1、0101绪论绪论目目录录0202传感器的理论及技术基础传感器的理论及技术基础 0303物理量传感器物理量传感器0404化学传感器化学传感器0505生物传感器生物传感器0606微机电（微机电（MEMS）传感器传感器0707集成传感器集成传感器0808传感器在物联网中的应用传感器在物联网中的应用第八章传感器在物联网中的应用物联天下、传感先行图1 传感器是物联网的主要驱动力 俗话说:“物联天下、传感先行”，这句俗语已经成为行业内广为流传的共识。因此，本章对传感器在物联网中的应用进行分析和研究，通过几个具体实例来展现传感器如何在物联网中发挥作用。8.1 物联网的激光传感器在智能家居中的应用8.1.1
2、智能家居物联网体系 认知层阐述了物联网通过传感器、摄像机和光敏设备不间断地采集、认知智能家居所处环境以及智能家居使用者的行为数据。互联网层进行互联网接入，并提供给认知层有线信息交互通道，其采用无线通信与应用层中的居家环境监控系统、智能家居接口和信息处理系统进行交互。应用层负责将居住环境中所有智能家居接入互联网中。图2 智能家居物联网体系组成结构图8.1 物联网的激光传感器在智能家居中的应用8.1.2 基于物联网的激光传感器智能家居控制系统研究 系统节点安置及控制原理 在安置智能家居激光传感器节点时，需要考虑能耗最小原则和通信数据丢失最小原则，因此，采用簇状架构。以最普遍的两室两厅一卫家居环境为
3、例安置激光传感器节点，如图3所示。图3 系统激光传感器节点安置图8.1 物联网的激光传感器在智能家居中的应用8.1.2 基于物联网的激光传感器智能家居控制系统研究 系统节点安置及控制原理 系统初始化后开始搜寻互联网，激光传感器通过节点对智能家居环境数据和使用者行为数据进行采集、调制和转发，并传输给应用层的居家环境监控系统。控制命令由物联网的应用层给出，直接输出到智能家居的控制设备中进行实施，若控制成功，输出控制日志。图4 系统激光传感器节点安置图8.1 物联网的激光传感器在智能家居中的应用8.1.2 基于物联网的激光传感器智能家居控制系统研究 基于物联网的激光传感器通信研究 在基于物联网的激光
4、传感器智能家居控制系统中，智能家居的数据采集以及系统对智能家居的控制都离不开通信，激光传感器和物联网应用层的工作频段都在2.45GHz左右，频段过于集中导致智能家居通信性能下降。系统采用有线和无线两种通信方式，无线通信最易受到频段干扰，故通过跳频通信改善无线通信性能。跳频通信赋予无线通信收发双方与原控制编码频率变化状况相同的虚拟控制编码，从而隔离2.45GHz频段，通信成功后解码出原始数据。8.1 物联网的激光传感器在智能家居中的应用8.1.3 基于物联网的激光传感器智能家居控制系统的应用功能描述远程无线遥感使用者只需在手机上安装一个虚拟遥控器，便能在外出的时候通过无线网络操作智能家居居住环境
5、监控通过监控智能家居所处环境，分析是否存在火灾、水灾、触电、盗窃等隐患 通话管控隐患发生时，使用者可控制智能家居进行报警智能家居授权管理可设定智能家居的使用权限和权限使用时间，类似于“家长控制”无线定时管理随时随地设定智能家居的开始、关闭和休眠时间，实现节能、便捷生活表1 在基于物联网的激光传感器智能家居控制系统的控制下智能家居拥有的功能8.1 物联网的激光传感器在智能家居中的应用8.1.4 小结 本节介绍的设计基于物联网的激光传感器智能家居控制系统，介绍了智能家居物联网体系，其由认知层、互联网层和应用层构成，通过考虑能耗最小原则和通信数据丢失最小原则，采用簇状架构安置激光传感器节点，并研究了
