物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)基礎(chǔ)（物聯(lián)網(wǎng)及相關(guān)專業(yè)）全套教學(xué)課件

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)基礎(chǔ)全套可編輯PPT課件共分為7章，內(nèi)容涵蓋物聯(lián)網(wǎng)概述、RFID（射頻識別）技術(shù)、傳感器與傳感網(wǎng)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)智能化技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)安全和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用第1章物聯(lián)網(wǎng)概述全套可編輯PPT課件目錄Content物聯(lián)網(wǎng)的起源與發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)的基本特征物聯(lián)網(wǎng)的體系架構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)的基本概念1234物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)化5物聯(lián)網(wǎng)（InternetofThings，簡稱IoT）被稱為繼計算機、互聯(lián)網(wǎng)之后世界信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的第三次浪潮，它是新一代信息技術(shù)的重要組成部分，也是“信息化”時代的重要發(fā)展階段?！啊?.1物聯(lián)網(wǎng)的基本概念物聯(lián)網(wǎng)作為新一代信息技術(shù)的典型代表，目前在全球范圍內(nèi)呈現(xiàn)出爆發(fā)式增長態(tài)勢，不同行業(yè)和不同類型的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用為我們開啟了萬物互聯(lián)時代。圖1-1為物聯(lián)網(wǎng)的主要應(yīng)用場景。環(huán)境監(jiān)測

