无线传感器，有哪些分类、优势特点、应用领域？(组图)

无线传感器的分类、优势和应用领域有哪些？

无线传感器是一种集数据采集、数据管理、数据通信等功能于一体的无线数据通信采集器。比较常见和常用的无线传感器主要有XL61无线气体传感器、XL61无线压力传感器、XL61无线温度传感器、XL51无线温湿度传感器、无线液位传感器等，可根据用户需求定制。

无线传感器具有功耗低、无需布线、成本低、安装调试方便、维护方便等特点。广泛应用于石油化工、农业、电力、医疗、建筑、环保、制造等领域。具体用于仓储环境监测系统、石油化工储罐环境监测系统、畜禽养殖环境监测系统、农业大棚环境监测系统、重大危害环境监测系统、石油、给排水、供热管道。监控系统、大气环境监控系统、电力（用电、配电）监控系统、制造智能监控系统等

无线传感器网络的典型网络结构和工作模式如下：

大量传感器节点被布置或投入感兴趣的区域，节点通过自组织迅速形成无线网络。每个节点都有自己的控制区域，通过传感设备监测周围的物理环境，如温度、湿度、声音或光学设备、化学分析设备、电磁感应设备等，或者通过配置一些特殊的功能单元来实现功能与特定环境交互。节点的通信距离一般较短，只能与自己通信范围内的其他传感器节点（称为邻居节点或邻居）交换数据。要访问通信范围之外的节点，必须使用多跳路由。因此，节点不仅是信息的收集者和发送者，还是信息的转发者和发送者。收集的数据通过多跳路由到达汇节点（在某些文献中也称为网关）。通信网络、卫星等与监控中心进行通信。您还可以使用飞机飞越网络并通过无线通信收集网关数据。为了保证网络中的大部分节点都能与网关建立无线链路，并保证传感器节点对目标区域有良好的覆盖，节点的分布应该相当密集。当一些传感器节点耗尽能量或发生故障时，高密度分布也不会影响网络的连通性和整体工作。无线传感器网络的典型架构如图1所示。节点具有感知、信号处理和无线通信功能。

与传统无线网络相比，无线传感器网络具有以下特点：

(1)供电能力有限。无线传感器网络节点一般由电池供电，使用过程中不能对电池进行充电或更换。因此，无线传感器网络设计的基本原则是节约能源。先决条件。

(2)传感器节点由于成本低、体积小、功耗低，软硬件资源非常有限。

(3)无中心。无线传感器网络一般是点对点网络。

(4)自组织。无线传感器网络的部署和部署不需要依赖任何预设的基础设施。

(5)多跳路由。网络中节点之间的通信距离是有限的。如果要与远距离节点通信，需要通过中间节点实现多跳路由。

(6)动态拓扑。无线传感器网络是一个动态网络，节点可以随处移动；网络的拓扑结构随时会发生变化，因此网络应具有动态拓扑组织的功能。

(7)节点数量多，分布密集。为了在一个区域内执行监测任务，传感器节点往往分布非常密集，利用节点间的高连通性来保证系统的容错性和生存能力。

WSN属于一种特殊的Ad hoc网络[1-5]，虽然它与传统的Ad hoc网络有很多相似之处，但与传统的Ad hoc网络相比，无线传感器网络的节点分布密集且更局限在能量，无线传感器网络中的传感器节点大多是静止的。在无线传感器网络中，数据是分布式处理的，系统会根据需要尽快处理数据，可以减少网络流量，降低功耗，提高系统利用率。由于成本和功耗的限制，无线传感器网络节点的硬件资源非常有限，数据处理和存储能力相对较弱。这就决定了简单和节能是设计无线传感器网络各层技术标准的重要前提。

无线传感器网络的协议分层结构基本采用传统网络的分层结构，即包括物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层。此外，能源、移动、任务等管理平台用于监控网络中的能源利用、节点移动和任务分配。这些平台可以帮助传感器节点协作完成某些低能耗的监测任务。图2显示了无线传感器网络的协议栈结构。

能源管理平台用于管理节点如何使用其能源。例如，当一个节点接收到来自邻居节点的消息时，它可以关闭其接收器以避免接收到重复的消息。同样，当一个节点的能量最低时，它会向其邻居广播消息，告诉邻居它没有能量，不能再用于传输消息，从而无法再接收邻居的消息。需要传递的消息，把能量留给自己的消息发送。移动管理平台可以监控和记录节点的移动。任务管理平台用于平衡和规划某个区域的感知任务，安排哪些节点执行哪些感知任务。能量高的节点比能量低的节点可以承担更多的任务。通过这些管理平台，节点可以以低能耗协调工作，在移动中传输数据，并在节点之间共享资源。

