第一篇：传感论文
摘要：压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，其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。下面是对压力式传感器的介绍。
Abstract: the pressure sensor is the most commonly used in industrial practice of a sensor,which is widely used in various industrial control environment, relating to the water conservancy and hydropower, railway transportation, intelligent building, production control, aerospace, military, petrochemical, oil, electricity, shipbuilding, machine tools, pipeline and other industries.The following is the introduction of pressure sensor.关键词：压力传感器工作原理，应用范围以及发展方向.Key word: Pressure type msensor working principle, application range and development direction of online translation.一．应变片压力传感器原理与应用
力学传感器的种类繁多，如电阻应变片压力传感器、半导体应变片压力传感器、压阻式压力传感器、电感式压力传感器、电容式压力传感器、谐振式压力传感器及电容式加速度传感器等。但应用最为广泛的是压阻式压力传感器，它具有极低的价格和较高的精度以及较好的线性特性。下面我们主要介绍这类传感器。
在了解压阻式力传感器时，我们首先认识一下电阻应变片这种元件。电阻应变片是一种将被测件上的应变变化转换成为一种电信号的敏感器件。它是压阻式应变传感器的主要组成部分之一。电阻应变片应用最多的是金属电阻应变片和半导体应变片两种。金属电阻应变片又有丝状应变片和金属箔状应变片两种。通常是将应变片通过特殊的粘和剂紧密的粘合在产生力学应变基体上，当基体受力发生应力变化时，电阻应变片也一起产生形变，使应变片的阻值发生改变，从而使加在电阻上的电压发生变化。这种应变片在受力时产生的阻值变化通常较小，一般这种应变片都组成应变电桥，并通过后续的仪表放大器进行放大，再传输给处理电路（通常是A/D转换和CPU）显示或执行机构。
金属电阻应变片的内部结构：它由基体材料、金属应变丝或应变箔、绝缘保护片和引出线等部分组成。根据不同的用途，电阻应变片的阻值可以由设计者设计，但电阻的取值范围应注意：阻值太小，所需的驱动电流太大，同时应变片的发热致使本身的温度过高，不同的环境中使用，使应变片的阻值变化太大，输出零点漂移明显，调零电路过于复杂。而电阻太大，阻抗太高，抗外界的电磁干扰能力较差。一般均为几十欧至几十千欧左右。
电阻应变片的工作原理：金属电阻应变片的工作原理是吸附在基体材料上应变电阻随机械形变而产生阻值变化的现象，俗称为电阻应变效应。金属导体的电阻值可用下式表示式中：ρ——金属导体的电阻率（Ω·cm2/m）S——导体的截面积（cm2）L——导体的长度（m）
我们以金属丝应变电阻为例，当金属丝受外力作用时，其长度和截面积都会发生变化，从上式中可很容易看出，其电阻值即会发生改变，假如金属丝受外力作用而伸长时，其长度增加，而截面积减少，电阻值便会增大。当金属丝受外力作用而压缩时，长度减小而截面增加，电阻值则会减小。只要测出加在电阻的变化（通常是测量电阻两端的电压），即可获得应变金属丝的应变情.二．陶瓷压力式传感器原理及应用
抗腐蚀的陶瓷压力传感器没有液体的传递，压力直接作用在陶瓷膜片的前表面，使膜片产生微小的形变，厚膜电阻印刷在陶瓷膜片的背面，连接成一个惠斯通电桥(闭桥)，由于压敏电阻的压阻效应，使电桥产生一个与压力成正比的高度线性、与激励电压也成正比的电压信号，标准的信号根据压力量程的不同标定为2.0 / 3.0 / 3.3 mV/V等，可以和应变式传感器相兼容。通过激光标定，传感器具有很高的温度稳定性和时间稳定性，传感器自带温度补偿0～70℃，并可以和绝大多数介质直接接触 陶瓷是一种公认的高弹性、抗腐蚀、抗磨损、抗冲击和振动的材料。陶瓷的热稳定特性及它的厚膜电阻可以使它的工作温度范围高达-40～135℃，而且具有测量的高精度、高稳定性。电气绝缘程度>2kV，输出信号强，长期稳定性好。高特性，低价格的陶瓷传感器将是压力传感器的发展方向，在欧美国家有全面替代其它类型传感器的趋势，在中国也越来越多的用户使用陶瓷传感器替代扩散硅压力传感器。
三．压电压力传感器原理与应用
压电传感器中主要使用的压电材料包括有石英、酒石酸钾钠和磷酸二氢胺。其中石英（二氧化硅）是一种天然晶体，压电效应就是在这种晶体中发现的，在一定的温度范围之内，压电性质一直存在，但温度超过这个范围之后，压电性质完全消失（这个高温就是所谓的 “居里点”）。由于随着应力的变化电场变化微小（也就说压电系数比较低），所以石英逐渐被其他的压电晶体所替代。而酒石酸钾钠具有很大的压电灵敏度和压电系数，但是它只能在室温和湿度比较低的环境下才能够应用。磷酸二氢胺属于人造晶体，能够承受高温和相当高的湿度，所以已经得到了广泛的应用
现在压电效应也应用在多晶体上，比如现在的压电陶瓷，包括钛酸钡压电陶瓷、PZT、铌酸盐系压电陶瓷、铌镁酸铅压电陶瓷等等。
压电效应是压电传感器的主要工作原理，压电传感器不能用于静态测量，因为经过外力作用后的电荷，只有在回路具有无限大的输入阻抗时才得到保存。实际的情况不是这样的，所以这决定了压电传感器只能够测量动态的应力。
压电传感器主要应用在加速度、压力和力等的测量中。压电式加速度传感器是一种常用的加速度计。它具有结构简单、体积小、重量轻、使用寿命长等优异的特点。压电式加速度传感器在飞机、汽车、船舶、桥梁和建筑的振动和冲击测量中已经得到了广泛的应用，特别是航空和宇航领域中更有它的特殊地位。压电式传感器也可以用来测量发动机内部燃烧压力的测量与真空度的测量。也可以用于军事工业，例如用它来测量枪炮子弹在膛中击发的一瞬间的膛压的变化和炮口的冲击波压力。它既可以用来测量大的压力，也可以用来测量微小的压力。
压电式传感器也广泛应用在生物医学测量中，比如说心室导管式微音器就是由压电传感器制成的，因为测量动态压力是如此普遍，所以压电传感器的应用就非常广泛
压电式传感器主要应用在加速度、压力和力等的测量中。压电式加速度传感器是一种常用的加速度计。它具有结构简单、体积小、重量轻、使用寿命长等优异的特点。压电式加速度传感器在飞机、汽车、船舶、桥梁和建筑的振动和冲击测量中已经得到了广泛的应用，特别是航空和宇航领域中更有它的特殊地位。压电式传感器也可以用来测量发动机内部燃烧压力的测量与真空度的测量。也可以用于军事工业，例如用它来测量枪炮子弹在膛中击发的一瞬间的膛压的变化和炮口的冲击波压力。它既可以用来测量大的压力，也可以用来测量微小的压力。
压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，而我们通常使用的压力传感器主要是利用压电效应制造而成的，这样的传感器也称为压电传感器。
我们知道，晶体是各向异性的，非晶体是各向同性的。某些晶体介质，当沿着一定方向受到机械力作用发生变形时，就产生了极化效应；当机械力撤掉之后，又会重新回到不带电的状态，也就是受到压力的时候，某些晶体可能产生出电的效应，这就是所谓的极化效应。科学家就是根据这个效应研制出了压力传感器。
压力传感器已成为各类传感器中技术最成熟、性能最稳定、性价比最高的一类传感器。因此对于从事现代测量与自动控制专业的技术人员必须了解和熟识国内外压力传感器的研究现状和发展趋势。
四．压力传感器国内外研究现状
从世界范围看压力传感器的发展动向主要有以下几个方向。（一）光纤压力传感器
这是一类研究成果较多的传感器,但投入实际领域的并不是太多。它的工作原理是利用敏感元件受压力作用时的形变与反射光强度相关的特性,由硅框和金铬薄膜组成的膜片结构中间夹了一个硅光纤挡板,在有压力的情况下,光线通过挡板的过程中会发生强度的改变,通过检测这个微小的改变量,我们就能测得压力的大小。这种敏感元件已被应用与临床医学,用来测扩张冠状动脉导管气球内的压力。可预见这种压力传感器在显微外科方面一定会有良好的发展前景。同时,在加工与健康保健方面,光纤传感器也在快速发展。
（二）电容式真空压力传感器
