物联网技术导论备课笔记

1、精选优质文档-倾情为你奉上第一章 物联网概论基本要求1.理解物联网的基本概念2.了解物联网技术的发展历程3.调研物联网的典型应用4.收集网络视频，了解物联网的特性。1.1物联网的概念近几年来，伴随着网络技术、通信技术、智能嵌入技术的迅速发展，“物联网”一词频繁的出现在世人眼前。作为下一代网络的重要组成部分之一，物联网概念的提出，受到了学术界、工业界的广泛关注，特别是它在刺激世界经济复苏和发展方面的预期作用，引起了欧、美、日、韩等发达国家的重视，从美国IBM的“智慧地球”到我国的“感知中国”，各国纷纷制定了物联网发展规划并付诸于实施。业界专家普遍认为，物联网技术将会带来一场新的技术革命，它是继个

2、人计算机、互联网及移动通信网络之后的全球信息产业的第三次浪潮。物联网的概念由于目前对于物联网的研究尚处于起步阶段，物联网的确切定义尚未统一。物联网一般的英文名称为“Internet ofThings”。顾名思义，物联网就是一个将所有物体连接起来所组成的物-物相连的互联网络。物联网，作为新技术，定义千差万别。一个普遍被大家接受的定义为：物联网是通过使用射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）、传感器、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息采集设备，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

3、一种网络。物联网的定义物联网是指通过信息传感设备按照约定的协议，把任何物品与信息网络连接起来，进行信息交以实现智能化的识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络，它是在互联网基础上的延伸和扩展的网络。物联网= 物理世界与信息网络的无缝连接物联网的特征：1 全面感知“感知”是物联网的核心。物联网是具有全面感知能力的物品和人所组成的，为了使物品具有感知能力，需要在物品上安装不同类型的识别装置，例如：电子标签（Tag）、条形码与二维码等，或者通过传感器、红外感应器等感知其物理属性和个性化特征。利用这些装置或设备，可随时随地获取物品信息，实现全面感知。2可靠传递数据传递的稳定性和可靠性是保证物-物相连的关

4、键。为了实现物与物之间信息交互，就必须约定统一的通信协议。由于物联网是一个异构网络，不同的实体间协议规范可能存在差异，需要通过相应的软、硬件进行转换，保证物品之间信息的实时、准确传递。3智能处理物联网的目的是实现对各种物品（包括人）进行智能化识别、定位、跟踪、监控和管理等功能。这就需要智能信息处理平台的支撑，通过云计算、人工智能等智能计算技术，对海量数据进行存储、分析和处理，针对不同的应用需求，对物品实施智能化的控制。1.2 物联网的起源与发展物联网概念的起源可以追溯到1995年，比尔盖茨在未来之路一书中对信息技术未来的发展进行了预测1998年，麻省理工学院（MIT）提出基于RFID技术的唯一

5、编号方案，即产品电子代码（Electronic ProductCode，EPC），并以EPC为基础，研究从网络上获取物品信息的自动识别技术。1999年，美国自动识别技术（AUTO-ID）实验室首先提出“物联网”的概念。物联网概念的正式提出是在国际电信联盟（ITU）发布了ITU互联网报告2005：“The Internet of Things”报告中。u 2007年，美国率先在马萨诸塞州剑桥城打造全球第一个全城无线传感网。u 2009年1月IBM首席执行官彭明盛提出“智慧地球”的概念u 2009年6月，欧盟委员会正式提出了欧盟物联网行动计划u 1999年，中科院就启动了传感网的研究u 2009年

6、8月7日，温家宝总理在无锡微纳传感网工程技术研发中心视察并发表重要讲话，提出了“感知中国”的理念u 2010年物联网新专业设立u物联网发展面临的问题n 标准统一化问题n 协议与安全问题n 核心技术n 商业模式与产业链问题n 配套政策和规范的制定与完善1.3 物联网的应用l 物联网应用层主要面向用户需求，利用所获取的感知数据，经过前期分析和智能处理，为用户提供特定的服务。l 目前，物联网应用的研究已经扩展到智能交通、智能物流、智能电网、环境监测、金融安防、工业监测、智能家居、医疗健康等多个领域。1.4 本章小结本章主要讲述了：物联网的基本概念、物联网的起源与国内外发展状况以及物联网的主要应用领域

7、。从物联网的概念出发，首先给出了物联网的定义、特征，解析了物联网中“物”的涵义，然后，对目前普遍存在的几种物联网概念的诠释进行了辨析。随后，介绍了物联网得起源和发展过程，详细描述了物联网在我国的发展现状，分析了存在的问题。最后，介绍了物联网的主要应用领域。第二章 物联网体系结构本章内容2.1 物联网体系结构概述2.2 物联网体系结构的基本组成2.3 物联网关键技术2.4 已有物联网相关应用架构2.1 物联网体系结构概述认识任何事物都要有一个从整体到局部的过程，尤其对于结构复杂、功能多样的系统。首先需要对它的整体结构有所了解，然后才能进一步的去讨论其中的细节。体系架构是指导具体系统设计的首要前提

