項目四推介物聯(lián)網(wǎng)感知識別設(shè)備任務(wù)2傳感器的應(yīng)用任務(wù)3探索無線傳感器網(wǎng)絡(luò)目錄

本項目內(nèi)容提要在本項目的學(xué)習(xí)中，將主要介紹傳感器的概念、分類、常見的各種傳感器和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的知識。任務(wù)1了解傳感器與常見分類學(xué)習(xí)目標(biāo)與重點了解傳感器的概念與原理 了解傳感器的常見分類 能識別常見的各類傳感器 掌握無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的知識項目背景將超市改造成智慧超市的張老板，體驗到了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)帶來的方便快捷之處。張老板的家能否搭上物聯(lián)網(wǎng)的順風(fēng)車，也變得智能起來呢？王經(jīng)理下面的描述讓張老板有點不敢想象。回到自己家中，隨著門鎖被智能門卡開啟，家中的安防系統(tǒng)自動解除室內(nèi)警戒，廊燈緩緩點亮，空調(diào)、新風(fēng)系統(tǒng)自動啟動，最喜歡的背景交響樂輕輕奏起。在家中，只需一個遙控器就能控制家中所有的電器和燈光。每天晚上，所有的窗簾都會定時自動關(guān)閉，入睡前，床頭邊的面板上觸動“晚安”模式，就可以控制室內(nèi)所有需要關(guān)閉的燈光和電器設(shè)備，同時安防系統(tǒng)自動開啟處于警戒狀態(tài)。在外出之前只要按一個鍵就可以關(guān)閉家中所有的燈和電器……。在炎熱的夏天，在下班前在辦公室通過電腦打開空調(diào)，回到家里便能享受清涼；在寒冷的冬季，則可以享受到融融的溫暖?；丶仪皢与婏堨?，一到家就可以吃上香噴噴的米飯。如果不方便使用電腦，用手機也可以控制家電。在辦公室或在出差時打開手機上網(wǎng)，家中的安全設(shè)備和家用電器立即呈現(xiàn)在自己的面前……。王經(jīng)理說，要想讓家里也變得智能起來，需要安裝一套智能家居系統(tǒng)，智能家居的奧秘就在于在各個位置都安裝各式各樣的傳感器。項目背景任務(wù)1了解傳感器與常見分類任務(wù)1了解傳感器與常見分類任務(wù)1了解傳感器與常見分類【任務(wù)描述】王經(jīng)理：物聯(lián)網(wǎng)早期也叫傳感網(wǎng)，它的運用可達到軍事反恐、城建交通，小到家庭、個人。如果在家庭中布置傳感器，在外地就能知曉家中各角落的情況；如果在人體上安裝傳感器，醫(yī)院就能隨時了解其健康狀況。有了傳感器，買樓時，坐在家里就能知曉目標(biāo)樓盤早晚的噪聲情況、日照時長、地基牢固程度等，還能監(jiān)控到整個建設(shè)過程。不用出門就能掌握目的地溫濕度、交通情況以及實地三維場景等。作為構(gòu)成物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)單元，傳感器在物聯(lián)網(wǎng)信息采集層面的作用非常關(guān)鍵。任務(wù)1了解傳感器與常見分類2．了解傳感器的定義與組成3．認識物聯(lián)網(wǎng)中傳感器的常見分類1．尋找無處不在的傳感器4．探尋傳感器的發(fā)展趨勢5．體驗傳感器在生活中的十大妙用在生活中傳感器無處不在，Mp4上的觸摸鍵、手機觸摸屏、手機攝像功能、廁所小便池、自動擦鞋機、熱風(fēng)干手器、超市里的防盜門等都利用了傳感器原理，雖然可能感覺不到它們的存在。1．尋找無處不在的傳感器聲控?zé)簦鹤≌瑯亲叩览锫窡裟堋奥犅暋奔戳粒驗樗捎昧艘环N壓電傳感器，根據(jù)人們發(fā)出的聲音，可以方便及時地打開和關(guān)閉聲控照明裝置。全自動洗衣機：在洗衣機中，通常安裝有濁度傳感器，可以合理地安排漂洗次數(shù)，起到節(jié)水、節(jié)電的作用電飯鍋:采用了溫度傳感器，通過測量內(nèi)膽溫度來實現(xiàn)。當(dāng)溫度上升到一定值，啟動開關(guān)，停止加熱。電熨斗：一種溫度傳感器，再達到一定溫度時，就會自動斷電，而使電熨斗保持在一定溫度范圍內(nèi)。1．尋找無處不在的傳感器電子天平:無需復(fù)雜操作,就能很快稱出物體質(zhì)量,而且一般來說很精確。這是因為在電子秤下安裝了壓力傳感器再加上一些電子系統(tǒng)。1．尋找無處不在的傳感器廁所小便池：當(dāng)人靠近時就會現(xiàn)有一股水流出現(xiàn)，當(dāng)人離開時就會第二次沖水，此舉為廁所的節(jié)水以及潔凈做出了巨大貢獻，光電傳感器以及電子系統(tǒng)發(fā)揮了關(guān)鍵作用。1．尋找無處不在的傳感器電子溫度計:在電子溫度計內(nèi)部加入紅外傳感器,由于人體在不同溫度時發(fā)射紅外線的強度等因素皆有不同,利用此特點即可簡單快捷精確測量人體體溫。汽車稱重：在貨運站為汽車稱重，通過壓力傳感器，使得即使是很重的物體也能在短時間內(nèi)準(zhǔn)確稱出。自動門：在賓館和一些公共場所，當(dāng)有人靠近或遠離自動門時，就會自動開關(guān)門，這是因為使用了紅外傳感器，它對物體存在進行反應(yīng)，不管人員移動與否，只要處于傳感器的掃描范圍內(nèi)，它都會反應(yīng)傳出控制信號。1．尋找無處不在的傳感器傳感器來自于“感覺”一詞，人用眼睛看，可以感覺到物體的形狀、大小和顏色。用耳朵聽，可以感覺到聲音的尖細和強弱。用鼻子嗅，可以感覺到氣味的芳香。用舌頭嘗，可以感覺到酸、甜、苦、辣。用身體摸，可以感覺到物體的軟硬和冷熱。眼睛、耳朵、鼻子、舌頭和身體是人類賴以生存而感受外界刺激所必須具備的感官。但是在研究自然現(xiàn)象和規(guī)律以及生產(chǎn)活動中它們的功能就遠遠不夠了。為適應(yīng)這種情況，就需要傳感器。傳感器是人類五官的延伸，又稱之為電五官。最廣義地來說，傳感器是一種能把物理量或化學(xué)量轉(zhuǎn)變成便于利用的電信號的器件。國際電工委員會IEC的定義為：傳感器（英文名稱：transducer/sensor）是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。它是實現(xiàn)自動檢測和自動控制的首要環(huán)節(jié)。簡單的說，能夠?qū)⑼饨绲姆请娦盘?，按一定?guī)律轉(zhuǎn)換成電信號輸出的器件或裝置就是傳感器。2．了解傳感器的定義與組成傳感器一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、轉(zhuǎn)換電路等組成。其中，敏感元件是直接感受被測量，并輸出與被測量成確定關(guān)系的物理量；轉(zhuǎn)換元件把敏感元件的輸出作為它的輸入，轉(zhuǎn)換成電路參量；上述電路參數(shù)接入基本轉(zhuǎn)換電路，便可轉(zhuǎn)換成電量輸出。2．了解傳感器的定義與組成物聯(lián)網(wǎng)傳感器早已滲透到諸如工業(yè)生產(chǎn)、智能家居、宇宙開發(fā)、海洋探測、環(huán)境保護、資源調(diào)查、醫(yī)學(xué)診斷、生物工程、甚至文物保護等等極其之泛的領(lǐng)域。可以毫不夸張地說，從茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各種復(fù)雜的工程系統(tǒng)，幾乎每一個現(xiàn)代化項目，都離不開各種各樣的傳感器。3．認識物聯(lián)網(wǎng)中傳感器的常見分類可以從不同角度對傳感器進行分類。（1）按照其用途傳感器類型可劃分為：溫度傳感器、濕度傳感器、壓力傳感器、位移傳感器、流量傳感器、液位傳感器、力傳感器、加速度傳感器、轉(zhuǎn)矩傳感器等。3．認識物聯(lián)網(wǎng)中傳感器的常見分類（2）按照其原理分類：振動傳感器、濕敏傳感器、磁敏傳感器、氣敏傳感器、真空度傳感器、生物傳感器。（3）按照其輸出信號為標(biāo)準(zhǔn)分類：模擬傳感器、數(shù)字傳感器、膺數(shù)字傳感器、開關(guān)傳感器、無線調(diào)光器、紅外動作感應(yīng)器、無線可燃氣探測器、無線煙感探測器、電流監(jiān)測插座、無線溫度感應(yīng)器、無線移動感應(yīng)器、緊急警報器、無線窗戶感應(yīng)器、無線光線感應(yīng)器、無線門磁感應(yīng)器、無線開關(guān)控制器、無線氣體傳感器、物聯(lián)網(wǎng)中繼器、物聯(lián)網(wǎng)中繼器、無線中繼器、Internet通信網(wǎng)關(guān)。3．認識物聯(lián)網(wǎng)中傳感器的常見分類在科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及日常生活中，傳感器發(fā)揮著越來越重要的作用。人類社會對傳感器提出的越來越高的要求是傳感器技術(shù)發(fā)展的強大動力，而現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)突飛猛進則提供了堅強的后盾。隨著科技的發(fā)展，傳感器也在不斷的更新發(fā)展。未來傳感器將依照人們的需要更好的服務(wù)方向發(fā)展。未來的傳感器必須具有:智能化、微型化、多功能化、綠色化、高靈敏化、網(wǎng)絡(luò)化等優(yōu)良特征。4．探尋傳感器的發(fā)展趨勢未來傳感器發(fā)展有幾大方向：（1）MEMS與微型化：由于計算機技術(shù)的發(fā)展，輔助設(shè)計(CAD)技術(shù)和集成電路技術(shù)迅速發(fā)展，微機電系統(tǒng)（MEMS)技術(shù)應(yīng)用于傳感器技術(shù)，從而引發(fā)了傳感器微型化。MEMS微傳感器的尺寸大多為毫米級，甚至更小。例如：壓力微傳感器可以放在注射針頭內(nèi)，送入血管測量血液流動情況。

