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第3章物联网传感器的介绍传感器简介与常见分类3.1几种常用传感器和智能传感器3.2无线传感器网络（WSN）简介3.33.1传感器简介与常见分类3.1.1传感器概念信息处理技术取得的进展以及微处理器和计算机技术的高速发展，都需要在传感器的开发方面有相应的进展。微处理

器现在已经在测量和控制系统中得到了广泛的应用。随着这些系统能力的增强，作为信息采集系统的前端单元，传感器的作用越来越重要。传感器已成为自动化系统和机器人技术中的关键部件，作为系统中的一个结构组成，其重要性变得越来越明显。理论上讲传感器是一种能把物理量或化学量转变

成便于利用的电信号的器件。国际电工委员会（IEC）的定义为：“传感器是测量系统中的一种前置部件，它将输入变量转换成可供测量的信号”。按照Gopel的说法是：“传感器是包括承载体和电路连接的敏感元件”，而“传感器系统则是组合有某种信息处理（模拟或数字）能

力的传感器”。传感器是传感器系统的一个组成部分，它是被测量信号输入的第一道关口。我国国家标准GB7665-87对传感器下的定义是：“能感受（或响应）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。传感

器通常由直接响应于被测量的敏感元件和产生可用信号输出的转换元件以及响应的电子线路所组成。”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。3.1.2传感器的性能指标在检测控制系统和科学实验中，需要对各种参数进行检测和控制，而要达到比较优良的控制性能，则必须要求传感器能够感测被测量的变化

并且不失真地将其转换为相应的电量，这种要求主要取决于传感器的基本特性。传感器的基本特性主要分为静态特性和动态特性。1．反映传感器静态特性的性能指标静态特性是指检测系统的输入为不随时间变化的恒定信号时，系统的输出与输入之间的关系。主要包

括线性度、灵敏度、迟滞、重复性、漂移等以下九种。（1）线性度（2）测量范围和量程（3）漂移（4）迟滞（5）重复性（6）灵敏度（7）精度（8）分辨率和阈值（9）稳定性2．反映传感器动态特性的性能指标动态特性是指检测系统的输入为随时间变化的信号时，系统的输出与输入之间的关系。主要

动态特性的性能指标有时域单位阶跃响应性能指标和频域频率特性性能指标。传感器的输入信号是随时间变化的动态信号，这时就要求传感器能时刻精确地跟踪输入信号，按照输入信号的变化规律输出信号。当传感器输入信号的变化缓慢时，是容易跟踪的，但随着输入信号的变化

加快，传感器随动跟踪性能会逐渐下降。输入信号变化时，引起输出信号也随时间变化，这个过程称为响应。动态特性就是指传感器对于随时间变化的输入信号的响应特性，通常要求传感器不仅能精确地显示被测量的大小，而且还能复现被测量随时间变化的规律，这也是传感器的重要特性之

一。传感器的动态特性与其输入信号的变化形式密切相关，在研究传感器动态特性时，通常是根据不同输入信号的变化规律来考察传感器响应的。实际传感器输入信号随时间变化的形式可能是多种多样的，最常见、最典型的输入信号是阶跃信号和正弦信号。这两种

信号在物理上较容易实现，而且也便于求解。（1）对于正弦输入信号，又称为频率响应或稳态响应。（2）阶跃输入信号，传感器的响应称为阶跃响应或瞬态响应，它是指传感器在瞬变的非周期信号作用下的响应特性。3.1.

3传感器的常见分类1．按被测参量分类（1）机械量参量：如位移传感器，速度传感器等。（2）热工参量：如温度传感器、压力传感器等。（3）物性参量：如pH传感器、氧含量传感器等。2．按传感器的工作原理分类（1）物理传感器（2）化

学传感器（3）生物传感器3．按照能量转换分类（1）能量转化型传感器（2）能量控制型传感器4．按传感器使用材料分类（1）按照其所用材料的类别分：金属聚合物、陶瓷、混合物等。（2）按材料的物理性质分：导体、绝缘体

、半导体、磁性材料等。（3）按材料的晶体结构分：单晶、多晶、非晶、材料等。此类传感器有半导体传感器、陶瓷传感器、复合材料传感器、金属材料传感器、高分子材料传感器，超导材料传感器、光纤材料传感器、纳米材料传感

