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1、第3章 傳感器、傳感網與無線傳感器網絡技術的發(fā)展,1,,第 3 章 知 識 點 結 構,2,物聯網大爆炸,據市場研究機構IDC 預測，到2020 年時，全球物聯網設備安裝量將達到281 億臺。 軟銀董事長兼CEO孫正義預測未來20年，物聯網設備的數量將會超過人口數，物聯網芯片的發(fā)貨量會超過1萬億。 聯網可以讓物體變得智能，這便是物聯網的本質。,3,感知層,1、RFID 2、傳感器,4,傳感器具有突出的地位,傳感器技術作為現代科技的前沿技術，同計算機技術與通信技術組成現代信息技術的三大基礎，是物聯網在工業(yè)領域應用的關鍵。 從茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各種復雜的工程系統(tǒng)，幾乎每一個現代化項目，

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，對未知領域與空間的拓展，人類需要的信息來源、種類、數量、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。手機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,電容式觸摸屏的構造主要是在玻璃屏幕上鍍一層透明的薄膜導體層,再在導體層外加上一塊保護玻璃,在觸摸屏四邊均鍍上狹長的電極,在導體層內形成一個低壓交流電場.在觸摸屏幕時,由于人體是導體,手指與內部導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弱,準確算出觸摸點的位置。,10,近距離傳感器,在 手機的正面，有一個近距離傳感器，通過紅外線感應，可以檢測到人臉與手機屏幕的距離，如果非常貼近，就會將屏幕

4、關掉，這樣既能省電，又能避免臉部觸碰產生的誤操作。,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度，這樣就可以智能的調節(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的運動情況，它的原理就像在一個盒子里裝個鐵球，由于重力的作用，如果轉動盒子的方向，各個側面收到的鐵球的壓力是不同的，以此來判斷盒子的朝向。基于加速度傳感器，iPhone 可以實現橫屏時，內容自動轉成寬屏顯示。,13,電子羅盤,14,在手機里，電子羅盤起到指南者的作用。目前手機當中的“電子羅盤”的工作原理是基于霍爾效應的磁傳感器。,陀螺儀（Gyroscope）,陀螺儀可以

5、用來測量物體的旋轉角度，可以獲得更好的游戲體驗，和精準導航。,15,陀螺儀,16,現在智能手機上采用的陀螺儀是MEMS（微機電）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據才能實現功能，但其體積小、功耗低、易于數字化和智能化。,內部溫度傳感器,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)測手機本身是否過熱。手機溫度過熱時，會提示關機一段再開機。,17,指紋識別（Touch ID）,Touch ID本質上是個指紋掃描儀，分為光學的和電容的。光學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，

6、電容傳感器通過表皮的電容分布還原指紋。水是具有導電性的，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,光學指紋傳感器,當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，導致返回的光線有明暗之分。反射回來的光線再經過三棱鏡的折射，打在感光元件上，就可以成像。,19,電容式指紋傳感器,半導體指紋傳感器上布滿了非常細小的半導體器件，它們充當起了電容的一極；當手指接觸傳感器時，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）距離半導體器件的距離是不同的，所以會導致每一個半導體器件的電容值都各不相同。通過匯總不同的數值，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。 將非電量轉換為與之有確定關系的電量輸出的裝置。,21,2傳感器的基本概念,傳感器結構與工作原理示意圖,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： 根據傳感器功能分類 根據傳感器工作原理分類 根據傳感器感知的對象分類 根據傳感器的應用領域分類,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，將被測信號量的微小變化轉換成電信號 物理傳感器可以進一步分為：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變式、半導體應變式、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,用金屬應變絲作為敏感元件的壓力傳感器原理示意圖,29,當傳感器中的彈性元件或被測機械零件受作用力產生應變時，粘貼在其上的應變片/絲也隨之發(fā)生相同的機械變形，引起應變片/絲電阻發(fā)生相應的變化。這時，電阻應變片/絲便將力學量轉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，它將壓力信號轉變成為膜片的變形，然后再根據膜片

