(三)传感器网络技术

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传感器的基本特性
传感器的基本特性,即输入——输出特性,而这些基本特
性决定着传感器性能的优劣,并由具体的性能指标来考核


静态特性----被测量不随时间变化或随时间变化 缓慢时输入与输出

间的关系。
器 的 基 本
传感器的静态特性主要由:线性度、灵敏度、重复性、 迟滞、分辨力和阈值、稳定性、漂移及量程范围等几 种性能指标来描述。
– 用水银温度计测温。是利用了水银的热胀冷缩的现象; – 用光电传感器测速,是利用了光电器件本身的光电效应; – 用压电测力计测力,是利用了石英晶体的压电效应等。
• 所谓结构型传感器,则是通过传感器本身结构参数的变化 来实现信号转换的。例如,
– 电容式传感器,是通过极板间距离发生变化而引起电容量的变化; – 电感式传感器,是通过活动衔铁的位移引起自感或互感的变化等。
传感器的发展-微型传感器
• 超小型化、微功耗
–智能传感器正朝着短、小、轻、薄的方向发展,以满 足航空、航天及国防尖端技术领域的急需,并且为开 发便携式、袖珍式检测系统创造了有利条件。
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智能微尘传感器
• 智能微尘(Smart Micro Dust)是一种具有电脑功能的 超微型传感器。从肉眼看来,它和一颗沙粒没有多大区别 。但内部却包含了从信息收集、信息处理到信息发送所必 需的全部部件。目前,直径约为5mm的智能微尘已经问 世。
• 无线传感器网络的基本组成单位是无线传感器节点,节点 由传感器、微处理器、无线接口和电源管理四个主要模块 组成,它们是光机电一体化系统的集合体,具有无线通信 、数据收集和处理、协同工作等功能,共同组成了无线传 感器网络。
• 无线传感器网络具有布线成本低、监测精度高、容错性好 、可远程监控、便于诊断与维护等众多优点,在环境监测 、事故定位救援等领域有着广阔的应用前景,其根本任务 是准确获取物理世界的有价值信息。
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传感器构成实例
实际上,有些传感器很简
单, 最简单的传感器由一个
转换
敏感元件(兼转换元件)组成,
元件
它感受被测量时直接输出电
量,如热电偶。
有些传感器很复杂; 有
些传感器由敏感元件和转换
敏感
元件组成,没有转换电路,如
元件
压电式加速度传感器,其中
转换
质量块是敏感元件,压电片(
电路
块)是转换元件。有些传感
一代智能传感器。 –感知能力+计算能力+通信能力
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目录
一、传感器的定义与组成 二、无线传感器网络介绍
29 29
传感器网络的定义
• 传感器网络是大量的静止或移动的传感器以自组 织和多跳的方式构成的无线网络, 其目的是协作 地感知、采集、处理和传输网络覆盖地理区域内 感知对象的监测信息, 报告给用户。
• 性能价格比高: 在相同精度条件下,多功能智能式传感器与单一功能 的普通传感器相比,其性能价格比高,尤其是在采用比较便宜的单片 机后更为明显。
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传感器+嵌入式计算机 Æ 智能传感器
振动网络传感器
嵌入式计算机
声发射百度文库能探头
智能压力网络 传感器
智能倾角RS232 传感器
IC总线数字温度 传感器
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• 特点: – 这一种方法是根据被测量的性质进行分类,如温度传感器、湿度 传感器、压力传感器、位移传感器、流量传感器、液位传感器、 力传感器、加速度传感器及转距传感器等 – 这种分类方法把种类繁多的被测量分为基本被测量和派生被测量 。例如力可视为基本被测量,从力可派生出压力、重量、应力和 力矩等派生被测量。当需要测量这些被测量时,只要采用力传感 器就可以了。了解基本被测量和派生被测量的关系,对于系统使 用何种传感器是很有帮助的。
16
• 在航空、航天技术领域,仅阿波罗10号飞船就使用了数千 个传感器对3295个测量参数进行监测。
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• 在兵器领域中,使用了诸如机械式、压电、电容、电磁、光纤、红外 、激光、生物、微波等等传感器,以实现对周围环境的监测与目标定 位信息的收集,从而更好的解决了安全、可靠的防卫能力。
