物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)基礎(chǔ)(第三章)課件

第三章物聯(lián)網(wǎng)感知與識別技術(shù)射頻識別技術(shù)無線傳感器網(wǎng)絡傳感器技術(shù)其他典型感知與識別技術(shù)030102了解物聯(lián)網(wǎng)主流感知與識別技術(shù)的分類了解各種物聯(lián)網(wǎng)感知技術(shù)的應用情況。了解物聯(lián)網(wǎng)不同類型感知技術(shù)的工作過程和技術(shù)特點030201能夠說出射頻識別技術(shù)的基本工作原理與應用方法能夠說出傳感器的分類和常見傳感器的基本工作原理掌握無線傳感器網(wǎng)絡的體系結(jié)構(gòu)和特點RFID在身份證中的應用射頻識別技術(shù)第一節(jié)射頻識別技術(shù)射頻識別技術(shù)（RFID）是通過無線電波進行數(shù)據(jù)傳送的技術(shù)，它是一種典型的非接觸自動識別技術(shù)，是國家戰(zhàn)略新興專業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分，同時也是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)感知層的支撐技術(shù)之一。自動化人工智能信息安全通信技術(shù)0402050103計算機科學與技術(shù)RFID范圍包含：STEP01STEP02STEP03STEP04STEP05科技民生智慧生活資源協(xié)調(diào)物流配送智能安防應用第一節(jié)射頻識別技術(shù)第一節(jié)射頻識別技術(shù)RFID系統(tǒng)構(gòu)成RFID系統(tǒng)分類RFID工作原理RFID在物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)中的典型應用射頻識別技術(shù)（RFID）1234第一節(jié)射頻識別技術(shù)RFID系統(tǒng)構(gòu)成1讀寫器電子標簽計算機系統(tǒng)典型的RFID系統(tǒng)的核心是射頻識別技術(shù)，主要結(jié)構(gòu)包括電子標簽、讀寫器和天線等。而作為一個完整的RFID系統(tǒng)，在包括上述組件之外，還需要有與之配套的應用軟件和計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)，才能實現(xiàn)完整的自動識別系統(tǒng)功能，如圖所示。

RFID系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)第一節(jié)射頻識別技術(shù)RFID系統(tǒng)構(gòu)成1電子標簽又稱射頻標簽或射頻卡，它由耦合元件和芯片組成，是RFID系統(tǒng)真正的數(shù)據(jù)載體，如圖所示。每個電子標簽具有唯一的電子編碼，它通過內(nèi)置天線與讀寫器內(nèi)的射頻天線進行通信。

RFID電子標簽第一節(jié)射頻識別技術(shù)RFID系統(tǒng)構(gòu)成1讀寫器又稱閱讀器，根據(jù)設(shè)計結(jié)構(gòu)和技術(shù)不同，可以用來作為電子標簽內(nèi)存信息的只讀設(shè)備或者讀寫設(shè)備，它是RFID系統(tǒng)信息和控制的處理中心，通常由耦合模塊、收發(fā)模塊、控制模塊和接口單元組成，如圖所示。RFID讀寫器結(jié)構(gòu)圖第一節(jié)射頻識別技術(shù)RFID系統(tǒng)構(gòu)成1天線主要用于在電子標簽和讀寫器之間傳遞射頻信號。電子標簽和讀寫器中都包含天線，其中電子標簽中的天線屬于內(nèi)置天線，而讀寫器中可以使用內(nèi)置或者外置天線。應用軟件可以針對不同應用領(lǐng)域進行管理和操作，而計算機網(wǎng)絡則用來進行數(shù)據(jù)的傳輸和查詢。第一節(jié)射頻識別技術(shù)RFID系統(tǒng)構(gòu)成RFID系統(tǒng)分類RFID工作原理RFID在物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)中的典型應用射頻識別技術(shù)（RFID）1234第一節(jié)射頻識別技術(shù)RFID系統(tǒng)分類2根據(jù)工作頻率分類根據(jù)標簽與讀寫器之間的通信工作時序分類根據(jù)標簽和讀寫器之間的耦合方式分類根據(jù)標簽的可讀寫性分類根據(jù)標簽供電方式分類060305010204分類方法根據(jù)標簽的數(shù)據(jù)調(diào)制方式分類第一節(jié)射頻識別技術(shù)RFID系統(tǒng)分類2根據(jù)工作頻率分類01高頻（HF，3MHz～30MHz）常用：

6.75MHZ,13.56MHZ微波（UWF，2.45GHz～5.8GHz）常用：2.45GHz，5.8GHZ低頻（LF，30kHz～300kHz常用：125KHZ,135KHZ

超高頻（UHF，300MHz～968MHz）常用：860/960MHz第一節(jié)射頻識別技術(shù)RFID系統(tǒng)分類202根據(jù)標簽供電方式分類132內(nèi)有電池，但電池僅對維持數(shù)據(jù)的電路及維持芯片工作電壓的電路提供支持半有源電子標簽內(nèi)沒有電池，電子標簽利用讀寫器發(fā)出的波束供電有源電子標簽無源電子標簽電子標簽內(nèi)有電池，電池可以為電子標簽提供全部能量第一節(jié)射頻識別技術(shù)RFID系統(tǒng)分類203根據(jù)標簽和讀寫器之間的耦合方式分類一般適用于中、低頻工作的近距離射頻識別系統(tǒng)。電感耦合系統(tǒng)典型的工作頻率為125kHz，225kHz和13.56MHz，該系統(tǒng)的識別距離小于1m，典型作用距離為10～20cm。電感耦合方式一般適用于高頻、微波工作的遠距離射頻識別系統(tǒng)。電磁反向散射耦合系統(tǒng)典型的工作頻率為433MHz，915MHz，2.45GHz和5.8GHz，該系統(tǒng)的識別距離大于1m，典型作用距離為3～10m。電磁反向散射方式第一節(jié)射頻識別技術(shù)RFID系統(tǒng)分類204根據(jù)標簽的可讀寫性分類2一次寫入多次讀出型標簽（WORM）3只讀型標簽（RO）1可讀寫型標簽（RW）第一節(jié)射頻識別技術(shù)RFID系統(tǒng)分類2只讀型標簽（RO）只讀型標簽內(nèi)只包括只讀存儲器（ROM）、隨機存取存儲器（RAM）和緩沖存儲器，并且標簽內(nèi)存有一個唯一的、不可修改的ID號碼，可以保證標簽的安全性；一次寫入多次讀出型標簽是用戶數(shù)據(jù)可以進行一次性寫入的標簽，寫入后數(shù)據(jù)不能改變；而可讀寫型標簽一般還有非活動可編程記憶存儲器，這種存儲器除了具有存儲數(shù)據(jù)功能外，還具有在適當條件下允許多次寫入數(shù)據(jù)的功能。第一節(jié)射頻識別技術(shù)RFID系統(tǒng)分類2標簽數(shù)據(jù)調(diào)制方式分類的依據(jù)是標簽通過何種形式方法與讀寫器之間進行數(shù)據(jù)交換，一般可分為主動式、被動式和半主動式3種。通常，無源系統(tǒng)為被動式，有源系統(tǒng)為主動式，半有源系統(tǒng)為半主動式。05根據(jù)標簽的數(shù)據(jù)調(diào)制方式分類1233主動式被動式半主動式第一節(jié)射頻識別技術(shù)RFID系統(tǒng)分類21233主動式被動式半主動式用自身的射頻能量主動發(fā)送數(shù)據(jù)給讀寫器，主動式標簽是單向的，即只有標簽向讀寫器不斷傳送信息，而讀寫器對標簽的信息只是被動地接收。