8、。物联网应用广泛，系统规划和设计极易因角度的不同而产生不同的结果，因此急需建立一个具有框架支撑作用的体系架构。另外，随着应用需求的不断发展，各种新技术将逐渐纳入物联网体系中，体系架构的设计也将决定物联网的技术细节、应用模式和发展趋势。物联网可以抽象划分成广泛分布的感知设备、物联网中间件、上层应用三个层次，如图2-2所示2.2 物联网体系结构的基本组成由物联网特点可知，物联网具有很强的异构性，为实现异构设备之间的互联、互通与互操作，物联网需要以一个开放的、分层的、可扩展的网络体系结构为框架。目前，国内外的研究人员在描述物联网的体系结构时，差异很大。如：ITU-T在Y. 2002的自下而上分为底层

9、泛在感知网络、异构网络接入层、骨干传输网、网络中间件、泛在网络应用平台5层结构。通用四层物联网体系结构，包含感知控制层、数据传输层、数据管理与组织层、应用决策层。通用四层结构通用四层结构感知控制层：它是物联网发展和应用的基础，包括RFID读写器、智能传感节点和接入网关等组成。各种传感节点通过感知目标环境的相关信息，并自行组网传递到网关接入点，网关将收集到的数据通过互联网络提交到后台处理。数据传输层：主要负责通过各种接入设备实现互联网、移动通信网等不同类型的网络融合。此外，还提供路由、格式转换、地址转换等功能。数据的动态组织与管理层：实现感知数据的语义理解、推理、决策以及提供数据的查询、存储、分

10、析、挖掘等。云计算为感知数据的存储、分析提供了很好的平台，是信息处理的重要组成部分，也是应用层各种应用的基础。应用决策层：物联网应用层利用经过分析处理的感知数据，为用户提供多种不同类型的服务。物联网的应用可分为监控型（物流监控、污染监控），控制型（智能交通、智能家居），扫描型（手机钱包、高速公路不停车收费）等。2.3 物联网关键技术物联网是继互联网后又一次技术的革新，代表着未来计算机与通信的发展方向。这次革新也取决于一些重要领域的动态技术创新，从RFID、EPC、传感技术到认知网络、云计算等。物联网发展的关键技术如图2-12所示，其中负责物体标识的RFID技术、感知物体动态信息的传感器技术、实

11、现信息传递的通信技术和网络融合技术、信息处理的智能技术我们称之为物联网的四大关键技术。2.4 已有物联网相关应用架构目前，具有代表性的物联网架构主要可以分为三类：(1) 基于传感器技术的无线传感网体系结构；(2) 基于互联网和射频识别技术的EPC、UID系统；(3) 学术界和企业提出的M2M、CPS系统框架。下面我们就分别介绍这些相关应用框架WSN：EPC/UID系统：2.5 物联网的反馈与控制“某日小张正在公司上班，突然手机收到震动了铃声提示原来是家中无人时门被打开，门磁侦测到有人闯入，则将闯入报警通过无线网关发送给主人小张的手机，手机收到信息发出震动铃声提示，小张确认后发出控制指令，电磁门

12、锁自动落锁并触发无线声光报警器发出报警。”这一场景成果实现了物联网的感、联、智、控四种属性。这四种属性形成了一个完整的反馈控制系统。2.5.1自动控制的基本原理与方式自动控制的概念及应用反馈控制系统的基本组成自动控制系统的基本控制方式自动控制的概念及应用：自动控制是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（称控制装置或控制器），使机器、设备或生产过程（统称被控对象）的某个工作状态或参数（即被控量）自动地按照预定的程序运行。反馈控制定义反馈把取出输出量送回到输入端，并与输入信号相比较产生偏差信号的过程，称为反馈。分为负反馈和正反馈。反馈控制就是采用负反馈并利用偏差进行控制的过程，而且，由

13、于引入了被控量的反馈信息，整个控制过程成为闭合过程，因此反馈控制也称闭环控制。反馈控制原理反馈控制系统组成测量元件：检测被控制的物理量，并将其转换为电量。给定元件：给出与期望的被控量相对应的系统输入量。比较元件：把测量元件检测的被控量实际值与给定元件给出的参据量进行比较，求出它们之间的偏差。放大元件：将比较元件给出的偏差信号进行放大，用来推动执行元件去控制被控对象。执行元件：直接推动被控对象，使其被控量发生变化。校正元件：也叫补偿元件，用串联或反馈的方式连接在系统中，以改善系统性能。自动控制系统的基本控制方式反馈控制方式方式：按偏差进行控制。特点：减小或消除这个偏差作用：具有抑制任何内、外扰动

14、对被控量产生影响的能力，有较高的控制精度。问题：系统使用的元件多、结构复杂，设计麻烦。自动控制系统的基本控制方式开环控制方式方式：是指控制装置与被控对象之间只有顺向作用而没有反向联系的控制过程。特点：是系统的输出量不会对系统的控制作用发生影响。设计简单。作用：可以按给定量控制，也可以按扰动控制。缺点：按扰动控制方式只适合扰动可测的场合，且一个补偿能力单一。自动控制系统的基本控制方式复合控制方式方式：把两者结合起来，对主要扰动采用适当补偿的装置实现按扰动控制，同时再组成反馈控制系统实现按偏差控制，以消除其余扰动产生的偏差。特点：系统的主要扰动已被补偿，反馈控制系统就比较容易被设计，控制效果也会更