无线传感器网络的特性决定了它不能使用一些现有的标准协议。国外研究人员针对无线传感器网络的各个层次提出了一些解决方案，但总的来说，到目前为止还没有被广泛接受的标准。

在信息技术爆炸式发展的今天，无线传感器以其新的数据采集和处理技术逐渐进入人们的视线无线传感网数据管理的概念，并在多个领域得到广泛应用和普及。目前国内无线传感器的发展方向主要集中在接收传感器数据的网络节点上，对用于信息处理的硬件设备也有一些研究。随着研究的不断深入和科技创新的不断突破，无线传感器开始向智能化、便携化方向发展。无线传感器的各项技术都是以往单一传感器技术与无线电通信技术的完美融合，在融合的同时，最大的突破在于操作的便捷性。由于其特殊的节点式感应接收方式，无线电传感器的通信能力会显得非常有限，难以及时处理和响应一些大规模数据。对于这种非常有限的数据处理能力，为了让无线电传感器发挥更大的作用，需要根据实际处理区域做出一系列相应的调整措施。作为当今国际学术领域的研究热点，无线传感器的出现将微电子技术与计算机网络技术相结合。并使这项技术在军事科技、科技、城市规划、应急救援、救灾、环保等方面都体现出非常重要的价值，世界不能再忽视这项重要技术。

无线传感器的选择原则

无线传感器虽然问世时间不长，但种类还是很多的，每种类型实际执行的任务也不同。科学选择合适的无线传感器进行数据采集的对象和测量环境。无线传感器的实际选择应遵循以下重要原则：

灵敏度的选择。一般来说，对于无线传感器来说，设备的灵敏度越高越好，但在实际使用中会发现，无线传感器的灵敏度往往会受到很多外界因素的不可逆干扰，这会使得整体的精度数据测量受到干扰。另外，在方向性方面，传感器的灵敏度并不是越高越好，而是需要根据被测物体做进一步的选择。例如，如果选择的测量对象不是单个向量，那么传感器的吸气度的选择就尽可能的小。

稳定性和精度选择。无论使用什么样的设备，都会有性能上的变化，所以对于无线传感器来说，其稳定性仍然是一个非常重要的指标。因此，在实际的传感器选型中，要充分考虑测量环境，在对使用环境进行详细考察后，合理安排传感器的类型。当某些传感器停止使用时，需要进一步评估传感器的性能。对于一些环境变量不稳定的地区，可以选择一些更耐用的传感器来应对环境变化。之所以如此重视传感器的稳定性，是因为无线传感器的稳定性和精度有着密切的关系。一旦传感器的稳定性出现偏差，将对传感器的精度造成致命的打击。在测量过程中，有时需要根据不同的测量目的来选择无线传感器的类型。一般测量目的分为定量分析和定性分析两大类。对于定性分析，只有一个概念数据结果，因此不需要使用高精度的传感器；而定量分析需要准确的监测数据。 ，此时就需要精度等级更高的传感器来满足测量要求。

频率响应。传感器的机械性能和结构不仅会影响其精度和稳定性，还会影响传感器的频率。只有充分保证传感器的频率响应，才能保证传感器的测量范围。

无线传感器网络的主要用途

虽然由于技术限制，无线传感器网络的大规模商业应用尚需时日，但近年来，随着计算成本的降低和微处理器的尺寸越来越小，出现了很多无线传感器网络已投入使用。目前，无线传感器网络的应用主要集中在以下领域：环境监测与保护

随着人们对环境问题的关注度越来越高无线传感网数据管理的概念，需要收集的环境数据也越来越多。无线传感器网络的出现为随机研究数据采集提供了便利，也可以避免传统数据采集方式对环境造成的侵入性破坏。例如，英特尔研究实验室的研究人员已经将 32 个小型传感器连接到互联网，以读取缅因州“大鸭岛”的气候，从而评估海燕巢的状况。无线传感器网络还可以跟踪候鸟和昆虫的迁徙，研究环境变化对农作物的影响，监测海洋、大气和土壤的成分等等。此外，还可用于精准农业，监测农作物害虫、土壤pH值和施肥情况。

医疗保健

无线传感器网络也可以在医学研究和护理中发挥作用。罗切斯特大学的科学家们使用无线传感器创建了一个智能医疗室，该室使用灰尘颗粒来测量居住者的生命体征（血压、脉搏和呼吸）、睡眠姿势和 24 小时活动水平。英特尔公司还推出了无线传感器网络家庭护理技术。该技术是作为老龄化服务技术中心 (CAST) 的一部分开发的，该技术项目旨在探索对老龄化社会的反应。该系统通过将半导体传感器嵌入家庭道具和设备（如鞋子、家具和家用电器）中来帮助老年人、阿尔茨海默病患者和残疾人的家庭生活。使用无线通信的联网传感器可以有效地传递必要的信息以促进护理。它还减轻了护理人员的负担。 “无线传感器网络是开发家庭护理技术的一个非常有前景的领域，”英特尔预防性健康保险研究主管 Eric Dishman 说。