10、的應變或位移轉換成為相應的電信號。,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，半導體最為顯著。單晶硅材料在受到力的作用后，晶體的晶格產生變形，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和集成電路技術制成的傳感器。它不同于粘貼式應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械位移量轉換成電信號。為了達到這一效果，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)動機的重要傳感器之一。它將吸入的空氣流量轉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)動機的空氣流量的傳感器。 卡曼渦旋式空氣流量計，是在進氣道中安裝渦旋發(fā)生管，流經的空氣速度不同，在管的出口端附近產生頻率不同的渦旋，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)出的光線進行反射，當反射光線經過光電晶體管時產生電脈沖信號。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。 溫度傳感器是最早開發(fā)，應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）或半導體材料構成的PN結在不同溫度下導通性能改變的特點，將體溫以數字的形式顯示出來。,37,塞貝克效應（德國物理學家（1770-1831））,塞貝克（Seeback）效應，又稱作第一熱電效應，它是指由于溫差而產生的熱電現象。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

13、不同，則在回路中將出現電流，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體兩端接合成回路時，當兩接合點 熱電偶溫度不同時，就會在回路內產生熱電流。,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械振動轉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生的，它的頻率在20HZ-20KHZ超聲波傳感器范圍內，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很小，因而其穿透力極強，可傳播至極遠處而能量衰減很小。 1983年夏，位于印度尼西亞的火山爆發(fā)，火山爆發(fā)時產生的強次聲波繞地球轉了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。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家對他們的神秘死亡引起了極大的關注，經過長期研究，終于發(fā)現，原來他們正是死于海上風暴產生的次聲。,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） 超聲波頻率高，波長短，對液體、固體穿透能力強。,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，就會產生回聲，不相同的障礙物就會產生不相同的回聲，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部結構。 平時說的“B超”就是向人體發(fā)射超聲波，同時接收體內臟器的反射波，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特的3D特征。,48,聲吶,是一種應用聲波在水

16、下的傳播特征，經由過程電聲轉換跟信息處置，實現水下探測跟通信義務的電子裝備。 有主動式和被動式，屬于聲學定位的范圍。 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,海豚跟鯨等則領有“水下聲吶” 。海豚聲吶的敏銳度很高，能發(fā)現多少米以外直徑0.2mm的金屬絲，能發(fā)現幾百米外的魚群，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，更確切地說像蝙蝠，發(fā)出聲波后，接受反射回來的聲信號。 為何不把雷達直接搬到水下呢？ 很簡單，雷達依賴的電磁波在水下衰減嚴重，根本不足以用于遠距離的探測。而聲波是由物體振動產生，在水

17、中的傳播距離非常遠，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。 在水中進行觀察和測量，具有得天獨厚條件的只有聲波。,51,壓電效應,當有外力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生電荷。利用這個原理，就可以制成傳感器。聲波傳播當中遇到這個傳感器會引起傳感器微小的振動，這種細微的變形會產生電荷信號。結合其他電路和計算機，就可以制成聽聲器。,52,逆壓電效應,逆壓電效應就是由電場來控制物體的形變。當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生振動發(fā)出聲波

18、。再加上其他的配套設備，就成了主動聲納的聲源。,53,壓電效應的應用,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，是一種將光學圖像轉換成電子信號的設備，是數字攝像頭的重要組成部分。根據元件的不同，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過光纖送入調制器，使待測參數與進入調制區(qū)的光相互作用后，導致光的光學性質（如光的強度、波長、頻率、相位、偏振態(tài)等）發(fā)生變化，成為被調制的信號源，在經過光纖送入光探測器，經解調后，獲得被測參數。 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、質軟、重量輕的機械性能，絕緣、無感應的電氣性能，耐水、耐高溫、耐腐蝕的化學性能等，它能夠在人達不到的地方(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（法拉第效應）,當一束偏振光通過介質時，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一個角度，這就是磁光效應。 也就是可以通過旋轉的角度來測量外加的磁場。在特定的試驗裝置下，偏轉的角度和輸出的光強成正比，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為基礎，以光纖為介質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生的磁場的作用而發(fā)生旋轉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，探測出沿著光纖不同位置的溫度和應變的變化，實現分布、自動、實時、連續(xù)、精確的測量。 分布式光纖傳感系統(tǒng)應用領域包括： 智能電網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 橋梁與高層建筑結構安全性監(jiān)測 公路、地鐵、隧道地質狀況的監(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行實時測量與定位,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、應變、力矩、氣流流速、液面與液體流量等參數的測量 電容式是利用改變電容器的幾何尺寸或介質參數，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用 磁傳感器將磁信號轉化成為電信號輸出 磁電