食品安全

智慧城市智能家居

智能交通

智能農(nóng)業(yè)圖1-1物聯(lián)網(wǎng)的主要應(yīng)用場景1999年，美國麻省理工學(xué)院對物聯(lián)網(wǎng)定義。012009年9月，歐盟相關(guān)組織對物聯(lián)網(wǎng)定義。03中國國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T33745－2017《物聯(lián)網(wǎng)術(shù)語》對物聯(lián)網(wǎng)的定義。052005年，國際電信聯(lián)盟（ITU）對“物聯(lián)網(wǎng)”的含義進行了擴展。022010年，我國政府工作報告對物聯(lián)網(wǎng)定義。04國內(nèi)普遍引用的物聯(lián)網(wǎng)定義為：物聯(lián)網(wǎng)是通過信息傳感設(shè)備，按照約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，進行信息交換和通信，以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)的定義，可以從技術(shù)和應(yīng)用兩個方面對其進行理解。物聯(lián)網(wǎng)是物體的信息利用感應(yīng)裝置，經(jīng)過傳輸網(wǎng)絡(luò)，到達指定的信息處理中心，最終實現(xiàn)物與物、人與物的自動化信息交互與處理的智能網(wǎng)絡(luò)。（1）技術(shù)理解。物聯(lián)網(wǎng)是把世界上所有的物體都連接到一個網(wǎng)絡(luò)中，形成“物聯(lián)網(wǎng)”，然后又與現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)相連，實現(xiàn)人類社會與物體系統(tǒng)的整合，達到更加精細和動態(tài)的方式去管理生產(chǎn)和生活。（2）應(yīng)用理解。簡而言之，物聯(lián)網(wǎng)就是“物物相連的互聯(lián)網(wǎng)”。在這個網(wǎng)絡(luò)中，物體之間能夠彼此進行“交流”，而無需人工干預(yù)。1.2物聯(lián)網(wǎng)的起源與發(fā)展20世紀(jì)90年代有關(guān)物聯(lián)網(wǎng)的研究開始萌芽。1物聯(lián)網(wǎng)的理念最早出現(xiàn)于比爾?蓋茨1995年出版的《未來之路》一書。21999年，美國麻省理工學(xué)院（MIT）Auto-ID中心首次提出InternetofThings的概念。32005年11月17日，國際電信聯(lián)盟（ITU）發(fā)布了《ITU互聯(lián)網(wǎng)報告2005：物聯(lián)網(wǎng)》。42008年5月，歐洲智能系統(tǒng)集成技術(shù)平臺（EPoSS）分析預(yù)測了未來物聯(lián)網(wǎng)的4個發(fā)展階段（13頁所述）：52009年1月28日，IBM公司代表提出了“智慧地球”的研究計劃。612010年之前，單體互聯(lián)，RFID廣泛應(yīng)用于物流、零售和制藥領(lǐng)域；22010～2015年，物體互聯(lián)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用；32015～2020年，物體進入半智能化階段，物體和物體之間實現(xiàn)初步互聯(lián)，物體信息可以通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到手機或互聯(lián)網(wǎng)等終端設(shè)備上，實現(xiàn)信息共享；42020年之后，物體進入全智能化階段，最終形成全球統(tǒng)一的“物聯(lián)網(wǎng)”。2009年8月7日，溫家寶總理提出“感知中國”的戰(zhàn)略構(gòu)想。2010年，物聯(lián)網(wǎng)首次被寫入我國政府工作報告。2011年11月28日，工業(yè)和信息化部發(fā)布了《物聯(lián)網(wǎng)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》。我國政府也高度重視物聯(lián)網(wǎng)的研究和發(fā)展。2013年2月5日，國務(wù)院出臺《關(guān)于推進物聯(lián)網(wǎng)有序健康發(fā)展的指導(dǎo)意見》。2013年9月5日，國家發(fā)改委等部門聯(lián)合印發(fā)《物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展專項行動計劃》。2015年5月19日，國務(wù)院發(fā)布《中國制造2025》。1.3物聯(lián)網(wǎng)的基本特征和傳統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)相比，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)具備3個基本特征：即利用傳感器（網(wǎng)絡(luò)）、RFID技術(shù)等隨時隨地獲取對象信息；一是全面感知即通過各種電信網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)的融合，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)和信息實時準(zhǔn)確地傳輸；二是可靠傳輸即利用云計算、模糊識別等各種智能計算技術(shù)，對海量的數(shù)據(jù)和信息進行分析和處理，對物體實施智能化的控制。三是智能處理全面感知是指利用射頻識別（RFID）、傳感器、定位器和二維碼等手段隨時隨地對物體進行信息采集和獲取。1．全面感知在物聯(lián)網(wǎng)中，傳感器發(fā)揮著類似人類社會中“語言”的作用，借助這種特殊的“語言”，人和物體、物體和物體之間可以相互感知對方的存在、特點和變化，從而進行“對話”與“交流”。1物聯(lián)網(wǎng)離不開傳感設(shè)備。射頻識別（RFID）、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備是物聯(lián)網(wǎng)不可或缺的關(guān)鍵元器件。物聯(lián)網(wǎng)之所以又稱為傳感器網(wǎng)絡(luò)，就是因為傳感設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中起到了關(guān)鍵作用?？煽總鬏斒侵竿ㄟ^各種電信網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)的融合，對接收到的感知信息進行實時遠程傳送，實現(xiàn)信息的交互和共享，并進行各種有效的處理。在這一過程中，通常需要用到現(xiàn)有的電信網(wǎng)絡(luò)，包括無線和有線網(wǎng)絡(luò)。2．可靠傳輸智能處理是指利用云計算、數(shù)據(jù)挖掘、模糊識別等各種智能計算技術(shù)，對隨時接收到的跨地域、跨行業(yè)、跨部門的海量數(shù)據(jù)和信息進行分析處理，提升對物理世界、經(jīng)濟社會各種活動和變化的洞察力，實現(xiàn)智能化的決策和控制。3．智能處理1.4物聯(lián)網(wǎng)的體系架構(gòu)從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的角度看，人們普遍認(rèn)同的物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)是由感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層組成的三層體系，如圖1-2所示。圖1-2物聯(lián)網(wǎng)三層體系架構(gòu)123感知層以二維碼、RFID、傳感器為主，是物聯(lián)網(wǎng)的識別系統(tǒng)。感知層網(wǎng)絡(luò)層是互聯(lián)網(wǎng)、廣電網(wǎng)絡(luò)、通信網(wǎng)絡(luò)的融合，是物聯(lián)網(wǎng)的傳輸系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)層應(yīng)用層涉及云計算、數(shù)據(jù)挖掘、中間件等技術(shù)，是物聯(lián)網(wǎng)的智能處理系統(tǒng)。應(yīng)用層1感知層主要用于采集物理世界中發(fā)生的物理事件和數(shù)據(jù)，包括各類物理量、標(biāo)識、音頻、視頻數(shù)據(jù)。物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集涉及傳感器、RFID、藍牙、ZigBee、多媒體信息采集、二維碼和實時定位等技術(shù)。傳感器網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)和協(xié)同信息處理技術(shù)，實現(xiàn)傳感器、RFID等數(shù)據(jù)采集技術(shù)所獲取數(shù)據(jù)的短距離傳輸、自組織組網(wǎng)及多個傳感器對數(shù)據(jù)的協(xié)同信息處理過程。較之于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)層，物聯(lián)網(wǎng)的感知層網(wǎng)絡(luò)范圍更廣，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)僅僅包括人與人之間的通信，而物聯(lián)網(wǎng)的范圍不僅包括人與人，還包括人與物、物與物。感知層處于三層架構(gòu)的最底層，是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展和應(yīng)用的基礎(chǔ)，具有物聯(lián)網(wǎng)全面感知的核心能力。作為物聯(lián)網(wǎng)的最基本一層，感知層具有十分重要的作用，它由數(shù)據(jù)采集子層、短距離通信技術(shù)和協(xié)同信息處理子層組成。感知層的主要技術(shù)包括以下幾種。傳感器是攝取信息的關(guān)鍵器件傳感器是一種檢測和信息采集裝置，能感受到被測的信息，并將信息轉(zhuǎn)換成電腦系統(tǒng)能識別的信息形式。常見的傳感器有壓力傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器、光傳感器、磁性傳感器等。1．傳感器技術(shù)RFID是射頻識別（RadioFrequencyIdentification）的英文縮寫，。RFID既可以看做是一種設(shè)備標(biāo)識技術(shù)，也可以歸類為短距離傳輸技術(shù)。它是物聯(lián)網(wǎng)中能夠讓物品“開口說話”的一種技術(shù)。2．RFID技術(shù)每個RFID芯片中都有一個全球唯一的編碼：在為物品貼上RFID標(biāo)簽后，需要在系統(tǒng)服務(wù)器中建立該物品的相關(guān)描述信息，與RFID編碼相對應(yīng)。用戶可以使用讀寫器（或稱閱讀器）向標(biāo)簽發(fā)出電磁信號，與標(biāo)簽進行通信對話，而標(biāo)簽中的RFID編碼被傳輸回讀寫器，讀寫器再與系統(tǒng)服務(wù)器進行對話，根據(jù)編碼查詢該物品信息。有源標(biāo)簽工作時與讀寫器的距離可以達到10m以上，成本較高而無源標(biāo)簽工作時與讀寫器的距離在1m左右而RFID標(biāo)簽又分為有源和無源兩種：“”藍牙（Bluetooth）是一種無線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，可實現(xiàn)固定設(shè)備、移動設(shè)備和樓宇個人域網(wǎng)之間的短距離數(shù)據(jù)交換。它采用高速跳頻和時分多址等先進技術(shù)，支持點對點及點對多點通信。3．藍牙技術(shù)其傳輸頻段為全球公共通用的2.4GHz頻段，能提供1Mbit/s的傳輸速率和10m的傳輸距離。它除了具有全球通用、功耗低、成本低、抗干擾能力強等特點外，還有可同時傳輸話音和數(shù)據(jù)、可建立臨時性的對等連接、開放的接口標(biāo)準(zhǔn)等特點。ZigBee是介于無線標(biāo)記技術(shù)和藍牙之間的一種無線傳輸技術(shù)，具有短距離、低功耗的顯著特點。ZigBee采用分組交換和跳頻技術(shù)，可使用3個頻段，分別是2.4GHz的公共通用頻段、歐洲的868MHz頻段和美國的915MHz頻段。4．ZigBee技術(shù)1它主要應(yīng)用在短距離且數(shù)據(jù)傳輸速率不高的各種電子設(shè)備之間。與藍牙相比，ZigBee更簡單、速率更慢、功率及費用也更低，因此它只適合承載低速率、通信范圍較小、數(shù)據(jù)量較小的業(yè)務(wù)。二維碼又稱二維條碼，它是用某種特定的幾何圖形即按一定規(guī)律在平面（二維方向上）分布的黑白相間的圖形來記錄數(shù)據(jù)符號信息的。5．二維碼技術(shù)二維碼在代碼編制上巧妙地利用構(gòu)成計算機內(nèi)部邏輯基礎(chǔ)的“0”和“1”比特流的概念，使用若干與二進制相對應(yīng)的幾何形體來表示文字?jǐn)?shù)值信息，通過圖像輸入設(shè)備或光電掃描設(shè)備自動識讀以實現(xiàn)信息自動處理。二維碼有多種編碼方式，常用的二維碼有PDF417，QRCode，DataMatrix，MaxiCode，Code49，Code16K，CodeOne等。二維碼是物聯(lián)網(wǎng)中“物”的身份證，其優(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，即使某個部分遭到一定程度的損壞，也可通過存在于其他位置的糾錯碼將損失的信息還原出來。物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展是建立在其他網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的基礎(chǔ)上的，特別是三網(wǎng)融合中的三網(wǎng)（電信網(wǎng)、廣播電視網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)），還包括通信網(wǎng)、衛(wèi)星網(wǎng)、行業(yè)專網(wǎng)等。網(wǎng)絡(luò)層將來自感知層的各類信息通過基礎(chǔ)承載網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)綉?yīng)用層，網(wǎng)絡(luò)層中的感知數(shù)據(jù)管理與處理技術(shù)是實現(xiàn)以數(shù)據(jù)為中心的物聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)。感知數(shù)據(jù)管理與處理技術(shù)包括物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的存儲、查詢、分析、挖掘、理解及基于感知數(shù)據(jù)決策和行為的技術(shù)。網(wǎng)絡(luò)層位于整個物聯(lián)網(wǎng)體系的中間位置，其主要技術(shù)包括Internet技術(shù)、移動通信網(wǎng)技術(shù)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等。