MEMS是指可批量制作的，集微型機構(gòu)、微型傳感器、微型執(zhí)行器以及信號處理和控制電路、直至接口、通信和電源等于一體的微型器件或系統(tǒng)。它是以半導(dǎo)體制造技術(shù)為基礎(chǔ)發(fā)展起來的。MEMS技術(shù)采用了半導(dǎo)體技術(shù)中的光刻、腐蝕、薄膜等一系列的現(xiàn)有技術(shù)和材料，因此從制造技術(shù)本身來講，MEMS中基本的制造技術(shù)是成熟的。但MEMS更側(cè)重于超精密機械加工，并要涉及微電子、材料、力學(xué)、化學(xué)、機械學(xué)諸多學(xué)科領(lǐng)域。它的學(xué)科面也擴大到微尺度下的力、電、光、磁、聲、表面等物理學(xué)的各分支。4．探尋傳感器的發(fā)展趨勢（2）智能化：傳感器與微處理機相結(jié)合，使之不僅具有檢測功能，還具有信息處理、邏輯判斷、自診斷、以及“思維”等人工智能，就稱之為傳感器的智能化。借助于半導(dǎo)體集成化技術(shù)把傳感器部分與信號預(yù)處理電路、輸入輸出接口、微處理器等制作在同一塊芯片上，即成為大規(guī)模集成智能傳感器?？梢哉f智能傳感器是傳感器技術(shù)與大規(guī)模集成電路技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，它的實現(xiàn)將取決于傳感技術(shù)與半導(dǎo)體集成化工藝水平的提高與發(fā)展。這類傳感器具有多能、高性能、體積小、適宜大批量生產(chǎn)和使用方便等優(yōu)點，可以肯定地說，是傳感器重要的方向之一。4．探尋傳感器的發(fā)展趨勢（3）無線網(wǎng)絡(luò)化

無線網(wǎng)絡(luò)對人們來說并不陌生，比如手機，無線上網(wǎng)，電視機。傳感器對人們來說也不陌生，比如溫度傳感器。但是，把二者結(jié)合在起來，提出無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WirelessSensorNetworks,WSN)這個概念，卻是近門年才發(fā)生的事情。上海世博會的電子圍欄就是以無線傳感網(wǎng)為基礎(chǔ)，由一個個微小傳感器組織成網(wǎng)，可以防范人員侵入和物體拋入。（4）納米傳感器：當(dāng)今納米技術(shù)的發(fā)展，不僅為傳感器提供了良好的敏感材料，例如納米粒子、納米管、納米線、納米薄膜等，而且為傳感器制作提供了許多新穎的構(gòu)思和方法，例如納米技術(shù)中的關(guān)鍵技術(shù)STM，MEMS技術(shù)等。納米傳感器極大地豐富了傳感器的理論，推動了傳感器的制作水平，拓寬了傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域。4．探尋傳感器的發(fā)展趨勢（1）變色衣變色原理：依靠傳感器感知環(huán)境色彩美國科學(xué)家研制成功一種可如變色龍一樣快速改變顏色的衣服，穿衣者只要啟動控制器，就能讓這種衣服的顏色變得和周邊環(huán)境一樣。制作變色衣的原料是一種叫做電致變色聚合物的高科技紡織材料，它是一種會隨電流改變色彩的聚合物。變色纖維之所以能變色，是因為其中包含有傳感器，能夠感受到周圍環(huán)境的顏色，然后控制材料中的電子排列發(fā)生改變，吸收特定波長的光線，從而改變衣服顯示出來的顏色。5．體驗傳感器在生活中的十大妙用（2）配有紅外傳感器的數(shù)碼墓碑一名荷蘭人發(fā)明了一種帶液晶顯示器能顯示圖像和視頻的數(shù)碼墓碑。該墓碑具有紅外傳感器，每當(dāng)一有人接近墓碑，顯示器即被激活，墓碑屏幕開始以圖像和視頻顯示死者的生平介紹。5．體驗傳感器在生活中的十大妙用（3）配有傳感器的“魔鏡”由法國森哲技術(shù)實驗室研制出的智能魔鏡可以清楚地告訴使用者未來的長相究竟如何。這面“魔鏡”是由一個液晶顯示屏、多個數(shù)碼相機、傳感器和圖像處理器組合而成。說是鏡子，實際上是安裝在各處的電子眼，它們會記錄使用者的日常行為，比如看了多長時間電視，做了多長時間運動等等。另外，還需要輸入一些個人資料，如生活方式、是否飲酒以及飲食習(xí)慣等。隨后，電子系統(tǒng)會對信息進行數(shù)據(jù)分析，計算出未來一定時期內(nèi)使用者的體重變化幅度、皮膚老化程度，最后形成具體的圖像，這樣一來，人們就可以清楚地看到自己未來的模樣了。5．體驗傳感器在生活中的十大妙用（4）可穿戴的柔性電子傳感器英國Eleksen公司日前研制出了一批具有極高柔韌性的傳感器和電路開關(guān)，可以與人們?nèi)粘Ｊ褂玫纳钣闷吠昝赖亟Y(jié)合在一起，并且能使它們具有全新的功能。這些傳感器即可以用作按鈕，也可起到各種感應(yīng)控制設(shè)備的作用（如監(jiān)測濕度和溫度等）。這種新型傳感器最大的優(yōu)勢在于它們能夠與普通的紡織品相互搭配用于縫制衣物，或是非常隱蔽地埋設(shè)在家具中。5．體驗傳感器在生活中的十大妙用（5）配有先進傳感器的新型太陽鏡可預(yù)防中暑美國GMI醫(yī)用儀器公司發(fā)明的一種新型太陽鏡，不僅能保護眼睛免受紫外線傷害，還能告訴使用者大腦的溫度有多高，甚至還能預(yù)防中暑。這款新型太陽鏡與普通太陽鏡的最大區(qū)別就在于鼻梁架上裝有先進傳感器，它可以監(jiān)督使用者的大腦溫度。5．體驗傳感器在生活中的十大妙用（6）配有傳感器的隱形眼鏡能反映人體血糖

美國科學(xué)家們在研究中發(fā)現(xiàn)，隱形眼鏡也會“隨機而動”，它可以根據(jù)配戴者血糖水平的變化而改變自己的微觀環(huán)境。這個發(fā)現(xiàn)將來能夠幫助糖尿病患者更好地了解自己的身體狀況。5．體驗傳感器在生活中的十大妙用（7）帶有熱傳感器的智能手杖和眼鏡幫助盲人出行墨西哥高科技研究所近日研制出一種智能型盲人助行手杖和眼鏡，這套工具是通過振動器、聲音提示器及熱傳感器幫助盲人在行走過程中來分辨靜止物體和行人。該智能手杖上安裝了一個由多種光電晶體管和圖像處理芯片組成的傳感器，白天晶體管不發(fā)射信號，芯片通過處理物體反射的自然光獲知前方一米內(nèi)障礙物的信息，然后以聲音或振動的方式提醒使用者。夜晚光線不足時，傳感器通過自己發(fā)射光信號完成這一過程。此外手杖上安裝的熱傳感器還能幫助盲人區(qū)分物體和行人。5．體驗傳感器在生活中的十大妙用（8）未來智能提包研制成功近日，研究者用一種新型織物制作出了一種能夠感知內(nèi)部所裝物品的女士提包。這種提包還能在主人忘記帶某個東西時對主人進行提示，如圖4-14所示。該發(fā)明是針對年輕職業(yè)女性的。它的出現(xiàn)將杜絕手機、家門鑰匙或錢包被遺忘在家的情況。提包前部的一個類似顯示器上含有組成三種圖案的發(fā)光二級管，每一種圖案都代表一種使用者不希望落在家里的東西。在目前已經(jīng)制成的樣品上這三種圖案分別是一串鑰匙、一個錢包和一個手機。最后，每一個圖案都與一個無線識別傳感器連接。這樣一來，只要包中落了一樣?xùn)|西，它上面的圖案就會亮起來。5．體驗傳感器在生活中的十大妙用（9）“神奇”打字機能感應(yīng)人心德國科學(xué)家已經(jīng)制造出世界上第一臺“心靈感應(yīng)打字機”，它能根據(jù)使用者所想打出字來。這種“神奇”打字機的基本原理是通過腦電波傳感器探測使用者的腦部活動，然后把他們心中所想變成電腦屏幕上的文字。要使用這臺打字機，先得戴上一個特制的皮帽，上面有128個傳感器，通過電線與一臺電腦相連。電腦屏幕上顯示著一張字母表，使用者看著屏幕，心中想著“左”或“右”來操縱屏幕上的一個鼠標(biāo)箭頭。這時，傳感器就會探測到腦電波的活動，并將這一信號放大，從而控制箭頭選中某個字母。雖然現(xiàn)在用這臺機器打字速度還很慢，但是科學(xué)家相信，經(jīng)過改進，這種打字機將來可以達到并最終超過普通打字速度，從而給辦公方式帶來一場革命。5．體驗傳感器在生活中的十大妙用（10）碰碰酒杯就能加為好友這種酒杯內(nèi)置了一個芯片，可通過二維碼掃描連接使用者的Facebook帳號，利用傳感器使每次碰杯都是一次交友活動。