不能主動發(fā)送數(shù)據(jù)，只能利用讀寫器的能量進行工作，因此只能在一定范圍內(nèi)進行工作。本身也帶有電池，但只能為標簽內(nèi)部電路供電，只有通過讀寫器的能量才能傳送自身數(shù)據(jù)。第一節(jié)射頻識別技術(shù)RFID系統(tǒng)分類206根據(jù)標簽與讀寫器之間的通信工作時序分類時序分類是根據(jù)標簽和讀寫器的工作次序進行分類，分為讀寫器主動喚醒標簽（ReaderTalkFirst，RTF）和標簽首先自報家門（TagTalkFirst，TTF）的方式。第一節(jié)射頻識別技術(shù)RFID系統(tǒng)構(gòu)成RFID系統(tǒng)分類RFID工作原理RFID在物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)中的典型應用射頻識別技術(shù)（RFID）1234第一節(jié)射頻識別技術(shù)RFID工作原理3當RFID系統(tǒng)開始工作時，讀寫器的天線作為發(fā)射天線發(fā)送一定頻率的射頻信號，當電子標簽進入讀寫器工作范圍時，其天線感應到讀寫器天線發(fā)送的射頻信號，產(chǎn)生感應電流，從而使電子標簽獲得能量，內(nèi)部電路被激活，使得電子標簽將自身的編碼信息通過內(nèi)置天線發(fā)送出去；此時讀寫器的天線作為接收天線接收從電子標簽發(fā)送過來的信號，經(jīng)過天線發(fā)送給內(nèi)部處理模塊，經(jīng)過相應的處理后將有效信息發(fā)送到后臺的主機系統(tǒng)進行識別，最后根據(jù)不同設(shè)備做出相應的處理與控制。RFID工作原理第一節(jié)射頻識別技術(shù)影響RFID系統(tǒng)讀寫距離的因素主要有讀寫器產(chǎn)生的磁場、感應的靈敏度（尤其在復雜環(huán)境下）、電子標簽本身獲得能量并發(fā)送信息的能力等。讀寫器產(chǎn)生的磁場感應的靈敏度獲得能量并發(fā)送信息的能力第一節(jié)射頻識別技術(shù)RFID系統(tǒng)構(gòu)成RFID系統(tǒng)分類RFID工作原理RFID在物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)中的典型應用射頻識別技術(shù)（RFID）1234第一節(jié)射頻識別技術(shù)RFID在物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)中的典型應用4RFID技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域使用廣泛，比較典型的應用就是在物流領(lǐng)域的使用。通過RFID系統(tǒng)可以實現(xiàn)商品從原料、半成品、成品、運輸、倉儲、配送、上架、最終銷售，甚至退貨處理等所有環(huán)節(jié)進行實時監(jiān)控，不僅能極大地提高自動化程度，而且可以大幅降低差錯率，從而顯著提高供應鏈的透明度和管理效率。RFID物流管理系統(tǒng)使物流企業(yè)在對貨物的倉儲、分撿、配送、運輸?shù)确矫娴墓芾砀痈咝?、準確、科學，如圖所示。第一節(jié)射頻識別技術(shù)RFID在物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)中的典型應用4ISO17364應用標準3ISO17358應用標準1ISO17367系列標準ISO17366系列標準5ISO17363應用標準2ISO17365應用標準46第一節(jié)射頻識別技術(shù)RFID在物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)中的典型應用41．ISO17358應用要求這是供應鏈RFID的應用要求標準，該標準定義了供應鏈物流單元各個層次的參數(shù)，定義了環(huán)境標識和數(shù)據(jù)流程。2．ISO17363～17367系列標準供應鏈RFID物流單元系列標準分別對貨運集裝箱、可回收運輸單元、運輸單元、產(chǎn)品包裝、產(chǎn)品標簽的RFID應用進行了規(guī)范。該系列標準的內(nèi)容基本類同，如空中接口協(xié)議采用ISO/IEC18000系列標準等。在具體規(guī)定上存在差異，分別針對不同的使用對象做了補充規(guī)定，如使用環(huán)境條件、標簽的尺寸、標簽張貼的位置等特性，根據(jù)對象的差異要求采用電子標簽的載波頻率也不同。貨運集裝箱、可回收運輸單元和運輸單元使用的電子標簽一定是重復使用的，產(chǎn)品包裝則要根據(jù)實際情況而定，而對產(chǎn)品標簽來說通常是一次性的。另外還要考慮數(shù)據(jù)的完整性、可視識讀標識等?？苫厥者\輸單元在數(shù)據(jù)容量、安全性、通信距離方面要求較高。需要注意的是，ISO10374、ISO18185和ISO17363三個標準之間的關(guān)系，它們都針對集裝箱，但是ISO10374是針對集裝箱本身的管理，ISO18185是海關(guān)為了監(jiān)視集裝箱，而ISO17363是針對供應鏈管理目的而在貨運集裝箱上使用可讀寫的RFID標識標簽和貨運標簽。第一節(jié)射頻識別技術(shù)第一節(jié)射頻識別技術(shù)重慶已發(fā)行350萬張RFID汽車電子車牌其他典型感知與識別技術(shù)第二節(jié)傳感器技術(shù)隨著人類社會在20世紀末進入了信息時代，人們的社會活動更依賴于對信息資源的開發(fā)、獲取、傳輸和實現(xiàn)。這種現(xiàn)象促成了傳感器技術(shù)的快速發(fā)展。在物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)中，感知層作為信息的獲取與數(shù)據(jù)采集的主要手段，可以把物理量或化學量轉(zhuǎn)變成便于利用的電信號的設(shè)備，可以感知周圍的溫度、速度、電磁輻射或氣體成分等，獲取傳感器周圍的各種信息。第二節(jié)傳感器技術(shù)傳感器的定義傳感器的分類傳感器的工作原理傳感器在物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)中的典型應用第二節(jié)傳感器技術(shù)傳感器的定義傳感器是一種檢測裝置，能夠感測被測量并按照一定規(guī)律將其轉(zhuǎn)換成可用電信號或其他所需形式的信息輸出，用以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。它是物聯(lián)網(wǎng)感知層的觸角，是物聯(lián)網(wǎng)感知的主要來源。第二節(jié)傳感器技術(shù)傳感器組成轉(zhuǎn)換元件敏感元件01轉(zhuǎn)換電路能直接感受和檢出被測對象的待測信息。