15、好。2.5.2 物联网系统的控制论解析2.5.3物联网的控制特性2.5.4控制理论在物联网中的应用前景物联网系统的控制论解析联了物联网控制系统的测量、比较、执行等三大部件，这三大部件又在“联”这种网络平台上得以相互作用，形成了“控制系统”，最终实现了“控”的目的物联网的控制特性u 鲁棒性u 保安性u 可信性u 时延性控制理论在物联网中的应用前景物联网的控制系统一定是一个计算机参与的离散控制系统，将离散控制理论的分析方法引入物联网系统的分析、研究和设计过程中，能够使这一过程更加科学、合理，对系统的各种性能将有一个更准确的判断，同时也便于进行仿真分析。第3章 传感器技术传感器作用Ø 在人

16、们的生产和生活中，我们经常要和各种物理量和化学量打交道，例如经常要检测长度、重量、压力、流量、温度、化学成分等。Ø 在生产过程中，生产人员往往依靠仪器、仪表来完成检测任务。Ø 这些检测仪表都包含有或者本身就是敏感元件，能很敏锐地反映待测参数的大小。Ø 在为数众多的敏感元件中，我们把那些能将非电量形式的参量转换成电参量的元件叫作传感器。传感器输出电量传感器输出电量有很多种形式，如电压、电流、电容、电阻等，输出信号的形式由传感器的原理确定。通常，传感器由敏感元件和转换元件组成（如图3-1所示）。其中，敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分；转换元件是指传感器

17、中能将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号的部分。由于传感器输出信号一般都很微弱，需要有信号调理与转换电路进行放大、运算调制等，此外信号调理转换电路以及传感器的工作必须有辅助的电源，因此信号调理转换电路以及所需的电源都应作为传感器组成的一部分。随着IC发展，传感器的信号调理转换电路与敏感元件通常会集成在同一芯片上，安装在传感器的壳体里。传感器的特性传感器的静态特性是指被测量的值处于稳定状态时的输出/输入关系。衡量静态特性的重要指标是线性度、灵敏度、迟滞和重复性等。线性度 灵敏度迟滞性 重复性传感器的动态特性往往可以从时域和频域两个方面采用瞬态响应法和频率响应法来分析。传感器的

18、发展趋势当前传感器技术的发展趋势主要是微型化、智能化、多样化，主要形式有微型传感器、智能传感器、纳米传感器等。传感器的应用领域传感器在军事、交通、化学、环保、能源、海洋开发、遥感、宇航等不同领域的需求与日俱增，其应用的领域已渗入到国民经济的各个部门以及人们的日常文化生活之中 。例如要使机器人和人的功能更为接近，以便从事更高级的工作，要求机器人具有判断能力，这就要给机器人安装物体检测传感器，特别是视觉传感器和触觉传感器，使机器人通过视觉对物体进行识别和检测，通过触觉对物体产生压觉、力觉、滑动和重量的感觉。这类机器人被称为智能机器人，它不仅可以从事特殊的作业，而且一般的生产、事务和家务，全部可由智

19、能机器人去处理。传感器的分类传感器一般是根据物理学、化学、生物学等特性、规律和效应设计而成的，同一种被测量可以用不同类型的传感器来测量，而同一原理的传感器又可测量多种物理量，因此传感器有许多种分类方法。根据被测对象进行划分，常见的有温度传感器、湿度传感器、压力传感器、位移传感器、加速度传感器。按照原理分类:电学式传感器：电学式传感器是非电量电测技术中应用范围较广的一种传感器，常用的有电阻式传感器、电容式传感器、电感式传感器、磁电式传感器及电涡流式传感器等磁学式传感器是利用铁磁物质的一些物理效应而制成的，主要用于位移、转矩等参数的测量。传感器技术原理传感器技术是一门知识密集型技术，涉及多种学科，

20、其技术原理各种各样。根据传感器工作原理我们可以分为应变式、电容式、压电式、磁电式等。应变式传感器原理电容式传感器电容式传感器以各种类型的电容器作为敏感元件，将被测物理量的变化转换为电容量的变化，再由转换电路(测量电路)转换为电压、电流或频率，以达到检测的目的常见的电容传感器的应用有电容式位移传感器、电容式物位传感器、电容式指纹传感器等由公式3-23可知，在 三个参量中，改变其中任意一个量，均可使电容量C改变。也就是说，如果被检测参数(如位移、压力、液位等)的变化引起 三个参量中之一发生变化，就可利用相应的电容量的改变实现参数测量。据此，电容式传感器可分为变极距型、变面积型和变介质型三种类型。1

21、.变极距型电容传感器原理变极距型电容式传感器的优点是灵敏度高，可以进行非接触式测量，并且对被测量影响较小，所以适宜于微位移的测量。2.变面积型电容传感器原理变面积型电容传感器的优点是输入与输出之间呈线性关系，但灵敏度较低，所以适宜于测量较大的直线位移和角位移。3.变介质型电容传感器原理压电式传感器压电式传感器是一种自发电式传感器，它以某些电介质的压电效应为基础，在外力作用下，在电介质表面产生电荷，从而实现非电量电测的目的。压电传感元件是力敏感元件，它可以测量最终能变换为力的那些非电物理量，例如动态力、动态压力、振动、加速度等，但不能用于静态参数的测量。压电式传感器具有体积、质量小，频响高、信噪

