传感网技术（共8篇）
软件要求：Visual Basic 6.0，Access
硬件要求：条形码扫描器；RFID读写器
模块
一、用户管理系统
登录名：（条形码或者RFID）
用户等级：访客；操作员；管理员
功能
1、用户登录
功能
2、用户管理
模块
二、纺织面料管理系统
每个样品至少包含以下内容
样品编码（条形码或者RFID）
样品编号
样品名称
样品规格（可进一步细分）
样品特点
样品图像
系统至少包含以下功能：
样品编码查询
样品分类查询
样品删除
样品增加
样品更新
分组要求：每组原则上两个学生，如实验仪器不足，可三个学生一组。软件要求：展示合格为基准，第16周用于作品展示。
MIMO系统[2]研究成为无线通信中的重点。它可以有效地利用随机衰落和多径传输,从而提高信道容量并减少传输过程中的能量消耗。但是将MI-MO技术直接应用在多个单天线,结构简单的传感节点构成的无线传感器网络中是有一定难度。因为MIMO技术需要在发射和接收两端安装多个天线,并且物理电路十分复杂。研究者发现WSN节点在传输信息过程中可同时应用自己及邻居节点的空间信道,获得一定的空间分集增益,在无线环境中形成分布式MIMO系统。这种节点通过协作彼此共享天线和信道资源的方法叫做虚拟MIMO技术[3]。
1 MIMO技术
传统的无线通信系统是采用一个发射天线和一个接收天线,即所谓的单输入单输出(SISO)天线系统。SISO天线系统在通信容量上具有一个通信方面无法解决的瓶颈,Shannon容量限制。不管采用那种调制技术,编码策略或其他方法,无线信道总是给无线工程带来一个物理限制。为了提高数据传输速率和通信容量,研究者们寻找了很多方法。如设置更多的基站,拓展带宽,加大信道发射功率等。近年来,通过在接收端使用多元阵列天线来获得接收分集,其发射天线仍采用一个阵元,这就是SIMO系统。为减小接收端的处理复杂度和体积,把接收分集处理技术移到发射端,这就是等价的MISO系统。SIMO和MISO技术结合就自然产生了收发端都采用阵元天线的MIMO系统。
为了对抗信号衰落单用户系统采用分集技术来处理,如空间分集、时间分集、极化分集和频率分集。空间分集和极化分集由阵列天线技术获得,频率分集通过多径物理信道获得,时间分集通过具体的发射技术获得。采用阵列天线技术,MI-MO系统能够充分利用信号的所有空时频域特性,提高频谱利用率,增加发射效率,减少发射功率,减少空间电磁干扰及增大系统容量。由于阵列天线可以降低共道干扰和多径衰落的影响,因而在一定的SINR(信干噪比)条件下降低误码率,或者在一定的误码率下降低检测所需要的信干噪比。MIMO系统能够抑制或消除共道干扰以及码间干扰,同时利用分集技术提高接收信号的信干噪比,因此基站和移动端的发射功率可以得到一定程度的降低,同时减少空间电磁干扰的影响,延长移动终端节点电池的使用时间,减少对生态环境的影响,降低系统对功率控制精度和器件的要求。
2 应用MIMO技术的WSN协议设计
在文献[4]中,作者对于传统能量受限的无线传感器网络提出一种基于虚拟MIMO的协同通信结构。经过本地的传输,单天线的传感器节点构成传输天线阵列,以此来应用虚拟MIMO分集技术。
如图1所示,无线传感器网络环境中包含一个数据聚集节点(DataGatheringNode,DGN)和大量的数据采集传感器节点(DataCollectionNode,DCN)。数据采集节点是典型的传感器节点,具有严格的能量限制,而数据聚集节点没有这种限制。当有数据要传输时,所有DCN节点使用时分方法广播自己的信息,使周围的节点都互相交换信息。这样每一个DCN都有了周围所有节点的采集信息假设每一个DCN节点在一个多传输天线系统中适合成为一个单独的传输天线成分,使STBC编码成为可能。
以上是一种最简单的网络情况,只存在一个聚集节点。在传统的传感器网络中,像DGN这种能量不受限的节点很难设置。XiaohuaLi在文献[5]中提出大范围多个DGN节点的无线传感器网络环境,基于LEACH分簇方法,以簇头(ClusterHead,CH)来代替DGN节点。
在这个协作式MIMO传输策略中,如图2所示,每周期开始,所有节点开始广播信息,建立簇结构,挑选CH和其它的DCN。簇内DCN将采集到的信息发送给CH后,CH进行数据融合,然后共享给其它的DCN。但是无线传感器网络中簇与sink节点的距离不同,离sink距离远的簇能量消耗的较快,特别是簇中的CH将最先耗尽能量。这使整个网络的能量消耗不均衡,容易产生网络中断。而且以上两种方法都局限在一跳的通信传输距离中,为了进一步节省能量,提高整个网络的生命周期,利用网络具有多跳通信的特点,将多点协作MIMO技术与多跳路由及分布式网络结合,产生了文献[6]中,YongYuan等人提到的基于分簇思想的多跳协作式MIMO传输策略。
在设计中,数据经过多个节点收集,通过多跳路由传输到一个遥远的信宿中。每个簇的CH构成一个多跳的骨干,通过式(1)选取CH的协作节点,使协作MIMO机制合并进每一跳的传输中。
(1)式中Ej为节点j的剩余能量。和Pjt分别是节点t的发射功率和节点j的接收功率,G(dj,kj)反映了节点到一下跳CH的大尺度衰落特性。
在数据传输过程中,簇成员将由多个帧以TD-MA方法向CH传输它们的数据。在CH接收到数据后,它将执行数据融合来消除数据中的冗余部分,根据线性分组码对数据进行编码并广播给相应的CN节点。如图3所示,所有接收到编码后数据的CN节点作为MIMO天线阵中的一个单独天线,在下一跳路由中将信息传输给下一CH。
3 协议设计的关键问题
为了在传输过程中加入虚拟MIMO的方法,簇信息、路由信息和传输策略的设计变得更为复杂。尤其是每个节点的电路设计也有别于传统的传感器节点,消耗更多的能量。但是从上述无线传感器网络的虚拟MIMO协议的设计中我们可以发现在苛刻的工作环境中,伴随信息衰落和不规则的无线电,虚拟MIMO方法的优点胜过由复杂设计带来的系统开销。对于无线传感器网络中由节点协作构成的虚拟MIMO技术在研究中的关键技术总结如下:
(1)虚拟MIMO技术在无线传感器网络应用中的能耗,时延和系统容量模型的分析。从一跳到多跳路由的数据传输策略
(2)虚拟MIMO技术在无线传感器网络应用中传输协议的设计。分布式动态节点中CH与协作DCN节点的选取算法与策略。多跳路由的策略与节能MAC协议的研究。
(3)保证QoS下对无线传感器网络虚拟MIMO技术的优化设计。
4 结论
无线传感网络与虚拟MIMO通信技术作为两项新兴的通信技术正得到人们普遍得的关注,本文分析了三种典型的基于虚拟MIMO技术的无线传感器网络协议设计,发现针对能量受限的无线传感器网络,虚拟MIMO技术改善了网络的传输质量,提高整个网络的传输寿命。并对如何进一步设计确实可行的无线传感器网络协议深入讨论,提出设计中的关键问题与未来发展方向
参考文献
[1]Akyildiz I F,Su W,Bramaniam Y S,et al.Wireless sensor networks:a survey.Computer Networks.2002;38(4):393—422
[2]Tarokh V,Jafarkhani H,Calderbank A R.Space-time block codes from orthogonal designs.IEEE Transactions on Information Theory,1999;45(5):1456—1467
[3]Cui S,Goldsmith A J,Bahai A.Energy-efficiency of MIMO and co-operative MIMO techniques in sensor networks.IEEE J Sel Areas Commun,2004;5(5):1089—1098
[4]Jayaweera S K.Energy efficient virtual MIMO-based cooperative com-munication for wireless sensor networks.IEEE Transactions on Wire-less Communication,2006;5(5):984—989
[5]LI Xiaohua.Energy ffficient wireless sensor networks with transmis-sion diversity.IEEE Electronics Letters,2003;39(24):1753—1755