使用者登錄自己的Facebook賬戶并通過掃描印刷在杯子底部的二維碼來與之關(guān)聯(lián)。每次碰杯，可以通過杯子上的一個紅色LED燈亮起做為“交友成功”的反饋。5．體驗傳感器在生活中的十大妙用任務(wù)2傳感器的應(yīng)用任務(wù)2傳感器的應(yīng)用任務(wù)2傳感器的應(yīng)用【任務(wù)描述】張老板：形形色色的傳感器的應(yīng)用實例，讓人感覺傳感器讓生活越來越帶勁！那傳感器到底是什么樣的？王經(jīng)理：張老板，我這里有一臺報廢的智能手機，這里邊就有很多傳感器，我們拆解下這臺手機，看看手機里有哪些傳感器。任務(wù)2傳感器的應(yīng)用2．物聯(lián)網(wǎng)智能家居中的傳感器1．分解智能手機1．分解智能手機現(xiàn)在的手機已經(jīng)變得越來越智能了，除了能夠使用界面簡潔操作方面的操作系統(tǒng)，利用APP做一些之前依靠別人或者電腦才能干的事情之外，“智能機”的概念已經(jīng)升華到可以利用繁多的傳感器來像人體器官一樣感知周圍環(huán)境，并且被各種專門的APP所用，就像游戲達人愛好的陀螺儀與加速器，運動達人們熱衷的壓力、溫濕度傳感器亦或是計步器等等，都能讓手機在替代了相機、MP3等等設(shè)備之后，還能夠起到類似游戲手柄、GPS、計步器等的功能。1．分解智能手機智能手機，是指像個人電腦一樣具有獨立的操作系統(tǒng)，獨立的運行空間，可以由用戶自行安裝軟件、游戲、導(dǎo)航等第三方服務(wù)商提供的程序，并可以通過移動通訊網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)接入手機類型的總稱。智能手機的使用范圍已經(jīng)布滿全世界，因為智能手機具有優(yōu)秀的操作系統(tǒng)、可自由安裝各類軟件、完全大屏的全觸屏式操作感這三大特性，所以完全終結(jié)了前幾年的鍵盤式手機。智能手機具有五大特點：1）具備無線接入互聯(lián)網(wǎng)的能力：即需要支持GSM網(wǎng)絡(luò)下的GPRS或者CDMA網(wǎng)絡(luò)的CDMA1X或3G網(wǎng)絡(luò)，甚至4G。2）具有PDA的功能：包括PIM（個人信息管理）、日程記事、任務(wù)安排、多媒體應(yīng)用、瀏覽網(wǎng)頁。3）具有開放性的操作系統(tǒng)：擁有獨立的核心處理器（CPU）和內(nèi)存，可以安裝更多的應(yīng)用程序，使智能手機的功能可以得到無限擴展。4）人性化：可以根據(jù)個人需要擴展機器功能。根據(jù)個人需要，實時擴展機器內(nèi)置功能，以及軟件升級，智能識別軟件兼容性，實現(xiàn)了軟件市場同步的人性化功能。5）功能強大：擴展性能強，第三方軟件支持多。1．分解智能手機（1）距離傳感器手機中使用的是近距離傳感器。一般都在手機聽筒的兩側(cè)或者是在手機聽筒凹槽中，這樣便于它的工作。當(dāng)用戶在接聽或撥打電話時，將手機靠近頭部，距離傳感器可以測出之間的距離到了一定程度后便通知屏幕背景燈熄滅，拿開時再度點亮背景燈，這樣更方便用戶操作也更為節(jié)省電量。在三星手機上，輸入號碼并靠近耳朵，手機會自動撥號。1．分解智能手機（2）光線傳感器它的好處就是可以根據(jù)手機所處環(huán)境的光線來調(diào)節(jié)手機屏幕的亮度和鍵盤燈。比如在光線充足的地方，屏幕很亮，鍵盤燈就會關(guān)閉；相反，在暗處，鍵盤燈就會亮，屏幕較暗(與屏幕亮度的設(shè)置也有關(guān)系)，這樣既保護了眼睛又節(jié)省了能量，一舉兩得。1．分解智能手機（3）重力傳感器現(xiàn)大部分的智能機都使用到重力傳感器，使手機更加的人性化。重力傳感器在手機橫豎的時候屏幕會自動轉(zhuǎn)，在玩游戲可以代替上下左右，比如玩賽車游戲，可以不通過按鍵，將手機平放，左右搖擺就可以代替模擬機游戲的方向左右移動了。手機重力感應(yīng)指的是手機內(nèi)置重力搖桿芯片，支持搖晃切換所需的界面和功能，翻轉(zhuǎn)靜音，甩動切換視頻等，是一種非常具有使用樂趣的功能。1．分解智能手機（4）紅外線傳感器通過紅外遙控器，可以遙控電視，空調(diào)等很多可以遙控的家電設(shè)備，不失為一個實用的功能。左圖所示為手機上的紅外接口，右圖所示為手機正在通過紅外傳感器學(xué)習(xí)電視遙控器的功能，學(xué)習(xí)后，手機就可以做遙控器使用來遙控電視。1．分解智能手機（5）溫度傳感器手機中的溫度傳感器應(yīng)用，可以準(zhǔn)確的顯示當(dāng)前的溫度，幫助用戶更便捷地了解氣候變化，及時添衣減衣。未來手機還有可能加入濕度和氣壓傳感器，提醒人們及時補充水分和調(diào)節(jié)空間溫濕度，去高海拔地區(qū)游玩可以精確的知道自己所處位置的海拔高度。1．分解智能手機還有很多傳感器用戶不是很熟悉的傳感器，比如：陀螺儀傳感器、加速度傳感器，它們也為手機的功能實現(xiàn)做了不小的貢獻。陀螺儀配合加速計可以在沒有衛(wèi)星和網(wǎng)絡(luò)的情況下進行導(dǎo)航，這是陀螺儀的經(jīng)典應(yīng)用。左圖所示為手機加速度傳感器，右圖所示為手機中的陀螺儀傳感器。1．分解智能手機表4-1傳感器在手機中的典型應(yīng)用1．分解智能手機1．分解智能手機微軟正在開發(fā)一種全新電場傳感器，允許用戶在沒有觸碰的情況下操控手機。這種技術(shù)尚未命名，不過微軟已經(jīng)給它下了諸多定義：低成本、透明、3D、交互等等。通過這種先進技術(shù)，當(dāng)用戶的手懸浮在手機屏幕上時，就可以感應(yīng)出來。而這將比三星Galaxy系列手機所使用的“懸浮窗”功能更先進，也更人性化。微軟采用輕薄、透明以及低成本材料設(shè)計出了一個電場傳感，可以追蹤3D的手指和手部動畫，也能夠捕捉移動設(shè)備之外的懸空手勢操作。此研究展示了對非接觸式的運動姿態(tài)進行精確的3D手部和手指定位。2．物聯(lián)網(wǎng)智能家居中的傳感器智能家居是以住宅為平臺，利用綜合布線技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、安全防范技術(shù)、自動控制技術(shù)、音視頻技術(shù)將家居生活魚貫的設(shè)施集成，構(gòu)建高效的住宅設(shè)施與家庭日程事物的管理系統(tǒng)，提升家居安全性、便利性、舒適性、藝術(shù)性，并實現(xiàn)環(huán)保節(jié)能的居住環(huán)境。智能家居主要實現(xiàn)如下幾個功能：1) 始終與互聯(lián)網(wǎng)相連，可以在家辦公。2) 安全防范：可以實時監(jiān)控非法闖入、火災(zāi)、煤氣泄漏、緊急呼救等的發(fā)生。一旦出現(xiàn)意外情況，系統(tǒng)會向中心發(fā)出警報，并進入應(yīng)急狀態(tài)，從而實現(xiàn)主動防范。3) 家電的智能控制與遠程控制。4) 交互式智能控制：通過語音識別技術(shù)實現(xiàn)智能家居的聲控功能；通過各種主動式傳感器（如溫度、聲音、動作等）實現(xiàn)智能家居的主動性相應(yīng)。5) 環(huán)境自動控制。如家庭中央空調(diào)系統(tǒng)。6) 提供全方位的家庭娛樂。如家庭影院系統(tǒng)和家庭中央背景音樂系統(tǒng)。7) 現(xiàn)代化的廚衛(wèi)環(huán)境——整體廚房和整體衛(wèi)浴。8) 家庭信息系統(tǒng)：管理家庭信息。9) 家庭理財服務(wù)，通過網(wǎng)絡(luò)完成理財和消費服務(wù)。10)自動維護功能，能對家電實現(xiàn)智能化的故障自診斷、新功能自擴展。以上各種功能的實現(xiàn)離不開傳感技術(shù)的支持，利用先進的現(xiàn)代傳感技術(shù)才能實現(xiàn)智能家居的大部分功能，因此，傳感技術(shù)可以說是智能家居功能實現(xiàn)的最重要的技術(shù)之一。2．物聯(lián)網(wǎng)智能家居中的傳感器智能家居就是一個裝滿了傳感器的房子。通過傳感器，可以實現(xiàn)溫度的自動調(diào)節(jié)、燈光明暗的改變、門窗的自動開關(guān)。如果將智能家居的系統(tǒng)比作是“大腦”，通信系統(tǒng)比作是“神經(jīng)系統(tǒng)”，那么傳感器就是“感覺器官”。系統(tǒng)想要獲取足夠的信息，就需要傳感器發(fā)揮它的作用，將外界信息通過傳感器的測量獲得。表4-2所示為傳統(tǒng)智能家居系統(tǒng)中所用到的傳感器設(shè)備。2．物聯(lián)網(wǎng)智能家居中的傳感器（1）無線網(wǎng)關(guān)無線網(wǎng)關(guān)是無線傳感器和無線聯(lián)動控制設(shè)備的信息收集、控制終端，也是手機和這些家庭設(shè)備通信、控制的橋梁。