將敏感元件所感受出的信息直接轉(zhuǎn)換成電路參數(shù)的部分。將轉(zhuǎn)換元件輸出的電路參數(shù)接入轉(zhuǎn)換電路，進行信號的放大或調(diào)節(jié)，輸出電信號。第二節(jié)傳感器技術(shù)傳感器分類按工作機理分類01按被測量類別分類02按敏感材料分類03按能量關(guān)系分類04其他分類05傳感器的種類很多，原理各異，檢測對象類別繁多，分類形式也沒有統(tǒng)一的標準，但比較常用的有如下幾種分類方法第二節(jié)傳感器技術(shù)按工作機理分類01

按工作機理分類的方法是以工作原理劃分，將物理、化學和生物等學科的原理、規(guī)律、效應等作為分類的依據(jù)，如應變式、壓電式、熱電式傳感器等。這種分類方法的優(yōu)點在于對傳感器工作原理的分析較為直接，類別少，有利于傳感器工作者從原理和設(shè)計上進行掌握。這也是大多數(shù)教材的通用分類方法。第二節(jié)傳感器技術(shù)按被測量類別分類02按照傳感器被測量類別分類的方法是按被測量的性質(zhì)不同對傳感器進行劃分。把不同被測量的傳感器分為物理量傳感器、化學量傳感器和生物量傳感器三大類。物理量傳感器01化學量傳感器02生物量傳感器03第二節(jié)傳感器技術(shù)按被測量類別分類02這種方法又把種類繁多的被測量分為基本物理量和派生物理量兩大類，如表所示。基本物理量派生物理量速度線速度速度、振動、流量、動量等角速度轉(zhuǎn)速、角振動等加速度線加速度振動、沖擊、質(zhì)量等角加速度角振動、扭矩、轉(zhuǎn)動慣量等位移線位移長度、厚度、應變、震動、磨損、不平度等角位移旋轉(zhuǎn)角、偏轉(zhuǎn)角、角振動等力壓力重量、應力、力矩等時間頻率周期、計數(shù)、統(tǒng)計分布等溫度熱容量、氣體、渦流等光光通量與密度、光譜分布等由于這種分類方法是根據(jù)被測量進行傳感器命名的，因此能明確地指出傳感器的用途，便于使用者根據(jù)其用途選擇使用。第二節(jié)傳感器技術(shù)按敏感材料分類03根據(jù)制造傳感器的材料類別分類，可以將傳感器分為半導體傳感器、陶瓷傳感器、光導纖維傳感器、高分子材料傳感器、金屬傳感器等。半導體傳感器金屬傳感器陶瓷傳感器光導纖維傳感器高分子材料傳感器第二節(jié)傳感器技術(shù)按能量關(guān)系分類04有源傳感器一般是將非電量轉(zhuǎn)換為電能量，可以稱之為能量轉(zhuǎn)換型傳感器或換能器。通常它們配備有電壓測量和放大電路，常見的類型有壓電式傳感器、熱電式傳感器、壓阻式傳感器等。無源傳感器也被稱為能量控制型傳感器。它本身不是一個換能裝置，被測非電量僅對傳感器中的能量起控制或調(diào)解作用。因此，它們必須配有輔助電源，這類傳感器常見類型有電阻式傳感器、電容式傳感器和電感式傳感器等。無源傳感器還常配有電橋和諧振電路等進行測量調(diào)諧。能量控制型傳感器能量轉(zhuǎn)換型傳感器或換能器有源傳感器無源傳感器第二節(jié)傳感器技術(shù)其他分類05除上述幾種分類方法以外，還可以根據(jù)用途、功能、輸出型號類型等方法進行分類，這里就不一一描述了。用途功能輸出型號第二節(jié)傳感器技術(shù)傳感器的工作原理010203040506070809電阻式傳感器智能傳感器光敏傳感器激光傳感器壓阻式傳感器電容式傳感器電感式傳感器熱電式傳感器霍爾傳感器1011超聲波傳感器生物傳感器傳感器的主要工作原理是將物理量、化學量和生物量等非電量轉(zhuǎn)換為可使用的電信號量，不同類別的傳感器的工作原理各有不同。第二節(jié)傳感器技術(shù)傳感器的工作原理01電阻式傳感器電阻式傳感器是將被測量，如位移、形變、力、加速度、濕度、溫度等這些物理量轉(zhuǎn)換成電阻值的這樣一種傳感器，如圖所示。工作時，傳感器中的電阻應變片具有金屬的應變效應，即在外力作用下產(chǎn)生機械形變，從而使電阻值隨之發(fā)生相應的變化。電阻應變片主要有金屬和半導體兩類，金屬應變片有金屬絲式、箔式、薄膜式之分；半導體應變片具有靈敏度高（通常是絲式、箔式的幾十倍）、橫向效應小等優(yōu)點。