宾夕法尼亚州的一家电力公司想在自己的服务区域积极参与智能电网,覆盖他们的160万个客户,但这家电力公司很快认识到,部署传感器和通信设备需要相当高的成本。其高级顾问John Ahr说: “我们需要从远程仪表及其他设备收集数据,并且将收集来的数据与客户共享,以便客户能够在电力使用方面作出更明智的决策。但是我们又希望能减少投资,最好能继续使用原有系统。”
后来,该电力公司不得不求助于西弗吉尼亚州的奥古斯塔公司,这家公司最擅长利用客户的现有技术,整合从不同传感器网络系统获得的数据,从而降低成本。以这家电力公司为例,奥古斯塔公司的EdgeFrontier中间件和网络设备是整个项目的核心,通过一个智能电力系统通信及控制网络,把变压器监测仪、电力线传感器、电路交换机、电力感测设备、信息技术系统和互联网连接起来。
John Ahr说: “经过改造后,不但客户拥有了更多的信息,更了解自己的使用习惯和用电情况了,我们也能直接从客户处收集断电信息,帮助系统做出更快速、更合理的响应。另外,我们收集的有关温度和负载容量的变压器设备数据也极其重要。”
WSN为企业
节省开支
这个电力公司的案例表明了无线传感器网络(WSN)正在发挥更大的价值。据英国剑桥IDTechEx公司发布的《2009年至2019年无线传感器网络》报告称,到2019年,无线传感器网络将成长为产值近17.5亿美元的市场。
WSN由空间分布式自主设备组成,利用相互协作的传感器来监测物理或环境情况,如不同地方的温度、声音、震动、压力、运动或污染物。传感器网络中的每个节点通常配备无线电收发器或其他无线通信设备、小型微控制器和能量来源(通常是电池)。传感器节点大小不一,大的如同鞋盒,小的如同尘埃。
即便在当前经济不景气的形势下,很多公司也发现没有办法缩减对WSN的投资。Millennial Net公司市场营销副总裁Mark O’Hearne说: “领先的企业觉得正好可以趁这次经济衰退,减少运营中的浪费现象,以便衰退期间节省开支。如今,很多公司面临成本和环境方面的压力,于是积极评估及控制能耗。WSN非常适合翻新现有的建筑物和工业环境,达到节能减排的目的,为了确保投资回报,制定绩效指标很重要。之所以用户通常选择部署无线网络,是由于它安装起来干扰较小、成本较低,而且切切实实能带来有用的数据信息。” 一些公司表示,投入WSN后会得到可观的投资回报,因为它们收集及分析的数据通常有助于节省能耗、资源、人力和设备等方面的费用。
无线传感器网络为监测行业开辟了新天地,它们让企业能够实现业务转型。与传统有线网络相比,WSN能将计算功能进一步分发至传感器。因而,它有可能在更接近数据源的地方,将过滤及更有效地管理数据的方案分发至传感器,同时保持连接性、可视性以及与企业IT系统紧密配合。
这里有一个例子,充分说明WSN为用户带来的管理优势。Dust Networks公司的一个用户以前采用人工方式收集来自图表记录器的数据,该图表记录器与一批冷藏箱中的传感器探头相连接,训练有素的技术人员定期巡视仓库车间,检查每个图表记录器上的纸张记录。要是技术人员发现冷藏箱的温度超过正常范围,就只好扔掉贮藏的生物标本,并将损失情况告知客户。
后来,该客户在其中四个生物标本储藏室中采用了Dust Networks公司的SmartMesh IA-510和WirelessHART WSN解决方案,实现了数据监测及收集的自动化。每个传感器节点通过安装在冷藏箱里面的探头来测量温度,并通过无线射频网状网将数据发送到与以太网相连接的基站。这个新系统让技术人员可以远程查看实时数据,并汇集以往的传感器数据,用于生成客户报告。采用WSN方案后,把因温度过高导致标本失效的损失降到了最低。
明智的公司以眼下这次经济衰退为契机,在流程管理基础设施方面进行重大投入。由于提高了效率,因而获得了可观的近期回报。随着企业形势好转,工厂设备利用率回到正常水平,从长远来看效益会日益明显。
智慧部署WSN
WSN有众多不同的应用领域。企业运用WSN的最主要目的之一是为了获得“运营信息”,将智能化低成本的传感器硬件、无线通信和互联网结合起来,共同管理公司运营。这些即时信息能够改善后勤、紧缩库存、诊断问题及采取补救措施。
不过在部署之前,企业CIO要问一下自己: “如何有效地收集及处理众多数据,根据这些数据下一步需要采取什么措施。”数据要发挥作用,就得触发响应装置。比如出现边界入侵事件时,摄像头会自动开启; 农田里的温度达到一定值后,喷水装置会关掉; 超市冷冻箱的温度变得太高后,里面的警报器会发出警报。更智能的是,冷冻箱每隔五分钟会向后台电脑发送温度数据,如果冷冻箱温度过高,电脑上的警报器就会发出警报。如果监测频率还需要更高,那么电脑每隔一分钟就收集所有最低和最高温度,存储数据,检测异常情况,然后把统计数据绘成图表,由此确定冷冻箱最节能的设置。现在,超市连锁店可通过MSN把数据上传到总部,用于全面的商店运营管理和比较。
功耗又是另外一个问题,这涉及到日常维护成本: 传感器隔多久需要更换、电池能用电多久等,功耗太高会影响WSN的推广。荷兰的GreenPeak公司提供的基于射频(RF)的传感器网络技术,设计时很注意低能耗(2.4 GHz),让传感器靠一节小小的手表电池就能使用,寿命甚至比传感器本身还长(长短取决于传感器类型和使用模式),或者靠能源采集设备,那样根本就不需要电池。这使得传感器几乎不需要维护,减少了WSN的运营成本。
基础设施和网络管理的成本是无线传感器网络面临的又一个问题。不过专业的无线技术公司在设备的稳定性、覆盖范围和能源管理方面做出了很多努力,这方面的情况在显著改善。
可定制化也是部署WSN时需考虑的问题。例如为环境监测而开发的某解决方案中,至少有四个传感器可连接到一个eKo节点(系统中的某管理节点)上。一旦针对客户具体的监测要求进行了定制,eKo节点就能组成无线传感器网络。带标准天线的基站可充当收集点,接收部署的eKo节点发过来的数据,然后,现场数据传送到即插即用的eKo网关。这种独立式、嵌入式的Web服务器设备基于Linux操作系统,网关预先装有eKoView,这种安全的Web界面可用于查看实时数据、运行报告及设置警报。
1.传感器的定义；传感系统的基本构成，并且举例说明各个组成部分作用。
2.传感器的分类方法，以及按照各种分类方法都分为哪几类？
3.检测系统的组成？传感器与检测技术的发展趋势电阻的组成？
4.传感器的基本特性分为哪两种？都哪些指标属于传感器的动态特性？静态特性？
5.在工程上用线性时不变系统理论来描述传感器的动态特性，线性时不变系统的基本特性是什么？
6.单位阶跃函数与正弦函数分析动态特性。时域动态性能指标：响应时间，峰值时间，超调量；频域动
态性能指标。
7.传感器的静态特性：线性度和非线性误差，常用拟合方法，最小二乘拟合方法，迟滞（回差），重复性，灵敏度和灵敏度误差，测量范围和量程，分辨力和阈值，稳定性和零漂、温漂
8.测量误差的概念及表达方式，测量误差的分类，随机误差的统计规律，真值
9.精密度、准确度和精确度；粗大误差处理，会判定、计算
10.电阻式应变传感器的工作原理；该传感器中，常用的弹性元件的结构形式包括哪些？
11.压电效应：正压电效应和逆压电效应的概念。
12.法拉第旋光效应的概念，原理结构图以及对原理图的解释说明。
13.光电器件在选用时要注意什么？
14.直射式光电转速传感器的原理图及工作原理的解释说明。
15.论述光电位置传感器（PSD）与象限探测器相比的特点。
16.会画工作原理图，掌握工作原理：应变式压力传感器；应变式加速度传感器；应变式扭矩传感器
17.会画工作原理图，掌握工作原理：电容式压差传感器；电容式加速度传感器；电容式测厚仪
18.会画工作原理图，掌握工作原理：变气隙式自感传感器；螺管式自感传感器；电涡流传感器
19.会画工作原理图，掌握工作原理：压磁传感器；压电式加速度传感器；压电式力传感器
20.会画工作原理图，掌握工作原理：变磁通式磁电传感器；恒磁通动圈式磁电传感器
21.会画工作原理图，掌握工作原理：磁电式振动速度传感器
22.压磁效应；热电效应的概念；热电效应的概念；光电效应；光生伏特效应；
23.磁光效应的概念；磁光克尔效应的概念；塞曼效应的概念；磁致线双折射效应的概念。
24.湿度的三个最主要的表示方法，绝对湿度，相对湿度和露点；
25.湿敏传感器的主要参数；
26.多孔氧化物湿敏传感器的结构和传感原理；
27.气敏传感器的主要参数；
28.体控制型和表面控制型半导体气敏传感器的区别；
29.电阻式表面控制型气敏传感器的原理，（包括SnO2和ZnO两类器件）；
30.超声波概念及其物理特性；
31.超声波测流量的测量原理,以及三种常用的测量方法（包括时差法、相位差法和频率差法）；
32.微波传感器测量液位的工作原理，理解接收功率表达式中各参数含义；
33.叉指换能器的结构及其工作原理；
