物联网传感器

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物联网传感器相关技术的介绍

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摘要

物联网传感器早已渗透到诸如工业生产、智能家居、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等等极其之泛的领域。可以毫不夸张地说，从茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各种复杂的工程系统，几乎每一个现代化项目，都离不开各种各样的传感器。由此可见，物联网传感器技术在发展经济、推动社会进步方面的重要作用，是十分明显的。世界各国都十分重视这一领域的发展。相信不久的将来，传感器技术将会出现一个飞跃，达到与其重要地位相称的新水平。

关键词

物联网，传感器，物理传感器，接口标准，通讯协议

绪论

人们为了从外界获取信息，必须借助于感觉器官。而单靠人们自身的感觉器官，在研究自然现象和规律以及生产活动中它们的功能就远远不够了。为适应这种情况，就需要物联网传感器。因此可以说，物联网传感器是人类五官的延长，又称之为电五官。至上个世纪90年代物联网概念出现以来，越来越的人们对其产生兴趣。物联网是在计算机互联网的基础上，利用射频识别、无线数据通信、计算机等技术，构造一个覆盖世界上万事万物的实物互联网。作为政府从战略层面进行推进的产业，传感器在物联网中的应用如何从愿景走向现实并得到快速发展已成为业界关注的话题。

第一章物联网传感器相关概念及发展

1.1物联网传感器相关概念

物联网：物联网是一个基于互联网、传统电信网等信息的载体，让所有能够独立寻址的普通物理对象实现互联互通的网络。它具有普通对象设备化、自治终端互联化和普适服务智能化三个重要特征。

传感器技术：是关于从自然信源获取信息，并对之进行处理（变换）和识别的一门多学科交叉的现代科学与工程技术，它涉及传感器、信息处理和识别的规划设计、开发、制/建造、测试、应用及评价改进等活动。

传感器：是一种能把特定的被测信号，按一定规律转换成某种可用信号输出的器件或装置，能满足信息的传输、处理、记录、显示和控制等要求。

1.2物联网传感器发展历史

1999年，“物联网”概念的提出，美国召开的移动计算机网络国际会议也提出了“传感网”；2003年：传感网被评为未来十大技术之首。国际物品编码协会成立了EPCglobal；

2004年：EPCglobal完成了第一个全球标准；

2005年：国家科技部启动多个RFID项目。："电子标签国家标准工作组"成立；

2009年：IBM首席执行官彭明盛提出“智慧地球”构想，其中物联网为“智慧地球”不可或缺的一部分，而奥巴马在就职演讲后已对“智慧地球”构想提出积极回应，并提升到国家级发展战略；

2010年：上海宣布开始实施物联网体系建设，无锡物联网产业研究院正式成立；

2011年:《物联网专项基金管理办法》以及《物联网“十二五”发展规划》的出台。

第二章、传感器

2.1传感器的分类

按被测量分类

物

理

传

感

器

力学量

压力传感器、力传感器、力矩传感器、速度传感器、加速度传感器、

流量传感器、位移传感器、位置传感器、尺度传感器、密度传感器、

粘度传感器、硬度传感器、浊度传感器

热学量温度传感器、热流传感器、热导率传感器

光学量可见光传感器、红外光传感器、紫外光传感器、照度传感器、色度传

感器、图像传感器、亮度传感器

磁学量磁场强度传感器、磁通传感器

电学量电流传感器、电压传感器、电场强度传感器

声学量声压传感器、噪声传感器、超声波传感器、声表面波传感器

射线x射线传感器、β射线传感器、γ射线传感器、辐射剂量传感器

化学量

传感器

离子传感器、气体传感器、湿度传感器

生理量

传感器

生物量体压传感器、脉搏传感器、心音传感器、体温传感器、血流传感器、

呼吸传感器、血容量传感器、体电图传感器

生化量酶式传感器、免疫血型传感器、微生物型传感器、血气传感器、血液

电解质

2.2物理传感器

物理传感器是检测物理量的传感器。它是利用某些物理效应，把被测量的物理量转化成为便于处理的能量形式的信号的装置，其输出的信号和输入的信号有确定的关系。

比如血压测量是医学测量中的最为常规的一种。我们通常的血压测量都是间接测量，通过体表检测出来的血流和压力之间的关系，从而测出脉管里的血压值。测量血压所需要的传感器通常都包括一个弹性膜片，它将压力信号转变成为膜片的变形，然后再根据膜片的应变或位移转换成为相应的电信号。在电信号的峰值处我们可以检测出来收缩压，在通过反相器和峰值检测器后，我们可以得到舒张压，通过积分器就可以得到平均压。

