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| 編輯推薦： |
从信息物理和信息感知的角度展开论述
全面阐述物联网技术的理论基础和知识体系
对物联网的发展趋势和应用前景做了前瞻性的展望
通过动手实验让读者掌握智能传感器产品的研发技能
注重实际应用，结合相关实验开展教学和研究
物联网工程实战丛书是由山东大学信息科学与工程学院高级工程师曾凡太策划，并组织国内物联网领域的一线研发工程师和高校教研人员编写的系列作品。丛书系统地介绍了物联网的各种开发工具、设计语言、研发平台和工程案例等内容，勾勒出了物联网工程的学科结构及其专业必修课的范畴，充分体现了工程专业理论扎实，操作见长的学科特色，可为相关院校的物联网工程课程设置提供参考，并对工业、农业、商贸、物流、交通和医疗等行业的物联网工程应用指明方向。
丛书全面、系统地阐述了物联网理论基础、电路设计、专用芯片设计、物联网协议、物联网操作系统、云服务平台构建、智能硬件设计、物联网工程实践和智慧城市建设等内容，勾勒出了物联网工程的学科结构及其专业必修课的范畴，可以为相关院校的物联网工程课程设置提供参考。
丛书从硬件电路、芯片设计、软件开发、协议转换，到智能硬件研发（小项目）和智慧城市建设（大工程）等内容
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| 內容簡介： |
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传感器是物联网信息之源物联网技术是继计算机、互联网及移动通信技术之后的又一次信息产业浪潮。物联网技术的应用涉及国民经济和社会生活的方方面面，使得人们的生活更加信息化和智能化。
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| 關於作者： |
曾凡太，山东大学信息科学与工程学院高级工程师。已经出版EDA工程丛书（共五卷，清华大学出版社出版）、《现代电子设计教程》（高等教育出版社出版）、《PCI总线与多媒体计算机》（电子工业出版社出版）等书，发表论文数十篇，申请发明专利4项。
李同滨，毕业于电子科技大学自动化工程学院，获工学硕士学位。嵌入式研发工程师，主要从事嵌入式硬件电路的研发，主导并完成了多个嵌入式控制项目。
张士辉，毕业于青岛科技大学。资深APP软件研发工程师，在项目开发方面成绩斐然。曾经负责过复杂的音视频解码项目，并在互联网万兆交换机开发项目中负责过核心模块的开发。
曾鸣，毕业于山东大学信息学院，获硕士学位。资深网络软件开发工程师，精通多种网络编程语言。现就职于山东大学微电子学院，从事教学科研管理工作。
曾凡太，山东大学信息科学与工程学院高级工程师。已经出版EDA工程丛书（共五卷，清华大学出版社出版）、《现代电子设计教程》（高等教育出版社出版）、《PCI总线与多媒体计算机》（电子工业出版社出版）等书，发表论文数十篇，申请发明专利4项。
李同滨，毕业于电子科技大学自动化工程学院，获工学硕士学位。嵌入式研发工程师，主要从事嵌入式硬件电路的研发，主导并完成了多个嵌入式控制项目。
张士辉，毕业于青岛科技大学。资深APP软件研发工程师，在项目开发方面成绩斐然。曾经负责过复杂的音视频解码项目，并在互联网万兆交换机开发项目中负责过核心模块的开发。
曾鸣，毕业于山东大学信息学院，获硕士学位。资深网络软件开发工程师，精通多种网络编程语言。现就职于山东大学微电子学院，从事教学科研管理工作。
徐胜朋，毕业于山东工业大学电力系统及其自动化专业。电力通信资深专家、高级工程师。现就职于国网山东省电力公司淄博供电公司，从事信息通信管理工作。曾经在中文核心期刊发表了多篇论文。荣获国家优秀质量管理成果奖和技术创新奖。申请发明专利和实用新型专利授权多项。
于桂波，毕业于华北电力大学通信专业。电力系统高级工程师，在国网山东省电力公司淄博供电公司从事信息通信管理工作。曾经在中文核心期刊发表了多篇论文。荣获国家优秀质量管理成果奖。申请发明专利和实用新型专利多项。
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| 目錄：
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丛书序
序言
第1章 绪论 1
1.1 信息物理概述 1
1.2 物联网概述 2
1.3 从物理学到信息物理学的演进 4
