第2章 物联网感知技术

1、第2章 物联网感知技术 2.1常见自动识别技术 1自动识别技术的基本概念 1）识别的基本概念 识别是一个集定义、过程与结果为一体的概念。 识别是人类参与社会活动的基本要求。人们认识 和了解事物的特征及信息就是一种识别，为有差 异的事物命名是一种识别，为便于管理而为一个 单位的每一个人或一个包装箱内的每一件物品进 行编号也是一种识别。 2021-7-121 第2章 物联网感知技术 2）自动识别技术的含义 自动识别( Automatic Identification，Auto-ID)技术是 指通过非人工手段获取被识别对象所包含的标识信 息或特征信息，并且不使用键盘即可实现数据实时 输入计算机或其他

2、微处理器控制设备的技术。 自动识别技术具有如下共同的特点： 准确性自动数据采集，彻底消除人为错误。 高效性信息交换实时进行。 兼容性识别技术以计算机技术为基础，可与信 息管理系统无缝连接。 2021-7-122太原理工大学信息学院 第2章 物联网感知技术 2自动识别技术分类 自动识别技术根据识别对象的特征、识别原理和 方式可以分为两大类，分别是数据采集技术（定 义识别）和特征提取技术（模式识别）。 数据采集技术的基本特征是需要被识别物体具有 特定的识别特征载体（如标签等，仅光学字符识 别例外）；而特征提取技术（特征识别）则根据 被识别物体本身的属性特征和行为特征来完成数 据的自动采集。 202

3、1-7-12太原理工大学信息学院3 第2章 物联网感知技术 3自动识别技术的一般性原理 2021-7-12太原理工大学信息学院4 自动识别技术信息处理系统的模型框图 第2章 物联网感知技术 2.1.1条码自动识别技术条码自动识别技术 1条码的符号表示及结构条码的符号表示及结构 1）条码的编码 条码是利用“条”和“空”构成二进制的“0”和 “1”，并以它们的组合来表示某个数字或字符， 反映某种信息的。但不同码制的条码在编码方式 上有所不同，一般有以下两种不同的编码方式。 2021-7-12太原理工大学信息学院5 第2章 物联网感知技术 宽度调节编码法 宽度调节编码法，即条码符号中的条和空由宽、

4、窄两种单元组成的条码编码方法。按照这种方式 编码时，是以窄单元（条或空）表示逻辑值“0”， 宽单元（条或空）表示逻辑值 “1”，其中，宽 单元通常是窄单元的2 3倍。 2021-7-12太原理工大学信息学院6 第2章 物联网感知技术 模块组配编码法 模块组配编码法，即条码符号的字符由规定的若 干个模块组成的条码编码方法。按照这种方式编 码，条与空是由模块组合而成的，一个模块宽度 的“条”模块，表示二进制的“1”；而一个模块 宽度的“空”模块，表示二进制的“0”。 2021-7-12太原理工大学信息学院7 第2章 物联网感知技术 2021-7-12太原理工大学信息学院8 图1-2 RFID系统的

5、组成图1-2 RFID系统的组成图1-2 RFID系统的组成图1-2 RFID系统的组成图1-2 RFID系统的组成 2）条码的符号结构 码符号通常由左右侧空白区、起始字符、数据字 符、校验字符、终止字符等构成。 第2章 物联网感知技术 2条码的种类及主要码制介绍 条码可分为一维条码和二维条码。一维条码必须 与计算机的数据库联系起来应用；二维条码比一 维条码包含更多的信息容量，自身可以携带文字 信息，如商品的制造厂家、名称、生产日期、图 书分类号、邮件起止地点、类别、日期等信息， 它不需要与计算机数据库联系就能翻译出条码的 含义。 2021-7-12太原理工大学信息学院9 第2章 物联网感知技

