二、传感器
传感器是物联网的神经末梢，是物联网感知世界的终端模块，同时传感器会受到环境恶劣的考验。
1.传感器技术简介
传感器是许多装备和信息系统必备的信息获取单元，用来采集物理世界的信息。传感器实现最初信息的检测、交替和捕获。传感器技术的发展体现在三个方面：感知信息、智能化、网络化。
传感器技术涉及传感信息获取、信息处理和识别的规划设计、开发、制造、测试、应用及评价改进活动等内容，是从自然信源获取信息并对获取的信息进行处理、变换、识别的一门多学科交叉的技术。
如图3所示，传感器网络节点的组成和功能包括如下四个基本单元：感知单元、处理单元、通信单元以及电源部分。还可以选择加入如定位系统、运动系统以及发电装置等其他功能单元。
图3传感器节点结构
电源为传感器正常工作提供电能。感知单元用于感知、获取外界的信息，并将其转换成数字信号。处理单元主要用于协调节点内各功能模块的工作。通信单元负责与外界通信。
2.传感器的分类
传感器可根据不同分类方法进行分类，
（1）按所属学科分为物理型、化学型、生物型传感器。物理型传感器是利用各种物理效应，把被测量参数转换成可处理的物理量参数；化学型传感器是利用化学反应，把被测量参数转换成可处理的物理量参数；生物型传感器是利用生物效应及机体部分组织、微生物，把被测量参数转换为可处理的物理量参数。
（2）按传感器转换过程中的物理机理分为结构型传感器和物性型传感器。结构型传感器是依靠传感器结构（如形状、尺寸等）参数变化，利用某些物理规律引起参量变化并被测量，将其转换为电信号实现检测（如电容式压力传感器，当压力作用在电容式敏感元件的动极板上时，引起电容间隙的变化导致电容值的变化，从而实现对压力的测量）。物性型传感器是利用传感器的材料本身物理特性变化实现信号的检测（包括压电、热电、光电、生物、化学等，如利用具有压电特性的石英晶体材料制成的压电式传感器）。
（3）按能量关系，可分为能量转换型和能量控制型传感器。能量转换型传感器是直接利用被测量信号的能量转换为输出量的能量。能量控制型传感器是由外部供给传感器能量，而由被测量信号来控制输出的能量，相当于对被测信号能量放大。
（4）根据作用原理，可分为应变式、电容式、压电式、热电式、电感式、电容式、光电式、霍尔式、微波式、激光式、超声式、光纤式、生物式及核辐射式传感器等。
（5）根据功能用途，可分为温度、湿度、压力、流量、重量、位移、速度、加速度、力、热、磁、光、气、电压、电流、功率传感器等。
（6）根据功能材料，可分为半导体材料、陶瓷材料、金属材料、有机材料、半导磁、电介质、光纤、膜、超导、拓扑绝缘体等。半导体传感器主要是硅材料，其次是错、碑化镣、镣化锢、晞化铅、硫化镉等，主要用于制造力敏、热敏、光敏、磁敏、射线敏等传感器。陶瓷传感器材料主要有氧化铁、氧化锡、氧化锌、氧化错、氧化钛、氧化铝、钛酸钥等，用于制造气敏、湿敏、热敏、红外敏、离子敏等传感器。金属传感器材料主要用在机械传感器和电磁传感器中，用到的材料有祐、铜、铝、金、银、钻合金等。有机材料主要用于力敏、湿度、气体、离子、有机分子等传感器，所用材料有高分子电解质、吸湿树脂、高分子膜、有机半导体聚咪哩、酶膜等。
（7）按输入量可以分为位移、压力、温度、流量、气体等。
（8）按输出量的形式可分为模拟式传感器、数字式传感器、鹰数字传感器、开关传感器等。模拟式传感器输出量为模拟量，数字式传感器输出量为数字量，鹰数字传感器将被测量的信号量转换成频率信号或短周期信号的输出（包括直接或间接转换），开关传感器当一个被测量的信号达到某个特定的阈值时，传感器相应地输出一个设定的低电平或高电平信号。
（9）按输出参数可分为电阻型、电容型、电感型、互感型、电压（电势）型、电流型、电荷型及脉冲（数字）型传感器等。