让我们再看看呼吸测量技术。呼吸测量是临床诊断肺功能的重要依据，在外科手术和病人监护中都是必不可少的。比如在使用用于测量呼吸频率的热敏电阻式传感器时，把传感器的电阻安装在一个夹子前端的外侧，把夹子夹在鼻翼上，当呼吸气流从热敏电阻表面流过时，就可以通过热敏电阻来测量呼吸的频率以及热气的状态。

再比如最常见的体表温度测量过程，虽然看起来很容易，但是却有着复杂的测量机理。体表温度是由局部的血流量、下层组织的导热情况和表皮的散热情况等多种因素决定的，因此测量皮肤温度要考虑到多方面的影响。热电偶式传感器被较多的应用到温度的测量中，通常有杆状热电偶传感器和薄膜热电偶传感器。由于热电偶的尺寸非常小，精度比较高的可做到微米的级别，所以能够比较精确地测量出某一点处的温度，加上后期的分析统计，能够得出比较全面的分析结果。这是传统的水银温度计所不能比拟的，也展示了应用新的技术给科学发展带来的广阔前景。

2.3智能传感器

智能传感器：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。

智能传感器可实现以下的功能：

①信息存储和传输——随着全智能集散控制系统(SmartDistributedSystem)的飞速发展，对智能单元要求具备通信功能，用通信网络以数字形式进行双向通信，这也是智能传感器关键标志之一。智能传感器通过测试数据传输或接收指令来实现各项功能。如增益的设置、补偿参数的设置、内检参数设置、测试数据输出等。

②自补偿和计算功能——多年来从事传感器研制的工程技术人员一直为传感器的温度漂移和输出非线性作大量的补偿工作，但都没有从根本上解决问题。而智能传感器的自补偿

和计算功能为传感器的温度漂移和非线性补偿开辟了新的道路。这样，放宽传感器加工精密度要求，只要能保证传感器的重复性好，利用微处理器对测试的信号通过软件计算，采用多次拟合和差值计算方法对漂移和非线性进行补偿，从而能获得较精确的测量结果压力传感器。

③自检、自校、自诊断功能——普通传感器需要定期检验和标定，以保证它在正常使用时足够的准确度，这些工作一般要求将传感器从使用现场拆卸送到实验室或检验部门进行。对于在线测量传感器出现异常则不能及时诊断。采用智能传感器情况则大有改观，首先自诊断功能在电源接通时进行自检，诊断测试以确定组件有无故障。其次根据使用时间可以在线进行校正，微处理器利用存在EPROM内的计量特性数据进行对比校对。

④复合敏感功能——我们观察周围的自然现象，常见的信号有声、光、电、热、力、化学等。敏感元件测量一般通过两种方式：直接和间接的测量。而智能传感器具有复合功能，能够同时测量多种物理量和化学量，给出能够较全面反映物质运动规律的信息。如美国加利弗尼亚大学研制的复合液体传感器，可同时测量介质的温度、流速、压力和密度。美国EG&GICSensors公司研制的复合力学传感器，可同时测量物体某一点的三维振动加速度（加速度传感器）、速度（速度传感器）、位移（位移传感器），等等。