所有傳感、探測器將收集到的信息都通過無線網(wǎng)關(guān)傳到授權(quán)手機、平板電腦、電腦等管理設(shè)備，另外控制命令由管理設(shè)備通過無線網(wǎng)關(guān)發(fā)送給聯(lián)動設(shè)備。比如家中無人時門被打開，門磁監(jiān)測到有人闖入，則將闖入報警通過無線網(wǎng)關(guān)發(fā)送給主人手機，手機收到信息發(fā)出震動鈴聲提示，主人確認后發(fā)出控制指令，電磁門鎖自動落鎖并觸發(fā)無線聲光報警器發(fā)出報警。2．物聯(lián)網(wǎng)智能家居中的傳感器（2）無線云智能鎖鑰匙和鎖作為一個古老的防范工具已經(jīng)存在了很多年，傳統(tǒng)機械鎖一直存在著安全系數(shù)不高，鎖具采用一些簡易工具就能被輕松打開，鑰匙也很容易被復(fù)制的缺點。今天，隨著技術(shù)的發(fā)展，手機已經(jīng)成為隨身攜帶的最重要的工具，它不僅是通訊工具，它也可以成為導(dǎo)航工具、支付工具、身份驗證工具，而且它更可以成為每天必用的智能鑰匙。物聯(lián)無線云智能鎖可以讓人從此高枕無憂。主人回家，只需拿出手機輸入密碼，門會自動打開，另外，家人可以為客人遠程開鎖！對于安全，智能鎖具有更完善的保護機制，任何人開鎖、上鎖、反鎖，主人都可以及時掌握。2．物聯(lián)網(wǎng)智能家居中的傳感器（3）無線墻面開關(guān)/調(diào)光開關(guān)該開關(guān)可直接取代家中的墻壁開關(guān)面板，通過它不僅可以像正常開關(guān)一樣使用，更重要的是它已經(jīng)和家中的所有物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備自動組成了一個無線傳感控制網(wǎng)絡(luò)，可以通過無線網(wǎng)關(guān)向其發(fā)出開關(guān)、調(diào)光等指令。其意義在于主人離家后無需擔(dān)心家中所有的電燈是否忘了關(guān)掉，只要主人離家，所有忘關(guān)的電燈會自動關(guān)閉?；蛘咴谥魅怂X時無需逐個房間去檢查燈是否開著，需要做的只需按下裝在床頭的睡眠按鈕，所有燈光會自動關(guān)閉，同時主人夜間起床時，燈光會自動調(diào)節(jié)至柔和，從而保證睡眠的質(zhì)量。2．物聯(lián)網(wǎng)智能家居中的傳感器（4）無線智能插座主要用于控制家電的開和關(guān)，比如通過它可以自動啟動排氣扇排氣，這在炎熱的夏天對于密閉的車庫是一個有趣的應(yīng)用。它還可以控制任何人們想控制的家電，只要將家電的插頭插上無線智能插座即可，比如排氣扇、空氣凈化機等等。2．物聯(lián)網(wǎng)智能家居中的傳感器（5）無線溫度濕度傳感器主要用于探測室內(nèi)、室外的溫度、濕度。雖然絕大多數(shù)空調(diào)都有溫度探測功能，但由于空調(diào)的體積限制，它只能探測到出風(fēng)口空調(diào)附近的溫度，這也正是很多消費者感覺其溫度不準(zhǔn)的重要原因。有了無線溫濕度探測器，用戶就可以確切地知道室內(nèi)準(zhǔn)確的溫濕度。其現(xiàn)實意義在于當(dāng)室內(nèi)溫度過高或過低時能夠提前啟動空調(diào)調(diào)節(jié)溫度。比如當(dāng)主人在回家的路上，家中的無線溫度濕度傳感器探測出房間溫度過高則會啟動空調(diào)自動降溫，等主人回家時，家中已經(jīng)是一個宜人的溫度了。2．物聯(lián)網(wǎng)智能家居中的傳感器（6）無線紅外轉(zhuǎn)發(fā)器這個產(chǎn)品主要是用于家中可以被紅外遙控器控制的設(shè)備，比如空調(diào)、電動窗簾、電視、投影機等等。通過無線紅外轉(zhuǎn)發(fā)器，人們可以通過手機遠程遙控空調(diào)，也可以不用起床就關(guān)閉窗簾等。它可以將傳統(tǒng)的家電立即轉(zhuǎn)換為智能家電。2．物聯(lián)網(wǎng)智能家居中的傳感器（7）云紅外入侵探測器這個產(chǎn)品主要用于防止非法入侵，比如當(dāng)用戶按下床頭的無線睡眠按鈕后，關(guān)閉的不僅是燈光，同時它也會啟動云紅外入侵探測器自動設(shè)防，此時一旦有人入侵就會發(fā)出報警信號并可按設(shè)定自動開啟入侵區(qū)域的燈光嚇退入侵者?；蛘弋?dāng)主人離家后它會自動設(shè)防，一旦有人闖入，會通過無線網(wǎng)關(guān)自動提醒主人的手機并接受手機發(fā)出的警情處理指令。2．物聯(lián)網(wǎng)智能家居中的傳感器（8）無線空氣質(zhì)量探測器該探測器主要探測臥室內(nèi)的空氣質(zhì)量是否混濁，這對于要回家休息的用戶很有意義，特別是對有嬰幼兒的家庭尤其重要。它通過探測空氣質(zhì)量告訴用戶目前室內(nèi)空氣是否影響健康，并可通過無線網(wǎng)關(guān)啟動相關(guān)設(shè)備優(yōu)化調(diào)節(jié)空氣質(zhì)量。2．物聯(lián)網(wǎng)智能家居中的傳感器（9）無線光照傳感器主要用于探測室內(nèi)光照度，在照度偏低時可聯(lián)動調(diào)光開關(guān)或智能開關(guān)自動開啟照明，也可以在陽光強烈時自動關(guān)閉窗簾遮陽。2．物聯(lián)網(wǎng)智能家居中的傳感器（10）無線門、窗磁感應(yīng)器主要用于防入侵。當(dāng)主人在家時，門、窗磁感應(yīng)器會自動處于撤防狀態(tài)，不會觸發(fā)報警。當(dāng)主人離家后，門、窗磁感應(yīng)器會自動進入布防狀態(tài)，一旦有人開門或開窗就會通知用戶的手機并發(fā)出報警信息。與傳統(tǒng)的門窗磁相比，無線門、窗磁感應(yīng)器無需布線，裝上電池即可工作，安裝非常方便，安裝過程一般不超過2分鐘。另外對于有保險柜的家庭來說，這種傳感器還能夠偵測并記錄下保險柜每次被打開或者關(guān)閉的時間并及時通知授權(quán)手機。這種無線門、窗磁感應(yīng)器同樣可用于自動照明等，比如當(dāng)主人回家開門時，燈光會自動亮起。2．物聯(lián)網(wǎng)智能家居中的傳感器（11）云抽屜鎖這種傳感器對于放有貴重物品的抽屜很有意義，當(dāng)抽屜被非法打開，即使用戶在千里之外，手機也會立即收到報警。另外根據(jù)設(shè)置，一旦抽屜被打開，信息就會自動保存在物聯(lián)云端，即使當(dāng)時手機處于關(guān)機狀態(tài)，一旦開機，報警信息就會推送過來，也可以通過手機查詢保存在云端的歷史報警信息。2．物聯(lián)網(wǎng)智能家居中的傳感器（12）無線智能閥門智能閥門主要用于控制家中的水管，一旦家中漏水，智能閥門會自動關(guān)閉以免造成更大的財產(chǎn)損失。2．物聯(lián)網(wǎng)智能家居中的傳感器（13）無線可燃氣泄漏探測器該探測器主要是探測家中的燃氣泄漏情況，一旦有燃氣泄漏會第一時間切斷燃氣閥門并通知授權(quán)手機。2．物聯(lián)網(wǎng)智能家居中的傳感器（14）無線煙霧（火警）探測器用于探測火災(zāi)，它可方便地與無線警報設(shè)備綁定，自動發(fā)出無線觸發(fā)信號，啟動警報器。也可以與授權(quán)手機或物業(yè)相關(guān)人員綁定，一旦出現(xiàn)火警會第一時間發(fā)出手機通知。2．物聯(lián)網(wǎng)智能家居中的傳感器（15）太陽能無線紅外電子?xùn)艡谥饕糜趪鷫?、陽臺等防范非法闖入，這種設(shè)備通過太陽能供電，無須布線，安裝靈活。2．物聯(lián)網(wǎng)智能家居中的傳感器（16）無線云體重計體重對于兒童成長、健康維護、疾病溯源有著重要的參考價值，無線云體重計可以幫助家庭成員記錄、保存體重數(shù)據(jù)。這種體重計可以方便地連接手機，在任何時間任何地點隨時調(diào)閱歷史體重資料。2．物聯(lián)網(wǎng)智能家居中的傳感器（17）無線自動窗簾自動窗簾可以根據(jù)時間、光照強度、控制命令、情景模式自動打開。2．物聯(lián)網(wǎng)智能家居中的傳感器（18）無線緊急按鈕在遇到緊急情況時按下緊急按鈕，求救信息會立即發(fā)送到授權(quán)手機、物管中心，同時可以啟動現(xiàn)場警報系統(tǒng)。2．物聯(lián)網(wǎng)智能家居中的傳感器（19）無線自動開窗器自動開窗器可以協(xié)助家庭通風(fēng)、避雨。2．物聯(lián)網(wǎng)智能家居中的傳感器（20）無線自動遮陽篷自動能夠根據(jù)陽光強度、雨水等自動伸縮調(diào)節(jié)，也可通過手機或開關(guān)控制。（21）無線床頭睡眠按鈕這是個可以固定或粘貼在床頭木板上的電池供電裝置，它的作用主要是幫助用戶在睡覺時關(guān)閉所有該關(guān)閉的電器同時啟動安全系統(tǒng)進入布防狀態(tài)。比如啟動無線紅外防闖入探測器、窗磁、門磁等進入預(yù)警布防狀態(tài)。