【大學(xué)課件】物聯(lián)網(wǎng)概論 無線單片機技術(shù)與傳感器技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)概論：無線單片機技術(shù)與傳感器技術(shù)物聯(lián)網(wǎng)（IoT）正在改變我們的生活方式，連接著各種設(shè)備，從智能家居到工業(yè)自動化。無線單片機和傳感器技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)的核心，它們負責(zé)收集數(shù)據(jù)、處理信息并與其他設(shè)備進行通信。物聯(lián)網(wǎng)概念及應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)概念物聯(lián)網(wǎng)是一個將各種物理設(shè)備、傳感器、軟件連接到一起的網(wǎng)絡(luò)。通過數(shù)據(jù)采集、分析和交互，實現(xiàn)物與物、物與人之間的互聯(lián)互通。物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用廣泛，涵蓋智能家居、智慧城市、工業(yè)制造、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域。例如，智能家居可以實現(xiàn)遠程控制家電，智慧城市可以優(yōu)化交通管理和資源分配。物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)11.感知層傳感器采集數(shù)據(jù)，例如溫度、濕度、光線等。22.網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)傳輸，例如無線網(wǎng)絡(luò)、蜂窩網(wǎng)絡(luò)等。33.應(yīng)用層數(shù)據(jù)分析、處理和應(yīng)用，例如智能家居、智慧農(nóng)業(yè)等。微控制器技術(shù)嵌入式系統(tǒng)核心微控制器是嵌入式系統(tǒng)的核心，負責(zé)控制和管理硬件，執(zhí)行應(yīng)用程序。多樣化功能微控制器包含多種功能模塊，例如CPU、內(nèi)存、I/O接口、定時器、中斷控制器等，滿足不同應(yīng)用需求。低功耗設(shè)計微控制器通常采用低功耗設(shè)計，適合電池供電的應(yīng)用場景，延長設(shè)備運行時間。無線通信技術(shù)藍牙技術(shù)藍牙技術(shù)是一種短距離無線通信技術(shù)，廣泛應(yīng)用于智能手機、耳機等設(shè)備的連接。ZigBee技術(shù)ZigBee技術(shù)是一種低功耗、低數(shù)據(jù)速率的無線通信技術(shù)，適用于智能家居、工業(yè)自動化等領(lǐng)域。LoRa技術(shù)LoRa技術(shù)是一種長距離、低功耗的無線通信技術(shù)，適用于物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸。NB-IoT技術(shù)NB-IoT技術(shù)是一種窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，適用于低功耗、低數(shù)據(jù)速率的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。傳感器技術(shù)感知周圍環(huán)境傳感器將物理量轉(zhuǎn)換為電信號，例如溫度、濕度、光線、聲音。數(shù)據(jù)采集與傳輸傳感器采集到的數(shù)據(jù)通過信號處理和傳輸，傳輸至微控制器或云端平臺。物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用傳感器是物聯(lián)網(wǎng)的核心組件，為智能家居、智慧城市等應(yīng)用提供實時數(shù)據(jù)。微控制器架構(gòu)1核心處理器微控制器核心是中央處理器(CPU)，負責(zé)執(zhí)行程序并控制系統(tǒng)操作。2存儲器存儲器用于存儲程序代碼和數(shù)據(jù)，包括閃存(Flash)、隨機存取存儲器(RAM)和只讀存儲器(ROM)。3輸入/輸出(I/O)接口I/O接口用于與外部設(shè)備進行通信，包括通用輸入/輸出(GPIO)引腳、串行通信接口(UART)等。4定時器/計數(shù)器定時器/計數(shù)器用于計時和產(chǎn)生時間信號，用于控制系統(tǒng)操作和處理事件。5模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)ADC用于將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，以便微控制器可以處理來自傳感器的模擬數(shù)據(jù)。