22、比大等特点。电荷量的大小与外力成如下的正比关系：d33为压电系数3.3.5 磁电式传感器磁电感应式传感器又称电动势式传感器，是利用电磁感应原理将被测量(如振动、位移、转速等)转换成电信号的一种传感器。它是一种机电能量变换型传感器，利用导体和磁场发生相对运动而在导体两端输出感应电动势，不需要供电电源，电路简单，性能稳定，输出阻抗小，又具有一定的频率响应范围(一般为101000 Hz)，所以有着广泛的应用，例如转速测量、振动测量以及扭矩测量等。霍尔式传感器3.4 常见传感器介绍温度传感器是一种能够将温度变化转换为电信号的装置。它是利用某些材料或元件的性能随温度变化的特性进行测温的，如将温度变化转换

23、为电阻、热电动势、磁导率变化以及热膨胀的变化等，然后再通过测量电路来达到检测温度的目的。温度传感器湿敏传感器湿敏传感器是能够感受外界湿度变化，并通过器件材料的物理或化学性质变化，将湿度转化成有用信号的器件。湿度检测较之其他物理量的检测显得困难，这首先是因为空气中水蒸气含量要比空气少得多；另外，液态水会使一些高分子材料和电解质材料溶解，一部分水分子电离后与溶入水中的空气中的杂质结合成酸或碱，使湿敏材料不同程度地受到腐蚀并加速老化 ，从而丧失其原有的性质；光电式传感器光电式传感器就是将光信号转化成电信号的一种器件，简称光电器件。要将光信号转化成电信号，必须经过两个步骤：一是先将非电量的变化转化成光

24、量的变化；二是通过光电器件的作用，将光量的变化转化成电量的变化，这样就实现了将非电量的变化转化成电量的变化。光电式传感器光纤传感器光纤传感器有两种类型，一种是传光型光纤传感器，光纤在传感器中起光的传输作用，又称为光纤式光电传感器。另一种是功能性光纤传感器，光在光纤内部传输过程中，受到外界物理因素（如温度、压力、电场、磁场等）的影响，会引起光纤中光的强度、相位、波长或偏振态等的变化，只要测出这些参量随外界物理因素的变化关系，就可以用它作为传感器来测量一些物理量的变化。CCD图像传感器图像传感器是采用光电转换原理，用于摄取平面光学图像并使其转换为电子图像信号的器件。三线传感器CCD：在三线传感器中

25、，三排并行的像素分别覆盖RGB滤镜，当捕捉彩色图片时,完整的彩色图片由多排的像素来组合成。三线CCD传感器多用于高端数码相 CCD传感器机，以产生高的分辨率和光谱色阶。CCD是由许多个光敏像元按一定规律排列组成的。每个像元就是一个MOS电容器(大多为光敏二极管)，它是在P 型Si衬底表面上用氧化的办法生成1层厚度约为1000A15 CCD传感器00A的SiO2,再在SiO2表面蒸镀一金属层(多晶硅)，在衬底和金属电极间加上1个偏置电压，就构成1个MOS电容器。当有1束光线投射到MOS电容器上时，光子穿过透明电极及氧化层，进入P型Si衬底，衬底中处于价带的电子将吸收光子的能量而跃入导带。光子进入

26、衬底时产生的电子跃迁形成电子空穴对，电子空穴对在外加电场的作用下，分别向电极的两端移动，这就是信号电荷。这些信号电荷储存在由电极形成的“势阱”中。气敏传感器气敏传感器是用来检测气体浓度或成分的传感器，它对于环境保护和安全监督方面起着极重要的作用。一般对气敏传感器有下列要求：能够检测报警气体的允许浓度和其他标准数值的气体浓度，能长期稳定工作，重复性好，响应速度快，共存物质所产生的影响小等。压力传感器压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器。我们通常使用的压力传感器主要是利用压电效应制成的，这样的传感器称为压电传感器。压电传感器主要应用在加速度、压力和力等的测量中。压电式加速度传感器是一种常用的

27、加速度计，它具有结构简单、体积小、重量轻、使用寿命长等优异的特点，在飞机、汽车、船舶、桥梁和建筑的振动和冲击测量中已经得到了广泛的应用，特别是航空和宇航领域中更有它的特殊地位。加速度传感器加速度传感器是一种能够测量加速力的电子设备。常见加速度传感器都是压电式、压阻式、电容式和谐振式。应变式加速度传感器如图3-16所示，其测量原理是将传感器壳体与被测对象刚性连接，当被测物体沿某一方向以加速度a运动时，质量块受到一个与加速度方向相反的惯性力作用，使悬臂梁变形，该变形被粘贴在悬臂梁上的应变片感受到，从而使应变片的电阻发生变化。电阻的变化引起应变片组成的桥路出现不平衡，从而输出电压，即可得出加速度a值

