第2章_感知层

第2章感知层,感知层是物联网的基础，有大量的具有感知、通信、识别能力的智能物体（即各种传感器、RFID芯片、GPS终端设备、智能家电等，也称为感知节点）组成。,感知层含义,1、传感器,传感器结构,传感器定义：一种能感受规定的被测量件，并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。,传感器类型及其功能,力传感器,温湿度传感器,光电传感器,2、RFID与自动识别技术,1）磁卡识别技术,磁卡是一种卡片状的磁性记录介质，利用磁性载体记录字符和数字信息，与各种磁卡读写器配合，用来标识身份或其他用途。,特点及应用：,磁卡可方便地写入、储存、改写信息内容，使用方便，成本低。可用于信用卡、银行卡、社保卡、证券交易卡、地铁卡。,磁卡工作原理,磁条是由一些微小的磁粒（铁磁材料）附着于类似塑料胶带上形成的，铁磁材料是一种在外部磁场移走以后仍然可以保留磁性的物质。,磁粒极性N-S，S-N,磁头磁通量变化,线圈等效电感抗变化,检测电压变化,2)IC卡识别技术,IC卡(IntegratedCircuit，简称IC卡)，即集成电路卡，是将集成电路芯片镶嵌于塑料基片的指定位置上，以存储、读取和修改信息。,便于携带、存储量大、保密性好、无法被破译及仿造。已被广泛应用于金融、交通、通讯、医疗、身份证明等众多领域。,特点及应用：,IC卡内部结构,串行E2PROM芯片AT24C02,IC卡触点位置,IC卡触点位置,IC卡触点功能定义,IC卡工作原理,读卡器,IC卡,通过I2C总线协议，实现读卡器与IC卡实现数据传输。,3)RFID射频识别技术,4部分：电子标签阅读器射频天线后台计算机,RFID系统的组成,定义：电子标签，也称射频卡（RadioFrequency，简称RF卡）或应答器，装设在被识别的物体对象上。组成：“耦合元件+芯片”，其中包含带加密逻辑、电可擦除、可编程只读存储器EEPROM、微处理器CPU、射频收发及相关电路。,电子标签,功能：电子标签具有智能读写和加密通信的功能。通过无线电波与读写设备进行数据交换，工作的能量是由阅读器发出的射频脉冲提供。特点：每个电子标签具有唯一的EPC标识，利用阅读器，可以方便、精确的了解物品信息。,RFID标签结构示意图,阅读器(Reader),定义：阅读器，也称为读写器、查询器、读卡器等功能：主要负责将主机的读写命令加密后传送到电子标签，将电子标签返回的数据初始化、解密后送到主机。,组成：主要由收发模块+控制模块（微处理器）+接口电路+天线等4部分组成。,定义：是一种以电磁波的形式把前端射频功率信号接收进来或辐射出去的装置，是电路与空间的界面器件。功能：实现行波与自由空间波能量的转化。类型：电子标签天线和读写器天线。电子标签天线和电子标签集成为一体，负责接收能量；读写器天线既可内置于读写器中，也可以通过同轴电缆与读写器的射频输出端口相连，用来发射能量。,后台处理机即主计算机系统。RFID通过阅读器的RS232或RS485标准接口与后台处理机连接，进行数据交换。功能：主要完成数据信息的存储及管理、对电子标签进行读写和控制和管理等功能。,天线(Antenna),后台处理机(Processor),RFID系统的工作原理,RFID工作原理示意图,安装在固定位置的阅读器通过发射天线发送一定频率的射频信号，当装设有电子标签的设备进入发射天线工作区域时，电子标签内产生感应电流，获得能量被激活；电子标签将自身编码等信息通过卡内置发送天线发送出去；系统接收天线接收到电子标签发送来的载波信号，经天线调节器传送到阅读器，阅读器对接收的信号进行解调和解码，送到后台主系统进行相关处理；主系统根据逻辑运算判断该卡的合法性，针对不同的设定做出相应的处理和控制，发出指令信号控制执行机构动作。,3、定位技术,定义：是指用来判定移动用户位置的测量和计算方法，即定位算法。简单地说，就是通过对接收到的无线电波的一些参数进行测量，再利用定位算法计算出被测目标的具体位置。类型：室外全球定位技术和室内近距离定位技术。,（1）室外全球GPS定位系统,定义：GPS（GlobalPositionSystem）是以人造卫星为基础的无线电导航定位系统，是目前世界上最常用的卫星导航系统。,全球4大定位系统：GNSS(全星球导航定位系统)：美国1994年建成，耗资300亿美元。GLONASS（格洛纳斯）：俄罗斯2007建成，耗资30多亿美元。“伽利略计划”：欧盟2008年运营，耗资30多亿美元。北斗卫星导航系统：中国，2012年末，自主研发。,GPS系统由3个独立部分组成：,卫星空间部分、地面监控部分和用户GPS接收机三部分组成。,卫星空间部分：,由24颗人造卫星构成，其中21颗工作，3颗备用。,24颗卫星均匀分布在6个轨道面上，使地球表面任何地方在任一时刻都有至少6颗卫星在视线之内，可达到准确定位和跟踪。,地面监控部分：,由1个主控站、5个监测站、4个地面天线组成。负责收集由卫星传回的信息，并计算卫星星历、相对距离，大气校正等数据。,用户设备部分：,即用户GPS信号接收机，主要功能是接收GPS卫星发射的信号，以获得必要的导航和定位信息，经数据处理，完成导航和定位工作。,GPS使用24颗人造卫星所形成的网络来三角定位接收器的位置，并提供经纬度坐标，可以达到准确定位。但GPS定位的位置需要在可看见人造卫星或轨道所经过的地方，因此只用于室外定位。,定位原理：,定位点的观测方程,(x,y,z)为待求的接收机位置，di为卫星到接收机的距离，(xi,yi,zi)为卫星瞬时位置（由星历计算得到）。,x公里？t秒？,卫星信号是电磁波，以光速传播。,卫星距地面很远，轨道高度为20200km。,如何求算电磁波信号传播时间？,t0:卫星发出码信号,t0:接收机同步产生相同的码信号,t1:接收机接收到卫星信号,GPS信号时间延迟t=码元宽度tu移位数,星站距离=光速码元宽度tu移位数,传输一个bit所需要的时间。tu=1/ff是信号传输频率，已知数。,（2）室内定位技术,红外线和超声波测距定位技术,室内定位技术主要有红外线/超声波定位技术、ZigBee/UWB定位技术、RFID定位技术、Wi-Fi/蓝牙定位技术等。,超声波UW(UltrasonicWave)的定位原理：与GPS基本相同，但采用反射法测距。即发射超声波并接收由被测物反射的回波，根据回波与发射波的时间差计算出待测距离。特点：整