6數(shù)字到模擬轉(zhuǎn)換器(DAC)DAC用于將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號，用于控制電機、LED等模擬設(shè)備。GPIO接口定義GPIO接口是指通用輸入輸出端口。它可以配置為輸入或輸出模式。功能GPIO可以用于控制外部設(shè)備，如LED燈、電機等。它也可以用于接收來自外部設(shè)備的信號，例如開關(guān)、傳感器等。配置GPIO接口的配置取決于所用微控制器的型號?？梢酝ㄟ^軟件設(shè)置來配置GPIO接口的模式、方向和電平。應(yīng)用GPIO接口是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中常用的技術(shù)。它可以用于控制各種傳感器和執(zhí)行器，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和控制功能。定時器/計數(shù)器定時器功能定時器用于產(chǎn)生特定時間間隔的定時信號，用于控制系統(tǒng)運行流程和時間觸發(fā)事件。計數(shù)器功能計數(shù)器用于記錄外部事件發(fā)生的次數(shù)，可以用于測量時間、頻率或其他物理量。定時器/計數(shù)器類型常見類型包括定時器、計數(shù)器、脈沖寬度調(diào)制器(PWM)和捕獲/比較模塊。應(yīng)用場景定時器和計數(shù)器廣泛應(yīng)用于各種應(yīng)用中，包括控制電機、測量時間、產(chǎn)生PWM信號等。中斷管理1中斷概念中斷是指在執(zhí)行程序時，由于外部或內(nèi)部事件引起的程序流程轉(zhuǎn)向，進入中斷處理程序。2中斷優(yōu)先級多個中斷事件發(fā)生時，需要通過中斷優(yōu)先級來決定優(yōu)先處理哪一個。3中斷處理程序中斷處理程序是一段專門用來處理特定中斷事件的代碼，由中斷控制器調(diào)用執(zhí)行。4中斷向量表中斷向量表存放著不同中斷源對應(yīng)的中斷處理程序地址，用于快速查找和執(zhí)行中斷處理程序。ADC/DAC轉(zhuǎn)換模擬信號模擬信號是連續(xù)變化的信號，例如溫度、濕度、光照強度等。數(shù)字信號數(shù)字信號是離散變化的信號，通常用0和1表示，例如計算機數(shù)據(jù)。轉(zhuǎn)換器ADC/DAC轉(zhuǎn)換器用于將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，或?qū)?shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號。無線通信協(xié)議藍牙技術(shù)藍牙是一種短距離無線通信技術(shù)，適合用于連接智能設(shè)備，例如手機、耳機和智能家居設(shè)備。ZigBee技術(shù)ZigBee是一種低功耗、低成本的無線通信技術(shù)，適用于家庭自動化、工業(yè)控制等領(lǐng)域。LoRa技術(shù)LoRa是一種長距離、低功耗的無線通信技術(shù)，適合用于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，例如智能農(nóng)業(yè)和智慧城市。NB-IoT技術(shù)NB-IoT是一種窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，專門為低功耗、低帶寬的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用設(shè)計，例如智能水表和智能停車。藍牙技術(shù)11.低功耗藍牙技術(shù)功耗低，適合小型設(shè)備使用。22.短距離藍牙技術(shù)傳輸距離較短，通常在10米范圍內(nèi)。33.成本低藍牙模塊成本低廉，易于集成。44.應(yīng)用廣泛藍牙技術(shù)應(yīng)用于多種領(lǐng)域，如智能家居、可穿戴設(shè)備等。ZigBee技術(shù)低功耗ZigBee技術(shù)以低功耗和低成本為特點。自組網(wǎng)ZigBee網(wǎng)絡(luò)可以自組網(wǎng)，無需集中控制節(jié)點。數(shù)據(jù)傳輸ZigBee可用于數(shù)據(jù)傳輸，例如傳感器數(shù)據(jù)。LoRa技術(shù)遠距離低功耗LoRa技術(shù)采用獨特的擴頻調(diào)制技術(shù)，可實現(xiàn)遠距離無線傳輸。功耗極低，適用于電池供電的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)靈活支持多種網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，包括星型、網(wǎng)狀和混合網(wǎng)絡(luò)?？筛鶕?jù)應(yīng)用場景靈活配置。數(shù)據(jù)傳輸可靠采用先進的錯誤檢測和糾正機制，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾院涂煽啃浴ＶС侄喾N數(shù)據(jù)速率和協(xié)議，滿足不同應(yīng)用需求。