传感器相应技术

4.1 传感器

4.1.1感知能力与传感器的发展

人的感知能力   

眼、耳、鼻、舌、皮肤是人类感知外部物理世界的重要感官。我们用手接触物体来知道物体时热是凉；用手提起一个物体来判断出他大概有多重；用眼睛可以快速的从教室的很多学生中找出班长；用舌头可以尝出实物的酸甜苦辣；用鼻子可以闻出各种气味。人类史通过视觉、味觉、听觉、嗅觉、触觉五大感官来感知周围的环境，这是人类认识世界的基本途径。人类具有非常智慧的感知能力。我们可以综合视觉、味觉、听觉、嗅觉、触觉等多种手段感知的信息，来判断我们周边的环境是否正常，是否发生了火灾、污染或交通堵塞。然而，仅仅依靠人的基本感知能力是远远不够的。

随着人类对外部世界的改造，对位置领域与空间的拓展，人类需要的信息来源、种类、数量、精度不断增加，对信息获取的手段也是提出了更高的要求，而传感器是满足人类对各种信息感知需求的主要工具。最早的传感器出现在1861年。传感器是实现信息感知、自动检测盒自动控制的首要环节，也可以说是人类无关的延伸。

传感器的基本概念

传感器（Sensor）是用敏感元件和转换元件组成的一种检索装置，能感受到被测量，并能将检测和感受到的信息按一定规律变换成为电信号（电压、电流、频率或相位）输出，以满足感知信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制的要求。图    给出了传感器结构示意图。

图     给出了声传感器工作原理示意图。当声波传播到声敏感元件时，声敏感元件将声音信号转换为电信号，输入到转换电路。转换电路将微弱的电信号放大、整形后、输出与被测量的声波频率域强度相对应的数字信号（或模拟信号）。

                       图   传感器结构示意图

                        图    声波传感器工作原理示意图

4.1.2  传感器分类和作用

传感器的分类

在测量和控制的应用中可以选用的传感器种类非常多。一个被测量，可以用不同种类的传感器测量，如温度既可以用热电阻测量，又可以用热电阻测量，还可以用光纤传感器测量；而同一原理的传感器，通常又可以测量多种非电量，如电阻应变传感器既可测量质量，又可测量压力，还可以测量加速度等。因此传感器的分类方法很多，主要可按一下几种方法分类。

◆ 按输入被测量分类

这是一种按输入量的性质分类的方法。表    给出了输入传感器的被测量的分类及其包含的被测量。

                            表   按传感器输入量分类

这种分类方法的优点是明确了传感器的用途，便于读者根据用途有针对性地查阅所需的传感器。一般工程书籍及参考室、手册按此分类方法分类。

◆  按工作原理分类

这是一种按传感器的工作原理分类的方法，见表  

                             表    

这种分类方法的优点是能够清楚地表达各种传感器的工作原理。

◆ 按输出信号的性质分类

   按输出信号的性质可分为模拟式传感器和数字式传感器。

◆  按传感器的能量转换情况分类

按传感器的能量转换情况可分为能量控制型传感器和能量转换型传感器。

? 能量控制型传感器在信息转换过程中其能量需要外电源供给。如电阻、电感、电容等电参量传感器属于能量控制型传感器。

? 能量转换型传感器又称为发电型传感器，其输出端的能量是由被测对象取出的能量转换而来。它无须外加电源，而能将被测非电量转换成电量输出。如热电阻、光电池、压电传感器、磁电传感器等属于能量转换型传感器。

传感器的作用

     随着现代科学技术的高速发展，人类已经进入瞬息万变的信息时代，在从事工农业生产和科学实验等工作中，常常需要对信息资源进行开发、采集、传输处理。在物联网中，传感器处于研究对象与检测系统的接口位置，是感知、获取与检测信息的窗口，它提供物联网系统赖以进行决策和处理所需的原始数据。

传感器在工业自动化系统中的作用。在工业自动化生产过程中以“传感器----计算机”为核心的自动检测与控制系统，在石油、电力、航天、冶金、机械制造、动力机械、化工、生物等领域得到广泛的应用。

传感器在航空航天的作用。在飞机、火箭、宇宙飞船等飞行器上，使用传感器对飞行速度方向、飞行姿态进行检测。

传感器在资源探测与环境保护中的作用。传感器用于陆地、海洋、太空资源，以及空间环境、气象等方面的测量，如测定农田土地状态、作物分布；掌握森林资源、渔业资源、海洋资源等。在环境保护方面，可用于对大气、水质污染、放射性、噪声的检测等。

传感器在医学领域中的作用。在医学上，传感器可以对人体温度、血压及腔内压力、血液以及呼吸流量、心脑电波、脉搏及心音等进行高准确度的检测，还能实现对患者的自动检测盒监护。

传感器在家用电子产品中的作用。传感器在家用电器中得到广泛的应用，如电冰箱、微波炉、洗衣机、影院、数码相机、液晶电视等都用到了各种不同的传感器。

传感器在军事领域中的作用。利用超声波在水底探测鱼雷，潜艇用压电陶瓷制成的压电引信可以用作弹丸检测装置。利用红外线可以探测地形、地物和军事目标，红外雷达可以搜索、跟踪、测距，可以搜索岛上千公里外的目标等等。

4.1.3 传感器在物联网的应用

一说到传感器,可能大家就会往小的方面想,在物联网的大概念下,一个泛在的物联网系统,随着参照物的不同,传感器可以是一个“大”的“智能物件”, 它可以是一个机器人、一台机床、一列火车,甚至是一个卫星或太空探测器。物联网关注传感器的实际应用,下面是按应用方式进行的分类。

1.液位传感器:利用流体静力学原理测量液位,是压力传感器的一项重要应用,适用于石油化工、冶金、电力、制药、供排水、环保等系统和行业的各种介质的液位测量。

2.速度传感器:是一种将非电量(如速度、压力)的变化转变为电量变化的传感器,适应于速度监测。

3.加速度传感器:是一种能够测量加速力的电子设备,可应用在控制、手柄振动和摇晃、仪器仪表、汽车制动启动检测、地震检测、报警系统、玩具、结构 物、环境监视、工程测振、地质勘探、铁路、桥梁、大坝的振动测试与分析,以及鼠标,高层建筑结构动态特性和安全保卫振动侦察上。

4.湿度传感器:分为电阻式和电容式两种,产品的基本形式都为在基片涂覆感湿材料形成感湿膜。空气中的水蒸汽吸附于感湿材料后,元件的阻抗、介质常数发生很大的变化,从而制成湿敏元件,适用于湿度监测。

5.气敏传感器:是一种检测特定气体的传感器,适用于一氧化碳气体、瓦斯气体、煤气、氟利昂(R11、R12)、呼气中乙醇、人体口腔口臭的检测等。

6.压力传感器:是工业实践中最为常用的一种传感器,广泛应用于各种工业自控环境,涉及水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业。