器等。5．按传感器输出信号分类（1）模拟传感器（2）数字传感器（3）膺数字传感器（4）开关传感器6．按传感器用途分类按照传感器用途可分为：压力敏和力敏传感器、位置传感器、液面传感器、能耗传感器、速度传感器、热敏传感器、加速度传感器、射线辐射传感器

、振动传感器、真空度传感器等。3.1.4传感器的组成什么叫传感器？从广义上讲，传感器就是能感知外界信息并能按一定规律将这些信息转换成可用信号的装置；简单说传感器是将外界信号转换为电信号的装置。所以它由敏感元器件（感知元件）

和转换器件两部分组成，有的半导体敏感元器件可以直接输出电信号，本身就构成传感器。3.2几种常用传感器和智能传感器3.2.1温度传感器温度是一个基本的物理量，自然界中的一切过程无不与温度密切相关。温度传感器是最早开发，应用最广的一类传感器。温度传感器的市场份额大大超过了其他的传感器。温度传

感器有多种类型，按敏感元件与被测介质接触与否，可分为接触式和非接触式两大类；按照传感器材料及元器件特性，可分为热敏电阻和热电偶两类。当然常用的温度传感器还有电阻温度传感器和IC温度传感器。以下着重介绍热电偶传感器、接触式温度传感器和非接触式温度传感器。1．热电偶传感器2．接触式温度传感器3

．非接触式温度传感器3.2.2湿度传感器随着工农业等部门对产品质量的要求越来越高，也就越来越需要对湿度进行严格监测及控制。湿度传感器是基于其功能材料能发生与湿度有关的物理效应或化学反应的基础上制造的。如今，湿度的检测和

控制技术已经获得广泛应用，对湿度监测、控制的需要促进了对湿度传感器的研究进展。湿度的测量方法有很多种，常用的有绝对湿度、比湿、混合比、相对湿度和露点等。日常生活中所指的湿度常为相对湿度，用%rh（Relativehumidity）表示，即气体中的水蒸气压与其气体的

饱和水蒸气压的百分比，它的值显示水蒸气的饱和度有多高。（1）按照湿度传感器工作原理的不同进行分类①伸缩式②蒸发式③露点式④电子式➢电阻式湿度计➢电容式湿度计⑤光电式⑥其他（2）按所用湿敏材料进行分类①电

解质湿度传感器②高分子材料湿敏传感器③半导体陶瓷湿度传感器④光纤湿度传感器图3-1顿蒙式LiCl电介质传感器图3-2MgCrO4-TiO2湿度传感器元件结构图3-3ESA光纤湿度传感器结构（3）纳米湿度传感器基于

纳米材料的新型湿度传感器具有超高灵敏度，传感器的响应速度也会得到大幅度的提高，并且，可以实现高通量的实时检测分析。更重要的是，纳米湿度传感器是站在原子尺寸上，从而极大地丰富了传感器理论，推动了传感器的制作水平，拓宽了湿度传感器的应用领域。➢纳米纤维（或棒）型湿度传感器➢纳米管型湿

度传感器图3-4ZnO纳米管与水接触所形成的交叠电子双电层示意图3.2.3光电传感器光电传感器是利用光电子应用技术，将光信号转换成电信号从而检测被测目标的一种装置。目前常用的光传感器类型主要有光电管、光电倍增管和半导体光敏元件。由于它具有精度高，反应快，非接触等优点，而且可测参数多，传感

器的结构简单，形式灵活多样，体积小，已经获得了广泛应用。1．光电传感器的工作原理光电传感器是通过把光强度的变化转换成电信号的变化来实现控制的。光电传感器部分构成发送器、接收器和检测电路。发送器对准目标发射光束，发射的光束一般来源于半导体光源，如发光二极管（LED）、激光二极管及红外发射二

极管等。光束不间断地发射，或者改变脉冲宽度。接收器由光电二极管、光电三极管、光电池组成。在接收器的前面，装有光学元件如透镜和光圈等。在其后面是检测电路，它能滤出有效信号并应用该信号，实现控制。此外，光电开关的结构元件中还有发射板和光导纤维。2．光电传感器的分类由光通量