電阻式傳感器第二節(jié)傳感器技術(shù)傳感器的工作原理壓阻式傳感器是根據(jù)半導體材料的壓阻效應在半導體材料的基片上經(jīng)擴散電阻而制成的器件，如圖所示。其基片可直接作為測量傳感元件，擴散電阻在基片內(nèi)接成電橋形式。當基片受到外力作用而產(chǎn)生形變時，各電阻值將發(fā)生變化，電橋就會產(chǎn)生相應的不平衡輸出。用作壓阻式傳感器的基片（或稱膜片）材料主要為硅片和鍺片。以硅片為敏感材料而制成的硅壓阻式傳感器越來越受到人們的重視，尤其是以測量壓力和速度的固態(tài)壓阻式傳感器應用最為普遍。02壓阻式傳感器壓阻式傳感器第二節(jié)傳感器技術(shù)傳感器的工作原理電容式傳感器是把被測的機械量，如位移、壓力等轉(zhuǎn)換為電容量變化的傳感器，如圖3所示。電容式傳感器的敏感部分是具有可變參數(shù)的電容器。典型的電容式傳感器由上下電極、絕緣體和襯底構(gòu)成。當薄膜受壓力作用時，會發(fā)生一定的變形，因此上下電極之間的距離發(fā)生一定的變化，從而使電容發(fā)生變化。但電容式壓力傳感器的電容與上下電極之間的距離的關(guān)系是非線性關(guān)系，因此，要用具有補償功能的測量電路對輸出電容進行非線性補償。電容式傳感器03電容式傳感器第二節(jié)傳感器技術(shù)傳感器的工作原理電感式傳感器是利用電磁感應把被測的物理量，如位移、壓力、流量、振動等轉(zhuǎn)換成線圈的自感系數(shù)和互感系數(shù)的變化，再由電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化量輸出，實現(xiàn)非電量到電量的轉(zhuǎn)換，如圖所示電感式傳感器主要用于位移測量和可以轉(zhuǎn)換成位移變化的機械量（如張力、壓力、壓差、加速度、振動、應變、流量、厚度、液位、密度、轉(zhuǎn)矩等）的測量電感式傳感器04電感式傳感器第二節(jié)傳感器技術(shù)傳感器的工作原理熱電式傳感器是一種將溫度變化轉(zhuǎn)換為電量變化的裝置，如圖所示。它利用傳感元件的電磁參數(shù)隨溫度變化的特征來達到測量的目的。通常將被測溫度轉(zhuǎn)換為敏感元件的電阻、磁導或電勢等的變化，通過適當?shù)臏y量電路，就可由電壓、電流這些電參數(shù)的變化來表達所測溫度的變化。其中，將溫度變化轉(zhuǎn)換為電阻變化的稱為熱電阻傳感器；將溫度變化轉(zhuǎn)換為熱電勢變化的稱為熱電偶傳感器。05熱電式傳感器熱電式傳感器第二節(jié)傳感器技術(shù)傳感器的工作原理霍爾傳感器是根據(jù)霍爾效應制作的一種磁場傳感器，廣泛地應用于工業(yè)自動化技術(shù)、檢測技術(shù)及信息處理等方面，如圖3-12所示。霍爾效應是研究半導體材料性能的基本方法。通過霍爾效應實驗測定的霍爾系數(shù)，能夠判斷半導體材料的導電類型、載流子濃度及載流子遷移率等重要參數(shù)?；魻栯妷弘S磁場強度的變化而變化，磁場越強，電壓越高，磁場越弱，電壓越低。霍爾電壓值很小，通常只有幾毫伏，但經(jīng)集成電路中的放大器放大，就能使該電壓放大到足以輸出較強的信號。若使霍爾集成電路起傳感作用，需要用機械的方法來改變磁場強度。06霍爾傳感器霍爾傳感器第二節(jié)傳感器技術(shù)傳感器的工作原理激光傳感器是利用激光技術(shù)進行測量的傳感器，如圖所示。它由激光器、激光檢測器和測量電路組成。激光傳感器是新型測量儀表，它的優(yōu)點是能實現(xiàn)無接觸遠距離測量，速度快，精度高，量程大，抗光、電干擾能力強等。激光傳感器07激光傳感器第二節(jié)傳感器技術(shù)傳感器的工作原理07激光傳感器激光傳感器工作時，先由激光發(fā)射二極管對準目標發(fā)射激光脈沖。經(jīng)目標反射后激光向各方向散射。部分散射光返回到傳感器接收器，被光學系統(tǒng)接收后成像到雪崩光電二極管上。雪崩光電二極管是一種內(nèi)部具有放大功能的光學傳感器，因此它能檢測極其微弱的光信號，并將其轉(zhuǎn)化為相應的電信號。利用激光的高方向性、高單色性和高亮度等特點，可實現(xiàn)無接觸遠距離測量。激光傳感器常用于長度、距離、振動、速度、方位等物理量的測量，還可用于探傷和大氣污染物的監(jiān)測等。第二節(jié)傳感器技術(shù)傳感器的工作原理08光敏傳感器光敏傳感器是最常見的傳感器之一，它的種類繁多，其原理是利用光敏元件將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，如圖所示。它的敏感波長在可見光波長附近，包括紅外線波長和紫外線波長。光敏傳感器不只局限于對光的探測，它還可以作為探測元件組成其他傳感器，對許多非電量進行檢測，只要將這些非電量轉(zhuǎn)換為光信號的變化即可。光敏傳感器是目前產(chǎn)量最多、應用最廣的傳感器之一，它在自動控制和非電量電測技術(shù)中占有非常重要的地位。光敏傳感器第二節(jié)傳感器技術(shù)傳感器的工作原理智能傳感器的功能是通過模擬人的感官和大腦的協(xié)調(diào)動作，結(jié)合長期以來測試技術(shù)的研究和實際經(jīng)驗而提出來的，是一個相對獨立的智能單元。它的出現(xiàn)對原來的硬件性能苛刻要求有所減輕，而靠軟件幫助可以使傳感器的性能大幅度提高。09智能傳感器第二節(jié)傳感器技術(shù)傳感器的工作原理10生物傳感器生物傳感器是用生物活性材料（酶、蛋白質(zhì)、DNA、抗體、抗原、生物膜等）與物理化學換能器有機結(jié)合的一門交叉學科，是發(fā)展生物技術(shù)必不可少的一種先進的檢測方法與監(jiān)控方法，也是物質(zhì)分子水平的快速、微量分析方法。生物傳感器通過將待測物質(zhì)經(jīng)擴散作用進入生物活性材料，經(jīng)分子識別，發(fā)生生物學反應，產(chǎn)生的信息繼而被相應的物理或化學換能器轉(zhuǎn)變成可定量和可處理的電信號，再經(jīng)二次儀表放大并輸出，便可知道待測物濃度，如圖所示。生物傳感器第二節(jié)傳感器技術(shù)傳感器的工作原理超聲波傳感器采用超聲波回波測距原理，運用精確的時差測量技術(shù)，檢測傳感器與目標物之間的距離，如圖所示。11超聲波傳感器采用小角度、小盲區(qū)超聲波傳感器，具有測量準確、無接觸、防水、防腐蝕、低成本等優(yōu)點，可用于液位和物位檢測。特有的液位和料位檢測方式，可保證在液面有泡沫或大的晃動、不易檢測到回波的情況下有穩(wěn)定的輸出。第二節(jié)傳感器技術(shù)傳感器在物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)中的典型應用隨著我國物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的不斷拓展，傳感器的應用已經(jīng)日趨成熟，深入廣大民眾的工作、生活領(lǐng)域。