本书基于物联网工程专业的教学需求,充分考虑教学规律,突出专业特点,紧密联系实际,本书的编写遵循基础性、实用性的原则,系统全面地介绍各类传感器的结构、工作原理、特性、参数、电路及典型工程应用,覆盖传感技术研究中的最新成果,同时给出较为详细的概念、规律,以及必要的、简明的数学推导或原理说明。本书的主要内容涉及:传感器基础、无线传感器及无线传感器网络、光纤传感器、成像传感器、其他传感器、传感器的信号处理、传感器的数据处理、传感器的数据通信以及传感器的应用等。
传感器是物联网完成感知功能不可或缺的重要组成部分,也是物联网工程专业的核心教学内容之一。本书从课程的教学规律出发,突出物联网工程专业特点,紧密联系实际,系统全面地介绍各类常用传感器的结构、工作原理、特性、参数、电路及典型工程应用,覆盖传感技术研究中的最新成果。
本书特点:
结构严谨,概念清晰。本书给出了较为典型与重要的传感器的概念、规律以及必要的、简明的数学推导及原理说明,并结合传感器的应用实例进行讲解。
注重基础性与实用性。本书遵循基础、实用的原则对传感器的基本原理、结构、性能、用途及其他重要特征等进行介绍。
完整和清晰的传感器知识体系。本书的主要篇幅围绕各种类型传感器展开,并循序渐进地介绍典型传感器的应用。
前:
传感器是物联网和传感网的重要基础,其应用广泛、种类繁多。本书从物联网工程专业的需要出发,重点介绍物联网产业中常用的各类传感器。通过对传感器基本原理、结构、性能及应用的系统介绍,使读者能在实际工作中正确选择、使用传感器构建物联网应用系统。
本书适合作为高等院校物联网工程及相关专业“传感器原理与技术”课程的教材,也可作为相关工程技术人员的参考。
黄传河
武汉大学计算机学院教授,博士生导师,武汉大学计算机网络研究所所长,武汉市政府咨询机构“武汉市战略性新兴产业——新一代信息技术产业专家咨询组”专家,长期从事计算机网络(移动互联网、移动Ad Hoc网络、无线传感器网络、无线Mesh网络、来互联网)、物联网、网络安全、高性能计算领域的研究和教学工作。
后:
张文涛
武汉大学计算机学院讲师,博士,长期从事分布式计算、计算机网络、网络安全、可信移动互联网、移动Ad hoc网络、无线传感器网络等领域的研究和教学工作。
刘丹丹
武汉大学计算机学院副教授,博士,曾任香港城市大学计算机科学系研究助理、香港城市大学计算机科学系高级研究员,主要从事无线传感器网络、移动ad hoc网络、物联网、移动计算方面的研究和教学工作。
周浩
武汉大学计算机学院讲师,博士,主要从事无线网络相关方面的教育与科研工作。主持、参与多项国家级、省级研究课题,并在ICCMC、WiCOM、IJDSN等会议和期刊上发表近20篇高质量学术论文。
“物联网”的概念自1999年首次提出后就引起了社会的广泛关注。近年来,我国将物联网确定为“国家战略性新兴产业”,863/973计划、国家重大科技专项都对物联网的关键问题研究予以支持,工信部、发改委也投入专项资金发展物联网产业,物联网已在我国蓬勃发展。为培养物联网专业人才,教育部设立了“物联网工程专业”,至今已有几百所高校开设此专业。
传感器技术是物联网技术的重要分支,也是物联网和传感网的重要基础。传感器应用极其广泛,而且种类繁多,本书仅介绍一些在物联网产业中最常见、不可或缺的几类传感器。本书的编写遵循基础性、实用性的原则,对这些传感器的基本原理、结构、性能、用途及其他重要特征等进行介绍,同时给出较为详细的概念、规律,以及必要的、简明的数学推导或原理说明,并结合传感器的应用实例进行讲解,引导读者学习、掌握传感器的应用技术。