E + H公司的电容式压力传感器是由一块基片和厚度为0.8～2.8mm的氧化铝(Al2O3)构成,其间用一个自熔焊接圆环钎焊在一起。该环具有隔离作用,不需要温度补偿,可以保持长期测量的可靠性和持久的精度。测量方法采用电容原理,基片上一电容CP 位于位移最大的膜片的中央,而另一参考电容CR 位于膜片的边缘,由于边缘很难产生位移,电容值不发生变化,CP 的变化则与施加的压力变化有关,膜片的位移和压力之间的关系是线性的。遇到过载时,膜片贴在基片上不会被破坏,无负载时会立刻返回原位无任何滞后,过载量可以达到100 %,即使是破坏也不会泄漏任何污染介质。因此具有广泛的应用前景。
（三）耐高温压力传感器
新型半导体材料碳化硅的出现使得单晶体的高温传感器的制作成为可能。实验结果表明,在输入电压为5V ,被测压力为6.9MPa 的条件下,23500 ℃时的满量程输出为44.66～20.03mV ,满量程线度为20.17 % ,迟滞为0.17 %。在500 ℃条件下运行10h ,性能基本不变, 在100 ℃和500 ℃两点的应变温度系数(TCGF), 分别为20.19 %/ ℃和-0.11 %/ ℃。这种传感器的主要优点是PN 结泄漏电流很小,没有热匹配问题以及升温不产生塑性变型,可以批量加工。Rene 报导了使用单晶体n 型β-碳化硅材料制成的压力传感器,这种压力传感器工作温度可达573K,耐辐射。
（四）硅微机械加工传感器
在微机械加工技术逐渐完善的今天,硅微机械传感器在汽车工业中的应用越来越多。而随着微机械传感器的体积越来越小,线度可以达到1～2mm ,可以放置在人体的重要器官中进行数据的采集。
（五）具有自测试功能的压力传感器
为了降低调试与运行成本,Dirk De报导了一种具有自测试功能的压阻、电容双元件传感器,它的自测试功能是根据热驱动原理进行的,该传感器尺寸为1.2mm ×3mm ×0.5mm ,适用于生物医学领域[7 ]。(六)多维力传感器
六维力传感器的研究和应用是多维力传感器研究的热点,现在国际上只有美、日等少数国家可以生产。在我国北京理工大学在跟踪国外发展的基础上,又开创性的研制出组合有压电层的柔软光学阵列触觉,阵列密度为2438tactels/ cm2 ,力灵敏1g ,结构柔性很好,能抓握和识别鸡蛋和钢球,现已用于机器人分选物品[8 ]。
五．压力传感器的发展趋势
当今世界各国压力传感器的研究领域十分广泛,几乎渗透到了各行各业,但归纳起来主要有以下几个趋势:(1)小型化目前市场对小型压力传感器的需求越来越大,这种小型传感器可以工作在极端恶劣的环境下,并且只需要很少的保养和维护,对周围的环境影响也很小,可以放置在人体的各个重要器官中收集资料,不影响人的正常生活。
(2)集成化压力传感器已经越来越多的与其它测量用传感器集成以形成测量和控制系统。集成系统在过程控制和工厂自动化中可提高操作速度和效率。
(3)智能化由于集成化的出现,在集成电路中可添加一些微处理器,使得传感器具有自动补偿、通讯、自诊断、逻辑判断等功能。
(4)广泛化压力传感器的另一个发展趋势是正从机械行业向其它领域扩展,例如:汽车元件、医疗仪器和能源环境控制系统。
随着硅、微机械加工技术、超大集成电路技术和材料制备与特性研究工作的进展,使得压力传感器在光纤传感器的批量生产、高温硅压阻及压电结传感器的应用成为可能,在生物医学、微型机械等领域,压力传感器有着广泛的应用前景。
参考文献：
（1）《传感检测与测量仪器》 付涛主编 河南工业大学出版社
（2）《传感器与检测技术》 宋文绪，杨帆主编 第二版 高等教育出版社（3）《智能传感器系统》 刘君华 西安电子科技大学出版社
河南机电高等专科学校
《电子测量与传感器原理》大作业
题目：压力式传感器在工业方面的应用
系 部 电子通信工程系 专 业 应用电子技术 班 级 应电103 学生姓名 校付苹 学 号 100415103
2012 年 月 20 日
第二篇：无线传感网实验报告
Central South University
无线传感器网络 实验报告
学院:
班级: 学号: 姓名:
时间: 指导老师：
第一章 基础实验
了解环境
1.1 实验目的
安装 IAR 开发环境。CC2530 工程文件创建及配置。源代码创建，编译及下载。1.2 实验设备及工具
硬件：ZX2530A 型底板及 CC2530 节点板一块，USB 接口仿真器，PC 机
软件：PC 机操作系统 WinXP，IAR 集成开发环境，TI 公司的烧写软件。
1.3 实验内容
1、安装 IAR 集成开发环境
IAR 集成开发环境安装文件所在光盘目录：物联网光盘工具CD-EW8051-7601
2、ZIBGEE 硬件连接
安装完 IAR 和 Smartrf Flash Programmer 之后，按照图所示方式连接各种硬件，将仿真器的 20 芯 JTAG 口连接到 ZX2530A 型 CC2530 节点板上，USB 连接到 PC 机上，RS-232 串口线一端连接 ZX2530A 型 CC2530 节点板，另一端连接 PC 机串口。
3、创建并配置 CC2530 的工程文件 IAR 是一个强大的嵌入式开发平台，支持非常多种类的芯片。IAR 中的每一个 Project，都可以拥有自己的配置，具体包括 Device 类型、堆/栈、Linker、Debugger 等。（1）新建 Workspace 和 Project 首先新建文件夹 ledtest。打开 IAR，选择主菜单 File-> New-> Workspace 建立新的工作区域。
选择 Project-> Create New Project-> Empty Project，点击 OK，把此工程文件保存到文件夹 ledtest 中，命名为：ledtest.ewp（如下图）。
（2）配置 Ledtest 工程
选择菜单 Project->Options...打开如下工程配置对话框
选择项 General Options，配置 Target 如下 Device：CC2530；
（3）Stack/Heap 设置：XDATA stack size：0x1FF
（4）Debugger 设置：
Driver：Texas Instruments（本实验为真机调试，所以选择 TI；若其他程序要使用 IAR仿真器，可选 Simulator）
至此，针对本实验的 IAR 配置基本结束.4、编写程序代码并添加至工程
选择菜单 File->New->File 创建一个文件，选择 File->Save 保存为 main.c 将 main.c 加入到 ledtest 工程，将实验代码输入
然后选择 Project->Rebuild All 编译工程
编译好后，选择 Project->Download and debug 下载并调试程序 下载完后，如果不想调试程序，可点工具栏上的按钮终止调试。
到此，程序已经下载到了 cc2530 芯片的 flash 内，按下 ZX2530A 上的复位按钮可看到程序的运行效果。
LED 实验 2.1 实验目的
通过 I/O 控制小灯闪烁的过程。
在 ZX2530A 型 CC2530 节点板上运行自己的程序。2.2 实验设备及工具
硬件：ZX2530A 型底板及 CC2530 节点板一块，USB 接口仿真器，PC 机
软件：PC 机操作系统 WinXP，IAR 集成开发环境。2.3 实验结果
1.正确连接下载线和 ZX2530A 型 CC2530 节点板，打开 ZX2530A 型 CC2530 节点板电源。
2.在文件夹“基础实验2 LED”下打开工程 led,编译工程，并下载到 CC2530 节点板。3.观察 LED 的闪烁情况。
4.修改延时函数，可以改变 LED 小灯的闪烁间隔时间。
5.重新编译，并下载程序到 CC2530 节点板，观察 LED 的闪烁情况。
答：增加延时就会发现小灯闪烁的频率降低了。
串口实验 3.1 实验目的
本次实验将会学习如果使用串口实现与 PC 机的通讯。（实验中需要 PC 机与开发板之间使用RS232 交叉串口连接线）。
能正确配置 CC2530 的串口。3.2 实验设备及工具
硬件：ZX2530A 型底板及 CC2530 节点板一块，USB 接口仿真器，PC 机，交叉串口线一根。
软件：PC 机操作系统 WinXP，IAR 集成开发环境、串口调试助手。3.3 实验结果
CC2530 能与上位机通过串口正常通信
1.正确连接下载线和 ZX2530A 型 CC2530 节点板，用串口线正确连接上位机和 ZX2530A 型板，使能通过串口交换数据。
2.在文件夹“基础实验5 uart”下打开工程 uart,编译工程，并下载到 CC2530 节点板。
3.通过上位机上的串口调试助手，发送数据到 cc2530，然后检查 cc2530 回送给上位机的数据。