1.4 从互联网到物联网的演进 5
1.4.1 物联网对工业自动化的推动作用 6
1.4.2 物联网对信息化技术的推动作用 6
1.4.3 物联网的特征 6
1.4.4 物联网类别 7
1.4.5 物联网理解偏差 7
1.5 小结 8
1.6 习题 9
参考文献 9
第2章 信息论基础 10
2.1 信息论概述 10
2.1.1 信息发展简史 10
2.1.2 信息定义 11
2.1.3 信息科学发展 12
2.1.4 信息推动社会进步 13
2.2 狭义信息论 14
2.2.1 信息系统的组成（以通信工程为例） 14
2.2.2 信源的分类 15
2.2.3 信息量 16
2.2.4 自信息量 17
2.2.5 互信息量 18
2.2.6 信息熵（平均自信息量） 19
2.2.7 信源扩展 21
2.3 信息编码的概念 24
2.4 信源编码介绍 24
2.4.1 编码器 24
2.4.2 信源等长编码定理 26
2.4.3 信源变长编码定理 27
2.4.4 哈夫曼编码 28
2.5 信道编码 29
2.5.1 信道编码理论 29
2.5.2 信道基本参数 31
2.5.3 信道编码基本概念 32
2.5.4 奇偶校验编码与奇偶监督编码 33
2.5.5 信道编码纠错方式 34
2.5.6 有噪信道编码 35
2.6 加密编码 37
2.6.1 信息加密的基本概念 37
2.6.2 DES、RSA和MD5 SSL加密方式 37
2.6.3 硬件加密 40
2.6.4 软件加密 43
2.7 小结 46
2.8 习题 46
参考文献 47
第3章 传感器信号调理 48
3.1 模拟信号获取 48
3.1.1 模拟信号特征 49
3.1.2 模拟信号采集 50
3.2 小信号放大器设计 53
3.2.1 分立元件小信号放大器设计 53
3.2.2 集成电路小信号放大器 55
3.3 运算放大器信息处理设计 56
3.3.1 运算放大器的指标 56
3.3.2 运算放大器的分析方法 58
3.3.3 运算放大器信号调理电路 58
3.3.4 低噪声放大器设计 67
3.3.5 仪表放大器设计 69
3.4 小结 70
3.5 习题 71
参考文献 71
第4章 模数转换 72
4.1 ADC转换器原理电路 72
4.1.1 逐次逼近型ADC 73
4.1.2 积分型ADC 74
4.1.3 并行比较型ADC 76
4.1.4 压频变换型ADC 76
4.1.5 -（Sigma-delta）调制型ADC 77
4.1.6 流水线型ADC 77
4.2 ADC转换电路设计指标 78
4.3 ADC转换器件设计选型 79
4.4 单片机ADC转换采样设计 80
4.4.1 局部高精度ADC转换 80
4.4.2 单片机ADC转换电路设计 81
4.5 DAC转换器原理电路 82
4.6 DAC转换器的主要特性指标 83
4.7 DAC转换器动态特性 85
4.8 ADC转换器的发展趋势 88
4.9 小结 89
4.10 习题 89
参考文献 89
第5章 生物信息学 90
5.1 生物信息学的概念及范畴 90
5.1.1 分子生物信息学及基因组测序 91
5.1.2 互联网和医学生物学 91
5.1.3 物联网和生物信息学 92
5.2 生物信息的分类与采集 92
5.2.1 植物信息采集 92
5.2.2 动物信息采集 96
5.2.3 人体生理信息采集 99
5.3 生物传感器 104
5.3.1 生物传感器概论 104
5.3.2 酶传感器 107
5.3.3 免疫传感器 110
5.3.4 基因传感器 114
5.3.5 物联网和生物传感器 117
5.4 生物芯片技术 117
5.4.1 生物芯片概述 118
5.4.2 基因芯片 118
5.4.3 蛋白质芯片 118
5.4.4 芯片实验室 119
5.4.5 生物芯片技术的应用 119
5.4.6 物联网与生物芯片 120
5.5 可穿戴的生理参数测试仪 120
5.5.1 心率的测量 120
5.5.2 血氧的测量 120
5.6 物联网和保健理疗仪 121
5.7 小结 121
5.8 习题 121
参考文献 122
第6章 传感器基础 123
6.1 传感器的概念与组成 123
6.2 传感器的应用 124
6.3 传感器的分类 124
6.3.1 按传感器的工作机理分类 125
6.3.2 按传感器输出信号的性质分类 126
6.3.3 按传感器的结构分类 126