全书共9章,第1章介绍传感器的基础知识,其余各章均具有一定的独立性。第1章“传感器概论”,对传感器的基本组成、分类、基本工作原理及其应用等进行了介绍;第2章“无线传感器”,描述无线传感器节点的硬件组成、能量消耗的控制和处理、操作系统及数据处理,并给出了一个典型的无线传感器的例子——Mica节点,最后简要介绍无线传感器网络的相关知识,扩展学生的知识面;第3章“光纤传感器”,介绍光纤传感器的定义与分类、光纤传感器的基本工作原理,将描述和分析7种典型的光纤传感器,并对先进的分布式光纤传感器和MEMS传感器进行分析和介绍,最后简要描述光纤传感器的封装技术;第4章“成像传感器”,将探讨成像传感器的物理基础和基本工作原理,然后重点介绍和分析成像传感器相关的感知器件;第5章“其他传感器”,将先后分析和阐述化学传感器、压电式传感器、磁敏传感器和生物传感器的特性、工作原理和应用;第6章“传感器的信号处理”,将对传感器中典型的信号处理电路和方法进行分析和阐释;第7章“传感器的数据处理”,将介绍传感器中数据处理的基本工具及数据融合的原理和一般方法;第8章“传感器的数据通信”,首先对传感器中通信模块的基本组成原理及其功能进行分析和描述,接着介绍5种典型的传感器数据通信模块,最后对当前流行的4类传感器数据通信协议和方法进行较为详细和系统的介绍与描述;第9章“传感器的应用”,以“基于无线传感器的网络协同智能交通系统”、“建筑结构无线传感器网络健康监测系统”及“基于RVM的多功能自确认水质检测传感器”三个应用为例来介绍传感器的应用。
本书由武汉大学计算机学院黄传河教授策划和主编,并完成全书的整理、审核等工作。其中,第1、2、7章由刘丹丹等负责整理与编写;第3、4、8章由张文涛等负责整理与编写;第5、6、9章由周浩等负责整理与编写。
值得一提的是,传感器技术发展日新月异,不断推陈出新,我们应以科学发展的眼光看待物联网和传感器技术,掌握其核心技术和有效方法,不断学习新技术,与时俱进。
另外,本书作为系列丛书之一,其知识结构在整个专业知识体系中处于至关重要、不可或缺的地位;而仅靠一本书是不可能将相关内容介绍全面的。编者建议读者在学习该部分知识的同时,有必要查阅其他相关书籍和资料,博观约取、厚积薄发!
在本书的编写过程中,参考了大量相关文献以及网络上发布的各种资料,在这里向这些参考文献的作者表示感谢!感谢所有对本书的编写和出版提供帮助的人!
由于本书的编写时间紧、任务重,加之作者水平有限,因此,书中不可避免地存在疏漏甚至谬误之处,还望广大读者指正,以期在后续版本中进行完善。
编 者
2014年11月
计算机\硬件
传感器是物联网完成感知功能不可或缺的重要组成部分,也是物联网工程专业的核心课程之一。本书从课程的教学规律出发,突出物联网工程专业特点,紧密联系实际,系统全面地介绍各类传感器的结构、工作原理、特性、参数、电路及典型工程应用,覆盖传感技术研究中的最新成果。
本书特色:
结构严谨,概念清晰。本书给出了较为典型与重要的传感器的概念、规律以及必要的、简明的数学推导及原理说明,并结合传感器的应用实例进行讲解。
注重基础性与实用性。本书遵循基础、实用的原则对传感器的基本原理、结构、性能、用途及其他重要特征等进行介绍。
完整和清晰的传感器知识体系。本书的主要篇幅围绕各种类型传感器展开,并循序渐进地介绍典型传感器的应用。
黄传河:暂无
前 言
教学建议
第1章 传感器基础 / 1
1.1 传感器的概念 / 1
1.1.1 传感器的定义 / 1
1.1.2 传感器技术的特点 / 2
1.1.3 传感器技术的发展趋势 / 3
1.2 传感器的组成 / 5
1.2.1 传感器的一般组成 / 5
1.2.2 敏感元件 / 5
1.2.3 转换元件 / 6
1.2.4 转换电路 / 6
1.3 传感器的分类 / 7
1.3.1 传感器的分类依据 / 7
1.3.2 传感器的分类方法 / 7
1.4 传感器的工作原理 / 8
1.4.1 物理型传感器的工作原理 / 8
