物联网用传感器的工作原理概述

物联网用传感器的工作原理概述物联网用传感器的工作原理概述 1 概述概述 物联网 The Internet of things 也称传感网 物联网 The Internet of things 的定义是 通过射频识别 RFID 红 外感应器 全球定位系统 激光扫描器等信息传感设备 按约定的 协议 把任何物品与互联网连接起来 进行信息交换和通讯 以实 现智能化识别 定位 跟踪 监控和管理的一种网络 物联网的概 念是在 1999 年提出的 物联网就是 物物相连的互联网 这有两层 意思 第一 物联网的核心和基础仍然是互联网 是在互联网基础 上的延伸和扩展的网络 第二 其用户端延伸和扩展到了任何物品 与物品之间 进行信息交换和通讯 人们为了从外界获取信息 必须借助于感觉器官 而单靠人们 自身的感觉器官 在研究自然现象和规律以及生产活动中他们的功 能就远远不够了 为适应这种情况 就需要物联网传感器 因此可 以说 物联网传感器是人类五官的延长 又称之为 电五官 新技术革命的到来 世界开始进入信息时代 在利用信息的过 程中 首先要解决的就是要获取准确可靠的信息 而传感器是获取 自然和生产领域中信息的主要途径与手段 在现代工业生产尤其是自动化生产过程中 要用各种传感器来 监视和控制生产过程中的各个参数 使设备工作在正常状态或最佳 状态 并使产品达到最好的质量 因此可以说 没有众多的优良的 传感器 现代化生产也就失去了基础 在基础学科研究中 物联网传感器更具有突出的地位 现代科 学技术的发展 进入了许多新领域 例如在宏观上要观察上千光年的 茫茫宇宙 微观上要观察小到 cm 的粒子世界 纵向上要观察长达 数十万年的天体演化 短到 s 的瞬间反应 此外 还出现了对深化 物质认识 开拓新能源 新材料等具有重要作用的各种极端技术研 究 如超高温 超低温 超高压 超高真空 超强磁场 超弱磁砀 等等 显然 要获取大量人类感官无法直接获取的信息 没有相适 应的传感器是不可能的 许多基础科学研究的障碍 首先就在于对 象信息的获取存在困难 而一些新机理和高灵敏度的检测传感器的 出现 往往会导致该领域内的突破 一些传感器的发展 往往是一 些边缘学科开发的先驱 物联网传感器早已渗透到诸如工业生产 智能家居 宇宙开发 海洋探测 环境保护 资源调查 医学诊断 生物工程 甚至文物 保护等等极其之泛的领域 可以毫不夸张地说 从茫茫的太空 到 浩瀚的海洋 以至各种复杂的工程系统 几乎每一个现代化项目 都离不开各种各样的传感器 由此可见 物联网传感器技术在发展经济 推动社会进步方面 的重要作用 是十分明显的 世界各国都十分重视这一领域的发展 相信不久的将来 传感器技术将会出现一个飞跃 达到与其重要地 位相称的新水平 2 物联网的发展史物联网的发展史 1999 年 MIT Auto ID Center 提出物联网概念 即把所有物 品通过射频识别等信息传感设备与互联网连接起来 实现智能化识 别和管理 2004 年 日本总务省提出 u Japan 构想中 希望在 2010 年 将日本建设成一个 Anytime Anywhere Anything Anyone 都可以上网的环境 同年 韩国政府制定了 u Korea 战略 韩国信 通部发布的 数字时代的人本主义 IT839 战略 以具体呼应 u Korea 2005 年 11 月 在突尼斯举行的信息社会世界峰会 WSIS 上 国际电信联盟 ITU 发布了 ITU 互联网报告 2005 物联网 报告指出 无所不在的 物联网 通信时代即将来临 世界上所 有的物体从轮胎到牙刷 从房屋到纸巾都可以通过因特网主动进行 交换 射频识别技术 RFID 传感器技术 纳米技术 智能嵌入 技术将到更加广泛的应用 2008 年 11 月 IBM 提出 智慧的地球 概念 即 互联网 物联网 智慧地球 以此做为经济振兴战略 如果在基础建设的执 行中 植入 智慧 的理念 不仅仅能够在短期内有力的刺激经济 促进就业 而且能够在短时间内为中国打造一个成熟的智慧基础设 施平台 2009 年 6 月 欧盟委员会提出针对物联网行动方案 方案明 确表示在技术层面将给予大量资金支持 在政府管理层面将提出与 现有法规相适应的网络监管方案 2009 年 8 月 温家宝总理在无锡考察传感网产业发展时明确 指示要早一点谋划未来 早一点攻破核心技术 并且明确要求尽快 建立中国的传感信息中心 