Internet技術(shù)就是我們常見的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，是把分布于世界各地不同結(jié)構(gòu)的計算機網(wǎng)絡(luò)用各種傳輸介質(zhì)互相連接起來形成一個網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)。移動通信是指通信雙方至少有一方在運動狀態(tài)中進行信息交換，它包括移動用戶之間的通信、固定用戶與移動用戶的通信。節(jié)點軟件網(wǎng)關(guān)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要由三部分組成?？臻g分布的測量節(jié)點通過與傳感器連接對周圍環(huán)境進行監(jiān)控。監(jiān)測到的數(shù)據(jù)無線發(fā)送至網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)與有線系統(tǒng)相連接，使用軟件對數(shù)據(jù)進行采集、加工、分析和顯示。路由器是一種特別的測量節(jié)點，可以用它在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中延長距離和增加可靠性。應(yīng)用層的主要功能是對感知和傳輸來的信息進行分析和處理，做出正確的控制和決策，實現(xiàn)智能化的管理、應(yīng)用和服務(wù)。這一層解決的是信息處理和人機交互的問題，網(wǎng)絡(luò)層傳輸而來的數(shù)據(jù)在這一層進入各行各業(yè)、各種類型的信息處理系統(tǒng)，并通過各種設(shè)備與人進行交互。應(yīng)用層位于整個體系的最上層，是物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)中的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)。應(yīng)用層主要包括服務(wù)支撐層和應(yīng)用子集層?！啊狈?wù)支撐層的主要功能是根據(jù)底層采集的數(shù)據(jù)，形成與業(yè)務(wù)需求相適應(yīng)、實時更新的動態(tài)數(shù)據(jù)資源庫；應(yīng)用子集層的主要功能是把感知和傳輸來的信息進行分析和處理，做出正確的控制和決策，實現(xiàn)智能化的管理、應(yīng)用和服務(wù)。物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用可分為監(jiān)控型（如環(huán)境監(jiān)控、物流監(jiān)控）、查詢型（如智能檢索、遠程抄表）、控制型（如智能交通、智能家居、路燈控制）、掃描型（如手機錢包、高速公路不停車收費）等。圖1-5為一個農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的物聯(lián)網(wǎng)連接示意圖。通過這張圖，可以對物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)體系框架有一個深入的認(rèn)識。圖1-5溫室大棚的物聯(lián)網(wǎng)連接示意圖1.5物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)化1物聯(lián)網(wǎng)涉及的標(biāo)準(zhǔn)化組織十分復(fù)雜，依據(jù)物聯(lián)網(wǎng)的參考體系結(jié)構(gòu)和技術(shù)框架，不同標(biāo)準(zhǔn)化組織側(cè)重的技術(shù)領(lǐng)域也不相同，有些標(biāo)準(zhǔn)化組織的工作覆蓋多個層次，不同標(biāo)準(zhǔn)化組織之間錯綜交互。目前，很多標(biāo)準(zhǔn)化組織均開展了與物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)化工作，但尚未形成一套較為完備的物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，在市場上仍有多項標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)在爭奪主導(dǎo)地位，這種現(xiàn)象嚴(yán)重制約了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的廣泛應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，亟需建立統(tǒng)一的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系。我國物聯(lián)網(wǎng)國家標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)初具體系。至今，我國已有47項物聯(lián)網(wǎng)國家標(biāo)準(zhǔn)正式立項，79項物聯(lián)網(wǎng)國家標(biāo)準(zhǔn)立項完成立項公示，涵蓋了農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、交通物聯(lián)網(wǎng)、公共安全物聯(lián)網(wǎng)、林業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、家用電器等多個應(yīng)用領(lǐng)域。2014年9月，由我國主導(dǎo)提出的物聯(lián)網(wǎng)參考體系結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)，已經(jīng)順利通過了ISO/IEC的國際標(biāo)準(zhǔn)立項，這是我國在國際標(biāo)準(zhǔn)化領(lǐng)域的又一個突破性進展，同時也標(biāo)志著我國開始主導(dǎo)物聯(lián)網(wǎng)國際標(biāo)準(zhǔn)化工作。截至2016年底，國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T31866－2015《物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)識體系物品編碼Ecode》、GB/T33474－2016《物聯(lián)網(wǎng)參考體系結(jié)構(gòu)》等已經(jīng)正式發(fā)布。謝謝觀看物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)基礎(chǔ)第2章RFID（射頻識別）技術(shù)目錄ContentRFID系統(tǒng)組成RFID系統(tǒng)原理RFID的典型應(yīng)用RFID基礎(chǔ)知識1234從目前的發(fā)展階段來看，物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的瓶頸就在于感知層。RFID（射頻識別）技術(shù)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(biāo)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(biāo)簽，操作快捷方便?！啊?.1RFID基礎(chǔ)知識在物聯(lián)網(wǎng)中，RFID標(biāo)簽里存儲著規(guī)范而具有互用性的信息，可通過有線或無線的方式把它們自動采集到中央信息系統(tǒng)，實現(xiàn)物品（商品）的識別，進而通過開放式的計算機網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)信息交換和共享，實現(xiàn)對物品的“透明”管理。RFID即射頻識別（RadioFrequencyIdentification），又稱無線射頻識別，是一種非接觸式的自動識別技術(shù)，它利用射頻信號通過空間電磁耦合實現(xiàn)無接觸信息傳遞并通過所傳遞的信息實現(xiàn)物體識別。讀寫器電子標(biāo)簽計算機系統(tǒng)圖2-1RFID系統(tǒng)組成示意圖電子標(biāo)簽讀寫器天線RFID系統(tǒng)電子標(biāo)簽芯片具有數(shù)據(jù)存儲區(qū)，用于存儲待識別物品的標(biāo)識信息；讀寫器是將約定格式的待識別物品的標(biāo)識信息寫入電子標(biāo)簽的存儲區(qū)中（寫入功能），或在讀寫器的閱讀范圍內(nèi)以無接觸的方式將電子標(biāo)簽內(nèi)保存的信息讀取出來（讀出功能）；天線用于發(fā)射和接收射頻信號，往往內(nèi)置在電子標(biāo)簽和讀寫器中。天線芯片圖2-2電子標(biāo)簽電子標(biāo)簽由芯片及天線組成，封閉于小型的介質(zhì)中，如圖2-2所示。它附著在物體上標(biāo)識目標(biāo)對象。每個電子標(biāo)簽都具有唯一的電子編碼，存儲著被識別物體的相關(guān)信息。（1）電子標(biāo)簽圖2-3各種外觀的讀寫器讀寫器又稱閱讀器、讀頭或讀出設(shè)備等，是利用射頻技術(shù)讀寫電子標(biāo)簽信息的設(shè)備，如圖2-3所示。（2）讀寫器數(shù)據(jù)交換與管理由計算機網(wǎng)絡(luò)完成，讀寫器可以通過標(biāo)準(zhǔn)接口與計算機網(wǎng)絡(luò)連接，計算機網(wǎng)絡(luò)完成數(shù)據(jù)處理、傳輸和通信的功能。（3）計算機系統(tǒng)RFID還具有如下一些特點。（1）數(shù)據(jù)的讀寫功能。（2）電子標(biāo)簽的小型化和多樣化。（3）耐環(huán)境性。（4）可重復(fù)使用。（5）穿透性。（6）數(shù)據(jù)的記憶容量大。（7）系統(tǒng)安全性。1．根據(jù)標(biāo)簽的供電形式分類按照獲取電能的方式不同，電子標(biāo)簽可分為:有源電子標(biāo)簽半有源電子標(biāo)簽無源電子標(biāo)簽123有源電子標(biāo)簽又稱主動標(biāo)簽，通過標(biāo)簽自帶的內(nèi)部電池進行供電，其電能充足，工作可靠，信號傳送距離遠。有源電子標(biāo)簽無源電子標(biāo)簽又稱被動標(biāo)簽，內(nèi)部不帶電池，需靠外界提供能量才能正常工作。無源電子標(biāo)簽半有源電子標(biāo)簽又稱半被動標(biāo)簽，可以使用微型紐扣電池給芯片供電，而天線接收、發(fā)射仍然通過讀寫器發(fā)射的電磁波獲取能量，因此本身耗電很少。半有源電子標(biāo)簽2．根據(jù)標(biāo)簽的工作頻率分類電子標(biāo)簽的工作頻率決定著射頻識別系統(tǒng)的工作原理（電感耦合還是電磁反向散射耦合）、識別距離、電子標(biāo)簽及讀寫器實現(xiàn)的難易程度和設(shè)備的成本。電子標(biāo)簽依據(jù)頻率的不同可分為:低頻電子標(biāo)簽超高頻電子標(biāo)簽中高頻電子標(biāo)簽微波電子標(biāo)簽RFID系統(tǒng)主要頻段標(biāo)準(zhǔn)與特性如表2-1所示。表2-1RFID系統(tǒng)主要頻段標(biāo)準(zhǔn)與特性低頻中高頻超高頻微波工作頻率125～134kHz13.56MHz868～915MHz2.45～5.8GHz讀取距離1.2m1.2m4m（美國）15m（美國）速度慢中等快很快潮濕環(huán)境無影響無影響影響較大影響較大方向性無無部分有全球適用頻率是是部分部分現(xiàn)有ISO標(biāo)準(zhǔn)ISO11784/11785；ISO/IEC14223ISO/IEC14443；ISO/IEC18000-3；ISO/IEC15693ISO/IEC18000-6ISO/IEC18000-4；ISO/IEC18000-5低頻電子標(biāo)簽的工作頻率范圍為30kHz～300kHz。低頻標(biāo)簽一般為無源電子標(biāo)簽，其工作能量通過電感耦合方式從讀寫器耦合線圈的輻射近場中獲得。低頻標(biāo)簽與讀寫器之間傳送數(shù)據(jù)時，低頻電子標(biāo)簽需位于讀寫器天線輻射的近場區(qū)內(nèi)。1）低頻電子標(biāo)簽中高頻電子標(biāo)簽的工作頻率一般為3MHz～30MHz，典型工作頻率為13.56MHz。從射頻識別應(yīng)用角度來說，因其工作原理與低頻標(biāo)簽完全相同，所以宜將其歸為低頻標(biāo)簽類中。另一方面，根據(jù)無線電頻率的一般劃分，其工作頻段又稱為高頻，所以也常將其稱為高頻標(biāo)簽。2）中高頻電子標(biāo)簽超高頻和微波電子標(biāo)簽的工作頻率都大于300MHz，且特點類似，故常將兩者合稱為微波電子標(biāo)簽。微波電子標(biāo)簽可分為有源電子標(biāo)簽與無源電子標(biāo)簽兩類。3）超高頻和微波電子標(biāo)簽3．根據(jù)標(biāo)簽的可讀性分類根據(jù)使用的存儲器類型，可以將電子標(biāo)簽分為:只讀（RO）標(biāo)簽可讀可寫（RW）標(biāo)簽一次寫入多次讀出（WORM）標(biāo)簽只讀標(biāo)簽內(nèi)部有只讀存儲器（ROM）。ROM中存儲有電子標(biāo)簽的標(biāo)識信息。（1）只讀標(biāo)簽。可讀可寫標(biāo)簽內(nèi)部的存儲器，除了ROM、緩沖存儲器之外，還有非活動可編程記憶存儲器。（2）可讀可寫標(biāo)簽。一次寫入多次讀出（WORM）的電子標(biāo)簽既有接觸式改寫的電子標(biāo)簽存在，也有無接觸式改寫的電子標(biāo)簽存在。（3）一次寫入多次讀出標(biāo)簽。4．根據(jù)標(biāo)簽的工作方式分類根據(jù)標(biāo)簽的工作方式，可將RFID分為被動式、主動式和半主動式。一般來講，無源系統(tǒng)為被動式，有源系統(tǒng)為主動式。主動式RFID系統(tǒng)為有源系統(tǒng)，即主動式電子標(biāo)簽用自身的射頻能量主動地發(fā)送數(shù)據(jù)給讀寫器，在有障礙物的情況下，只需穿透障礙物一次。（1）主動式電子標(biāo)簽。被動式電子標(biāo)簽必須利用讀寫器的載波來調(diào)制自身的信號，標(biāo)簽產(chǎn)生電能的裝置是天線和線圈。（2）被動式電子標(biāo)簽。在半主動式RFID系統(tǒng)里，電子標(biāo)簽本身帶有電池，但是電子標(biāo)簽并不通過自身能量主動發(fā)送數(shù)據(jù)給讀寫器，電池只負(fù)責(zé)對電子標(biāo)簽內(nèi)部電路供電。（3）半主動式電子標(biāo)簽。綜上可知，RFID標(biāo)簽的種類及特點如表2-2所示。表2-2RFID標(biāo)簽的種類及特點分類方式種類說明供電方式無源卡卡內(nèi)無電池，利用波束供電技術(shù)將收到的射頻能量轉(zhuǎn)化為直流電源為卡內(nèi)電路供電，作用距離短，壽命長，對工作環(huán)境要求不高有源卡卡內(nèi)有電池提供電源，作用距離較遠，但壽命有限，體積較大，成本高，且不適合在惡劣環(huán)境下工作載波頻率和作用距離的區(qū)別低頻射頻卡主要有125kHz和134.2kHz兩種，常用于短距離、低成本的應(yīng)用中，如門禁、貨物跟蹤等高頻射頻卡13.56MHz，用于門禁控制和需傳送大量數(shù)據(jù)的應(yīng)用系統(tǒng)超高頻射頻卡主要為433MHz，915MHz，2.45GHz，5.8GHz等，應(yīng)用于需要較長讀寫距離和高讀寫速度的場合，如火車監(jiān)控、高速公路收費，以及供應(yīng)鏈管理調(diào)制方式主動式主動式射頻卡用自身的射頻能量主動地發(fā)送數(shù)據(jù)給讀寫器被動式被動式射頻卡使用調(diào)制散射方式發(fā)送數(shù)據(jù)，它必須利用讀寫器的載波來調(diào)制自己的信號在20世紀(jì)60年代出現(xiàn)了一系列的RFID技術(shù)論文及專利文獻。