28、的大小。智能传感器所渭智能式传感器就是一种带行微处理机的，兼有信息检测、信息处理、信息记忆、逻辑思维与判断功能的传感器。本章小结本章首先详细介绍了传感器的基本概念、相关特性和发展趋势；其次，根据传感器的工作原理将传感器分为应变式传感器、电感式传感器、电容式传感器、压电式传感器和磁电式传感器等，并对这些传统类型传感器的工作原理、技术特点等进行了介绍；最后，介绍了目前和我们日常工作密切相关的一些常见的传感器，例如用来测量温度、湿度、光照度等传感器，分别介绍了传感器的工作原理、分类标准以及在相关领域的应用。第4章 标识与定位技术4.1 条形码技术条形码 (bar code，简称条码)技术是集条码理论

29、、光电技术、计算机技术、通信技术、条码印制技术于一体的一种自动识别技术。4.1.1 一维条形码技术常用的一维条形码图4-2是一个UPC-A码的范例。每个字码皆由7个模组组合成2线条2空白，其逻辑值可用7个二进制数字表示。例如逻辑值代表数字1，逻辑值0为空白，1为线条，故数字1的UPC-A码为粗空白(000)-粗线条(11)-细空白(0)-细线条(1)。从空白区开始共113个模组，每个模组长0.33mm，条码符号长度为37.29mm。EAN码EAN是欧洲物品条码（European ArticleNumber Bar Code）的英文缩写，是以消费资料为使用对象的国际统一商品代码。只要用条形码阅读

30、器扫描该条码，便可以了解该商品的名称、型号、规格、生产厂商、所属国家或地区等丰富信息。EAN条码字符包括09共10个数字字符，但对应的每个数字字符有三种编码形式左侧数据符奇排列、左侧数据符偶排列以及右侧数据符偶排列。这样十个数字将有30种编码，数据字符的编码图案也有30种。EAN-13标准码EAN-13标准码共13位数。其中，国家代码占3位，厂商代码占4位，产品代码占5位，以及检查码占1位。EAN-13码的结构与编码方式如图4-5所示。国家代码由国际商品条码总会授权，我国的国家代码为690691，凡由我国核发的号码，均须冠以690691的字头，以别于其他国家；厂商代码由中国物品编码中心核发给申

31、请厂商，占四个码，代表申请厂商的号码；产品代码占五个码，系代表单项产品的号码，由厂商自由编定。检查码占一个码，用于防止条码扫瞄器误读的自我检查。ISBN码ISSN又称为39码，它是是1974年发展出来的条码系统，它是一种可供使用者双向扫描的分散式条码，也就是说相邻两资料码之间，必须包含一个不具任何意义的空白(或细白，其逻辑值为0)，目前主要用于工业产品、商业资料及医院用的保健资料。4.1.2 二维条形码技术二维条形码最早发明于日本，它是用某种特定的几何图形按一定规律在平面（二维方向上）分布的黑白相间的图形记录数据符号信息的，在代码编制上巧妙地利用构成计算机内部逻辑基础的“0”、“1”比特流的概

32、念，使用若干个与二进制相对应的几何形体来表示文字数值信息，通过图象输入设备或光电扫描设备自动识读以实现信息自动处理。它具有条码技术的一些共性：每种码制有其特定的字符集；每个字符占有一定的宽度；具有一定的校验功能等。同时还具有对不同行的信息自动识别功能、及处理图形旋转变化等特点。目前国际上使用的二维条码有两种，一种是堆积码，如Code49、16K、PDF417等，另一类是矩阵码，如Code l、Maxi Code等。二维条码属于高密度条码，可以将大量数据在小区域内编码，它本身就是一个完整的数据文件。在国外有便携式数据文件(Portable DataFile)、自备式数据库(Self-contai

33、ned Database)、纸上网络(Paper Net)等美称。PDF417QR（Quick Response）二维码是由日本丰田子公司Denso Wave于1994年发明并开始使用的一种矩阵二维码符号。QR码不仅信息容量大、可靠性高、成本低，还可表示汉字及图像等多种文字信息、其保密防伪性强而且使用非常方便。因此，很快就在日韩地区得到迅速普及，发展到后来，欧美国家也开始大量使用。QR二维码二维条形码的识别二维条形码的识别有两种方法：(1) 透过线型扫描器逐层扫描进行解码，(2) 透过照相和图像处理对二维条形码进行解码。对于堆叠式二维条形码，可以采用上述两种方法识读，但对绝大多数的矩阵式二维条

34、形码则必须用照相方法识读，例如使用面型CCD扫描器。4.1.3 三维条形码技术3D Barcode 又叫三维条码、多维条码、万维条码，或者叫做数字信息全息图；叫做三维、多维、万维的原因是，相对二维条形码来说的，Ta能表示计算机中的所有信息。学生思考：如何设计一个一维码阅读程序？如何设计一个二维码阅读程序？4.2 RFID技术RFID技术是一种非接触式全自动识别技术，早在20世纪30年代，美军就将该技术应用于飞机的敌我识别。由于 RFID承载的是电子式信息，其数据内容可由密码保护，使其内容不易被伪造及变造。RFID系统的组成及工作原理4.2.2 RFID核心技术RFID技术利用感应、无线电波或微