另外它也能幫助啟動夜間的照明模式，比如當(dāng)主人夜間起床時，打開的燈光就會很柔和，而不會像進餐時那么明亮，即使這是同一盞燈。以上是一個典型的物聯(lián)網(wǎng)智能家居系統(tǒng)，當(dāng)然物聯(lián)網(wǎng)帶來的神奇之處在于任何人都可以根據(jù)自身的需要自由組合或DIY，所有的安裝都不需要專業(yè)人員的參與，一個普通的消費者即可完成，這也是物聯(lián)網(wǎng)型智能家居產(chǎn)品與傳統(tǒng)智能家居產(chǎn)品的一個重要區(qū)別。任務(wù)3探索無線傳感器網(wǎng)絡(luò)任務(wù)3探索無線傳感器網(wǎng)絡(luò)任務(wù)3探索無線傳感器網(wǎng)絡(luò)【任務(wù)描述】王經(jīng)理：要做到眼觀六路，耳聽八方是人類長久的夢想，現(xiàn)代衛(wèi)星技術(shù)的出現(xiàn)雖然使人們離這一目標(biāo)又進了一步，但是衛(wèi)星高高在上，洞察全局在行，明察細微就不管用了。這個時候，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)就派上用場了。將大量的傳感器節(jié)點遍撒指定區(qū)域，數(shù)據(jù)通過無線電波傳回監(jiān)控中心，監(jiān)控區(qū)域內(nèi)所有信息就會盡收觀察者的眼中了。任務(wù)3探索無線傳感器網(wǎng)絡(luò)2．重走無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展之路3．了解無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)1．了解無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）4.認識無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議5．了解無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點6．體驗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用1．了解無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）1996年，美國UCLA大學(xué)的WilliamJKaiser教授向DARPA提交的“低能耗無線集成微型傳感器”揭開了現(xiàn)代無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的序幕。1998年，同時UCLA大學(xué)的GregoryJPottie教授從網(wǎng)絡(luò)研究的角度重新闡釋了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的科學(xué)意義。在其后的10余年里，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)得到學(xué)術(shù)界、工業(yè)界乃至政府的廣泛關(guān)注，成為在國防軍事、環(huán)境監(jiān)測和預(yù)報、健康護理、智能家居、建筑物結(jié)構(gòu)監(jiān)控、復(fù)雜機械監(jiān)控、城市交通、空間探索、大型車間、倉庫管理以及機場、大型工業(yè)園區(qū)的安全監(jiān)測等眾多領(lǐng)域中最有競爭力的應(yīng)用技術(shù)之一。1．了解無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）無線傳感網(wǎng)絡(luò)(WSN，wirelesssensornetworks)綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計算技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無線通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)等，能夠通過各類集成化的微型傳感器實現(xiàn)實時監(jiān)測、感知和采集各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息，這些信息通過無線方式被發(fā)送，并以自組多跳的網(wǎng)絡(luò)方式傳送到用戶終端，從而實現(xiàn)物理世界、計算世界以及人類社會三元世界的連通。WSN以最少的成本和最大的靈活性，連接任何有通信需求的終端設(shè)備，采集數(shù)據(jù)，發(fā)送指令。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是把一定數(shù)量的傳感器或執(zhí)行單元設(shè)備任意分布，在有限時間內(nèi)，從某一個傳感器獲知其他傳感器的信息。作為無線自組雙向通信網(wǎng)絡(luò)，傳感網(wǎng)絡(luò)能以最大的靈活性自動完成不規(guī)則分布的各種傳感器與控制節(jié)點的組網(wǎng)，同時具有一定的移動能力和動態(tài)調(diào)整能力。1．了解無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是信息科學(xué)領(lǐng)域中一個全新的發(fā)展方向，同時也是新興學(xué)科與傳統(tǒng)學(xué)科進行領(lǐng)域間交叉的結(jié)果。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)經(jīng)歷了智能傳感器、無線智能傳感器、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)3個階段。智能傳感器將計算能力嵌入到傳感器中，使得傳感器節(jié)點不僅具有數(shù)據(jù)采集能力，而且具有濾波和信息處理能力；無線智能傳感器在智能傳感器的基礎(chǔ)上增加了無線通信能力，大大延長了傳感器的感知觸角，降低了傳感器的工程實施成本；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)則將網(wǎng)絡(luò)技術(shù)引入到無線智能傳感器中，使得傳感器不再是單個的感知單元，而是能夠交換信息、協(xié)調(diào)控制的有機結(jié)合體，實現(xiàn)物與物的互聯(lián)，把感知觸角深入世界各個角落。1．了解無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）將成千上萬個微型傳感器密集地分布在森林中，各傳感器通過無線網(wǎng)絡(luò)相互協(xié)作，共同執(zhí)行分布式感知任務(wù)，并將準(zhǔn)確的火源信息傳送給信息中心。1．了解無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與智慧地球智慧地球?qū)嵸|(zhì)上是把傳感器嵌入和裝備到電網(wǎng)、鐵路、橋梁、隧道、公路、建筑、供水系統(tǒng)、大壩、油氣管道等各種物體中，并且被普遍連接，并與現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)整合起來，實現(xiàn)人類社會與物理系統(tǒng)的整合。智慧地球的理念與廣義的傳感網(wǎng)基本一致，IBM的智慧地球概念，體現(xiàn)的也是互聯(lián)網(wǎng)和傳感的融合：信息革命的迅速發(fā)展使任何系統(tǒng)都可以實現(xiàn)數(shù)字量化和互聯(lián)，同時計算能力的高度發(fā)展，使爆炸式的信息量得到高速有效處理，并實現(xiàn)智慧的判斷、處理和決策。其更強調(diào)決策和處理過程的智能化。2．重走無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展之路傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展歷程分為以下三個階段：傳感器→無線傳感器→無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。第一階段:最早可以追溯至越戰(zhàn)時期使用的傳統(tǒng)的傳感器系統(tǒng)。當(dāng)年美越雙方在密林覆蓋的“胡志明小道”進行了一場血腥較量，“胡志明小道”是越南向南方游擊隊輸送物資的秘密通道，美軍對其進行了狂轟濫炸，但效果不大。后來，美軍投放了2萬多個“熱帶樹”傳感器?！盁釒洹睂嶋H上是由震動和聲響傳感器組成的系統(tǒng)，它由飛機投放，落地后插入泥土中，只露出偽裝成樹枝的無線電天線，因而被稱為“熱帶樹”。