对光电元件的作用原理不同，所制成的光学测控系统是多种多样的，按光电元件（光学测控系统）输出量性质光电传感器可分两类，即模拟式光电传感器和脉冲（开关）式光电传感器。模拟式光电传感器是将被测量转换成连续变化的光电流，它与被测量间呈单值关系。模拟式光电传感器按被测量（检测目标物体）方法可分为透射（吸收）

式、漫反射式、遮光式（光束阻档）3大类。（1）透射（吸收式）式光电传感器（2）漫射式光电传感器（3）遮光式（光束阻档）光电式传感器3．光电传感器的应用特点（1）检测距离长。（2）对检测物体的限制少。（3）响应时间短。（4）分辨率高

。（5）可实现非接触的检测。（6）可实现颜色判别。（7）便于调整。4．光电传感器的应用（1）烟尘浊度监测仪（2）光控大门（3）光电池在光电检测和自动控制方面的应用（4）闹钟功能（5）电影放音图3-5干簧继电器图3-6蜂鸣器图3-7电影的发声系统示意图3.2.4智能传感器1．智能传感器的定

义智能传感器是一门现代综合性技术，是当今世界正在迅速发展的高新技术。智能传感器（IntelligentSensor）是具有信息处理功能的传感器。智能传感器带有微处理机，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。一般智能机器人的感觉系统由多个传感器集合而成，采集的信息

需要计算机进行处理，而使用智能传感器就可将信息分散处理，从而降低成本。与一般传感器相比，智能传感器具有以下3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。2．智能传感器的功能智能传感器的功能是通过比较人的感

官和大脑的协调动作提出的，随着微电子技术及材料科学的发展，传感器在发展与应用过程中越来越多的地微处理器相结合，不仅具有视觉、触觉、听觉、味觉，还有了储存、思维和逻辑判断能力等人工智能。智能传感器主要功能有

以下几点。（1）自补偿和计算功能（2）自校准功能（3）自诊断功能（4）复合敏感功能（5）强大的通信接口功能（6）双向通信功能（7）现场学习功能（8）提供模拟和数字输出（9）数值处理功能（10）掉电保护功能3．智能传感器的特点（1）精度高（2）高可靠性与高稳定性（

3）高信噪比与高分辨率（4）自适应性强（5）高性能价格比4．智能传感器的应用物联网的应用有3个层次，一是传感网络，以二维码、RFID、传感器为主，实现“物”的识别；二是传输网络，即通过现有的Internet、广电网、通信网或下一代Internet，实现数据的传输和计算；三是应

用网络，即输入输出控制终端，包括手机等终端。物联网中应用了大量物理量、化学量和生物量等不同种类的传感器。智能传感器已广泛应用于航天、航空、国防、科技和工农业生产等各个领域中。例如，它在机器人领域中有着广阔应用前景，智能传感器使机器人具有类人的

五官和大脑功能，可感知各种现象，完成各种动作。5．智能传感器的发展方向智能传感器代表着传感器发展的总趋势，它已经受到了全世界范围的瞩目和公认。因此，可以说智能传感器是一种发展前景十分看好的新型传感器。今后，随

着硅微细加工技术的发展，新一代的智能传感器的功能将会更加完善。它将利用人工神经网、人工智能、信息处理技术等，使传感器具有更高级的智能功能，同时它将朝着微处理器、微执行器、微传感器三位一体构成一个微系统的方向发展。（1）向高精度方向发展（

2）向高可靠性、宽温度范围方向发展（3）向微型化方向发展（4）向微功耗及无源化方向发展（5）向智能化数字化方向发展（6）向多传感信息融合化方向发展（7）向网络化方向发展3.3无线传感器网络（WSN）简介Internet改变了人与人的交互方式，传感器网

络将改变未来人与自然的交互方式。传感器网络是计算机科学技术的一个新的研究领域，具有十分广阔的应用前景，引起了学术界和工业界的高度重视。集成三大高新技术的无线传感器网络是一种全新的信息获取和处理技术，在基础理论和工程技术两个层面向科技工作者提出了大量的挑战性研究课题。近年来，无线通信、微电

