解读物联网系列之传感器

标签:物联网存储技术产品

访客:37505  发表于:2017-03-24 10:50:27

解读物联网系列之传感器


按照一般的划分,物联网在结构上分为感知层、网络层和应用层三个部分。其中感知层作为网络层传输的数据源头、应用层计算的数据基础,起到了至关重要的作用。而构成感知层的重要组件就是各种各样的传感器。可以说,物联网就是通过将各种信息传感设备,如射频识别(RFID)装置、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器、气体感应器等各种装置与互联网结合起来形成的一个巨大网络。其目的是让所有的物品都与网络连接在一起,方便识别、管理和控制。

物联网上部署了海量的多种类型传感器,每个传感器都是一个信息源,不同类别的传感器所捕获的信息内容和信息格式不同。传感器获得的数据具有实时性,按一定的频率周期性的采集环境信息,不断更新数据。传感器及其核心元器件被认为是物联网发展的最基础产业,其技术水平同时也是影响物联网应用普及的关键因素。

那么,到底什么是传感器?传感器的工作原理是什么?在物联网中,数据是如何被采集的?今天,带着这些疑问让我们一同来探究物联网中这些“感触细胞”的工作原理。

一、什么是传感器?

传感器是一种检测装置,能感受到被测量的信息,并能将感受到的信息,按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出,以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。传感器的存在和发展,让物体有了触觉、味觉和嗅觉等感官,对于推动企业的智能化发展有着非常重要的意义。

通常根据其基本感知功能分为热敏元件、光敏元件、气敏元件、力敏元件、磁敏元件、湿敏元件、声敏元件、放射线敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大类。

与人体五官对应的传感器解读物联网系列之传感器

                                            图1 与人体五官对应的传感器

下面就以汽车为例,来看看普通汽车上安装的传感器类型。

汽车上安装的传感器类型解读物联网系列之传感器

                                            图2 汽车上安装的传感器类型

汽车上安装的传感器包括温度传感器、气体流量传感器、发动机爆震传感器、机油温度传感器、油流量传感器、油压传感器、冷却液传感器、车体水平传感器等超过10多种传感器。这些传感器被安装在汽车的关键部位监测汽车的运行状态。下面选择其中几种做介绍。

1、气体流量传感器

气体流量传感器解读物联网系列之传感器

                                       图3 气体流量传感器

气体流量传感器是将吸入的空气转换成电信号送至电控单元(ECU),作为决定喷油的基本信号之一。根据测量原理不同,可以分为旋转翼片式空气流量传感器、卡门涡游式空气流量传感器、热线式空气流量传感器和热膜式空气流量传感器四种型式。前两者为体积流量型,后两者为质量流量型。主要采用热线式空气流量传感器和热膜式空气流量传感器两种。

空气流量传感器工作原理解读物联网系列之传感器

                                         图4 空气流量传感器工作原理

2、机油压力传感器

机油压力传感器解读物联网系列之传感器

                                                图5 机油压力传感器

指集微型传感器、执行器以及信号处理和控制电路、接口电路、通信和电源于一体的微型机电系统。常用的有硅压阻式和硅电容式,两者都是在硅片上生成的微机械电子传感器。一般情况上,机油压力传感器安装在发动机的主油道上,当发动机运行时,压力测量装置检测机油的压力,将压力信号转变为电信号送至信号处理电路,经过电压放大和电流放大,通过信号线将放大后的压力信号连接至油压指示表,改变油压指示表内部2个线圈通过的电流之比,从而指示出发动机的机油压力。经过电压放大和电流放大的压力信号,同时还与报警电路中设定的报警电压进行比较,当低于报警电压时,报警电路则输出报警信号,并通过报警线点亮报警灯。

机油压力传感器原理解读物联网系列之传感器

                                            图6 机油压力传感器原理

3、里程表传感器

里程表传感器解读物联网系列之传感器

                                                  图7 里程表传感器

在差速器或者半轴上面的传感器,来感觉转动的圈数,里程表传感器一般用霍尔,光电两个方式来检测信号,其目的利用里程表记数可有效的分析判断汽车的行驶速度和里程,因为半轴和车轮的角速度相等,已知轮胎的半径,直接通过里程参数来计算。在传动轴上设计两个轴承,大大减轻了运行中的力距,减少了摩擦力,增强了使用寿命;由原来的动态检测信号改为齿轮运转式检测信号;由原来直插式垂直变速箱改为倒角式接口变速箱。里程表传感器插头一般是在变速箱上,有的打开发动机盖可以看到,有的要在地沟操作。