6、系统控制与通信的相关问题。8.2 基于无线传感器网络的精准农业环境监测系统8.2.1 系统总体设计 系统体系结构 基于无线传感器网络的农业环境监测系统由无线传感器节点、无线网关和监测中心服务器三部分组成。ZigBee明确定义了星形、簇状和网状3 种拓扑结构。为减小能量损耗和数据包丢失，本文采用簇状网络拓扑结构和层次路由协议。具体做法是将监测目标区域中的所有传感器节点分为若干个簇，每个簇相当于是一块较为固定的自组织网络。簇的范围由网络覆盖面积的实际情况决定。图5 农业环境监测系统体系结构图8.2 基于无线传感器网络的精准农业环境监测系统8.2.1 系统总体设计 系统工作过程 系统工作时首先由监测
7、中心服务器发出对农田环境各项指标进行查询的请求命令，通过Internet和GPRS网络传到网关节点。网关节点根据请求命令的具体要求，选择对应的网络协调器，接着网络协调器根据命令选择所要查询的簇，当簇首节点收到控制命令以后，唤醒并激活本簇内的所有节点，进行数据采集和通信。节点及时采集数据，经过数模转换后发送给本簇的簇首节点，簇首节点对传来的数据进行融合，然后将融合后的数据发回到网关节点，继而通过外部网络传给监测中心服务器。监测中心对数据进行处理、分析，并存入环境信息数据库，为以后的分析决策提供数据资源。8.2 基于无线传感器网络的精准农业环境监测系统8.2.2 硬件系统设计图6 无线网关硬件结构
8、图 在该系统中无线网关是无线传感器网络与监测中心服务器的中转站，负责发送命令、接收下层节点的请求与数据，承担着无线传感器网络中各节点与监测中心的数据交换任务。网关的硬件体系结构如图6所示，主要包括主处理器、扩展存储器单元、射频收发模块和GPRS通信模块，另外配有以太网接口以及扩展接口等。8.2 基于无线传感器网络的精准农业环境监测系统8.2.2 硬件系统设计 无线网关的硬件设计 传感器模块负责采集温度、湿度、光照度等参数和数据的模数转换。主处理器模块负责控制整个传感器节点的操作，存储和处理从它自身采集来的数据以及其他节点发送来的二进制信息。无线通讯模块负责与其他的节点进行通讯，交换控制信息和收
9、发数据。电源部分主要给传感器模块、处理模块、无线通讯模块供电。图7 传感器节点硬件结构图8.2 基于无线传感器网络的精准农业环境监测系统8.2.3 系统软件设计 传感器节点的程序设计 传感器节点主要负责采集传感器数据并将这些数据传送给网络协调器，同时接收来自协调器的数据并根据这些数据进行相关操作。传感器点上电后首先对MCU初始化，然后加载SPI驱动来初始化无线通信模块CC2420，初始化成功后扫描所有可用信道来寻找临近的网络协调器，并申请加入此网络。由于传感器节点采用电池供电方式，必须要保证终端节点的低功耗，因此在设计中采用被动唤醒的方式连接协调器接收或发送数据。其它时间则转入低功耗模式，节点
10、功耗降到最低。图8 传感器节点软件流程图8.2 基于无线传感器网络的精准农业环境监测系统8.2.3 系统软件设计 网络协调器的程序设计 作为网络中的协调器，要承担网络创建与管理和数据传输两个重要功能。网络创建与管理功能主要是负责组建ZigBee网络，分配网络地址及维护绑定表。数据传输功能主要是充当传感器节点的数据传送给无线网关，或将监测中心的监测指令发送给传感器节点。网络协调器的软件流程图如图9所示。图9 网络协调器软件流程图8.2 基于无线传感器网络的精准农业环境监测系统8.2.4 小结 无线传感器网络在环境监测、生态监控等领域应用日益广泛，尤其是在艰苦或恶劣环境条件下，具有传统监测技术不可比拟的优势。本设计将基于ZigBee的无线传感器网络技术应用于精准农业环境测控，利用无线传感器网络对农作物现场信息进行采集，设计了簇状的无线传感器监测网络组网方案，完成了传感器节点硬件设计和软件设计。这种无线测控的方式相对于传统农业来说，其优点在于网络组建简单，一次性构建成本低，扩展性强，灵活性大，能有效地改善现有的农业生产管理模式，并极大地提高农业生产效率。课后习题 1 传感器在物联网中的作用是什么？2 介绍几种物联网系统中常用的传感器。3 简要介绍一下ZigBee的概念和特点。