22、式傳感器目前已經被高性能磁敏感材料的新型磁傳感器所替代,63,磁旋轉傳感器,磁旋轉傳感器主要由半導體磁阻元件、永久磁鐵、固定器、外殼等幾個部分組成。典型結構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，形成密閉結構，這個結構就具有良好的可靠性。 磁旋轉傳感器有許多半導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，而且有很強的轉速檢測范圍，這是由于電子技術發(fā)展的結果。另外，這種傳感器還能夠應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，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)應用中受到廣泛的重視。,64,磁阻傳感器,某些金屬或半導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，這種現象叫做磁阻效應，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、火車、汽車。,65,（7）射線傳感器 射線傳感器是將射線強度轉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 射線傳感器已經在環(huán)境保護、醫(yī)療衛(wèi)生、科學研究與安全保護領域廣泛使用,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鍵，使分子性質改變，因而對生物體構成損傷。 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，電離能力愈強。)。,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，它具有穿透物質的本領，但對不同物質它的穿透本領不同。人體不同組織對X線的吸收與透過率的不同，當X線透過人體各種不同組織結構時，它被吸收的程度不同，所以到達熒

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行掃描，X射線探測器，用熒光物質接收透過該層面的X射線，轉變?yōu)榭梢姽夂?，由光電轉換變?yōu)殡娦盘?，再經模擬/數字轉換器（analog/digital converter）轉為數字，輸入計算機處理。,69,核輻射探測儀,放射性物質以波或微粒形式發(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行測量的傳感器。原理是射線通過物質時產生的電離作用，產生電量變化；或產生熒光，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。 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，比室內其他溫度的指示數值高。 在絕對零度(-273) 以上的物體都輻射紅外能量，是紅外測溫技術的基礎。,72,紅外傳感器,將紅

27、外輻射能轉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 化學傳感器,化學傳感器可以將化學吸附、電化學反應過程中被測信號的微小變化轉換成電信號的一類傳感器 按傳感方式的不同，可分為： 接觸式化學傳感器 非接觸式化學傳感器 按結構形式的不同，可以分為： 分離型化學傳感器 組裝一體化化學傳感器 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，并將成分參量轉換成電信號的器件或裝置。其中用的最多的是半導體氣敏傳感器。大多是以金屬氧

28、化物半導體為基礎材料。當被測氣體在該半導體表面吸附后，引起其電學特性(例如電導率)發(fā)生變化。,75,將空氣中的某種氣體的含量轉化為電信號的器件。,氣體傳感器,76,應用主要有：一氧化碳氣體的檢測、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,添加不同的物質經特變燒制而成。 當酒精測試儀的表面吸附有還原性的氣體(如酒精產生的有機溶劑蒸汽)時,半導體微結晶粒子接觸界面的導電電子比例就會發(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值

29、發(fā)生變化，同時，這一反應是可逆的。,77,濕度傳感器,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,該煙霧傳感器內部采用離子式煙霧傳感，是一種技術先進、工作穩(wěn)足可靠的傳感器，被廣泛運用到各消防報警系統(tǒng)中。其性能遠優(yōu)于氣敏電阻類的火災報警器。,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器組成 生物敏感元件可以是生物體、組織、細胞、酶、核酸或有機物分子（生物成分） 不同的生物元件對于光強度、熱量、聲強度、壓力有不同的感應特性。 生物傳感器--感受物是生