3.4 实验总结
通过这次实验，让我对无线传感器网络有了进一步的了解。在无线的世界，感觉一切都是那么神奇，二一切又是那么理所当然，记得小时候常常想，那些无线好神秘，画面，声音等怎么可以从一方到达另一方而可以完全不接触。虽然今天做的实验都是很小很简单的，比起显示中那些绚丽的感觉没什么值得赞扬的，但对于我来说，这个更有魅力，那些绚丽的我是以仰望的视角来对待，而这次我能深入它的原理去真正接触它，以平视来看待它。
第二章 射频实验
点对点射频通信实验 1 实验目的
在 ZX2530A 型 CC2530 节点板上运行相应实验程序。熟悉通过射频通信的基本方法。练习使用状态机实现收发功能。2 实验内容
接收节点上电后进行初始化，然后通过指令 ISRXON 开启射频接收器，等待接收数据，直到正确接收到数据为止，通过串口打印输出。发送节点上电后和接收节点进行相同的初始化，然后将要发送的数据输出到 TXFIFO 中，再调用指令 ISTXONCCA 通过射频前端发送数据。3 实验设备及工具
硬件：ZX2530A 型 CC2530 节点板 2 块、USB 接口的仿真器，PC 机 Pentium100 以上。
软件：PC 机操作系统 WinXP、IAR 集成开发环境、串口监控程序。4 实验原理
发送节点通过串口接收用户的输入数据然后通过射频模块发送到指定的接收节点，接收节点通过射频模块收到数据后，通过串口发送到 pc 在串口调试助手中显示出来。如果发送节点发送的数据目的地址与接收节点的地址不匹配，接收节点将接收不到数据。以下为发送节点程序流程图：
以下为接收节点流程图： 实验步骤
1.打开光盘“无线射频实验2.点对点通信”双击 p2p.eww 打开本实验工程文件。2.打开 main.c 文件下面对一些定义进行介绍 RF_CHANNEL 此宏定义了无线射频通信时使用的信道，在多个小组同时进行实验是建议每组选择不同时信道。但同一组实验中两个节点需要保证在同一信道，才能正确通信。
PAN_ID 个域网 ID 标示，用来表示不同在网络，在同一实验中，接收和发送节点需要配置为相同的值，否则两个节点将不能正常通信。SEND_ADDR 发送节点的地址 RECV_ADDR 接收节点的地址
NODE_TYPE 节点类型：0 接收节点，1：发送节点，在进行实验时一个节点定义为发送节点用来发送数据，一个定义为接收节点用来接收数据。
3.修改 NODE_TYPE 的值为 0，并编译下载到节点板。此节以下称为接收节点。
4.修改 NODE_TYPE 的值为 1，并编译下载到另外一个节点板。此节点板以下称为发送节点。
5．将接收节点的串口与 pc 的串口相连，并在 pc 端打开串口调试助手，配置波特率为 115200。
6.先将接收节点上电，然后将发送节点上电。7.从串口调试助手观察接收节点收到的数据。
8．修改发送数据的内容，然后编译并下载程序到发送节点，然后从串口调试助手观察收到的数据。9.修改接收节点的地址，然后重新编译并下载程序到接收节点，然后从发送节点发送数据观察接收节点能否正确接收数据。6 实验数据分析及结论
发送节点将数据发送出去后，接收节点接收到数据，并通过串口调试助手打印输出。发送数据的最大长度为 125（加上发送的据长度和校验，实际发送的数据长度为 128 字节）。7 实验心得
这次实验在原来的短距离无线通信中有所涉猎，所以应该这个对于我们来说还是很简单的，所以很快就做完实验了，就和几个同学好好研究了一下它的原理和一些它的展望，感觉这个学科以后有很大的发展前途，作为一个物联网的学生，对无线射频技术应该得很了解，指望它吃饭呢。这次实验也很简单，但是还是可以解除它的最底层的东西可以更加激发我们的兴趣。第三章 ZStack组网实验
多点自组织组网实验 1 实验目的
理解 zigbee 协议及相关知识。
在 ZX2530A 型 CC2530 节点板上实现自组织的组网。在 ZStack 协议栈中实现单播通信。2 实验内容
先启动协调器节点，协调器节点上电后进行组网操作，再启动路由节点和终端节点，路由节点和终端节点上电后进行入网操作，成功入网后周期的将自己的短地址，父节点的短地址，自己的节点 ID 封装成数据包发送给协调器节点，协调器节点接收到数据包后通过串口传给 PC，从 PC 上的串口监控程序查看组网情况。发送数据格式为(16 进制): FF 源节点(16bit)父节点(16bit)节点编号 ID(8bit)例如 FF 4B 00 00 00 01，表示 01 号节点的网络地址为 004B，发送数据到父节点，其网络地址为 00 00(协调器)。3 实验设备及工具
硬件：DZ2530 型 CC2530 节点板、USB 接口的仿真器，PC 机 Pentium100 以上。
软件：PC 机操作系统 WinXP、IAR 集成开发环境、ZTOOL 程序。4 实验原理
程序执行的流程图如图 5-4 所示，在进行一系列的初始化操作后程序就进入事件轮询状态。
对于终端节点，若没有事件发生且定义了编译选项 POWER_SAVING，则节点进入休眠状态。
协调器是 Zigbee 三种设备中最重要的一种。它负责网络的建立，包括信道选择，确定唯一的PAN 地址并把信息向网络中广播，为加入网络的路由器和终端设备分配地址，维护路由表等。Z-Stack 中打开编译选项 ZDO_COORDINATOR，也就是在 IAR 开发环境中选择协调器，然后编译出的文件就能启动协调器。具体工作流程是：操作系统初始化函数 osal_start_system 调用ZDAppInit 初 始 化 函 数，ZDAppInit 调 用 ZDOInitDevice 函 数，ZDOInitDevice 调 用
ZDApp_NetworkInit 函数，在此函数中设置 ZDO_NETWORK_INIT 事件，在 ZDApp_event_loop 任务中对其进行处理。由 第 一 步 先 调 用 ZDO_StartDevice 启动网络中的设备，再调用NLME_NetworkFormationRequest 函数进行组网，这一部分涉及网络层细节，无法看到源代 码，在库中处理。ZDO_NetworkFormationConfirmCB 和 nwk_Status 函数有申请结果的处理。如果成功则 ZDO_NetworkFormationConfirmCB 先执行，不成功则 nwk_Status 先执行。接着，在ZDO_NetworkFormationConfirmCB 函数中会设置 ZDO_NETWORK_START 事件。由于第三步，ZDApp_event_loop 任务中会处理 ZDO_NETWORK_START 事件，调用 ZDApp_NetworkStartEvt 函数，此函数会返回申请的结果。如果不成功能量阈值会按ENERGY_SCAN_INCREMENT 增加，并将App_event_loop 任务中的事件 ID 置为 ZDO_NETWORK_INIT 然后跳回第二步执行；如果成功则设置 ZDO_STATE_CHANGE_EVT 事件让 ZDApp_event_loop 任务处理。对 于 终 端 或 路 由 节 点，调 用 ZDO_StartDevice 后 将 调 用 函 数 NLME_NetworkDiscoveryRequest 进行信道扫描启动发现网络的过程，这一部分涉及网络层 细节，无法看到源代码，在库中处理，NLME_NetworkDiscoveryRequest函数执行的结果将会返回到函数ZDO_NetworkDiscoveryConfirmCB 中，该 函 数 将 会 返 回 选 择 的 网 络，并 设 置 事 件ZDO_NWK_DISC_CNF，在 ZDApp_ProcessOSALMsg 中对该事件进行处理，调用 NLME_JoinRequest加入指定的网络，若加入失败，则重新初始化网络，若加入成功则调用 ZDApp_ProcessNetworkJoin函数设置 ZDO_STATE_CHANGE_EVT，在对该事件的处理过程 中将调用ZDO_UpdateNwkStatus函数，此函数会向用户自定义任务发送事件 ZDO_STATE_CHANGE。本实验在 Zstack 的事例代码 simpleApp 修改而来。首先介绍任务初始化的概念，由于自定义任务需要确定对应的端点和簇等信息，并且将这些信息在 AF 层中注册，所以每个任务都要初始化然后才会进入 OSAL 系统循环。在 Z-Stack 流程图中，上层的初始 化集中在 OSAL 初始化（osal_init_system）函数中。包括了存储空间、定时器、电源管理和 各任务初始化。其中用户任务初始化的流程如下：
用户任务初始化流程图
