d1.2-物聯(lián)網(wǎng)-感知層課件

物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)架構(gòu)感知層感知層是實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)全面的感知的基礎(chǔ)1.包括二維碼標簽和識讀器、RFID標簽和讀寫器、攝像頭、GPS、傳感器和M2M終端、傳感器網(wǎng)絡(luò)和傳感器網(wǎng)關(guān)等；2.要解決的重點問題是感知和識別物體，采集和捕獲信息；3.要突破的方向是具備更敏感、更全面的感知能力，解決低功耗、小型化和低成本的問題；感知層的主要技術(shù)傳感器條碼RFID無線傳感網(wǎng)絡(luò)（WSN)傳感器是各種信息處理系統(tǒng)獲取信息的一個重要途徑。在物聯(lián)網(wǎng)中傳感器的作用尤為突出，是物聯(lián)網(wǎng)中獲得信息的主要設(shè)備。作為物聯(lián)網(wǎng)中的信息采集設(shè)備，傳感器利用各種機制把被觀測量轉(zhuǎn)換為一定形式的電信號，然后由相應(yīng)的信號處理裝置來處理，并產(chǎn)生響應(yīng)的動作。1:常見傳感器：包括溫度，壓力，濕度，光電，霍爾磁性傳感器，等等。

傳感器壓力傳感器常見的壓力傳感器在受到外部壓力時會產(chǎn)生一定的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變形或位移，進而轉(zhuǎn)化為電特性的改變，產(chǎn)生相應(yīng)的電信號。一種車用電容式壓力傳感器Honeywell24PC壓力傳感器及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)濕度傳感器濕度傳感器主要包括電阻式和電容式兩個類別。電阻式濕度傳感器也成為濕敏電阻，利用氯化鋰，碳，陶瓷等材料的電阻率的濕度敏感性來探測濕度。電容式濕度傳感器也稱為濕敏電容，利用材料的介電系數(shù)的濕度敏感性來探測濕度。一種電容式濕敏傳感器結(jié)構(gòu)圖一種電阻式陶瓷濕敏傳感器結(jié)構(gòu)圖幾種濕度傳感器光傳感器光傳感器可以分為光敏電阻以及光電傳感器兩個大類。光敏電阻主要利用各種材料的電阻率的光敏感性來進行光探測。光電傳感器主要包括光敏二極管和光敏三極管，這兩種器件都是利用半導體器件對光照的敏感性。光敏二極管的反向飽和電流在光照的作用下會顯著變大，而光敏三極管在光照時其集電極、發(fā)射極導通，類似于受光照控制的開關(guān)。此外，為方便使用，市場上出現(xiàn)了把光敏二極管和光敏三極管與后續(xù)信號處理電路制作成一個芯片的集成光傳感器。光傳感器的不同種類可以覆蓋可見光，紅外線（熱輻射），以及紫外線等波長范圍的傳感應(yīng)用。光敏電阻結(jié)構(gòu)圖與實物光敏三極管集成光傳感器霍爾（磁性）傳感器霍爾傳感器是利用霍爾效應(yīng)制成的一種磁性傳感器?；魻栃?yīng)是指：把一個金屬或者半導體材料薄片置于磁場中，當有電流流過時，由于形成電流的電子在磁場中運動而收到磁場的作用力，會使得材料中產(chǎn)生與電流方向垂直的電壓差。可以通過測量霍爾傳感器所產(chǎn)生的電壓的大小來計算磁場的強度?；魻栃?yīng)霍爾傳感器2.微機電（MEMS）傳感器微機電系統(tǒng)的英文名稱是Micro-Electro-MechanicalSystems，簡稱MEMS，是一種由微電子、微機械部件構(gòu)成的微型器件，多采用半導體工藝加工。目前已經(jīng)出現(xiàn)的微機電器件包括壓力傳感器、加速度計、微陀螺儀、墨水噴咀和硬盤驅(qū)動頭等等。微機電系統(tǒng)的出現(xiàn)體現(xiàn)了當前的器件微型化發(fā)展趨勢。2.2.1微機電壓力傳感器某輪胎壓力傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及外觀如下圖所示。該壓力傳感器利用了傳感器中的硅應(yīng)變電阻在壓力作用下發(fā)生形變而改變了電阻來測量壓力；測試時使用了傳感器內(nèi)部集成的測量電橋。傳感器外形MEMS壓力傳感器結(jié)構(gòu)傳感器中集成的測量電橋微機電系統(tǒng)的應(yīng)用基于MEMS技術(shù)的胃腸道內(nèi)窺檢查系統(tǒng)：胃腸道無線內(nèi)窺鏡主要用于胃腸道疾病的診斷.其核心部分為一可吞服的胃腸道攝像無線發(fā)射的藥丸,