子技术、传感器技术以及嵌入式计算等技术的不断进步，推动了低成本、低功耗无线传感器网络（WirelessSensorNetwork，WSN）的发展，促使无线传感器网络成为当今活跃的研究领域。3.3.1无

线传感器网络的概念无线传感器网络（WSN）是在一定范围内大量部署的微型传感器节点，由这些节点通过无线通信方式形成一个多跳的自组织网络系统，实时采集、相互联系处理、传递信息，并将结果发送给观察者。该网络是传感器

技术、嵌入式系统、无线通信技术、信息分布处理技术的综合。无线传感器网络将逻辑上的信息世界和客观上的物理世界融合起来。3.3.2无线传感器网络的结构1．无线传感器网络的系统结构2．无线传感器网络节点无线传感器节点由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块4部分组成，

典型的节点结构如图3-9所示。图3-8无线传感器网络体系结构图3-9无线传感器节点构成传感器模块负责监测区域内信息的采集和数据转换（传感器、A/D转换器）；处理器模块（处理器、存储器）负责整个传感器节点的操作、存储和处理本身采

集的数据以及其他节点发来的数据，微处理器负责协调节点各部分的工作，通常选用嵌入式。无线通信模块（无线收发器）负责与其他传感器节点进行无线通信、交换控制消息和收发采集数据；能量供应模块为传感器节点提供运行所需

的能量，通常采用微型电池。3.3.3无线传感器网络的特点1．硬件资源有限2．电源容量有限3．大规模网络4．自组织网络5．多跳路由6．动态拓扑网络7．可靠的网络8．以数据为中心的网络9．应用相关的网络3

.3.4无线传感器网络的关键技术1．网络协议目前，MAC协议和路由协议是网络协议研究的重点。无线传感网络的MAC协议对无线信道的使用方式起决定性作用，传统的无线MAC协议既需要考虑能源有效性，也需要全局协调，因此需根据传感器网络的特点设计简单高效的MAC层协议。几种

典型的MAC协议有：TDMA、IEEE802.15.4、S-MAC以及T-MAC，它们各有自身的特点。用于无线传感网络的路由协议可分为：能量感知路由、基于数据查询的路由、地理位置路由和可靠路由协议。由于路由协议的设计思想和网络逻辑结构密切相关，因此可以从网络逻辑视图这个角度将这些

路由算法分为两类：平面路由协议和集群路由协议。平面路由协议主要包括：SPIN（SensorProtocolforInformationviaNegotiation）、DD（DirectedDiffusion）、SAR（SequentialAssignmentRouting）和SMENCE（

SmallMinimumEnergyCommunicationNetwork）。集群路由协议主要包括：LEACH（LowEnergyAdaptiveClusteringHierarchy）和EARSN（Energy-AwareRoutingforCluster-BasedSensorNe

twork），如图3-10所示。图3-10无线传感器网络路由协议其中，HREEMR（Highly-ResilientEnergy-EfficientMultipathRouting）是对DD路由协议的改进，TE

EN（ThresholdSensitiveEnergy-EfficientSensorNetworkProtocol）和PEGASIS（Power-EfficientGatheringinSensorInformatio

nSystems）是对LEACH路由协议的改进。根据现有协议的具体实现方式，WSN的路由协议大致可以分为以下几个类别：能量感知路由协议、以数据为中心的路由协议（如基于查询的路由协议）、基于地理位置的路由协议、可靠的路由协议和层次路由协议等。

（1）能量感知路由协议（2）以数据为中心的路由协议①定向扩散DD协议②SPIN协议（3）基于地理位置的路由协议（4）可靠的路由协议2．网络拓扑控制目前，拓扑控制方面的主要研究问题是在满足网络覆盖度和连通度的前提下，一般以延长网络的生命期为主要目标，兼顾通信干扰、网络延迟、负载均衡、简单性、

可靠性、可扩展性等其他性能，通过功率控制和骨干网节点选择，剔除节点之间不必要的无线通信链路，生成一个高效的、数据转发的、优化的网络拓扑结构。除了传统的功率控制和层次型拓扑结构，启发式的节点唤醒和休眠机制也开始引起人们的关注。这种机制重

