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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 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)代化項目，都

2、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，來得到聲音的電量

3、。,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，于是手指從接觸點吸走一個很小的電流，四邊電極發(fā)出的電流會流向觸點,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，就會將屏幕關(guān)掉，

4、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）,陀螺儀可以用來測

5、量物體的旋轉(zhuǎn)角度，可以獲得更好的游戲體驗，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)，電容傳

6、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（凸起的部分）和

7、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,真正把溫度變

8、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。 力傳感器

9、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)膜片的應(yīng)變或

10、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，允許流過微安培

11、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）溫度傳感器,

12、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，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，如果使兩個接觸點的溫度不同，則在回路

13、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 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，所以大氣對次聲波的

14、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)?？茖W(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，也可以接收超聲波。（壓電效應(yīng)

15、） 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)用聲波在水下的傳播特征，經(jīng)

16、由過程電聲轉(zhuǎn)換跟信息處置，實現(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，在水中的傳播距離非常

17、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。再加上其他的配

18、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)。 光纖具有很多優(yōu)異的性能，例

19、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，它通過測量光波在通過

20、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，實現(xiàn)分布、自動、實時、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、事故點定位 發(fā)電廠和變電站的溫度監(jiān)測、故障點檢測和報警 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，可以對每個溫度測量點進(jìn)行實時測量與定位,61,（5）電傳感器 電傳感器可以

21、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 磁電式傳感器目前已經(jīng)被高性能磁敏感材

22、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。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，這種傳感器在工業(yè)應(yīng)用中受到廣泛

23、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，都會以電磁波或粒子的形式不停地向外界傳送

24、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)熒屏或膠片上的X線的量有差異，在熒屏

25、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)榭梢姽夂螅晒怆娹D(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,主要是電磁輻射。人們經(jīng)常接觸到的就是低能電磁輻射

26、。 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,將紅外輻射能轉(zhuǎn)換成電能的光敏元件稱為紅外

27、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

28、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)值發(fā)生變化，同時，這一反應(yīng)是可逆的。,77,濕度傳感

29、器,濕敏電阻的特點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-感受物是生命物質(zhì),80,3.1.5 生物傳感器,81,生物傳感

30、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)殡娦盘枺瑥亩右詸z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

31、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： 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

32、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，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

33、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,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

34、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)。因為它們采用與ASIC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

35、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因為其在汽車電子和消費(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)最大的氣體傳感器及儀表制造商。,98,3.2.3 無線傳感器的研究,U

36、GS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

37、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。,104,3.3.1 從無線分組網(wǎng)到無線自組網(wǎng),1. 無

38、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,105,2. 無線自組網(wǎng)的基本概念,Ad hoc網(wǎng)絡(luò) 物理結(jié)

39、構(gòu)與 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),106,Ad hoc網(wǎng)絡(luò)的特點: 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)點通過分層的協(xié)議，協(xié)調(diào)各個節(jié)點的行為?？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)點可以隨時加入或離開網(wǎng)絡(luò)，任何節(jié)點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)點之間通信，必須通過中間的節(jié)點的多跳轉(zhuǎn)發(fā)來完成。,110,動態(tài)拓?fù)?Ad hoc網(wǎng)絡(luò)允許節(jié)點

40、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

41、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 低功耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究。,117,2. 智能塵埃項目的研究 智能塵埃(Smart Dust)項目研究的目標(biāo)是通過MEMS技術(shù)，實現(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)境感知與智慧處理能力,118,成功的示范,2001年，當(dāng)無線傳感

42、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)特點與結(jié)構(gòu),無線傳感器網(wǎng)絡(luò)特點: 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)點類型: 傳感器節(jié)點 匯聚節(jié)點 管理節(jié)點,122,無線傳感器節(jié)點 無線傳感器節(jié)點通常是一個微型的嵌入式系統(tǒng)，它的處理能力、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

43、（鈕扣電池或干電池）供電。 設(shè)計節(jié)點：低成本，微型化，低功耗,123,匯聚節(jié)點的處理能力，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)，實現(xiàn)兩種協(xié)議的轉(zhuǎn)換，同時發(fā)布管理節(jié)點的監(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)點既可以是一個具有增強(qiáng)功能的傳感器節(jié)點，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?，自動生成網(wǎng)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。,12

44、7,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)點沒有必要采用全網(wǎng)編址,128,節(jié)點定位,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。,132,網(wǎng)絡(luò)安全,信息泄密 空間攻擊,133,3.3.5 無線傳

45、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),137,什么是WLAN,全稱是：WirelessLocalAreaNetwork

46、s，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

47、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）：通過與接入點相關(guān)聯(lián)獲取上層網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。 接入點（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線路由器”是接入點和路由器功能的結(jié)合體。 自組織模式 無線用戶：每個無線網(wǎng)絡(luò)用

48、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。 接入點管理者會為每個接入點指定信道。 不相互干擾的信道中間須隔4個或4個以上其他信道 用戶與接入點關(guān)聯(lián)（基站模式）： 接入點廣播的“識別幀”（包含了接入點的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建立關(guān)聯(lián) 識別幀掃描方式： 被動掃描，接入點周期性廣播“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”的接入點以“回應(yīng)幀”響應(yīng)，最后用戶根據(jù)“回應(yīng)幀”選擇接入點。,802.11架構(gòu)：信道、關(guān)聯(lián)及掃

49、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：避免多個用戶同時訪問信道 CSMA（Carrier Sense Multiple Access）

50、：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，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

51、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)點發(fā)送數(shù)據(jù)幀過程,152,無線連接的特點導(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

52、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）的數(shù)值來檢驗包數(shù)據(jù)是否正確，若是檢驗結(jié)果正確時，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

53、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）實現(xiàn)。 發(fā)送端 使用CSMA/CA向接入點發(fā)送RTS 接入點 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

54、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 Area Network） WPAN的傳輸范圍比無線區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（Wireless Local A

55、rea 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（Bluetooth）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

56、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)）,1998年，藍(lán)牙技術(shù)由藍(lán)牙特別興趣小組(Bluetooth Special Inte

57、rest 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

58、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,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)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)

59、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)能夠為用戶提供機(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： 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100m。 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、ISA10

60、0、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 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，同年，ZigBee聯(lián)盟成立。 2004年，ZigBee V1.0協(xié)議正式問世。 200

61、6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

62、超過180米)。ZigBee具有如下特點： 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,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)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

63、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(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.

64、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)點應(yīng)怎么樣使用物理層的信道資

65、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 transceiver）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 liste

66、ning）：是指節(jié)點處于偵聽狀態(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)點和路徑的發(fā)現(xiàn)，決定一個節(jié)點屬于某一個子網(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)點廣播一個路由請求給它的所有鄰居 鄰居節(jié)點在收到消息后，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。 當(dāng)目的節(jié)點收到路由請求消息以后，目的節(jié)點返回一個路由回復(fù)給源節(jié)點。 回復(fù)不再以廣播方式發(fā)送到源節(jié)點，而是沿著路由請求數(shù)據(jù)包從源節(jié)點到目的節(jié)點的路徑，這樣源節(jié)點就可以按照這條路徑發(fā)送消息到目的節(jié)點了。,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