34.延迟型和谐振型声表面波振荡器的工作原理，分别给出两种类型振荡器振荡频率的表达式，并指出通
过表达式中哪些物理量，可以建立起振荡频率和待测量之间的关系；
35.什么是生物传感器，结合生物传感器的组成描述生物传感器的工作原理；
36.光纤传感器的特点有哪些，并就某种应用领域举例说明利用了光纤传感器的哪些优点。
37.画图说明光纤光栅的结构、特性以及其在电流测量和倾斜角度测量时的原理。
38.画图并说明光纤耦合器与光纤环形器在功能上有什么区别。
39.画图并说明光纤耦合器与光开关在功能上有什么区别。
40.画图并说明光纤耦合器与波分复用器和解波分复用器在功能上的区别。
41.光纤传感系统中使用的光源有哪些（至少列出5种），并分别说明其各自的特点。
42.画图说明反射式强度调制型光纤位移传感器的工作原理，画图说明这种传感器的位移测量特性曲线，并说明特性曲线中，当位移太小时，存在测量死区的原因。
太阳能电池板是利用光生伏特效应原理制造的。在光线作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现象叫做光生伏特效应。基于该效应的光电器件有光电池和光敏二极管、三极管。太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置。以光电效应工作的薄膜式太阳能电池为主流，而以光化学效应工作的湿式太阳能电池则还处于萌芽阶段。
太阳能电池板 Solar panel
分类：晶体硅电池板：多晶硅太阳能电池、单晶硅太阳能电池。
非晶硅电池板：薄膜太阳能电池、有机太阳能电池。
化学染料电池板：染料敏化太阳能电池。太阳能发电系统
太阳能发电系统由太阳能电池组、太阳能控制器、蓄电池（组）组成。如输出电源为交流220V或 110V，还需要配置逆变器。各部分的作用为：
（一）太阳能电池板：太阳能电池板是太阳能发电系统中的核心部分，也是太阳能发电系统中价值最高的部分。其作用是将太阳能转化为电能，或送往蓄电池中存储起来，或推动负载工作。太阳能电池板的质量和成本将直接决定整个系统的质量和成本。
（二）太阳能控制器：太阳能控制器的作用是控制整个系统的工作状态，并对蓄电池起到过充电保护、过放电保护的作用。在温差较大的地方，合格的控制器还应具备温度补偿的功能。其他附加功能如光控开关、时控开关都应当是控制器的可选项。
（三）蓄电池：一般为铅酸电池，一般有12V和24V这两种，小微型系统中，也可用镍氢电池、镍镉电池或锂电池。其作用是在有光照时将太阳能电池板所发出的电能储存起来，到需要的时候再释放出来。
（四）逆变器：在很多场合，都需要提供AC220V、AC110V的交流电源。由于太阳能的直接输出一般都是DC12V、DC24V、DC48V。为能向AC220V的电器提供电能，需要将太阳能发电系统所发出的直流电能转换成交流电能，因此需要使用DC-AC逆变器。在某些场合，需要使用多种电压的负载时，也要用到DC-DC逆变器，如将24VDC的电能转换成5VDC的电能（注意，不是简单的降压）。
晶体硅太阳能电池的制作过程：
晶体硅太阳能电池
“硅”是我们这个星球上储藏最丰量的材料之一。自从19世纪科学家们发现了晶体硅的半导体特性后，它几乎改变了一切，甚至人类的思维。20世纪末，我们的生活中处处可见“硅”的身影和作用，晶体硅太阳能电池是近15年来形成产业化最快的。生产过程大致可分为五个步骤：a、提纯过程 b、拉棒过程 c、切片过程 d、制电池过程 e、封装过程。
太阳能电池的应用：
太阳能电池,1971年首次应用于我国发射的卫星上。1973年开始将太阳能电池用于地面。由于受到价格和产量的限制,市场发展很缓慢,除了作为卫星电源,在地面上太阳能电池仅用于小功率电源系统,如航标灯、铁路信号系统等。
2002年,国家有关部委启动了“西部省区无电乡通电计划”,通过光伏和小型风力发电解决西部七省区无电乡的用电问题。这一项目的启动大大刺激了太阳能发电产业,国内建起了几条太阳能电池的封装线,使太阳能电池的年生产量迅速增加。
目前太阳能电池已经开始广泛用于通信、交通、民用产品等各个领域,光伏发电不但列入到国家的攻关计划,而且列入国家电力建设计划,同时也在一些重大工程项目中得到应用。2003年底，我国太阳能电池的累计装机达到5万千。目前，光伏发电已遍及我国西部各省区、以及中部和东部的部分省、市、自治区，投入总规模已经超过30亿元人民币。太阳能电池高效和低价统一始终是国际开发的目标。
太阳能发电系统的设计需要考虑如下因素：
问题
1、太阳能发电系统在哪里使用？该地日光辐射情况如何？
问题
2、系统的负载功率多大？
问题
3、系统的输出电压是多少，直流还是交流？
问题
4、系统每天需要工作多少小时？
问题
5、如遇到没有日光照射的阴雨天气，系统需连续供电多少天？
问题
6、负载的情况，纯电阻性、电容性还是电感性，启动电流多大？
问题
7、系统需求的数量？
太阳能电池的原理
太阳光照在半导体p-n结上，形成新的空穴-电子对，在p-n结电场的作用下，空穴由n区流向p区，电子由p区流向n区，接通电路后就形成电流。这就是光电效应太阳能电池的工作原理。
一、太阳能发电方式太阳能发电有两种方式，一种是光—热—电转换方式，另一种是光—电直接转换方式。
（1）光—热—电转换方式通过利用太阳辐射产生的热能发电，一般是由太阳能集热器将所吸收的热能转换成工质的蒸气，再驱动汽轮机发电。前一个过程是光—热转换过程；后一个过程是热—电转换过程，与普通的火力发电一样.太阳能热发电的缺点是效率很低而成本很高，估计它的投资至少要比普通火电站贵5～10倍.一座1000MW的太阳能热电站需要投资20～25亿美元，平均1kW的投资为2000～2500美元。因此，目前只能小规模地应用于特殊的场合，而大规模利用在经济上很不合算，还不能与普通的火电站或核电站相竞争。
（2）光—电直接转换方式该方式是利用光电效应，将太阳辐射能直接转换成电能，光—电转换的基本装置就是太阳能电池。太阳能电池是一种由于光生伏特效应而将太阳光能直接转化为电能的器件，是一个半导体光电二极管，当太阳光照到光电二极管上时，光电二极管就会把太阳的光能变成电能，产生电流。当许多个电池串联或 并联起来就可以成为有比较大的输出功率的太阳能电池方阵了。太阳能电池是一种大有前途的新型电源，具有永久性、清洁性和灵活性三大优点.太阳能电池寿命长，只要太阳存在，太阳能电池就可以一次投资而长期使用；与火力发电、核能发电相比，太阳能电池不会引起环境污染；太阳能电池可以大中小并举，大到百万千瓦的中型电站，小到只供一户用的太阳能电池组，这是其它电源无法比拟的
电池板原料：玻璃，EVA，电池片、铝合金壳、包锡铜片、不锈钢支架、蓄电池等。
太阳能电池板新型涂层研发成功
美国伦斯勒理工学院研究人员2008年开发出一种新型涂层，将其覆盖在太阳能电池板上能使后者的阳光吸收率提高到96.2%，而普通太阳能电池板的阳光吸收率仅为70%左右。
新涂层主要解决了两个技术难题，一是帮助太阳能电池板吸收几乎全部的太阳光谱，二是使太阳能电池板吸收来自更大角度的太阳光，从而提高了太阳能电池板吸收太阳光的效率。
普通太阳能电池板通常只能吸收部分太阳光谱，而且通常只在吸收直射的太阳光时工作效率较高，因此很多太阳能装置都配备自动调整系统，以保证太阳能电池板始终与太阳保持最有利于吸收能量的角度。
多元化合物太阳电池
除了常用的单晶、多晶、非晶硅电池之外，多元化合物太阳电池指不是用单一元素半导体材料制成的太阳电池。现在各国研究的品种繁多，大多数尚未工业化生产，主要有以下几种：
a)硫化镉太阳能电池
b)砷化镓太阳能电池
c)铜铟硒太阳能电池(新型多元带隙梯度Cu(In, Ga)Se2薄膜太阳能电池)全球太阳能电池产业现状
据Dataquest的统计资料显示,目前全世界共有136 个国家投入普及应用太阳能电池的热潮中,其中有95 个国家正在大规模地进行太阳能电池的研制开发,积极生产各种相关的节能新产品。1998年,全世界生产的太阳能电池,其总的发电量达1000兆瓦,1999年达 2850兆瓦。2000年,全球有将近4600 家厂商向市场提供光电池和以光电池为电源的产品。
目前,许多国家正在制订中长期太阳能开发计划,准备在21世纪大规模开发太阳能，美国能源部推出的是国家光伏计划, 日本推出的是阳光计划。NREL光伏计划是美国国家光伏计划的一项重要的内容，该计划在单晶硅和高级器件、薄膜光伏技术、PVMaT、光伏组件以及系统性能和工程、光伏应用和市场开发等5个领域开展研究工作。