任务 ID（taskID）的分配是 OSAL 要求的，为后续调用事件函数、定时器函数提供了参数。网络状态在启动的时候需要指定，之后才能触发 ZDO_STATE_CHANGE 事件，确定设备的类型。目的地址分配包括寻址方式，端点号和地址的指定，本实验中数据的发送使用单播方式。之后设置应 用 对 象 的 属 性，这 是 非 常 关 键 的。由 于 涉 及 很 多 参 数，Z-Stack 专 门 设 计 SimpleDescriptionFormat_t 这一结构来方便设置，其中的成员如下： EndPoint，该节点应用的端点，值在 1-240 之间，用来接收数据。AppProfId，该域是确定这个端点支持的应用 profile 标识符，从 Zigbee 联盟获取具体的 标识符。AppNumInClusters，指示这个端点所支持的输入簇的数目。pAppInClusterList，指向输入簇标识符列表的指针。AppNumOutClusters，指示这个端点所支持的输出簇的数目。pAppOutClusterList，指向输出簇标识符列表的指针。
本实验 profile 标识符采用默认设置，输入输出簇设置为相同 MY_PROFILE_ID，设 置完成后，调用 afRegister 函数将应用信息在 AF 层中注册，使设备知晓该应用的存在，初 始化完毕。一旦初始化完成，在进入 OSAL 轮询后 zb_HandleOsalEvent 一有事件被触发，就会得到及时的处理。事件号是一个以宏定义描述的数字。系统事件（SYS_EVENT_MSG）是强制的，其中包括了几个子事件的处理。ZDO_CB_MSG 事件是处理 ZDO 的响应，KEY_CHANGE 事件 处理按键（针对 TI 官方的开发板），AF_DATA_CONFIRM_CMD 则是作为发送一个数据包 后的确认，AF_INCOMING_MSG_CMD是接收到一个数据包会产生的事件，协调器在收到 该事件后调用函数 p2p_test_MessageMSGCB，将接收到的数据通过 HalUARTWrite 向串口 打印输出。ZDO_STATE_CHANGE 和网络状态的改变相关在此事件中若为终端或路由节点 则发送用户自定义的数据帧：FF 源节点短地址(16bit，调用 NLME_GetShortAddr()获得)、父节点短地址(16bit，调用 NLME_GetCoordShortAddr())、节点编号 ID(8bit，为长地址的最低字节，调用 NLME_GetExtAddr()获得，在启动节点前应先用 RFProgrammer 将非 0XFFFFFFFFFFFFFFFF 的长地址写到 CC2530 芯片存放长地址的寄存器中)，协调器不做任何处理，只是等待数据的到来。终端和路由节点在用户自定义的事件 MY_REPORT_EVT中 发 送 数 据 并 启 动 定 时 器 来 触 发 下 一 次 的 MY_REPORT_EVT 事件，实现周期性的发送数据（发送数据的周期由宏定义 REPORT_DELAY 确定）。5 实验步骤
1.打开工程文件夹协议栈实验2.多点自组网ProjectszstackSamplesSimpleAppCC2530DB下的工程文件 SimpleApp.eww。2.选择工程
编译，生成协调器代码，并下载到 ZX2530A 开发板。此节点为协调器节点。3.选择工程
编译，生成终端节点代码，并下载到 ZX2530 开发板。此节点为终端节点。4.选择工程
编译，生成路由器节点代码，并下载到 ZX2530 开发板，此节点为路由器节点。5.用串口线将协调器节点与 pc 连接起来，在 pc 端打开 ZTOOL 程序。(ZTOOL 程序在 zstack 安装后自动安装)6.开启 ZX2530A 型 CC2530 节点板电源。7.在 ZTOOL 程序中观察组网结果。6 实验数据分析及结论
由接收数据的 DebugString 可以看出图中有两个节点加入了网了，其中一个节点的 DEVID 是21，网络地址：4f07，父节点地址是 0 即协调器。另外一个节点的 DEVID 是 11，网络地址：A6F7，父节点地址是 4f07 即上一节点。实验中可以试着改变不同节点的位置，然后通过 ZTOOL 看看组网结果有什么不同。7 实验心得
这次实验感觉比原来的更有趣，可以在手机上看到无线连接的组网，所以和同学们很有兴趣，虽然只有几个分支，但是几个的通信还是可以清晰可见的。同时也让我们看到了大型android手机的模样，以前都是看成品，这次看的是半成品，感觉很有意思。在组网的过程中，遇到了一些问题，刚开始不知道如何解决，就问同学和老师，有的是线的问题，由于实验器材本身的问题，导致一些松动之类的，但最后实验总算是顺利的完成了。在这感谢帮助我的同学和老师。第四章 传感器网络综合实验
Zigbee 节点控制程序设计 1.1 协调器节点工程
SimpleCoordinator 即协调器工程，如下图
协调器的应用功能代码实现文件是 SimpleCoordinator.c 在工程文件夹 App 目录下具体实现可参考源码。按下键盘上的 F7 即个编译协调器工程，编译好之后可将代码下载到协调器节点板。1.2 人体红外传感器节点工程
SimpleInfrared 即人体红外传感器工程，如下图
人体红外传感器节点应用控制代码可参考工程目录 App 下 SimpleInfrared.c 1.3 超声波距离传感器节点工程 SimpleDistanceSensor 即超声波距离传感器工程，如下图
超声波距离传感器节点实现代码可参考工程目录 App 下
SimpleDistanceSensor.c。超声波测距驱动代码请参考 ys-srf05.c 文件。
1.4 湿度传感器节点工程
SimpleHumiditySensor 即湿度传感器节点工程，如下图
湿度传感器应用控制代码可参考工程目录 App 下SimpleHumiditySensor.c 文件，其湿度的测量驱动可参考温湿度传感器驱动 dht11.c 文件
平台控制操作 2.1 启动程序
1）安装好程序后，打开 android 应用程序面板，找到图标 点击进入程序。
2）直接点击登录按钮，进入到系统主界面。第一次进入是系统会自动连接到 zigbee 网关然后去搜索 zigbee 网络，默认的 zigbee 网关地址为本机 IP 地址，即 127.0.0.1。
3）如果你的 zigbee 网关地址不是本机，则需要修改默认网关地址。通过按下系统‘菜单’按键，会出现如下菜单，选择‘设置’菜单，可以设置默认的 zigbee 网关。如下图：
4）设置好网关后，下次启动程序就不用再次设置了。2.2 搜索网络
如果 zigbee 网关设置好，通过菜单选择‘搜索网络’就可以搜索 zigbee 网络了，正常情况下至少会有一个协调器节点，如果程序提示搜索不到网络，请检查你的网络连接和协调器是否正确连接。如果 zigbee 网络上还有其它节点，可以在网络 TOP 图上一起显示出来。如下，是一个zigbee 网络 TOP 图：
图中共有 7 个节点，其中最上面那个是协调器节点，其它为传感器节点，其中地址为 58229的灯光设备带有路由功能，属路由器节点，它下面有两个子节点，分别为人体传感器和温度传感器。2.3 传感器节点操作
通过搜索到的 zigbee 网络 TOP 图，可以了解整个 zigbee 网络的节点分布情况。通过点击屏幕上相应节点的图标可以进入相关节点的控制和监控操作。
下图为温度传感器的监控界面：
其它界面读者可以自行实验，并且去了解。
实验心得
四次实验完成了，虽然不能说自己学到了很多吧，至少对这里面的一些操作有了一定的了解，本科生本来就是为了让我们扩充视角，知道更多的东西。无线传感网络真的感觉很神奇，也很有发展前景，这些高尖端的技术，现在存在一些瓶颈，如果能够突破，对物联天下这个目标将前进了一大步，如果能够把传感器节点造的更节能，更低廉，更小巧，将会实现全球各个地方的实时数据采集，就可以得到更多的信息，为以后生产生活带来巨大的改变。在收集的数据肯定是海量的，将需要其他学科的支撑，一起结合起来，实现真的物物相联。
第三篇：读名人传感
阅读了罗曼·罗兰的《名人传》深受感动。罗曼·罗兰是20世纪法国著名作家，他的作品是人们强大的精神支柱。这本书写了三个世界著名的人物。第一位是德国作曲家：贝多芬；另一位是意大利天才雕刻家：米开朗基罗；最后一位是俄罗斯著名作家：托尔斯泰。他们经历了各种各样的磨难，但没有屈服于命运，在生命的最后一秒仍然不屈不挠地战斗，最终成为伟人。这也告诉我们一个道理：困难和挫折是命运和生活的最佳锻炼！