6、术 1）一维条码 一维条码是通常我们所说的传统条码，按其应用 可分为商品条码和物流条码，商品条码包括EAN 码和UPC码；物流条码包括128码、39码、库德巴 (Coda bar)码等。 2021-7-12太原理工大学信息学院10 EAN13商品条码举例 第2章 物联网感知技术 2021-7-12太原理工大学信息学院11 EAN/UCC-13码的结构说明码的结构说明 EAN/UCC-13码的结构说明 名称名称描描 述述备备 注注 国家代码 （前缀码） 由23位数字（X13X12 或X13X12X11） EAN已将690695分配给中国使用 厂商代码由79位数字组成 由中国物品编码中心负责分配和

7、管理，统一分配、注册，因此，编码中心有责 任确保每个厂商的识别代码在全球范围内是惟一的 产品代码由35位数字组成 由厂商负责编制，由3位数字组成的商品项目代码有000999，共有1000个编 码容量，可标识1000种商品；同理，由4位数字组成的商品项目代码可标识 10000种商品；由5位数字组成的商品项目代码可标识100000种商品 校正码 （校验位） 根据编码规则计算得出 第2章 物联网感知技术 2） 二维条码 二维条码根据其构成原理、结构形状的差异，可分为两 大类型：一类是行排式二维条码( 2D Stacked Bar Code)； 另一类是矩阵式二维条码(2D Matrix Bar Co

8、de)。 行排式二维条码（又称堆积式二维条码或层排式二维条 码），其编码原理是建立在一维条码基础上，按其需要 堆积成二行或多行的。 矩阵式二维条码（又称棋盘式二维条码）是在一个矩 形空间内，通过黑、白像素在矩阵中的不同分布进行编 码的。在矩阵相应元素位置上，用点（方点、圆点或其 他形状）的出现表示二进制的“1”，点的不出现表示 二进制的“0”，点的排列组合确定了矩阵式二维条码 所代表的意义。 2021-7-12太原理工大学信息学院12 第2章 物联网感知技术 2021-7-12太原理工大学信息学院13 典型的二维条码 第2章 物联网感知技术 2.1.2射频自动识别技术 1RFID系统的构成 R

9、FID系统包括：射频（识别）标签、射频识别读 写设备（读写器）、应用软件。 2021-7-12太原理工大学信息学院14 RFID应用系统的结构图 第2章 物联网感知技术 2RFID系统的基本工作原理 RFID技术的基本工作原理是由读写器发射特定频 率的无线电波能量，当射频标签进入感应磁场后， 接收读写器发出的射频信号凭借感应电流所获得 的能量，发送出存储在芯片中的产品信息 （Passive Tag，无源标签或被动标签），或者由标 签主动发送某一频率的信号（Active Tag，有源标 签或主动标签），读写器读取信息并解码后，送 至中央信息系统进行有关数据处理。 2021-7-12太原理工大学信

10、息学院15 第2章 物联网感知技术 RFID系统的基本工作原理示意图 2021-7-12太原理工大学信息学院16 第2章 物联网感知技术 2.1.3 卡类自动识别技术 1卡类识别技术的分类 2021-7-12太原理工大学信息学院17 下面重点介绍磁卡技术和IC卡技术。 第2章 物联网感知技术 1) 磁卡技术 磁卡(Magnetic Card)是利用磁性载体来记录信息的，磁卡 技术应用了物理学和磁力学的基本原理。常见的磁性载 体通常以液体磁性材料或磁条为信息载体，通常将液体 磁性材料涂覆在卡片上（如存折，见图2-17）；或将宽 614mm的磁条压贴在卡片上(如银行卡）。 2021-7-12太原理

11、工大学信息学院18 第2章 物联网感知技术 2) IC卡技术 是将一个微电子芯片嵌入符合ISO 7816标准的卡基中， 做成卡片形式，利用集成电路的可存储特性，保存、 读取和修改芯片上的信息。 IC卡的主要特性： 存储容量大，其内部可含RAM、ROM、EPROM、 EEPROM等存储器，存储容量从几字节到几兆字节。 体积小，重量轻，抗干扰能力强，便于携带。 安全性高，在无源情况下数据也不会丢失，数据的 安全性和保密性都非常好。 智能卡与计算机系统相结合，可以方便地满足对各 种各样信息的采集、传送、加密和管理的 2021-7-12太原理工大学信息学院19 第2章 物联网感知技术 IC卡的种类：