NB-IoT技術(shù)低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)NB-IoT是窄帶物聯(lián)網(wǎng)的簡稱，是面向低功耗、低速率、大連接數(shù)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的蜂窩網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。它利用現(xiàn)有的蜂窩網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備提供可靠、安全的無線連接。應(yīng)用場景NB-IoT技術(shù)廣泛應(yīng)用于智能抄表、環(huán)境監(jiān)測、智慧農(nóng)業(yè)、智慧城市等領(lǐng)域。它可以支持多種物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，并提供更長的電池壽命和更低的運營成本。常見傳感器類型溫度傳感器溫度傳感器測量溫度變化。常見類型包括熱電偶、熱敏電阻和紅外傳感器。濕度傳感器濕度傳感器測量空氣中的水分含量。常見類型包括電容式傳感器和電阻式傳感器。壓力傳感器壓力傳感器測量施加在物體上的壓力。常見類型包括電阻式壓力傳感器和壓電式壓力傳感器。光傳感器光傳感器測量光線的強度。常見類型包括光敏電阻、光電二極管和光電倍增管。溫度傳感器原理溫度傳感器通過測量物理量變化，如電阻或電壓，將溫度轉(zhuǎn)換為可讀信號。類型常見類型包括熱敏電阻、熱電偶和鉑電阻，每種類型都有不同的工作原理和應(yīng)用場景。應(yīng)用溫度傳感器廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療保健、農(nóng)業(yè)和智能家居等領(lǐng)域。優(yōu)點溫度傳感器成本低、精度高、響應(yīng)速度快，易于集成到物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中。濕度傳感器電容式濕度傳感器利用濕度變化影響電容值。測量精度高，響應(yīng)速度快，成本低。電阻式濕度傳感器利用濕度變化改變電阻值。結(jié)構(gòu)簡單，成本低，但精度較低。光電式濕度傳感器利用濕度變化影響光線吸收率。測量范圍廣，抗干擾能力強，但成本較高。氣體傳感器1檢測氣體濃度氣體傳感器用于檢測特定氣體的濃度，例如一氧化碳、甲烷和二氧化碳。2提供報警信號當氣體濃度超過安全閾值時，傳感器會發(fā)出報警信號，提醒人們采取措施。3廣泛應(yīng)用氣體傳感器廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療保健、安全監(jiān)測等領(lǐng)域。4種類繁多氣體傳感器種類繁多，包括半導(dǎo)體氣體傳感器、電化學(xué)氣體傳感器、紅外氣體傳感器等。光電傳感器光敏電阻光敏電阻是電阻值隨光照強度變化而變化的元件。光照強度越高，電阻值越低。常用于光強檢測、自動控制等應(yīng)用。光電二極管光電二極管是一種光電轉(zhuǎn)換器，可以將光能轉(zhuǎn)換為電能。它可以用于光強檢測、光通信等領(lǐng)域。光電三極管光電三極管是一種光敏器件，可以將光信號放大，常用于光控開關(guān)、光檢測等應(yīng)用。智能傳感器智能傳感器概述智能傳感器將傳感器、微處理器和通信接口集成在一起。它們可以進行信號處理、數(shù)據(jù)分析和決策，并直接與其他設(shè)備或系統(tǒng)進行通信。智能傳感器應(yīng)用智能傳感器廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域，例如智能家居、工業(yè)自動化、醫(yī)療保健、環(huán)境監(jiān)測等。它們可以提高效率、可靠性和安全性。傳感器接口電路模擬信號采集電路模擬信號采集電路通常包括信號調(diào)理電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）等。數(shù)字信號采集電路數(shù)字信號采集電路通常包括數(shù)字信號處理電路，例如濾波器、放大器等。傳感器接口電路設(shè)計傳感器接口電路的設(shè)計需要考慮傳感器類型、信號特征、數(shù)據(jù)傳輸方式等因素。模擬信號采集1傳感器輸出大多數(shù)傳感器輸出模擬信號2ADC轉(zhuǎn)換將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號3數(shù)據(jù)處理微控制器處理數(shù)字信號模擬信號采集是物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)。