美国还推出了太阳能路灯“计划”,旨在让美国一部分城市的路灯都改为由太阳能供电,根据计划,每盏路灯每年可节电 800 度。日本也正在实施太阳能“7万套工程计划”，日本准备普及的太阳能住宅发电系统,主要是装设在住宅屋顶上的太阳能电池发 电设备,家庭用剩余的电量还可以卖给电力公司。一个标准家庭可安装一部发电3000瓦的系统。欧洲则将研究开发太阳能电池列入著名的“尤里卡”高科技计划，推出了“10万套工程计划”。这些以普及应用光电池为主要内容的“太阳能工程”计划是目前推动太阳能光电池产业大发展的重要动力之一。
日本、韩国以及欧洲地区总共8个国家最近决定携手合作,在亚洲内陆及非洲沙漠地区建设世界上规模最大的太阳能发电站,他们的目标是将占全球陆地面积约1/4的沙漠地区的长时间日照资源有效地利用起来,为30万用户提供100万千瓦的电能。计划将从2001年开始，花4年时间完成。
目前,美国和日本在世界光伏市场上占有最大的市场份额。美国拥有世界上最大的光伏发电厂,其功率为7MW,日本也建成了发电功率达1MW的光伏发电厂。全世界总共有23万座光伏发电设备,以色列、澳大利亚、新西兰居于领先地位。
20世纪90年代以来,全球太阳能电池行业以每年15%的增幅持续不断地发展。据Dataquest发布的最新统计和预测报告显示,美国、日本和西欧工业发达国家在研究开发太阳能方面的总投资, 1998年达570亿美元;1999年646亿美元;2000年700亿美元;2001年将达820亿美元;2002年有望突破1000亿美元。
我国太阳能电池产业现状
我国对太阳能电池的研究开发工作高度重视,早在七五期间,非晶硅半导体的研究工作已经列入国家重大课题;八五和九五期间,我国把研究开发的重点放在大面积太阳能电池等方面。2003年10月，国家发改委、科技部制定出未来5年太阳能资源开发计划，发改委“光明工程”将筹资100亿元用于推进太阳能发电技术的应用，计划到2005年全国太阳能发电系统总装机容量达到300兆瓦。
2002年，国家有关部委启动了“西部省区无电乡通电计划”，通过太阳能和小型风力发电解决西部七省区无电乡的用电问题。这一项目的启动大大刺激了太阳能发电产业，国内建起了几条太阳能电池的封装线，使太阳能电池的年生产量迅速增加。我国目前已有10条太阳能电池生产线,年生产能力约为4.5MW,其中8条生产线是从国外引进的,在这8条生产线当中,有6条单晶硅太阳能电池生产线,2条非晶硅太阳能电池生产线。据专家预测,目前我国光伏市场需求量为每年5MW,2001～2010年,年需求量将达10MW,从2011年开始,我国光伏市场年需求量将大于20MW。
目前国内太阳能硅生产企业主要有洛阳单晶硅厂、河北宁晋单晶硅基地和四川峨眉半导体材料厂等厂商，其中河北宁晋单晶硅基地是世界最大的太阳能单晶硅生产基地，占世界太阳能单晶硅市场份额的25％左右。
在太阳能电池材料下游市场，目前国内生产太阳能电池的企业主要有无锡尚德、南京中电、保定英利、河北晶澳、林洋新能源、苏州阿特斯、常州天合、云南天达光伏科技、宁波太阳能电源、京瓷（天津）太阳能等公司，总计年产能在800MW以上。
2009年，国务院根据工信提供的报告指出多晶硅产能过剩，实际业界人并不认可，科技部已经表态，多晶硅产能并不过剩。太阳能电池发展市场
当电力、煤炭、石油等不可再生能源频频告急，能源问题日益成为制约国际社会经济发展的瓶颈时，越来越多的国家开始实行“阳光计划”，开发太阳能资源，寻求经 济发展的新动力。欧洲一些高水平的核研究机构也开始转向可再生能源。在国际光伏市场巨大潜力的推动下，各国的太阳能电池制造业争相投入巨资，扩大生产，以争一席之地。
全球太阳能电池产业1994-2004年10年里增长了17倍，太阳能电池生产主要分布在日本、欧洲和美国。2006年全球太阳能电池安装规模已达1744MW，较2005年成长19％，整个市场产值已正式突破100亿美元大关。2007年全球太阳能电池产量达到3436MW，较2006年增长了56%。
中国对太阳能电池的研究起步于1958年，20世纪80年代末期，国内先后引进了多条太阳能电池生产线，使中国太阳能电池生产能力由原来的3个小厂的几百kW一下子提升到4个厂的4.5MW，这种产能一直持续到2002年，产量则只有2MW左右。2002年后，欧洲市场特别是德国市场的急剧放大和无锡尚德太阳能电力有限公司的横空出世及超常规发展给中国光伏产业带来了前所未有的发展机遇和示范效应。
目前，我国已成为全球主要的太阳能电池生产国。2007年全国太阳能电池产量达到1188MW，同比增长293%。中国已经成功超越欧洲、日本为世界太阳能电池生产第一大国。在产业布局上，我国太阳能电池产业已经形成了一定的集聚态势。在长三角、环渤海、珠三角、中西部地区，已经形成了各具特色的太阳能产业集群。
中国的太阳能电池研究比国外晚了20年，尽管最近10年国家在这方面逐年加大了投入，但投入仍然不够，与国外差距还是很大。政府应加强政策引导和政策激励，尽快解决太阳能发电上网与合理定价等问题。同时可借鉴国外的成功经验，在公共设施、政府办公楼等领域强制推广使用太阳能，充分发挥政府的示范作用，推动国内市场尽快起步和良性发展。
太阳能光伏发电在不远的将来会占据世界能源消费的重要席位，不但要替代部分常规能源，而且将成为世界能源供应的主体。预计到2030年，可再生能源在总能源结构中将占到30％以上，而太阳能光伏发电在世界总电力供应中的占比也将达到10％以上；到2040年，可再生能源将占总能耗的50％以上，太阳能光伏发电将占总电力的20％以上；到21世纪末，可再生能源在能源结构中将占到80％以上，太阳能发电将占到60％以上。这些数字足以显示出太阳能光伏产业的发展前景及其在能源领域重要的战略地位。由此可以看出，太阳能电池市场前景广阔。
利用太阳能电池的离网发电系统
太阳能离网发电系统包括
1、太阳能控制器(光伏控制器和风光互补控制器)对所发的电能进行调节和控制，一方面把调整后的能量送往直流负载或交流负载，另一方面把多余的能量送往蓄电池组储存，当所发的电不能满足负载需要时，太阳能控制器又把蓄电池的电能送往负载。蓄电池充满电后，控制器要控制蓄电池不被过充。当蓄电池所储存的电能放完时，太阳能控制器要控制蓄电池不被过放电，保护蓄电池。控制器的性能不好时，对蓄电池的使用寿命影响很大，并最终影响系统的可靠性。
2、太阳能蓄电池组的任务是贮能，以便在夜间或阴雨天保证负载用电。
3、太阳能逆变器负责把直流电转换为交流电，供交流负荷使用。太阳能逆变器是光伏风力发电系统的核心部件。由于使用地区相对落后、偏僻，维护困难，为了提高光伏风力发电系统 5 的整体性能，保证电站的长期稳定运行，对逆变器的可靠性提出了很高的要求。另外由于新能源发电成本较高，太阳能逆变器的高效运行也显得非常重要。
太阳能离网发电系统主要产品分类 A、光伏组件 B、风机 C、控制器 D、蓄电池组 E、逆变器 F、风力/光伏发电控制与逆变器一体化电源。
利用太阳能电池的并网发电系统
可再生能源并网发电系统是将光伏阵列、风力机以及燃料电池等产生的可再生能源不经过蓄电池储能，通过并网逆变器直接反向馈入电网的发电系统。
因为直接将电能输入电网，免除配置蓄电池，省掉了蓄电池储能和释放的过程，可以充分利用可再生能源所发出的电力，减小能量损耗，降低系统成本。并网发电系统能够并行使用市电和可再生能源作为本地交流负载的电源，降低整个系统的负载缺电率。同时，可再生能源并网系统可以对公用电网起到调峰作用。并网发电系统是太阳能风力发电的发展方向，代表了21世纪最具吸引力的能源利用技术。
修
选修1：电子控制技术
电子控制技术是一门运用电子电路实现信息或能量改变的技术。本模块提供了学习设计和制作电子控制系统的机会，以使学生接触和尝试解决更具有趣味、更富有价值的技术问题。
本模块由“传感器”“数字电路”“电磁继电器”和“电子控制系统及其应用”四个主题组成。前面三个主题分别阐述电子控制系统的三个组成部分，突出各个组成部分的作用。第四个主题是将前三个主题组合成一个控制系统，并通过应用性设计，对“技术与设计1”和“技术与设计2”内容进行应用、综合和拓展。
通过本模块的学习，学生应该了解电子控制电路的构成，知道数字电路的基础知识及其在电子控制技术中的应用；学会设计和安装电子控制电路，能运用系统的方法分析电子控制的过程和可能发生的故障，并用试验的方法进行优化，以提高解决实际技术问题的能力。
教学中应密切结合学生的生活经验和典型实例，把重点放在电子控制电路的实际运用和改进上，强调综合运用系统和控制的方法，分析和解决设计中遇到的问题。
(一)传感器
【课程目标】
1．认识常见的传感器，能用多用电表检测传感器。
2．知道传感器的作用及其应用。
【学习要求】
1．能认识常见传感器的实物外形和电路符号。
2．能使用多用电表检测光敏传感器、热敏传感器等常见传感器。
3．知道传感器的作用和应用。
【教学建议】
1．在教学中，应尽量收集多种传感器实物，让学生从外形上认识常见的传感器。