35、波能量进行非接触双向通信，以达到识别及数据交换的目的，其关键设备和核心技术包括标签、读写器、天线以及RFID中间件四部分。标签的工作频率是其重要特点之一，标签的工作频率决定着RFID系统的工作原理、识别距离。典型的工作频率有：125kHz、134kHz、13.56MHz、27.12MHz、433MHz、900MHz、2.45GHz、5.8GHz等。低频电子标签（图4-11）的典型工作频率有：125kHz、134kHz。一般为无源标签，其工作原理主要是通过电感耦合方式与阅读器进行通信，阅读距离一般小于1m 。低频标签的典型应用有动物识别、容器识别、工具识别和电子防盗锁等。与低频标签相关的国际标准

36、有：ISO11784/11785、ISO 18000-2。低频标签的芯片一般采用CMOS工艺，具有省电、廉价的特点，工作频率段不受无线电频率管制约束，可以穿透水、有机物和木材等，适合近距离、低速、数据量较少的应用场景。中高频电子标签（图4-12）的典型工作频率有：13.56MHz，其工作方式同低频标签一样，也通过电感耦合方式进行。高频标签一般做成卡状，用于电子车票、电子身份证等。相关的国际标准有：ISO 14443、ISO15693、ISO 18000-3等，适用于较高的数据传输率。RFID阅读器读写器是RFID系统的重要组成部分，也是标签与后台系统的接口读写器利用天线在周围形成电磁场，被动标

37、签从电磁场中接收能量然后将信号发送给读写器，读写器获得标签的产品代码RFID读写器模拟部分的发送与接收RFID天线RFID主要有线圈型、微带贴片型、偶极子型3种基本形式的天线。RFID中间件RFID中间件系统结构包括阅读器接口、处理模块、应用程序接口三部分。阅读器接口负责前端和相关硬件的沟通接口；处理模块包括系统与数据标准处理模块；应用程序接口负责后端与其他应用软件的沟通接口及使用者自定义的功能模块。RFID的防碰撞技术在RFID射频识别系统数据通信的过程中，数据传输的完整性和正确性是保证系统识别性能的关键技术。系统数据传输的完整性和正确性的降低主要是由两个方面的原因导致的：一是周围环境的各种

38、干扰，二是多个标签和多个阅读器同时占用信道发送数据而产生的碰撞。4.3 定位技术定位是通过特定的位置标识与测距技术来确定物体的空间物理位置信息（经纬度坐标）。常用的定位方法一般分为两种：一种是基于卫星导航的定位；一种是基于参考点的基站定位。基于卫星导航的定位方式主要是利用设备或终端上的GPS定位模块将自己的位置信号发送到定位后台来实现定位；基站定位则是利用基站与通信设备之间无线通信和量测技术，计算两者间的距离，并最终确定通信设备位置信息。基站定位不需要设备或终端具有GPS定位功能，但是其定位精度很大程度依赖于基站的分布及覆盖范围的大小，误差较大。目前，蜂窝定位中的大部分方法都是采用基站定位实现

39、的。4.3.1 卫星定位技术卫星定位导航系统是利用卫星来测量物体位置的系统。由于对科技水平要求较高且耗资巨大，所以世界上只有少数的几个国家能够自主研制卫星定位导航系统。目前已投入运行的主要包括：1）美国的全球定位系统（GPS），目前唯一覆盖全球的卫星定位导航系统。2）俄罗斯的格洛纳斯系统（GLONASS），目前只覆盖俄罗斯境内。3）中国的北斗导航系统（COMPASS），目前只覆盖我国境内。1GPS系统的发展20世纪70年代，由于人们对连续实时三维导航的需求日渐增强，美国国防部开始研究和建立新一代空间卫星导航定位系统。主要目的是为陆、海、空三大领域提供实时、全天候和全球性的导航服务。经过20余年

40、的研究实验，耗资近300亿美元，到1994年3月，一个由24颗卫星组成，全球覆盖率达98%的卫星导航系统终于布设完成，该系统被称为GPS，是继阿波罗登月、航天飞机之后的第三大空间工程。GPS（Global Position System，全球定位系统），全称是“Navigation Satellite Timing And Ranging / Globalg Position System，NAVSTAR/GPS”，其意为“导航卫星测时与测距/全球定位系统”。该系统以卫星的无线电导航技术为基础，可实现授时和测距的空间交会定点的定位导航，为全球用户提供连续、实时、高精度的三维位置、三维速度和时间

41、等相关信息。2GPS系统的组成GPS系统主要由空间部分、地面控制部分和用户接收设备三部分构成用户设备主要是指各种型号的GPS信号接收机，由GPS接收机天线、GPS接收机主机和天线组成。其主要任务是捕获按一定卫星截止角所选择的待测卫星，并跟踪这些卫星的运行。GPS定位原理GPS导航系统的基本原理是测量出已知位置的卫星到用户接收机之间的距离，然后综合多颗卫星的数据就可知道接收机的具体位置。要达到这一目的，卫星的位置可以根据星载时钟所记录的时间在卫星星历中查出。而用户到卫星的距离则通过纪录卫星信号传播到用户所经历的时间，再将其乘以光速得到（由于大气层电离层的干扰，这一距离并不是用户与卫星之间的真实距