傳感器通常輸出模擬信號，需要將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號才能被微控制器處理。ADC轉(zhuǎn)換器用于將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并將數(shù)據(jù)傳輸給微控制器進行處理。數(shù)字信號采集數(shù)字信號采集是將傳感器輸出的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的過程，是物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。1傳感器接口電路傳感器接口電路負責(zé)將傳感器信號轉(zhuǎn)換為可被微控制器識別的數(shù)字信號。2模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）ADC將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。3數(shù)據(jù)采樣和量化對模擬信號進行采樣，將采樣值量化為數(shù)字信號。數(shù)字信號采集涉及傳感器接口電路、ADC轉(zhuǎn)換器以及數(shù)據(jù)采樣和量化等步驟，最終將傳感器數(shù)據(jù)以數(shù)字形式傳遞給微控制器，以便進一步處理和分析。傳感器校準確定校準目標明確傳感器測量范圍和精度要求，確定校準目標值。選擇校準方法根據(jù)傳感器類型和應(yīng)用場景，選擇合適的校準方法，例如線性校準、非線性校準等。準備校準設(shè)備使用精度更高的標準儀器或設(shè)備作為校準參考，確保校準過程的準確性。進行校準實驗將傳感器置于不同條件下進行測試，記錄傳感器輸出值和參考值。建立校準曲線根據(jù)測試數(shù)據(jù)建立傳感器輸出值和參考值之間的對應(yīng)關(guān)系，生成校準曲線。應(yīng)用校準結(jié)果將校準曲線應(yīng)用于實際測量過程中，對傳感器數(shù)據(jù)進行校正。傳感器信號處理1過濾去除噪聲和干擾2校準調(diào)整數(shù)據(jù)精度和范圍3轉(zhuǎn)換將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號4壓縮減少數(shù)據(jù)大小，提升傳輸效率傳感器信號處理是將原始傳感器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為有用的信息的過程，包括過濾、校準、轉(zhuǎn)換和壓縮等步驟。這一過程確保數(shù)據(jù)的準確性和可靠性，為后續(xù)的分析和應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。基于物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用案例智能家居智能家居系統(tǒng)通過傳感器、控制器和網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)家庭設(shè)備的自動化控制和遠程管理，為用戶提供更加便捷、舒適、安全的生活體驗。智慧城市智慧城市利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，整合城市基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)據(jù)，優(yōu)化交通管理、環(huán)境監(jiān)測、公共安全等方面，提高城市運行效率和居民生活質(zhì)量。智能家居11.自動化控制通過手機或語音控制，實現(xiàn)燈光、空調(diào)、窗簾等設(shè)備的自動化控制。22.安全監(jiān)控智能攝像頭、門窗傳感器，實時監(jiān)控家居安全，并及時提醒用戶。33.能效管理智能設(shè)備根據(jù)用戶行為習(xí)慣，自動調(diào)整設(shè)備運行狀態(tài)，節(jié)省能源。44.個性化服務(wù)根據(jù)用戶喜好和需求，提供個性化的服務(wù)，例如音樂播放、新聞推送等。智慧城市智慧交通實時交通狀況監(jiān)測，優(yōu)化交通信號燈，提高交通效率，降低擁堵。智慧環(huán)保環(huán)境監(jiān)測，污染預(yù)警，資源回收利用，促進綠色發(fā)展。智慧醫(yī)療遠程醫(yī)療，健康管理，精準醫(yī)療，提高醫(yī)療服務(wù)質(zhì)量。智慧能源智能電網(wǎng)，能源管理，節(jié)約能源，降低碳排放。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)生產(chǎn)效率優(yōu)化生產(chǎn)流程，提高資源利用率。自動化實現(xiàn)自動化生產(chǎn)線，減少人工干預(yù)。數(shù)據(jù)分析收集和分析生產(chǎn)數(shù)據(jù)，優(yōu)化生產(chǎn)決策。預(yù)測性維護