2．在教学中，可通过人体的感觉器官与传感器的对应类比，引入并认识传感器的特性。
3．在传感器的应用案例教学中，可通过实地观察、调查、咨询、查阅产品说明书或有关的技术资料等多种方式，了解各种传感器在生活、生产、军事等方面的应用，分析它在电子控制系统中的作用。如：热敏传感器可以在自动电饭锅、冰箱等电器中用来控制温度。
(二)数字电路
【课程目标】
1．通过比较数字信号和模拟信号，了解数字信号的特性，知道数字信号的优点。
2．知道数字信号中“1”和“0”的意义，了解数字电路是一种能够方便地处理“1”和“0”两种状态的电路。
3．了解晶体三极管的开关特性及其在数字电路中的应用。
4．熟悉与门、或门和非门等三种基本逻辑门的电路符号及各自的逻辑关系，会填写它们的真值表，能画出波形图。
5．知道与非门、或非门的电路符号及各自的逻辑关系，会填写它们的真值表，能画出波形图。
6．知道常见的数字集成电路的类型，并能用数字集成电路安装简单的实用电路装置。
7．能够对数字电路进行简单的组合设计和制作，并进行试验。
【学习要求】
1．通过比较数字信号和模拟信号，了解数字信号的特性，知道数字信号中“1”和“0”表示信号的“有”和“无”或电平的“高”和“低”状态。
2．熟悉“与”“或”和“非”三种基本的逻辑关系，能在生活中发现这三种逻辑关系的实例。用示意图分析、说明三种逻辑关系，并能用逻辑表达式表述。通过实验来判断逻辑门，让学生去感受这些“门”可以控制信息的流动。
3．了解晶体三极管的开关特性及其在数字电路中的应用，能在电子线路实验板上搭接晶体三极管的开关作用电路。
4．能够对数字电路进行简单的组合设计和制作，并进行试验。
【教学建议】
1．本主题内容较为抽象，单纯讲解会很枯燥，因此，教学中要密切联系学生生活实际，通过大量的实例让学生学会分析事物之间存在的逻辑关系。还要注意收集数字电子产品的资料，组织“未来世界中数字技术的应用”讨论活动，帮助学生了解数字技术发展的动态和趋势。
2．关于数字信号优点的教学，可以让学生动手做数字信号和模拟信号的对比实验，以帮助学生理解。例如：
(1)将计算机中某一幅图片复制(或刻录)到其他存储介质上，比较复制件与原件的图像清晰程度有什么变化。
(2)将普通录像带中的某一段画面翻录到另一盘录像带上，比较翻录带与母带的影像清晰度有什么变化。
3．对复杂的数字集成门电路，建议不作详细的电路结构剖析和逻辑关系的具体分析，只要求学生知道它是由成百上千甚至上万个基本门电路组成的一只“黑箱”，用“黑箱”方法避开对复杂的信息流动过程的解释，将重点放在用数字电路解决实际问题的应用上，以体验数字电路应用的广泛性。
4．在教学中，可以使用电子工作平台(EWB)，用虚拟的方法对基本逻辑门电路、组合门电路等进行逻辑关系实验。
5．对于数字电路简单的组合设计和制作的教学，可组织学习小组，让学生使用数字集成电路设计并搭接2～3个不同的简单电路，如变调的电子音乐门铃、光控报警器、延时路灯等，然后，将其组合成具有新功能的实用电路，并进行小组交流。
(三)电磁继电器
【课程目标】
1．知道常见的继电器可分为电磁继电器和无触点继电器两大类。
2．了解常见的直流电磁继电器的构造、规格和工作原理。
3．学会直流电磁继电器的使用。
4．知道可控硅的构造和电路符号。
5．了解可控硅的简单的工作原理。
【学习要求】
1．知道常见的继电器可分为电磁继电器和无触点继电器两大类，了解常见的直流电磁继电器的构造、符号。
2．知道常见直流电磁继电器的接点有常开、常闭和转换接点等三种类别，以及继电器的额定工作电压、线圈直流电阻、触点数目等参数。学会选用直流电磁继电器。
3．能用有转换触点的直流电磁继电器搭接一个电路，了解常见的直流电磁继电器的工作原理和工作过程，学会直流电磁继电器的使用方法。
4．知道可控硅的构造和电路符号，了解可控硅的简单工作原理，能搭接一个用可控硅控制电灯亮度的电路。
【教学建议】
1．教学中，可准备一张继电器结构挂图,图上不标出名称,让学生根据挂图说出名称。
2．教师可引用继电器在电子控制系统、触电保护、电流过载以及在高压、高温和有毒环境下的应用等实例，引导学生比较电磁继电器和可控硅在应用中的优缺点，并进行交流。
3．可控硅工作原理是本主题教学的难点，因此，可采用演示试验或分组试验的教学方式，让学生在试验中观察、分析现象，总结规律。
(四)电子控制系统及其应用
【课程目标】
1．知道电子控制系统的基本组成。
2．能用方框图分析生活中常见的电子控制系统的工作过程。
3．能用数字集成电路等器件安装简单的实用电路，并进行调试。能用该电路设计和安装开环控制系统。
4．能设计和安装简单的闭环控制系统，并进行调试和改进。
5．了解常见遥控系统的组成、分类及其应用。
6．能用集成电路设计和安装简单的遥控系统，并进行调试。
【学习要求】
1．理解电子控制技术的含义，了解它的广泛应用。知道电子控制系统是以电子技术为核心的系统，要求用系统的思想和方法分析与把握电子控制系统的整体性、相关性和目的性。
2．知道最基本的电子控制系统由输入、控制和输出等三个部分组成，其中输入部分大多由传感器等器件组成；控制部分通常由数字电路(如触发器)、单片机或计算机等组成；输出部分一般由电磁继电器等器件组成。
3．会用方框图表示信息流动的方向，能用方框图分析生活中常见的电子控制系统的工作过程。
4．知道开环电子控制系统和闭环电子控制系统的区别，知道反馈在电子控制系统中的作用。
5．了解常见的遥控系统由发射电路、接收电路和执行机构等组成，知道常见的遥控系统有红外线遥控系统和无线遥控系统等，了解遥控系统的应用。
6．能用集成电路设计和安装简单的遥控系统，并进行调试。
【教学建议】
1．本主题的教学重点应放在电子控制系统的应用性设计上，教学中采用实用电路的设计，化解设计电路原理图的难点，便于学生较容易地完成多方案设计。
2．虽然学生在《技术与设计2》中已学过对控制量和被控制对象的分析，但它仍是教学中的难点，特别是闭环电子控制系统中输出部分的组成比较复杂，各种控制和被控制的关系不太明显，教学中应结合生活中的实例边演示边讲解。
3．对遥控系统的设计和安装的教学，没有规定用无线电遥控或红外线遥控，建议不要展开，只要求单通道的遥控系统。教学中，可采用小组活动、分工合作的方式，设计和制作一个单通道无线电遥控电路，然后，应用这一电路设计一个具有实用价值的电铃(或电灯等)遥控系统，并在试用过程中加以改进。
4．本主题是将前三个主题组合成一个控制系统,并通过应用性设计,对必修课“技术与设计1”和“技术与设计2”中的内容进行应用、综合和拓展，进行电路的组合、改进和应用设计(即技术的二次开发)。例如用集成电路安装一个电子温控电路,然后用这一电路设计和制作一个能控制水壶煮水的自动控制装置。
选修2：建筑及其设计
“建筑及其设计”是建筑技术的重要内容。本模块有利于进一步增强应用技术的意识，培养学生的人文素养，提高学生的生活情趣。
本模块由“建筑与文化”“建筑结构及其简单设计”“建筑材料及其加工”和“建筑构造及其设计”四个主题组成。通过本模块的教学，学生应该理解建筑与文化的关系；了解常用的建筑材料及其加工设备与工具，学会一些加工技能；了解建筑构造及构件的主要技术知识；能进行简单建筑结构与构造的设计，理解与设计有关的法规。
教学中应引导学生注意，设计每一个构件都要考虑部分与整体以及部分之间的关系。建筑质量和建筑污染是关系到人民生命财产安全的重大问题，应注意利用正反两方面的例子，增强学生的质量意识、环保意识与安全意识。建筑具有丰富的文化内涵，在教学中应注意建筑设计的人文性与时代性。
(一)建筑与文化
【课程目标】
1．理解建筑是民族文化艺术的结晶和时代风貌的写照，了解建筑的发展与人类文明的关系。
2．了解我国和当地房屋建筑的特色，能分析当地房屋建筑特色的产生原因。
3．通过对典型建筑的欣赏，学会从不同的角度对建筑物进行评价。
【学习要求】
1．了解建筑的发展与人类文明的渊源关系，理解建筑是人类走进文明时代的标志之一。
2．知道建筑是技术与文化的结晶，是人类物质文明与精神文明的产物，是社会发展水平的综合反映。
3．了解我国和当地房屋建筑的特色及其产生的原因，进一步体会家乡之美，达到领悟、内化。
4．通过对典型建筑物的欣赏，了解建筑风格与建筑艺术不仅表现了民族文化传统，而且还反映了当时的社会经济发展状况；知道典型建筑所表现出的特有的艺术性、民族性、时代性、地域性等特点，学会从不同的角度去评价建筑物的建筑文化。
5.能根据建筑物类型和人们不同的需要,分析不同的建筑物发挥着各种不同的功能作用，能分析建筑的基本要求和个性特点。
【教学建议】