贝多芬是这三位伟人中给我印象最深的。他对音乐充满热情，先后创作了许多优秀作品。他的作品深邃、辉煌、壮观，充满幻想。然而，灾难无情地降临在他的头上。1802年，他意识到自己的听力障碍无法治愈，很快就会恶化。这意味着他可能再也无法创作了！多大的打击啊！但他能顽强地与命运抗争，这也许就是为什么他能在后期写出这么多不朽的.作品。这种永不妥协生活和命运的精神正是我们应该学习的。这个伟大而不屈不挠的灵魂使黑暗的世界闪耀，使生活充满希望。
《名人传》很好地证实了中国古代的一句话：古今成为大事业者，不仅要有超世的才华，还要有毅力。贝多芬的“在悲伤的忍耐中寻找生活”，米开朗基罗的“我越痛苦，我就越喜欢”，托尔斯泰的“我哭，我痛苦，我只是想要真理”，都表明伟大的生活是一场无尽的战斗。我们的时代千变万化，充满机遇，渴望成功，却不想奋斗。我们想要的是一夜成名。浮躁和急功近利可能会让我们昙花一现，但绝不能让我们成为人类中不朽的人之一。所以，读《名人传》可能会让我们更加清醒。
读名人传感2
社会生活无情而缓慢地流逝。世界所追求的不是信仰和精神力量，而是利润和财富。英雄（名人）能改变日益颓废的世界风格吗？是的，罗曼罗兰的名人坚持正义和真理，以造福人类为己任。他们的钢铁意志正是我们今天需要的……
贝多芬，《名人传》中的第一个人物，也是我最喜欢的人物。他是大师中的大师！他渴望幸福的'婚姻生活，但却屡遭失败。后来，他不幸耳聋了，这对一个音乐家来说无非是精神上的毁灭，但他并没有放弃对音乐的追求，而是更顽强地投入到音乐中。写出震撼人心的乐章，保持着不屈不挠的高昂斗争精神。“一心向善，爱自由高于一切。即使是为了御座，也绝不背叛真理。”
就说贝多芬吧，无论是身体上的痛苦还是成功的喜悦，都不能阻止他前进。我们也应该这样做。我们应该坚持真理和正义的信念，不要害怕任何困难，即使上帝给了我们不完整的身体，我们也应该珍惜一切，努力学习，为未来创造一个正义和光明的世界，这样我们就应该成为一个正直的人，不怕困难！因此，从现在开始，我们必须学习贝多芬、米开朗琪罗和托尔斯泰。读完《名人传》后，我真正意识到了以前社会生活给我们带来的尴尬。这三个名人像镜子一样照亮了社会的腐败。《名人传》很好地证实了中国古代的一句话：古今成为大事业者，不仅要有超世的才华，还要有毅力。我真的很佩服《名人传》这本神奇的书。难怪傅雷说：“你只需要打开罗曼罗兰的《名人传》，生命之火就会扑面而来。
读名人传感3
首先，我承认读一本公认的名字真的是对我修养的考验，尤其是那些充满强烈西方精神追求的人物传记。也许我们从小就受到影响。我们习惯于读传记，就像读故事或传说一样。突然，我们发现罗曼罗兰是一个思想控制者，就像一直在平坦的道路上行走一样。当我们几乎昏昏欲睡时，我们突然掉进路边的一个深坑里。那一分钟的恐惧和我们后来因为爬不出深坑而感到的沮丧是一样的。
当然，在静静地读了一遍之后，我发现这本书绝不是一本著名的“作文材料”，人类精神的伟大和人性的真实往往令人惊叹。我曾经读过这样一句话：世界往往给天才带来痛苦的生活，但他们给世界带来的是无尽的荣耀和叹息。也许真的，对于顶级艺术家来说，没有疯狂，没有生存。至于疯魔，是我们的判断标准有问题，还是我们没有勇气勇敢，没有真诚面对真诚？
让我们从贝多芬开始。他的一生被罗曼罗兰比作一天的暴风雨。”首先，平静的早晨偶尔会有微风，但在空气中沉重的预感之后，巨大的阴影突然卷起，开始了悲剧的雷鸣声和不止一场暴风雨。贝多芬的《第九交响曲》就像他一生的`倒影和照片。当我们读到这句话时，我们总是充满钦佩。想想看，谁经历过这样的风暴？看看贝多芬肖像描述的开头，不禁叹了口气，是的，他抓住了命运的喉咙，但对于我们这些普通人，我仍然选择“既然命运抓住了你，你就抓住了它的胳膊窝”。读《贝多芬传》的时候，还有一个细节让我几乎笑了：贝多芬情感鲜明，敢爱敢恨。本来他很佩服拿破仑，但听到拿破仑称帝的消息后，他不屑地评论道：“原来他只是一个普通人！哈哈，真才子，真性情！
总之，人生的道路总是不可避免的坎坷，在这种情况下，学会平静地面对是：轻轻地微笑挫折，然后努力工作。至于圣人的个性品质，山，心渴望。
读名人传感4
在《米开朗奇罗传》的结尾，罗曼·罗兰说，伟大的心灵就像一座山，“我不说普通人能在高峰期生存。但一年一度，他们应该去顶礼。在那里，他们可以改变肺部的呼吸和脉管中的血流。在那里，他们会感到更接近永恒。之后，他们又回到了人生的广原，心中充满了日常战斗的勇气。对我们这个时代来说，这真是金石之言。《名人传》很好地证实了中国古代的一句话：古今成为大事业者，不仅要有超世的才华，还要有毅力。贝多芬的“在悲伤的忍耐中寻找生活”，米开朗基罗的“越痛苦，我就越喜欢”，托尔斯泰的“我哭，我痛苦，我只是想要真理”，都表明伟大的生活是一场无尽的战斗。他们之所以成功，是因为他们有着超凡人的毅力和奋斗精神。面对困难，他们一点也不害怕。这就是成功的秘诀。在日常生活中，当我们遇到困难时，我们经常想到的是向别人寻求帮助，而不是面对困难。我们决心解决我们时代的变化，充满机遇。我们渴望成功，但我们不想奋斗。我们想要的'是一夜成名。浮躁和急功近利可能会让我们昙花一现，但绝不能让我们成为人类中不朽的人之一。所以，读《名人传》可能会让我们更加清醒。
同时，我们也要努力学习，做一个品学兼优的好学生。贝多芬曾在写给弟弟们的信中说：“只有道德才能使人快乐，而不是金钱。“除此之外，本书的作者罗曼罗兰还想告诉我们一些事实：悲惨的命运和痛苦的考验不仅来自普通人，也来自伟人。当我们遭受挫折时，我们应该想到这些忍受和克服痛苦的例子，不再抱怨别人，坚定我们的信念……
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俗话说：“书是人类进步的阶梯。”寒假期间，我读了很多有意义的书，比如《简爱》、《名人传》、《环球发明》……其中，《名人传》最让我感动。
《名人传》讲述了许多为世界做出贡献的名人。读完这本书后，我意识到一个事实：如果你认真做一些事情，可能会变得容易；如果你不这样做，容易也可能变得困难。在历史上，许多取得重大成就的名人都能正确地处理这个问题。
例如，伟大的物理学家牛顿是现代力学、光学和天文学的奠基人。也许你觉得他从小一定是个聪明超群的神童吧？事实并非如此。牛顿小时候不聪明，智力迟钝，头脑呆滞。他曾经留过一个年级，被老师认为是不可创造的`人。然而，牛顿并没有因此而自暴自弃。他以坚强的意志和惊人的毅力，努力做科学研究。正如他自己所说：“别人用一倍的时间做一件事，我用十倍的时间做。终于成为了举世瞩目的大物理学家。
齐白石，中国大画家，他的画之所以能在国内外闻名，离不开他一生的辛勤练习。正如他在一首诗中所说：“努力挽回时间，看到深处的自然。
例如：爱迪生、爱因斯坦、李时珍、居里夫人等……他们都是这样，可见与其不做，不如认真做！
在我们的现实生活中，有些人生活在一个尊重和优秀的环境中，成功的条件总是比其他人好。虽然他们也想到了自己的事业，但他们往往缺乏认真的行为。相反，虽然有些人的条件很差，但他们可以坚持不懈地工作，最终在逆境中取得成功。我认为像他们这样的人，成长是有前途的，是我们学习的好榜样！
在我们的学习中，要大力提倡认真做好每一件事，从我做器，从小事做起，从现在做起。
第四篇：光纤传感(教案)（范文模版）
第一章 光纤传感器
1.1 概论
1.1.1 光纤传感器技术的形成及其特点
（1）来源
上世纪70年代发展起来的一门崭新的技术，是传感器技术的新成就。
最早用于光通信技术中。在实际光通信过程中发现，光纤受到外界环境因素的影响，如：压力、温度、电场、磁场等环境条件变化时，将引起光纤传输的光波量，如光强、相位、频率、偏振态等变化。
（2）特点
灵敏度高、结构简单、体积小、耗电量少、耐腐蚀、绝缘性好、光路可弯曲，以及便于实现遥测等。
1.1.1 光纤传感器的组成与分类
（1）组成
光纤、光源、探测器
（2）分类：一般分为两大类
功能型传感器：利用光纤本身的某种敏感特性或功能制成的传感器。
只能用单模光纤构成。
传光型传感器：光纤仅仅起传输光波的作用，必须在光纤端面或中间加装其它敏感元件才能构成传感器。主要由多模光纤构成。
（a）功能型
（b）传光型
图1-1 光纤类型
根据对光调制的手段不同，光纤传感器分为：强度调制型、相位调制型、频率调制型、偏振调制型和波长调制型等。
根据被测参量的不同，光纤传感器又可分为位移、压力、温度、流量、速度、加速度、振动、应变、电压、电流、磁场、化学量、生物量等各种光纤传感器。
举例：
功能型：测温等
传光型：光纤血流计 1.2 光导纤维以及光在其中的传输
1.2.1 光导纤维及其传光原理
(1)芯子：直径只有几十个微米；芯子的外面有一圈包层，其外径约为：100－200m(2)数值孔径：NAsinmaxn12n22
(3)光纤（或激光）的模：包括横模和纵模
激光的横模：光束在谐振腔的两个反射镜之间来回反射将形成各种光程差的光波存在，这些光波的相互干涉可能使振动加强或减弱。但是只有那些加强的光波才有可能产生振荡。显而易见，这些光波的位相差必须是2的整数倍，即
