的 敏感元件由压电材料制成。压电材料受力后表面产生电荷。此电荷经 电荷放大器和测量电路放大和变换阻抗后就成为正比于所受外力的电 量输出。压电式传感器用于测量力和能变换为力的非电物理量。优点 是频带宽、灵敏度高、信噪比高、结构简单、工作可靠和重量轻等。 缺点是某些压电材料需要防潮措施，而且输出的直流响应差，需要采 用高输入阻抗电路或电荷放大器来克服这一缺陷。
31
3.1.3 传感器的应用
在航天领域的应用
在航空航天领域，空中管制、导航、飞机的飞行管理 和自动驾驶着陆系统等，都需要大量的传感器。人造卫星 的遥感遥测等都与传感器紧密相关。
“阿波罗10”的运载火箭部分，检测加速度、声学、 温度、压力、振动、流量、应变等参数的传感器共有 2077个，宇宙飞船部分共有各种传感器1218个。
5
3.1 传感器技术
传感器在经济建设中的应用
利用适当的传感器，例如：压电传感 器、加速度传感器、超声传感器、湿度传 感器等，可以有效的建立一个三维立体的 防护监测网络。该系统可以用于监测桥梁、 高架桥、高速公路等道路环境。对许多老 旧的桥梁、桥墩长期受到水流的冲刷，传 感器能够放置在桥墩底部，用以感测桥墩 的结构、桥墩被腐蚀情况等；也可以放置 在桥梁两侧，搜集桥梁的温度、湿度、震 动幅度等。有效减少断桥造成的生命财产 损失。三峡大坝里一共埋设了万余台/只 检测仪器和传感器，这些“眼睛”时刻监
第3章 物联网传感技术
无线传感通信技术应用于连接大量具有多功能、多信号采集能力的传感器，从而形成
的无线传感网络，使传感网从最初的点覆盖、线覆盖、面覆盖，发展为区域覆盖，应 用范围得到极大扩展。
3.3.2 传感网协议体系结构
网络协议体系结构
网络的协议分层以及网络协议的集合，是对网络及其组成部分的功能的描述。。 该网络体系结构由分布式网络通信协议、传感器网络管理以及应用支持技术三个部分 组成：分层的网络通信协议模块、传感器网络管理模块和应用支持服务模块。
6. 定位技术
传感器节点的精确定位是传感器网络的基本功能之一，其网络中的
传感器节点通常随即部署在区域中，要详细说明在事件发生的位置 以及数据采集节点的位置，各个节点必须首先明确自身位置才能实
现对外部目标的定位和跟踪。
3.3.4传感网的关键技术
7. 时间同步
时间同步机制主要从单广播域内时间同步和多跳范围内的时间同步 两个方面进行研究。主要的时间同步算法主要有RBS算法和TPSN 算法。
储能力、数据处理融合能力对数据进行分析和管理，去除冗余信息 ，达到节能的目的。
数据融合技术在目标跟踪、目标识别等领域得到广泛应用。
3.3.4传感网的关键技术
5. 数据管理技术
数据管理系统一般尽可能的再传感器网络内部进行数据的分析和处
理，以较少能量消耗，延长传感网的生命周期。
3.3.4 传感网的关键技术
栅栏覆盖（Barrier Coverage）
3.3.8 连接与节能
连接问题考察的是传感器节点之间的连接状况能否保证采集到的信息能够准 确传递给汇聚节点。所以，一般从纯连接和路由连接两个方面来考虑。 节能问题主要考虑的是网络部署时传感器节点的耗能以及传感器网络在使用 过程中尽可能降低能量消耗等方面的问题。
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大规模长时间部署传感器的设计需求
低成本与微型化
•低成本的节点才能被大规模部署，微型化的节点才能使部署更加容 易
•节点的软件设计也需要满足微型化的需求 。例如TelosB节点的内存大小只 有4KB，程序存储的空间只有10KB。因此，节点程序的设计必须节约计算
资源，避免超出节点的硬件能力
大规模长时间部署传感器的设计需求
无线传感器组成
•传感器 •微处理器 •无线通信芯片 •电池
号和通过数字信号，选择是否需要外部模数转 换器和额外的校准技术。
常用传感器及其关键特性
设计需求回顾
•低成本与微型化 •低功耗 •灵活性与扩展性 •鲁棒性
无线传感器组成
•传感器 •微处理器 •无线通信芯片 •电池
3.5 硬件平台
微处理器
微处理器是无线传感节点中负责计算的核心 ，目前 的微处理器芯片同时也集成了内存、闪存、模数转
本章内容