或者叫 感知中国 中心 目前 经国家标准化管理委员会批准 全国信息技术标准化技 术委员会组建了传感器网络标准工作组 标准工作组现聚集了中国 科学院 中国移动通信集团公司等国内传感网主要的技术研究和应 用单位 物联网 概念的问世 打破了之前的传统思维 过去的思路一 直是将物理基础设施和 IT 基础设施分开 一方面是机场 公路 建 筑物 而另一方面是数据中心 个人电脑 宽带等 而在 物联网 时代 钢筋混凝土 电缆将与芯片 宽带整合为统一的基础设施 在此意义上 基础设施更像是一块新的地球工地 世界的运转就在 它上面进行 其中包括经济管理 生产运行 社会管理乃至个人生 活 3 传感器的发展传感器的发展 传感器技术是一项当今世界令人瞩目的迅猛发展起来的高新技 术之一 也是当代科学技术发展的一个重要标志 它与通信技术 计算机技术构成信息产业的三大支柱之一 传感器开始受到普遍重 视 从八十年代起 逐步在世界范围内掀起了一股 传感器热 美国国防部将传感器技术视为今年 20 项关键技术之一 日本把传感 器技术与计算机 通信 激光半导体 超导并列为 大核心枝术 德国视军用传感器为优先发展技术 英 法等国对传感器的开发投 资逐年升级 原苏联军事航天计划中的第五条列有传感器技术 正 是由于世界各国普遍重视和投入开发 传感器发展十分迅速 在近 十几年来其产量及市场需求年增长率均在 10 以上 目前世界上从 事传感器研制生产单位已增到 5000 余家 美国 欧洲 俄罗斯各 自从事传感器研究和生产厂家 1000 余家 日本有 800 余家 从这 一系列的数据调查都表明 传感器一直以来都受到各国的关注并大 力发展它 所以传感器才有了今天的 成功 4 物联网原理物联网原理 物联网的结构可以分为射频识别系统和信息网络系统两个部分 射频识别系统的主要组成部分是标签和读写器 它们通过 RFID 空 中接口进行通信 当读写器获得产品标识后 通过互联网或是其他 的通讯方式将产品标识上传到信息网络系统中的中间件 接着通过 产品命名服务器 ONS 来解析而获取产品的对象名称 再通过 EPC 产品电子代码 信息服务的接口来获取产品信息和服务 信 息网络系统的运行基础是互联网 因此可以将物联网理解成是构架 在互联网基础上的各种物理产品信息服务的总和 物联网的体系结 构主要由信息采集系统 实体描述语言 PML 信息服务器 产品 命名服务器 ONS 和应用管理系统四部分组成 它们的功能说明 如下 1 信息采集系统 信息采集系统是由产品标识 读写器和提 供信息采集软件的机器组成 主要完成对产品的识别以及采集和处 理产品 EPC 码 当存储了 EPC 码的电子标签经过读写器的感应区 域时 读写器将会自动捕获产品 EPC 码 采集到的数据将交给机器 上的信息采集软件进行进一步的处理 如数据过滤 校对和完整性 检查等 这些数据经过整理后就可以被应用层管理系统所使用 2 实体描述语言 PML 信息服务器 PML 信息服务器是 由各种产品的生产商来建立并维护的 他们根据共同的规定原则对 产品进行 EPC 编码 同时使用 XML 对产品的详细信息进行具体的 描述 PML 信息服务器在物联网中的起到作用在于提供对产品原始 信息的描述 并且这种描述是通用 从而便于其他节的访问 3 产品命名服务器 ONS ONS 的主要目的是在各个信 息采集点与 PML 信息服务器之间建立相对应的联系 从而解决从产 品的 EPC 码到产品 PML 描述信息之间的关联问题 4 应用管理系统 应用管理系统是在物联网中与用户最接近 的系统 它通过与信息采集软件之间的接口来获取产品的 EPC 码 并通过 ONS 找到该产品对应的 PML 信息服务器 通过 PML 信息 服务器来获取产品的详细信息 进而实现物流管理 入库管理和产 品跟踪等各种应用功能 5 传感器技术传感器技术 传感器技术是物联网的基础技术之一 处于物联网构架的感知 层 而传感器是一种能把特定的被测信号 按一定规律转换成某种 可用信号输出的器件或装置 以满足信息的传输 处理 记录 显 示和控制等要求 它处于研究对象与检测系统的接口位置 是感知 获取与检测信息的窗口 他提供互联网系统赖以进行决策和处理所 必须的原始数据 按被测量可分为 下面对几种常用传感器进行介绍 1 温度传感器 按敏感元件与被测介质接触与否可分为接触式温度传感器和非 接触式温度传感器 按材料及电子元件特性分为热电阻温度传感器 