12、IC卡按通信方式可分为接触式IC卡、非接触式IC卡。 2021-7-12太原理工大学信息学院20 第2章 物联网感知技术 接触式IC卡： 接触式IC卡是通过读写设备的触点与IC卡的触点接 触后，进行数据的读写。 按芯片的类型，接触IC卡可分为4种类型，即存储 器卡、逻辑加密卡、CPU卡和超级智能卡。 非接触式IC卡（射频卡）： 非接触式IC卡与读写设备无电路接触，而是通过 非接触式的读写技术进行读写（例如光或无线技 术）。相关技术在第3章介绍。 2021-7-12太原理工大学信息学院21 第2章 物联网感知技术 2卡类识别技术基础 1) 磁卡技术基础 磁记录原理 磁条上数据的存储就是靠改变磁条

13、上氧化粒子的磁性 来实现的。在数据的写入过程中，需要输入的数据首 先通过“编码器”变换成二进制的机器代码，然后控 制器控制的“磁头”在与磁条的相对移动过程中，改 变磁条磁性粒子的极性来实现数据写入。数据的读出 是“磁头”先读出机器代码，再通过“译码器”还原 成人们可识读的数据信息。 2021-7-12太原理工大学信息学院22 第2章 物联网感知技术 磁条和磁道 磁卡的一面印刷有说明提示性的信息，如插卡方向等；另一 面则有磁层或磁条，具有23个磁道以记录有关信息数据。 磁道(Track)：磁条上存储信息的分区叫磁道，如下图所示。 2021-7-12太原理工大学信息学院23 第2章 物联网感知技术

14、 磁道的格式和内容 磁道的应用分配一般是根据特殊的使用要求而定制的，如 银行系统、证券系统、门禁控制系统、身份识别系统、驾 驶员驾驶执照管理系统等，都会对磁卡上3个磁道提出不 同的应用格式，如下图所示。 2021-7-12太原理工大学信息学院24 第2章 物联网感知技术 2) IC卡技术基础 接触式IC卡 接触式IC卡的结构 IC卡接口电路作为IC卡与卡 内 CPU的惟一通道，为保 证通信和数据交换的安全 与可靠。 2021-7-12太原理工大学信息学院25 第2章 物联网感知技术 接触式IC卡的工作原理 接触式IC卡获取工作电压的方法为接触式IC卡通过 其表面的金属电极触点将卡的集成电路与外

15、部接 口电路直接接触连接，由外部接口电路提供卡内 集成电路工作的电源。 接触式IC卡与读写器交换数据的原理为接触式IC卡 通过其表面的金属电极触点将卡的集成电路与IC 接口电路直接接触连接，通过串行方式与读卡器 交换数据（通信）。 2021-7-12太原理工大学信息学院26 第2章 物联网感知技术 2.1.4 生物特征自动识别技术 1生物特征识别技术的基本原理 生物特征识别技术的核心在于如何获取这些生物特征，并 将之转换为数字信息，存储于计算机中，再利用可靠的匹 配算法来完成识别与验证个人身份的过程。 1) 基本原理 生物特征识别技术的原理，如下图。 2021-7-12太原理工大学信息学院27

16、 第2章 物联网感知技术 2) 生物特征识别技术的特点 生物特征识别技术的特点，决定了该技术是个人 身份鉴别的有效手段。其主要特点如下：普遍性、 惟一性、稳定性、不可复制性。 利用生物特征进行身份验证的方法，无需依赖于 各种人造的和附加的物品来证明人的自身，而用 来证明自身的，恰恰是人的本身。所以，它不会 丢失、不会遗忘、很难伪造和假冒，是一种“只 认人、不认物”的、方便安全的保安手段。 2021-7-12太原理工大学信息学院28 第2章 物联网感知技术 2生物特征识别技术的主要内容生物特征识别技术的主要内容 1)指纹 2) 掌纹 3) 眼睛 虹膜识别 视网膜识别 4) 面部 5) 语音 6)