6.3.4 按传感器是否使用电源分类 126
6.3.5 按传感器的用途分类 127
6.4 传感器的一般特性 127
6.4.1 传感器的静态特性 128
6.4.2 传感器的动态特性 134
6.4.3 传感器的测量误差 140
6.4.4 传感器的标定 141
6.5 传感器的其他指标 142
6.5.1 供电电压 142
6.5.2 极限负载 143
6.5.3 温度和湿度范围 143
6.5.4 工作寿命 143
6.5.5 阻抗 143
6.5.6 接口类型 144
6.5.7 防护等级 144
6.6 传感器的选择 144
6.7 小结 145
6.8 习题 145
参考文献 145
第7章 半导体的热、光、磁效应 146
7.1 半导体效应 146
7.1.1 半导体基础知识 146
7.1.2 热敏效应 147
7.1.3 光电效应 149
7.1.4 光敏电阻 152
7.1.5 霍尔效应 155
7.1.6 磁阻效应 157
7.2 PN结效应 158
7.2.1 PN结基础知识 158
7.2.2 热敏二极管 160
7.2.3 热敏三极管 161
7.2.4 光敏二极管 162
7.2.5 光敏三极管 164
7.2.6 色敏二极管 165
7.2.7 光生伏特效应 166
7.2.8 磁敏二极管 167
7.2.9 磁敏三极管 169
7.3 Z元件 170
7.3.1 Z元件概述 170
7.3.2 Z效应的微观机理 171
7.3.3 Z元件工作原理 172
7.3.4 热敏Z元件 176
7.3.5 光敏Z元件 177
7.3.6 磁敏Z元件 181
7.4 小结 184
7.5 习题 184
参考文献 184
第8章 通用传感器 186
8.1 环境检测传感器 186
8.1.1 温度传感器概述 186
8.1.2 热电阻温度传感器 188
8.1.3 热电偶温度传感器 190
8.1.4 集成温度传感器 198
8.1.5 湿敏传感器 199
8.1.6 气敏传感器 205
8.2 声光传感器 212
8.2.1 光电传感器概述 212
8.2.2 光电器件 213
8.2.3 声波传感器概述 214
8.3 运动监测传感器 226
8.3.1 力学传感器 226
8.3.2 位移传感器 227
8.3.3 速度传感器 229
8.3.4 加速度传感器 230
8.4 运动监测传感器的应用 234
8.4.1 运动传感器应用于机器人 234
8.4.2 运动传感器应用于无人机 238
8.5 小结 245
8.6 习题 246
参考文献 246
第9章 通用传感器件应用设计 247
9.1 传感器信号处理 247
9.1.1 电源处理 247
9.1.2 滤波电路 248
9.1.3 干扰抑制 251
9.2 传感器信号传输 253
9.2.1 有线模拟信号传输 254
9.2.2 无线模拟信号传输 255
9.2.3 有线数字信号传输 255
9.3 物联网常用总线 256
9.3.1 1-Wire总线协议 256
9.3.2 IIC总线协议 260
9.3.3 SPI总线协议 267
9.3.4 UART通用异步收发器 273
9.3.5 串行异步通信RS-232-C 277
9.3.6 异步串行通信RS485 278
9.3.7 串行通用总线USB 279
9.4 无线数字信号传输 279
9.4.1 GPRS技术 279
9.4.2 Wi-Fi技术 280
9.4.3 Bluetooth技术 280
9.4.4 ZigBee技术 281
9.4.5 RFID技术 282
9.5 通用传感器设计实例 283
9.5.1 重力传感器设计电子秤 283
9.5.2 生理参数测量电子血压计 285
9.5.3 气敏传感器设计甲烷超标报警装置 286
9.6 小结 288
9.7 习题 288
参考文献 288
第10章 传感器前沿技术发展 289
10.1 概述 289
10.1.1 智能传感器 289
10.1.2 无线传感器（UGS） 290
10.1.3 传感器无线自组网（Ad hoc） 290
10.2 智能传感器 291
10.2.1 智能传感器的功能和结构 291
10.2.2 智能传感器接口 293
10.2.3 智能传感器实例 297
10.3 无线传感器技术 299
10.3.1 无线传感器的特点 299
10.3.2 无线传感器的应用 300