7.激光传感器:利用激光技术进行测量的传感器,广泛应用于国防、生产、医学和非电测量等。

8.MEMS传感器:包含硅压阻式压力传感器和硅电容式压力传感器,两者都是在硅片上生成的微机械电子传感器,广泛应用于国防、生产、医学和非电测量等。

9.红外线传感器:利用红外线的物理性质来进行测量的传感器,常用于无接触温度测量、气体成分分析和无损探伤,应用在医学、军事、空间技术和环境工程等。

10.超声波传感器:是利用超声波的特性研制而成的传感器,广泛应用在工业、国防、生物医学等。

11.遥感传感器:是测量和记录被探测物体的电磁波特性的工具,用在地表物质探测、遥感飞机上或是人造卫星上。

12.视觉传感器:能从一整幅图像捕获光线数以千计的像素,工业应用包括检验、计量、测量、定向、瑕疵检测和分捡。

虽然,物联网的产业供应链包括传感器和芯片供应商、应用设备提供商、网络运营及服务提供商、软件与应用开发商和系统集成商。但是,作为“金字塔”的 塔座,传感器将会是整个链条需求总量最大和最基础的环节。“传感器是物联网技术的支撑、应用的支撑和未来泛在网的支撑,传感器感知了物体的信息,RFID 赋予它电子编码,传感网到物联网的演变是信息技术发展的阶段表征。”

4.2 智能传感器

    4.2.1  智能传感器的研究与发展

引言

智能传感器是美国宇航局（NASA）在开发宇宙飞船的过程中产生的。宇宙飞船需要速度、加速度、位置和姿态等传感器，宇航员的生活环境需要温度、气压、空气成分和微量气体传感器，科学观测也要用大量的各种传感器。宇宙飞船观测到的各种数据时很庞大的，处理这些数据需要用超大型计算机。要不丢失数据，并降低成本，必须有可能实现传感器与计算机一体化的灵巧传感器。因此实现数据处理由集中处理变为分散处理，避免使用超大型计算机，由此而产生了智能传感器。

智能传感器是涉及微机械与微电子技术、计算机技术、信号处理技术、电路与系统、传感技术、神经网络技术及模糊理论等多种学科的综合性技术，多年来一直是国内外科技界研究的热点。智能传感器鬼区主要用于过程工业，如今在离散自动化领域和商业领域都有广泛的应用。

概念与原理

电气电子工程师学会（IEEE）在1998年通过了智能传感器的定义，即“除产生一个被测量或被控量的正确表示之外，还同时具有简化转换能器的综合信息以用于网络环境的功能的传感器”。也就是说，智能传感器是一种带有微处理器的，具有信息检测、信息处理、信息记忆、逻辑思维与判断功能的传感器。

智能传感器是由传统的传感器和微处理器（或微计算机）相结合而构成的，它充分利用微处理器的计算和存储能力对传感器的数据进行处理，并能对它的内部行为进行调节，使采集的数据最佳。图   是智能传感器的原理框图，它包括测量信号调节（如滤波、放大、A/D转换等）、数据处理、数据显示以及自校自补偿等功能。

                    图   智能传感器原理框图

微处理器是智能传感器的核心，它不但可以对传感器的测量数据进行计算、存储、数据处理，还可以通过反馈回路对传感器进行调节。由于微处理器充分发挥各种软件的功能，可以完成硬件难以完成的任务，从而大大降低了传感器制造的难度，提高传感器的性能，降低成本。需要指出的是，除微处理器以外，智能传感器相对于传统的另一显著特征就是其信号调理电路。被测的物理量转换成相应的电信号后，送到信号调理电路中，进行滤波、放大、转换、再送入计算机（微处理器）中进行处理。

发展前景

在未来，智能传感器技术的发展将具有一下特点：

（一）

集成化：集成化智能传感器是将传统的经典传感器、信号调理电路、带数字总线接口的微处理器组合为一个整体而构成的一个智能传感器系统。这种集成化智能传感器是在现场总线控制系统的发展推动下发展起来的。

其中模糊传感器是近年来发展的一个新方向。它是数值测量的基础上经过模糊推理和知识合成，以模拟人类自然语言符号描述的形式输出测量结果。模糊传感器的 “智能”表现在它可以模拟人类感知的全过程。它不仅具有智能传感器的一般优点和功能，而且具有学习推理的能力，具有适应测量环境变化的能力，并能够根据测量任务的要求进行学习推理。此外，它还具有与上级系统交换信息的能力，以及 自我管理和调节的能力。图    为模糊传感器的结构示意图。

                图    模糊传感器的结构示意图

（二）

集成微型化：采用微机械加工技术和大规模集成 电路工艺技术，利用硅作为基本材料来制作敏感元件、信号调理电路、微处理单元，并把它们集成在一块芯片上。国外也称它为专用集成微型传感技术 (ASIM)。这种传感器具有微型化、结构一体化、精度高、多功能、阵列式 全数化等特点 。

但是由于其集成难度大，需要大批量的规模生产才能降低成本。以目前的技术水平，要低成本实现集成微型化的智能传感器系统还非常困难。但集成微型化的智能传感器系统在航天、导弹制导、精密控制等方面具有重大的应用价值 。

（三）

混合型：根据需要与可能，将传感器的各个单元分别进行集成化。如将敏感单元、信号调理电路、微处理单元、数字总线接 口以不同的组合方式集成在两块或三块芯片上．并封装在一个外壳里。

这种方法既能根据需要灵活地采用集成方案，降低集成实现的难度．又能灵活地利用信息融合等信号处理技术．确保系统具有极优越的性能。与非集成化传感器系统或简单的集成传感器系统相比．系统功耗较低、体积较小、重量较低、可靠性更高、速度更快。采用表面安装技术 (SH T)进行二次封装，系统的某些模块失效后．可以将其替换．从而大大提高系统的性价比。

（四）

网络化：随着网络时代的到来特别是Internet的迅速发展，信息化已进入崭新的阶段。网络化智能传感器即在智能传感技术上融合通信技术和计算机技术，使传感器具备 自检、自校、自诊断及网络通信功能，从而实现信息的 采“集”、“传输”和处理，成为统一协调的一种新型智能传感器。网络化智能传感器使传感器由单一功能、单一检测向多功能和多点检测发展；从被动检测向主动进行信息处理方向发展；从就地测量向远距离实时在线测控发展网络化使得传感器可以就近接入网络，传感器与测控设备间再无需点对点连接，大大简化 了连接线路，节省投资，易于系统维护，也使系统易于扩充。 

网络化智能传感器一般由信号采集单元、数据处理单元和网络接口单元组成。这三个单元可以是采用不同芯片构成合成式的，也可能是单片式结构。其基本结构如图     。          

图   网络化智能传感器的基本结构

网络化智能传感器的核心是嵌入式微处理器。嵌入式微处理器具有微体积、微功耗、可靠性高、可抗干扰能力强等特点。带有高速CmS F]ash／EEP~ 0M，片内可以集成多个通道的模／数转换模块。可以实现模拟量／数字量之间的转换，完成信号数据的采集、处理 (如数字滤波、非线性补偿、零点漂移与温度补偿、自诊断与 自保护等)和数据输出调度 (包括数据通信和控制量本地输出)。因此，传感器的线性度和测量精度大大提高同时，由于传感器已进行了大量的信息处理，不但减少了测控系统中主控站的工作量，而且减少了系统的信息传输量，可以使系统的可靠性和实时性大大提高。

网络化智能传感器研究的关键技术是网络接 口技术网络化传感器必须符合某种网络协议，使现场测控数据能直接进入网络。由于目前工业现场存在多种网络标准，因此也随之发展起来了多种网络化智能传感器，具有各自不同的网络接口单元类型。目前主要有基于现场总线的智能传感器和基于以太网协议的智能传感器两大类。 

4.2.2智能传感器的原理与分类

智能传感器是一种能够对被测对象的某一信息具有感受、检出的功能；能学习、推理判断处理信号：并具有通信及管理功能的一类新型传感器。智能传感器有自动校零、标定、补偿、采集数据等能力。其能力决定了智能化传感器还具有较高的精度和分辨率，较高的稳定性及可靠性，较好的适应性，相比于传统传感器还具有非常高的性价比。