（10）按照制造工艺分为集成传感器、薄膜传感器、厚膜传感器、陶瓷传感器等。集成传感器是用标准的生产硅基半导体集成电路的工艺技术制造的。通常还将用于初步处理被测信号的部分电路也集成在同一芯片上。薄膜传感器则是通过沉积在介质衬底（基板）上的相应敏感材料的薄膜形成的。使用混合工艺时，同样可将部分电路制造在此基板上。厚膜传感器是利用相应材料的浆料，涂覆在陶瓷基片上制成的，基片通常是A12O3制成的，然后进行热处理，使厚膜成形。陶瓷传感器采用标准的陶瓷工艺或其某种变种工艺（溶胶、凝胶等）生产。完成适当的预备性操作之后，已成形的元件在高温中进行烧结。
（11）根据测量对象特性不同分为物理型、化学型和生物型传感器。物理型传感器是利用被测量物质的某些物理性质发生明显变化的特性制成的。化学型传感器是利用能把化学物质的成分、浓度等化学量转化成电学量的敏感元件制成的。生物型传感器是利用各种生物或生物物质的特性做成的，用以检测与识别生物体内化学成分的传感器。
其中湿度传感器的原理常用的有湿敏电阻和湿敏电容两种，湿敏电阻传感是在基片上覆盖一层用感湿材料制成的膜，当空气中的水蒸气吸附在感湿膜上时，元件的电阻率和电阻值都发生变化，利用这一特性即可测量湿度。湿敏电容传感是用高分子薄膜电容制成的，常用的高分子材料有聚苯乙烯、聚酰亚胺、酪酸醋酸纤维等。当环境湿度发生改变时，湿敏电容的介电常数会发生变化，使其电容量也发生变化，其电容变化量与相对湿度成正比。
压力传感器主要有压电压力传感器、压阻压力传感器、电容式压力传感器、电磁压力传感器、振弦式压力传感器等。压电压力传感器主要基于压电效应（Piezoelectriceffect），利用电气元件和其他机械把待测的压力转换成为电量，再进行测量。主要的压电材料是磷酸二氢胺、酒石酸钾钠、石英、压电陶瓷、叙镁酸压电陶瓷、锯酸盐系压电陶瓷和钛酸钥压电陶瓷等。传感器的敏感元件是用压电的材料制作而成的，而当压电材料受到外力作用的时候，它的表面会形成电荷，电荷通过电荷放大器、测量电路的放大以及变换阻抗以后，就会被转换成为与所受到的外力成正比关系的电量输出。它是用来测量力以及可以转换成为力的非电物理量，如加速度和压力。压阻压力传感器主要基于压阻效应（Piezoresistiveeffect）。压阻效应是用来描述材料在受到机械式应力下所产生的电阻变化。电容式压力传感器是一种利用电容作为敏感元件，将被测压力转换成电容值改变的压力传感器。电磁压力传感器包括电感压力传感器、霍尔压力传感器、电涡流压力传感器等。振弦式压力传感器的敏感元件是拉紧的钢弦，敏感元件的固有频率与拉紧力的大小有关。弦的长度是固定的，弦的振动频率变化量可用来测算拉力的大小，频率信号经过转换器可以转换为电流信号。
3.传感器的性能指标
衡量传感器指标包括重复性、线性度、迟滞、稳定性、分辨率、温稳定性、寿命、多种抗干扰能力等。
（1）线性度：传感器的输入/输出之间会存在非线性。传感器的线性度就是输入/输出之间关系曲线偏离直线的程度。
（2）迟滞：传感器在正（输入量增大）反（输入量减小）行程中输出与输入曲线不相重合时称为迟滞，如磁滞、相变。
（3）重复性：重复性是指传感器在输入按同一方向作全量程连续多次变动时所得特性曲线是否一致的程度。
（4）灵敏度：灵敏度是指传感器输出的变化量与引起改变的输入变化量之比。
（5）分辨率：分辨度是指传感器能检测到的最小的输入变量。
4.传感器技术应用
传感器的应用领域相当广泛，从茫茫宇宙到浩瀚海洋，再到各种复杂的工程系统，几乎每一个项目都离不开各种各样的传感器。
1）机械制造
在机械制造中，用距离传感器来检测物体的距离；在工业机器人中，用加速度传感器、位置传感器、速度及压力传感器等来完成机器人需要进行的动作。
2）环境保护
在环境保护中，各种气体报警器、气体成分控测仪、空气净化器等设备，用于易燃、易爆、有毒气体的报警等，有效防止火灾、爆炸等事故的发生，确保环境清新、安全。采用汽车尾气催化剂和尾气传感器，解决汽车燃烧汽油所带来的尾气污染问题。
3）医疗卫生