汽车里程表工作原理解读物联网系列之传感器

                                            图8 汽车里程表工作原理

4、水温传感器

水温传感器解读物联网系列之传感器

                                             图9 水温传感器

它的内部是一个半导体热敏电阻,温度愈低,电阻愈大;反之电阻愈小,安装在发动机缸体或缸盖的水套上,与冷却水直接接触。从而侧得发动机冷却水的温度。电控单元根据这一变化测得发动机冷却水的温度,温度愈低,电阻愈大;反之电阻愈小。电控单元根据这一变化测得发动机冷却水的温度,作为燃油喷射和点火正时的修正号。就是我们可以通过发动机水温的温度了解汽车运行的状态,停止或者运动,或者运动的时间有多长等。

汽车水温传感器原理解读物联网系列之传感器

                                       图10 汽车水温传感器原理

5、节气门位置传感器

节气门位置传感器解读物联网系列之传感器

                                         图11 节气门位置传感器

节气门位置传感器安装在节气门上,用来检测节气门的开度。它通过杠杆机构与节气门联动,进而反映发动机的不同工况。此传感器可把发动机的不同工况检测后输入电控单元(ECU),从而控制不同的喷油量。它有三种型式:开关触点式节气门位置传感器,线性可变电阻式节气门位置传感器、综合型节气门位置传感器。

节气门位置传感器工作原理解读物联网系列之传感器

                                 图12 节气门位置传感器工作原理

二、传感器的组成

传感器一般由微控制器模块、无线通信模块、传感器模块和电源管理模块四个部分组成。其中由模拟传感器感知并状态数据,并将感知的状态数据通过A/D模数转换器之后传送到微控制器进行存储和处理。最后,收发器接收到微控制器模块处理的数据之后再通过网络传输到远端的数据采集平台。

传感器组成解读物联网系列之传感器

                                      图13 传感器组成

1.传感器模块

节点的传感单元由能感受外界特定信息的传感器组成,相当于传感器网络的“眼睛”和“鼻子”。根据传感器感受信息性质的不同,可以把传感器分为物理量传感器、化学量传感器和生物量传感器。物理量传感器能感受声、光、热、磁和图像等信息,化学量传感器通常对某种气体敏感,而利用生物量传感器可对微生物进行快速检测。此外,根据传感器提供的信号不同,可分为模拟量传感器和数字量传感器。

2.微控制器模块

微控制器模块就是被集成在芯片上的单芯片微型计算机,其架构中包括了处理器和存储器。微控制器模块的主要功能是及时的对传感器感知的数据进行分析,比如,监测汽车的油量是否偏低、车内温度、湿度是否在允许范围之内,以及水温是否过高等,并及时的提示或报警。目前,许多前端传感器节点(数据采集用)都使用ATMEL公司AVR系列的处理器,以及TI公司生产的MSP系列处理器。而汇聚节点(负责数据融合或数据转发的节点)则采用了功能强大的处理器,比如ARM处理器等。

3.无线通信模块

无线数据可以通过激光、红外线和射频三种介质进行传输。激光与红外线具有能耗低、无需天线和保密性好等优点,但定向传输的特性限制了它们的应用范围,不适合传感器节点的随机布置行为。射频通信具有易于使用和易于集成等优点,使其成为理想的传感器节点通信方式。目前,传感器网络节点多采用射频芯片构建通信模块。

4.电源管理模块

节点的供电单元通常由电池和直流转直流电源模块(DC/DC)组成,DC/DC模块是为传感器节点的用电单元提供稳定的输入电压。由于电池在为负载供电时,随着电量的释放,输出电压不断降低,因此,通常采用升压型DC/DC,这样可以使得电池的容量得到更为充分的利用。某些电源管理IC芯片能够监视电池的剩余容量,这使得节点清楚当前的能量状态。传感器网络可根据节点的能量状态动态调整网络的拓扑结构,使剩余能量多的节点承担较繁重的任务,剩余能量少的节点则转为低功耗状态,以平衡节点间的能量开销。

三、传感器与物联网

人们为了从外界获取信息,必须借助于感觉器官。而单靠人们自身的感觉器官,在研究自然现象和规律以及生产活动中它们的功能就远远不够了。特别是随着新技术革命的到来,世界开始进入信息时代。在利用信息的过程中,首先要解决的就是要获取准确可靠的信息,人类依靠自身的感觉器官是不可能完成对外界所有物理设备和生产状态的感知的,尤其在现代工业自动化生产过程中,就需要利用各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数,使设备工作在正常状态或最佳状态,并使产品达到最好的质量。因此可以说,没有众多的优良的传感器,现代化生产也就失去了基础。

在新一轮工业革命中,物联网已经成为工业智能化发展的核心。物联网是推进工业智能化的基础,没有物联网对各种设备的连接和数据采集,就不可能实现工业的智能化。传感器属于物联网的神经末梢,是物联网实现全面感知的最核心元件,各类传感器的大规模部署和应用是构成物联网不可或缺的基本条件。


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