3.1 传感器概述 3.2 传感器技术发展史 3.3 典型应用 3.4 设计需求 3.5 硬件平台 3.6 操作系统 结合设计需求可得出传感器节点硬件平台的基本特征
3.5 硬件平台
供能装置
•采用电池供电，使得节点容易部署。但由于电压、 环境等变化，电池容量并不能被完全利用。 •可再生能量，如太阳能。可再生能源存储能量有两种 方式：充电电池，自放电较少，电能利用会比较高， 但充电的效率较低，且充电次数有限； 超电容，充 电效率高，充电次数可达100万次，且不易受温度， 振动等因素的影响。
本章内容
3.1 传感器概述 3.2 传感器技术发展史 3.3 典型应用 3.4 设计需求 3.5 硬件平台 3.6 操作系统 究竟什么是传感器？传感器有哪些部分组成呢？
3.1传感器概述
•定义
我国国家标准（GB7665‐2005）对传感器的定义是： “能感受被测量并按照一定的规律转换成可 用输出信号的器件或装置”。
设计需求回顾
•低成本与微型化 •低功耗 •灵活性与扩展性 •鲁棒性
无线传感器组成
•传感器 •微处理器 •无线通信芯片 •电池
3.5 硬件平台
通信芯片（3）
•通信芯片的传输距离是选择传感节点的重要指标。 发射功率越大，接受灵敏度越高，信号传输距离越远。 •常用通信芯片： •CC1000：可工作在433MHz，868MHz和915MHz； 采用串口通信模式时速率只能达到19.2Kbps •CC2520：工作频率2.4GHz，是一款完全符合IEEE 802.15.4协议规范的芯片 ；传输率250Kbps
设计需求回顾
•低成本与微型化 •低功耗 •灵活性与扩展性 •鲁棒性
无线传感器组成
•传感器 •微处理器 •无线通信芯片 •电池
常用通信芯片及其关键特性
设计需求回顾
•低成本与微型化 •低功耗 •灵活性与扩展性 •鲁棒性
无线传感器组成
•传感器 •微处理器 •无线通信芯片 •电池
• CC2530
• TI公司生产的集成8051核心和IEEE 802.15.4 RF模块的 Soc。 • 工作在2.4GHz频段，发射功率可调。 • 8KB RAM，32/64/128/256KB FLASH。 • 6mm*6mm封装，体积小 • RX：24mA；TX：29mA • 自带8通道12位AD转换器，温度传感器和电量检测器 • 2路UART/SPI，Watchdog，AES加密，DMA等
设计需求回顾
•低成本与微型化 •低功耗 •灵活性与扩展性 •鲁棒性
无线传感器组成
•传感器 •微处理器 •无线通信芯片 •电池
化器、数字IO等 ，这种深度集成的特征使得它们非
常适合在无线传感器网络中使用。 影响节点工作整体性能的微处理器关键性能包括功耗
特性，唤醒时间（在睡眠/工作状态间快速切换）， 供电电压（长时间工作），运算速度和内存大小
• CC2530的节能模式
• Active and Idle Mode: 正常工作模式。 • Power Mode 1 : 当需要休眠的时间小于3ms时，采用PM1休眠模式。当需 要唤醒芯片时，只需要4us的时间。 • Power Mode 2 : 当需要休眠的事件大于3ms时，可利用Sleep Timer指定休 眠时间，时间到自动唤醒。PM2模式下芯片功耗将带到1 uA。 • Power Mode 3 : 该模式下芯片进入深度休眠，只能通过外部中断来唤醒， 芯片功耗降低到0.4 uA 。 • PM1到PM3功耗依次降低，可根据实际需要进行选择。
3.5 硬件平台
通信芯片（1）
•通信芯片是无线传感节点中重要的组成部分 ，在一个 无线传感节点的能量消耗中，通信芯片通常消耗能
设计需求回顾
•低成本与微型化 •低功耗 •灵活性与扩展性 •鲁棒性
无线传感器组成
•传感器 •微处理器 •无线通信芯片 •电池
量最多 ，在目前常用的TelosB节点上，CPU在工作状
本章内容
3.1 传感器概述 3.2 传感器技术发展史 3.3 典型应用 3.4 设计需求 3.5 硬件平台 3.6 操作系统 操作系统是传感器节点软件系统的核心
应用特点
•传感器能实现空间和时间上的细
粒度感知，可实时跟踪到单个电器
•传感器能实现“多功能”的感知， 能推测用户的行为 •传感器能够互联互通，通过大量连 续的数据则有助于分析得出更多有用 的信息
医疗监控中的传感器： Mercury