10.3.3 无线传感器应用实例自然环境检测 302
10.4 无线传感器网络 303
10.4.1 大规模网络 303
10.4.2 自组织网络 304
10.4.3 多跳路由 304
10.4.4 动态性网络 304
10.4.5 可靠的网络传感器 304
10.4.6 以数据为中心的网络 305
10.4.7 传感器网络不同于互联网 305
10.5 MEMS传感器 305
10.6 传感器能量获取技术 306
10.7 信息感知前沿技术发展 307
10.7.1 芬兰成功研发世界首款高光谱移动传感器 307
10.7.2 世界首个搭载小型化分子光谱传感器智能手机发布 308
10.7.3 纳米传感器把原子级别药物输入细胞 308
10.7.4 新型光学生物传感器可在几秒钟内识别感染性疾病 308
10.7.5 全球首款多通道光谱传感器芯片 309
10.7.6 发展网络化传感器大势所趋 309
10.8 物联网智能传感器实验教程 309
10.8.1 实验器材 310
10.8.2 模拟传感器实验 313
10.8.3 数字传感器实验 314
10.8.4 传感器联网实验 316
10.9 物联网智能传感器产品实例 316
10.10 小结 317
10.11 习题 318
参考文献 318
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| 內容試閱：
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传感器是物联网信息之源
物联网技术是继计算机、互联网及移动通信技术之后的又一次信息产业浪潮。物联网技术的应用涉及国民经济和社会生活的方方面面，使得人们的生活更加信息化和智能化。物联网最基本的组成部分是位于最底层的感知层，它主要借助各种传感器获取物体的基本信息，如车辆的行驶速度、桥梁受到的压力和路灯的工作状态等，然后通过该层的设备以有线或无线的方式将这些信息发送出去。
传感器是物联网信息之源
简单来说，物联网就是在物体上安装一个传感器，传感器将得到的信息通过网络传输到人们的手持终端上，让物体主动说话和行动，而不用人去查询和跟踪。
物联网的定义不只是指与台式计算机、笔记本电脑和智能手机的连接，而是指一切硬件的连接，这种更广泛、更深入的定义和发展贯穿于消费者和企业级应用及产业空间。
从根本上说，物联网是关于任何客观物体变成一串数字数据的转换过程。一旦给某个物体加上传感器，它就会像任何数字产品那样运作：发出用量、位置和状态的数据；可被追踪、控制、个性化和远程升级；当与大数据和AI（人工智能）结合，还可以变得智能、有预测性及能协同工作，甚至可自主工作。
传感器好比人的眼、耳、口、鼻，但又不仅仅只是人的感官那么简单，它甚至能够采集到更多的有用信息。传感器是整个物联网系统工作的基础。正是因为有了传感器，物联网系统才能将内容传递给大脑。
传感器网络是物联网最基础、最底层的部分，是一切物联网上层应用实现的基础。传感器网络的应用是物联网与互联网的最大区别所在，将会直接导致很多互联网的思维到了物联网时代变得不再适用。互联网是基于人的网络，我们的信息在某种意义上是靠人来采集和分析的。物联网是基于物的网络，我们的信息是靠传感器感知、采集和分析的。所以传感器是物联网信息之源。
传感器应用无处不在
物联网时代实现了人不参与其中，由设备本身完成智能运行和维护的整个过程。当电器在可能损坏之前，安装在智能电器里面的传感器就已经检测到了异常，于是主动报修。家用机器人和快递公司的无人机也可以帮助返修电器。
这样的生活场景就得归功于传感器和智能机器。因为传感器的存在，智能电器才能监测到自身的工作状态。
传感器对于自身工作状态的监测，有助于人们完成从卖产品到卖服务的转变。在物联网时代，厂商提供的将是冷冻保鲜服务而不再是冰箱。用户花的钱相当于支付享受冰箱所带来的服务而发生的费用。
由传感技术带来的便利，基本上会让未来的每一件物品都会被感知。例如，一盒鸡蛋进入冰箱后，冰箱就知道鸡蛋的数量、价格，以及购买的地方，甚至都可以知道是哪个农场的哪一只母鸡产的。
未来的空调和温控器等设备一定是装有温度传感器的；电灯等照明系统也一定是有光传感器的；门窗等有红外传感器；随身携带的手机和手环等穿戴设备则会集成更多传感器。
传感器是物联网架构中的核心部件之一，也是决定物联网产业发展速度的重要因素之一。尽管物联网应用将是个长尾市场，产品形式多样，涵盖的产业链非常长，但从最核心的技术实现层面来看，就是传感和反馈、通信连接和数据处理。从智慧城市到智能家居、智能泊车、智慧工业、智慧农业等，都是建立在各类传感器之上。
