《物联网导论》第3章传感器技术讲述.pptxVIP

第3章 传感器技术;目录;;;本章各小节目录;3.1 传感器概述;最早的传感器出现在1861年，作为连接物理世界与电子世界的重要媒介，在当今信息化的过程中发挥着关键作用。事实上，传感器已经渗透到人们当今的日常生活中。只要细心观察，就可以发现日常生活中的各类传感器，例如热水器的温控器、电视机的遥控器、空调的温湿度传感器等。此外，传感器也广泛应用到工农业、医疗卫生、军事国防、环境保护等领域，极大地提高了人类认识世界和改造世界的能力。传统传感器组成如图3.1所示。 传感器作为信息获取的重要手段，与通信技术和计算机技术共同构成了信息技术的三大支柱。然而，传统传;感器网络化、智能化的程度十分有限。具体来讲，传统传感器数据处理与分析能力极其有限，缺少信息共享的有效渠道。现代科技的进步，特别是微电子机械系统（Micro Electro Mechanical Systems, MEMS）、超大规模集成技术（Very Large Scale Integrated Circuits, VLSI）的发展，使得现代传感器走上微型化、智能化和网络化的发展路线，其典型的代表是无线传感器节点（wireless sensor nodes）。 和传统的传感器不同，无线传感器节点不仅包括了传感器部件，而且集成了微型处理器和无线通信芯片等，能够对感知的信息进行分析处理和网络传输，如图3.2所示。 ;网络化催生了全新的传感器应用模式——传感网。无线传感网是由部署在监测区域内的大量微型、低成本、低功耗的传感器节点组成的多跳无线网络。它主要用于长期、实时、大规模、自动化的环境监测。本章主要涉及传感器技术，无线传感网的组网和应用将在后续章节中讨论。;3.2 发展历史;通信芯片，具有较强的信息处理能力。在正常和睡眠状态下，处理器的功率分别为200mW和0.8mW。UCLA制作的节点如图3.3所示。 同时，加州大学伯克利分校（UCB）发起了“智慧尘埃”（Smart Dust）项目，旨在开发微型化的传感器节点。1999年，该校发布了WeC节点。该节点使用8位Atmel;系列的微型处理器（512B的内存和8KB的闪存）。在正常和睡眠状态下，处理器的功率分别仅为15mW和45微瓦。之后，该校又发布了一系列微型化、低功耗的节点平台，包???后来被研究者广泛使用的Mica、Mica2、Mica2Dot和MicaZ。UCB制作的节点如图3.4所示。;回顾传感器节点的发展，我们能得到怎样的启示？传感器节点的未来发展将会怎样呢？摩尔定律告诉我们，集成电路上可容纳的晶体管数量，约每隔18个月增加一倍，性能也将提升一倍。之后的个人计算机的发展证实了这一定律，并且发展速度还在加快。从芯片制造工艺来看，在1965年推出的10um处理器后，经历了6微米、 3微米、 1微米、 0.5微米、 0.35微米、0.25微米、0.18微米、0.13微米、0.09微米、0.065微米，而0.045微米的制造工艺将是目前CPU的最高工艺。然而，从传感器节点的发展历史看，节点的性能并没有像摩尔定律预测的速度发展。1999年，WeC节点采用8位4MHz主频的处理器，2002年Mica节点采用8位7.37MHz的处理器，2004年Telos节点采用16位4MHz的处理器。Telos节点仍然是目前普遍采用的传感器节点。传感器节点的发展曲线如图3.5所示。; 不难看出，节点性能的提升十分缓慢。这是什么原因呢？分析传感器节点的应用，不难发现节点性能的发展主要受到以下三方面因素的制约。 1）功耗的制约。无线传感节点一般被部署在野外，不能通过有线供电。其硬件设计必须以节能为重要设计目标。例如，在正常工作模式下，WeC的处理器的功;率为15mW，Mica节点的处理器的功率为8mW，Telos节点的处理器的功率为3mW。 2）价格的制约。无线传感节点一般需要大量组网，以完成特定的功能。其硬件设计必须以廉价为重要设计目标。价格的因素制约了传感器节点的功能。 3）体积的制约。无线传感器节点一般需要容易携带，易于部署。其硬件设计必须以微型化为重要设计目标。体积的因素制约了传感器节点的功能。;3.3 应用;3.3.1 军事监测中的传感器——VigilNet VigilNet是由美国弗吉尼亚大学研制的用于军事监测的系统，传感节点在其中扮演了不可替代的作用。传统的派情报员收集信息的方法，不仅具有较高的风险，而且隐蔽性不够高。该系统由XSM、Mica2和Mica2Dot节点构成，其规模最大达200个节点。节点通过电池供电，铺设在道路旁边，用于检测与收集移动目标的情况。 在该系统中工作的传感节点具有以下特征。 1）节点自主成网、多跳传输。节点一经部署就能自主成网。由于单个节点的通信范围有限，数据通过多跳传输到基站。 2）节点通过电池供电，通过软件节能