30、命物質,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。 酶傳感器的基本結構單元是由物質識別元件(固定化酶膜)和信號轉換器(基體電極)組成。當酶膜上發(fā)生酶促反應時，產生的電活性物質由基體電極對其響應.基體電極的作用是使化學信號轉變?yōu)殡娦盘?，從而加以檢測，基體電極可采用碳質電極、R 電極及相應的修飾電極。 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，雖然已經發(fā)展成功了許多生物傳感器，但穩(wěn)定性、再現性和可批量生產性明顯不足，所以生物傳感技術尚處于幼年期。 在不久

31、的將來，模擬生物機體功能的嗅覺、味覺、聽覺、觸覺生物傳感器將出現，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,線性度 靈敏度 分辨率 遲滯,重復性（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（網絡化）,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： 自學習、自診斷與自補償能

32、力 復合感知能力 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，微機電系統(tǒng)。 微機電系統(tǒng)（MEMS）是指集微型機構、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 微機電系統(tǒng)對智能傳感器發(fā)展的影響,微機電系統(tǒng)的基本概念 MEMS為傳感器微型化、智能化與網絡化的實現提供了技術支持，也為智能傳感器應用與產業(yè)發(fā)展拓展了新的空間 MEMS是在微電子技術基礎上發(fā)展起來的多學科交叉的新興學科，它以微電子及機械加工技術為依托，

33、研究涉及微電子學、機械學、力學、自動控制科學、材料科學等多個學科,89,MEMS,尺寸在幾毫米乃至更小的高科技裝置，其內部結構一般在微米甚至納米量級，是一個獨立的智能系統(tǒng)。 常見的產品包括MEMS加速度計、MEMS麥克風、微馬達、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、響應時間短。 2.以硅為主要材料。 3.批量生產：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，形成復雜的微系統(tǒng)。 5.多學科交叉：MEMS涉及電子、機械、材料、制造、信息與自動控制、物理、化學和生物等多種學科，并集約了當今科學技術發(fā)展的許多尖端成果。,91,92,MEMS器件加工技術并非機械式。相反，它們采用類似于集成電路批處理式的微制造技術。因為它們采用與ASIC制造相似的制造流程，MEMS結構可以更容易地與微電子集成。,93,用MEMS技術制造的微型傳感器,94,麥克風,傳統(tǒng) ECM駐極體電容麥克風/Apple Watch樓氏 MEMS硅麥克風,95,單晶硅片,數以萬計的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）出現在了每一片晶元上面。,96,硅與芯片,硅元素不僅在現代建筑中發(fā)揮了重要價值，而且也是現代電子計算器件的物質基礎。 工廠生產好的硅晶體再經過切片處理變成晶圓，然后在經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生產廠商,全球前十名 MEMS廠商主要包括博世、意法半導體、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電子的雙重布局，牢牢占據著行業(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用,99,“熱帶樹”傳感器,最早的傳感器網絡可以追溯到上世紀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，當北越車隊經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4萬多輛北越運輸卡車。,100,傳感器網絡化,“熱帶樹”傳感器之間沒有通信能力，所以實際上還稱不上網絡的概念。20世紀80年代以來，美國軍方陸續(xù)與高校開展傳感器

37、網絡方面的研究合作，旨在建立能夠用于軍事用途的自組織的無線傳感器網絡。 2000年，美國加州大學伯克利分校發(fā)布了傳感器節(jié)點專用操作系統(tǒng)TinyOS，后續(xù)又推出專用程序設計語言nesC。2001年，伯克利分校又推出Mica系列傳感器節(jié)點產品。 2001年，ZigBee聯盟成立，并對無線傳感器網絡的通信協(xié)議進行了全面的標準化，后續(xù)多家公司發(fā)布了多款符合ZigBee協(xié)議標準的芯片和產品。,101,無線傳感器網,102,103,3.3.1 從無線分組網到無線自組網,無線分組網的研究 分組無線網是以無線信道通過分組方式傳送數據或話音信息的通信網絡，即網絡中傳送的信息要以“分組”或者稱“信包”為基本單元