智慧城市是基于对周围环境的感知，从而对城市重要基础设施实现实时控制。例如，在使用智能传感器节点对交通控制设备进行升级改造后，路灯等基础设施便可提供交通流量监测、气象监测及覆盖面更大的治安监视等新的市政服务；智能泊车系统可以帮助驾驶员迅速地找到停车位，从而让城市停车场的管理更加高效；借助埋在路边的汽车检测传感器、雷达侦测和摄像头等辅助设备的自动停车系统，可以让停车场管理企业更好地控制车位的使用，提供更加灵活的收费方式。
在个人健康领域，环境传感器提供温度、湿度和光照实时监测；惯性传感器模块和压力传感器完成运动量监测和定位；模拟传感器监测心脏情况；惯性传感器模块通过活动量监测，帮助老年痴呆症、肥胖症或睡眠障碍患者康复。
作为智能产品的第一波浪潮，可穿戴设备所使用的传感器也越来越多。例如，智能手环和手表，从最初智能地提供简单的计步和跟踪功能，到如今将计步、紧急呼叫、热量、心率、位置、距离、锻炼类型、睡眠质量、爬楼层数和音乐控制等功能融为一体。未来将会有更多的功能通过更多的传感器来实现，从而驱动人们对这个世界的感知加深。
物联网传感器企业创业生存之道
对于从事物联网传感器生产的创业企业而言，可以借鉴一些世界著名企业的成功经验。这对其能够在竞争激烈的行业中生存下来并做大、做强非常有价值。主要建议如下：
? 需要把低功耗作为传感器产品研发的重要指标之一；
? 帮助开发者降低设计成本，帮助用户降低运营成本；
? 进入量产阶段，需要采取早投入、高产能策略，迅速抢占市场；
? 为二次开发者提供完善的硬件支持、软件工具和应用示范；
? 硬件上，为物联网设备开发者提供一套整体解决方案，包含传感器、微控制器、存储器、超低功耗通信部件、模拟信号元件、混合信号元件和电源管理元件；
? 软件上，需要提供应用开发所需要的全部软件，如开发商提供的示范项目、中间件和预打包的应用软件等，便于开发者能够从零开始编写应用代码；
? 开放式软件扩展库可以使客户很轻松地在其开发板上进行二次开发，将其拓展到很多新的应用领域中。
开放式开发环境支持从原型设计到物理产品，再到最终产品的整个流程，可以快速、灵活、经济地将开发者的创意变成产品，并推向市场。
快速开发模式可以让任何有望进入物联网领域的开发者有一个不错的起点，特别适合初创型公司进入物联网市场。下一个像三星和苹果一样的公司，可能就是从千千万万的小创业公司中走出来的。
集成智能传感器前沿进展
智能传感器主要由主传感器、辅助传感器、微机硬件系统和网络传输系统几部分构成。智能传感器是一种带有微处理器的传感器，兼有检测判断、信息处理和信息传输等功能。
近年来，人们开始将智能传感器与人工智能相结合，创造出了各种基于模糊推理、人工神经网络和专家系统等人工智能技术的高度智能传感器。智能传感器将会进一步扩展到生物、化学、电磁、光学和核物理等研究领域。
集成智能传感器采用微机械加工技术和大规模集成电路工艺技术，利用硅作为基本材料来制作敏感元件、信号调制电路及微处理器单元，并把它们集成在一块芯片上。这样，使智能传感器微型化和结构一体化，从而提高了精度和稳定性。
集成智能传感器技术发展非常迅速，已经有集成智能压力传感器和集成智能温度传感器等相关产品面市。在集成电路工艺和微机械加工的基础上研制与生产集成智能传感器的模块，使其成为未来智能传感器发展的主流，这是半导体工艺的主要发展方向之一。电子设计自动化产业的迅速发展与进步，也促使传感器技术，特别是集成智能传感器技术日趋活跃起来。国外一些著名公司和高等院校正在大力开展集成智能传感器的研制，国内一些著名的高校和研究所也积极跟进，让集成智能传感器技术取得了令人瞩目的发展。
本书是物联网工程实战丛书的第1卷。编写本书的主要目的是带领读者理解传感器的概念，并通过动手实验掌握智能传感器产品的研发技能。另外，我们还希望本书能对高校的物联网及其相关领域的教学提供必要的帮助，给相关老师和学生提供切实可行的参考。
本书第1、2章由曾凡太撰写，第3章由徐胜朋撰写，第4章由于桂波撰写，第5章由曾鸣撰写，第6、7章由李同滨撰写，第8、9章由张士辉撰写，第10章由李同滨、张士辉和曾凡太合作撰写。
关于智能传感器实验和研发的更多细节，读者可以通过丛书序中提供的读者服务网站和微信公众号与作者进一步探讨。
曾凡太
于山东大学
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