⑤智能传感器的集成化----由于大规模集成电路的发展使得传感器与相应的电路都集成到同一芯片上，而这种具有某些智能功能的传感器叫作集成智能传感器集成智能传感器的功能有三个方面的优点：较高信噪比：传感器的弱信号先经集成电路信号放大后再远距离传送，就可大大改进信噪比。改善性能：由于传感器与电路集成于同一芯片上，对于传感器的零漂、温漂和零位可以通过自校单元定期自动校准，又可以采用适当的反馈方式改善传感器的频响。信号规一化：传感器的模拟信号通过程控放大器进行规一化，又通过模数转换成数字信号，微处理器按数字传输的几种形式进行数字规一化，如串行、并行、频率、相位和脉冲等。

第三章、传感器接口技术

3.1传感器输出信号的特点

①输出信号比较微弱有的传感器输出电压仅有0.1uV。这就要求接口电路必须有一定的放大能力。

②输出阻抗比较高这样会使传感器信号输入到测量电路时产生较大的信号衰减。

③输出信号动态范围很宽。输出信号随着输人物理量的变化而变化，但它们之间的关系不一定是线性比例关系。

3.2传感器与微机接口的一般结构

3.3输入通道的特点

①输入通道的结构类型取决于传感器送来的信号大小和类型。

②输入通道的主要技术指标是信号转换精度和实时性，后者为实时检测和控制系统的特殊要求。

③输入通道是一个模拟、数字信号混合的电路，其功耗小，一般没有功率驱动要求。

④被测信号所在的现场可能存在各种电磁干扰。

3.4输出通道的特点

①通道的结构取决于系统要求，其中的信号有数字量和模拟量两大类，要用到的转换器件是D／A转换器。

②微机输出信号的电平和功率都很小，而被控装置所要求的信号电平和功率往铰比较大，因此在输出通道中要有功率放大，即输出驱动环节。

③输出通道连接被控装置的执行机构，各种电磁干扰会经通道进人被控装置，因此必须在输出通道中采取抗干扰措施。

第四章、物联网与无线通信

4.1物联网与无线通信

物联网的发展离不开无线通信技术，因此频谱资源作为无线通信的关键资源，同样是物联网发展的重要基础资源。目前在物联网感知层和网络层采用的无线技术包括RFID、近距离无线通信、无线局域网（IEEE 802.11）、蓝牙、蜂窝移动通信、宽带无线接入技术等。

物联网网络通信服务业：我国物联网M2M网络服务保持高速增长势头，目前M2M终端数已超过1000万，年均增长超过80%，应用领域覆盖公共安全、城市管理、能源环保、交通运输、公共事业、农业服务、医疗卫生、教育文化、旅游等多个领域，未来几年仍将保持快速发展，预计“十二五”期间将突破亿级。

作为信息通信技术的突破方向，物联网蕴含巨大的增长潜能，是重要的战略性新兴产业。尤其在基于zigbee的无线通信接口技术，ZigBee作为一种新兴的无线网络技术,弥补了低成本、低功耗和低速率无线通信市场的空缺,其成功的关键在于丰富而便捷的应用。随着正式版本协议的公布,更多注意力和研发力量将会转移到应用的设计和实现、互联互通测试和市场推广等方面。人们有理由相信:不久将会出现更多的内置式ZigBee装置进入人们的生活,真正实现无所不在的网络,以改善人们的生活方式和体验，研究意义什么重大。

4.1 ZigBee简介

ZigBee是一种基于IEEE802.15.0标准的短距离、低速率无线网络技术ZigBee协议比蓝牙、GSM、Wi-Fi更加简单实用，该无线连接技术主要解决低成本、低功耗、低复杂度、低传输速率、近距离的设备联网应用，主要用于无线传感器网络和测量控制方面。国际上，IEEE802.15.4工作组及ZigBee联盟共同致力于该无线连接技术的推广工作，其中，IEEE802.15.4工作组主要负责制定ZigBee物理层及MAC层协议．其余协议主要参照和采用现有标准，以便于今后不同厂商设备的互联互通；ZigBee联盟则负责高层应用及市场推广工作。ZigBee标准是基于802.15.4协议栈而建立的，它具备了强大的设备联网功能，并支持三种主要的自组织无线网络类型，即星型结构、网状结构(Mesh)和簇状结构(Cluster tree)，其中网状结构具有很强的网络健壮性和系统可靠性。