医疗诊断测试用的传感器，尤其是血糖测试传感器将占据整体市场的大半部分。血糖测试传感器的市场规模还将以大约年率3%持续成长。从智能包装传感器来看，食品和一般消费者倾向的医疗护理产品，如检测温度、湿度，以及各种化学物质和气体包装将显著增长。
5.传感器技术的安全机制
传感器是物联网中感知物体信息的基本单元，同时传感网络比较脆弱，容易受到攻击，如何有效地应对这些攻击，对于传感网络来说十分重要。
1）物理攻击防护
建立有效防护物理攻击非常重要，如当感知到一个可能的攻击时，就会自销毁，破坏一切数据和密钥。还可以将随机时间延迟加入到关键操作过程中，设计多线程处理器，使用具有自测试功能的传感器实现物理攻击的有效防护。
2）密钥管理
密码技术是确保数据完整性、机密性、真实性的安全技术。如何构建与物联网体系架构相适应的密钥管理系统是物联网安全机制面临的重要问题。
物联网管理系统的管理方式有两种，分别为以互联网为中心的集中式管理和以物联网感知为中心的分布式管理。前者将感知互动层接入到互联网，通过密钥分配中心与网关节点的交互，实现对物联网感知互动层节点的密钥管理；后者通过分簇实现层次式网络结构管理，这种管理方式比较简单，但是由于对汇聚节点和网关的要求较高，能量消耗大，实现密钥管理所需要的成本也比前者高出很多。
3）数据融合机制
安全的数据融合是保证信息和信息传输安全、准确聚合信息的根本条件。一旦数据融合过程中受到攻击，则最终得到的数据将是无效的，甚至是有害的。因此，数据融合的安全十分重要。
安全数据融合的方案可由融合、承诺、证实三个阶段组成。在融合阶段，传感器节点将收集到的数据送往融合节点并通过指定的融合函数生成融合结果，融合结果的生成是在本地进行的，并且传感节点与融合节点共用一个密钥，这样可以检测融合节点收到数据的真实性；融合阶段生成承诺标识，融合器提交数据且融合器将不再被改变；证实阶段通过交互式证明协议主服务器证实融合节点所提交融合结果的正确性。
4）节点防护
节点的安全防护可分为内部节点之间的安全防护、节点外部安全防护以及消息安全防护。节点的安全防护可通过鉴权技术实现。首先是基于密码算法的内部节点之间的鉴别，共用密钥的节点可以实现相互鉴别；再者是节点对用户的鉴别，属于节点外部的安全防护，用户是使用物联网感知互动层收集数据的实体，当其访问物联网感知互动层并发送收集数据请求时，需要通过感知互动层的鉴别；最后，由于感知互动层的信息易被篡改，因此需要消息鉴别来实现信息的安全防护，其中消息鉴别主要包括点对点的消息鉴别和广播的消息鉴别。
5）安全路由
路由的安全威胁主要表现在物联网中不同结构网络在连接认证过程中会遇到DoS、异步等攻击的安全威胁，以及单个路由节点在面对海量数据传输时，由于节点的性能原因，很有可能造成数据阻塞和丢失，同时也容易被监听控制的安全威胁。其中运用到的安全技术主要有认证与加密技术、安全路由协议、入侵检测与防御技术和数据安全和隐私保护。可信分簇路由协议TLEACH（TrustLow-EnergyAdaptiveClusteringHierarchy）协议是一个信任管理模块和一个基于信任路由模块的有机整合，其中信任管理模块负责建立传感器节点之间的信任关系；基于信任的路由模块具有和基本TLEACH协议相同的簇头选举算法和工作阶段，通过增加基于信任的路由决策机制来提供更加安全的路由。
建立在地理路由之上的安全TRANS（TrustRoutingforLocation-awareSensorNetworks）协议包括信任路由和不安全位置避免两个模块，信任路由模块安装在汇聚节点和感知节点上，不安全位置避免模块仅安装在汇聚节点上。
6.超材料传感新技术
超材料（matamaterials）是人造电磁材料，由一些周期性排列的材料组成，可显著提高传感器的灵敏度和分辨率，实现基于传统材料传感器难以实现的功能，在传感器设计方面开启新的篇章。
（1）基于超材料的生物传感技术具有无标签生物分子检测等优势，分为三种类型，即微波生物传感器、太赫兹生物传感器和等离子体生物传感器。
