物联网技术-无线传感网-第一课-徐宪清.pptx

1、集成电路与物联网工程物联网技术The Internet of Things Technology徐宪清徐宪清集成电路与物联网工程第一部分 无线传感网概论传感器网络的应用情况一什么是传感器网络二传感器网络的发展历史三传感器网络的关键技术四集成电路与物联网工程第一部分 无线传感网概论传感器网络的应用情况一什么是传感器网络二传感器网络的发展历史三传感器网络的关键技术四集成电路与物联网工程（一）民事应用集成电路与物联网工程大鸭岛海燕监测无人干扰监测鸟 巢海 燕大 鸭 岛集成电路与物联网工程桥 梁 监 测健 康 监 测海 洋 监 测环 境 监 测集成电路与物联网工程电力高压线电力高压线高尔夫球场高尔夫球

2、场葡葡 萄萄 园园道道 路路 交交 通通集成电路与物联网工程智能停车场智能停车场物流系统物流系统列车铁轨列车铁轨高速公路系统高速公路系统集成电路与物联网工程北京大兴区菊花基地克尔斯博公司集成电路与物联网工程（二）军事应用集成电路与物联网工程联合国维和部队伊 拉 克微型感应传感器网络核武器和生化武器集成电路与物联网工程美军未来战斗系统的战场警戒示意图传感器节点通行车辆集成电路与物联网工程枪声定位反恐系统集成电路与物联网工程F-22F-22猛禽战斗机猛禽战斗机美国F-22猛禽战斗机机外传感器网络集成电路与物联网工程 美军“沙地直线”项目无线链路目标探测、分类和跟踪传感器节点传感器节点集成电路与物联

3、网工程密封形封装罩密封形封装罩节点封装示例（一）特点：表面光滑可以滚动自动调整姿态位置万向节固定架设计集成电路与物联网工程节点封装示例（二）锥形罩锥形罩特点：底基重量大自正位“悬垂钟摆”式电路板飞机抛撒集成电路与物联网工程第一部分 无线传感网概论传感器网络的应用情况一什么是传感器网络二传感器网络的发展历史三传感器网络的关键技术四集成电路与物联网工程无 线 网 络有基础设施网无基础设施网移动Ad hoc网络无线传感器网络集成电路与物联网工程无线传感器网络(WSN)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，目的是协作地采集、处理和传输网络覆盖地域内感知对象的监测信息，并报告给用

4、户。“无线传感器网络”术语的标准定义集成电路与物联网工程传感器技术计算机技术通 信 技 术感 官大 脑神 经现代信息技术信息系统无线传感器网络集成电路与物联网工程集成电路与物联网工程物 理 层数据链路层网 络 层传 输 层应 用 层能 量 分 配移 动 管 理应 用 优 化集成电路与物联网工程传感器节点实物示例集成电路与物联网工程传感器网络的常用逻辑结构图无线传感器模块1无线传感器模块2无线传感器模块N无线链路无线接口模块/网关监控主机集成电路与物联网工程第一部分 无线传感网概论传感器网络的应用情况一什么是传感器网络二传感器网络的发展历史三传感器网络的关键技术四集成电路与物联网工程第一阶段第一

5、阶段最早可以追溯二十世纪70年代越战时期使用的传统的传感器系统。胡志明小道胡志明小道集成电路与物联网工程热带树热带树轰炸机集成电路与物联网工程 传感器仅产生探测数据流传感器仅产生探测数据流 传感器无计算能力传感器无计算能力 传感器之间不能相互通信传感器之间不能相互通信SensorsSensorsObjectObject信号分析信号分析传统感知方法的特征有线/无线连接集成电路与物联网工程第二阶段第二阶段uu感知能力计算能力通信能力1999年商业周刊将传感器网络列为二十一世纪最具影响的21项技术之一。二十世纪80年代至90年代之间集成电路与物联网工程第三阶段第三阶段21世纪开始至今2001911事

6、件2002橡树岭实验室提出“网络就是传感器”。20032006美国技术评论杂志评出深远影响人类未来生活的十大新兴技术，传感器网络列为第一。我国发布国家中长期科学与技术发展规划纲要。集成电路与物联网工程计算设备的演化历史集成电路与物联网工程第一部分 无线传感网概论传感器网络的应用情况一什么是传感器网络二传感器网络的发展历史三传感器网络的关键技术四集成电路与物联网工程通信能力有限通信能力有限uu节点通信覆盖范围只有几十到几百米节点通信覆盖范围只有几十到几百米关键之一如何在有限的通信能力条件下,完成探测数据的传输？无线通信技术是第一项关键技术！集成电路与物联网工程电源能量有限电源能量有限uu通常电池

