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1、第二章 网络体系架构 WSN节点概述和分类 WSN节点结构 WSN节点体系结构 WSN网络结构 无线传感器网络分类和特点 WSN操作系统 传感器概述：功用：一感二传,即感受被测信息,并传送出去。 传感器定义传感器定义 我国国标（我国国标（GB7665-2005GB7665-2005）对传感器的）对传感器的 定义是：定义是：“ “能能感受感受被测量并按照一定的规律被测量并按照一定的规律 转换转换成成可用输出信号可用输出信号的的器件或装置器件或装置” ”。 传感器的作用传感器的作用主要是感受和响应规定的被测主要是感受和响应规定的被测 量，并按一定规律将其转换成有用输出，量，并按一定规律将其转换成有
2、用输出， 特别是特别是完成完成非电量到电量的转换非电量到电量的转换。 2/28 传感器的组成传感器的组成 传感传感器的组成，并无严格的规定。一般说器的组成，并无严格的规定。一般说 来，可以把传感器看作由敏感元件（有时来，可以把传感器看作由敏感元件（有时 又称为预变换器）和变换元件（有时又称又称为预变换器）和变换元件（有时又称 为变换器）两部分组成。为变换器）两部分组成。 qzm_mail 3/28 传感器的分类 根据被测量与输出电量的转换原理分类 能量转换型、能量控制型 根据传感器感知的对象分类 温度传感器、力传感器、等 根据输出信号的性质不同分类 二值型、数字型、模拟型 根据传感器测量原理分
3、类 物理和化学 . 4 常用物理传感器 与化学传感器 5 分类-物理传感器 1. 物理传感器 物理传感器的原理是利用力、热、声、 光、电、磁、射线等物理效应，将被测 信号量的微小变化转换成电信号 物理传感器可以进一步分为：力传感 器、热传感器、声传感器、光传感器、 电传感器、磁传感器与射线传感器等7 类 6 （1）力传感器 力传感器是能感受外力并将其转换成可用输出信号的 传感器。力传感器的种类繁多，常用的力与压力传感 器有电阻应变式、半导体应变式、压阻式、电感式、 电容式、谐振式压力传感器，以及光纤压力传感器等 用金属应变丝作为敏感元件的压力传感器原理示意图 7 不同用途的 力传感器 8 （2
4、）温度传感器 （3）声传感器 9 （4）光传感器 图像传感器 光纤传感器 10 分布式光纤传感系统 分布式光纤传感系统利用光纤作为传感敏感元件和传 输信号介质，探测出沿着光纤不同位置的温度和应变 的变化，实现分布、自动、实时、连续、精确的测 量。 分布式光纤传感系统应用领域包括： 智能电网的电力电缆表面温度检测、事故点定位 发电厂和变电站的温度监测、故障点检测和报警 水库大坝、河堤安全与渗漏监测 桥梁与高层建筑结构安全性监测 公路、地铁、隧道地质状况的监测 分布光纤温度传感系统可以在易燃、易爆的环境下同 时测量上万个点，可以对每个温度测量点进行实时测 量与定位 11 （5）电传感器 电传感器可
5、以分为：电阻式、电容式、电感式传感器 电阻式传感器利用变阻器将非电量转换成电阻信号的 原理制成的。电阻式传感器主要用于位移、压力、应 变、力矩、气流流速、液面与液体流量等参数的测量 电容式是利用改变电容器的几何尺寸或介质参数，来 使电容量变化的原理制成的。电容式传感器主要用于 压力、位移、液面、厚度、水分含量等参数的测量 电感式是利用改变电感磁路的几何尺寸或磁体位置， 来使电感或互感量变化的原理制成的，主要用于压 力、位移、力、振动、加速度等参数的测量。 12 （6）磁传感器 磁传感器是最古老的传感器，指南针是磁传感 器的最早的一种应用 磁传感器将磁信号转化成为电信号输出 磁电式传感器目前已经
6、被高性能磁敏感材料的 新型磁传感器所替代 13 （7）射线传感器 射线传感器是将射线强度转换出可输出的电信 号的传感器 射线传感器可以分为：X射线传感器、射线传 感器、射线传感器、辐射剂量传感器 射线传感器已经在环境保护、医疗卫生、科学 研究与安全保护领域广泛使用 14 分类-化学传感器 化学传感器可以将化学吸附、电化学反应过程中被测 信号的微小变化转换成电信号的一类传感器 按传感方式的不同，可分为： 接触式化学传感器 非接触式化学传感器 按结构形式的不同，可以分为： 分离型化学传感器 组装一体化化学传感器 按检测对象的不同，可以分为： 气体传感器 离子传感器 湿度传感器 15 分类-生物传感
7、器 生物传感器是由生物敏感元件和信号传导器组成 生物敏感元件可以是生物体、组织、细胞、酶、核酸或 有机物分子 不同的生物元件对于光强度、热量、声强度、压力有不 同的感应特性 16 生物传感器的分类 常用传感器 qzm_mail 17/28 智能传感器 qzm_mail 18/28 定义：传统传感器加上处理器具有智能功能的传感器。所谓智能式传感器，就是 一种带有微处理机的，兼有信息检测、信号处理、信息记忆、逻辑分析与判 断功能的传感器。 组成：传感器+微处理器+信号处理电路。微处理器为核心。 智能传感器的特点 具有自动调零和自动校准功能 具有判断和信息处理功能、对测量值进行修正 和误差补偿 实现
8、多惨了综合测量（复合感知能力） 自动诊断故障 灵活的通信能力 智能传感器的发展为传感器技术的 研究提出了很多富有挑战性的课题 qzm_mail 19/28 微机电系统对智能传感器发展的影响 微机电系统（MEMS）是指集微型机构、微 型传感器、微型执行器以及信号处理和控 制电路，直至接口、通信和电源等于一体 的微型器件或系统 qzm_mail 20/28 性能指标 静态指标 线性范围：输出量与输入量呈线性关系的测量范 围 线性度：传感器实际输入输出量曲线与拟合曲线 的重叠程度 灵敏度：输出变化量与输入变化量的比值 稳定性：表示传感器经过长期使用后，输出特性 不发生变化的性能 分辨率：能检测到的被