1．本主题的教学要重视学生的活动和体验。例如：“建筑——走进文明时代的标志之一”这一主题，主要的学习方式是活动体验，教学中要组织学生围绕建筑与文化的关系展开活动，引导学生用自己的生活经历去解读、品味、鉴赏，理解建筑是民族文化艺术的结晶和时代风貌的写照。
2．教师在专题教学前要有整体的教学计划，如围绕“建筑与人类文明的渊源”关系，要注意收集人与建筑、建筑与文明、建筑与文化等方面的信息资料，以保证有序有效的课堂教学。
3．中国的历史建筑中反映了中国的灿烂文化，各地的房屋建筑更是反映了当地的风土人情和地理环境，教学中要引导学生通过文本、音像、图片资料的收集，分析其建筑特点及产生的原因，通过调研、走访、游览、参观等校外活动，使学生深入了解祖国的民族建筑和现代建筑及当地的建筑，增进他们热爱祖国和家乡的感情。
4．在引导学生分析建筑文化时，应抓住典型建筑所具有的艺术性、民族性、时代性、地域性等方面的特征。
5．教学中要组织各种活动项目，让学生通过具体的活动，了解建筑物的各种不同功能作用、建筑的基本要求和建筑的个性特征。
6．教学中，要引导学生结合所学知识，对不同风格、不同类型、不同功能的建筑物进行评价。
(二)建筑结构及其简单设计
【课程目标】
1．了解建筑结构的含义，知道某一建筑物的结构类型。
2．了解拱券结构、桁架结构、悬索结构常见的建筑结构受力情况。能通过简单建筑物的案例、分析影响其稳定性和强度的主要因素。
3．能设计简单的建筑结构，并制作模型。
【学习要求】
1．通过对建筑物上荷载的重力作用及建筑结构的基本构件、受力构件、非受力构件的认识，了解建筑结构的含义。
2．了解结构的常见类型，知道某一类建筑物的结构类型。
3．在探索建筑结构的受力过程中，了解拱券结构、桁架结构、悬索结构等常见建筑结构的受力情况，并尝试对所设计的建筑结构进行受力分析。
4．通过对构件的连接方式、建筑材料、结构类型、建筑的高宽比、地基变形等进行分析，了解影响建筑物结构稳定性和强度的主要因素。
5．能根据建筑结构的安全性、适用性、耐久性等的功能要求，会对建筑结构的结构选型、结构布置、结构受力进行分析，能对建筑结构进行简单的设计。
6．能根据建筑结构设计制作的步骤，选择不同的材料进行模型制作。
【教学建议】
1．教学中要注意情景创设，案例分析，引导学生了解荷载的含义和荷载的几种现象。建议采用试验法分别进行各种荷载试验并作正确的判断，将试验结果记入设计好的表格中。
2．通过有组织、有目的、有计划的调研活动，实地了解建筑结构，观察建筑结构中的受力构件和非受力构件，记录文字、图片等资料，并在班级进行交流。
3．对于建筑结构类型的教学，要引导学生了解常见的砖混结构、砖木结构、钢筋混凝土结构等结构类型，并学会对其中的某一类结构进行分析比较，引导学生观察身边的建筑，指出它们的受力构件是由什么材料建造的。
4．试验是解决建筑结构受力分析的最佳途径。教学中要创设情景引导学生对典型结构进行试验，如拱券结构、悬索结构、框架结构等。试验材料的选择要体现多样性，如纸、木、金属、塑料等，通过试验分析观察它们在荷载作用下的受力情况，并作好试验记录，形成试验报告，进行交流。
5．影响结构稳定性和强度的因素很多，教学中要引导学生正确地从构件的连接方式、建筑材料、结构类型、建筑的高宽比、地基变形等方面进行分析、试验，并在此基础上找出影响建筑结构稳定性和强度的其他因素，如外力因素、自然因素、人为因素、技术条件等。
6．教学中要引导学生对结构功能要求的安全性、适用性、耐久性等作具体的分析，分析的形式应体现多样性，可以是间接的图示分析，也可以是直观实体分析。还要引导学生在结构设计中考虑性价比。
7．教学中应引导学生从结构选型、结构布置、结构受力分析及构件设计、连接设计等具体内容中进行科学的分析，并根据现实生活中的实例对房屋的功能、空间、建筑外形等结构类型，结构构件的具体位置以及建筑结构受力和荷载的安全可靠性，不同材料的构件设计等进行具体的分析、试验，在知觉、感受、体验实践中完成建筑结构设计的学习任务。
8．简单建筑结构的设计与模型制作是学生直接感受建筑结构设计的有效途径。教学中应引导学生发挥想像，经过多种类型、多种材料的试验，选择最简单的类型和材料，按照结构设计的步骤进行简单建筑结构模型的制作。
(三)建筑材料及其加工
【课程目标】
1．知道常用建筑材料的种类，熟悉其中1～2类材料的性质、规格型号和用途。
2．能分析使用不合格建筑材料与选用材料不当可能造成的环境污染等危害，初步学会选择适用的建筑材料。
3．初步学会1～2种常用建筑材料的加工方法、连接方法及其工艺。
【学习要求】
1．知道建筑材料的含义，能根据建造房屋、修建道路和桥梁的不同要求，分别列举出它们所需的主要建筑材料。
2．了解建筑材料的不同分类，熟悉1～2类常用建筑材料的性质、规格、型号和用途。
3．了解建筑材料的基本性质，并能够通过小试验，对建筑材料的弹性与塑性、韧性与脆性、强度、硬度等进行测定，理解建筑材料的基本性质对建筑物的重要性，初步学会运用木材、玻璃等建筑材料进行加工和连接，掌握基本的操作。
4．了解建筑材料对建筑物质量、建筑物结构类型、建筑物造价和建筑物美观的影响，通过案例分析由于建筑材料运用不当和不合格建筑材料所造成和环境污染等危害。
5．了解建筑材料在满足使用功能和质量要求外的高性能化、复合化与多功能化等发展趋势，初步学会选择适用的建筑材料。
【教学建议】
1．对建筑物的材料的认识，可采用图片分析和实景分析，引导学生识别房屋建造、道路桥梁建造的主要建筑材料。建筑材料的分类是非常丰富的，教学中应引导学生对常见的建筑材料进行分析，并进一步了解其他建筑材料。熟悉1～2类常用建筑材料的性质、规格、型号和用途。
2．可以通过小试验的方法，对实体建筑材料的物理性质、力学性质和安全使用等进行分析，试验的材料选择最好是常见、易得的，如木材、塑料、砖、石、玻璃等，试验中应做好数据记录与分析。一定要注意安全，防止发生伤害事故。教师要引导学生确定主题结构，制订设计方案，选择可加工或半成品的材料进行连接制作，同时结合制作工艺流程，让学生养成严谨的工作态度和一丝不苟的工作作风。
3．建筑材料对建筑物的质量、结构、造价和美观起着十分重要的作用。教学中要引导学生对校内和周边建筑作调查研究，进行分析交流，指出其不合理之处并提出改进方案。
4．教学中要引导学生通过信息收集，整理归纳出各种不同的新型建筑材料，并选择1～2种典型的新型建筑材料与传统建筑材料进行比较与分析。了解土木工程史上的三次飞跃，并大胆想像可能还会出现哪些变革，提出自己的设计思路。
(四)建筑构造及其设计
【课程目标】
1．了解建筑构造的含义，知道某一类建筑物的构造类型。
2．理解各类公共建筑和居住建筑构造与人的行为、生理及心理要求之间的关系。
3．了解2～3类建筑构件的用途、特点，理解设计该构件时要注意的问题(包括建筑设计中的安全要求及有关建筑法规)。
4．能设计或改进简单建筑构件，并能绘制设计草图。
5．能根据设计方案选择加工工具、量具、设备及加工方法，并制作所设计建筑物的模型或构件(或模型)。
6．能考虑多方面的因素对设计方案及其制作品进行评价。
【学习要求】
1．认识建筑构造，知道建筑物是由基础、楼梯、门、窗、墙体、屋顶等构件组成的，能对建筑物的构造类型进行分析。
2．能围绕建筑物的基本建筑构件，了解建筑物主要构件的功能和构造特点，使学生对各个常见构件有更准确的认识。
3．通过对建筑构造的外力因素、自然因素、人为因素和技术条件的分析，能够明确在影响建筑构造时应有针对性地采取相应的构造措施。
4．学会观察并发现生活中建筑构造设计是怎样体现以人为本的思想，通过对建筑构造设计具体要求的学习，理解建筑是为了人而设计的。
5．通过对建筑构件的设计理念的理解，学会围绕门窗或楼梯构件进行设计，能用木、纸等材料制作设计模型。
6．学会设计过程中的草图、正规图的绘制，通过多方面的分析、比较，能对设计过程、设计构件进行修改完善，同时还要适时地对设计情况和制作情况进行有效的评价。
7．在学习与设计建筑物构件时还要了解我国已经制定的各种规范标准，例如：在我国建筑设计时必须首先满足《民用建筑设计通则》〔JGI37—87〕等规范要求，在构件的构造设计时也有一些相关的设计规范等。
8．要学会根据构件设计方案选择使用的工具、量具和专业设备以及科学的加工方法。
9．能够利用石材、水泥、木材、玻璃、塑料、金属等建筑材料，根据设计要求和加工方法制作建筑物的模型或构件。
【教学建议】
1．对于建筑物的构造类型的教学，可以采用分组活动的教学形式，确定主题方案，到社区、家庭、厂矿、学校、公共场所、商店等地方进行调研，进行实践体验，获得信息，并在全班进行交流，还可以通过网络获取相关的信息。
2．对于建筑物的基本构件的教学，可以采取观察法、对比法、讨论法，有条件的学校可采用试验法，选择基础、墙体、楼梯、屋顶、门窗等构件中的1～2个基本建筑构件进行分析或试验，并对结果进行评议。