42、离，而是伪距（PR）：当GPS卫星正常工作时，会不断地用1和0二进制码元组成的伪随机码（简称伪码）发射导航电文。GPS系统使用的伪码一共有两种，分别是民用的C/A码和军用的P(Y）码。GPS原理C/A码频率1.023MHz，重复周期一毫秒，码间距1微秒，相当于300m；P码频率10.23MHz，重复周期266.4天，码间距0.1微秒，相当于30m。而Y码是在P码的基础上形成的，保密性能更佳。导航电文包括卫星星历、工作状况、时钟改正、电离层时延修正、大气折射修正等信息。它是从卫星信号中解调制出来，以50b/s调制在载频上发射的。导航电文每个主帧中包含5个子帧每帧长6s。前三帧各10个字码；每三十

43、秒重复一次，每小时更新一次。后两帧共15000b。导航电文中的内容主要有遥测码、转换码、第1、2、3数据块，其中最重要的则为星历数据。当用户接受到导航电文时，提取出卫星时间并将其与自己的时钟做对比便可得知卫星与用户的距离，再利用导航电文中的卫星星历数据推算出卫星发射电文时所处位置，用户在WGS-84大地坐标系中的位置速度等信息便可得知。可见GPS导航系统卫星部分的作用就是不断地发射导航电文。然而，由于用户接受机使用的时钟与卫星星载时钟不可能总是同步，所以除了用户的三维坐标x、y、z外，还要引进一个t即卫星与接收机之间的时间差作为未知数，然后用4个方程将这4个未知数解出来。所以如果想知道接收机所

44、处的位置，至少要能接收到4个卫星的信号。GPS应GPS差分定位GPS手机定位4.3.2 蜂窝定位技术蜂窝定位一般采用基于参考点的基站定位技术。利用移动运营商的移动通信网络，通过手机与多个固定位置收发信机之间的传播信号的特征参数来计算出目标手机的几何位置，同时，结合地理信息系统（Geographic Information System，GIS），为移动用户提供位置查询等服务。蜂窝定位的常用方法主要包括以下几种：1COO（Cell of Origin）定位COO（蜂窝小区）定位是一种单基站定位，是通过手机当前连接的蜂窝基站的位置进行定位的。该技术根据手机所处的小区ID号来确定用户的位置，手机所处

45、的小区ID号是网络中已有的信息，手机在当前小区注册后，系统的数据库中就会将该手机与该小区ID号对应起来，根据小区基站的覆盖范围，确定手机的大致位置（见图6）。所以，该方法的定位精度与小区基站的分布密度密切相关。在基站密度较高的区域，这种定位方式精度可以达到100-150米左右，在基站密度较低的区域（如农村、山区），精度降到1-2公里左右。该方法的优点是定位时间短、对现有网络或手机不需要特殊要求就能够实现定位，缺点是定位精度取决于小区半径。2. TOA（Time of Arrival）定位基于电波传播时间(TOA)的定位是以一种三基站定位方法。该定位方法以电波的传播时间为基础，利用手机与三个基站

46、之间的电波传播时延，通过计算得出手机的位置信息。如图7所示，手机与三个基站间的距离 为：3TDOA（Time Difference of Arrival）定位基于电波到达时差（TDOA）定位与TOA定位类似，也是一种三基站定位方法。该方法是利用手机收到不同基站的信号的时差，计算手机的位置信息。如图8所示，如果手机收到相邻基站 和 的信号的时间差为 ，此时手机的位置在一条双曲线上，4AOA定位5. A-GPS定位6. A-GPS第5章 现代通信技术现代通信技术现代通信技术包含近距离无线通信技术、有线传输技术、远距离无线通信技术、Internet技术等。如图5-1所示，利用近距离无线通信技术、有线

47、传输技术组成局域网，实现感知数据的汇聚，利用Internet技术实现感知数据的共享，利用远距离无线通信技术弥补有线无法涉及的区域。这些技术集合在一起，成为实现物联网数据传输的关键通信技术。现代通信技术5.1 近距离无线通信技术近距离无线通信技术是实现无线局域网、无线个人局域网中节点、设备组网的常用通信技术，用于将传感器、RFID，以及手机等移动感知设备的感知数据进行数据汇聚，并通过网关传输到上层网络中。近距离无线通信技术通常有Wi-Fi技术、蓝牙技术、ZigBee技术。5.1.1 Wi-Fi技术Wi-Fi （wireless fidelity，无线保真）技术，是一种将PCy机、笔记本、移动手持

48、设备（如PDA、手机）等终端以无线方式互相连接的短距离无线电通信技术。由Wi-Fi 联盟于1999发布，Wi-Fi联盟最初为无线以太网相容联盟（WirelessEthernet Compatibility Alliance，WECA），因此，Wi-Fi技术又称无线相容性认证技术。学生讨论1. Wi-Fi采用的协议标准1）802.11a2.4G 11M b g5.8 54MHZ450 n2. Wi-Fi特点1）3. WI-FI加密方式1）wep, wpa, wpa2, wep+wpa25.1.2 蓝牙技术蓝牙（Bluetooth），是一种支持设备短距离通信（10cm到10m之间）的无线电技术，能

49、在包括移动电话、PDA、无线耳机、笔记本计算机、相关外设等众多设备之间进行无线信息交换。利用蓝牙技术，能够有效地简化移动通信终端设备之间的通信，也能够成功地简化设备与因特网Internet之间的通信，从而数据传输变得更加迅速高效。蓝牙技术最初由爱立信公司创制5.1.3 ZigBee技术ZigBee技术是新兴的可以实现短距离内双向无线通信的技术，以其复杂程度低、能耗低、成本低取胜于其余的短距离无线通信技术。它因模拟蜜蜂的通信方式而得名，过去又称“HomeRFLite”、“RF-Easylink”或“FireFly”，目前统一称为Zigbee，是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术提案，主要应用于