20世紀(jì)80年代是充分使用RFID技術(shù)的十年。

1948年，拉開了RFID技術(shù)的研究序幕。

20世紀(jì)70年代，RFID技術(shù)成為人們研究的熱門課題。

RFID技術(shù)起源于第二次世界大戰(zhàn)時期。

本世紀(jì)初，RFID已經(jīng)開始在中國進行試探性的應(yīng)用。

21世紀(jì)初，RFID迎來了一個嶄新的發(fā)展時期。

20世紀(jì)90年代是RFID發(fā)展史上最為重要的十年。

目前，我國的RFID產(chǎn)業(yè)鏈已經(jīng)逐步形成，產(chǎn)業(yè)鏈中包括如下7個主要環(huán)節(jié)：1234567RFID標(biāo)準(zhǔn)制定；RFID芯片制造和設(shè)計；封裝技術(shù)；天線設(shè)計和制造；標(biāo)簽材料的后續(xù)加工；系統(tǒng)和數(shù)據(jù)管理軟件平臺的構(gòu)建；RFID應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)。2.2RFID系統(tǒng)組成典型的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(biāo)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(yīng)用軟件和計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，才能實現(xiàn)完整的自動識別系統(tǒng)功能。RFID的工作過程是：當(dāng)標(biāo)簽進入磁場后，通過天線接收讀寫器發(fā)出的射頻信號，憑借感應(yīng)電流的能量將儲存在芯片中的產(chǎn)品信息發(fā)送出去，或是以自身能量源主動發(fā)送某頻率的信號；讀寫器接收標(biāo)簽信息并譯碼后，送至中央信息系統(tǒng)進行相關(guān)處理。從RFID的工作過程可以看出，最簡單的RFID系統(tǒng)是由電子標(biāo)簽、讀寫器和天線三部分組成，完整RFID系統(tǒng)還應(yīng)包括主機。從RFID系統(tǒng)的工作原理來看，系統(tǒng)一般都是由信號發(fā)射機信號接收機發(fā)射接收天線等幾部分組成。RFID系統(tǒng)的組成如圖2-8所示，下面分別加以說明。圖2-8RFID系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖1．信號發(fā)射機信號發(fā)射機典型的形式是電子標(biāo)簽，也即射頻卡。標(biāo)簽相當(dāng)于條碼技術(shù)中的條碼符號，用來存儲需要識別傳輸?shù)男畔ⅰ?．信號接收機在RFID系統(tǒng)中，信號接收機一般叫做讀寫器或閱讀器。讀寫器的基本功能就是提供與標(biāo)簽進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐緩健Ａ硗?，讀寫器還提供相當(dāng)復(fù)雜的信號狀態(tài)控制、奇偶錯誤校驗與更正功能等。3．編程器只有可讀可寫標(biāo)簽系統(tǒng)才需要編程器。編程器是向標(biāo)簽寫入數(shù)據(jù)的裝置。編程器寫入數(shù)據(jù)一般來說是離線完成的，也就是預(yù)先在標(biāo)簽中寫入數(shù)據(jù)，等到開始應(yīng)用時直接把標(biāo)簽黏附在被標(biāo)識項目上。4．天線天線是標(biāo)簽與讀寫器之間傳輸數(shù)據(jù)的發(fā)射、接收裝置。RFID主要有線圈型、微帶貼片型、偶極子型三種基本形式的天線。若從功能實現(xiàn)考慮，可將RFID系統(tǒng)分成邊沿系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分，如圖2-9所示。邊沿系統(tǒng)主要是完成信息感知，屬于硬件組件部分；軟件系統(tǒng)完成信息的處理和應(yīng)用；通信設(shè)施負(fù)責(zé)整個RFID系統(tǒng)的信息傳遞。圖2-9RFID系統(tǒng)（從功能實現(xiàn)角度看）RFID系統(tǒng)中的軟件組件主要完成數(shù)據(jù)信息的存儲、管理及對RFID標(biāo)簽的讀寫控制，是獨立于RFID硬件之上的部分。RFID系統(tǒng)是為應(yīng)用服務(wù)的，讀寫器與應(yīng)用系統(tǒng)之間的接口通常由軟件組件來完成。一般RFID軟件組件包含有以下幾部分（見圖2-9）。應(yīng)用軟件邊沿接口系統(tǒng)中間件企業(yè)應(yīng)用接口RFID軟件組件下面分別進行介紹。邊沿接口系統(tǒng)主要完成RFID系統(tǒng)硬件與軟件之間的連接，通過使用控制器實現(xiàn)同RFID硬軟件之間的通信。1．邊沿接口系統(tǒng)邊沿接口系統(tǒng)的主要任務(wù)是從讀寫器中讀取數(shù)據(jù)和控制讀寫器的行為，激勵外部傳感器、執(zhí)行器工作。此外，邊沿接口系統(tǒng)還具有以下功能：①從不同讀寫器中過濾重復(fù)數(shù)據(jù)；③提供智能功能，選擇發(fā)送到軟件系統(tǒng)；②設(shè)置基于事件方式觸發(fā)的外部執(zhí)行機構(gòu)；④遠程管理功能。RFID中間件是介于讀寫器和后端軟件之間的一組獨立軟件，它能夠與多個RFID讀寫器和多個后端軟件應(yīng)用系統(tǒng)連接。2．RFID中間件使用RFID中間件有3個主要目的：隔離應(yīng)用層和設(shè)備接口；1處理讀寫器和傳感器捕獲的原始數(shù)據(jù)，使應(yīng)用層看到的都是有意義的高層事件，大大減少所需處理的信息；2提供應(yīng)用層接口用于管理讀寫器和查詢RFID觀測數(shù)據(jù)，目前大多數(shù)可用的RFID中間件都有這些特性。3企業(yè)應(yīng)用接口是RFID前端操作軟件，主要是提供給RFID設(shè)備操作人員使用的。前端軟件最重要的功能是保障電子標(biāo)簽和讀寫器之間的正常通信。3．企業(yè)應(yīng)用接口前端軟件完成的基本功能主要包括以下4點。01讀/寫功能03安全功能04檢/糾錯功能02防碰撞功能RFID系統(tǒng)所采集的信息最終要向后端應(yīng)用軟件傳送，應(yīng)用軟件系統(tǒng)需要具備相應(yīng)的處理RFID數(shù)據(jù)的功能。4．應(yīng)用軟件應(yīng)用軟件也是系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心，它負(fù)責(zé)與讀寫器通信，將讀寫器經(jīng)過中間件轉(zhuǎn)換之后的數(shù)據(jù)，插入到后臺企業(yè)倉儲管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫中，對電子標(biāo)簽管理信息、發(fā)行電子標(biāo)簽和采集的電子標(biāo)簽信息集中進行存儲和處理。

一般說來，后端應(yīng)用軟件系統(tǒng)需要完成以下功能。（1）RFID系統(tǒng)管理。（3）數(shù)據(jù)分析和存儲。（2）電子標(biāo)簽管理。RFID中間件技術(shù)將企業(yè)級中間件技術(shù)延伸到RFID領(lǐng)域，是RFID產(chǎn)業(yè)鏈的關(guān)鍵共性技術(shù)。它是RFID讀寫器和應(yīng)用系統(tǒng)之間的中介。RFID中間件（即RFIDEdgeServer）負(fù)責(zé)實現(xiàn)與RFID硬件及配套設(shè)備的信息交互與管理，同時作為一個軟硬件集成的橋梁，完成與上層復(fù)雜應(yīng)用的信息交換。1．RFID中間件的組成中間件應(yīng)由讀寫器適配器、事件管理器和應(yīng)用程序接口3個組件組成。（1）讀寫器適配器。讀寫器適配器的作用是提供讀寫器接口。（2）事件管理器。事件管理器的作用是過濾事件。（3）應(yīng)用程序接口。應(yīng)用程序接口的作用是提供一個基于標(biāo)準(zhǔn)的服務(wù)接口。具體說來，RFID中間件的功能主要集中在以下4個方面。2．RFID中間件的主要功能01數(shù)據(jù)實時采集03數(shù)據(jù)共享04安全服務(wù)02數(shù)據(jù)處理從理論上講，中間件的工作機制為：3．中間件的工作機制及特點在客戶端上的應(yīng)用程序需要從網(wǎng)絡(luò)中的某個地方獲取一定的數(shù)據(jù)或服務(wù)，這些數(shù)據(jù)或服務(wù)可能處于一個運行著不同操作系統(tǒng)的特定查詢語言數(shù)據(jù)庫的服務(wù)器中?？蛻?服務(wù)器應(yīng)用程序中負(fù)責(zé)尋找數(shù)據(jù)的部分只需訪問一個中間件系統(tǒng)，由中間件完成到網(wǎng)絡(luò)中尋址數(shù)據(jù)源或服務(wù)，進而傳輸客戶請求、重組答復(fù)信息，最后將結(jié)果送回應(yīng)用程序的任務(wù)。作為一個中間件應(yīng)具備：1標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議和接口，具備通用性、易用性；2分布式計算，提供網(wǎng)絡(luò)、硬件、操作系統(tǒng)透明性；3滿足大量應(yīng)用需要；4能運行于多種硬件和操作系統(tǒng)平臺。其中，具有標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議和接口更為重要，因為由此可實現(xiàn)不同硬件、操作系統(tǒng)平臺上的數(shù)據(jù)共享、應(yīng)用互操作。4．RFID中間件體系結(jié)構(gòu)1RFID中間件技術(shù)包括并發(fā)訪問技術(shù)、目錄服務(wù)及定位技術(shù)、數(shù)據(jù)及設(shè)備監(jiān)控技術(shù)、遠程數(shù)據(jù)訪問技術(shù)、安全和集成技術(shù)、進程及會話管理技術(shù)等。但任何RFID中間件應(yīng)能夠提供數(shù)據(jù)讀出和寫入、數(shù)據(jù)過濾和聚合、數(shù)據(jù)的分發(fā)、數(shù)據(jù)的安全等服務(wù)。根據(jù)RFID應(yīng)用需求，中間件必須具備通用性、易用性、模塊化等特點。如圖2-10所示，將中間件系統(tǒng)按照數(shù)據(jù)流程劃分為設(shè)備管理系統(tǒng)（包括數(shù)據(jù)采集及預(yù)處理）、事件處理和數(shù)據(jù)服務(wù)接口模塊。圖2-10分布式RFID中間件分層結(jié)構(gòu)示意圖一是為網(wǎng)絡(luò)上的讀寫器進行適配，并按照上層的配置建立實時的UDP連接并做好接收標(biāo)簽數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備；

01設(shè)備管理系統(tǒng)設(shè)備管理系統(tǒng)實現(xiàn)的主要功能有：二是對接收到的數(shù)據(jù)進行預(yù)處理。

02事件處理設(shè)備管理系統(tǒng)產(chǎn)生事件，并將事件傳遞到事件處理系統(tǒng)中，由事件處理系統(tǒng)進行處理，然后通過數(shù)據(jù)服務(wù)接口把數(shù)據(jù)傳遞到相關(guān)的應(yīng)用系統(tǒng)。設(shè)計出的事件處理系統(tǒng)應(yīng)具有如下功能：①數(shù)據(jù)緩存功能；②基于內(nèi)容的路由功能；③數(shù)據(jù)分類存儲功能。來自事件處理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)一般以臨時XML文件的形式和磁盤文件方式保存，供數(shù)據(jù)服務(wù)接口使用。03數(shù)據(jù)服務(wù)接口來自事件處理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)最終是分類的XML文件。同一類型的數(shù)據(jù)以XML文件的形式保存，并提供給相應(yīng)的一個或多個應(yīng)用程序使用。而數(shù)據(jù)服務(wù)接口主要是對這些數(shù)據(jù)進行過濾、入庫操作，并提供訪問相應(yīng)數(shù)據(jù)庫的服務(wù)接口。具體操作如下。（1）將存放在磁盤上的XML文件進行批量入庫操作。（2）在數(shù)據(jù)移植前將重復(fù)的數(shù)據(jù)過濾掉。（3）為企業(yè)內(nèi)部和企業(yè)外部訪問數(shù)據(jù)庫提供WebServices接口。2.3RFID系統(tǒng)原理RFID系統(tǒng)結(jié)構(gòu)多有不同，但是其基本工作原理都很相似，即：由讀寫器通過發(fā)射天線發(fā)送特定頻率的射頻信號，當(dāng)電子標(biāo)簽進入有效工作區(qū)域時產(chǎn)生感應(yīng)電流，從而獲得能量被激活，使得電子標(biāo)簽將自身編碼信息通過內(nèi)置天線發(fā)射出去；讀寫器的接收天線接收到從標(biāo)簽發(fā)送來的調(diào)制信號，經(jīng)天線的調(diào)制器傳送到讀寫器信號處理模塊，經(jīng)解調(diào)和解碼后將有效信息送到后臺主機系統(tǒng)進行相關(guān)處理；主機系統(tǒng)根據(jù)邏輯運算識別該標(biāo)簽的身份，針對不同的設(shè)定做出相應(yīng)的處理和控制，最終發(fā)出信號控制讀寫器完成不同的讀寫操作。從電子標(biāo)簽到讀寫器之間的通信和能量感應(yīng)方式來看，RFID系統(tǒng)主要有：電感耦合（磁耦合）1電感耦合方式一般適合于中、低頻率工作的近距離RFID系統(tǒng)；電磁反向散射耦合（電磁場耦合）2電磁反向散射耦合方式一般適合于高頻、微波工作頻率的遠距離RFID系統(tǒng)。電感耦合方式和電磁反向散射耦合方式的基本原理，如圖2-11所示。（a）電感耦合方式