38、。,104,3.3.1 從無線分組網到無線自組網,1. 無線自組網的研究 IEEE將無線自組網定義為一種特殊的自組織、對等式、多跳、無線移動網絡（MANET），它是在無線分組網的基礎上發(fā)展起來的 無線自組網有多個英文名稱，如Ad hoc network 、Self-organizing network、Infrastructureless network 與Multi-hop network 1991年5月，IEEE正式采用“Ad hoc網絡”術語 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、事先未準備的”意思,1

39、05,2. 無線自組網的基本概念,Ad hoc網絡 物理結構與 拓撲結構,106,Ad hoc網絡的特點: 自組織與獨立組網 無中心 多跳路由 動態(tài)拓撲 無線傳輸的局限與節(jié)點能量的限制性 網絡生存時間的限制,107,自組織和獨立組網,Ad hoc 不需要任何預先架設的無線通信設施，所有節(jié)點通過分層的協(xié)議，協(xié)調各個節(jié)點的行為?？焖?，自主和獨立地組網。,108,無中心,Ad hoc 是對等網，所有節(jié)點的地位平等，沒有專門用來分組路由，轉發(fā)的路由器。 任何節(jié)點可以隨時加入或離開網絡，任何節(jié)點的故障不會影響整個網絡系統(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

40、的多跳轉發(fā)來完成。,110,動態(tài)拓撲,Ad hoc網絡允許節(jié)點之間的通信關系不斷變化，也就是網絡拓撲結構的動態(tài)改變。,111,無線傳輸的局限和能量的限制,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,網絡生存時間的限制,Ad hoc通過是針對某種特殊目的而臨時構建的，事件結束后應自行結束并消失。,113,Ad hoc網絡的主要應用領域: 軍事領域（ 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網單元，通過某種方式布撒之后，這些地雷迅速構成

41、移動自組網。在遭到敵方坦克突破之后，這種地雷通過對拓樸結構的判定，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），即通過網絡重構恢復連通。 民用領域 地震、水災、火災后； 野外科考； 家庭無線網絡；,114,,3.3.2 從無線自組網到無線傳感器網絡,115,傳感器技術發(fā)展史：兩條主線,1. LWIM 與WINS無線傳感器網絡的研究 LWIM 與WINS無線傳感器節(jié)點 低功耗無線傳感器網絡的研究。,117,2. 智能塵埃項目的研究 智能塵埃(Smart Dust)項目研究的目標是通過MEMS技術，實現傳感、計算與通信能力的集成，用智能傳感器技術去增強微型機器人的環(huán)

42、境感知與智慧處理能力,118,成功的示范,2001年，當無線傳感器網絡被放置在一個無人駕駛飛機的機翼下，并按照預先設置的路徑依次撒下。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。當無人機沿著該路徑返回時，查詢每個塵埃，塵埃就能夠準確將飛行器飛過的時間向基站報告。,119,,無線傳感器網絡技術發(fā)展的過程,120,3.3.3 無線傳感器網絡特點與結構,無線傳感器網絡特點: 網絡規(guī)模 自組織網絡 拓撲結構的動態(tài)變化 以數據為中心,121,,無線傳感器網絡的基本結構 無線傳感器網絡節(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

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，連接傳感器網絡和互聯網，實現兩種協(xié)議的轉換，同時發(fā)布管理節(jié)點的監(jiān)測任務，并將收集的數據轉發(fā)到外部網絡上。 匯聚節(jié)點既可以是一個具有增強功能的傳感器節(jié)點，有足夠的能量提供給更多的內存與計算資源，也可以是沒有監(jiān)測功能僅帶有無線通信接口的特殊網關設備。,124,基于功能的無線傳感器網絡結構模型,125,3.3.4 無線傳感器網絡關鍵技術研究,無線傳感器網絡研究的主要內容,126,拓撲控制與路由協(xié)議,拓撲控制，自動生成網