將照像機、光源、信號轉(zhuǎn)換器和發(fā)射裝置等集成在一個如感冒膠囊形狀與大小的膠囊中，病人吞服后系統(tǒng)能對胃腸道內(nèi)部進行檢查，可連續(xù)拍攝下數(shù)萬至數(shù)十萬幀照片并將信號發(fā)送給接收端，供醫(yī)生詳細觀察，病人毫無痛苦。3:智能傳感器智能傳感器（smartsensor）是一種具有一定信息處理能力的傳感器，目前多采用把傳統(tǒng)的傳感器與微處理器結(jié)合的方式來制造。如下圖所示，在傳統(tǒng)的傳感器構(gòu)成的應(yīng)用系統(tǒng)中，傳感器所采集的信號通常要傳輸?shù)较到y(tǒng)中的主機中進行分析處理；而由智能傳感器構(gòu)成的應(yīng)用系統(tǒng)中，其包含的微處理器能夠?qū)Σ杉男盘栠M行分析處理，然后把處理結(jié)果發(fā)送給系統(tǒng)中的主機。智能傳感器能夠顯著減小傳感器與主機之間的通信量，并簡化了主機軟件的復雜程度，使得包含多種不同類別的傳感器應(yīng)用系統(tǒng)易于實現(xiàn)；此外，智能傳感器常常還能進行自檢、診斷和校正。2.3.1智能壓力傳感器下圖顯示的是Honeywell公司開發(fā)的PPT系列智能壓力傳感器的外形以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)。傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)PPT系列智能壓力傳感器下面是一種車用智能壓力傳感器的芯片布局圖。該芯片中把微機電壓力傳感器，模擬接口、8位模-數(shù)轉(zhuǎn)換器、微處理器（摩托羅拉69HC08）、存儲器、以及串行接口（SPI）等集成在一個芯片上，主要用于汽車的各種壓力傳感。CPU2.3.2智能溫濕度傳感器下面顯示的是Sensirion公司推出的SHT11/15溫濕度智能傳感器的外形，引腳，以及內(nèi)部框圖。2.3.3智能液體渾濁度傳感器下面顯示的是Honeywell公司推出的AMPS-10G型智能液體渾濁度傳感器的外形，測量原理，以及內(nèi)部框圖。2.二維條形碼二維條形碼是在二維空間水平和豎直方向存儲信息的條形碼。它的優(yōu)點是信息容量大，譯碼可靠性高，糾錯能力強，制作成本低，保密與防偽性能好。以常用的二維條形碼PDF417碼為例，可以表示字母、數(shù)字、ASCII字符與二進制數(shù)；該編碼可以表示1850個字符/數(shù)字，糾錯能力，即使條形碼的某個部分遭到一定程度的損壞，也可以通過存在于其他位置的糾錯碼將損失的信息還原出來。RFID什么是RFIDRFID是RadioFrequencyIdentification的縮寫，即射頻識別。常稱為感應(yīng)式電子晶片或近接卡、感應(yīng)卡、非接觸卡、電子標簽、電子條碼，等等。什么是RFID技術(shù)RFID射頻識別是一種非接觸式的自動識別技術(shù)，它通過射頻信號自動識別目標對象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，識別工作無須人工干預(yù)，可工作于各種惡劣環(huán)境。RFID技術(shù)可識別高速運動物體并可同時識別多個標簽，操作快捷方便。

短距離射頻產(chǎn)品不怕油漬、灰塵污染等惡劣的環(huán)境，可在這樣的環(huán)境中替代條碼，例如用在工廠的流水線上跟蹤物體。長距射頻產(chǎn)品多用于交通上，識別距離可達幾十米，如自動收費或識別車輛身份等。2022/12/2123RFID特點1、非接觸操作，長距離識別（幾厘米至幾十米），無需人工干預(yù)，應(yīng)用便利。2、無機械磨損，壽命長，可應(yīng)用在惡劣的環(huán)境中。3、可是別高速運動的物體，并可同時識別多個電子標簽。4、讀寫器具有不直接對最終用戶開放的物理接口，保證其自身安全性。5、數(shù)據(jù)安全方面除電子標簽的密碼保護外，數(shù)據(jù)部分可用一些算法實現(xiàn)安全管理。6、讀寫器與標簽之間存在相互認證的過程，實現(xiàn)安全通信和存儲。RFID組成和分類★組成射頻電子標簽（Tag）讀寫器或閱讀器（Reader）應(yīng)用系統(tǒng)（ManagementSystem）