2N
—光波在谐振腔中经过一个来回时的位相差。同时又知道：
2nL
L—谐振腔的长度； n—腔内介质的折射率；
—激光波长。
根据上面两个式子得出符合谐振条件的光波波长为
N
或谐振频率为
NNc2nL2nLN
激光的纵模：原则上谐振腔内可以有无限多个谐振频率，每一种谐振频率代表一种振荡方式，成为一个模式。对轴向稳定的光场分布模式通常称为轴模或纵模。
光纤的纵模：沿着芯子传输的光，可以分解为沿轴向与沿界面传输的两种平面波成分。因为沿截面传输的平面波是在芯子与包层的界面处全反射的，所以，每一往复传输的相位变化是2整数倍时，就可以在界面内形成驻波。像这样的驻波光线组又称为“模”。“模”只能离散地存在。就是说，光导纤维内只能存在特定数目的“模”传输光波。如果用归一化频率表达这些传输模的总数，其值一般在22—24之间。归一化频率
2aNA
能够传输较大值的光纤成为多模光纤；仅能传输小于2.41的光纤称为单模光纤。二者都称为普通光纤。越小，越容易实现单模。1.3 光纤传感器对光源的要求
1.3.1 对光源的要求
（1）由于光纤传感器结构有限，要求光源的体积小，便于与光纤耦合；
（2）光源要有足够的亮度；
（3）光波长适合，以减少传输损耗；
（4）光源工作时稳定性好、噪声小，能在室温下连续长期工作；
（5）便于维修，使用方便。
1.3.2 光源的种类
光纤传感器使用的光源分为相干光源和非相干光源两大类。
常用的相干光源有：半导体激光器、氦氖激光器和固体激光器等。
常用的非相干光源有：白炽光源、发光二极管。
1.4 光纤传感器用光探测器
1.4.1 光纤传感器对光探测器的要求
一般要求如下：
（1）线性好，按比例地将光信号转换为电信号；
（2）灵敏度高，能敏感微小的输入光信号，并输出较大的电信号；（3）响应频带宽、响应速度快，动态特性好；（4）性能稳定，噪声小等。
1.4.2 光纤传感器常用的光探测器
在光纤传感器中常用的光探测器大多是光电式传感器（也称光电器件）。光电式传感器所应用的效应分为内光电效应与外光电效应。内光电效应又分为光电导效应、光生伏特效应和光磁电效应。
光纤传感器常用的光探测器有：（1）光敏二极管、光电倍增管。
它们的特点是响应速度较快，一般只需要几个纳秒。
一般只适宜于近红外辐射或可见光范围内使用。（2）光敏电阻
它是利用光电导效应：即当光照射在某些半导体材料表面上时，透入内部的光子能量足够大，半导体材料中一些电子吸收了光子的能量，从原来束缚状态变成为能导电的自由状态，这时半导体的电导率增加，也就是电阻值下降。
（3）光电池
利用光生伏特效应，直接将光能转换为电能的光电器件，它是一个大面积的pn结。
1.5 光调制技术
光纤传感器也利用光调制技术。按照调制方式分类，光调制可以分为强度调制、相位调制、偏振调制、频率调制和波长调制等。所有这些调制过程都可以归结为将一个携带信息的信号叠加到光在波上。而能完成这一过程的器件称为调制器。1.5.1 相位调制与干涉测量
相位调制常与干涉测量技术并用，构成相位调制的干涉型光纤传感器。
其基本原理是通过被测物理量的作用，使某段单模光纤内传播的光波发生相位变化。
实现干涉测量的常用干涉仪主要有四种：迈克耳逊干涉仪、马赫—泽德干涉仪、赛格纳克干涉仪和法布里—珀罗干涉仪。
光学干涉仪的共同特点是它们的相干光在空气中传播，由于空气受环境温度变化的影响，引起空气的折射扰动及声波干扰。这种影响就会导致空气光程的变化，从而引起测量工作不稳定，以致准确度降低。利用单模光纤作干涉仪的光路，就可以排除上述影响，并可以克服光路加长时对相干长度的严格限制，从而可以制造出千米量级光路长度的干涉仪。
图1-2 3db耦合器
当一真空中波长为0的光入射到长度为L的光纤时，若以其入射端面为基准，则出射光的相位为
2L/0K0nL
式中，K0为光在真空中的传播常数；n为纤芯折射率。
由此可见，纤芯折射率的变化和光纤长度L的变化都会导致光相位的变化，即
K0(nLLn)
3dB耦合器：
如图所示，圆圈内的两股光纤是融合到一起的，所以输入为1，输出就为0.5，故称为3dB耦合器。
10lgP1P010lg0.5P0P03.01
1.5.2 频率调制
光纤传感中的相位调制（或强度调制、偏振调制）是通过改变光纤本身的内部性能来达到调制的目的，通常称为内调制。而频率（或波长调制），基本上不是以改变光纤的特性来实现调制。因此，在这种调制中光纤往往只起着传输光信号的作用，而不是作为敏感元件。
一、光学多普勒频移原理
（1）相对论多普勒频移基本公式
光学中的多普勒现象是指由于观察者和目标的相对运动，使观察者接受的光波频率产生变化的现象。
f1f1v/c2121v/ccosf1v/ccos
式中，c为真空中的光速；为物体至光源方向与物体运动方向的夹角。
上述公式是相对论多普勒频移的基本公式。但是，一般最关心的还是物体所散射的光的频移，而光源与观察者是相对静止的。对于这种情况，可以作为双重多普勒来 考虑。
图1-3 多普勒频移
当物体相对于光源以速度v运动时，在P点所观察到的光频率为上面公式：
f1f1v/c2121v/ccosf1v/ccos1
在Q处观察到的光频率f2为
f2f11v/c由于v＜＜c，所以上式写成
f2f2121v/ccosf1v/ccos2
1(v/c)cos1cos2
二、光纤多普勒技术
利用光纤多普勒频移原理，利用光纤传光功能组成测量系统，可用于普通光学多普勒测量装置不能安装的一些特殊场合，如密封容器中流速的测量和生物体中液体的测量。
1.6 光纤位移传感器
一、简单的光纤开关、定位装置
最简单的位移测量时采用各种光开光装置进行的，即利用光纤中光强度的跳变来测出各种移动物体的极端位置，如定位、技术，或者是判断某种情况。测量精度最低，它只反映极限位置的变化，其输出是跳变的信号。
图1-4 简单的光纤开关、定位装置
（a）计数装置；（b）编码器装置；（3）定位装置；（4）液位控制装置
二、移动球镜光学开关传感器
图1-5所示为一种移动球镜位移传感器原理图，这是一种高灵敏度面位移检测装置。当球透镜在平衡位置时，从两个接收光纤得到的光强I1和I2是相同的。如果球透镜在垂直于光路方向上产生微小的位移，两光强将发生变化。光强比值I1I2的对比数值与球透镜位移量x呈线性关系，而光强的比值I1I2与初始光强无关。即：
lgI1I2kx
图1-5 移动球镜位移传感器原理图
三、光纤自动测位装置
图1-6所示是用光纤传感器检测位置偏差的自动测位装置见图。被测工件在传送带上移动，两组光纤传感器的视场分别对准工件的两个边缘，测量工件边缘影响位置的变化。
第五篇：无线传感网外文翻译
无线传感网络
1、简介
无线传感器网络是由一些节点组织成的一个相互协作的网络。每个节点都具有处理能力（有一个或多个微控制器，CPU或DSP芯片），还可包括多种类类型的存储器（程序，数据和闪存），一个射频收发器（能常是用一个全方位的定向天线），电源（如电池和太阳能电池），和各种传感器、执行器。这些节点被部署在一个特定的环境中后，它们通常通过自组织的形式，实现无线通信。可以预见，由数千个甚至上万个这样的节点组成的系统将会出现，并将改变我们的生活和工作方式。
当前，无线传感器网络的部署步伐正在加快。这是很合理的期望：10-15年内，能够通过互联网访问的无线传感器网络将覆盖整个世界。这可以被视为互联网变成了一个物理网络。这一新技术令人兴奋，在许多领域都具有无限潜力，包括医疗，军事，交通，娱乐，危机管理，国土防御和智能空间等。
由于无线传感器网络是一种分布式实时系统，一个自然的问题是，有多少已有的分布式和实时系统解决方案可用于这一些新的系统？不幸的是，很少先前的成果可以应用，因此在系统的所有领域都需要新的解决方案，主要的原因是，以先前的工作为基础的假设发生了巨大变化。过去的分布式系统研究的假设是：系统是有线的，电源是无限的，非实时的，有用户界面（如屏幕和鼠标），有一组固定的资源，将系统中的节点看得很重要，并且是与位置无关的。相比之下，无线传感系统是有线的，电源也比较稀缺，实时的，使用传感器和执行器作为接口，拥有的资源也会动态改变，总体行为很重要，位置信息也很关键。许多无线传感器网络还使用了最低端的设备，这进一步的限制了对过去方案的重用。
本章概述了无线传感器网络的一些关键领域和无线传感网络的研究情况。在介绍过程中，我们使用工作中的具体例子来展示发展的状态并显示这些解决方案与分布式系统的解决方案的不同之处。特别地，我们讨论了MAC层（第2节），路由（第3节），节点定位（第4节），时钟同步（第5节），和电源管理（第6节）。为了展示这一技术的整体状况，我们又简单的讨论了两个当前的系统。在第8节中，我们做了总结。