只要對方車隊經(jīng)過，傳感器探測出目標(biāo)產(chǎn)生的震動和聲響信息，自動發(fā)送到指揮中心，美機立即展開追殺，總共炸毀或炸壞4.6萬輛卡車?！盁釒洹钡某晒?yīng)用，促使許多國家紛紛研制各種地面?zhèn)鞲衅飨到y(tǒng)。這應(yīng)該說就是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)最早的應(yīng)用。2．重走無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展之路第二階段:二十世紀(jì)80年代至90年代之間。主要是美軍研制的分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、海軍協(xié)同交戰(zhàn)能力系統(tǒng)、遠程戰(zhàn)場傳感器系統(tǒng)等。1996年，美國UCLA大學(xué)的WilliamJKaiser教授向國防部遠景研究計劃局(DARPA)提交的“低能耗無線集成微型傳感器”揭開了現(xiàn)代WSN網(wǎng)絡(luò)的序幕，這種現(xiàn)代微型化的傳感器具備感知能力、計算能力和通信能力。1998年，同是UCLA大學(xué)的GregoryJPottie教授從網(wǎng)絡(luò)研究的角度重新闡釋了WSN的科學(xué)意義。在其后的10余年里，WSN網(wǎng)絡(luò)技術(shù)得到學(xué)術(shù)界、工業(yè)界乃至政府的廣泛關(guān)注，成為在國防軍事、環(huán)境監(jiān)測和預(yù)報、健康護理、智能家居、建筑物結(jié)構(gòu)監(jiān)控、復(fù)雜機械監(jiān)控、城市交通、空間探索、大型車間和倉庫管理以及機場、大型工業(yè)園區(qū)的安全監(jiān)測等眾多領(lǐng)域中最有競爭力的應(yīng)用技術(shù)之一。美國商業(yè)周刊將WSN網(wǎng)絡(luò)列為21世紀(jì)最有影響的技術(shù)之一，麻省理工學(xué)院(MIT)技術(shù)評論則將其列為改變世界的10大技術(shù)之一。2．重走無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展之路第三階段:21世紀(jì)開始至今，也就是美國9?11事件之后。這個階段的傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)特點在于網(wǎng)絡(luò)傳輸自組織、節(jié)點設(shè)計低功耗。除了應(yīng)用于反恐活動以外，在其它領(lǐng)域更是獲得了很好的應(yīng)用，所以2002年美國國家重點實驗室橡樹嶺實驗室提出了“網(wǎng)絡(luò)就是傳感器”的論斷。由于無線傳感網(wǎng)在國際上被認為是繼互聯(lián)網(wǎng)之后的第二大網(wǎng)絡(luò)，2003年美國《技術(shù)評論》雜志評出對人類未來生活產(chǎn)生深遠影響的十大新興技術(shù)，傳感器網(wǎng)絡(luò)被列為第一。在現(xiàn)代意義上的無線傳感網(wǎng)研究及其應(yīng)用方面，我國與發(fā)達國家?guī)缀跬絾?，它已?jīng)成為我國信息領(lǐng)域位居世界前列的少數(shù)方向之一。在2006年我國發(fā)布的《國家中長期科學(xué)與技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》中，為信息技術(shù)確定了三個前沿方向，其中有兩項就與傳感器網(wǎng)絡(luò)直接相關(guān)，這就是智能感知和自組網(wǎng)技術(shù)。當(dāng)然，傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展也是符合計算設(shè)備的演化規(guī)律。3．了解無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是將傳感器技術(shù)、通信技術(shù)、計算機技術(shù)結(jié)合在一起完成對信息的采集、傳輸和處理的一體化與自動化。傳統(tǒng)的傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通常包括傳感器節(jié)點（sensor）、匯聚節(jié)點（sinknode）和管理節(jié)點。大量傳感器節(jié)點隨機部署在監(jiān)測區(qū)域（sensorfield）內(nèi)部或附近，能夠通過自組織方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。傳感器節(jié)點監(jiān)測的數(shù)據(jù)沿著其他傳感器節(jié)點逐跳地進行傳輸，在傳輸過程中監(jiān)測數(shù)據(jù)可能被多個節(jié)點處理，經(jīng)過多跳后路由到匯聚節(jié)點，最后通過互聯(lián)網(wǎng)或衛(wèi)星到達管理節(jié)點。用戶通過管理節(jié)點對傳感器網(wǎng)絡(luò)進行配置和管理，發(fā)布監(jiān)測任務(wù)以及收集監(jiān)測數(shù)據(jù)。傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的組成和功能包括如下四個基本單元：傳感單元（由傳感器和模數(shù)轉(zhuǎn)換功能模塊組成）、處理單元（由嵌入式系統(tǒng)構(gòu)成，包括CPU、存儲器、嵌入式操作系統(tǒng)等）、通信單元（由無線通信模塊組成）、以及電源部分。此外，可以選擇的其它功能單元包括：定位系統(tǒng)、移動系統(tǒng)以及電源裝置等。3．了解無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)（1）無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點結(jié)構(gòu)無線傳感器的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點由傳感器模塊處理器模塊、無線通信模塊和能量供應(yīng)模塊四部分組成。傳感器模塊負責(zé)監(jiān)測區(qū)域內(nèi)信息的采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換；處理器模塊負責(zé)控制整個傳感器節(jié)點的操作，存儲和處理本身采集的數(shù)據(jù)以及其他節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)；無線通信模塊負責(zé)與其他傳感器節(jié)點進行無線通信，交換控制消息和收發(fā)采集數(shù)據(jù)；能量供應(yīng)模塊為傳感器節(jié)點提供運行所需的能量。3．了解無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)傳感器節(jié)點在無線傳感網(wǎng)中可以作為數(shù)據(jù)采集者、數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站或者簇頭節(jié)點。作為數(shù)據(jù)采集者，數(shù)據(jù)采集節(jié)點手機周圍環(huán)境數(shù)據(jù)，通過通信路由器協(xié)議直接或者間接地將數(shù)據(jù)傳遞給遠方基站或者Sink節(jié)點；作為數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站，節(jié)點除了完成數(shù)據(jù)采集任務(wù)以外，還要接受鄰居節(jié)點的數(shù)據(jù)，將其發(fā)送給距離基站更近的鄰居節(jié)點或者直接發(fā)送到基站或者Sink節(jié)點；作為簇頭節(jié)點，節(jié)點負責(zé)收集該簇內(nèi)所有節(jié)點采集到的數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)融合后，發(fā)送到基站或者節(jié)點。在傳感網(wǎng)中，傳感器的節(jié)點可以通過飛機播撒、人工安裝等方式部署在感知對象內(nèi)部、附近或周邊等地。這些節(jié)點通過自組織或設(shè)定方式組網(wǎng)，以協(xié)作方式感知、采集和處理覆蓋區(qū)域中特定的信息，實現(xiàn)對信息在任意地點、任意時間的采集、處理和分析，并以多跳中繼的方式將數(shù)據(jù)傳回匯聚節(jié)點Sink。3．