1智能传感器的实现途径

利用集成或混合集成方式将敏感元件、信号处理器和微处理器集成在一起，利用存储器中的驻留程序软件，实现传感功能。

采用新的检测技术，通过超精加工和纳米技术设计结构，提高灵敏度及实用性能。

充分利用人工智能材料AIM(Artificial Intelligent Ma-terials)。由于人工智能材料具有感知环境变化，进行 自我判断以及发出指令和 自动采取行动等功能，因此人工智能材料和智能传感器是不可分割的两部分。

2智能传感器的功能

概括而言， 智能传感器的主要功能是：

(1) 具有自校零、 自标定、 自校正功能；

(2) 具有自动补偿功能；

(3) 能够自动采集数据， 并对数据进行预处理；

(4) 能够自动进行检验、 自选量程、 自寻故障；

(5) 具有数据存储、记忆与信息处理功能；

(6) 具有双向通讯、标准化数字输出或者符号输出功能；

(7) 具有判断、决策处理功能。

可实现的功能

智能传感器的功能是通过模拟人的感官和大脑的协调动作，结合长期以来测试技术的研究和实际经验而提出来的。是一个相对独立的智能单元，它的出现对原来硬件性能苛刻要求有所减轻，而靠软件帮助可以使传感器的性能大幅度提高。

◆信息存储和传输——随着全智能集散控制系统(SmartDistributedSystem)的飞速发展，对智能单元要求具备通信功能，用通信网络以数字形式进行双向通信，这也是智能传感器关键标志之一。智能传感器通过测试数据传输或接收指令来实现各项功能。如增益的设置、补偿参数的设置、内检参数设置、测试数据输出等。

◆自补偿和计算功能——多年来从事传感器研制的工程技术人员一直为传感器的温度漂移和输出非线性作大量的补偿工作，但都没有从根本上解决问题。而智能传感器的自补偿和计算功能为传感器的温度漂移和非线性补偿开辟了新的道路。这样，放宽传感器加工精密度要求，只要能保证传感器的重复性好，利用微处理器对测试的信号通过软件计算，采用多次拟合和差值计算方法对漂移和非线性进行补偿，从而能获得较精确的测量结果压力传感器。

◆自检、自校、自诊断功能——普通传感器需要定期检验和标定，以保证它在正常使用时足够的准确度，这些工作一般要求将传感器从使用现场拆卸送到实验室或检验部门进行。对于在线测量传感器出现异常则不能及时诊断。采用智能传感器情况则大有改观，首先自诊断功能在电源接通时进行自检，诊断测试以确定组件有无故障。其次根据使用时间可以在线进行校正，微处理器利用存在EPROM内的计量特性数据进行对比校对。

◆复合敏感功能——我们观察周围的自然现象，常见的信号有声、光、电、热、力、化学等。敏感元件测量一般通过两种方式：直接和间接的测量。而智能传感器具有复合功能，能够同时测量多种物理量和化学量，给出能够较全面反映物质运动规律的信息。如美国加利弗尼亚大学研制的复合液体传感器，可同时测量介质的温度、流速、压力和密度。美国EG&GICSensors公司研制的复合力学传感器，可同时测量物体某一点的三维振动加速度（加速度传感器）、速度（速度传感器）、位移（位移传感器），等等。

◆智能传感器的集成化----由于大规模集成电路的发展使得传感器与相应的电路都集成到同一芯片上，而这种具有某些智能功能的传感器叫作集成智能传感器集成智能传感器的功能有三个方面的优点：较高信噪比：传感器的弱信号先经集成电路信号放大后再远距离传送，就可大大改进信噪比。改善性能：由于传感器与电路集成于同一芯片上，对于传感器的零漂、温漂和零位可以通过自校单元定期自动校准，又可以采用适当的反馈方式改善传感器的频响。信号规一化：传感器的模拟信号通过程控放大器进行规一化，又通过模数转换成数字信号，微处理器按数字传输的几种形式进行数字规一化，如串行、并行、频率、相位和脉冲等。

3智能传感器的分类

智能传感器根据结构分为集成式，非集成式，混合集成式智能传感器。

其中集成式智能传感器就是利用集成方法实现智能传感器的制造。把许多同样功能的单个传感器按特定的规律集成阵列，可形成一维和二维列阵传感器，把传感器功能集成化。集成智能传感器的基本组成如图   所示。包括传感器、补偿和校正、调整电路、输入接 口、微处理器和信息接 口等。

                         图   集成智能传感器基本组成图

非集成化智能传感器是将传感器、调整电路和带总线接口的微处理器组合在一起构成传感系统，如图   。

                图   非集成智能传感器结构图

混合集成智能传感器是利用若干芯片以不同的方式组合智能传感器的各个环节，将其封装于一个产品形成新的传感器。

4智能传感器的加工

智能传感器的微型化是传感器发展的一种趋势，它在航天航空技术、生命科学研究、工业技术发展等领域有着举足轻重的作用。制造微型智能传感器的技术主要分为三类：(1)借助微细加工技术(如光刻、腐蚀扩散、外延等)在加工中的应用制造(2)微机械加工技术制造(3)利用纳米技术加工的微传感其中利用微细加工较成熟的技术包括：03SOl晶片技术②硅的各向异性刻蚀技术③干法刻蚀④牺牲层技术5LIGA技术。利用微机械加工的传感器：硅微加速传感器，智能传感器—— 电子鼻。利用纳米技术加工的生物传感器等。

5仿生物传感器

仿生物传感器是人们通过对人的种种行为如视觉、听觉、感觉、嗅觉和思维等进行模拟，从而研制出来的自动捕获、处理信息、模仿人类的行为装置。从某种意义上说电脑对仿生物传感器的发展有很大的促进作用。但其依旧处于发展完善阶段，典型代表是机器人所用的传感器，一般可分为外部感传感器和内部传感器两类。具体可分为：视觉传感器，听觉感器，接触觉传感器，压觉传感器，接近觉传感器，力觉传感器滑觉传感器。仿生传感器的基本原理是建立在各种基本传感器的原理之上，但也有其特殊性。

4.2.3智能传感器在物联网的应用

“传感器的敏感元件及其信号调理电路与微处理器集成在一块芯片上就是智能传感器”。随着智能传感器技术的发展和延伸，对于什么是“智能”传感器，许多专家给出了不同功能；

霍尼专尔公司工业测量与控制部产品经理T O m Griffiths是这样定义的：“一个良好的‘智能传感器’是由微处理器驱动的传感器与仪表套装，并且具有通信与板载诊断等功能，为监控系统和／或操作员提供相关信息，以提高工作效率及减少维护成本。”

GE自动化公司控制器产品经理Bill Black指出，“智能传感器的优势是能从过程中收集大量的信息以减少宕机时间及提高质量。”MTS传感器公司产品经理DaVid Edeal对此补充说：“分布式智能的基本前提是，在适当位置和时间拥有有关系统、子系统或组件的状态的全部知识，以进行‘最优的’过程控制决策。”

《现代新型传感器原理与应用》一书中给出的定义是：智能式传感器就是一种带微处理机的，兼有信息检测、信息处理、信息记忆、逻辑思维与判断功能的传感器。《智能传感器系统》一书中提到，“传感器与微处理器赋予智能的结合，兼有信息检测与信息处理功能的传感器就是智能传感器(系统)”；模糊传感器也是一种智能传感器(系统)，将传感器与微处理器集成在一块芯片上是构成智能传感器(系统)的一种方式。