50、短距离内，传输速度要求不高的电子通信设备之间的数据传输和典型的有周期性、间歇性反应时间的数据传输。ZigBee技术主要被作为短距离无线传感器网络的通信标准，广泛应用于家庭居住控制、商业建筑自动化和工厂车间管理等领域。Zigbee处理器Zigbee节点学生讨论Zigbee的应用1）2）5.2 远距离无线通信技术远距离无线通信技术常被用在偏远山区、岛屿等有线通信设施（例如光缆等）因地域，条件、费用等因素可能无法铺设的区域，以及船、人等需要数据通信却又在实施移动的物体。与Internet技术相结合，成为网络骨干通信技术的补充。常规远距离无线通信技术有卫星通信技术、微波通信技术、移动通信技术。5.2.

51、1 卫星通信技术卫星通信是指利用人造地球卫星作为中继站转发无线电信号，在两个或多个地面站之间进行的通信过程或方式。卫星通信属于宇宙无线电通信的一种形式，工作在微波频段。卫星通信是在地面微波中继通信和空间技术的基础上发展起来的。微波中继通信是一种“视距”通信，即只有在“看得见”的范围内才能通信。而通信卫星的作用相当于离地面很高的微波中继站。由于作为中继的卫星离地面很高，因此经过一次中继转接之后即可进行长距离的通信。学生讨论1. 通信卫星的种类2.卫星通信系统分类3. 卫星通信的特点5.2.2 移动通信技术移动通信是指通信双方或至少一方是在运动中实现信息传输的过程或方式。例如移动体（车辆、船舶、飞

52、机、人）与固定点之间、或移动体之间的通信等等。移动通信可以应用在任何条件之下，特别是在有线通信不可及的情况下（如无法架线、埋电缆等）更能显示出其优越性。学生讨论1. 移动通信的发展1)GSM移动通信系统的组成5.2.3 微波通信技术微波（microwave）是指频率为300MHz300GHz的电磁波，是无线电波中一个有限频带的简称，即波长在1m（不含1m）到1mm之间的电磁波，是分米波、厘米波、毫米波和亚毫米波的统称，其频谱示意图如图5-13所示。无线电波。微波频率比一般的无线电波频率高，通常也称为“超高频电磁波”。微波作为一种电磁波也具有波粒二象性。微波的基本性质通常呈现为穿透、反射、吸收三

53、个特性。对于玻璃、塑料和瓷器，微波几乎是穿越而不被吸收。对于水和食物等就会吸收微波而使自身发热。而对金属类东西，则会反射微波。1. 微波类型表53 微波类型波段波长频率频段名称分米波1m10cm0.33GHz特高频（UHF）厘米波10cm1cm330GHz超高频（SHF）毫米波1cm1mm30300GHz极高频（EHF）2.微波通信方式5.3 有线通信技术有线通信技术是局域网、城域网、广域网的常用组网技术。在面向物联网的应用中，常被用在局域网组网以及与Internet网络的互联。这里介绍典型的双绞线和光线通信技术，并以此为基础详述以太网的概念。5.3.1 双绞线双绞线常见的有3类线，5类线和超

54、5类线，以及最新的6类线5.3.2 光纤光纤（optical fiber）是光导纤维的简写，是一种利用光在玻璃或塑料制成的纤维中的全反射原理而达成的光传导工具。微细的光纤封装在塑料护套中，使得它能够弯曲而不至于断裂。光纤示意图如图5-16所示。在多模光纤中，芯的直径是15m50m，大致与人的头发的粗细相当，一般光纤跳纤用橙色表示，也有的用灰色表示，接头和保护套用米色或者黑色；传输距离较短。而单模光纤芯的直径为8m10m，一般光纤跳纤用黄色表示，接头和保护套为蓝色；传输距离较长。学生讨论光纤通信的特点光纤连接器5.3.3 以太网太网（Ethernet）指的是由Xerox公司创建并由Xerox、I

55、ntel和DEC公司联合开发的基带局域网规范，是当今现有局域网采用的最通用的通信协议标准。以太网络使用CSMA/CD（载波监听多路访问及冲突检测）技术，包括标准的以太网(10Mbit/s)、快速以太网(100Mbit/s)和10G(10Gbit/s)以太网，符合IEEE802.3系列标准。学生讨论1. 以太网分类2. 以太网拓扑3网络互联设备第6章 物联网数据处理6.1 物联网数据的特点1.数据的多态性、异构性2.数据的海量性3.关联性及语义性6.2 海量感知数据的挖掘与分析数据管理层是位于感知识别和网络构建层之上、应用层之下，体现物联网智慧的关键一层。如智能电网、智能交通、智能医疗等。这一层主要解决数据的储存、数据检索、数据使用、数据安全和隐私保护等主要问题。6.3 海量数据存储海量数据存储是物联网技术的一个重要组成部分。本节将主要从基于文件的存储和基于记录的存储两方面介绍物联网系统中的海量数