了解無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)(2)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)無線傳感網(wǎng)由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)、具有無線通信與計算能力的大量的廉價微型傳感器節(jié)點組成。通過自組織方式構(gòu)成能夠根據(jù)環(huán)境完成指定任務(wù)的分布式、智能化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。無線傳感網(wǎng)的節(jié)點間一般采用多跳（multi-hop）方式進行通信。傳感器的節(jié)點協(xié)作監(jiān)控不同位置的物理或者環(huán)境狀況（如溫度、濕度、聲音、光照度等）3．了解無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)有三種：星狀網(wǎng)、網(wǎng)狀網(wǎng)和混合網(wǎng)。（a）星狀網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)（c）混合網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)（b）網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)4.認識無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議類似，無線傳感網(wǎng)協(xié)議也大致包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層協(xié)議，形成一個分層模型。物理層通信協(xié)議主要解決傳輸介質(zhì)選擇、傳輸頻段選擇、無線收發(fā)器的設(shè)計、調(diào)制方式等問題。由于無線傳感器節(jié)點的能量有限，物理層（包括其它層）的一個核心設(shè)計原則就是節(jié)能。傳感網(wǎng)使用的傳輸介質(zhì)主要包括無線電、紅外線、光波等，其中無線電是目前最主要的傳輸介質(zhì)。使用這種介質(zhì)需要解決頻段選擇、調(diào)制方式的選擇等問題。4.認識無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議數(shù)據(jù)鏈路層的研究主要集中在MAC協(xié)議。傳感網(wǎng)的MAC協(xié)議旨在為資源（特別是能量）受限的大量傳感器節(jié)點建立具有自組織能力的多跳通信鏈路，實現(xiàn)公平優(yōu)先的通信資源共享，處理數(shù)據(jù)包之間的碰撞，重點是如何節(jié)約能源。數(shù)據(jù)鏈路層的MAC協(xié)議又包括以下工作方式。（1）基于隨機競爭的MAC協(xié)議：這類協(xié)議為周期偵聽/睡眠，節(jié)點盡可能處于睡眠狀態(tài)，降低能耗。通過睡眠調(diào)度機制減少節(jié)點空閑偵聽時間；通過流量自適應(yīng)偵聽機制，減少消息傳輸延遲；根據(jù)流量動態(tài)調(diào)整節(jié)點活動時間，用突發(fā)方式發(fā)送信息，減少空閑偵聽時間。（2）基于TM（時分多址）的MAC協(xié)議：將所有節(jié)點分成多個簇，每簇有簇頭，為簇內(nèi)所有節(jié)點分配時槽，收集和處理簇內(nèi)節(jié)點來的數(shù)據(jù)，發(fā)送給Sink節(jié)點。也可將一個數(shù)據(jù)傳輸周期分為調(diào)度訪問階段和隨機訪問階段。調(diào)度訪問階段由多個連續(xù)的數(shù)據(jù)傳輸時槽組成，每個時槽分給特定節(jié)點，用來發(fā)送數(shù)據(jù)。隨機訪問階段由多個連續(xù)的信令交換時槽組成，用于處理節(jié)點的添加、刪除及時間同步等。網(wǎng)絡(luò)層路由協(xié)議主要包括基于聚簇的路由協(xié)議、基于地理位置的路由協(xié)議、能量感知路由協(xié)議、以數(shù)據(jù)為中心的路由協(xié)議等。5．了解無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點（1）大規(guī)模為了獲取精確信息，在監(jiān)測區(qū)域通常部署大量傳感器節(jié)點，可能達到成千上萬，甚至更多。傳感器網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模性包括兩方面的含義：一方面是傳感器節(jié)點分布在很大的地理區(qū)域內(nèi)，如在原始大森林采用傳感器網(wǎng)絡(luò)進行森林防火和環(huán)境監(jiān)測，需要部署大量的傳感器節(jié)點；另一方面，傳感器節(jié)點部署很密集，在面積較小的空間內(nèi)，密集部署了大量的傳感器節(jié)點。傳感器網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模性具有如下優(yōu)點：通過不同空間視角獲得的信息具有更大的信噪比；通過分布式處理大量的采集信息能夠提高監(jiān)測的精確度，降低對單個節(jié)點傳感器的精度要求；大量冗余節(jié)點的存在，使得系統(tǒng)具有很強的容錯性能；大量節(jié)點能夠增大覆蓋的監(jiān)測區(qū)域，減少洞穴或者盲區(qū)。5．了解無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點（2）自組織在傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，通常情況下傳感器節(jié)點被放置在沒有基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的地方，傳感器節(jié)點的位置不能預(yù)先精確設(shè)定，節(jié)點之間的相互鄰居關(guān)系預(yù)先也不知道，如通過飛機播撒大量傳感器節(jié)點到面積廣闊的原始森林中，或隨意放置到人不可到達或危險的區(qū)域。這樣就要求傳感器節(jié)點具有自組織的能力，能夠自動進行配置和管理，通過拓撲控制機制和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議自動形成轉(zhuǎn)發(fā)監(jiān)測數(shù)據(jù)的多跳無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。在傳感器網(wǎng)絡(luò)使用過程中，部分傳感器節(jié)點由于能量耗盡或環(huán)境因素造成失效，也有一些節(jié)點為了彌補失效節(jié)點、增加監(jiān)測精度而補充到網(wǎng)絡(luò)中，這樣在傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點個數(shù)就動態(tài)地增加或減少，從而使網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)隨之動態(tài)地變化。傳感器網(wǎng)絡(luò)的自組織性要能夠適應(yīng)這種網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的動態(tài)變化。5．了解無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點（3）動態(tài)性傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)可能因為下列因素而改變：①環(huán)境因素或電能耗盡造成的傳感器節(jié)點故障或失效；②環(huán)境條件變化可能造成無線通信鏈路帶寬變化，甚至?xí)r斷時通；③傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳感器、感知對象和觀察者這三要素都可能具有移動性；④新節(jié)點的加入。這就要求傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)要能夠適應(yīng)這種變化，具有動態(tài)的系統(tǒng)可重構(gòu)性。5．了解無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點（4）可靠性WSN特別適合部署在惡劣環(huán)境或人類不宜到達的區(qū)域，節(jié)點可能工作在露天環(huán)境中，遭受日曬、風(fēng)吹、雨淋，甚至遭到人或動物的破壞。傳感器節(jié)點往往采用隨機部署，如通過飛機撒播或發(fā)射炮彈到指定區(qū)域進行部署。這些都要求傳感器節(jié)點非常堅固，不易損壞，適應(yīng)各種惡劣環(huán)境條件。