概括而言，所谓智能传感器，就是带微处理器、兼有信息检测和信息处理功能的传感器。智能传感器实现的途径一般有三种方式：(1)非集成化实现是将传统的经典传感器、信号调理电路、带数字接口的微处理器组合为一整体，而构成的一个智能传感器系统。(2)集成化实现的传感器系统是采用微机械加工技术和大规模集成电路工艺技术，利用硅作为基本材料制作敏感元件、信号调理电路、微处理单元，并把其集成到一块芯片上构成。故又称为集成智能传感器。(3)混合实现是根据需要，将系统各个集成化环节，如：敏感单元、信号调理电路、微处理单元、数字总线接口，以不同的组合方式集成在两块或三块芯片上，并装在一个外壳里。这里采用非集成化实现的方式。

智能传感器带有微处理机，对外界信息具有一定的检测、自诊断、数据处理以及自适应能力，是传感器集成化与微处理机相结合的产物。例如，一般智能机器人的感觉系统由多个传感器集合而成，采集的信息需要计算机进行处理，而使用智能传感器就可将信息分散处理，降低成本。与传统传感器相比，智能传感器具有高精度、高可靠性与高稳定性、高信噪比与高的分辨力、自适应性强等特点。智能传感器可对其各个运行状况自行监控，也可以对工况的变化进行补偿。很多智能传感器都能装到控制现场，通过提供设置参数，使用户能替换一些标准传感器，例如典型的传感器一般都设置为常开或常关，而智能传感器则能设置为以上任何一种状态。智能传感器拥有很多优势。随着嵌入式计算功能成本的继续减少，这些“智能”器件将获得更多的应用。

2基于IEEE 1 451的网络化智能传感器

    智能传感器的一个技术突破就是通信功能采用标准化接口。1993年9月，美国国家标准技术研究院和IEEE仪器与测量协会的传感技术委员会联合制定了智能传感器通用通信接口标准，即IEEE  1451系列标准。迄今为止，针对各个变送器工业领域的需求，先后建立了多个工作组来开发接口标准的不同部分，201 0年发布了最新的IEEE 1 451第7部分，即“变送器与射频标识(RFID)系统通信协议和变送器电子数据表格式”。

    IEEE 1 451系列标准的目的是开发一种软硬件连接方案，将智能变送器连接到网络或直接支持现有的各种网络技术，包括各种现场总线、因特网等；为不同厂家生产的传感器提供具有即插即用能力的智能传感器接口。通过定义一整套通用的通信接口，使变送器在现场级采用有线或无线的方式实现网络连接，大大简化由变送器构成的各种网络控制系统，解决不同网络之间的兼容性问题，最终实现各个厂家产品的互换性与互操作性。

   IEEE 1 451系列变送器接口标准使变送器到网络的连接和设备间的相互操作更加地便利。变送器制造商在这个标准系统下，只需要开发一个软硬件接口，通过选用不同类型的NCAP，就可以使其产品用于不同的网络或现场总线。软件开发商也会受益于变送器属性良好的标准定义，如IEEE 1 451通用命令集和通用IP访问的能力允许开发商用相同的接口代码应用于不同卖家不同类型的变送器。IEEE 1 451还包括网络时间同步，并支持多种语言。终端用户也会受益于高兼容性的变送器，包括自定义文档、即插即用、变送器属性(如物理单位、推荐运行环境、校正数据、位置和其他自定义信息)。

IEEE 1 451是一种新的通用智能化传感器接口标准，它为即插即用智能传感器与现有的各种总线提供了通用的接口标准。IEEE  1451标准为提高全球范围内智能传感器基本前提。在设计中，基于IEEE  1451．4标准提出了一种新型的接口，使传感器既可以输出模拟信号也可以输出数字信号，使得普通的传感器可以实现智能化。

3智能传感器标准体系

IEC标准化管理局(SMB)于2009年9月在SMB／401 0A／DC文件中提出了1 7项lEO潜在新技术领域，其中第14项明确指出智能传感器归口IEC／TC65(工业过程测量、控制和自动化)，并且IEC／SC65B(装置与过程分析) 在相关方面已经开展了多项标准的制修订工作。尽管我国智能传感器技术发展很快，但相应的国家标准欠缺，导致了市场的混乱无序和研究内容的交叉重复，严重阻碍了国内仪器仪表企业对智能传感器的设计、研发和生产。机械工业仪器仪表综合技术经济研究所作为IEC／TC65的国内归口单位，在充分调研国内外智能传感器技术发展现状的基础上，初步建立智能传感器系统标准体系构架(见图    )，以规范国内智能传感器市场，服务于各相关应用领域，奠定我国物联网体系建设的基础。

                        图    智能传感器系统标准体系构架

图     中的智能传感器系统标准构架正是基于工业领域的自身特点，以现有标准和技术为补充，并融合了智能传感器的智能化特点，例如时间同步测量，信息存储等，从基础通用标准、方法标准、智能传感器产品标准三部分进行详细的解析。标准体系中最重要的就是第三部分智能传感器产品标准。按照智能传感器的构成，分成硬件系统、软件系统和产品技术要求。

硬件系统包括敏感元件、网络接口规范、内部接口规范、供电标准、防爆要求、封装要求。其中，敏感元件按照其物理特性分为温度、湿度、压力、流量、加速度等，并对各种不同原理产品的特性指标、封装形式给出具体要求。网络接口规范分别规定了智能传感器的物理接口和数据接口要求。内部接口规范指智能传感器实现IEEE  451标准时的通信接口要求。

软件系统包括系统软件规范和数据共享。其中，系统软件规范指智能传感器的编程规范等，数据共享指源数据和编码的格式要求、信息分类等，是与物联网衔接时的重要组成部分。

产品技术要求按照被测参数不同，分为对温度传感器、流量传感器、压力传感器、变送器等的具体技术要求，比如自校验、自诊断、信息决策等。

4智能传感器在物联网中的应用

物联网的应用有三个层次，一个是传感网络，以二维码、RFID、传感器为主，实现“物”的识别；二是传输网络，即通过现有的互联网、广电网、通信网或下一代互联网，实现数据的传输和计算；三是应用网络，即输入输出控制终端，包括手机等终端。物联网中应用了大量物理量、化学量和生物量等不同种类的传感器。

电子自动化产业的迅速发展与进步促使传感器技术、特别是集成智能传感器技术日趋活跃，近年来随着半导体技术的迅猛发展，国外一些著名的公司和高等院校开展了有关集成智能传感器的研制，国内一些著名的高校、研究所和公司也积极跟进，使集成智能传感器技术取得了令人瞩目的发展。国产智能传感器逐渐在智能传感器领域迈开步伐，如西安中星测控生产的PT600系列传感器，采用国际上一流传感器芯体、变送器专用集成电路和配件、高性能微控制器，同时具备数字和模拟两种输出方式，针列用户的特定需求，在原产品基础上进行二次开发，周期短、效率高，已广泛应用于航空、航天、石油、化工、矿山等行业中测量各种气体和流体的压力、压差、流量和流体的高度和重量。

但就目前国内产业发展水平而言，物联网的发展仍存在一定瓶颈，RFID高端芯片等核心领域无法产业化，而且国内RFID以低频为主。此外，传感器产业化水平较低，量产产品种类不全，可靠性、稳定性等关键性指标尚未全部达到要求，高档、大型仪器设备几乎全部依赖进口，中档产品以及许多关键零部件，国外公司同样占有国内市场60％以上的份额。