1.4.2 化学型传感器的工作原理 / 9
1.4.3 生物型传感器的工作原理 / 10
1.4.4 能量控制型传感器的工作原理 / 11
1.4.5 能量转换型传感器的工作原理 / 11
1.5 传感器的应用 / 11
1.5.1 传感器的应用领域 / 11
1.5.2 传感器的应用举例 / 13
习题1 / 16
参考文献 / 16
第2章 无线传感器及无线传感器网络 / 17
2.1 无线传感器节点的硬件组成 / 17
2.2 无线传感器节点的能耗控制 / 18
2.2.1 无线传感器节点能耗控制的原理 / 18
2.2.2 无线传感器节点能耗控制的方法 / 20
2.3 无线传感器操作系统TinyOS / 21
2.3.1 TinyOS的特点和体系结构 / 21
2.3.2 TinyOS的编程语言nesC / 21
2.3.3 TinyOS传感器应用程序示例 / 22
2.4 无线传感器数据库TinyDB / 24
2.4.1 TinyDB的原理及组成 / 24
2.4.2 TinyDB的特征 / 26
2.4.3 使用TinyDB进行数据处理 / 27
2.5 无线传感器实例——Mica系列 / 29
2.5.1 Mica / 29
2.5.2 Mica2 / 29
2.5.3 Micaz / 30
2.6 无线传感器网络 / 30
2.6.1 无线传感器网络的原理、组成及应用 / 30
2.6.2 无线传感器网络的特点 / 31
2.6.3 无线传感器网络的协议 / 33
习题2 / 35
参考文献 / 35
第3章 光纤传感器 / 36
3.1 光纤传感器的定义与分类 / 36
3.1.1 光纤传感器的定义 / 36
3.1.2 光纤传感器的分类 / 37
3.2 光纤传感器的原理 / 38
3.2.1 光纤的工作原理和结构 / 38
3.2.2 光纤传感器的工作原理 / 40
3.2.3 光纤传感器的特性 / 41
3.3 典型光纤传感器 / 42
3.3.1 光纤加速度传感器 / 42
3.3.2 光纤速度传感器 / 43
3.3.3 光纤压力传感器 / 44
3.3.4 光纤温度传感器 / 44
3.3.5 光纤声音传感器 / 45
3.3.6 光纤光电传感器 / 46
3.3.7 光纤图像传感器 / 46
3.4 分布式光纤传感器 / 47
3.4.1 分布式光纤传感器的概念 / 47
3.4.2 时域分布式光纤传感器的原理 / 47
3.4.3 分布式光纤传感器的类型 / 48
3.4.4 分布式光纤传感器的应用 / 50
3.5 MEMS传感器 / 50
3.5.1 MEMS传感器的分类 / 50
3.5.2 MEMS传感器的原理和结构 / 51
3.5.3 MEMS传感器的特性 / 58
3.5.4 MEMS传感器的应用 / 59
3.6 光纤传感器的封装 / 59
3.6.1 光纤传感器的封装技术 / 59
3.6.2 光纤光栅应变传感器的封装 / 61
3.6.3 光纤光栅温度传感器的封装 / 64
习题3 / 67
参考文献 / 68
第4章 成像传感器 / 69
4.1 成像传感器的物理基础 / 69
4.1.1 成像传感器简介 / 69
4.1.2 光导摄像管的物理基础 / 70
4.1.3 固态摄像器件的物理基础 / 71
4.1.4 热红外成像的物理基础 / 71
4.2 成像传感器的原理 / 73
4.2.1 MOS电容器 / 73
4.2.2 CCD的基本机构和原理 / 74
4.2.3 热红外成像原理 / 76
4.3 成像传感器器件 / 79
4.3.1 电荷耦合器件 / 79
4.3.2 电荷注入器件 / 80
4.3.3 CMOS摄像器件 / 81
4.3.4 线列CCD成像传感器 / 82