44、絡拓撲結構。 路由協(xié)議：能量優(yōu)先，基于局部拓撲，以數據為中心。,127,介質訪問控制協(xié)議,網絡協(xié)議不能太復雜 路由協(xié)議要關心單個節(jié)點的能耗，也要考慮整個網絡的能耗 以數據為主，單個節(jié)點沒有必要采用全網編址,128,節(jié)點定位,位置信息對傳感器網絡的監(jiān)控至關重要，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。 現有網絡的時間同步機制不適用它。,130,數據融合和數據處理技術,將傳感器節(jié)點產生的多份數據或信息進行處理，組合出更有效，更符合用戶需求的數據的過程。,131,嵌入式操作系統(tǒng),直接在硬件上編寫應用軟件無法適應多種服務。 傳統(tǒng)的嵌入式OS比較復雜

45、。,132,網絡安全,信息泄密 空間攻擊,133,3.3.5 無線傳感器網絡通信協(xié)議與標準*,,134,無線接入網技術概述 迄今為止，沒有任何一種單一的無線技術能夠滿足所有的場合和應用需要，因而技術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，無線網絡從小到大依次為無線個域網（WPAN）、無線局域網（WLAN）、無線城域網（WMAN）和無線廣域網（WWAN）。無線接入技術能實現真正意義上的個人通信， 目前無線接入有ZigBee、藍牙、RFID、UWB、60GHz、Wi-Fi、WiMAX、3G等。,無線局域網與IEEE802.11標準 無線個域網與IEEE802.15標準,1

46、37,什么是WLAN,全稱是：WirelessLocalAreaNetworks，是一種利用射頻技術進行據傳輸的系統(tǒng)。 該技術的出現絕不是用來取代有線局域網絡，而是用來彌補有線局域網絡之不足，以達到網絡延伸之目的，使得無線局域網絡能利用簡單的存取架構讓用戶透過它，實現無網線、無距離限制的通暢網絡。,138,IEEE802.11,IEEE802.11是IEEE制定的一個無線局域網標準，主要用于解決辦公室局域網和校園網中，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標準。不同802.11協(xié)議的差異主要體現在使用頻段，調制

47、模式和信道差分等物理層技術上。,139,802.11無線局域網的發(fā)展,盡管物理層使用技術差異很大，一系列IEEE802.11協(xié)議的上層架構和鏈路訪問協(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，數據鏈路層數據幀結構相同以及都支持基站和自組織兩種組網模式。,802.11無線局域網的發(fā)展,802.11架構,基本服務組（Basic Service Set，BSS）是802.11架構中最重要的組成部分。 基站模式 無線用戶（筆記本電腦、PDA、臺式機等）：通過與接入點相關聯獲取上層網絡數據。 接入點（基站）：通過有線網絡設備（交換機/路由器）連入上層公共網絡?！盁o

48、線路由器”是接入點和路由器功能的結合體。 自組織模式 無線用戶：每個無線網絡用戶既是數據交互的終端也是數據傳輸過程中的路由。,802.11架構：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 用戶與接入點關聯（基站模式）： 接入點廣播的“識別幀”（包含了接入點的MAC地址和服務集表示符） 用戶根據收到的“識別幀”選擇與其中一個接入點建立關聯 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

49、幀”響應，最后用戶根據“回應幀”選擇接入點。,802.11架構：信道、關聯及掃瞄,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)送數據之前先監(jiān)聽信道，信道占用則不發(fā)送數據。 CA（Collision Avoidence）：沖突避免，要求建立數據鏈路層確認/重傳機制以避免沖突。 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介質訪問控制協(xié)議,CSMA/CD,工作原理是： 發(fā)送數據前 先偵聽信道是否空閑 ,若空閑則立即發(fā)送數據。在發(fā)送數據時，邊發(fā)送邊繼續(xù)偵聽。若偵聽到沖突，

