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。2022-1-271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微处理器控制设备的技术。

2、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。2022-1-272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。2022-1-27太原理工大学信息学院3第2章 物联网

3、感知技术3自动识别技术的一般性原理 2022-1-27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。 2022-1-27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、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

4、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。2022-1-27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”。2022-1-27太原理工大学信息学院7第2章 物联网感知技术2022-1-27太原理工大学信息学院8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系统的组成图1-2

5、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。 2022-1-27太原理工大学信息学院9第2章 物联网感知技术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

6、条码包括128码、39码、库德巴(Coda bar)码等。2022-1-27太原理工大学信息学院10EAN13商品条码举例第2章 物联网感知技术2022-1-27太原理工大学信息学院11EAN/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0

7、00999，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 Code)。 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

8、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。2022-1-27太原理工大学信息学院12第2章 物联网感知技术2022-1-27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 RFID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。2022-1-27太原理工大学信息学院14RFID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

9、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。2022-1-27太原理工大学信息学院15第2章 物联网感知技术 RFID系统的基本工作原理示意图2022-1-27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2022-1-27太原理工大学信息学院17下面重点介绍磁

10、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）。2022-1-27太原理工大学信息学院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、EEP

11、ROM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2022-1-27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：IC卡按通信方式可分为接触式IC卡、非接触式IC卡。2022-1-27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

12、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。2022-1-27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。2022-1-27太原理工大学信息学院

13、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。2022-1-27太原理工大学信息学院23第2章 物联网感知技术 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。2022-1-27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

14、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。2022-1-27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）。2022-1-27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

15、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。2022-1-27太原理工大学信息学院27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。20

16、22-1-27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) 签名7) DNA8) 其他：有通过静脉、耳朵形状、按键节奏、身体气味、 行走步态等。2022-1-27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2022-1-27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

17、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。2022-1-27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2022-1-27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

18、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。2022-1-27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

19、人工校正将认错的文字更正，最后将结果输出。2022-1-27太原理工大学信息学院34第2章 物联网感知技术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”）。2022-1-27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2022-1-27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

20、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。2022-1-27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。2022-1-27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。202