7、供电，工作环境恶劣，一次部署通常电池供电，工作环境恶劣，一次部署终生使用，更换电池困难终生使用，更换电池困难关键之二如何节省电源、最大化网络的使用寿命？低功耗设计问题是第二项关键技术！集成电路与物联网工程计算能力有限计算能力有限uu节点体积小，处理器和存储器性能有限，不节点体积小，处理器和存储器性能有限，不允许进行复杂算法的运算允许进行复杂算法的运算关键之三嵌入式操作系统设计是第三项关键技术！集成电路与物联网工程自组织的动态网络自组织的动态网络uu传感器网络没有基站uu节点失效、新节点加入，导致网络拓扑结构的动态性，需要自动愈合关键之四多跳自组织的网络路由是第四项关键技术！集成电路与物联网工程

8、传感器网络是以数据为中心的网络传感器网络是以数据为中心的网络n n用户感兴趣的是数据而不是网络和传感器用户感兴趣的是数据而不是网络和传感器用户感兴趣的是数据而不是网络和传感器用户感兴趣的是数据而不是网络和传感器硬件硬件硬件硬件关键之五如何建立以数据为中心的传感器网络？传感器网络的第五项关键技术是数据融合方法！集成电路与物联网工程网络攻击无处不在网络攻击无处不在uu传感器节点的物理操纵传感器节点的物理操纵uu传感信息的窃听传感信息的窃听uu拒绝服务攻击拒绝服务攻击uu私有信息的泄露私有信息的泄露uu关键之六安全性是传感网络设计的重要问题。如何保护机密数据和防御网络攻击是第六项关键技术！集成电路与

9、物联网工程第二部分 微型传感器基本知识传感器概述一常见传感器类型介绍二传感器的一般特性和正确选型三微型传感器应用示例四集成电路与物联网工程第二部分 微型传感器基本知识传感器概述一常见传感器类型介绍二传感器的一般特性和正确选型三微型传感器应用示例四集成电路与物联网工程一一.传感器概述传感器概述1 1、传感器的定义和作用、传感器的定义和作用 传感器网络的终端探头通常代表了用户的功能需求，传感器网络的终端探头通常代表了用户的功能需求，终端传感器技术是支撑和最大化网络应用性能的基石，终端传感器技术是支撑和最大化网络应用性能的基石，为网络提供了丰富多彩的业务功能。为网络提供了丰富多彩的业务功能。什么是传

10、感器？什么是传感器？一般来说能够把特定的被测量信息一般来说能够把特定的被测量信息（物理量、化学量、生物量等）按一定规律转换成某种可（物理量、化学量、生物量等）按一定规律转换成某种可用信号（电信号、光信号等）的器件或装置，我们把它称用信号（电信号、光信号等）的器件或装置，我们把它称为传感器。为传感器。集成电路与物联网工程 传感器传感器是生物体感官的工程模拟物；反过来，生物体的感官又可是生物体感官的工程模拟物；反过来，生物体的感官又可以看作是天然的传感器。随着数字化和信息技术与机械装置的融合，以看作是天然的传感器。随着数字化和信息技术与机械装置的融合，传感器和执行器已经开始实现数据共享、控制功能和

11、控制参数协调一传感器和执行器已经开始实现数据共享、控制功能和控制参数协调一体化，并通过现场总线与外部连接。随着基础自动化控制功能的重新体化，并通过现场总线与外部连接。随着基础自动化控制功能的重新分配，许多计算机控制功能下放到传感器和执行器中完成，如参数检分配，许多计算机控制功能下放到传感器和执行器中完成，如参数检测、控制、诊断和维护管理等。测、控制、诊断和维护管理等。传感器传感器的作用类似于人的感觉器官，是实现测试与控制的首要的作用类似于人的感觉器官，是实现测试与控制的首要环节。环节。集成电路与物联网工程2 2、传感器的组成、传感器的组成 传感器一般由敏感元件、转换元件传感器一般由敏感元件、转