51、則立即停止發(fā)送數據。等待一段隨機時間（通過二進制指數回退算法），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，則等待一段隨機時間后（每個設備采用的隨機時間不同，所以可以減少沖突的機會），才送出數據。 （2）接收端如果正確收到此幀，則經過一段時間間隔后，向發(fā)送端發(fā)送確認幀ACK。 （3）發(fā)送端收到ACK幀，確定數據正確傳輸，否則重傳。,151,,802.11節(jié)點發(fā)送數據幀過程,152,無線連接的特點導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,無線網絡的隱藏終端,CSMA/CA（隱藏終端）,當發(fā)射端希望發(fā)送數據時： 1、首先檢測介質是否空閑，若是介質為空閑時，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、下一筆數據將持續(xù)發(fā)送的時間等信息）； 2、接收端收到RTS信號后，將響應短信號CTS（Clear To Send）（CTS信號上也RTS內記錄的持續(xù)發(fā)送的時間）； 3、當發(fā)射端收到CTS包后，隨即開始發(fā)送數據包。 4、接收端收到數據包后，將以包內的CRC（循環(huán)冗余校驗）的數值來檢驗包數據是否正確，若是檢驗結果正

53、確時，接收端將響應ACK包，告知發(fā)射端數據己經被成功地接收。 5、當發(fā)射端沒有收到接收端的ACK包時，將認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)送端可以請求預留信道而不是隨機訪問，通過RTS（Request to Send）和CTS（Clear to Send）實現。 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)送數據 其它用戶延后其發(fā)送,RTS和CTS機制：預留信道,,沖突檢測（CD）需要全雙工（發(fā)送數據同時也可接受數據），硬件代價過高，無線網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,包含關系上來說，WIFI是WLAN的一個標準， Wi-Fi 是 WLAN（的一種實現）。 Wi-Fi聯盟（全稱：國際Wi-Fi聯盟組織），英語：Wi-Fi Alliance，簡稱WFA），是一個商業(yè)聯盟，擁有 Wi-Fi的商標。它負責Wi-Fi 認證與商標授權的工作，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推行Wi-Fi產品的兼容認證，發(fā)展IEEE802.11標準的無線局域網技術。,157,WPAN,無線個人域網（Wireless personal Are

55、a Network） WPAN的傳輸范圍比無線區(qū)域網絡（Wireless Local Area Networks，WLAN）要小，目前常聽到的WPAN技術有藍牙與ZigBee。 IEEE 802.15.1中速無線個域網 IEEE 802.15.3高速無線個域網 IEEE 802.15.4低速，低功耗無線個域網,158,紅外線通信技術,紅外通信技術是利用紅外線來傳輸數據的技術。 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備必須互相可見）等限制，慢慢地被藍牙和WIFI取代。,159,2. 藍牙技術與協(xié)議IEEE 802.15.1 藍牙（Bluetoo

56、th）一種用于將計算機與通信設備、附加部件和外部設備，通過短距離的、低功耗的、低成本的無線信道連接的無線標準。,160,藍牙(Bluetooth)名字來源于10世紀丹麥國王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，并用Blatand國王的名字命名。,藍牙的起源,藍牙標志由Scandinavian公司設計。標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”，在標志上仔細看兩者都能看到。,藍牙的起源（續(xù)

57、）,1998年，藍牙技術由藍牙特別興趣小組(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，藍牙技術成為IEEE 802.15.1標準。 藍牙技術的物理層采用跳頻擴頻結合的調制技術，頻段范圍是2.402GHz-2.480GHz，通信速率一般能達到1Mbps左右。 藍牙設備有兩種可能的角色，分別為主設備和從設備。 同一個藍牙設備可以在這兩種角色之間轉換。 一個主藍牙設備可以最多同時和7個從設備通信。,藍牙的起源（續(xù)）,藍牙工作原理： 每一對設備之間進行藍牙通信時，必須一個為主角色，另一為從