微波生物传感器：基于开口谐振环（SRR）阵列可以实现有效磁导率为负，响应电磁波频率在微波段。有人提出基于SRR的生物传感器，有着较小的尺寸来检测生物分子是否出现粘连。
太赫兹生物传感器：在太赫兹频段感应样品复杂的介电特性有优势通过探测分子或声子共振对小分子化合物的共振吸收，可以直接识别化学或生物化学分子的组成。克里斯蒂安等通过向分裂环中加入第二间隙并破坏对称性，获得了电场分布的高浓度点，由超材料构成的非对称开口环谐振器（aDSR）的太赫兹频率选择表面（FSS）来感测少量的化学和生化材料。
等离子体生物传感器：表面等离子体对于衰减场的穿透深度内的电介质的折射率非常敏感，可用于开发无标记等离子体生物传感器，用于检测和调查目标与金属表面上其相应受体之间的结合情况。以超材料为基础的等离子体生物传感器能进一步提高灵敏度，采用以玻璃为基底的平行金纳米级材料，将大量金纳米棒镀在薄膜多孔氧化铝模板上，形成约2cm2的平行纳米棒阵列超材料结构。
（2）超材料薄膜传感器：利用电磁波与薄膜样本物质之间的相互作用，在整个化学和生物学过程中提供重要信息。超材料薄膜传感器谐振频率可调谐，容易实现高灵敏度化学或生物薄膜检测。超材料薄膜传感器分为微波薄膜传感器、太赫兹薄膜传感器和等离子体薄膜传感器。
微波薄膜传感器：为了感应微量的样品物质，薄膜传感器在微波频段响应敏感。有人提出将尖端SRR超材料作为薄膜传感器来减小器件的尺寸和谐振频率以及改善Q因子。为了进一步提高电场分布，有人提出具有尖锐尖端的矩形尖端形状的aDSR，可以在较小体积时提供非常高的灵敏度。
太赫兹薄膜传感器：许多材料在太赫兹频段表现出的独特性质，可以实现新的化学和生物薄膜检测方式，提高灵敏度。波导传感器可以通过增加有效的相互作用长度来对水薄膜进行感测。为了进一步提高灵敏度，超材料已经成为高度敏感的化学或生物薄膜检测的候选对象，可以通过设计调整谐振频率响应。
等离子体薄膜传感器：在SRR阵列上施加不同厚度的薄介电层时，薄膜传感器在多谐振反射光谱中显示出每个谐振模式的不同感应行为。低阶模式具有更高的灵敏度，高阶模式呈现了具有微米级检测长度的可调节灵敏度，以允许细胞内的生物检测。可以利用较低的模式来检测小目标和大分子，包括抗体一抗原的相互作用以及细胞膜上的大分子识别，以获得优异的灵敏度以及降低来自电介质环境的噪声，高阶模式检测由于其微米级别的检测长度更远，且无标记的方式，有助于探索活细胞器和细胞内的生物特性。可用于分析寄生细胞之间相互作用，是一种无标记生物成像传感器。
（3）超材料无线应变传感器：超材料无线应变传感器可以实现远程实时测量材料的强度，可更好地了解瞬时结构参数，例如，在地震前后。超材料无线传感器可实时测量飞行器部件的抗弯强度、监测骨折后骨头的愈合过程。
基于超材料的无线应变传感器具有更高品质因数以及调制深度，使得超材料非常适合遥测传感应用。超材料结构可以实现更高的谐振频率偏移，从而提高灵敏度和线性度。
其他超材料传感器：超材料也可以应用其他领域，有人提出了一种高度敏感的太赫兹表面波传感器，由周期性的金属超材料组成用于近场光谱学和传感应用程序。普恩特斯等提出了使用超材料传输线路的双模传感器，这种传感器有两种不同的工作模式用于同时检测材料的介电常数和位置。本实验室还在研究介质超材料传感器，研究可见光系统中运行的基于超材料的柔性光子装置，显示出其在高灵敏度应变、生物和化学感应中的潜在应用。
超材料在传感领域的应用为发展新一代的传感技术提供了新的机遇。超材料可以改善传感器的机械特性、光学特性和电磁特性，基于超材料的传感器正朝着单分子生物传感器和高通量传感器阵列方向发展。太赫兹、可见光和红外线领域对超材料的电磁响应可以在安全成像、遥感和谐振装置这些领域开启新的篇章。
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