4.3.5 面阵CCD成像传感器 / 83
4.3.6 CCD成像传感器的主要特性参数 / 84
4.3.7 CCD成像传感器的应用 / 85
4.3.8 微光CCD成像传感器 / 88
4.3.9 特殊CCD的发展 / 89
习题4 / 90
参考文献 / 90
第5章 其他传感器 / 91
5.1 化学传感器 / 91
5.1.1 化学传感器的基本概念和原理 / 91
5.1.2 化学传感器的主要类型 / 92
5.1.3 化学传感器的特点 / 94
5.1.4 化学传感器的发展趋势 / 95
5.1.5 化学传感器的应用 / 96
5.2 压电式传感器 / 96
5.2.1 压电效应和压电材料 / 96
5.2.2 压电式传感器的特点 / 100
5.2.3 压电式传感器的应用 / 100
5.3 磁敏感传感器 / 101
5.3.1 霍尔传感器 / 101
5.3.2 磁敏二极管和磁敏三极管 / 105
5.3.3 磁敏感传感器的应用 / 107
5.4 生物传感器 / 108
5.4.1 生物传感器的原理、特点及分类 / 108
5.4.2 几种生物传感器及其分类 / 110
5.4.3 生物传感器的应用 / 114
习题5 / 115
参考文献 / 115
第6章 传感器的信号处理 / 116
6.1 信号处理概述 / 116
6.1.1 信号的引出 / 116
6.1.2 补偿电路 / 117
6.1.3 放大电路 / 119
6.2 传感器信号引出 / 119
6.2.1 电荷放大器 / 119
6.2.2 射极跟随器 / 122
6.2.3 电桥放大器 / 124
6.3 信号补偿电路 / 127
6.3.1 非线性补偿 / 127
6.3.2 温度补偿 / 131
习题6 / 132
参考文献 / 133
第7章 传感器的数据处理 / 134
7.1 nesC语言 / 134
7.1.1 nesC简介 / 134
7.1.2 接口 / 135
7.1.3 组件 / 136
7.1.4 模块 / 137
7.1.5 配件 / 138
7.1.6 并发操作 / 139
7.1.7 nesC应用程序的分析 / 139
7.2 数据融合 / 141
7.2.1 数据融合的概念 / 141
7.2.2 数据融合的原理 / 141
7.2.3 通用数据融合方法 / 142
习题7 / 144
参考文献 / 145
第8章 传感器的数据通信 / 146
8.1 通信模块的组成 / 146
8.1.1 通信模块的组成原理 / 146
8.1.2 通信模块的主要功能 / 147
8.1.3 常用传感器通信模块 / 148
8.2 主要通信协议 / 163
8.2.1 ZigBee / 163
8.2.2 UWB / 167
8.2.3 蓝牙 / 172
8.2.4 近场通信 / 175
习题8 / 180
参考文献 / 180
第9章 传感器的应用 / 182
9.1 基于无线传感器的网络协同智能交通系统 / 182
9.1.1 数据融合技术在体域医学无线传感器网络中的应用 / 183
9.1.2 协同信息处理技术在智能交通车车无线通信中的应用 / 184
9.1.3 协同信息处理技术在智能交通车路无线通信中的应用 / 184
9.2 建筑物健康监测无线传感器网络系统及信息处理技术 / 185
9.2.1 建筑物无线传感器健康监测概述 / 185
9.2.2 信息处理技术在无线传感器健康监测网络中的应用 / 186
9.3 基于RVM的多功能自确认水质检测传感器 / 187
9.3.1 RVM原理介绍 / 187
9.3.2 基于RVM的传感器故障诊断和数据恢复 / 187
习题9 / 189
参考文献 / 190
附录 “传感器原理与应用”课程实验教学大纲 / 191