據(jù)報道，美國研究人員開發(fā)出一種類似皮膚貼紙的柔性傳感器，可監(jiān)測心率和識別語音，如圖所示。該器件的潛在應用包括診斷病情、操縱機器人，以及在沒有手柄的情況下玩電腦游戲等。第二節(jié)傳感器技術(shù)傳感器在物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)中的典型應用新器件的主要研發(fā)者、伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校材料科學家劉宇浩（音譯）表示，與聽診器這種常見傳感器相比，最新研發(fā)的新器件所使用的低功率商用微型機電系統(tǒng)（MEMS）加速度計，被包裹在具有黏性的彈性硅膠中，穿戴性很強。研究人員說，這些加速度計的振動頻率被調(diào)諧到0.5Hz～550Hz范圍內(nèi)，這是人體重要器官發(fā)出的典型聲音?？缮炜s銅線則將這些加速度計與放大器、電阻和電容連接起來。第二節(jié)傳感器技術(shù)傳感器在物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)中的典型應用研究人員表示，將新器件放置在人的喉嚨部位時，其可作為人機接口將命令發(fā)送至計算機，從而完成控制機器人、玩視頻游戲等任務。例如，用戶只需說出“上、下、左、右”就可控制吃豆人游戲，語音識別率可達90%。新器件還包含可記錄身體信號的電極，這些電極可幫助傳感器監(jiān)測心臟起搏器的運行情況。研究人員稱，為了更加實用，擬將傳感器的數(shù)據(jù)傳輸升級為無線方式。未來還可將器件的振動頻率擴展到2000Hz范圍，使之能檢獲人類語音振動的全頻率并用作一個麥克風。第二節(jié)傳感器技術(shù)為獨居老人安裝智能傳感器可實現(xiàn)“即刻救援”無線傳感器網(wǎng)絡第三節(jié)無線傳感器網(wǎng)絡無線傳感器網(wǎng)絡（WirelessSensorNetworks，WSN）由大量部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的體積很微小的傳感器節(jié)點組成，節(jié)點通過無線通信方式形成一個多跳的自組織網(wǎng)絡。無線傳感器網(wǎng)絡是物聯(lián)網(wǎng)的基本組成部分，它可以將客觀物理世界與信息世界融合在一起，改變?nèi)伺c自然界的交互方式，極大地擴展現(xiàn)有網(wǎng)絡的功能和人類認識世界的能力。132無線傳感器網(wǎng)絡無線傳感器網(wǎng)絡的工程案例無線傳感器網(wǎng)絡的體系結(jié)構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡的特點第三節(jié)無線傳感器網(wǎng)絡第三節(jié)無線傳感器網(wǎng)絡大量傳感器節(jié)點隨機部署在檢測區(qū)域內(nèi)部或者附近，通過自組織的方式構(gòu)成網(wǎng)絡。傳感器節(jié)點檢測到的數(shù)據(jù)沿著其他節(jié)點逐跳地進行傳輸，在傳輸過程中檢測數(shù)據(jù)可能被多個節(jié)點處理，經(jīng)過多跳路由后到達匯聚節(jié)點，最后通過互聯(lián)網(wǎng)或衛(wèi)星到達管理節(jié)點。1無線傳感器網(wǎng)絡的體系結(jié)構(gòu)傳感器節(jié)點匯聚節(jié)點管理節(jié)點無線傳感器網(wǎng)絡通常包含：第三節(jié)無線傳感器網(wǎng)絡傳感器節(jié)點的組成結(jié)構(gòu)一般都包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳輸和電源，如圖3-19所示。根據(jù)不同的應用需求，可能包括定位單元、移動單元或特殊供電裝置等。此外，還必須有一些應用相關(guān)部分，例如某些傳感器節(jié)點有可能在深?；蛘吆５?，也有可能出現(xiàn)在化學污染或生物污染的地方，這就需要在傳感器節(jié)點的設(shè)計上采用一些特殊的防護措施。1無線傳感器網(wǎng)絡的體系結(jié)構(gòu)傳感器節(jié)點結(jié)構(gòu)圖第三節(jié)無線傳感器網(wǎng)絡傳感器節(jié)點通常散布于待監(jiān)測地域。網(wǎng)絡中的各個節(jié)點具有數(shù)據(jù)收集和將數(shù)據(jù)路由到接收器的功能，如圖所示。1無線傳感器網(wǎng)絡的體系結(jié)構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)圖第三節(jié)無線傳感器網(wǎng)絡1無線傳感器網(wǎng)絡的體系結(jié)構(gòu)傳感器網(wǎng)絡需要根據(jù)用戶對網(wǎng)絡的需求設(shè)計適應自身特點的網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)，為網(wǎng)絡協(xié)議和算法的標準化提供統(tǒng)一的技術(shù)規(guī)范，使其能夠滿足用戶的需求。傳感器網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)包括橫向的通信協(xié)議層和縱向的傳感器網(wǎng)絡管理面。通信協(xié)議層可以劃分為物理層、鏈路層、網(wǎng)絡層、傳輸層和應用層，而網(wǎng)絡管理面則可以劃分為能耗管理面、移動性管理面和任務管理面。2無線傳感器網(wǎng)絡的特點第三節(jié)無線傳感器網(wǎng)絡58761432應用相關(guān)規(guī)模大高冗余空間位置尋址分布式、自組織性健壯性可擴展性動態(tài)拓撲2無線傳感器網(wǎng)絡的特點第三節(jié)無線傳感器網(wǎng)絡無線傳感器網(wǎng)絡是由對等節(jié)點構(gòu)成的網(wǎng)絡，不存在中心控制。管理和組網(wǎng)都非常簡單靈活。不依賴固定的基礎(chǔ)設(shè)施，每個節(jié)點都具有路由功能，可以通過自我協(xié)調(diào)、自動布置而形成網(wǎng)絡，不需要其他輔助設(shè)施和人為手段。由于能量限制、環(huán)境干擾和人為破壞等因素的影響，傳感器節(jié)點會損壞，導致一些傳感器節(jié)點不能正常工作，但隨機分布的大量節(jié)點之間可以協(xié)調(diào)互補，保證部分傳感器節(jié)點的損壞不會影響到全局任務。0102分布式、自組織性