17、 签名 7) DNA 8) 其他：有通过静脉、耳朵形状、按键节奏、身体气味、 行走步态等。 2021-7-12太原理工大学信息学院29 第2章 物联网感知技术 5类主要的人体生物特征的自然属性类主要的人体生物特征的自然属性 2021-7-12太原理工大学信息学院30 自然属性自然属性 特性特性 虹膜虹膜指纹指纹面部面部DNA静脉静脉 惟一性 因人而异因人而异因人而异同卵双胞胎相同惟一性 稳定性 终身不变终身不变随年龄段改变终身不变终身不变 抗磨损性 不易磨损易磨损较易磨损不受影响不受影响 痕迹残留 不留痕迹接触时流痕迹不留痕迹体液、细胞中含有不留痕迹 第2章 物联网感知技术 2.1.5 图像自

18、动识别技术 1数字图像处理的层次与基本特点 1) 数字图像处理的三个层次 从狭义上讲，数字图像处理是直接对图像进行变 换及分析处理；而从广义上讲，数字图像处理分 成三个层次，即图像识别技术系统在获得图像后， 可以对其进行三方面的操作：图像处理、图像识 别（分析）和图像理解，如下图。 2021-7-12太原理工大学信息学院31 第2章 物联网感知技术 图像处理、图像识别和图像理解 2021-7-12太原理工大学信息学院32 第2章 物联网感知技术 2光符识别技术 光学字符识别( Optical Character Recognition，OCR) 技术是指对文本资料进行扫描，然后对图像文件 进行

19、分析处理，获取文字及版面信息的过程。 OCR技术已有30多年历史，近几年来，又出现了 图像字符识别(Image Character Recognition，ICR)技 术和智能字符识别(Intelligent Character Recognition， ICR)技术，实际上，这三种自动识别技术的基本原 理是大致相同的。 2021-7-12太原理工大学信息学院33 第2章 物联网感知技术 一个OCR系统，从影像到结果输出，必须经过影 像输入、影像前处理、文字特征抽取、比对识别， 然后经人工校正将认错的文字更正，最后将结果 输出。 2021-7-12太原理工大学信息学院34 第2章 物联网感知技

20、术 2.2 传感器技术 2.2.1传感器概述 传感器是获取自然领域中信息的主要途径与手段。 人通过五官（视、听、嗅、味、触）接受外界的 信息，经过大脑的思维（信息处理），做出相应 的动作。而用计算机控制的自动化装置来代替人 的劳动，则可以说电子计算机相当于人的大脑 （一般俗称电脑），而传感器则相当于人的五官 部分（“电五官”）。 2021-7-12太原理工大学信息学院35 第2章 物联网感知技术 人体系统与机器系统的对比 2021-7-12太原理工大学信息学院36 第2章 物联网感知技术 传感器的作用： 传感器实际上是一种功能块，其作用是将来自外 界的各种信号转换成电信号。如图所示。 2021

21、-7-12太原理工大学信息学院37 第2章 物联网感知技术 2.2.2微机电系统（MEMS） 微机电系统是指可批量制 作的，集微型机构、微型 传感器、微型执行器以及 信号处理和控制电路、直 至接口、通信和电源等于 一体的微型器件或系统， 如图所示。 2021-7-12太原理工大学信息学院38 第2章 物联网感知技术 MEMS的特点是： 1）微型化：MEMS器件体积小、重量轻、耗能低、惯性小、 谐振频率高、响应时间短。 2）以硅为主要材料，机械电器性能优良：硅的强度、硬度 和杨氏模量与铁相当，密度类似铝，热传导率接近钼和钨。 3）批量生产：用硅微加工工艺在一片硅片上可同时制造成 百上千个微型机电装置或完整的MEMS。 4）集成化：可以把不同功能、不同敏感方向或致动方向的 多个传感器或执行器集成于一体，或形成微传感器阵列、 微执行器阵列，甚至把多种功能的器件集成在一起，形成 复杂的微系统。 5）多学科交叉：MEMS涉及电子、机械、材料、制造、信息 与自动控制、物理、化学和生物等多种学科，并集约了当 今科学技术发展的许多尖端成果。 2