传感器的另一个重要应用是医疗监 控 ，哈佛大学研究组改进了传统传 感器，使得其外形更小，适合穿戴 在身上
• CC2530的射频单元
• Tx FIFO：128字节；Rx FIFO：128字节。 • 支持自动发送确认帧，支持在发送时自动添加CRC校验码。 • 支持硬件CSMA/CA机制。 • 支持帧地址过滤和匹配机制。 • 支持CCA信道检测，支持信号强度RSSI报告。 • 支持信道自由设定，2.4GHz可选16个频点。 • 支持无线信道状态自动测试功能。
设计需求回顾
•低成本与微型化 •低功耗 •灵活性与扩展性 •鲁棒性
无线传感器组成
•传感器 •微处理器 •无线通信芯片 •电池
3.5 硬件平台
传感器
有许多传感器可供节点平台使用，使用哪种传感器往 往由具体的应用需求以及传感器本身的特点决定 需要根据处理器与传感器的交互方式：通过模拟信
设计需求回顾
•低成本与微型化 •低功耗 •灵活性与扩展性 •鲁棒性
对无线 传感器 的研究 始于20 世纪90 年代
低功耗无线传感节点
加州伯克利分校SmartDust项目
微型化传感器节点
3.2传感器技术发展史：缓慢提升的性能
计算机硬件的发展通常遵循摩尔定律： 集成电路上可容纳的晶体管数量，约每 隔18个月增加一倍，性能也将提升一倍。
无线传感器节点的发展并没有像 摩尔定律预测的速度发展！
第3章段，与通信 技术和计算机技术共同 构成信息技术的三大支 柱。 本章将介绍无线传感器 的发展与应用以及软硬 件平台。
内容提要
内容回顾
•第2章介绍了常见的自动识别方法和技术，重点介绍了 RFID技术 •IC卡系统构成，一维和二维条形码 •RFID的概念和系统组成，标签的存储方式、分类以及 常用频率 •RFID标签防冲突方法（基于ALOHA协议/基于二进制树 协议） •本章重点介绍无线传感器技术，涉及传感器的基本概念和 典型应用，以及常用的硬件平台和操作系统等内容。
•传统传感器的局限性
网络化、智能化的程度十分有限，缺少有效的数 据处理与信息共享能力
•现代传感器
特点：微型化、智能化和网络化 典型代表：无线传感节点
无线传感节点
无线传感节点的组成：电池、传感器、微处理器、无线通信芯片；相
比于传统传感器，无线传感节点不仅包括传感器部件（左上图），还集成 了微型处理器和无线通信芯片等，能够对感知信息进行分析处理和网络传 输。
常用微处理器及其关键特性
设计需求回顾
•低成本与微型化 •低功耗 •灵活性与扩展性 •鲁棒性
无线传感器组成
•传感器 •微处理器 •无线通信芯片 •电池
例子：MSP430的低功耗
异军突起：STM32单片机（基于ARM核心）
ARM蚕食传统单片机市场的 排头兵 高性能ARM Cortex-M3内核 种类繁多的外设，高集成度 低功耗 非常易于开发的库函数，快 速开发
态电流仅500uA，而通信芯片在工作状态电流近20mA。 •通信芯片具有四种运行状态：发送、接收、空闲、休 眠。
3.5 硬件平台
通信芯片（2）
• 通信芯片由两大部分组成 • 射频前端：包括天线接口、低噪声放大器、功率放大 器（PA），主要完成模拟信号的处理。 • 基带处理器：主要完成数字信号的处理及RF与其他电 路的接口。 • 低功耗通信芯片在发送状态和接收状态时消耗的能量差别 不大 ，这意味着只要通信芯片开着，都在消耗差不多的能量
硬 件 能 力 摩尔定律 预测的曲线 传感器节点 发展曲线
2004
时间
制约传感器性能提升的因素？
功耗的制约：无线传感节点一般被部署在野外，不能通过有线供电。其
硬件设计必须以节能为重要设计目标。
价格的制约：无线传感节点一般需要大量组网，以完成特定的功能。其
硬件设计必须以廉价为重要设计目标。
体积的制约：无线传感节点一般需要容易携带，易于部署。其硬件设计
应用特点
•传感器的设计十分人性化 •传感器具有高精度的感知能力，医 用的数据需要较高的采样精度供医生 分析诊断 •传感器能连续长期地采集数据 •传感器使用无线通信方式，其数
据传输是机会性的
本章内容
3.1 传感器概述 3.2 传感器技术发展史 3.3 典型应用 3.4 设计需求 3.5 硬件平台 3.6 操作系统 不同的应用场景对传感器软硬件提出独特的设计需求
必须以微型化为重要设计目标。