无线传感器网络

第一章

1、传感器网络的标准定义是这样的：

传感器网络是大量的静止或移动的传感器以自组织和多跳的方式构成的无线网络，其目的是协作地感知、采集、处理和传输网络覆盖地理区域内感知对象的监测信息，并报告给用户。 它的英文是Wireless Sensor Network, 简称WSN。

2、无线网络分为两种：1、无线蜂窝网，是一种有基础设施的网络，需要固定基点（无线局域网也是）2、无基础设施网，又称无线Ad Hoc网络，节点是分布式的，没有固 定基点Ad Hoc分为两类：移动Ad Hoc网络，无线传感器网络

传感器网络的五层协议：物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层 3、无线传感器的组成：传感器、感知对象和用户是传感器网络的三个基本元素。 4、传感器网络节点的体系：由分层的网络通信协议、网络管理平台、应用支撑平台组成 （1） 网络通信协议：物理层、数据链路层、网络层、传输层、（应用层）

（2） 网络管理平台：拓扑控制、服务质量管理、能量管理、安全管理、移动管理、网络 管理

（3） 应用支撑平台：时间同步、定位、应用服务接口、网络管理接口 5、传感器网络与现有无线网络的区别：

无线自组网是由几十到上百个结点组成的、采用无线通信方式的、动态组网的、多跳的移动性对等网络。传感器网络是集成了监测、控制和无线通信的网络系统，结点数目更为庞大；它的结点分布更为密集；由于环境影响和能量耗尽，结点更容易出现故障；环境干扰和结点故障易照成网络拓扑结构的变化；通常情况下大多数传感器的结点是固定不动的。另外，传感器结点具有的能量、处理能力、存储能力和通信能力等都十分有限。传统的无线网络的首要设计目标是提供高质量服务和高效带宽利用，其次才考虑节约能源；而传感器网络的首要设计目标是能源的高效使用。

6、传感器网络与现场总线的区别：

现场总线是应用在生产现场和微机化测量控制设备之间、实现双向单行多结点数字通信的系统，也被称为开放化、数字化、多点通信的底层控制网络。由于现场总线通过报告传感器数据从而控制物理环境，所以从某种程度上说它与传感器网络非常相似。我们甚至可以将无线传感器网络看作是无线现场总线的实例。但是两者的区别是明显的，无线传感器网络关注的焦点不是数十毫秒范围内的实时性，而是具体的业务应用，这些应用能够容许较长时间的延迟和抖动。另外，基于传感器网络的一些自适应协议在现场总线中并不需要，如多跳、自组织的特点，而且现场总线及其协议也不考虑节约能源问题。

7、传感器结点的限制条件：1、电源能量的有限 2、通信能力受限 3、计算和存储能力受限 8、组网特点：1、自组织性 2、以数据为中心 3、应用相关性 4、动态性 5、网络规模大 6、高可靠性

9、无线传感器网络的发展阶段：

1、 第一阶段：20世纪70年代越战时期使用的传统的传感器系统。标志事件：“热带树” 2、 第二阶段：20世纪80年代至90年代之间的传感器网络结点集成化。标志事件：商业周 刊

3、 第三阶段：从21世纪至今的多跳自组网。标志事件“9.11” 第二章

1、传感器的定义和作用

传感器网络的终端探头通常代表了用户的功能需求，终端传感器技术是支撑和最大化网络应用性能的基石，为网络提供了丰富多彩的业务功能。

什么是传感器？一般来说能够把特定的被测量信息（物理量、化学量、生物量等）按一定规

律转换成某种可用信号（电信号、光信号等）的器件或装置，我们把它称为传感器。 传感器的作用类似于人的感觉器官，是实现测试与控制的首要环节。

2、传感器的组成

传感器一般由敏感元件、转换元件和基本转换电路组成。

敏感元件是传感器中能感受或响应被测量的部分。转换元件是将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的信号（一般指电信号）部分。基本转换电路可以对获得的微弱电信号进行放大、运算调制等。另外，基本转换电路工作时必须有辅助电源。 3、传感器的分类

按被测量与输出电量的转换原理划分，可分为能量转换型和能量控制型两大类。能量转换型传感器直接将被测对象（如机械量）的输入转换成电能。属于这种类型的传感器包括压电式传感器、磁电式传感器、热电偶传感器等。能量控制型传感器直接将被测量转换成电参量（如电阻等），依靠外部辅助电源才能工作，并且由被测量控制外部供给能量的变化。属于这种类型的传感器包括电阻式、电感式、电容式等。

传感器按测量原理分类，主要有物理和化学原理，包括电参量式、磁电式、磁致伸缩式、压电式和半导体式等。执行器按控制系统要求，应具备高精确度控制和快速响应的能力，主要有电动执行器、气动执行器、液压执行器、压电陶瓷执行器和纳米执行器等。

按被测量的性质不同划分为位移传感器、力传感器、温度传感器等。 按输出信号的性质可分为开关型（二值型）、数字型、模拟型。数字式传感器能把被测的模拟量直接转换成数字量，它的特点是抗干扰能力强、稳定性强、易于微机接口、便于信号处理和实现自动化测量。

2.2 常见传感器的类型介绍（名、问）

1、能量控制型传感器

能量控制型传感器将被测非电量转换成电参量，在工作过程中不能起换能作用，需从外部供给辅助能源使其工作，所以又称作无源传感器。电阻式、电容式、电感式均属这一类型。 2、能量转换型传感器

能量转换型传感器感受外界机械量变化后，输出电压、电流或电荷量。它可以直接输出或放大后输出信号，传感器本身相当于一个电压源或电流源，因而这种传感器又叫做有源传感器。 压电式、磁电式和热电式传感器等均属这一类型。