3．教学中要注意收集网络信息、图片资料或实例，引导学生观察、分析影响建筑物构件的因素有外力因素、自然因素、人为因素、技术条件因素等。
4．理解建筑构造设计中以人为本的思想。教学中要引导学生熟悉一些科学的建筑构造，应用对比的方法对身边不合理的建筑物构造进行调研，并用摄影或摄像的方法将资料收集起来，在班级交流，让学生更直观地了解建筑物构造的设计必须考虑人的因素。
5．对于建筑物构件设计的教学，要引导学生通过查找建筑设计、建筑施工、建筑构件标准等规范文件，学习了解相关建筑法规，并知道这些法规在建筑构造中的作用。
6．在建筑构造施工中，工具、设施、设备是不可缺少的组成部分，教学中要利用网络、图片和实物帮助学生了解这些工具、设备。
7．教学中要引导学生学会用一般的建筑材料，如：水泥、黄砂、石膏、玻璃、塑料、金属材料、木材等，进行建筑模型或建筑基本构件的设计与制作。同时还要学会这些材料的加工方法，选择材料时不宜太多，一般以1～2种建筑材料为宜。
选修3：简易机器人制作
本模块为学生提供了宽广而丰富的想像空间，有利于学生创新精神的培养和实践能力的提高。简易机器人制作所用的材料价格低廉，对学校设备要求不高，容易在一般中学开设和推广。
本模块由“单片机及其控制程序”“单片机与控制电路”和“单片机与传动机械”三个主题组成。内容涵盖了计算机、传感、智能信息处理、控制和机械等基础技术，体现了现代信息技术与传动机械技术的综合、软件技术与硬件技术的结合，有利于拓展学生技术学习的视野。
本模块中，虽然编程语言和传动机械占了比较多的篇幅，但教学重点还是在设计和制作上。在教学中，应加强系统思想方法和技术试验方法在新的学习情景中的应用和指导。
(一)单片机及其控制程序
【课程目标】
1．知道单片机的特点及应用。
2．知道单片机的基本组成及工作过程。
3．知道单片机集成电路引脚的功能。
4．了解一种单片机编程语言，掌握一种单片机常用的编程指令。
5．学会用指令编制简单控制的程序，并能根据试验进行修正。
6．能操作单片机编程器将编写的程序烧结固化。
【学习要求】
1．了解单片机的特点、应用以及产生的原因。知道单片机实际上是一台微型计算机，它具有一般计算机的主要结构，但又比PC机要简单很多。
2．了解单片机的基本组成及工作过程。
3．能结合电路图和实物认识引脚的功能。
4．理解机器语言、汇编语言、高级语言的区别；了解单片机编程语言的选择过程。掌握一些最基本的指令。如：汇编语言的常用指令一般在10条左右。学会一般单片机的选用。
5．理解程序指令执行的一般过程；掌握一种汇编语言中的一些常用汇编指令(如：mov、load、add、sub等；亦可使用某一种高级语言)。
6．能结合实际例子会使用一些常用的特殊寄存器。
7．会画程序流程图、能读懂简单程序，并能调试、检查程序；能通过试验发现编程中的问题，然后探究如何去修改。
8．能通过编程器把程序烧结到单片机的存储器中，使单片机能按照程序进行工作。
【教学建议】
1．对于单片机的特点和应用的教学，可在列举单片机的特点的基础上，介绍单片机在工业、农业等领域和日常生活中的应用实例。
2．在教学过程中要避免过于专业化，简易机器人语言部分的教学，只要求对汇编语言作简要介绍，编程则采用学生方便使用的图形化语言。但建议教师在教材的基础上进一步学习有关的基础知识和操作技能。
3．在讲解编程的过程中，教师可以结合实际开展相关活动，如调查一个交通路口的行人流量、自行车流量和汽车流量，制定出交通红绿灯翻转时间间隔的合理方案，设计和制作一个用单片机控制的交通信号灯控制模型，并进行模拟试验。
4．在单片机的编程的教学中，可采用分组的形式，设计不同的程序，使单片机控制的彩灯组出现各种不同的发光形式，如奇数发光二极管发出闪光、偶数发光二极管发出闪光和逐个发光。在电子实验板上搭接电路进行试验，并将这些设计成果应用于实际。比如，为广告牌四周设计和制作一个逐个闪烁发光的循环彩灯组。教师可以给出基本的外围实验电路，由学生编写相应程序，进行调试、检查、烧结等。
5．关于单片机型号的选用，由于只涉及简易机器人的制作，所以只要求使用一块单片机。至于单片机型号的选择，可以根据学校实际情况选用。
6．在教学过程中要充分应用“任务驱动”的思想，先提出任务，创设一定的情景，让学生产生主动探究的欲望。
(二)单片机与控制电路
【课程目标】
1．了解电子控制系统的基本组成，知道单片机是一种使用广泛的控制电路。
2．知道常见的传感器及其作用。
3．了解继电器的结构和工作原理，并能掌握简单的使用方法。
4．能用传感器、单片机和继电器等安装一个简单控制装置，并进行试验。
【学习要求】
1．知道常见的传感器，认识常见传感器的外形和电路符号。
2．认识传感器的作用是能够采集和检测外界非电量变化的信号，并把它转换成为电信号。
3．了解直流电磁继电器的结构。并能通过阅读直流电磁继电器的结构图，了解其工作原理。掌握直流电磁继电器简单的使用方法。
4．能用传感器、单片机和继电器等安装一个简单控制装置，并进行试验。
【教学建议】
1．对于传感器的教学，仅要求了解传感器的外部特性，对内部结构、工作原理不作深究。
2．可以指导学生设计由传感器、单片机和发光二极管等组成的1～3种在夜晚才能工作的循环彩灯控制系统，并在电子实验板上搭接电路后进行试验。
3．可以指导学生设计一辆遇到障碍就转弯的碰碰车，加深对单片机控制电路的理解。教师可事先准备好基本机械部分，学生完成传感器、继电器的安装以及控制程序的编写与调试。
4.在继电器的教学过程中，结合单片机与控制程序，利用继电器对直流电动机进行转动方向和速度控制；建议补充脉宽调制知识。
5.使用了传感器以后，对编程的设计要求较高。教师要加强对学生的指导。
(三)单片机与传动机械
【课程目标】
1．知道一般机械的组成，了解常见的机械传动的方式。
2．了解常见齿轮传动的特点、形式和应用，会计算简单的齿轮传动比。
3．能按照装配图样安装简单的齿轮装置，并进行调试。
4．了解常见的连杆传动机构的结构及其应用，能设计和制作简单的连杆装置。
5．能设计一个简单的电动机械，并进行安装和调试。
6．能设计和制作一个由传感器、单片机、继电器、电动机和传动机械等组成的简易机器人或简单的自动控制系统，并能通过试验完成2～3个规定的动作。
【学习要求】
1．知道一般机械的组成，了解常见的机械传动方式。
能从系统的整体性、相关性和目的性等特性出发，了解一般机械的组成。
知道传动机械在一般机械中的作用，了解常见的机械传动。
2．知道常用的平行连杆机构，掌握四连杆机构形成的条件。
3．了解常见齿轮传动的特点、形式和应用，会计算简单的齿轮传动比，能根据装配图安装简单的齿轮传动装置，并进行调试。
4．了解常见的连杆传动机构的结构及其应用，能设计和制作简单的连杆装置。
5．能设计和制作一个由传感器、单片机、继电器、电动机和传动机械等组成的简易机器人或简单的自动控制系统，并能通过试验完成2～3个规定的动作。
【教学建议】
1．对于机械部分的教学，应根据实际情况组织学生调查周围环境中的机械传动装置，分析其结构和工作过程，画出简单的结构草图。如伸缩晒衣架、挖土机的机械手臂、消防车的升降云梯等。
2．齿轮传动是机械传动的一种重要形式，需要重点讲解。可以利用现有的机器人器材进行教学，让学生对齿轮传动有感性的认识。
3．在连杆传动机构的教学中，教师应留出足够的时间让学生自己动手操作，在做中了解连杆传动机构的结构和应用范围。
1 农村配电网设备故障主要情况
农村生活水平的提高、小型企业的迅速发展和用电量的日益增加, 将导致配电网设备电力负荷迅速增加。农村配电网是指10 kV及以下电网, 其主要设备有杆塔、架空导线、绝缘子、接地装置、变压器、开关站、避雷器、电容器、跌落式熔断器, 低压总配电柜 (箱) 、闸刀、熔断器、母线等。上述设备之间一般都采用金具接续连接 (如设备线夹、接线端子、并沟线夹等) , 长期过载易造成金具松动、接触面材料老化等情况, 导致接触电阻增大, 发生接续连接处温升过高甚至熔断导体和绝缘击穿等事故;电气设备之间的接续连接点是最薄弱环节, 可以说温度是配电网设备运行状态的重要表征。农村配电网尤其是在无人值守的农村开关站, 一旦出现故障停电, 便会给群众生活带来不便;给供电所造成较大损失。许多地方的配电网存在多种情况, 如架空线路分支多、乱、呈不规则网状结构, 设备陈旧和状态变化频繁等, 查找故障点时往往需花费大量的人力和物力。
农村配电网故障对农业生产造成的危害较大, 轻者造成台区电气设备停止工作, 重者造成整条配电线路停止运行。因此, 为确保可靠供电, 对农村配电网中电气设备间接续连接处的温度实施监测是实现农村配电网故障预警的有效渠道, 是智能电网建立深入农村配电网的内容之一。