9、测量的最小变化量 21/28 （具体定义公式见教材） 性能指标 迟滞：传感器在输入量从小到大正向变化与反向变化 ，其输入输出特性曲线不重合的程度 重复性：传感器在输入量按同一方向做全量程连续多 次变化时所得特性曲线一致的程度 漂移：输入量不变的情况下，输出量随时间变化的现 象 测量范围：最小/最大输入量的范围 精度：测量结果的可靠程度，以给定的准确度来表示 重复某个读数的能力 动态指标 输出信号对应随时间变化的输入量的响应特性，反映 测量精度、重复性和可靠性 第二章 网络体系架构 WSN节点概述和分类 WSN节点结构 WSN节点体系结构 WSN网络结构 无线传感器网络分类和特点 WSN操作系统
10、 24 无线传感器节点结构（1） 无线传感器节点通常由4个功能模块组成：感知模块、处 理模块、通信模块和电源模块 25 无线传感器节点结构（2） 感知模块：由一个或多个传感器以及模数转换器组成。传 感器负责感知监测目标的物理特征和现象，并产生相应的 模拟信号。 感知声、光、电、震动、磁、气体等信号 模数转换器负责将模拟信号转换为数字信号，并将数字信 号送往处理模块进行处理。 处理模块：由一个微处理器及相应的内存组成，负责对数 据进行处理、滤波、决策、执行、资源分配等判断，并对 传感器节点进行控制 通信模块：由数模转换器和无线收发送器（Zigbee, WiFi, GPRS,短波等）组成，负责发送
11、和接收数据和控制信息 26 无线传感器节点结构（3） 电源模块：负责节点的供电（电池供电或从自然界采集能 量） 其他模块 位置模块：节点可以配置全球定位系统（Global Positioning System, GPS）或北斗定位系统接收器 移动模块：在某些需要移动传感器节点的应用中，可 以配置马达来驱动传感器节点 https:/en.wikipedia.org/wiki/List_of_wireless_sensor_nodes 一个简单的应用开发需要： 一个简单的应用开发需要： Serial gateway (MIB510) MICA2 (MPR400)（处理 模块和通信模块） MTS31
12、0 (感知模块) QTY: 1 COST: $95.00 Serial “gateway“ used to program and communicate with the motes. NOTE: If your computer does not have a serial port, you will also need to buy a serial to USB adapter. QTY: 2 COST: $150.00 each The 900 MHz motes offer greater bandwidth, which means more available channel
13、s. If you want to have several mote networks operating at once, this is the way to go. The 433 MHz motes get better range. Best for outdoor applications. QTY: 1 COST: $120.00 Basic sensor board that plugs into the mote. Contains light sensor, temperature sensor, microphone and sounder. More advanced
14、 sensor boards have accelerometers, magnetometers and GPS. Programming Board (MIB510) 29 Mica 2 Motes MICA 2 MOTE https:/www.eol.ucar.edu/isf/facilities/isa/int ernal/CrossBow/DataSheets/mica2.pdf 30 Sensor Board - MTS310 32 第二章 网络体系架构 WSN节点概述和分类 WSN节点结构 WSN节点体系结构 WSN网络结构 无线传感器网络分类和特点 WSN操作系统 跨层设计 联
15、合优化 无线传感器网络协议栈 WSN的体系架构 35 WSN的通信协议 物理层(主要是电磁波) 负责频率选择、频率产生、 信号检测、调制解调和数据 加密 36 WSN的通信协议（续） 链路层 负责介质访问和差错控制 确保通信中点-点 /点-多 点的连接 介质访问控制： 创建网络架构 在节点间公平有效的共享 通信资源 差错控制 前向纠错FEC 自动重发检错ARQ 37 WSN的通信协议（续 网络层（路由层） 节能总是最重要的考虑 传感网络多以数据为中 心 数据聚合不能影响传感 节点的协同 理想的传感器网络基于 属性寻址并能感知位置 38 WSN的通信协议（续 传输层 负责数据流的传输控制 可靠性
16、和拥塞控制 当传感系统需要被 Internet或者其它外部网 络访问时传输层设计与实 现至关重要 研究不成熟 39 WSN的通信协议（续） 跨层设计 联合优化 应用层 负责任务调度和数据分发等 具体业务，使得底层硬件和 软件对传感应用是透明的 Sensor management protocol (SMP) Task assignment and data advertisement protocol (TADAP) Sensor query and data dissemination protocol (SQDDP) 网络管理平台 主要是对传感器节点自身的管理和用户对 wsn的管理，包括：