（b）電磁反向散射耦合方式圖2-11電感耦合和電磁反向散射耦合原理圖電感耦合RFID系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)如圖2-12所示。電感耦合的射頻載波頻率為13.56MHz和小于135kHz的頻段，識別作用距離小于1m，典型作用距離為10～20cm。圖2-12電感耦合方式的電路結(jié)構(gòu)電磁耦合方式的應(yīng)答器幾乎都是無源的，能量（電源）從讀寫器獲得。由于讀寫器產(chǎn)生的磁場強度受到電磁兼容性能有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的嚴(yán)格限制，因此系統(tǒng)的工作距離較近。1．應(yīng)答器（電子標(biāo)簽）的能量供給2．?dāng)?shù)據(jù)傳輸應(yīng)答器向讀寫器的數(shù)據(jù)傳輸采用負(fù)載調(diào)制方法。應(yīng)答器二進制數(shù)據(jù)編碼信號控制開關(guān)器件，使其電阻發(fā)生變化，從而使應(yīng)答器線圈上的負(fù)載電阻按二進制編碼信號的變化而改變。該電壓的變化通過濾波放大和調(diào)制解調(diào)電路，恢復(fù)應(yīng)答器的二進制編碼信號，這樣，讀寫器就獲得了應(yīng)答器發(fā)出的二進制數(shù)據(jù)信息。電磁反向散射耦合方式一般適合于高頻、微波工作的遠距離射頻識別系統(tǒng)。典型的工作頻率有433MHz，915MHz，2.45GHz，5.8GHz，識別作用距離大于1m，典型作用距離為3～10m。當(dāng)電磁波遇到空間目標(biāo)時，其能量的一部分被目標(biāo)吸收，另一部分以不同的強度散射到各個方向。在散射的能量中，一小部分反射回發(fā)射天線，并被天線接收，對接收信號進行放大和處理，即可獲得目標(biāo)的有關(guān)信息。1．反向散射一個目標(biāo)反射電磁波的頻率由反射橫截面來確定。反射橫截面的大小與一系列的參數(shù)有關(guān)。由于目標(biāo)的反射性能通常隨頻率的升高而增強，所以RFID反向散射耦合方式采用特高頻和超高頻，應(yīng)答器和讀寫器的距離大于1m。2．RFID反向散射耦合方式RFID反向散射耦合方式的原理框圖如圖2-13所示，讀寫器、應(yīng)答器和天線構(gòu)成一個收發(fā)通信系統(tǒng)。圖2-13RFID反向散射耦合方式原理圖01應(yīng)答器的能量供給無源應(yīng)答器的能量由讀寫器提供，在有些應(yīng)用中，應(yīng)答器采用完全無源方式會有一定困難。為解決應(yīng)答器的供電問題，可在應(yīng)答器上安裝附加電池。為防止電池不必要的消耗，應(yīng)答器平時處于低功耗模式，當(dāng)應(yīng)答器進入讀寫器的作用范圍時，應(yīng)答器由獲得的射頻功率激活，進入工作狀態(tài)。02應(yīng)答器至讀寫器的數(shù)據(jù)傳輸由讀寫器傳到應(yīng)答器的功率的一部分被天線反射，反射功率P2經(jīng)自由空間后返回讀寫器，被讀寫器天線接收。接收信號經(jīng)收發(fā)耦合器電路傳輸?shù)阶x寫器的接收通道，被放大后經(jīng)處理電路獲得有用信息。03讀寫器至應(yīng)答器的數(shù)據(jù)傳輸讀寫器至應(yīng)答器的命令及數(shù)據(jù)傳輸，應(yīng)根據(jù)RFID的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進行編碼和調(diào)制，或者按所選用應(yīng)答器的要求進行設(shè)計。聲表面波（SurfaceAcousticWave，SAW）器件以壓電效應(yīng)和與表面彈性相關(guān)的低速傳播的聲波為依據(jù)。3．聲表面波應(yīng)答器01聲表面波器件聲表面波應(yīng)答器的基本結(jié)構(gòu)如圖2-14所示?；ǔ２捎檬⑩壦徜嚮蜚g酸鋰等壓電材料制作，指狀電極結(jié)構(gòu)是電聲轉(zhuǎn)換器（換能器）。在壓電基片的導(dǎo)電板上附有偶極子天線。在應(yīng)答器的剩余長度安裝了反射器。02聲表面波應(yīng)答器圖2-14聲表面波應(yīng)答器原理結(jié)構(gòu)圖讀寫器送出的射頻脈沖序列電信號，從應(yīng)答器的偶極子天線饋送至換能器。換能器將電信號轉(zhuǎn)換為聲波。轉(zhuǎn)換的工作原理是利用壓電襯底在電場作用時的膨脹和收縮效應(yīng)。電場是由指狀電極上的電位差形成的。一個時變輸入電信號（即射頻信號）引起壓電襯底振動，并沿其表面產(chǎn)生聲波。嚴(yán)格地說，傳輸?shù)穆暡ㄓ斜砻娌ê腕w波，但主要是表面波，這種表面波縱向通過基片。一部分表面波被每個分布在基片上的反向帶反射，而剩余部分到達基片的終端后被吸收。一部分反向波返回?fù)Q能器，在那里被轉(zhuǎn)換成射頻脈沖序列電信號，并被偶極子天線傳送至讀寫器。讀寫器接收到的脈沖數(shù)量與基片上的反射帶數(shù)量相符，單個脈沖之間的時間間隔與基片上反射帶的空間間隔成比例，從而通過反射的空間布局可以表示一個二進制的數(shù)字序列。

聲表面波應(yīng)答器的數(shù)據(jù)存儲能力和數(shù)據(jù)傳輸取決于基片的尺寸和反射帶之間所能實現(xiàn)的最短間隔，實際上，16～32bit的數(shù)據(jù)傳輸率大約為500Kbps。聲表面波RFID系統(tǒng)的作用距離主要取決于讀寫器所能允許的發(fā)射功率，在2.45GHz下，作用距離可達到1～2m。2.4RFID的典型應(yīng)用由于RFID技術(shù)具有無需接觸、自動化程度高、耐用可靠、識別速度快、適應(yīng)各種工作環(huán)境、可實現(xiàn)高速和多標(biāo)簽同時識別等優(yōu)勢，因此應(yīng)用非常廣泛。在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，RFID技術(shù)比較典型的應(yīng)用就是在物流領(lǐng)域的使用。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?、?zhǔn)確、科學(xué)，如圖2-15所示。圖2-15RFID物流倉儲應(yīng)用謝謝觀看物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)基礎(chǔ)第3章傳感器與傳感網(wǎng)技術(shù)目錄Content常用傳感器傳感器的典型應(yīng)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述傳感器概述1234無線傳感器網(wǎng)絡(luò)面臨的挑戰(zhàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的典型應(yīng)用56傳感器和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（即傳感網(wǎng)）是物聯(lián)網(wǎng)的基石。在物聯(lián)網(wǎng)的感知層中，信息的獲取與數(shù)據(jù)的采集主要使用自動識別技術(shù)和傳感器技術(shù)?！啊?.1傳感器概述傳感器是物聯(lián)網(wǎng)感知層的觸角，是物聯(lián)網(wǎng)感知的主要來源。傳感器可以獨立存在，也可以與其他設(shè)備以一體方式呈現(xiàn)。在未來的物聯(lián)網(wǎng)中，傳感器及其組成的傳感器網(wǎng)絡(luò)將在數(shù)據(jù)采集前端發(fā)揮重要的作用。傳感器是一種獲取信息的裝置，是把特定的被測信息按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成某種可用信號輸出的器件或裝置，也叫變換器、換能器或探測器等。國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T7665－2005《傳感器通用術(shù)語》對傳感器的定義為：能感受被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。傳感器是能感受到被測量的信息，并能將感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出。傳感器的輸出信號有多種形式，輸出信號的形式由傳感器的原理決定。通常情況下，傳感器轉(zhuǎn)換輸出的大多是電信號。因此，傳感器也可以定義為：把外界輸入的非電量轉(zhuǎn)換為電信號的一種裝置?？傊谖锫?lián)網(wǎng)中，傳感器主要負(fù)責(zé)接收物品“講話”的內(nèi)容，它是實現(xiàn)自動檢測和自動控制的首要環(huán)節(jié)。圖3-1為各種類型的傳感器。壓力傳感器

霍爾傳感器

電壓傳感器

電流傳感器

氣敏傳感器溫濕度傳感器

振動傳感器

無線溫度傳感器

壓電加速度傳感器

光敏傳感器圖3-1各種類型的傳感器敏感元件轉(zhuǎn)換元件電子線路傳感器傳感器一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和電子線路等部分組成。其中，敏感元件和轉(zhuǎn)換元件是傳感器的核心。敏感元件是指傳感器中直接感受被測量的部分；轉(zhuǎn)換元件是能將敏感元件的輸出信號轉(zhuǎn)換為適于傳輸和測量的電信號的部分；電子線路用于將傳感器輸出的電參量轉(zhuǎn)換成電能量。隨著半導(dǎo)體器件和集成技術(shù)在傳感器中的應(yīng)用，傳感器的轉(zhuǎn)換電路可以安裝在傳感器的殼體里或與敏感元件集成在一個芯片上，因此，轉(zhuǎn)換電路和輔助電源也應(yīng)作為傳感器的組成部分，如圖3-2所示。圖3-2傳感器的組成在圖3-2中，敏感元件是直接感受被測量，并輸出與被測量成一定關(guān)系的其他物理量的元件；轉(zhuǎn)換元件也叫換能元件，是將敏感元件的輸出量轉(zhuǎn)換成電參量的元件；轉(zhuǎn)換電路將轉(zhuǎn)換元件輸出的電參量轉(zhuǎn)換成電壓、電流或頻率等電量；輔助電源為轉(zhuǎn)換元件和轉(zhuǎn)換電路提供電源。表3-1為傳感器的典型分類方法。表3-1傳感器的典型分類方法分類方法傳感器類型按工作原理分類應(yīng)變式、電容式、電感式、壓電式、熱電式等按輸出信號形式分類模擬式、數(shù)字式按作用形式分類主動型、被動型按被測物理量分類位移量、力量、運動量、熱學(xué)量、光學(xué)量、氣體量等按能量關(guān)系分類能量轉(zhuǎn)換型、能量控制型表3-2為傳感器按變換原理進行分類。表3-2傳感器按變換原理進行分類變換原理傳感器類型變換電阻電位器式、壓阻式、光導(dǎo)式、熱電式、應(yīng)變（計）式、光敏式、熱敏式變換磁阻電感式、差動變壓器式、渦流式變換電容電容式、濕敏式變換諧振頻率諧振式變換電荷壓電式變換電勢霍耳式、感應(yīng)式、熱電偶式表3-3為傳感器按被測量進行分類。表3-3傳感器按被測量進行分類物理量