2 相关监测技术
在工业设备温升监测方面, 常用的方法有示温蜡片法、热红外、光纤测温和无线温度监测等技术。
示温蜡片法, 即在电气设备易发生温升的表面涂一层随温度变化而变色的发光材料, 通过巡检人员观察其颜色变化来估算温升情况, 此方法巡视工作量大, 人为因素多, 无法定量分析, 可靠性低, 且示温蜡片存在易脱落的缺陷, 后期维护成本较高。
热红外监测法, 是利用光 (红外) 辐射特性的红外测温仪, 它能测量0～200℃之间温度, 基本误差为±2%T, 准确度较高。若采用红外测温仪定位测温, 则需要大量红外测温仪一一对应所测电气设备, 投资较大;若采用人工巡视逐点测温的方法, 工作量大, 周期较长, 设备故障漏检几率较大。
光纤测温法, 一般采用温度传感器加光纤的技术属典型的在线测量, 准确度高、稳定性好、维护量少, 缺点是对绝缘性能要求高, 不能直接附在高压带电设备上, 且造价高, 安装困难。
无线温度监测法, 由无线温度传感器加无线通信传感器等组合而成, 可直接安装在带电物体表面测量其运行温度, 且传感器可设置时间间隔来采集温度数据, 并通过无线网络向外发送, 其性价比高于上述监测方法。但复杂电磁环境下无线传感器网络的通信可靠性设计还需结合具体情况深入研究。
3 无线传感网络技术
无线传感器网络是新一代的传感器网络, 其集传感器技术、微机电技术、无线通信技术、嵌入式计算技术和分布式处理技术于一体。表1为常用的无线传感网络技术对比表, 其中的ZigBee技术较适用农村配电网的低成本、少维护要求。
4 ZigBee技术应用于农村配电网的可行性
Zig Bee技术是一种工作在2.4 GHz和868/915 MHz的无线网络技术, 介于无线标记技术和蓝牙之间, 具有距离近、复杂度低、功耗低、数据速率低和成本低的优点。采用双向传输的无线通信标准, 将IEEE 802.15.4收发器技术与嵌入Zig Bee技术协议栈相组合, 按IEEE 802.15.4标准, 在数千个微传感器之间相互协调实现通信。这些传感器仅需很少的能量, 便可以接力的方式将数据从一个传感器无线传到另一个传感器, 依次传递, 以构成一个无线传感器网络, 主要用于中短距离无线系统连接, 能够满足对各种传感器的数据输出和输入控制命令和信息的需求, 使现有系统网络化、无线化, 特别适用于信息采集与监控领域的应用。
农村配电网设备无线监测系统主要采集配电网现场设备间接续连接处的温升信息并分析设备状态, 执行设备故障报警, 确保配电网运行安全可靠。
农村配电网中电气设备间接续连接处温度的监测有以下特征: (1) 被监测设备成本较低, 但量大面广, 台区内设备间半径均不大于500 m; (2) 设备被测处带电, 不易使用有源电源供电; (3) 设备所测参数单一, 无需双向通信且需传输的数据量较小; (4) 所监测的温度量数据可间隔数小时或数天。
上述特征较符合ZigBee技术服务的对象:网络节点量大且间距不大;有网络自组织、自恢复能力;低能耗的自备电源;传输低容量数据;可设置数据采集的休眠功能。
关键词：定位误差；逻辑层；子区域；定位机制
中图分类号：TP39文献标识码：A
The Study of Positioning Strategy of Irregular 3D Plane
in Sensor Networks
LI Zejun1，2， CHEN Min1，2
（1.College of Information Science and Engineering， Hunan Univ，Changsha， Hunan 410082， China；
2.School of Computer and Information Science，Hunan Institute of Technology，Hengyang ， Hunan412002，China）
Abstract：Considering the large positioning error and high energy consumption concerning irregular and complex 3D plane with obstacles， this paper put forward a new strategy to locate the unknown nodes. This policy divides the complex threedimensional plane into different logic layers and labels each layer node it belongs to. Then， subregions are divided and merged in horizontal layers. Finally， the positioning of 3D complex plane is possible by calculating the location coordinate of unknown nodes after atmospheric pressure sensor ranging. Compared with SV and COLA， the 3DCCD positioning strategy in the average positioning error is 5% less than SV and 8% less than COLA. Its positioning precision increases more than 6.5%， and the energy consumption reduces 2.7% than SV and COLA. The 3DCCD has great advantages in terms of positioning error， accuracy and energy.
Key words：positioning error；logic layer；subdomain ；positioning mechanism
复杂环境下的定位机制大多数都是基于2D网络拓扑环境，导致节点路径估算产生较大的误差以及误差难以控制、传感器节点能耗大等诸多因素.如：ACDL经典方法采用2D定位机制解决复杂网络定位问题，该方法设定一临界点，传感器节点利用邻居节点的通信来判定凹凸表面，并将复杂表面划分为几个子区域，节点通过MDS建立节点的相对位置.最后利用相对位置建立全局2D平面图.这样方法过度临界值的选择，当复杂不平表面无临界值时，该策略将导致失败，另外该定位方法对边界噪音比较敏感.目前，学者们尝试从2D平面扩展到3D平面，其主要采用的定位方法有两种，一是通过将3D复杂平面映射到2D平面来定位其坐标[1，2].二是采用特殊装置来测量凹凸平面的高度值和抛锚节点的距离[3].上述方法对于简单的3D表面定位具有较高的精确度，但对于复杂表面以及具有较大凸高时，其定位误差明显增大和定位不明确.而SV（SingleValue）根据不同节点映射到不同2D平面上且平面的点具有唯一性.然后根据二维平面来定位三维平面.一定程度上解决了较简单的3D平面节点重叠问题[4].但SV的代价较高，对于不规则三维平面也将导致节点重叠现象.COLA定位机制[5]采用移动锚节点来定位三维平面，该方法的精确度较高，但对于复杂3D的平面，由于锚节点的不断移动产生大量的误差值，难以适用大规模3D平面定位.
3.3合并子区域及构建层区域
在进行子区域的建立时采用广播的方式进行信息传递，导致在层区域内形成若干个子区域并且子区域可能产生重叠现象.若节点p接收多个构建子区域信息时，以第一时间收到的信息作为标记加入到该子区域中，其余消息将被丢弃.否则若子区域标记不相同则合并两个子区域直到合并消息不存在.
复杂凹凸平面的分解与子区域的合并算法描述如下：
4复杂平面定位与计算
在复杂3D平面定位计算中主要考虑模型构建差生的误差以及定位方法和过程.传感器节点在进行通信时其物理层的传播模式可以任意，其公式为[7，8]：
图11表示3DCCD算法的开销在不同测量误差时都要比SV及COLA算法的开销要小，这是由于3DCCD采用的迭代次数少的缘故.
6结束语
本文研究复杂3D平面的定位机制，该策略首先将复杂三维平面进行逻辑水平分层，然后在水平层进行子区域的划分及合并处理，最后用大气压传感器测距进行计算未知节点的坐标从而得到3D复杂平面的定位.该思路为不规则复杂三维平面提供了新的思路.该策略尤其适用于不确定节点的定位.
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