因此，中国必须做出长期规划，将智能传感器产业作为一个系统工程，开发和生产适用于物联网应用的各类传感器。国内企业应该未雨绸缪，吸取汽车等工业至今仍然依靠进口零配件的教训，及时为物联网的建立和发展提供

具有自主知识产权的国产化传感器等产品。在物联网技术产业化发展的形势面前，全面制定协调一致的战略措施并认真贯彻执行，以保障仪器仪表行业能够继续带动国民经济的蓬勃发展。

4.3无线传感器网络

4.3.1无线传感器网络的概念与发展

无线传感器的概念

无线传感网络(WSN，wireless sensor networks)综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等，能够通过各类集成化的微型传感器协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，这些信息通过无线方式被发送，并以自组多跳的网络方式传送到用户终端，从而实现物理世界、计算世界以及人类社会三元世界的连通。WSN以最少的成本和最大的灵活性，连接任何有通信需求的终端设备，采集数据，发送指令。无线传感器网络是把一定数量的传感器或执行单元设备任意分布，在有限时间内，从某一个传感器获知其他传感器的信息。作为无线自组双向通信网络，传感网络能以最大的灵活性自动完成不规则分布的各种传感器与控制节点的组网，同时具有一定的移动能力和动态调整能力。

无线传感器网络是信息科学领域中一个全新的发展方向，同时也是新兴学科与传统学科进行领域间交叉的结果。无线传感器网络经历了智能传感器、无线智能传感器、无线传感器网络3个阶段。智能传感器将计算能力嵌入到传感器中，使得传感器节点不仅具有数据采集能力，而且具有滤波和信息处理能力；无线智能传感器在智能传感器的基础上增加了无线通信能力，大大延长了传感器的感知触角，降低了传感器的工程实施成本；无线传感器网络则将网络技术引入到无线智能传感器中，使得传感器不再是单个的感知单元，而是能够交换信息、协调控制的有机结合体，实现物与物的互联，把感知触角深入世界各个角落，必将成为下一代互联网的重要组成部分。

无线传感器网络技术的发展历程

1996年，美国UCLA大学的William J Kaiser教授向美国国防部远景研究计划局(DARPA)提交的“低能耗无线集成微型传感器”揭开了现代WSN网络的序幕。1998年，同是UCLA大学的Gregory J Pottie教授从网络研究的角度重新阐释了WSN的科学意义。在其后的10余年里，WSN网络技术得到学术界、工业界乃至政府的广泛关注，成为在国防军事、环境监测和预报、健康护理、智能家居、建筑物结构监控、复杂机械监控、城市交通、空间探索、大型车间和仓库管理以及机场、大型工业园区的安全监测等众多领域中最有竞争力的应用技术之一。美国商业周刊将WSN网络列为21世纪最有影响的技术之一，麻省理工学院(MIT)技术评论则将其列为改变世界的10大技术之一。 

第一代传感器网络出现在20世纪70年代，使用具有简单信息信号获取能力的传统传感器，采用点对点传输、连接传感控制器构成传感器网络；第二代传感器网络，具有获取多种信息信号的综合能力，采用串，并接口(如RS-232、RS-485)与传感控制器相联，构成有综合多种信息的传感器网络；第三代传感器网络出现在20世纪90年代后期和本世纪初，用具有智能获取多种信息信号的传感器，采用现场总线连接传感控制器，构成局域网络，成为智能化传感器网络；第四代传感器网络正在研究开发，目前成形并大量投入使用的产品还没有出现，用大量的具有多功能多信息信号获取能力的传感器，采用自组织无线接入网络，与传感器网络控制器连接，构成无线传感器网络。

我国无线传感器网络的发展现状

中国现代意义的WSN网络及其应用研究几乎与发达国家同步启动，首先被记录在1999年发表的中国科学院《知识创新工程试点领域方向研究》的信息与自动化领域研究报告中。 

2001年，中国科学院成立了微系统研究与发展中心，挂靠在中科院上海微系统所，旨在整合中科院内部的相关单位，共同推进传感器网络的研究。从2002年开始，中国国家自然科学基金委员会开始部署传感器网络相关的课题。截至2008年底，中国国家自然基金共支持面上项目111项、重点项目3项；国家“863”重点项目发展计划共支持面上项目30余项，国家重点基础研究发展计划“973”也设立2项与传感器网络直接相关的项目；国家发改委“中国下一代互联网工程项目(CNGI)”也对传感器网络项目进行了连续资助。“中国未来20年技术预见研究”提出的157个技术课题中有7项直接涉及无线传感器网络。2006年初发布的《国家中长期科学与技术发展规划纲要》为信息技术确定了3个前沿方向，其中2个与无线传感器网络研究直接相关。最值得一提的是，中国工业与信息化部在2008年启动的“新一代宽带移动通信网”国家级重大专项中，有第6个子专题“短距离无线互联与无线传感器网络研发和产业化”是专门针对传感器网络技术而设立的。该专项的设立将大大推进WSN网络技术在应用领域的快速发展。

4.3.2无线传感器网络的特点与结构

通信结构

在传感器网络中，节点任意散落在被监测区域内，除了感测特定的对象，还进行简单的计算并维持互相之间的网络连接。传感器网络具有自组织的功能，单个节点经过初始的通信和协商，形成一个传输信息的多跳网络。每个传感网络装备有一个连接到传输网络的网关，传输网络是由一个单跳链接或一系列的无线网络节点组成的。网关通过这个传输网络把感测数据从传感区域发送到提供远程连接和数据处理的基站，基站再通过Internet联系到远程数据库。最后采集到的数据经过分析、挖掘后通过一个界面提供给终端用户。

节点结构

传感器网络节点的基本组成包括4个基本单元：传感单元(由传感器和模数转换功能模块组成)、处理单元(包括CPU、存储器、嵌入式操作系统等)、通信单元(由无线通信模块组成)以及电源。此外，可以选择的其他功能单元包括：定位系统、移动系统以及电源自供电系统等。节点结构如图   。

                       图   无线传感器节点

电源为传感器提供正常工作所必需的能源。感知单元用于感知、获取外界的信息，并将其转换为数字信号。处理单元负责协调节点各部分的工作，如对感知单元获取的信息进行必要的处理、保存，控制感知单元和电源的工作模式等。通信模块负责与其他传感器或收发者的通信。软件则为传感器提供必要的软件支持，如嵌入式操作系统、嵌入式数据库系统等。

拓扑结构

无线传感器网络的拓扑结构有3种：星状网、网状网及混合网。每种拓扑结构都有自身的优点和缺点，开发人员必须充分了解这些网络特点以满足不同无线传感器网络的应用要求。 

基本的星状网拓扑结构是一个单跳(single-hop)系统，网络中所有无线传感器节点都与基站和网关进行双向通信（图2（a））。基站可以是一台PC、PDA、嵌入式网络服务器，或其它与高数据率设备通信的网关，除了向各节点传输数据和命令外，基站还与因特网等更高层系统之间传输数据。各节点将基站作为一个中间点，相互之间并不传输数据或命令。在各种无线传感器网络中，星状网整体功耗最低，但节点与基站间的传输距离有限，一般只有几十米。网状拓扑结构是多跳(multi2hop)系统，其中所有无线传感器节点都相同，而且直接互相通信(图2(b))。网状网的每个传感器节点都有多条路径到达网关或其它节点，因此它的容故障能力较强。这种多跳系统比星状网的传输距离远得多，但功耗也更大，因为节点必须一直“监听”网络中某些路径上的信息和变化。 