傳感器力學(xué)量壓力傳感器、力傳感器、力矩傳感器、速度傳感器、加速度傳感器、流量傳感器、位移傳感器、位置傳感器、尺度傳感器、密度傳感器、黏度傳感器、硬度傳感器、濁度傳感器熱學(xué)量溫度傳感器、熱流傳感器、熱導(dǎo)率傳感器光學(xué)量可見光傳感器、紅外光傳感器、紫外光傳感器、照度傳感器、色度傳感器、圖像傳感器、亮度傳感器磁學(xué)量磁場強度傳感器、磁通傳感器電學(xué)量電流傳感器、電壓傳感器、電場強度傳感器聲學(xué)量聲壓傳感器、噪聲傳感器、超聲波傳感器、聲表面波傳感器射線X射線傳感器化學(xué)量

傳感器離子傳感器、氣體傳感器、濕度傳感器生理量

傳感器生物量體壓傳感器、脈搏傳感器、心音傳感器、體溫傳感器、血流傳感器、呼吸傳感器、血容量傳感器、體電圖傳感器生化量酶式傳感器、免疫血型傳感器、微生物型傳感器、血氣傳感器、血液電解質(zhì)傳感器傳感器的基本特性主要分為靜態(tài)特性和動態(tài)特性。1．靜態(tài)特性靜態(tài)特性是指檢測系統(tǒng)的輸入為不隨時間變化的恒定信號時，系統(tǒng)的輸出與輸入之間的關(guān)系，主要包括線性度、靈敏度、遲滯、重復(fù)性、漂移等。123線性度是指傳感器輸出量與輸入量之間的實際關(guān)系曲線偏離擬合直線的程度。線性度靈敏度值越大，表示傳感器越靈敏。靈敏度傳感器在輸入量由小到大（正行程）及輸入量由大到小（反行程）變化期間，其輸入輸出特性曲線不重合的現(xiàn)象稱為遲滯。遲滯456重復(fù)性是指傳感器在輸入量按同一方向作全量程連續(xù)多次變化時，所得特性曲線不一致的程度。重復(fù)性漂移是指在輸入量不變的情況下，傳感器輸出量隨著時間變化的現(xiàn)象。漂移測量范圍是指傳感器所能測量到的最小輸入量與最大輸入量之間的范圍。測量范圍78量程是指傳感器測量范圍的上限值與下限值的代數(shù)差。量程精度是指測量結(jié)果的可靠程度。精度10穩(wěn)定性表示傳感器在一個較長的時間內(nèi)保持其性能參數(shù)的能力。穩(wěn)定性9傳感器能檢測到輸入量最小變化量的能力稱為分辨力。當(dāng)分辨力以滿量程輸出的百分?jǐn)?shù)表示時則稱為分辨率。閾值是指能使傳感器的輸出端產(chǎn)生可測變化量的最小被測輸入量值，即零點附近的分辨力。分辨率和閾值2．動態(tài)特性動態(tài)特性是指檢測系統(tǒng)的輸入為隨時間變化的信號時，系統(tǒng)的輸出與輸入之間的關(guān)系。傳感器主要動態(tài)特性的性能指標(biāo)有時域單位階躍響應(yīng)性能指標(biāo)和頻域頻率特性性能指標(biāo)。傳感器的輸入信號是隨時間變化的動態(tài)信號，這時就要求傳感器能時刻精確地跟蹤輸入信號，按照輸入信號的變化規(guī)律輸出信號。動態(tài)特性就是指傳感器對于隨時間變化的輸入信號的響應(yīng)特性。實際傳感器輸入信號隨時間變化的形式可能是多種多樣的，最常見、最典型的輸入信號是階躍信號和正弦信號。對于階躍輸入信號，傳感器的響應(yīng)稱為階躍響應(yīng)或瞬態(tài)響應(yīng)，是指傳感器在瞬變的非周期信號作用下的響應(yīng)特性。對于正弦輸入信號，傳感器的響應(yīng)稱為頻率響應(yīng)或穩(wěn)態(tài)響應(yīng)，是指傳感器在振幅穩(wěn)定不變的正弦信號作用下的響應(yīng)特性。建立微分方程是對傳感器動態(tài)特性進行數(shù)學(xué)描述的基本方法。可將傳感器作為線性定常系統(tǒng)來考慮，因而其動態(tài)數(shù)學(xué)模型可用線性常系數(shù)微分方程來表示。能用一、二階線性微分方程來描述的傳感器分別稱為一、二階傳感器。3.2常用傳感器不同類別的傳感器，其工作原理是不同的。下面介紹幾種常用的傳感器，包括溫度傳感器、光電傳感器、氣敏傳感器、力敏傳感器、磁敏傳感器、超聲波傳感器、激光傳感器、生物傳感器等。溫度傳感器是指能感受溫度并轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的傳感器。溫度傳感器利用熱敏元件的參數(shù)隨溫度變化而變化的特性來達到測量溫度的目的。常見溫度傳感器如圖3-3所示。圖3-3溫度傳感器用來度量物體溫度數(shù)值的標(biāo)尺叫做溫標(biāo)。溫度傳感器是溫度測量儀表的核心部分。按照敏感元件與被測介質(zhì)接觸與否，溫度傳感器可分為接觸式和非接觸式兩大類；按照傳感器材料及電子元件特性，溫度傳感器可分為熱電阻和熱電偶兩類。1．熱電阻熱電阻是利用導(dǎo)電物體的電阻率隨本身溫度而變化的溫度電阻效應(yīng)而制成的傳感器，它是中低溫區(qū)最常用的一種溫度檢測器。熱電阻主要特點是測量精度高，性能穩(wěn)定。目前應(yīng)用最廣泛的熱電阻材料是鉑和銅，除鉑和銅之外，還有鎳、鐵、錳等。鉑熱電阻具有耐高溫，性能穩(wěn)定，抗氧化能力強，電阻率高，且材料易于提純等優(yōu)點，在國際實用溫標(biāo)中以鉑電阻作為標(biāo)準(zhǔn)。銅熱電阻價格低廉，互換性好，固有電阻小，但高于100℃時易被氧化，所以在溫度范圍為-50℃～100℃時，可用銅做熱電阻傳感器。鎳熱電阻的溫度系數(shù)大，靈敏度比鉑和銅的高，常用來測量-60℃～180℃范圍的溫度。12345標(biāo)稱電阻：熱電阻在0℃時的電阻值。分度表：以表格形式來表示熱電阻的電阻－溫度表。分度號：分度表的代號，一般用熱電阻金屬材料的化學(xué)符號和0℃時的電阻值表示。熱電阻的溫度特性：熱電阻的阻值與溫度之間的關(guān)系。熱響應(yīng)時間：當(dāng)溫度發(fā)生階躍變化時，熱電阻的電阻值變化至相當(dāng)于該階躍變化的某個規(guī)定百分比所需要的時間。1）熱電阻的基本參數(shù)2）熱電阻傳感器的結(jié)構(gòu)接線盒電阻體絕緣子保護套管熱電阻傳感器3）熱敏電阻熱敏電阻是一種新型的測溫元件，其原理是：當(dāng)熱敏材料周圍有熱輻射時，它吸收輻射熱，產(chǎn)生溫升，從而引起材料電阻的變化。熱敏電阻按照溫度系數(shù)不同分為正溫度系數(shù)熱敏電阻（PTC）和負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻（NTC）。熱敏電阻的典型特點是對溫度敏感，不同的溫度下表現(xiàn)出不同的電阻值。熱敏電阻具有以下幾個特性。（1）電阻－溫度特性。（2）伏安特性。（3）電流－時間特性。2．熱電偶熱電偶是溫度測量中最常用的溫度傳感器，其主要特點是寬溫度范圍和適應(yīng)各種大氣環(huán)境，而且結(jié)實、價低，無需供電。兩種不同成分的導(dǎo)體（稱為熱電偶絲材或熱電極）兩端接合成回路，當(dāng)兩個接合點的溫度不同時，在回路中就會產(chǎn)生電動勢，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)，而這種電動勢稱為熱電勢。熱電偶就是利用這種原理進行溫度測量的。在選用溫度傳感器時，應(yīng)該注意以下幾個方面。01被測對象的溫度是否需記錄、報警和自動控制，是否需要遠距離測量和傳送。02測溫范圍的大小和精度要求。03測溫元件大小是否適當(dāng)。04在被測對象溫度隨時間變化的場合，測溫元件的滯后能否適應(yīng)測溫要求。05被測對象的環(huán)境條件對測溫元件是否有損害。06價格如何，使用是否方便。光電傳感器是一種將光信號轉(zhuǎn)換成電信號的設(shè)備。光電傳感器的基礎(chǔ)是光電轉(zhuǎn)換元件的光電效應(yīng)。圖3-4所示為常見的光電傳感器。圖3-4光電傳感器1．光電傳感器的分類根據(jù)工作原理的不同，光電傳感器可分為：光電效應(yīng)傳感器固體圖像傳感器紅外熱釋電探測器光纖傳感器光電效應(yīng)傳感器是應(yīng)用光敏材料的光電效應(yīng)制成的光敏器件。1）光電效應(yīng)傳感器紅外熱釋電探測器主要是利用輻射的紅外光（熱）照射材料時引起材料電學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化或產(chǎn)生熱電動勢原理制成的一類器件。2）紅外熱釋電探測器固體圖像傳感器從結(jié)構(gòu)上分為兩大類：一類是用CCD（電荷耦合器件）的光電轉(zhuǎn)換和電荷轉(zhuǎn)移功能制成的CCD圖像傳感器；另一類是用光敏二極管與CMOS（互補金屬氧化物半導(dǎo)體）晶體管構(gòu)成的將光信號變成電荷或電流信號的CMOS圖像傳感器。3）固體圖像傳感器光纖傳感器利用發(fā)光管（LED）或激光管（LD）發(fā)射的光，經(jīng)光纖傳輸?shù)奖粰z測對象，被檢測信號調(diào)制后，光沿著光導(dǎo)纖維反射或送到光接收器，經(jīng)接收解調(diào)后變成電信號。4）光纖傳感器2．光電器件光電器件（即光敏元件）有:光電管光敏電阻光敏三極管光電倍增管光敏二極管光電管分為真空光電管和充氣光電管兩種。光電管的典型結(jié)構(gòu)是將球形玻璃殼抽成真空，在內(nèi)半球面上涂一層光電材料作為陰極，球心放置小球形或小環(huán)形金屬作為陽極。光電管具有光譜特性和伏安特性。1）光電管光電倍增管是進一步提高光電管靈敏度的光電轉(zhuǎn)換器件。管內(nèi)除光電陰極和陽極外，兩極間還放置多個瓦形倍增電極。2）光電倍增管光敏電阻是用具有內(nèi)光電效應(yīng)的光導(dǎo)材料制成的，為純電阻元件，其阻值隨光照增強而減小。光敏電阻由一塊兩邊帶有金屬電極的光電半導(dǎo)體組成，電極和半導(dǎo)體之間呈歐姆接觸，使用時在它的兩電極上施加直流或交流工作電壓，如圖3-5所示。3）光敏電阻圖3-5光敏電阻光敏電阻的主要參數(shù)如表3-4所示。表3-4光敏電阻的主要參數(shù)參數(shù)定義暗電阻指光敏電阻置于室溫、全暗條件下，經(jīng)一段時間穩(wěn)定后測得的阻值亮電阻指光敏電阻置于室溫和一定光照條件下測得的穩(wěn)定電阻值最高工作電壓指光敏電阻在額定功率下所允許承受的最高電壓亮電流指在無光照射時，光敏電阻在規(guī)定的外加電壓下通過的電流時間常數(shù)指光敏電阻從光照躍變開始到穩(wěn)定亮電流的63%時所需的時間電阻溫度系數(shù)指光敏電阻在環(huán)境溫度改變1℃時，其電阻值的相對變化靈敏度指光敏電阻在有光照射和無光照射時電阻值的相對變化光敏二極管的工作原理基于內(nèi)光電效應(yīng)，其結(jié)構(gòu)與一般二極管相似，都有一個PN結(jié)。在結(jié)構(gòu)上為了提高轉(zhuǎn)換效率，增大受光面積，PN結(jié)面積比一般二極管大。常見光敏二極管如圖3-6所示。