2、MAC 介质访问控制协议（MAC）通过共用信道协调行动。最常见的解决方案是基于冲突的。一个普通的基于冲突的策略是，让一个节点传输信息来探测信道是否忙，如果不忙则传输该信息，忙则等待并且稍后再次尝试。发生冲突后，节点会等待一段随机的时间，避免再次冲突。许多无线介质访问控制协议也有休眠模式，进入休眠模式后，在一个给定的时间内，节点不再传输和接收数据包，以节省能源。还有许多以些此机制为基础的变化形式。 作者：John A.Stankovic Department of Computer Science University of Vaginal.出处：WDS'08 Proceedings of Contributed Papers, Part III, 19–23, 2008.一般来说，大多数MAC协议都是对一般情况，或者特殊通信模式和工作负荷，而进行的优化。然而，一个无线传输网络具有更多的集中的要求，包括：本地的单播和广播，通信通常是从节点到基站（sink）的（大多数通信因此是朝一个方向的），通信具有周期性和间歇性，并且作为一个主要因素必须考虑能量的消耗。一个有效的无线传感网络的MAC协议必须消耗的能量少，避免冲突，实现所需代码和内存少，能有效的为一应用程序所用，能适应不断变化的无线电频率和网络条件。
基中一个比较好的无线传感网络的MAC的例子是 B-MAC，它是高度可配置的，并且能用很少的代码量和内存量实现。它还有一个接口，允许你选择各种功能，仅当那些功能为某一应用程序特需的时候。B-MAC协议包括四个主要部部分：空闲信道评估（CCA），包重传，链路层的确认，低功耗的监听。当信道空闲时，B-MAC的CCA用一个加权的变化的样本平均值来评估背景噪音，以能更好检测有有效数据包和冲突。包重传时间是可配置的，通常从一个线性范围值中选取，而典型的其他分布式系统使用的是一个指数重传策略。对于典型的在无线传感器网络中发现的通信模式而言，这将减少延迟和工作量。B-MAC也支持一个包一个包的链路层确认机制。这样仅仅重要的包需要消耗额外的代价。低功耗监听机制用于周期性苏醒和休眠的节点中。当苏醒时，它监听一段足够长的时间来评估是否需要继续保持醒的状态，或者转回到休眠模式。该方案节约了大量的能量。许多MAC协议使用请求发送（RTS）和清除发送（CTS）的交互方式。在选定的数据包数量级比较大的网状网络中（1000字节），这个效果很好。然而，当包的大小很小时，为建立一个包的传输所需RTS-CTS开销将变得不可接受，因此，不能用RTS-CTS 策略。
最近，已出现一些支持多信道无线传感网络的的研究工作。在这些系统中，扩展MAC协议为多信道MAC协议是必要的。其中的一个协议就是MMSN[36]。这些协议必须支持像B-MAC协议样的协议的所有特征，但是也必须为每一次传输确定频率。因此，多频MAC协议分为两个阶段：信道分配和访问控制。MMSN的细节是相当复杂的，在此没有做过多的描述。另一方面，我们期望未来有更多的无线传感器网络采用多信道（频率）。MAC协议的优点包括提供了更大的包吞吐量，甚至在由竞争网络和商业设备像移动电话和微波炉引起的频谱拥挤的情况下也能传输。
3、路由
多跳路由是无线传感网络所需的关键服务。下因为如此，出现了大量的这方面原工作。互联网和移动自组网（MANET）路由技术，在无线传感器网络中，不能出色发挥。互联网路由假定具有高可靠的有线连接，因此包错误是很少的；在无线传感器网络中这点不成立。许多MANET路由解决方案依赖于相邻点间的对称的联系（例如，如果节点A可以可靠的到达节点B，则B可以到达A。这些差异使得新的解决方案的发明和部署很必要。
对于以自组形式部署的无线传感器网络，路由策略往往从发现邻居节点开始。节
点巡回发送信息（包）并且建立本立路由表。这些表包括了相邻节点的ID和位置的最少信息。这意味着节点必须先于节点发现之前，知道它们的地理信息。在这些表中的其他典型信息包括节点的剩余能量，能过这个节点的延迟，链路的质量评介。
一旦表在在，在大多数路由算法中，信息从源位置传导到目标地址，都是基于几何坐标，而不是ID。一个典型的像这样工作的路由算法就是GF(Geograpic Forwarding)。
在GF中，一个节点知晓它的位置，并且正在被路由的信息包含了目标地址。此节点然后，通过几何的距离公式，计算哪一个相邻节点与目标节点最靠近。它就将这信息传输到下一跳。在各种GF的变体中，节点也可以考虑延迟，链接的可靠性和剩余的能量。
其他重要的无线传感网络的路由范例是定向扩散[11]。该路由方案集成了路由，查询和数据汇总。此处，散发一个查询来询问对远程节点来的数据的兴趣。拥用适合于被请求的数据的节点就回复以一属性值对。此属性值对，基于梯度，向着请求者的方向延伸，它随着请求的发送和回应而建立和更新。沿着从源到目标的路径，数据可以被聚合，以减少通信量。数据也可以经过多条路径以增加路由的稳健性。
除了刚才展示的的无线传感网络路由的基本的特性外，还有许多关键问题包括： 可靠性
与唤醒/睡眠计划的整合 单播，组播和任播语义 实时 移动性 空洞 安全性和 拥塞
可靠性：由于信息要的传输要经过多跳，各个链接的高可靠性就显得得重要，否则信息传过整个网络的可能性将令人无法接受的低。为了确保链接的可靠性，使用一些指标做了许多重要的工作，像接收信号强度，基于错误的链接质量指标，包投递率等。重要的经验证据表明，包投递率是最好的度量，但是获取这一数据代价是昂贵的。实证数据也表明许多在无线传感器网络中的链接是不对称的，也就是说，节点A可以成功传递一条信息到节点B，反向的从B到A的链接可能不可用。非对称的链接是导致MANET路由算法像DSR和AODV不能很好的用于WSN的原因，因为这些协议从源向目的地发送一条询问信息，然后利用反向的路径获取确认信息。反向路径，由于WSN中的不对称性发生率很高，不太可靠。
与唤醒/睡眠的整合：为了节约能量，许多WSN将点置入睡眠状态。显然，一个醒着的节点里应当选择一个睡眠状态的节点作为它的下一跳（除非它先唤醒该节点）。
单播，组播和任播语义：正如上面提到的，在大多数情况下一个WSN将一条信息路由到一个地理的目的地。当它到达目的的，会发生什么呢？有几种可能性。首先，此信息也包括一个特定单播节点作为目标，或者语义也可能是一个最接近地理终点的节点会成为单播节点。第二，语义可能是，在一个目标地址周围区域中的所有节点都接受到这一信息，这是一区域多播。第三，在目标区域中的任何节点都接受信息，称为任播。SPEED[5]协议就支持这三种语义。也常有洪泛（多播）到整个网络的需要。存在许多高效的洪泛路由策略。
时实性：对于一些应用程序，信息必须在一定期限到达目的地。由于在WSN中存在高度不稳定性，要开发一个总是有保证的路由算法很困难。许多协议如SPEED和RAP用了一个速度的概念来将包传输进行优先次序的化分。速度是一个很好的度量标准，它联合了时间期限和一条信息必须传输的距离。
移动性：路由将会变得复杂，如果信息源和目的都在移动的话。解决方法包括更新本地相邻路由表或者确定代理接点，由它负责跟踪节点所在位置。一给定节点的代理节点也可能改变，当一个节点越来越远离它的初如位置时。
空洞：因为WSN节点传输范围有限，对于一些节点，在路由路径上，在一条信息应该经过的方向上，没有转发节点。像GPSR这样的协议，通过选择一些不在正确方向的节点，以图找到一条绕过空洞的路径，解决了这一问题。
安全性：如果对手存在，他们可以干各种各样的对路由算法的攻击，包括选择性转发，黑洞，重播，虫洞和拒绝服务攻击。不幸的是，几乎所有的路由算法都忽略了安全性并且很容易 受到这些攻击。像SPINS这样的协议开始解决安全路由的问题。
拥塞：今天，许多WSN通信具有周期性或很少通信。拥塞似乎不是一个问题对于这样的网络来说。然而，拥塞对于有更多要求的WSN来说将会成为问题，对于一些处理音频，视频和处理多个基站的大系统来说，这一问题更加突出。甚至在只有一个基站的系统中，在基站附近的拥塞也会是一个严重的问题，因为所以的通信聚集于基站。解决方案使用背压力，减少源节点传输率，扔掉不太重要的信息，并能过调度避免尽可能多的冲突，它们只会加剧拥塞问题。
4、节点定位
节定定位是确定在系统中的每个节点的地理位置的问题。定位问题对于WSN来说是必须解决的，最基本、最困难的问题之一。区域是许多参数和要求的函数，使得它非常的复杂。例如，要考虑的问题包括：额外的定位硬件的成本，信标（自己自己位置的节点）存在吗，如果在在的话，有多少个，它他的通信范围是多大，需要的定位精度是多少，系统是室内的还是室外的，节点之间是否有视线，它是一个二维的、还是三位的定位问题，能量预算是怎样的（信息数量），需要多长时间来定位，时钟是同步的吗，系统处在友好还是敌对区域，有什么错误的假设正在作出，系统对象是否受到安全攻击。