混合网力求兼具星状网的简洁和低功耗以及网状网的长传输距离和自愈性等优点(图(c))。在混合网中，路由器和中继器组成网状结构，而传感器节点则在它们周围呈星状分布。中继器扩展了网络传输距离，同时提供了容故障能力。当某个中继器发生故障或某条无线链路出现干扰时，网络可在其它路由器周围进行自组。

                        图     无线传感器网络拓扑结构

通信协议栈

随着应用和体系结构的不同，无线传感网络的通信协议栈也不尽相同，图4是传感节点使用的最典型的协议模型。该模型既参考了现有通用网络的TCP/IP和OSI模型的架构，同时又包含了传感网络特有的电源管理、移动管理及任务管理。应用层为不同的应用提供了一个相对统一的高层接口；如果需要，传输层可为传感网络保持数据流或保证与Internet连接；网络层主要关心数据的路由；数据链路层协调无线媒质的访问，尽量减少相邻节点广播时的冲突；物理层为系统提供一个简单、稳定的调制、传输和接收系统。除此而外，电源、移动和任务管理负责传感节点能量、移动和任务分配的监测，帮助传感节点协调感测任务，尽量减少整个系统的功耗。

                  图     无线传感器网络通信协议栈

4.3.3无线传感器网络关键技术研究

WSN技术是多学科交叉的研究领域，因而包含众多研究方向，WSN技术具有天生的应用相关性，利用通用平台构建的系统都无法达到最优效果。WSN技术的应用定义要求网络中节点设备能够在有限能量(功率)供给下实现对目标的长时间监控，因此网络运行的能量效率是一切技术元素的优化目标。下面从核心关键技术和关键支撑技术两个层面分别介绍应用系统所必须的设计和优化的技术要点。

网络拓扑控制

组网模式决定了网络的拓扑结构，但还需要对节点连接关系的时变规律进行细微的控制，以达到无线传感器网络的低功耗性能，即所谓的拓扑控制。 

对于无线的自组织的传感器网络而言，网络拓扑控制具有特别重要的意义。通过拓扑控制自动生成良好的网络拓扑结构，能够提高路由协议和MAC协议的效率，可为数据融合、时间同步和目标定位等很多方面奠定基础，有利于节省节点的能量来延长网络的生存期。所以，拓扑控制是WSN研究的核心技术之一。 

最主要的拓扑控制技术有时间控制、空间控制和逻辑控制。时间控制是控制节点的睡眠、工作时间比，以及调节节点间睡眠起始时间，让节点交替工作，完成有限的拓扑结构之间的切换；空间控制是控制节点的发送功率，改变节点的连通区域，使网络呈现不同的连通形态，达到低功耗、网络容量提高的目的；逻辑控制是通过邻居表将不理想的节点排除在外，以达到拓扑的稳固、可靠和强健。

路由协议

传感器网络拓扑结构动态变化，网络资源也在不断变化，这些都对网络协议设计提出了更高的要求。传感器网络协议负责使各个独立的节点形成一个多跳的数据传输网络，目前研究的重点是网络层协议和数据链路层协议。网络层的路由协议负责将数据分组从源节点通过网络发送到目的节点，路由协议不仅关心单个节点的能量损耗，更需要将整个网络的能耗均匀的分布到各个节点，只有这样才能延长整个网络的生命周期。同时，传感器网络的路由以数据为中心，网络关心的不是和某个特定节点通信，而是将所有节点采集的数据传输到汇聚节点进行处理。 

传统无线通讯网络研究的重点放在无线通讯的服务质量(QoS)上，而无线传感器节点是随机分布，电池供电，因此目前无线传感器网络路由协议的研究重点是放在如何提高能量效率上，当前流行的几个无线传感器网络的路由协议如下： 

（1）泛洪协议 

泛洪(Flooding)协议是一种传统的无线通讯路由协议。该协议规定，每个节点接受来自其他节点的信息，并以广播的形式发送给其他邻居节点。如此继续下去，最后将信息数据发送给目的节点。但这个协议容易引起信息的“内爆”(Implosion)和“重叠”(Overlap)，造成资源的浪费。因此在泛洪协议的基础上，提出了闲聊(Gossiping)协议。 

（2）Gossiping协议 

Gossiping协议是在泛洪协议的基础上进行改进而提出的。它传播信息的途径是通过随机的选择一个邻居节点，获得信息的邻居节点以同样的方式随机的选择下一个节点进行信息的传递。这种方式避免了以广播形式进行信息传播的能量消耗，但其代价是延长了信息的传递时间。虽然Gossiping协议在一定程度上解决了信息的内爆，但是仍然存在信息的重叠现象。 

（3）SPIN协议 

SPIN(Sensor Protocol for Information via Negotiation)协议是一种以数据为中心的自适应路由协议。SPIN协议的目的是：通过节点之间的协商，解决Flooding协议和Gossiping协议的内爆和重叠现象。SPIN协议有3种类型的消息，即ADC、REQ和DATA。

ADC用于数据的广播，当某一个节点有数据可以共享时，可以用其进行数据信息广播。 

REQ用于请求发送数据，当某一个节点希望接受DATA数据包时，发送REQ数据包。 

DATA为传感器采集的数据包。 

在发送一个DATA数据包之前，一个传感器节点首先对外广播ADV数据包，如果某一个节点希望接受要传来的数据信息，则向发送ADV数据包的节点回复REQ数据包，因此，便建立起发送节点和接受节点的联系，发送节点便向接受节点发送DATA数据包。 

（4）定向扩散(Directed Diffusion)协议 

定向扩散协议[4]是一种基于查询的路由机制。整个过程可以分为兴趣扩散、梯度建立以及路径加强三个阶段。在兴趣扩散阶段，汇聚节点向传感器节点发送其想要获取的信息种类或内容。兴趣消息中含有任务类型、目标区域、数据发送速率、时间戳等参数。每个传感器节点在收到该信息后，将其保存在CACHE中。当整个信息要求传遍整个传感器网络后，便在传感器节点和汇聚节点之间建立起一个梯度场，梯度场的建立是根据成本最小化和能量自适应原则。一旦传感器节点收集到汇聚节点感兴趣的数据，就会根据建立的梯度场寻求最快路径进行数据传递。

（5）LEACH协议

LEACH[3][5](LOW-Energy Adaptive Clustering Hierarchy)是一种以最小化传感器网络能量损耗为目标的分层式协议。该协议的主要思想是通过随机选择类头节点，平均分担无线传感器网络的中继通讯业务来达到平均消耗传感器网络中节点能量的目的，进而可以延长网络的生命周期。LEACH协议可以将网络生命周期延长15%。LEACH协议分为两个阶段：类准备阶段和数据传输阶段。类准备阶段和就绪阶段所持续的时间总和称为一个轮回。  在类准备阶段，LEACH协议随机选择一个传感器节点作为类头节点，随机性确保类头与基站之间数据传输的高能耗成本均匀的分摊到所有传感器节点上。

数据融合 

传感器网络存在能量约束。减少传输的数据量能够有效地节省能量，因此在从各个传感器节点收集数据的过程中，可利用节点的本地计算和存储能力处理数据的融合，去除冗余信息，从而达到节省能量的目的。由于传感器节点的易失效性，传感器网络业需要数据融合技术对多份数据进行综合，提高信息的准确度。 

