人的感知能力
眼、耳、鼻、舌、皮肤是人类感知外部物理世界的重要感官
随着人类对未知领域与空间的拓展，对信息来源、种类、数量、精度的需求不断增加
传感器是满足人类对各种信息感知需求的主要工具
传感器的基本概念
由敏感元件和转换元件组成的检测装置
能感受到被测量，按一定规律变换成为电信号输出
常见传感器模块套件（温湿度、光照、气体、超声波、红外等）
被测量 → 敏感元件 → 转换元件 → 信号调理电路 → 电信号输出
MEMS（微机电系统）
Micro-Electro-Mechanical Systems
在微电子技术基础上发展起来的多学科交叉新兴学科
以微电子及机械加工技术为依托
研究涉及微电子学、机械学、力学、自动控制科学、材料科学
NEMS（纳机电系统）
Nano-Electro-Mechanical Systems
在 MEMS 基础上进一步向纳米尺度发展
研究纳米传感器器件制备
实现更高灵敏度、更低功耗、更小体积
| 年代 | 里程碑 |
|---|---|
| 20 世纪 60 年代 | 科学家开始了 MEMS 技术的研究 |
| 80 年代 | 微型硅加速度计、微型硅陀螺仪、微型硅静电马达相继问世 |
| 90 年代 | 科学家开展了 NEMS 技术的研究与纳米传感器器件制备 |
CMOS MEMS 加速度计 SEM 微观结构（检测质量块、弹簧、电容电极）
本栏目实验
三轴加速度传感器（MMA7260Q） — 典型的 MEMS 电容式加速度计。
| 节点类型 | 功能 | 特点 |
|---|---|---|
| 传感器节点 | 采集感知数据、处理数据、转发数据 | 微型嵌入式系统，处理/存储/通信能力弱，电池供电 |
| 汇聚节点（Sink） | 收集传感器节点数据，连接外部网络 | 增强功能的传感器节点或特殊网关设备，能量和资源充足 |
| 管理节点 | 网络管理、数据存储与展示、用户交互 | 运行在 PC 或服务器上，用户通过管理节点监控网络 |
CC2530 Zigbee 无线传感器节点模块（本课程实验平台核心）
汇聚节点说明
汇聚节点既可以是增强功能的传感器节点，也可以是仅带无线通信接口的特殊网关设备。
产生背景
将 WSN 概念与水下机器人技术结合
应用于海洋自然资源探测、水域污染监控、近海勘探、灾难预警
主要利用声波实现通信和组网，又称"水下声传感器网络"
技术挑战
解决间歇性、长时延、高误码率和高包丢失率所引发的容迟问题
水下节点难以更换电池，寿命要求长
GPS 不可用，需水下定位技术
| 对比项 | 陆地 WSN | 水下 UWSN |
|---|---|---|
| 通信介质 | 无线电波（RF） | 声波 |
| 传播速度 | 3×10⁸ m/s | 约 1500 m/s |
| 时延 | 低（毫秒级） | 高（秒级） |
| 带宽 | 高（Mbps 级） | 低（kbps 级） |
UWSN 拓扑结构（水下节点 → 水面浮标 → 卫星/地面站）
海洋牧场智能水下物联网监控系统（水下机器人 + 浮标 + 海床基 + 船载 + 无人机）
🌊
海洋牧场监测
水温、盐度、溶解氧、pH、流速实时监测，结合水下摄像实现智能化养殖。
💧
海水水质监测
浊度、透光度、COD、重金属在线监测，及时预警海洋污染事件。
🌤️
海洋气象观测
海面风速、风向、气压、气温、浪高观测，为海洋天气预报提供数据。
🚢
船舶安全监测
船舶结构应力、吃水深度、舱室温湿度、主机状态监测，保障航行安全。
🐟
水产养殖智能化
基于传感器数据的自动投饵、增氧、换水控制，实现精准化养殖。