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

59、是一種具有統(tǒng)一技術標準的短距離無線通信技術，其PHY層和MAC層協(xié)議為IEEE 802.15.4協(xié)議標準，網絡層由ZigBee技術聯盟制定，應用層的開發(fā)應用根據用戶自己的應用需要，對其進行開發(fā)利用，因此該技術能夠為用戶提供機動、靈活的組網方式。 ZigBee頻道是全球免費頻道2.4GHz。 ZigBee協(xié)議802.11.4標準把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,IEEE802.15.4 規(guī)范特點： 經濟 高效 低速率 2.4GHz 用于個域網和對等網狀網絡 支持傳感器、遠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應用層和網絡層協(xié)議的基礎，也為無線 HART、ISA100、WIA-PA 等工業(yè)無線技術提供了物理層（Physical Layer，PHY）和媒體介入控制層（Meclia Accers Control，MAC）層協(xié)議。 同時802.15.4還是傳感器網絡使用的主要通信協(xié)議規(guī)范。,ZigBee，又稱為IEEE 802.15.4標準，其目標是實現類似于蜂群的低功耗、低復雜度、低速率、自組織的短距無線通信網絡，為個人或者家庭范圍內不同設備之音的低速互連提供統(tǒng)一標準。 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標準，同年，ZigBee聯盟成立。 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，具備更強的靈活性和遠程控制能力。 2009年開始，ZigBee采用了IETF的IPv6 6Lowpan標準作為新一代智能電網Smart Energy（SEP 2.0）的標準。,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(室內一般不超過60米 室外一般不超過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設備僅靠兩節(jié)5號電池就可以維持長達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)議是免專利費的。 時延短: 典型的搜索設備時延30ms, 休眠激活的時延是15ms, 活動設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

63、用。 網絡容量大: 一個星型結構的Zigbee網絡最多可以容納254個從設備和一個主設備。 一個區(qū)域內可以同時存在最多100個ZigBee網絡。,可靠： 支持沖突避免的載波多路偵聽技術（carrier sense multiple access with collision avoidance, CSMA-CA）。 MAC層采用了完全確認的數據傳輸模式，每個發(fā)送的數據包都必須等待接收方的確認信息。 安全: 基于循環(huán)冗余校驗(CRC)的數據包完整性檢查。 支持鑒權和認證。 采用了AES-128的加密算法。 各個應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、介質訪問控制層、網絡層、傳輸層，以及應用層。 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絡層、傳輸層和應用層規(guī)范。,ZigBee的協(xié)議棧,IEEE 802.15.4/ZigBee體系結構,頻段：3個頻段，均為國際電信聯盟電信標準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，支持擴展到30個信道； 2.4-2.4835GHz世界范圍內通用，16個信道。 傳輸技術：最早為直接擴頻，后來可采用調頻、調相等多

65、種技術。,ZigBee物理層,介質訪問控制層（MAC）負責定義什么時候節(jié)點應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，將直接進入數據傳輸狀態(tài)； 若系統(tǒng)檢測到存在載波，則在隨機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介質訪問控制層,典型無線傳感網節(jié)點各個模塊能量消耗,MAC層設計：如何降低能量消耗？,無線收發(fā)模塊占據大部分的能量消耗。 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)點處于偵聽狀態(tài)，但是并未偵聽到任何數據，從而浪費掉了能量。 空閑（idle）：空閑狀態(tài)是指節(jié)點物理地關閉一些硬件功能，從而達到較低的能耗。 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以及其他低功耗的網絡首先需要考慮的一個重要問題。,MAC層設計：如何降低能量消耗？,網絡層功能：路由，新節(jié)點和路徑的發(fā)現，決定一個節(jié)點屬于某一個子網絡等。 ZigBee網絡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，如此直到消息到達目的節(jié)點。 當目的節(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給源節(jié)點。 回復不再以廣播方式發(fā)送到源節(jié)點，而是沿著路由請求數據包從源節(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網絡層,距離矢量路由協(xié)議（AODV）,網絡層以及上提供了向終端用戶的接口 與互聯網類似，在網絡層以上： 互聯網模型中需要提供不同類型的傳輸服務（比如TCP