数据融合技术可以与传感器网络的多个协议层次进行结合。在应用层设计中，可以利用分布式数据库技术，对采集到的数据进行逐步筛选，达到融合的效果；在网络层中，很多路由协议均结合了数据融合机制，以期减少数据传输量。数据融合技术已经在目标跟踪、目标自动识别等领域得到了广泛的应用。 

数据融合技术在节省能量、提高信息准确度地同时，要以牺牲其它方面的性能为代价。首先是延时的代价，在数据传送过程中寻找易于进行数据融合的路由、进行数据融合操作、为融合而等待其它数据的到来，这三个方面都可能增加网络的平均延时。其次是鲁棒性的代价，传感器网络相对于传统网络有更高的节点失效率以及数据丢失率，数据融合可以大幅度降低数据的冗余性，但丢失相同的数据量可能损失更多的信息，因此相对而言也降低了网络的鲁棒性。

嵌入式操作系统

传感器节点是一个微型的嵌入式系统，携带非常有限的硬件资源，需要操作系统能够节能高效地使用有限的内存、处理器和通信模块，且能够对各种特定对应环境提供最大的支持。在面向WSN的操作系统的支持下，多个应用可以并发地使用系统的有限资源。 

传感器节点有两个突出的特点。一个特点是并发性密集，即可能存在多个需要同时执行的逻辑控制，这需要操作系统能够有效地满足这种发生频繁、并发程度高、执行过程比较短的逻辑控制流程；另一个特点是传感器节点模块化程度很高，要求操作系统能够让应用程序方便地对硬件进行控制，且保证在不影响整体开销的情况下，应用程序中的各个部分能够比较方便地进行重新组合。上述这些特点对设计面向WSN的操作系统提出了新的挑战。

应用层技术

传感器网络应用层由各种面向应用的软件系统构成，部署的传感器网络往往执行多种任务。应用层的研究主要是各种传感器网络应用系统的开发和多任务之间的协调，如作战环境侦察与监控系统、军事侦查系统、情报获取系统、战场监测与指挥系统等。 

传感器网络应用开发环境的研究旨在为应用系统的开发提供有效的软件开发环境和软件工具，需要解决的问题包括传感器网络程序设计语言，传感器网络程序设计方法学，传感器网络软件开发环境和工具，传感器网络软件测试工具的研究，面向应用的系统服务，基于感知数据的理解、决策和举动的理论与技术(如感知数据的决策理论、反馈理论、新的统计算法、模式识别和状态估计技术等)。

4.4.4无线传感器网络通信协议与标准

从无线联网的角度来看，传感器网络节点的体系由分层的网络通信协议、网络管理平台和应用支撑平台三个部分组成（如下图所示）。

                    图   无线传感器网络结点的体系组成

网络通信协议

类似于传统Internet网络中的TCP/IP协议体系，它由物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层组成，如图     所示。MAC层和物理层协议采用的是国际电气电子工程师协会(Th I tit t f El t i l d 议采用的是国际电气电子工程师协会(The Institute of Electrical and Electronics Engineers，IEEE)制定的IEEE 802.15.4协议。

                      图  传感器网络通信协议的分层结构       

IEEE 802.15.4标准概述

●   网络组成及拓扑结构

●   协议栈架构

●   功能概述

物理层规范

●  信道分配及调制方式

●  物理层帧格式

●  物理层功能实现

MAC子层规范

    ●  MAC子层的信道访问方式

    ●  MAC子层的帧格式

    ●    MAC子层的功能实现

IEEE 802.15.4标准的任务组

   ----TG1：制定IEEE802.15.1标准（蓝牙无线个人区域网络标准）；中等速率、近距离的WPAN网络标准。

   ----TG2：制定IEEE802.15.2标准，研究IEEE802.15.1与IEEE802.11（无线局域网标准）的共存问题。

   ----TG3：制定IEEE802.15.3标准，研究高传输速率WPAN标准。

   ---TG4：制定IEEE802.15.4标准，研究低速WPAN标准。

IEEE 802.15.4标准的主要特征：

    ? 实现20kbps、40kbps、100kbps、250kbps四种不同的传输速率；

    ? 支持星型和点到点两种拓扑结构；

    ? 在网络中采取两种地址方式：16位地址和64位地址。其中16位地址是有协调器分配的，64位地址是全球唯一的扩展地址；

    ? 采用可选的时槽保障（Guaranteed Time Slots, GTS）机制；

    ?采用带冲突避免的载波监听多路访问（Carrier sense multiple access with collision avoidance, CSMA-CA）的信道访问机制；

    ? 支持ACK机制以保证可靠传输；

    ? 低功耗机制；

    ? 信道能量检测（Energy Detection，ED）；

    ? 链路质量指示（Link quality indication，LQI）;

    ? 工作在ISM频段上，其中在2450MHz波段上有16个信道，在915MHz波段上有30个信道，在868MHz上有3个信道；

    ? 数据安全策略。

IEEE 802.15.4标准网络：在一个POS内使用相同无线信道并通过IEEE 802.15.4标准相互通信的设备集合。

全功能设备（FFD）和精简功能设备（RFD）。

协调器：与RFD相关联的FFD设备。

PAN网络协调器成员身份管理、链路信息管理、分组转发

                          图  点对点拓扑

所有设备都与中心设备PAN网络协调器通讯。

网络协调器持续供电，其他设备电池供电。

适合家庭自动化、个人计算机外围设备、个人康护护理等小范围的室内应用。

图  星型拓扑结构

任何两个设备之间都可以通讯

网络协调器负责管理链路状态信息、认证设备身份等功能。

允许多跳路由的方式传输数据

适合于设备分布范围广的应用（工业检测与控制）。

图   点到点拓扑结构

基于开放系统互连模型（OSI）。

每一层都实现部分通信功能，并向高层提供服务

物理层由射频收发器和底层的控制模块组成

数据链路层的MAC子层为高层访问物理信道提供点到点通讯的服务接口

特定服务的聚合子层（SSCS）为IEEE 802.15.4的MAC层接入IEEE 802.2标准中定义的链路控制子层（LLC）子层提供聚合服务。

LLC为应用层提供链路层服务。

图  IEEE 802.15.4协议栈架构

IEEE 802.15.4标准功能概述

超帧结构

数据传输模型

MAC层帧结构

数据可靠传输机制

低功耗策略

数据的安全服务

以超帧为周期组织LR-WPAN内设备间的通讯

信标帧包含超帧将持续的时间以及对这段时间的分配等信息

超帧将时间划分为活跃和不活跃两个部分

不活跃阶段设备进入休眠状态

活跃阶段：信标帧发送时段、竞争访问时段和非竞争访问时段；划分为16个等长时槽。

CSMA-CA访问机制；

物理层规范

   图 信道分配和调制方式

         图    物理帧格式

物理层功能实现

数据的发送与接收

物理信道的能量检测(EDEnergy Detection)

射频收发器的激活与关闭

空闲信道评估(CCAclear channel assessment)

链路质量指示(LQIlink quality indication)