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• 在民用工业生产中,传感器也起着至关重要的作用。如一座大型炼钢 厂就需要2万多台传感器和检测仪表
Sensor
Sensor Sensor
Sensor
Sensor
Sensor
城镇 Sensor
Sensor
Sensor
Sensor
35
35
传感网的节点部署与功能
1. 无人机部署传感器节点
Zzz...
哨兵
3.传感器网检测到运动 物体进入并叫醒传感 器节点
2. 传感器节点以功率管理方式 建立传感网
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自组织网 邻居发现
量,容易造成测量误差。
• 能量控制型传感器 (或称有源传感器),是从外部 供给辅助能量使传感器工作的,并由被测量来控 制外部供给能量的变化。例如,
–电阻应变计中电阻接于电桥上,电桥工作能源由外部 供给,而又被测两变化所引起的电阻变化去控制电桥 输出。
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传感器的分类-按传感原理分
• 所谓物性型传感器,是利用敏感器件材料本身物理性质的 变化来实现信号的检测。例如,
(三)传感器/传感器网络技术
北京天和科瑞咨询有限公司 北京邮电大学移动互联网与信息化实验室
2010年7月
目录
一、传感器的定义与组成 二、无线传感器网络介绍
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传感器的作用与地位
传感器是获取自然领域中信息的主要途径和手段。
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传感器的定义
• 传感器直接作用于被测量,并按一定的规律将其转换成同 种或别种量值输出的装置。
炼铁高炉监控与 传动系统
19
¾ 一部现代化汽车需要90多只传感器
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¾ 在医学上,人体的体温、血压、心脑电波及肿瘤等的 准确诊断与监控都需要借助各种传感器来完成。
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• 传感器的发展
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传感器的发展-智能传感器
• 智能化:具有判断能力、学习能力的传感器。是一种带微 处理器的传感器,是微型计算机和传感器相结合的成果, 它兼有检测、判断和信息处理功能。
• 智能传感器大致分为如下三种: – 具有判断力的敏感装置 – 具有学习力的敏感装置 – 具有创造力的敏感装置
• 智能传感器可广泛用于工业、农业、商业、交通、环境监 测、医疗卫生、军事科研、航空航天、现代办公设备和家 用电器等领域。
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智能传感器特点
• 精度高:由于智能式传感器具有信息处理的功能,因此通过软件不仅 可以修正各种确定性系统误差(如传感器输入输出的非线性误差、温 度误差、零点误差、正反行程误差等),而且还可以适当地补偿随机 误差,降低噪声,从而使传感器的精度大大提高
• 稳定、可靠性好:它具有自诊断、自校准和数据存储功能,对于智能 结构系统还有自适应功能。
• 检测与处理方便:它不仅具有一定的可编程自动化能力,可根据检测 对象或条件的改变,方便地改变量程及输出数据的形式等,而且输出 数据可通过串行或并行通讯线直接送入远地计算机进行处理
• 功能广:不仅可以实现多传感器多参数综合测量,扩大测量与使用范 围,而且可以有多种形式输出(如RS232串行输出,PIO并行输出, IEEE-488总线输出以及经D/A转换后的模拟量输出等)。
选择哨兵
选举领导 领导迁移 小组管理 协调网格 数据编组 数据汇聚 参数化 定位 调度 重配置 链路接入 功率管理 网络监视 时间同步 状态同步 36
无线传感器网络的现状
• 无线传感器网络是一种综合传感器技术、计算机技术、信 息处理技术和通信技术为一体的网络,具有以数据为中心 、资源受限、自主自治、自维护、较强容错能力和多跳路 由等明显的特征。

