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1、第第4章章 敏感元件与传感器技术敏感元件与传感器技术 智能传感器作为一种新型传感器发展起来。智能传感器作为一种新型传感器发展起来。它是它是基于人工智能、信息处理技术实现的具基于人工智能、信息处理技术实现的具有分析、判断，量程自动转换，漂移、非线有分析、判断，量程自动转换，漂移、非线性和频率响应等自动补偿，对环境影响量的性和频率响应等自动补偿，对环境影响量的自适应，自学习以及超限报警、故障诊断自适应，自学习以及超限报警、故障诊断等等功能的传感器。功能的传感器。 智能式传感器智能式传感器智能传感器就是一个最小的微机系统，其中作为控制核心的微处理器通常采用单片机，其基本结构框图如图示。 微型传感器微
2、型传感器 微型传感器微型传感器MEMS技术与微型传感器技术与微型传感器 MEMS（Micro Electro-Mechanical System）通常称微机电系统，在欧洲和日本）通常称微机电系统，在欧洲和日本又常称微系统（又常称微系统（Micro System）和微机械）和微机械（Micro Machine），是当今高科技发展的），是当今高科技发展的热点之一。热点之一。1994年原联邦德国教研部年原联邦德国教研部（BMBF）给出了微系统的定义，即：）给出了微系统的定义，即：若将若将传感器、信号处理器和执行器以微型化的结传感器、信号处理器和执行器以微型化的结构形式集成一个完整的系统，而该系统具有
3、构形式集成一个完整的系统，而该系统具有“敏感敏感”、“决定决定”和和“反应反应”的能力。的能力。 微机电系统通常具有以下典型的特性：（1）微型化零件；（2）由于受制造工艺和方法的限制，结构零件大部分为两维的、扁平零件；（3）系统所用材料基本上为半导体材料，但也越来越多地使用塑料材料；（4）机械和电子被集成为相应独立的子系统，如传感器、执行器和处理器等。与一般传感器比较，微传感器具有以下特点：（1）空间占有率小。（2）灵敏度高，响应速度快。（3）便于集成化和多功能化。（4）可靠性提高。（5）消耗电力小，节省资源和能量。（6）价格低廉。无无线传感器网感器网络传感器相关感器相关热门技技术 WSN是一
4、种无基础设施的网络，它由一组传感器节点协是一种无基础设施的网络，它由一组传感器节点协同感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并对同感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并对这些数据进行处理，获得详尽准确的信息，处理后的信息通这些数据进行处理，获得详尽准确的信息，处理后的信息通过无线方式发送，并以自动组网、多跳的网络方式传送给观过无线方式发送，并以自动组网、多跳的网络方式传送给观察者。察者。无线传感器典型的网络拓扑结构及整体构架无线传感器典型的网络拓扑结构及整体构架 微型的嵌入式系统；处理能力、存储能力、通信能力较弱；电池供电；监测终端、路由器双重功能。传感器节点传感器节点 又称
5、网关节点，处理能力、存储能力和通信能力相对较强；连接传感器网络与Internet、GPRS等外部网络；将节点传递过来的数据转发到外部网络，同时能发布用户的监测任务至各个节点。汇聚节点汇聚节点 用户通过终端的管理和分析软件来观测网络的运行状况，并能对网络中的各个节点进行管理和监控。无线传感器典型的网络拓扑结构及整体构架无线传感器典型的网络拓扑结构及整体构架终端用户终端用户 WSN应用于监视大鸭岛海鸟的栖息情况。使用了包括光、湿度、气压计、红外传感器、摄像头在内的近10种传感器类型数百个节点，系统通过自组织无线网络，将数据传输到300英尺外的基站计算机内，再由此经卫星传输至加州的服务器。英特尔研究
6、实验室 加州大学伯克利分校(2002年) 2005年，澳洲的科学家利用无线传感器网络来探测北澳大利亚蟾蜍的分布情况。由于蟾蜍的叫声响亮而独特，因此利用声音作为检测特征非常有效。科研人员将采集到的信号在节点上就地处理，然后将处理后的少量结果数据发回给控制中心。通过处理，就可以大致了解蟾蜍的分布、栖息情况。 澳大利亚科学家开发一套创新型无线传感网络，用于环境监测，希望有助于濒危雨林的恢复。工作组在 Springbrook 国家公园采用了 10 个基于太阳能充电的传感器节点，测量各种环境因素，如温度、湿度、光线、土壤湿度和风速，并将这些信息传送给位于昆士兰布里斯班市的一台中央数据库。 华东师范大学软