物理层属性参数的获取与设置

IEEE 802.15.4标准的MAC子层功能

采用CSMA-CA机制来访问物理信道

协调器对网络的建立与维护

支持PAN网络的关联（association）与取消关联（disassociation）；

协调器产生信标帧普通设备根据信标帧与协调器同步；

间接传输的实现(Transaction handling)；

在两个MAC实体之间提供数据可靠传输；

可选的GTS支持；

支持安全机制；

                         图  中间协调器接收和发送信标帧

                 图   MAC帧结构

MAC层帧结构目标：用最低复杂度实现多噪声无线信道环境下的可靠数据传输。

帧组成。

地址格式：16位短地址和64位扩展地址。

帧控制字段的内容指示地址类型。

帧的类型：信标帧，数据帧，确认帧，MAC命令帧。

                                图  信标帧格式

超帧字段：持续时间；活跃部分持续时间；竞争访问时断持续时间。

GTS分配释放信息：将无竞争时断划分为若干个GTS，并把每个GTS具体分配给某个设备。

转发数据目标地址：列出了与协调者保存的数据相对应的设备地址。

信标帧负载数据：为上层协议提供数据传输接口。

                              图   数据帧格式

传输上层发送到MAC子层的数据

MAC服务数据单元：数据负载传送至MAC子层

MAC帧：MAC服务数据单元+MHR头信息+MFR尾信息

                              图  确认帧格式

如果设备收到目的地址为其自身的数据帧或MAC命令帧，并且帧的确认请求位设置为1，设备需要回应一个确认帧。

确认帧的序列号应该与被确认帧的序列号相同，并且负载长度为0。

确认帧紧接着被确认帧发送，不需要使用CSMA-CA机制竞争信道。

                            图  命令帧格式

命令帧用于组建PAN，传输同步数据等。

命令帧有9种类型。

命令帧的功能：把设备关联到PAN，与协调器交换数据分配GTS。

命令帧的具体功能由帧的负载数据表示。

MAC子层功能实现

PAN的建立与维护

关联请求与取消

与信标帧的同步?数据的间接传输方式

数据的发送，接收与重传

GTS的分配与管理

MAC子层PIB的维护

MAC子层的安全策略

                          图  设备关联的消息流程

                    图   设备发起取消关联的消息流程

                     图   与协调器同步消息流程（信标使能网络）

图   GTS 分配过程消息流程图

                        图   GTS释放消息流程

IEEE 802.15.4是针对低速无线个域网(Low-Rate Wireless Personal Area Network，LR-WPAN)制定的标准。该标准把低能量消耗、低速率传输、低成本作为重点目标，旨在为个人或家庭范围 消耗、低速率传输、低成本作为 点目标，旨在为个人或家庭范围内不同设备之间低速互连提供统一标准。IEEE 802.15.4的网络特征与无线传感器网络存在很多相似之处，所以许多研究机构把它作为无线传感器网络的无线通信平台。 传感器网络的无线通信平台。

《无线传感器网络通信与路由的研究.pdf》

4.4.5无线传感器网络在物联网的应用

无线传感器网络无论是在国家安全，还是国民经济诸方面均有着广泛的应用前景，

具体介绍如下：

(1)环境监测

随着人们对环境的日益关注，环境科学所涉及的范围也越来越广泛。传感器网络可

以监测环境，如用于监测农作物灌溉情况、牲畜和家禽的生存环境、大面积的地表状况，

还有许多其他威胁生命的因素，如火灾、水灾和地震等。再往远处看，如月球表面环境

的探测、三峡工程的水文和环境监测。

传感器网络还有一个重要应用就是生态多样性的描述，能够进行动物栖息地生态监

测。例如如果在江苏大丰自然保护区部署传感器网络，就可以动态监测麇鹿的生活和数

量等其它因素。

(2)医疗护理

传感器网络在医疗系统和健康护理方面的应用包括监测人体的各种生理数据，跟踪

和监控医院内医生和患者的行动，医院的药物管理等。如果在住院病人身上安装特殊用

途的传感器节点，如心率和血压监测设备，医生利用传感器网络就可以随时了解被监护

病人的病情，发现异常能够迅速抢救。

(4)智能家居

在家电和家具中嵌入传感器节点，通过无线网络与Intemet连接在一起，将会为人

们提供更加舒适、方便和更具人性化的智能家居环境。利用远程监控系统可以对家电进

行远程遥控，例如可以在回家之前半小时打开空调，也可以遥控电饭锅、微波炉、电视、

电脑等。

(5)交通管理

如果沿着街道、高速公路及其他地方分布式地装有大量路标或其他简单设备，你就

不再担心会迷路。安装在你汽车里的器件将告诉你，你现在所处的位置，正向何处去。

虽然从全球定位系统(GPS)也能获得类似服务，但是这种新的分布式系统能够向你提

供更精确更具体的信息。即使在GPS覆盖不到的楼内或隧道内，你仍能继续使用此系

统。基于这样的新系统还可以开发出许多其他功能，例如在不同街道根据不同交通流量

动态调节红绿灯，追踪超速的汽车或被盗的汽车等。应用这一系统的关键问题包括成本、

功耗和安全性，这正是ZigBee要解决的问题。

2008年北京奥运会，城市交通必然会成为一个大问题，使用传感器网络就能解决很

多交通问题，让北京大街小巷的交通不再堵塞。

(6)工业应用

传感器网络可以应用到各种工业控制和安全生产中。如煤矿安全已成为全国工业安

全的重中之重，传感器网络可以保证煤矿工人的安全，因为它可以实时得到一氧化碳以

及硫化氢等有害气体的浓度以及挖掘深度等数据，如果这些值超过安全范围就产生警

报，工人就可撤离现场。

再如图    桥梁健康监测系统，该系统由应力应变传感器、温度传感器、风力风向

传感器等数百个传感器组成，分布在大桥的主塔、主缆和钢箱梁上，与终端的信息平台

相接，此信息平台是自动采集即时数据，全面反映桥梁的健康指数。

该系统用于监测桥梁所在的外部环境，如风力、风向和温度等，还监测桥梁的受力

性能及变形程度，如安装在主缆吊索上的受力传感器可监测钢丝的受力程度，与钢丝核

准的强度对比，就可判断其运行状态。

               图    桥梁健康监测系统

(7)军事应用

在军事领域，传感器网络将会成为C41SRT系统不可或缺的一部分。C41SRT系统

的目标是利用先进的高科技技术，为未来的现代化战争设计一个集指挥、控制、通信、

计算机、情报、监视、侦察和目标捕获于一体的战场指挥系统，受到了军事发达国家的

普遍重视。因为传感器网络是由密集型、低成本、随机分布的节点组成的，自组织性和

容错能力使其不会因为某些节点在恶意攻击中的损坏而导致整个系统的崩溃，这一点是

传统的传感器技术所无法比拟的，也正是这一点，使传感器网络非常适合应用于恶劣的

战场环境中，包括监控我军兵力、装备和物资，监视冲突区，侦察敌方地形和布防，定位攻击目标，评估损失，侦察和探测核、生物和化学攻击。

如图      ，在战场，指挥员往往需要及时准确地了解部队、武器装备和军用物资供

给的情况，铺设的传感器将采集相应的信息，并通过汇聚节点将数据送至指挥所，再转

发到指挥部，最后融合来自各战场的数据形成我军完备的战区态势图。在战争中，对冲

突区和军事要地的监视也是至关重要的，通过铺设传感器网络，以更隐蔽的方式近距离

地观察敌方的布防；当然，也可以直接将传感器节点撒向敌方阵地，在敌方还未来得及

反应时迅速收集利于作战的信息。传感器网络也可以为火控和制导系统提供准确的目标

定位信息。

                              图    无线传感器网络的军事应用

4.4 泛在网络

4.4.1泛在网络的研究与发展

4.4.2泛在网络的原理与分类

第4章 传感器相关的技术