物理量


化学量


生物量
转换
电信号
传感器——sensor, transducer
总之,传感器的功用就是“感与传”,即感知并传递信息。传感器有时又被称为: 检测器、转换器、敏感元件等。
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传感器的组成
被测非电量
它是直接感受被测量,并输出与 被测量构成有确定关系、更易于
转换的某一物理量的元件。
敏感元件
I P v 4 / I P v 6 网关
Sensor
Sensor
Sensor
城市 Sensor
Sensor
Sensor
I P v 6 节点 Sensor
Sensor
Sensor
Sensor Sensor
Sensor
IPv6节点
IPv6节点
Sensor
Sensor
Sensor
城镇
Sensor
Sensor
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什么是无线传感器网络?
Internet 或
通信卫星
Sensing Area
网关节点 汇聚节点
Sink
Object
User端
传感器节点
• 传感器网络覆盖感知对象区域
• 每个传感器完成其临近感知对象的观测
• 多传感器协同完成感知区域的大观测任务 • 使用多跳路由算法向用户报告观测结果 32
无线传感器网络
器转换元件不只一个,要经
过若干次转换。
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常用传感器分类
(1)按被测物理量来分 位移传感器 速度传感器 温度传感器 加速度传感器
(2)按传感器的工作原理来分 机械式 电气式 辐射式 流体式
… …
(3)按信号变换特征来分 物性型 结构型
(4)按传感器的能量转换情况来分 能量转换型 能量控制型
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按被测物理量分类
• 优缺点
–优点是对传感器的工作原理表达的比较清楚,而且类 别少,有利于传感器专业工作者对传感器进行深入的 研究分析
–缺点是不便于使用者根据用途选用。
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传感器的分类-按能量关系分
• 能量转换型传感器 (或称无源传感器),是直接由 被测对象输入能量使其工作的。例如,
–热电偶将被测温度直接转换为电量输出。 –由于这类传感器在转换过程中需要吸收被测物体的能
• 优缺点 – 优点:比较明确地表达了传感器的用途,便于使用者根据其用途 选用。 – 缺点:没有区分每种传感器在转换机理上有何共性和差异,不便 于使用者掌握其基本原理及分析方法。
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按传感器工作原理分类
• 特点
–这一种分类方法是以工作原理划分,将物理、化学、 生物等学科的原理、规律和效应作为分类的依据。
• 未来的智能微尘甚至可以悬浮在空中几个小时,搜集、处 理并无线发射信息。智能微尘还可以“永久”使用,因为 它不仅自带微型薄膜电池,还有一个微型的太阳能电池为 它充电
a)肉眼所看到的智能微尘 b)智能微尘的内部结构
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传感器的发展-网络传感器
• 智能传感器的另一发展方向就是网络传感器。 • 网络传感器是包含数字传感器、网络接口和处理单元的新
目标跟踪和检测
森林火灾监控
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小区安全监控
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传感器网络的应用
军事应用:
)作战环境侦查与监控
)军事侦查、情报获取


动态特性----被测量随时间快速变化时传感器输入与输出间的关系。
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静态测量
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缓慢变化的测量-静态测量
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动态测量
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传感器的应用与发展
¾ 传感器几乎渗透到所有的技 术领域。如工业生产、宇宙 开发、海洋探索、环境保护 、资源利用、医学诊断、生 物工程、文物保护等等广泛 领域,并逐渐深入到人们的 生活中。
• 无线传感器网络借助于节点的时间与位置信息,实现传感 器节点之间控制和传感数据高速率、低延迟的交换,以保 证整个检测与控制系统的准确性与实时性 。
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无线传感器网络节点
• 由电源、数据获取单元DAU、数据处理单元 DPU、数据发送和接收单元DSRU构成。
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无线传感器网络的组网
监控中心
CNGI骨干网
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无线传感器网络概述
• 第一代传感器网络:20世纪70年代。点对点传输 ,具有简单信息获取能力。
• 第二代传感器网络:获取多种信息的综合能力, 采用串/并接口与传感控制器相联。
• 第三代传感器网络:20世纪90年代后期。智能传 感器采用现场总线连接传感控制器,构成局域网 络。
• 第四代传感器网络:以无线传感器网络为标志, 正处于研究和开发阶段。
转换元件
转换电路
电量
将敏感元件感受 或响应的被测量 转换成适于传输 或测量的电信号
电源
把转换元件输出 的电信号变换为 便于处理、显示、 记录、控制和传 输的可用电信号
¾并不是所有的传感器必须包括敏感元件和转换元件。 ¾如果敏感元件直接输出的是电量,它就同时兼为转换元件 ¾如果转换元件能直接感受被测量而输出与之成一定关系的电量,它就同时兼为敏 感元件。例如压电晶体、热电偶、热敏感电阻及光电器件等。敏感元件与转换元 件两者合二为一的传感器是很多的。
• 因其具有不同于其他网络的特性和优势,无线传感器网络 已成为当今信息领域的研究热点。
• 究其本质,对于无线传感器网络相关技术的研究是一个多 学科技术交叉的研究领域,目前为止,仍存在大量的关键 技术有待进一步研究。
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无线传感器网络应用
地震监测 深海监控
生活习性监测
战场评估
传感器网络
医疗状况监控 精细农业
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