7、件学院与上海市计算技术研究所成立“无线传感器网络联合实验室” “基于无线传感器网络技术的水环境灾害预警系统” 系统采用光照度、空气温湿度、静态图像、水温、PH、溶解氧等传感器节点监测华东师范大学校内的水环境信息.最新动态最新动态（关于传感器）（关于传感器）物联网成为国家的发展重点之一，其物联网成为国家的发展重点之一，其核心仍核心仍然是传感设备的研发然是传感设备的研发。1、物联网的概念、物联网的概念物联网是指通过物联网是指通过各种传感器、射频识别各种传感器、射频识别(RFID)、红、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备设备，按约定的协议，
8、把任何物品与互联网连接起，按约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。位、跟踪、监控和管理的一种网络。2、物联网的起源和发展、物联网的起源和发展物联网的概念最初来源于美国麻省理工学院物联网的概念最初来源于美国麻省理工学院(MIT) 在在 1999 年建立的自动识别中心年建立的自动识别中心( Auto- ID Labs)提提出的网络无线射频识别出的网络无线射频识别(RFID)系统，把所有物品通系统，把所有物品通过射频识别等信息传感设备与互联网连接起来，过射频识别等信息传感设备与互联网
9、连接起来， 实实现智能化识别和管理现智能化识别和管理.2005 年年 ITU （国际电信联盟）在突尼斯举行的信（国际电信联盟）在突尼斯举行的信息社会世界峰会息社会世界峰会(WSIS)上正式确定了物联网的概念，上正式确定了物联网的概念， 并随后发布了并随后发布了 ITU Internet reports 2005 the Internet of things， 介绍了物联网的特征相关的技介绍了物联网的特征相关的技术面临的挑战和未来的市场机遇。术面临的挑战和未来的市场机遇。IBM的智慧地球的智慧地球2008年年11月月6日，日，IBM CEO彭明盛彭明盛(Sam Palmisano)在纽约市外交关
10、系委员会做了一次重要在纽约市外交关系委员会做了一次重要的演讲，题目是的演讲，题目是“智慧地球：下一代的领导议程智慧地球：下一代的领导议程”(A Smarter Planet: The Next Leadership Agenda)。“将智能技术应用到生活的各个方面，如应用到各将智能技术应用到生活的各个方面，如应用到各系统和程序之中，以便货物能被顺利地研发，制造系统和程序之中，以便货物能被顺利地研发，制造购买，人们能享受各种服务，万物（包括人，货币，购买，人们能享受各种服务，万物（包括人，货币，石油，水电等）可以顺畅流通，人们可以安居乐业。石油，水电等）可以顺畅流通，人们可以安居乐业。”IBM的
11、智慧地球美国战略美国战略奥巴马就任美国总统后，对奥巴马就任美国总统后，对IBM首席执行官彭明盛首席执行官彭明盛首次提出的首次提出的“智慧地球智慧地球”概念给予了积极的回应，概念给予了积极的回应，并上升至美国的国家战略，并在世界范围内引起轰并上升至美国的国家战略，并在世界范围内引起轰动。动。该战略认为，该战略认为，IT产业下一阶段的任务是把新一代产业下一阶段的任务是把新一代IT技术充分运用在各行各业之中，具体地说，就是把技术充分运用在各行各业之中，具体地说，就是把感应器嵌入和装备到电网、铁路、桥梁、隧道、公感应器嵌入和装备到电网、铁路、桥梁、隧道、公路、建筑、供水系统、大坝、油气管道等各种物体路
12、、建筑、供水系统、大坝、油气管道等各种物体中，并且被普遍连接，形成中，并且被普遍连接，形成“物联网物联网”。中国政府的重视中国政府的重视2009年年8月月7日，国务院总理温家宝在考察中科院无日，国务院总理温家宝在考察中科院无锡高新微纳传感网工程技术研发中心时曾表示，至锡高新微纳传感网工程技术研发中心时曾表示，至少三件事情可以尽快去做，一是把传感系统和少三件事情可以尽快去做，一是把传感系统和3G中中的的TD技术结合起来；二是在国家重大科技专项中，技术结合起来；二是在国家重大科技专项中，加快推进传感网发展；三是尽快建立中国的传感信加快推进传感网发展；三是尽快建立中国的传感信息中心，或者叫息中心，或