健壯性2無線傳感器網(wǎng)絡的特點第三節(jié)無線傳感器網(wǎng)絡當網(wǎng)絡中增加新的無線傳感器節(jié)點時，也不需要其他外界條件，原有的無線傳感器網(wǎng)絡可以有效地融納新增節(jié)點，使新增節(jié)點快速融入網(wǎng)絡，參與全局工作。無線傳感器網(wǎng)絡是一個動態(tài)的網(wǎng)絡，網(wǎng)絡內(nèi)的節(jié)點可能會因為能量耗盡或其他故障退出網(wǎng)絡；有些節(jié)點可能處于工作狀態(tài)，有些節(jié)點可能處于關(guān)閉狀態(tài)，沒有參與網(wǎng)絡通信；也有可能又會新增大量的節(jié)點融入網(wǎng)絡，這些都會使網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu)隨時發(fā)生變化。0304

可擴展性

動態(tài)拓撲2無線傳感器網(wǎng)絡的特點第三節(jié)無線傳感器網(wǎng)絡無線傳感器網(wǎng)絡用來感知客觀物理世界，獲取物理世界信息。不同的傳感器網(wǎng)絡應用關(guān)心不同的物理量，因此不同應用背景將導致不同的節(jié)點硬件平臺、軟件系統(tǒng)和網(wǎng)絡協(xié)議。無線傳感器網(wǎng)絡不能像Internet一樣具有統(tǒng)一的通信協(xié)議平臺，必須針對具體應用來研究傳感器網(wǎng)絡技術(shù)。這也是無線傳感器網(wǎng)絡區(qū)別于傳統(tǒng)網(wǎng)絡系統(tǒng)的顯著特征。為了提高網(wǎng)絡的可靠性，通常在目標區(qū)域內(nèi)部署大量傳感器節(jié)點，傳感器網(wǎng)絡可能包含多達數(shù)千甚至上萬個傳感器節(jié)點。傳感器網(wǎng)絡的大規(guī)模性還能夠通過不同空間視角獲得更大的信噪比，從而提高監(jiān)測準確性。0506

應用相關(guān)

規(guī)模大2無線傳感器網(wǎng)絡的特點第三節(jié)無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的大規(guī)模部署使得無線傳感器網(wǎng)絡通常具有較高的節(jié)點冗余、網(wǎng)絡鏈路冗余及采集的數(shù)據(jù)冗余，從而使得系統(tǒng)具有很強的容錯能力。無線傳感器網(wǎng)絡一般不需要支持任意兩個傳感器節(jié)點之間的點對點通信，傳感器節(jié)點不必具有全球唯一的標識，不必采用因特網(wǎng)的IP尋址。用戶往往不關(guān)心數(shù)據(jù)采集于哪一個節(jié)點，而關(guān)心數(shù)據(jù)所屬的空間位置，因此可采取空間位置尋址方式。傳感器網(wǎng)絡是一個以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡。0708