由于監(jiān)測區(qū)域環(huán)境的限制以及傳感器節(jié)點數(shù)目巨大，不可能人工“照顧”每個傳感器節(jié)點，網(wǎng)絡(luò)的維護十分困難甚至不可維護。傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信保密性和安全性也十分重要，要防止監(jiān)測數(shù)據(jù)被盜取和獲取偽造的監(jiān)測信息。因此，傳感器網(wǎng)絡(luò)的軟硬件必須具有魯棒性和容錯性。5．了解無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點（5）以數(shù)據(jù)為中心互聯(lián)網(wǎng)是先有計算機終端系統(tǒng)，然后再互聯(lián)成為網(wǎng)絡(luò)，終端系統(tǒng)可以脫離網(wǎng)絡(luò)獨立存在。在互聯(lián)網(wǎng)中，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備用網(wǎng)絡(luò)中惟一的IP地址標(biāo)識，資源定位和信息傳輸依賴于終端、路由器、服務(wù)器等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的IP地址。如果想訪問互聯(lián)網(wǎng)中的資源，首先要知道存放資源的服務(wù)器IP地址。可以說現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)是一個以地址為中心的網(wǎng)絡(luò)。傳感器網(wǎng)絡(luò)是任務(wù)型的網(wǎng)絡(luò)，脫離傳感器網(wǎng)絡(luò)談?wù)搨鞲衅鞴?jié)點沒有任何意義。傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點采用節(jié)點編號標(biāo)識，節(jié)點編號是否需要全網(wǎng)惟一取決于網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的設(shè)計。由于傳感器節(jié)點隨機部署，構(gòu)成的傳感器網(wǎng)絡(luò)與節(jié)點編號之間的關(guān)系是完全動態(tài)的，表現(xiàn)為節(jié)點編號與節(jié)點位置沒有必然聯(lián)系。用戶使用傳感器網(wǎng)絡(luò)查詢事件時，直接將所關(guān)心的事件通告給網(wǎng)絡(luò)，而不是通告給某個確定編號的節(jié)點。網(wǎng)絡(luò)在獲得指定事件的信息后匯報給用戶。這種以數(shù)據(jù)本身作為查詢或傳輸線索的思想更接近于自然語言交流的習(xí)慣。所以通常說傳感器網(wǎng)絡(luò)是一個以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò)。例如，在應(yīng)用于目標(biāo)跟蹤的傳感器網(wǎng)絡(luò)中，跟蹤目標(biāo)可能出現(xiàn)在任何地方，對目標(biāo)感興趣的用戶只關(guān)心目標(biāo)出現(xiàn)的位置和時間，并不關(guān)心哪個節(jié)點監(jiān)測到目標(biāo)。事實上，在目標(biāo)移動的過程中，必然是由不同的節(jié)點提供目標(biāo)的位置消息。5．了解無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點（6）集成化傳感器節(jié)點的功耗低，體積小，價格便宜，實現(xiàn)了集成化。其中，微機電系統(tǒng)技術(shù)的快速發(fā)展為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)接點實現(xiàn)上述功能提供了相應(yīng)的技術(shù)條件，在未來，類似“灰塵”的傳感器節(jié)點也將會被研發(fā)出來。（7）具有密集的節(jié)點布置在安置傳感器節(jié)點的監(jiān)測區(qū)域內(nèi)，布置有數(shù)量龐大的傳感器節(jié)點。通過這種布置方式可以對空間抽樣信息或者多維信息進行捕獲，通過相應(yīng)的分布式處理，即可實現(xiàn)高精度的目標(biāo)檢測和識別。另外，也可以降低單個傳感器的精度要求。密集布設(shè)節(jié)點之后，將會存在大多的冗余節(jié)點，這一特性能夠提高系統(tǒng)的容錯性能，對單個傳感器的要求得到了大大降低。最后，適當(dāng)將其中的某些節(jié)點進行休眠調(diào)整，還可以延長網(wǎng)絡(luò)的使用壽命。5．了解無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點（8）協(xié)作方式執(zhí)行任務(wù)這種方式通常包括協(xié)作式采集、處理、存儲以及傳輸信息。通過協(xié)作的方式，傳感器的節(jié)點可以共同實現(xiàn)對對象的感知，得到完整的信息。這種方式可以有效克服處理和存儲能力不足的缺點，共同完成復(fù)雜任務(wù)的執(zhí)行。在協(xié)作方式下，傳感器之間的節(jié)點實現(xiàn)遠距離通信，可以通過多跳中繼轉(zhuǎn)發(fā)，也可以通過多節(jié)點協(xié)作發(fā)射的方式進行.（9）自組織方式之所以采用這種工作方式，是由無線傳感器自身的特點決定的。由于事先無法確定無線傳感器節(jié)點的位置，也不能明確它與周圍節(jié)點的位置關(guān)系，同時，有的節(jié)點在工作中有可能會因為能量不足而失去效用，則另外的節(jié)點將會補充進來彌補這些失效的節(jié)點，還有一些節(jié)點被調(diào)整為休眠狀態(tài)，這些因素共同決定了網(wǎng)絡(luò)拓撲的動態(tài)性。這種自組織工作方式主要包括：自組織通信，自調(diào)度網(wǎng)絡(luò)功能以及自管理網(wǎng)絡(luò)等。6．體驗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用隨著計算成本的下降以及微處理器體積越來越小，已經(jīng)有為數(shù)不少的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)開始投入使用。目前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用主要集中在以下領(lǐng)域：（1）WSN在環(huán)境的監(jiān)測和保護方法的應(yīng)用隨著人們對環(huán)境問題的日益關(guān)注重視，環(huán)境監(jiān)測所涉及的范圍越來越廣，由于傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集方式難以適應(yīng)復(fù)雜多變的環(huán)境。而WSN具有自組織性和較好的容錯能力，所以非常適合應(yīng)用于野外環(huán)境，極大地方便了環(huán)境研究所需的原始數(shù)據(jù)的獲取。6．體驗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用在太湖大范圍水域布放傳感器，通過無線傳輸方式24小時監(jiān)測太湖水質(zhì)的各項變化，并將數(shù)據(jù)及時傳回數(shù)據(jù)中心。6．體驗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用科學(xué)家在海拔4093米的南極冰穹A地區(qū)，布設(shè)監(jiān)測冰雪變化的無線傳感網(wǎng)絡(luò)，將南極冰雪表面數(shù)據(jù)與空中的遙感衛(wèi)星監(jiān)測數(shù)據(jù)相結(jié)合，對南極冰穹開展天地一體的監(jiān)測研究。6．體驗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用（2）WSN在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以監(jiān)視農(nóng)作物灌溉情況、土壤空氣變更、牲畜和家禽的環(huán)境狀況以及大面積的地表檢測。來獲得農(nóng)作物生長的最佳條件，為溫室精準(zhǔn)調(diào)控提供科學(xué)依據(jù)。最終使溫室中傳感器、執(zhí)行機構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化，從而達到增加作物產(chǎn)量、提高經(jīng)濟效益的目的。6．體驗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用北京市科委計劃項目“蔬菜生產(chǎn)智