4.3ZigBee技术的特点

①网络容量大：ZigBee支持星状、片状和网状网络结构。②安全性高：ZigBee提供了数据完整性检查和鉴定功能。③可靠性高：采用了碰撞避免机制。④功耗低：ZigBee设备只有激活和睡眠两种状态，工作周期很短。⑤时延短：通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短。⑥成本低：ZigBee协议是免专利费的。⑦有效范围小：ZigBee的通信有效覆盖范围在10~75m之间。

4.4ZigBee技术的应用前景

ZigBee的出发点是要发展一种容易建设的低成本无线网络。依据Zigbee联盟和参与联盟的主要厂商的基本设想，产品应提供一站式的解决方案，使不熟悉RF技术的人员也能迅速上手。因此其产品不仅提供RF的无线信道解决方案，同时其内置的协议栈可完成Zigbee的通信、组网等无线沟通方面的工作，用户只需要根据协议提供的标准接口进行应用软件编程即可。

Zigbee主要应用于距离短、数据传输速率不高的各种电子设备之间。通常，符合下列条件的应用都可以考虑采用Zigbee技术：设备距离短；设备成本低、数据传输量小；设备体积小，没有充足的电力支持；需要覆盖的范围较大，网络内需要容纳的设备较多；网络主要用于监测或控制。例如，PC外设（鼠标、键盘、游戏操控杆等）、消费类电子设备（VCR、DVD等设备的遥控装置）、家庭智能控制（照明、煤气计量和报警等）、玩具、医疗护理和工业控制等领域。

4.5实际应用

家庭自动化系指利用微处理电子技术，来集成或控制家中的电子电器产品或系统，例如：照明灯、咖啡炉、电脑设备、保安系统、暖气及冷气系统、视讯及音响系统等。家庭自动化系统主要是以一个中央微处理机接收来自相关电子电器产品（外界环境因素的变化，如太阳初升或西落等所造成的光线变化等）的讯息后，再以既定的程序发送适当的信息给其它电子电器产品。中央微处理机必须透过许多界面来控制家中的电器产品，这些界面可以是键盘，也可以是触摸式荧幕、按钮、电脑、电话机、遥控器等；消费者可发送信号至中央微处理机，或接收来自中央微处理机的讯号。

实现对全宅灯光的智能管理，可以用遥控等多种智能控制方式实现对全宅灯光的遥控开关，调光，全开全关及“会客、影院”等多种一键式灯光场景效果的实现；并可用定时控制、电话远程控制、电脑本地及互联网远程控制等多种控制方式实现功能，从而达到智能照明的节能、环保、舒适、方便的功能。

电器控制采用弱电控制强电方式，既安全又智能，可以用遥控、定时等多种智能控制方式实现对在家里饮水机、插座、空调、地暖、投影机、新风系统等进行智能控制，避免饮水机在夜晚反复加热影响水质，在外出时断开插排通电，避免电器发热引发安全隐患；以及对空调地暖进行定时或者远程控制，让您到家后马上享受舒适的温度和新鲜的空气。

家庭背景音乐是在公共背景音乐的基本原理基础上结合家庭生活的特点发展而来的新

型背景音乐系统。简单地说，就是在家庭任何一间房子里，比如花园、客厅、卧室、酒吧、厨房或卫生间，可以将MP3、FM、DVD、电脑等多种音源进行系统组合让每个房间都能听到美妙的背景音乐，音乐系统即可以美化空间，又起到很好的装饰作用。

结论

物联网的发展潜力和市场巨大。物联网将启动世界新一轮的高科技术领域、消费领域、生活领域的前进步伐。但是，要形成规模化的物联网产业，全面进入物联网时代，我们既需要热情的追求，更需要理智的思考和扎实的工作，去迎接物联网春天的来临。

传感器作为信息产业的重要神经触角，它在实际生活中的应用越来越广泛，几乎所有的高科技行业都离不开传感器的信息采集技术支持。如果将物联网与传感器更完美地融合，物物相联，物皆能知的未来绝不是幻想。

参考文献

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