高冗余

空間位置尋址3無線傳感器網(wǎng)絡的工程案例第三節(jié)無線傳感器網(wǎng)絡無線傳感器網(wǎng)絡的應用現(xiàn)在已經(jīng)非常廣泛，其中一個主要應用就體現(xiàn)在智能電網(wǎng)系統(tǒng)中，智能電網(wǎng)系統(tǒng)涵蓋了發(fā)電、輸電、配電和用電的各個環(huán)節(jié)，對通信的實時性、可靠性及其功耗等提出了新的要求。3無線傳感器網(wǎng)絡的工程案例第三節(jié)無線傳感器網(wǎng)絡智能用電的通信建設(shè)中設(shè)計各個層次上的算法和網(wǎng)絡協(xié)議，包括從物理層、信道編碼、媒介訪問控制層到路由、傳輸、應用層的優(yōu)化和綜合考慮，以降低系統(tǒng)功耗，減少電磁輻射通過優(yōu)化智能用電中的量測設(shè)備，實現(xiàn)更好的量測可靠性、穩(wěn)定性及節(jié)能性。一方面另一方面將無線傳感器網(wǎng)絡技術(shù)應用于智能用電中3無線傳感器網(wǎng)絡的工程案例第三節(jié)無線傳感器網(wǎng)絡如圖所示，智能無線抄表系統(tǒng)隨著智能電網(wǎng)的不斷推進而被廣泛應用，其設(shè)計和生產(chǎn)使用受到了業(yè)界的廣泛關(guān)注。2009年11月，中國國家電網(wǎng)公司發(fā)布了智能電表新標準，并于2010年首次集中招標智能無線電表2000余萬只。在接下來的幾年內(nèi)，我國安裝了1.3億只智能電表，智能無線抄表總投資達到380億元。第三節(jié)無線傳感器網(wǎng)絡2016工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡產(chǎn)品發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢2010～2019年中國工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡產(chǎn)品市場規(guī)模與增長預測其他典型感知與識別技術(shù)第四節(jié)其他典型感知與識別技術(shù)010203條碼技術(shù)紅外感應技術(shù)定位技術(shù)第四節(jié)其他典型感知與識別技術(shù)01條碼技術(shù)條碼技術(shù)是在計算機應用發(fā)展過程中，為消除數(shù)據(jù)錄入的“瓶頸”問題而產(chǎn)生的，是出現(xiàn)比較早的自動識別技術(shù)。它具有速度快、精度高、成本低、可靠性強等優(yōu)點，已被廣泛應用于各行各業(yè)。第四節(jié)其他典型感知與識別技術(shù)條碼可以標示出物品的生產(chǎn)國、制造商、產(chǎn)品名稱、生產(chǎn)日期以及圖案分類等信息，是商品的“身份證”，是商品流通于國際市場的“通用語言”。第四節(jié)其他典型感知與識別技術(shù)01條碼技術(shù)條碼分為一維條碼和二維碼。一維條碼和二維碼都有許多碼制，條、空圖案對數(shù)據(jù)不同的編碼方法，構(gòu)成了不同形式的碼制。到目前為止，常見的一維條碼的碼制大概有20多種，其中廣泛使用的碼制包括EAN碼、Code39碼、交叉25碼、UPC碼、128碼、Code93碼、ISBN碼、CODABAR碼等。不同的碼制具有不同的特點，適用于特定的應用領(lǐng)域。一維條碼示例第四節(jié)其他典型感知與識別技術(shù)01條碼技術(shù)線性堆疊式二維碼郵政碼矩陣式二維碼通過不同長度的條進行編碼，主要用于郵件編碼，如Postnet，BPO4-State等。在一維條碼的基礎(chǔ)上，通過降低條碼行的高度，將多個一維條碼在縱向堆疊而成。典型的線性堆疊式二維碼有Code16K，Code49和PDF417等即采用統(tǒng)一的黑白方塊的組合，它比線性堆疊式二維碼具有更強的自動糾錯能力，更適合于條碼容易受到損壞的場合。典型的矩陣式二維碼有Aztec，MaxiCode，QRCode和DataMatrix等。第四節(jié)其他典型感知與識別技術(shù)01條碼技術(shù)國外對二維碼技術(shù)的研究始于20世紀80年代末，在二維碼符號表示技術(shù)研究方面已研制出多種碼制，常見的有PDF417，QRCode，Code49，Code16K，CodeOne等。這些二維碼的信息密度都比傳統(tǒng)的一維條碼有了較大提高，如PDF417的信息密度是一維條碼Code39的20多倍。在二維碼標準化研究方面，國際自動識別制造商協(xié)會（AIM）、美國標準化協(xié)會（ANSI）已完成了PDF417，QRCode，Code49，Code16K，CodeOne等碼制的符號標準。我國二維碼技術(shù)的研究開始于1993年。中國物品編碼中心對幾種常用二維碼的技術(shù)規(guī)范進行了翻譯和跟蹤研究。隨著我國市場經(jīng)濟的不斷完善和信息技術(shù)的迅速發(fā)展，國內(nèi)對二維碼這一新技術(shù)的需求與日俱增。中國物品編碼中心在原國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局和國家有關(guān)部門的大力支持下，對二維碼技術(shù)的研究不斷深入。在消化國外相關(guān)技術(shù)資料的基礎(chǔ)上，我國制定了兩個二維碼的國家標準：二維碼網(wǎng)格矩陣碼和二維碼緊密矩陣碼，從而大大促進了我國具有自主知識產(chǎn)權(quán)技術(shù)的二維碼的研發(fā)。手機二維碼是二維碼在我們生活中最常見的形態(tài)。二維碼技術(shù)標準在全球范圍的推廣和應用，為企業(yè)帶來了可觀的經(jīng)濟效益。手機與二維碼的結(jié)合，進一步拓展了二維碼的應用價值，促進了行業(yè)的融合。隨著市場、產(chǎn)業(yè)鏈、商業(yè)模式的不斷成熟，手機二維碼將為通信、媒體及其他傳統(tǒng)行業(yè)帶來更多機會，手機二維碼正在慢慢走進更多人的生活。第四節(jié)其他典型感知與識別技術(shù)第四節(jié)其他典型感知與識別技術(shù)01條碼技術(shù)