针对某些要求和问题的难题可轻易的解决。如果成本和外形尺寸不是主要的问题并且米级别的精度是可接受的，那么对于户外系统，节点装备上GPS就可以解决问题。如果系统需要一次一个节点的手动方式部署，那么一个由部署者携带的简单GPS节点能够定位每一个节点，依次地，能过一被叫做步行GPS的方案（Walking GPS）。尽管简单，这一方案很精巧，在对每一个节点的定位中避免了手动操作。
许多其他的在WSN中的定位方案要么是基于范围，要么与范围无关。基于范围的机制利用各种技术首先确定节点之间的距离（范围），然后利用几何定理计算位置。为了测定距离，需要采用额外的硬件，比如用来侦测声波和无线电波到达的时间差异。此差异可以被转换为距离的度量。在范围无关的机制中，距离不是直接测定的，但是我们使用跳数。一旦跳数被确定了，节点之间的距离可通过每跳平均距离来估计，然后利用几何定律被来计算位置。范围无关的方案没有基于范围的方案精确，并且常需要更多的信息。然而它们不要求每个节点具备额外的硬件。
几个早期的定位方法包括Centroid[1]和APIT[6]。每一个这类方法解决了基于特定建设的某一定位问题。两个最近有趣的方法是SpotLight和Radio Interferometric Geolocation [20]。聚光灯将许多的定位代码和开销移到中心的一个激光设备上。Spotlight需要光线和时钟同步不。Radio interferometric geolocation 使用一种新奇的网内处理技术，它依靠节点同时发出频率稍微不同的无线电波来完成。这一方案是针对一些部署中的多路问题的，要求许多信息。当前这两种方法都提供了高达厘米级的精度。
5时钟同步
在一个WSN中，每个节点的时钟在一个小的量内应当相同，并且保持下去。由于时钟随着时间漂移，他们必须周期性地重新财步，并且在某些情况下，需要非常高的精确度时，在同步期间对时钟漂移的计数很重要。
时钟同步由于很多原因是很重要的。当一个事件在WSN中发生时，知道它在哪里，什么时间发生是很必要的。时钟也常用于许多系统和应用程序任务。例如，睡眠/苏醒的安排，一些定位算法，传感器融合就是一些需要依靠时钟同步的服务。应用程序像追踪和计算速度也要依靠同步时钟。
用于时钟同步和互联网的的NTP协议对于WSN来说开销太大了。每个节点内置GPS成本又太昂贵了。已经开发的用于WSN的典型时钟同步协议有RBS和FTSP[19]。
在RBS中，一个参考的时间消息被广播到相邻节点。当消息接受到时，接受器记录下这一时间。节点之间交换它们记录的时间并且调整它们的时钟以达到同步。此协议遭受非发射端非确定性，因为时间戳仅在接受端。精确度大约只有30微秒一跳。它不适用于多跳系统，但是可以被扩展。
在TPSN中，为整个网络生成了一棵生成树。该方案假设生成树中的所有链接是对称的。然后从树根开始，沿着树的边进行成对的同步。因为不像在RBS中有广播存
在，TPSN是代价昂贵的。此协议一个关键属性是时间戳被插入到MAC层的传出讯息中，因此减少了非确定性。精确度可达17微秒的范围。
在FTSP中，有无线电层的时间戳，倾斜补偿，线性回归，定期洪泛，来确保这一协议的稳健性，适应拓扑结构的变化。传输和接收信息都在无线电层带上了时间戳，差距用于计算和调整时钟偏移。精确度在1-2微秒范围。
在使用时钟同步协议时，需要注意的是：选择同步的频率，确定在时钟同步期间，时钟漂移是否必须。如何处理多跳/网络问题，并尽量减少能源开销和增加的网络拥塞。
6、电源管理
许多用于WSN的设备像Mica2和MicaZ要两节AA电池带动。根据节点的不同活动级别，如果没有电源管理策略，它的寿命可能只有几天。由于大多数系统需要更长的寿命，许多重大的研究可以保证，在满足基本需求的情况下，使用时间。
在硬件层面上，可以增加太阳能电池或者使用清洁的动能和风能。电池能力也在不断提高。如果外形大小不成为问题，则可以增加更多的电池。低电源电路和微控制器也在逐渐进步。许多硬件平台让设备的各个部分（每个传感器，发送器，微处理器）具有多个省电状态（关闭，闲置，开启）。通过这种方法，仅在某个时间需要的组件才开启。
在软件层面上，电源管理解决方案的目标：（1）由于传输信息和监听信息很耗能量，尽量减少通信（2）对节点或节点的组成部分建立睡眠/唤醒机制
最小化通信信息量是一个综合问题。例如，有一个好的MAC协议，就会减少冲突和重发。有一个好的路由算法，短路径和拥塞的避免或减少就可以实现，并且也可最小化发送信息的量。若能高效的找到相邻节点，则时间同步，定位，广播的查询和洪泛都能减少信息量，从而增加使用寿命。
对于如何安排睡眠/唤醒模式的方法，存在很大的差异。许多解决方案试图让醒着的节点（被称为哨兵）数量最少，为了阻止所有节点睡眠，必须确保所需的感知覆盖范围。为了平衡各节点能量消耗，周期性地执行一个论换机制，选出新的哨兵参加下一个时间段。另一个常用技术是让各节点以一定占空比的形式工作。例如，让一个节点一秒内保持清醒状态200微秒，则它的占空比为20%。占空比的选择取决于应用程序的要求，但最终的结果通常是极大地节省了能源。请注意，占空比法和哨兵法可能联全起来应用，如在军事侦察系统VigilNet[7][9]中，就是这样。
7、应用程序和系统
为了展示WSN的能力，我们举了两个应用程序和与此相关的系统的例子。7.1监视和跟踪
VigiNet系统是一个用于军事侦察的长期实时无线传感器网络。它的主要目标是：在敌对区，当感兴趣的事件发生时，警告军事指挥部和控制单元。感兴趣的事件包括：
人的出现，带武器的人员出现，大型和小型交通工具经过。成功的探测，跟踪和分类要求应用程序以可接受的精度和准确度，获取目标的位置。当信息被成功获取后，在一个可接受的延迟期内，将它报告给无远程的基站。VigilNet是一个自我组织运行的传感器网络（有超过200个XSM微尘节点），它提供了以绊线为基础的监视功能，通过以哨兵为基础的电源管理机制来达到3到6个月的寿命长度。绊线也是仅在需要时才激活外部的传感器（在正常Vigilnet系统之外），如红外摄像机，这也增加了寿命。
图1.1提供了该系统的架构概况，基中有三种组件：1）应用程序组件，2）中间件组件，和3）TinyOS系统组件。应用程序组件为监视目的而设计，包换1）一个基于实体的跟踪组件，2）分类组件，它提供了四种目标的区分，3）速度计算，它人提供目标速度和方向的估计，4）错误警报过滤，它可区分真、假目标。
中间件组件被设计来使独立于应用程序。时间同步，定位和路由组成了低级组件，它们形成了实现更高级中级间服务，像聚合和电源管理的基础。时间同步和定位对于一个监视系统是很重要的，因为协同检测和追踪进程依赖于多个节点发送的追踪报道之间的时空联系。
时间同步模块负责本地节点时钟和基站时钟的同步。定位模块负责确保每个节点能找到它自己的位置。配置模块负责动态配置系统，当系统要求改变时。非对称测试模块设计来协助路由模块来选择高质量的通信链路。无线电唤醒模块用于警告非哨兵节点，当重大事件发生时。电源管理和协作检测是由VigilNet提供的两个关键的高级别服务。哨兵服务和绊线管理负责电源管理，而组管理模块负责事件的联合探测和追踪。哨兵和绊线服务通过选择节点的一部分（它们被定义为哨兵）来监视事件，从而达到省电的目的。其他剩余的节点可以处于低耗电状态，至到一个事件发生。当一个事件发生时，哨兵唤醒事件区域中的其它节点，同时组管理组件动态地将节点组织成组，以实现协同跟踪。这两要组件也一起负责跟踪能量消耗相关的事件。
VigiNet系统的架构建立在TinyOS基础上。TinyOs是一个事件驱动的计算模块。针对特定节点平台，用NesC写成的。TinyOs提供了一个必要的组件集合，像硬件驱动，一个调度机制和基本的通信协议。这些组件为VigiNet模块提供了低层支持，它们也是用NesC语言写的。TinyOS的组件和VigiNet的应用程序先被NESC编译器处理成一个可执行程序，它可以在XSM（和MICA2）节点平台上运行（在VigelNett系统中）。
图1.1 VigilNet系统架构
8、总结
这一章讨论了WSN的相关问题和MAC层、路由、定位、时钟同步、电源管理的实际例子。为什么这些解决方案与过去的网络解决方案如此的不同。还对当前的两个WSN系统进行了简单的描述：一个军事监视、跟踪和分类系统，一个辅助生活设施系统。
尽管这些问题是WSN的关键问题，还有许多重要的话题在本章中无谈到。例如安全和隐私对这些系统来说是很关键的功能。编程抽象和WSN的语言也是一个很活跃的研究领域。一些重大的研究在收集关于WSN性能的实证数据。这些数据对于提高模块和解决方案很关键。调试工具和WSN管理工具也开始出现。
传感器网络研究产生的新技术正在应用到许多实际项目中。未来将会看到这些技术的加速应用。
参考文献
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