12、换元件和基本转换电路组成。和基本转换电路组成。敏感元件敏感元件是传感器中能感受或响应是传感器中能感受或响应被测量的部分。被测量的部分。转换元件转换元件是将敏感元件是将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的信号（一般指电信号）部分。测量的信号（一般指电信号）部分。基基本转换电路本转换电路可以对获得的微弱电信号进可以对获得的微弱电信号进行放大、运算调制等。另外，基本转换行放大、运算调制等。另外，基本转换电路工作时必须有辅助电源。电路工作时必须有辅助电源。随着半导体器件与集成技术在传感随着半导体器件与集成技术在传感器中的应用，传感器的基本转换电路可器中的应

13、用，传感器的基本转换电路可安装在传感器壳体里或与敏感元件一起安装在传感器壳体里或与敏感元件一起集成在同一芯片上，构成集成传感器。集成在同一芯片上，构成集成传感器。集成电路与物联网工程 传感器接口技术传感器接口技术是非常实用和重要的技术。各种物理是非常实用和重要的技术。各种物理量用传感器将其变成电信号，经由诸如放大、滤波、干扰量用传感器将其变成电信号，经由诸如放大、滤波、干扰抑制、多路转换等信号检测和预处理电路，将模拟量的电抑制、多路转换等信号检测和预处理电路，将模拟量的电压或电流送压或电流送A/DA/D转换，变成数字量，供计算机或者微处理转换，变成数字量，供计算机或者微处理器处理。器处理。集成

14、电路与物联网工程3 3、传感器的分类、传感器的分类 传感器的分类方法很多。传感器的分类方法很多。按被测量与输出电量的转换原理划分，可分按被测量与输出电量的转换原理划分，可分为为能量转换型能量转换型和和能量控制型能量控制型两大类两大类。能量转换型能量转换型传感器直接将被测对象（如机械传感器直接将被测对象（如机械量）的输入转换成电能。属于这种类型的传感器量）的输入转换成电能。属于这种类型的传感器包括压电式传感器、磁电式传感器、热电偶传感包括压电式传感器、磁电式传感器、热电偶传感器等。器等。集成电路与物联网工程 能量控制型能量控制型传感器直接将被测量转换成电参量传感器直接将被测量转换成电参量（如电阻

15、等），依靠外部辅助电源才能工作，并且（如电阻等），依靠外部辅助电源才能工作，并且由被测量控制外部供给能量的变化。属于这种类型由被测量控制外部供给能量的变化。属于这种类型的传感器包括电阻式、电感式、电容式等。的传感器包括电阻式、电感式、电容式等。集成电路与物联网工程 传感器按测量原理分类，主要有传感器按测量原理分类，主要有物理和化学原理物理和化学原理，包括，包括电参量式、磁电式、磁致伸缩式、压电式和半导体式等。电参量式、磁电式、磁致伸缩式、压电式和半导体式等。执行器按控制系统要求，应具备高精确度控制和快速响应执行器按控制系统要求，应具备高精确度控制和快速响应的能力，主要有电动执行器、气动执行器、

16、液压执行器、的能力，主要有电动执行器、气动执行器、液压执行器、压电陶瓷执行器和纳米执行器等。压电陶瓷执行器和纳米执行器等。按被测量的性质不同划分为按被测量的性质不同划分为位移传感器位移传感器、力传感器力传感器、温温度传感器度传感器等。等。集成电路与物联网工程 按输出信号的性质可分为按输出信号的性质可分为开关型开关型（二值型）、（二值型）、数字型数字型、模拟型模拟型。数字式传感器能把被测的模拟。数字式传感器能把被测的模拟量直接转换成数字量，它的特点是抗干扰能力强、量直接转换成数字量，它的特点是抗干扰能力强、稳定性强、易于微机接口、便于信号处理和实现稳定性强、易于微机接口、便于信号处理和实现自动化测量。自动化测量。集成电路与物联网工程第二部分 微型传感器基本知识传感器概述一常见传感器类型介绍二传感器的一般特性和正确选型三微型传感器应用示例四集成电路与物联网工程二二.常见常见传感器的类型介绍传感器的类型介绍1 1、能量控制型传感器、能量控制型传感器 能量控制型传感器将被测非电量转换成电参能量控制型传感器将被测非电量转换成电参量，在工作过程中不能起换能作用，需从外部供量，在工作过程中不能起换能