点在于解决节点在休眠状态和活动状态之间的转换问题，不能独立作为一种拓扑结构控制机制，需要与其web拓扑控制算法结合使用。3．节点定位节点定位是指确定传感器节点的相对位置或绝对位置。根据定位过程中是否实际测量节点间的距离或角度。节点定位可分为基于距离的定位和与距离无关的

定位。基于距离的定位根据点到点的绝对距离或角度来估计位置，需要复杂的硬件来实现，对于传感器节点而言成本太高，消耗电能也太多。为了克服基于距离定位机制存在的问题，近年来相关学者提出了距离无关定位机制，该技术比较适合于传感器网络。常见的距离无关定位算法有：质心算法、DVHop算法、A

morphous算法以及APIT算法。这四种算法是完全分布式的，仅需要相对少量的通信和简单的计算，具有良好的扩展性。4．数据融合以数据为中心和面向特定应用的特点，要求无线传感网络能够脱离传统网络的寻址过程，快速有效地组织起各个节点的信息，并融合提取出有用信息直接传送给用户

。由于网络存在能量约束，减少数据传输量可以有效节省能量，故可以在传感节点收集数据的过程中，利用节点的计算和存储能力处理数据的冗余信息，以达到节省能量及提高信息准确度的目的。目前用于数据融合的方法很多，常用的有贝叶斯方法、神经网络法和D-S证据理论

等。数据融合技术可以结合网络中多个协议层次进行，只有面向应用需求设计针对性强的数据融合方法，才能最大限度地获益。5．无线通信技术无线传感网络是以无线的方式进行通信的，需要低功耗、短距离的无线通信技术来实现。由于IEEE802.15.4标准的网络特征与无线传感网络存在很多相似之处，目

前很多机构将IEEE802.15.4作为无线传感网络的无线通信平台。超宽带技术（UWB）是一种极具潜力的无线通信技术。超宽带技术具有对信道衰落不敏感、发射信号功率谱密度低、低截获能力、系统复杂度低以及能提供数厘米的定位精度等优点，非常适合应

用在无线传感器网络中。迄今为止，关于UWB有两种技术方案，一种是以Freescale公司为代表的DS-CDMA单频带方式；另一种是由英特尔、德州仪器等公司共同提出的多频带OFDM方案。针对无线传感器网络的技术特点，由IEEE802.15.

4和ZigBee联盟共同制定完成的ZigBee技术，拥有一套非常完整的协议层次结构，具有低功耗、低成本、延时短、网络容量大和安全可靠等特点。6．网络安全为了保证任务的机密布置和任务执行结果的安全传递和融合，无线传感器网络

需要实现一些最基本的安全机制：机密性、点到点的消息认证、完整性鉴别、新鲜性、认证广播以及安全管理。除此之外，为了确保数据融合后数据源信息的保留，水印技术也成为无线传感器网络安全的研究内容。3.3.5无线传

感器网络的应用及实例由于无线传感器网络可以在任何时间、任何地点和任何环境条件下获取大量详实而可靠的信息，因此，无线传感器网络作为一种新型的信息获取系统，具有极其广阔的应用前景，可被广泛应用于国防军事、环境监测、设施农业、医疗卫生、智能家居、交通管理、制造业、反恐抗

灾等领域。1．军事应用2．医疗卫生应用3．环境及农业方面应用4．其他用途5．无线传感器网络的应用实例图3-11GMesh的无线传感器网络的拓扑结构GMesh的硬件组成以及其作用如下。（1）网关节点（Gateway）如图3-12所示，包括：①管理和配置网络；②收集网络数据；③利

用RS232/485接口连接中央控制台；图3-12网关节点（Gateway）（2）路由器节点（MeshNode）如图3-13所示，包括：①实现网络扩展；②建立路由；③可选择集成扩展接口；图3-13路由器节点（MeshNode）（3）终端节点（EndNode）如图3-14所示，包括：①可选择

集成高精度传感器；②带有扩展接口（RS232/485/GPIO）；③可自由接入网络。图3-14终端节点（EndNode）图3-15GMesh解决方案在各个领域的应用