4）光敏二極管圖3-6光敏二極管光敏三極管與普通三極管結(jié)構(gòu)相似，不同的是，光敏三極管是將基極－集電極結(jié)作為光敏二極管，集電結(jié)作為受光結(jié)，另外發(fā)射極的尺寸做得很大，以擴大光照面積。光敏三極管是一種相當(dāng)于將基極、集電極光敏二極管的電流加以放大的普通三極管，比光敏二極管有更高的靈敏度。常見光敏三極管如圖3-7所示。5）光敏三極管圖3-7光敏三極管3．光纖傳感器光纖傳感器是把被測量的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y的光信號的裝置。其基本原理為：光受到被測量的調(diào)制，已調(diào)光經(jīng)光纖耦合到光接收器，使光信號變?yōu)殡娦盘?，最后?jīng)信號處理系統(tǒng)得到被測量，如圖3-8所示。圖3-8光纖傳感器結(jié)構(gòu)示意圖光纖傳感器的特點有：極高的靈敏度和精度、安全性好、抗電磁干擾、高絕緣強度、耐腐蝕、集傳感與傳輸于一體、能與數(shù)字通信系統(tǒng)兼容。01光纖傳感器的組成光纖傳感器由光源、光纖耦合器、光纖、光探測器等組成。一般要求光源的體積盡量小，以利于它與光纖耦合；光源發(fā)出的光波長應(yīng)合適，以便減少光在光纖中傳輸?shù)膿p失；光源要有足夠亮度，以便提高傳感器的輸出信號。（1）光源。光纖耦合器又稱分歧器、連接器、適配器、法蘭盤，是用于實現(xiàn)光信號分路/合路，或用于延長光纖鏈路的元件，屬于光被動元件領(lǐng)域。光纖耦合器可分標(biāo)準(zhǔn)耦合器、直連式耦合器、星狀/樹狀耦合器及波長多工器，制作方式有燒結(jié)、微光學(xué)式、光波導(dǎo)式三種。（2）光纖耦合器。光導(dǎo)纖維簡稱光纖，采用石英玻璃絲制成。光的傳輸限制在光纖中，并隨光纖能傳送到很遠的距離，光纖的傳輸是基于光的全內(nèi)反射。光纖傳感器所用光纖有單模光纖和多模光纖。（3）光纖。光探測器的作用是把傳送到接收端的光信號轉(zhuǎn)換成電信號，以便做進一步的處理。（4）光探測器。02光纖傳感器的分類光纖傳感器按照光纖在傳感器中所起的作用，可以分為兩大類：光纖傳感器功能型（傳感型）傳感器是非功能型（傳光型）傳感器1又稱全光纖傳感器，它利用光纖本身的特性把光纖作為敏感元件，被測量對光纖內(nèi)傳輸?shù)墓膺M行調(diào)制，使傳輸?shù)墓獾膹姸?、相位、頻率或偏振等特性發(fā)生變化，再通過對被調(diào)制過的信號進行解調(diào)，從而得出被測信號。功能型（傳感型）傳感器2它是利用其他敏感元件感受被測量的變化，與其他敏感元件組合而成的傳感器，光纖只作為光的傳輸介質(zhì)，光照在光纖型敏感元件上受被測量調(diào)制。非功能型（傳光型）傳感器氣敏傳感器是用來檢測氣體類別、濃度和成分的傳感器。它將氣體種類及其濃度等有關(guān)的信息轉(zhuǎn)換成電信號，根據(jù)這些電信號的強弱便可獲得與待測氣體在環(huán)境中存在情況有關(guān)的信息。常見氣敏傳感器如圖3-9所示。圖3-9氣敏傳感器濕式氣敏傳感器干式氣敏傳感器氣敏傳感器其中，干式氣敏傳感器包括接觸燃燒式、半導(dǎo)體式、固體電解質(zhì)式、紅外線吸收式和導(dǎo)熱率變化式；濕式氣敏傳感器包括極譜式及原電池式。其中，常見的是半導(dǎo)體氣敏傳感器。對于半導(dǎo)體氣敏傳感器，按照半導(dǎo)體與氣體的相互作用是在其表面還是其內(nèi)部，可以分為表面控制型和體控制型兩種；按照半導(dǎo)體變化的物理性質(zhì)，分為電阻型和非電阻型兩種。氣敏元件的種類如表3-5所示。表3-5氣敏元件種類名稱檢測原理、現(xiàn)象具有代表性的氣敏元件及材料檢測氣體半導(dǎo)體氣敏元件電阻表面控制型有機半導(dǎo)體、金屬可燃性氣體體控制型Fe2O3可燃性氣體二極管整流作用TiO2H2FET型氣敏元件二極管柵極MOSFETNH3靜電電容MOSFETH2O固體電解質(zhì)氣敏元件電池、電動勢K2SO4鹵素混合電位有機電解質(zhì)CO電解電流CaOO2電流Sb2O3H2接觸燃燒式氣敏元件燃燒熱（電阻）Pt可燃性氣體力敏傳感器是將各種力學(xué)量轉(zhuǎn)換為電信號的器件，是用來檢測氣體、固體、液體等物質(zhì)間相互作用力的傳感器，它主要用于測力和稱重兩個方面。常見力敏傳感器如圖3-10所示。圖3-10力敏傳感器1．力敏傳感器的分類力敏傳感器的種類很多，有經(jīng)彈性敏感元件轉(zhuǎn)換后再轉(zhuǎn)換成電量的；有直接將力變換為電量的。將被測物理量的變化轉(zhuǎn)換成電阻值的變化，再經(jīng)相應(yīng)的測量電路而最后顯示被測量值的變化，如圖3-11所示。電阻式傳感器圖3-11電阻式利用電容器的原理，將非電量轉(zhuǎn)化為電容量，進而實現(xiàn)非電量到電量的轉(zhuǎn)化的器件，如圖3-12所示。電容式傳感器圖3-12電容式利用線圈自感或互感的變化來實現(xiàn)測量的一種裝置，可以用來測量位移、振動、壓力等，如圖3-13所示。電感式傳感器圖3-13電感式一種有源的雙向機電傳感器，其工作原理是基于壓電材料的壓電效應(yīng)，如圖3-14所示。壓電式傳感器圖3-14壓電式根據(jù)半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)在半導(dǎo)體材料的基片上經(jīng)擴散電阻而制成的器件，如圖3-15所示。壓阻式傳感器圖3-15壓阻式2．彈性敏感元件彈性敏感元件（力敏元件）是一個非常重要的傳感器部件，它把力或壓力轉(zhuǎn)換成應(yīng)變或位移，然后再由傳感器將應(yīng)變或位移轉(zhuǎn)換成電信號。彈性敏感元件應(yīng)具有良好的彈性、足夠的精度、應(yīng)保證長期使用和溫度變化時的穩(wěn)定性。（1）剛度。（3）彈性滯后。（5）固有振蕩頻率。（2）靈敏度。（4）彈性后效。圖3-16磁敏傳感器磁敏傳感器是通過磁電作用將被測量轉(zhuǎn)換成電信號的一種傳感器。常見磁敏傳感器如圖3-16所示。1．磁敏元件在傳統(tǒng)的磁檢測中，首先被采用的敏感元件是電感線圈，其特點是無須在線圈中通電，一般僅對運動中的永磁體或電流載體起敏感作用。后來發(fā)展為用線圈組成振蕩槽路。2．霍爾傳感器霍爾傳感器是依據(jù)霍爾效應(yīng)制成的器件。霍爾效應(yīng)是指通電的載體在受到垂直于載體平面的外磁場作用時，載流子受到洛倫茲力的作用，并有向兩邊聚集的傾向。3．磁阻傳感器磁阻傳感器采用的半導(dǎo)體材料與霍爾傳感器大體相同。但這種傳感器對磁場的作用機理不同，傳感器內(nèi)載流子運動方向與被檢磁場在一平面內(nèi)。磁阻傳感器由于工作機理不同于霍爾傳感器，因而供電也不同，而是采用恒壓源供電。圖3-17超聲波傳感器超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器。常見超聲波傳感器如圖3-17所示。超聲波是一種振動頻率高于聲波的機械波，是由換能晶片在電壓的激勵下發(fā)生振動產(chǎn)生的，它具有頻率高、波長短、繞射現(xiàn)象小，特別是方向性好、能夠成為射線而定向傳播等特點。1．超聲波傳感器的種類超聲波探頭主要由壓電晶片組成，既可發(fā)射超聲波，也可接收超聲波。小功率超聲波探頭多作探測用，可分為直探頭（縱波）、斜探頭（橫波）、表面波探頭（表面波）、蘭姆波探頭（蘭姆波）、聚焦探頭、沖水探頭、水浸探頭、高溫探頭、空氣傳導(dǎo)探頭及其他專用探頭等。2．超聲波傳感器的工作原理超聲波傳感器利用聲波介質(zhì)對被檢測物進行非接觸式無磨損的檢測。超聲波探頭與被測物體接觸時，探頭與被測物體表面間存在一層空氣薄層，空氣將引起三個界面間強烈的雜亂反射波，造成干擾，并造成很大的衰減。為此，必須將接觸面之間的空氣排擠掉，使超聲波能順利地入射到被測介質(zhì)中。在工業(yè)中，經(jīng)常使用一種稱為耦合劑的液體物質(zhì)，使之充滿在接觸層中，起到傳遞超聲波的作用。3．超聲波傳感器的主要性能指標(biāo)（1）工作頻率（2）工作溫度（3）靈敏度4．超聲波傳感器的應(yīng)用超聲波傳感技術(shù)在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用主要是診斷疾病。在工業(yè)方面，超聲波的典型應(yīng)用是對金屬的無損探傷和超聲波測厚兩種。圖3-18激光傳感器激光傳感器是利用激光技術(shù)進行測量的傳感器，如圖3-18所示。它由激光器、激光檢測器和測量電路組成。激光傳感器工作時，先由激光發(fā)射二極管對準(zhǔn)目標(biāo)發(fā)射激光脈沖。經(jīng)目標(biāo)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(xué)系統(tǒng)接收后成像到雪崩光電二極管上。圖3-19生物傳感器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(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生的信息繼而被相應(yīng)的物理或化學(xué)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3-19所示。3.3傳感器的典型應(yīng)用據(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3-20所示。該器件的潛在應(yīng)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。圖3-20貼紙柔性傳感器3.4無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本功能是將一系列空間分散的傳感器單元通過自組織的無線網(wǎng)絡(luò)進行連接，從而將各自采集的數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)進行傳輸匯總，以實現(xiàn)對空間分散范圍內(nèi)的物理或環(huán)境狀況的協(xié)作監(jiān)控，并根據(jù)這些信息進行相應(yīng)的分析和處理。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WirelessSensorNetwork，WSN）是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的大量低成本的微型傳感器節(jié)點組成，通過無線通信方式形成的一種多跳的自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)融合了傳感器技術(shù)、嵌入式技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)和無線通信技術(shù)等，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的采集、處理和傳輸3種功能。