條碼技術(shù)的應用已經(jīng)非常成熟，尤其在企業(yè)的生產(chǎn)過程管理、銷售管理、物流管理等領(lǐng)域使用得更多。生產(chǎn)過程管理是一個企業(yè)的靈魂，企業(yè)產(chǎn)品的好壞主要取決于生產(chǎn)過程的管理和控制。生產(chǎn)過程是指企業(yè)內(nèi)零部件最終變成成品的過程。在沒有物聯(lián)網(wǎng)條碼技術(shù)應用的階段，每個產(chǎn)品在每條生產(chǎn)線，都必須手工記載生成這個產(chǎn)品所需的工序和零件，領(lǐng)料員按這個分配好物料后，開始生產(chǎn)。在每條生產(chǎn)線，每個產(chǎn)品都有記錄表單，每一個工序完成后，填上元件號與工人的工號，直至操作完成。在這個過程中，工作量是很大、很復雜的，而且不能即時反映產(chǎn)品在生產(chǎn)線上的流動狀況。第四節(jié)其他典型感知與識別技術(shù)02紅外感應技術(shù)紅外傳感器已經(jīng)在現(xiàn)代化的生產(chǎn)實踐中發(fā)揮著它的巨大作用，人們一方面通過提高與改善傳感器的技術(shù)性能；一方面通過尋找新原理、新材料、新工藝及新功能來改善傳感器性能，制造出更多的傳感器。紅外線是波長在750nm～1mm之間的電磁波，它的頻率高于微波而低于可見光，是一種人的眼睛看不到的光線。紅外通信一般采用紅外波段內(nèi)的近紅外線，波長在0.75μm～25μm之間。由于紅外線的波長較短，對障礙物的衍射能力差，適合于短距離、方向性強的無線通信場合。紅外線通信是一種廉價、近距離、無線、低功耗、保密性強的通信方案，主要應用于近距離的無線數(shù)據(jù)傳輸，也有用于近距離無線網(wǎng)絡接入的。第四節(jié)其他典型感知與識別技術(shù)02紅外感應技術(shù)輻射型搜索和跟蹤型02熱成像型03紅外測距和通信型04混合型0501紅外傳感系統(tǒng)是用紅外線為介質(zhì)的測量系統(tǒng)，按照功能可以分成5類。用于輻射和光譜測量用于搜索和跟蹤紅外目標，確定其空間位置并對其運動進行跟蹤可產(chǎn)生整個目標紅外輻射的分布圖像是指以上各類型中的兩個或者多個的組合第四節(jié)其他典型感知與識別技術(shù)03定位技術(shù)隨著數(shù)據(jù)業(yè)務和多媒體業(yè)務的快速增加，人們對定位與導航的需求日益增大，尤其在復雜的室內(nèi)環(huán)境，如機場大廳、展廳、倉庫、超市、圖書館、地下停車場、礦井等環(huán)境中，常常需要確定移動終端或其持有者、設(shè)施與物品在室內(nèi)的位置信息。專家學者提出了許多定位技術(shù)。Wi-Fi定位超寬帶定位紅外線定位超聲波定位GPS與A-GPS定位RFID定位藍牙定位基站定位（CellID定位）ZigBee定位第四節(jié)其他典型感知與識別技術(shù)03定位技術(shù)GPS與A-GPS定位GPS定位的原理：由24顆工作衛(wèi)星組成，使得在全球任何地方、任何時間都可觀測到4顆以上的衛(wèi)星，測量出已知位置的衛(wèi)星到用戶接收機之間的距離，然后綜合多顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)就可知道接收機的具體位置。通過GPS進行定位時，在使用地圖時經(jīng)常會先出現(xiàn)一個大的圈，之后才會精確到某一個點。如果在進行定位之前能夠事先知道我們的粗略位置，查找衛(wèi)星的速度就可以大大縮短。第四節(jié)其他典型感知與識別技術(shù)03定位技術(shù)GPS與A-GPS定位GPS使用的偽碼共兩種，分別是民用的C/A碼和軍用的P（Y）碼。民用精度約10m，軍用精度約1m。優(yōu)點在于無輻射，但是穿透力很弱，無法穿透鋼筋水泥。由于GPS的這種缺點，經(jīng)常需要輔助定位系統(tǒng)幫助完成定位即A-GPS。如iPhone使用了A-GPS，即基站或Wi-FiAP初步定位后，根據(jù)機器內(nèi)存儲的GPS衛(wèi)星表來快速尋星，然后進行GPS定位。例如在民用的車載導航設(shè)備領(lǐng)域，較成熟的是GPS+加速度傳感器補正算法定位。第四節(jié)其他典型感知與識別技術(shù)03定位技術(shù)小區(qū)識別碼（CellID）通過識別網(wǎng)絡中哪一個小區(qū)傳輸用戶呼叫并將該信息翻譯成緯度和經(jīng)度來確定用戶位置。CellID實現(xiàn)定位的基本原理為：無線網(wǎng)絡上報終端所處的小區(qū)號（根據(jù)服務的基站來估計），位置業(yè)務平臺把小區(qū)號翻譯成經(jīng)緯度坐標。基站定位（CellID定位）第四節(jié)其他典型感知與識別技術(shù)03定位技術(shù)基站定位（CellID定位）定位流程①設(shè)備先從基站獲得當前位置（CellID），即第一次定位；②設(shè)備通過網(wǎng)絡將位置傳送給A-GPS位置服務器；③A-GPS服務器根據(jù)位置查詢區(qū)域內(nèi)當前可用的衛(wèi)星信息，并返回設(shè)備；④設(shè)備中的GPS接收器根據(jù)可用衛(wèi)星，快速查找可用的GPS衛(wèi)星，并返回GPS定位信息。第四節(jié)其他典型感知與識別技術(shù)03定位技術(shù)無線局域網(wǎng)（WLAN）是一種全新的信息獲取平臺，可在廣泛的應用領(lǐng)域內(nèi)實現(xiàn)復雜的大范圍定位、監(jiān)測和追蹤任務，而網(wǎng)絡節(jié)點自身定位是大多數(shù)應用的基礎(chǔ)和前提。當前比較流行的Wi-Fi定位是無線局域網(wǎng)系列標準之IEEE802.11的一種定位解決方案。它采用經(jīng)驗測試和信號傳播模型相結(jié)合的方式，易于安裝，需要很少基站，能采用相同的底層無線網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)總精度高。Wi-Fi定位第四節(jié)其他典型感知與識別技術(shù)03定位技術(shù)一次成功的定位需要兩個先決條件：第一，客戶端能上網(wǎng)；第二，偵聽到的熱點的坐標在數(shù)據(jù)庫里有相關(guān)記錄。Wi-Fi定位第四節(jié)其他典型感知與識別技術(shù)03定位技術(shù)芬蘭的Ekahau公司開發(fā)了能夠利用Wi-Fi進行室內(nèi)定位的軟件。Wi-Fi繪圖的精確度大約在1～20m的范圍內(nèi)，它比蜂窩網(wǎng)絡三角測量定位方法更精確。但如果定位的測算僅僅依賴于哪個Wi-Fi的接入點最近，而不是依賴于合成的信號強度圖，那么在樓層定位上就很容易出錯。Wi-Fi收發(fā)器都只能覆蓋半徑90m以內(nèi)的區(qū)域，而且