13、者叫“感知中国感知中国”中心。中心。中国政府的重视中国政府的重视2009年年11月月3日，温家宝总理在人民大会堂向首都日，温家宝总理在人民大会堂向首都科技界发表了题为科技界发表了题为让科技引领中国可持续发展让科技引领中国可持续发展的讲话。的讲话。他指出，他指出，“未来要着力突破传感网、物联网关键技未来要着力突破传感网、物联网关键技术，及早部署后术，及早部署后IP时代相关技术研发，使信息网络时代相关技术研发，使信息网络产业成为推动产业升级、迈向信息社会的产业成为推动产业升级、迈向信息社会的发动机发动机”。温家宝此次讲话，清晰地点明未来将着力发展物联温家宝此次讲话，清晰地点明未来将着力发展物联网的
14、相关技术与应用。网的相关技术与应用。中国政府的重视中国政府的重视2010年年3月月5日，温家宝总理在政府工作报告中指出，日，温家宝总理在政府工作报告中指出，要要“大力培育战略性新兴产业。国际金融危机正在大力培育战略性新兴产业。国际金融危机正在催生新的科技革命和产业革命。发展战略性新兴产催生新的科技革命和产业革命。发展战略性新兴产业，抢占经济科技制高点，决定国家的未来，必须业，抢占经济科技制高点，决定国家的未来，必须抓住机遇，明确重点，有所作为。要大力发展新能抓住机遇，明确重点，有所作为。要大力发展新能源、新材料、节能环保、生物医药、信息网络和高源、新材料、节能环保、生物医药、信息网络和高端制造
15、产业。积极推进新能源汽车、端制造产业。积极推进新能源汽车、“三网三网”融合融合取得实质性进展，取得实质性进展，加快物联网的研发应用加快物联网的研发应用。加大对。加大对战略性新兴产业的投入和政策支持。战略性新兴产业的投入和政策支持。”3、物联网的体系结构、物联网的体系结构物联网体系架构分为三层：感知层、网络层和应用层。物联网体系架构分为三层：感知层、网络层和应用层。感知层包括二维码标签和识读器、感知层包括二维码标签和识读器、RFID标签和读写器、摄像标签和读写器、摄像头、头、GPS、传感器、传感器网络等，主要是识别物体，采集、传感器、传感器网络等，主要是识别物体，采集信息，与人体结构中皮肤和五官
16、的作用相似。信息，与人体结构中皮肤和五官的作用相似。网络层包括通信与互联网的融合网络、网络管理中心、信息网络层包括通信与互联网的融合网络、网络管理中心、信息中心和智能处理中心等。网络层将感知层获取的信息进行传中心和智能处理中心等。网络层将感知层获取的信息进行传递和处理，类似于人体结构中的神经中枢和大脑。递和处理，类似于人体结构中的神经中枢和大脑。应用层是物联网与行业专业技术的深度融合，与行业需求结应用层是物联网与行业专业技术的深度融合，与行业需求结合实现行业智能化，这类似于人的社会分工，最终构成人类合实现行业智能化，这类似于人的社会分工，最终构成人类社会。社会。IUT提出的物联网体系结构提出的
17、物联网体系结构4、物联网的关键技术、物联网的关键技术感知设备感知设备安全通信安全通信智能处理智能处理4.1 感知设备感知设备传感器传感器RFID全球定位（全球定位（GPS/北斗北斗/伽利略）伽利略）条形码、二维码条形码、二维码视频视频4.2 安全通信安全通信互联网是将机器和人连接起来，而物联网将互联网是将机器和人连接起来，而物联网将机器、人、设备等所有东西都连接起。机器、人、设备等所有东西都连接起。4.3 智能处理智能处理物联网通过信息感知设备得到海量的数据，这些数据物联网通过信息感知设备得到海量的数据，这些数据经过通信网络送到数据中心，如何将这些数据变成信经过通信网络送到数据中心，如何将这些数据变成信息，是物联网应用的一个关键层，必须通过信息处理息，是物联网应用的一个关键层，必须通过信息处理的相关技术，对所得到的数据进行高效、智能处理，的相关技术，对所得到的数据进行高效、智能处理，并由所处理的结果来影响、规范、优化现实个体行为，并由所处理的结果来影响、规范、优化现实个体行为，实现一个智慧、低碳的世界实现一个智慧、低碳的世界。