★按照閱讀器發(fā)送時所使用的頻率

低頻RFID標簽LFTAG125KHz高頻RFID標簽HFTAG13.54MHz超高頻RFID標簽UHF

TAG

850-928MHz微波2.45GHz★按照標簽是否自身帶電池進行分類

無源標簽或被動標簽（Passivetags）

有源標簽或主動標簽（Activetage）

RFID未進行封裝的RFID標簽進行封裝后的RFID標簽2022/12/2127RFID標簽打印機RFID讀寫器普通感應(yīng)式讀寫器2022/12/2128移動式RFID讀寫器RFID讀寫器RFID柔性顯示

?APPLICATIONS?Electronicdisplaycard

?Smartactivelabels

?Sensorsanddiagnostics

?KEYFEATURES?Lowoperatingvoltage(1.8V)?Lowpower(<3mA)

?Ultrathin(450micron)

?Highcontrast(>10:1)

?Brightsunlightreadable

?Shock,vibrationproof

?DirectdriveSource:EpsonPassiveRFIDtag(13.56MHz;ISO

15693)withadisplay.Thedisplay

componentisimplementedbyusingE-ink'sEPSheet.The

displayworkswithoutbatteries,by

usingtheelectrophoreticeffect.23RFID的應(yīng)用——物流倉儲RFID的應(yīng)用——零售業(yè)標簽天線單瓶級驗證五糧液在酒瓶蓋上集成小型超高頻電子標簽，實現(xiàn)酒類防偽功能。商品防偽與會人員代表證會場人員管理系統(tǒng)

人員管理肉類食品安全管理

藥品溯源管理

使用RFID技術(shù)，對藥品生產(chǎn)、流通、使用全程跟蹤和可追溯監(jiān)管，實施對問題藥品快速、可控的召回；通過在電子標簽上實現(xiàn)低成本安全認證，提供藥品的防偽、防假技術(shù)手段藥品溯源電子標簽自助圖書館系統(tǒng)案例新家坡國家圖書館（圖書資產(chǎn)）管理深圳圖書館新館 2006年7月在全國率先全面應(yīng)用無線射頻技術(shù)（RFID），在館內(nèi)全面實行包括自助借還的多種形式的自助服務(wù)，很快得到了廣大讀者的認可，并且倍受歡迎，深圳圖書館自助供還量戰(zhàn)占全館問題的比例已超過90%。門禁控制使用RFID標識每一本圖書利用RFID對每本圖書的“唯一”標識讀者自助還書（RFID讀寫器就能立刻確認還書信息）圖書分揀由計算機自動完成醫(yī)療衛(wèi)生系統(tǒng)醫(yī)療器械管理和追蹤病人病情監(jiān)控與跟蹤案例美國新澤西醫(yī)療公司４家醫(yī)院安裝了RFID系統(tǒng)，用以追蹤上千名病人和工作人員，以及多達一萬件資產(chǎn)。 早在2006年，新澤西州哈肯薩克醫(yī)學中心將植入式RFID微型標簽（芯片）VeriChip植入病患的手臂上臂，用來存取慢性病病人的病況信息。醫(yī)護人員將使用內(nèi)置RFID讀寫器的手持終端掃描病患的VeriChip所在部位，VeriChip上面的16位ID信息及數(shù)據(jù)庫中存儲的病患治療記錄，會立刻顯示在手持終端上。2008年10月，北京地壇醫(yī)院開始了其應(yīng)用RFID的項目——地壇醫(yī)院追蹤管理系統(tǒng)。主要應(yīng)用在對人員、重要醫(yī)療設(shè)備以及醫(yī)療垃圾車三種對象的實時跟蹤管理上?？煽诳蓸稲FID自動裝飲料機