和热电偶温度传感器 2 湿度传感器 电阻湿度传感器 敏感元件为湿敏电阻 其主要材质一般为电 介质 半导体 有机物及多高子聚合物 电容湿度传感器 敏感元件为湿敏电容 主要材料一般为高分 子聚合物 金属氧化物 这些材料对水分子有较强的吸附能力 吸 附水分的多少随着环境湿度的变化而变化 3 超声波传感器 利用超声波的特性研制而成 超声波是一种振动频率高于声波 的机械波 频率高 波长短 绕射现象小 特别是方向性好 能够 成为射线而定向传播 对液体 固体的穿透本领很大 4 微加速度传感器 5 微气体传感器 6 物联网的主要应用领域物联网的主要应用领域 1 智能家居 智能家居产品融合自动化控制系统 计算机网络 系统和网络通讯技术于一体 将各种家庭设备 如音视频设备 照明 系统 窗帘控制 空调控制 安防系统 数字影院系统 网络家电 等 通过智能家庭网络联网实现自动化 通过中国电信的宽带 固话 和 3G 无线网络 可以实现对家庭设备的远程操控 与普通家居相 比 智能家居不仅提供舒适宜人且高品位的家庭生活空间 实现更 智能的家庭安防系统 还将家居环境由原来的被动静止结构转变为具 有能动智慧的工具 提供全方位的信息交互功能 2 智能医疗 智能医疗系统借助简易实用的家庭医疗传感设备 对家中病人或老人的生理指标进行自测 并将生成的生理指标数据 通过中国电信的固定网络或 3G 无线网络传送到护理人或有关医疗 单位 根据客户需求 中国电信还提供相关增值业务 如紧急呼叫 救助服务 专家咨询服务 终生健康档案管理服务等 智能医疗系 统真正解决了现代社会子女们因工作忙碌无暇照顾家中老人的无奈 可以随时表达孝子情怀 3 智能城市 智能城市产品包括对城市的数字化管理和城市安 全的统一监控 前者利用 数字城市 理论 基于 3S 地理信息系统 GIS 全球定位系统 GPS 遥感系统 RS 等关键技术 深入开发和 应用空间信息资源 建设服务于城市规划 城市建设和管理 服务 于政府 企业 公众 服务于人口 资源环境 经济社会的可持续 发展的信息基础设施和信息系统 后者基于宽带互联网的实时远程 监控 传输 存储 管理的业务 利用中国电信无处不达的宽带和 3G 网络 将分散 独立的图像采集点进行联网 实现对城市安全的 统一监控 统一存储和统一管理 为城市管理和建设者提供一种全 新 直观 视听觉范围延伸的管理工具 4 智能环保 智能环保产品通过对实施地表水水质的自动监测 可以实现水质的实时连续监测和远程监控 及时掌握主要流域重点 断面水体的水质状况 预警预报重大或流域性水质污染事故 解决 跨行政区域的水污染事故纠纷 监督总量控制制度落实情况 太湖 环境监控项目 通过安装在环太湖地区的各个监控的环保和监控传 感器 将太湖的水文 水质等环境状态提供给环保部门 实时监控 太湖流域水质等情况 并通过互联网将监测点的数据报送至相关管 理部门 5 智能交通 智能交通系统包括公交行业无线视频监控平台 智能公交站台 电子票务 车管专家和公交手机一卡通五种业务 公交行业无线视频监控平台利用车载设备的无线视频监控和 GPS 定 位功能 对公交运行状态进行实时监控 智能公交站台通过媒体发 布中心与电子站牌的数据交互 实现公交调度信息数据的发布和多 媒体数据的发布功能 还可以利用电子站牌实现广告发布等功能 电子门票是二维码应用于手机凭证业务的典型应用 从技术实现的 角度 手机凭证业务就是手机 凭证 是以手机为平台 以手机身后 的移动网络为媒介 通过特定的技术实现完成凭证功能 车管专家 利用全球卫星定位技术 GPS 无线通信技术 CDMA 地理信息系 统技术 GIS 中国电信 3G 等高新技术 将车辆的位置与速度 车 内外的图像 视频等各类媒体信息及其他车辆参数等进行实时管理 有效满足用户对车辆管理的各类需求 公交手机一卡通将手机终端 作为城市公交翼卡通的介质 除完成公交刷卡功能外 还可以实现 小额支付 空中充值等功能 测速 E 通通过将车辆测速系统 高清 电子警察系统的车辆信息实时接入车辆管控平台 同时结合交警业 务需求 基于 GIS 地理信息系统通过 3G 无线通信模块实现报警信 息的智能 无线发布 从而快速处置违法 违规车辆 6 智能司法 智能司法是一个集监控 管理 定位 矫正于一 身的管理系统 能够帮助各地各级司法机构降低刑罚成本 提高刑 罚效率 目前 中国电信已实现通过 CDMA 独具优势的 GPSONE 手机定位技术对矫正对象进行