3、光敏传感器

光敏传感器是一种感应光线强弱的传感器。当感应到光强度不同时，光敏探头内的电阻值就会有变化。常见的光敏传感器有光电式传感器、色敏传感器、CCD图像传感器和红外/热释电式光敏器件等。将光量转换为电量的器件称为光电传感器或光电元件。

4、气、湿敏传感器

气敏传感器是一种能将检测到的气体成分和浓度转换为电信号的传感器。半导体气敏传感器广泛应用于可燃性气体的探测与报警，以预测灾害性事故的发生。

5、集成与智能传感器

集成传感器是将敏感元件、测量电路和各种补偿元件等集成在一块芯片上，具有体积小、重量轻、功能强和性能好的特点。目前广泛应用的集成传感器有集成温度传感器、集成压力传感器、集成霍尔传感器等。若将几种不同的敏感元件集成在一个芯片上，可以制成多功能传感器，可同时测量多种参数。

智能传感器（Smart Sensor）是在集成传感器的基础上发展起来的，是一种装有微处理器的、能够信息处理和信息存储以及逻辑分析判断的传感器系统。智能传感器利用集成或混合集成的方式将传感器、信号处理电路和微处理器集成为一个整体。 智能传感器与传统传感器相比，具有如下几个特点：

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（1）具有自动调零和自动校准功能。

（2）具有判断和信息处理功能，对测量值进行各种修正和误差补偿。 （3）实现多参数综合测量。 （4）自动诊断故障。

（5）具有数字通信接口，便于与计算机联机。 2.3 传感器的一般特性和正确选型

2.3.1 传感器的一般特性 1、 灵敏度

传感器的灵敏度指传感器达到稳定工作状态时，输出变化量与引起变化的输入变化量之比，即K=输出变化量/输入变化量=△Y/△X=dy/dx 2、响应特性 3、线性范围 4、稳定性 5、重复性 6、漂移 7、精度

8、分辨度（力） 9、迟滞

2.3.2 传感器选型的原则 1、测量对象与环境 2、灵敏度 3、频率响应特性 4、线性范围 5、稳定性 6、精度

2.4微型传感器的应用示例P38 2.4.2 磁阻传感器用于车辆探测

1、磁感应探测原理

运动车辆的每个部分都会产生一个可重复的对地球磁场的扰动，不管车辆向哪个方向行驶，这个特征都会被可靠地检测到。

检测车辆存在的另一种方法是观察磁场变化的大小，磁场大小的变化表明了对地磁场整体的干扰程度。

用途P43

第三章传感器网络的通信与组网技术 1、物理层的主要功能如下：

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① 为数据终端设备(Data Terminal Equipment，DTE)提供传送数据的通路。 ②传输数据。

③其他管理工作。

2、通常物理接口标准对物理接口的四个特性进行了描述： ①机械特性。它规定了物理连接时使用的可接插连接器的形状和尺寸，连接器中的引脚数量和排列情况等。

②电气特性。它规定了在物理连接上传输二进制比特流时，线路上信号电平高低、阻抗以及阻抗匹配、传输速率与距离限制。 ③功能特性。它规定了物理接口上各条信号线的功能分配和确切定义。物理接口信号线一般分为数据线、控制线、定时线和地线。

④规程特性。它定义了信号线进行二进制比特流传输线的一组操作过程，包括各信号线的工作规则和时序。

3、无线通信物理层的主要技术 (1)介质和频段选择

无线通信的介质包括电磁波和声波。电磁波是最主要的无线通信介质，而声波一般仅用于水下的无线通信。根据波长的不同，电磁波分为无线电波、微波、红外线、毫米波和光波等，其中无线电波在无线网络中使用最广泛。 (2)调制技术

调制和解调技术是无线通信系统的关键技术之一。通常信号源的编码信息（即信源）含有直流分量和频率较低的频率分量，称为基带信号。基带信号往往不能作为传输信号，因而要将基带信号转换为相对基带频率而言频率非常高的带通信号，以便于进行信道传输。通常将带通信号称为已调信号，而基带信号称为调制信号。 调制对通信系统的有效性和可靠性有很大的影响，采用什么方法调制和解调往往在很大程度上决定着通信系统的质量。根据调制中采用的基带信号的类型，可以将调制分为模拟调制和数字调制。

模拟调制是用模拟基带信号对高频载波的某一参量进行控制，使高频载波随着模拟基带信号的变化而变化。

数字调制是用数字基带信号对高频载波的某一参量进行控制，使高频载波随着数字基带信号的变化而变化。目前通信系统都在由模拟制式向数字制式过渡，因此数字调制已经成为了主流的调制技术。

(3)扩频技术

扩频又称为扩展频谱，它的定义如下：扩频通信技术是一种信息传输方式，其信号所占有的频带宽度远大于所传信息必需的最小带宽；频带的扩展是通过一个独立的码序列来完成，用编码及调制的方法来实现，与所传信息数据无关；在接收端用同样的码进行相关同步接收、解扩和恢复所传信息数据。

扩频技术按照工作方式的不同，可以分为以下四种：直接序列扩频(Direct Sequence Spread Spectrum, DSSS)、跳频(Frequency Hopping Spread Spectrum, FHSS)、跳时(Time Hopping Spread Spectrum, THSS)和宽带线性调频扩频(chirp Spread Spectrum, chirp-SS，简称切普扩频)。

4、无线传感器网络物理层的特点 ISM特点：“工业、科学和医疗”(Industrial，Scientific and Medical, ISM)频段，ISM频段的优点在于它是自由频段，无须注册，可选频谱范围大，实现起来灵活方便。ISM频段的缺点主要是功率受限，另外与现有多种无线通信应用存在相互干扰问题。 5、 传感器网络物理层的设计

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