—Freestyle

Freestyle可采用RFID技術(shù)來識別30多個調(diào)料桶，可提供100多種飲料。每種飲料都是由幾種配料組成，當顧客下單時，機器將這些成分以適當?shù)谋壤旌?，并注入顧客的杯子里。Freestyle配備有移動和有線以太網(wǎng)功能，可與可口可樂位于亞特蘭大的FreestyleSAP數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)通訊，向公司提供商業(yè)分析，機器可以將消耗最多的飲料類型、時間和地點數(shù)據(jù)上傳，還可以接收網(wǎng)絡(luò)指令。舉個例子，如果一個調(diào)料桶需要召回，網(wǎng)絡(luò)指令機器立即停止出售含這種調(diào)料的飲料。（1）貨車/機車電子標簽（TAG）。安裝在機車、貨車底部的中梁上，由微帶天線、反射調(diào)制器、編碼器、微處理器和存儲器組成。每個電子標簽相當于每輛車的“身份證”。（2）地面識別系統(tǒng)（AEI）。由安裝在軌道間的地面天線、車輪傳感器及安裝在探測機房的RF微波射頻裝置、讀出計算機（工控機）等組成。對運行的列車及車輛進行準確的識別。（3）集中管理系統(tǒng)（CPS）。車站主機房配置專門的計算機，把工控機傳送來的信息通過集中管理系統(tǒng)（CPS）進行處理、存儲和轉(zhuǎn)發(fā)。（4）鐵道部中央數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。全路標簽編程站的總指揮部。把標簽編程站申請的每批車號與中央車號數(shù)據(jù)庫進行核對，對重車號則重新分配新車號。再向標簽編程站返回批復的車號信息。即集中統(tǒng)一地處理、分配和批復車號信息，同時又是一個信息管理和信息查詢中心。鐵路車號自動識別系統(tǒng)（ATIS）系統(tǒng)可實時，準確無誤地采集機車、車輛運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，如機車車次、車號、狀態(tài)、位置、去向和到發(fā)時間等信息，實時追蹤機車車輛；該系統(tǒng)已遍及全國及18個鐵路局、7萬多公里鐵路，超過55萬輛機車和車廂安裝了無源RFID標簽。北京奧運會期間，共發(fā)售了1600萬張RFID門票；這種門票防偽性能良好，觀眾入場時手持門票通過檢票設(shè)備即可，省去了人工驗票過程；門票使用了國內(nèi)自主開發(fā)的最小的RFID芯片，芯片最小面積0.3平方毫米，厚度最小達到50微米，可嵌入到紙張內(nèi),最遠識別距離在5米左右。該芯片的仿制難度極大，有效保證了奧運門票的防偽性能，同時簡化了以往檢票員逐一分辨門票真?zhèn)蔚膹碗s程序，方便了信息統(tǒng)計和門票管理?！笔锌莆嘘P(guān)工作人員透露，作為“科技奧運”的一大亮點，該門票的“記憶力”也很好，持票者的購票時間、地點、何時入場、座位區(qū)域等信息都可有詳細記錄，從而確保了整個賽場的安全秩序管理。北京奧運會RFID門票被列為21世紀最有影響的21項技術(shù)和改變世界的10大技術(shù)之一，受到了普遍的重視。無線傳感網(wǎng)（WSN）傳感器節(jié)點結(jié)構(gòu)傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特征低成本、低功耗、低速率、短距離節(jié)點能量有限節(jié)點通信能力有限節(jié)點計算能力有限傳感器節(jié)點數(shù)量大且分布范圍廣網(wǎng)絡(luò)動態(tài)性強自組織網(wǎng)絡(luò)感知數(shù)據(jù)流量大以數(shù)據(jù)為中心應(yīng)用相關(guān)WSN節(jié)點及嵌入式軟件系統(tǒng)傳感器節(jié)點的研究主要包括硬件設(shè)計和嵌入式軟件系統(tǒng)兩個方面!在傳感器節(jié)點硬件方面：新傳感器概念、理論和技術(shù)；新型感知材料和裝置的研究，如化學感知材料和裝置、生物感知材料和裝置等；以降低能耗為核心，把傳感器、計算部件、存儲部件、通信部件集成為微型傳感器!在嵌入式軟件系統(tǒng)方面的研究成果主要是嵌入式操作系統(tǒng)!加利福尼亞大學伯克力分校研究開發(fā)了一個傳感器節(jié)點操作系統(tǒng)TinyOS，有3個主要的特點：基于組件的架構(gòu)、基于事件和任務(wù)的并發(fā)模式、獨立的狀態(tài)操作!