傳感器、感知對象和觀察者是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的三要素。1．體系結(jié)構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)如圖3-21所示，通常包括傳感器節(jié)點、匯聚節(jié)點、管理節(jié)點和監(jiān)測區(qū)域。圖3-21無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，大量傳感器節(jié)點隨機或有規(guī)律地部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)部或附近，通過無線多跳自組織方式構(gòu)成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。傳感器節(jié)點通常是一個微型的嵌入式系統(tǒng)，由于受到體積、價格和電源供給等因素的限制，它的處理能力、存儲能力和通信能力相對較弱，通常由小容量電池供電，只與自身通信范圍內(nèi)的鄰居節(jié)點交換數(shù)據(jù)，要訪問通信范圍以外的節(jié)點，必須使用多跳路由來實現(xiàn)。從網(wǎng)絡(luò)功能上看，每個傳感器節(jié)點都具有信息采集和路由的雙重功能，除了進行本地信息收集和數(shù)據(jù)處理外，還要存儲、管理和融合其他節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)過來的數(shù)據(jù)，同時與其他節(jié)點協(xié)作完成一些特定任務(wù)。匯聚節(jié)點是連接傳感器網(wǎng)絡(luò)和外部網(wǎng)絡(luò)的接口，通過協(xié)議轉(zhuǎn)換實現(xiàn)管理節(jié)點與傳感器網(wǎng)絡(luò)之間的通信，把收集到的數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)發(fā)到外部網(wǎng)絡(luò)上，同時向傳感器節(jié)點發(fā)布來自管理節(jié)點的監(jiān)測任務(wù)。管理節(jié)點實際上是傳感器網(wǎng)絡(luò)使用者直接操作的計算機終端或服務(wù)器，充當(dāng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的角色，用于動態(tài)地監(jiān)控和管理整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)和狀態(tài)。2．節(jié)點結(jié)構(gòu)無線傳感器節(jié)點由傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和能量供應(yīng)模塊4部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖3-22所示。圖3-22無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點結(jié)構(gòu)圖傳感器模塊包括傳感器和數(shù)/模轉(zhuǎn)換模塊，負(fù)責(zé)監(jiān)測區(qū)域內(nèi)信息的采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換；傳感器模塊處理器模塊由嵌入式系統(tǒng)構(gòu)成，負(fù)責(zé)控制和協(xié)調(diào)節(jié)點各部分的工作，存儲和處理自身采集的數(shù)據(jù)及其他節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)；處理器模塊無線通信模塊包括網(wǎng)絡(luò)、MAC、收發(fā)器等，負(fù)責(zé)與其他傳感器節(jié)點進行無線通信，交換控制信息和收發(fā)采集數(shù)據(jù)；無線通信模塊能量供應(yīng)模塊采用微型電池，為傳感器節(jié)點提供運行所需的能量。能量供應(yīng)模塊具體來說，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有如下主要特點。（1）網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大，節(jié)點密度高。（2）無中心和自組織。（3）動態(tài)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。?）節(jié)點資源有限。（5）安全性和可靠性。（6）多跳路由。（7）應(yīng)用相關(guān)性。（8）以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò)。3.5無線傳感器網(wǎng)絡(luò)面臨的挑戰(zhàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自身所具有的特點，具體表現(xiàn)在以下幾個方面。（1）低成本。（3）實時性。（5）硬件安全。（2）低能耗。（4）精確定位。（6）網(wǎng)內(nèi)通信問題。（8）靈活、自適應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議體系。（7）網(wǎng)絡(luò)安全。（9）跨層設(shè)計。3.6無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的典型應(yīng)用將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于智能用電中，一方面是在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(luò)協(xié)議，；另一方面是通過優(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。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(yīng)用，其設(shè)計和生產(chǎn)使用受到了業(yè)界的廣泛關(guān)注，如圖3-24所示。圖3-24智能無線抄表系統(tǒng)謝謝觀看物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)基礎(chǔ)第4章物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)目錄Content藍牙技術(shù)ZigBee技術(shù)Wi-Fi技術(shù)短距離無線通信技術(shù)概述1234超寬帶（UWB）技術(shù)移動通信技術(shù)56物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)主要是指短距離無線通信技術(shù)和移動通信技術(shù)，它們是物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)的基石?！啊?.1短距離無線通信技術(shù)概述短距離無線通信技術(shù)一般指有效通信距離在厘米到百米范圍內(nèi)的無線通信技術(shù)，主要包括Wi-Fi技術(shù)、藍牙技術(shù)、ZigBee技術(shù)、超寬帶（UWB）技術(shù)、射頻識別（RFID）技術(shù)、紅外數(shù)據(jù)傳輸（IrDa）、近距離/近場通信（NearFieldCommunication，NFC）等。從數(shù)據(jù)的傳輸速率來分，可以將短距離無線通信分為：低速短距離無線通信技術(shù)高速短距離無線通信技術(shù)短距離無線通信最高數(shù)據(jù)傳輸速率高于100Mbps，通信距離小于10m的稱為高速短距離無線通信技術(shù)；低速短距離無線通信技術(shù)的最低傳輸速率低于1Mbps，通信距離小于100m。短距離無線通信技術(shù)具有以下特點。（1）小范圍區(qū)域內(nèi)使用（2）低功耗（3）對等通信短距離無線通信技術(shù)（4）低成本（5）不用申請無線頻道（6）高頻操作4.2藍牙技術(shù)藍牙的實質(zhì)內(nèi)容是為固定設(shè)備或移動設(shè)備之間的通信環(huán)境建立通用的短距離無線接口，將通信技術(shù)與計算機技術(shù)進一步結(jié)合起來，它是各種設(shè)備在無電線或電纜相互連接的情況下，能在短距離范圍內(nèi)實現(xiàn)相互通信或操作的一種技術(shù)。1．藍牙的概念藍牙（Bluetooth）是一種支持設(shè)備短距離（一般在10m以內(nèi)）通信的無線電技術(shù)，利用藍牙技術(shù)，能夠有效地簡化移動通信終端設(shè)備之間、設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)之間的通信。牙采用分散式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，支持點對點及點對多點通信，使用IEEE802.15協(xié)議，工作在全球通用的2.4GHzISM頻段，傳輸速率為1Mbps，采用時分雙工傳輸方案實現(xiàn)全雙工傳輸。2．藍牙技術(shù)的發(fā)展藍牙是一種無線個人局域網(wǎng)，由藍牙技術(shù)聯(lián)盟（BluetoothSIG）制定了技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。2006年10月，聯(lián)想公司取代IBM在該組織中的創(chuàng)始成員位置。后續(xù)又發(fā)布了藍牙V3.0，藍牙V4.0。2001年的V1.1版正式列入IEEE標(biāo)準(zhǔn)藍牙技術(shù)聯(lián)盟先后推出了V1.2，V2.0版及其他附加新功能。2016年6月17日，藍牙技術(shù)聯(lián)盟發(fā)布了新一代的藍牙標(biāo)準(zhǔn)，命名為Bluetooth5。3