军事领域

由于无线传感器网络的密集和随机分布，非常适合在恶劣的战场环境中使用，使其非常适合在恶劣的战场环境中使用，包括侦察敌情、监控部队、装备和物资，判断生化攻击和其他用途。美国视觉研究部已投资数千万美元，帮助大学开发“智能尘埃”传感器技术。 Haber Research 总裁 Almendinger 预测，智能尘埃传感器及相关技术的销售额将从 2004 年的 1000 万美元增长到 2013 年的数十亿美元。

目标跟踪

DARPA 支持的 Scnsor IT 项目探索了如何将 WSN 技术应用于军队，以进行所谓的“超视距”战场监视。由 UCB 教授主持的 Sensor Web 是 Sensor IT 的一个子项目。原则上验证了利用WSN进行战场目标跟踪的技术可行性。机翼下携带WSN节点的无人机（UAV）飞到目标区域，然后将节点放下。节点上的地震波传感器可以探测到外部太阳目标，如坦克、装甲车等，并根据信号的强弱估计距离，整合多个节点的观测数据，最终定位目标，并绘制其运动轨迹。虽然演示系统在精度等方面与实战装备的要求还相差甚远，但这种战场侦察模式并没有真正用于实战，但随着美军改变其武器的主要技术目标从精确制导系统开发转向目标感知和定位，相信WSN提供的这种新颖的战场侦察模式将引起军方的关注。

其他用途

无线传感器网络也用于其他领域。例如，在一些危险的工业环境，如矿山、核电站等，工人可以利用它来实施安全监控。在交通领域也可以作为车辆监控的有力工具。此外，在工业自动化生产线等许多领域，英特尔正在工厂测试无线网络，该网络由 40 台机器上的 210 个传感器组成。监控系统将大大改善工厂的运行条件。 它可以显着降低检查设备的成本，同时减少停机时间、提高效率并延长设备寿命，因为可以更早地发现问题。无线传感器技术虽然还处于初步应用阶段，但已经展现出非凡的应用价值。

传感器专题的压电陶瓷加速度计

加速度计是测量加速度的传感器。广泛使用的压电加速度计是由石英和陶瓷等压电材料制成的。具有频响宽、线性度好等特点。广泛应用于航空、电力、化工等领域，武器、船舶、汽车等领域的振动、冲击、爆炸等动态试验。目前宜都主力产品EA-192国内市场感应，完美诠释此应用。

压电加速度计是利用陶瓷的压电效应制成的加速度计。当压电陶瓷受到一定方向的外力作用时，会发生内化现象，同时在两个表面上产生符号相反的电荷。压电陶瓷加速度计常见的结构形式有基于压电元件厚度变形的压缩式加速度计、基于压电元件剪切变形的剪切式和复合式加速度计。

下面以压缩加速度计为例，简单介绍一下压电加速度计的工作原理。其结构如图所示。它主要由压电元件、质量块、压力弹簧、底座和外壳组成。压电元件放置在底座上，压电元件被弹簧压缩。在测量加速度时，由于被测物体和传感器是固定在一起的，当被测物体以加速度运动时，压电元件也会受到与质量块因加速度运动而产生的加速度成正比的惯性力F的影响。 电荷q是由压电效应产生的。

加速度计的技术原理

MEMS换能器（Transducer）可分为传感器（Sensor）和执行器（Actuator）两大类。其中，传感器会接受外界传来的物理输入，通过传感器转化为电子信号，最后转化为可用信息，如加速度传感器、陀螺仪、压力传感器等。主要感应方式就是测量一些微小的物理量的变化，比如电阻值、电容值、应力、变形、位移等，然后通过电压信号来表示这些变化。执行器接受控制器发出的电子信号指令，做出所需的反应动作，如光敏开关、MEMS显示等。

目前的加速度传感器的实现方式有很多种，主要可以分为压电式、电容式和热感应式三种。这三种技术各有优缺点。以电容式三轴加速度计的技术原理为例。电容式加速度计可以感应运动条件，例如不同方向的加速度或振动。它主要是利用硅的力学特性设计的可动机构。机构主要包括两组硅梳（SILicon Fingers），一组固定，另一组随运动物体立即运动；前者相当于固定电极，后者相当于固定电极。功能是可移动电极。当活动梳齿发生位移时，电容会发生与位移成正比的变化。

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