無線傳感器網(wǎng)絡(luò)要解決的問題 網(wǎng)絡(luò)的自組織、自配置（節(jié)點定位、時間同步、自動校準、拓撲控制等）通信協(xié)議（MAC、路由協(xié)議）分布式數(shù)據(jù)管理（數(shù)據(jù)采集、存儲、查詢、獲取等）各種應(yīng)用特定的數(shù)據(jù)融合處理節(jié)省能耗應(yīng)貫穿到所有的設(shè)計中。WSN在無線通48探索外部星球一直是人類夢寐以求的理想，借助于航天器布撒的傳感器節(jié)點實現(xiàn)對星球表面大范圍、長時期、近距離的監(jiān)測和探索，是一種經(jīng)濟可行的方案。NASA的JPL實驗室研制的SensorWebs就是為將來的火星探測、選定著陸場地等需求進行技術(shù)準備的?，F(xiàn)在該項目已在佛羅里達宇航中心的環(huán)境監(jiān)測項目中進行測試和完善。NASA-空間、海洋探索計劃美國宇航局的空間探索計劃中無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用模式示意圖水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)水下傳感器網(wǎng)絡(luò)的組成結(jié)構(gòu)可分為以下幾類：(1)基于水面浮標的(射頻+水聲通信)可任意升降的三維立體水下傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。優(yōu)點：布放比較容易，可利用太陽能、GPS以及水面上的無線通信，回避、降低了水下通信的困難。缺點：阻礙航道，易被發(fā)現(xiàn)破壞，容易隨波逐流，位置不能固定。(2)由固定在海底基站的節(jié)點構(gòu)成的，可任意升降的三維立體網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。通過光纜或聲通信與水面網(wǎng)關(guān)、節(jié)點聯(lián)結(jié)，將數(shù)據(jù)傳輸至基站。優(yōu)點：不會影響航行。缺點：維護不容易。(3)基于水面浮標節(jié)點(射頻+水聲通信)、水中自主航行器（水聲通信）和水底固定節(jié)點（水聲通信）的三維立體系統(tǒng)。優(yōu)點：覆蓋全面，配置靈活，功能強大。缺點：系統(tǒng)復雜，成本高。與地面無線傳感器網(wǎng)絡(luò)相比，水下傳感器網(wǎng)絡(luò)仍然存在著諸多困難：如有效帶寬非常有限、水下信道非常惡劣等等，在這個領(lǐng)域還有許多的困難需要解決50智能農(nóng)業(yè)-葡萄園環(huán)境監(jiān)測2002年，英特爾公司率先在俄勒岡建立了世界上第一個無線葡萄園。傳感器節(jié)點被分布在葡萄園的每個角落，每隔一分鐘檢測一次土壤溫度、濕度或該區(qū)域有害物的數(shù)量，以確保葡萄可以健康生長。研究人員發(fā)現(xiàn)，葡萄園氣候的細微變化可極大地影響葡萄酒的質(zhì)量。通過長年的數(shù)據(jù)記錄以及相關(guān)分析，便能精確的掌握葡萄酒的質(zhì)地與葡萄生長過程中的日照、溫度、濕度的確切關(guān)系葡萄園環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)示意圖51生態(tài)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)

2002年，由英特爾的研究小組和加州大學伯克利分校以及巴港大西洋大學的科學家把無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于監(jiān)視大鴨島海鳥的棲息情況。位于緬因州海岸大鴨島上的海燕由于環(huán)境惡劣，海燕又十分機警，研究人員無法采用通常方法進行跟蹤觀察。為此他們使用了包括光、濕度、氣壓計、紅外傳感器、攝像頭在內(nèi)的近10種傳感器類型數(shù)百個節(jié)點，系統(tǒng)通過自組織無線網(wǎng)絡(luò)，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)?00英尺外的基站計算機內(nèi)，再由此經(jīng)衛(wèi)星傳輸至加州服務(wù)器在那之后，全球的研究人員都可以通過互聯(lián)網(wǎng)察看該地區(qū)各個節(jié)點的數(shù)據(jù)，掌握第一手的環(huán)境資料，為生態(tài)環(huán)境研究者提供了一個極為有效便利的平臺。大鴨島生態(tài)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)Nike+I