《物联网技术导论》全套课件-PPT

1、桂小林 1桂小林 1物联网技术导论西安交通大学(配套清华大学出版社桂小林主编物联网技术导论教材)桂小林 2(配套清华大学出版社桂小林主编物联网技术导论教材)桂小林 3课程内容课程大纲描述第1章 物联网概论第2章 物联网体系结构第3章 传感器技术 第4章 标识与定位技术 第5章 现代通信技术第6章 物联网数据处理第8章 物联网的典型应用 本教案桂小林版权所有，仅供选用桂小林主编的物联网技术导论教材的老师教学使用！桂小林 4桂小林 4课程大纲描述本课程作为物联网工程专业的第一门课程主要基于物联网的应用视角，介绍物联网的基本原理。包括：介绍了物联网概念、体系结构、关键技术和典型应用。具体内容包括：物

2、联网感知技术（含传感器原理、射频标识原理和空间定位原理）、物联网传输技术（含短距离无线技术，移动通信技术和卫星通信技术）、物联网数据处理技术（含数据存储技术和数据检索技术）物联网安全技术（含信息安全技术、物联网分层次安全技术物联网应用实例。桂小林 5桂小林 5一、课程目的课程目的是使学生通过课程的学习，能够初步了解物联网的基本概念、关键技术及其应用方法，为运用这些技术和方法构建物联网应用系统打下基础；了解物联网工程专业的知识体系、课程体系、专业概貌。先修课程：无学时数：理论学时：32学分：2学分本教案桂小林版权所有，仅供选用桂小林主编的物联网技术导论教材的老师教学使用！桂小林 6桂小林 6二、

3、教学大刚与知识单元教学大纲：(1) 计算模式的演化(2) 物联网的模型(3) 物联网感知技术概述(4) 物联网通信技术概述(5) 智能数据处理概述(6) 物联网控制技术概述(7) 物联网安全技术概述(8) 物联网应用模式涵盖知识单元：AR1 计算模式的演化AR2 物联网的模型AR3 物联网感知AR4 物联网通信AR5 智能数据处理AR6 物联网控制AR7 物联网安全AR8 物联网应用ID3 RFIDID6 视频监控ID7定位技术CO4 无线传感网桂小林 7桂小林 77知识单元 桂小林 8桂小林 8AR1 计算模式的演化最少学时：2学时知识点：计算模式网络的发展物联网概念学习目标：了解计算模式的

4、演化历程了解网络技术的发展阶段和特点了解物联网的概念及产生的背景桂小林 9桂小林 9互联网计算模式的演变普适计算是指在普适环境下使人们能够使用任意设备、通过任意网络、在任意时间都可以获得一定质量的网络服务的技术。 物联网桂小林 10桂小林 10Ubiquitous ComputingGRID物联网云计算普适计算桂小林 11桂小林 11应用助推计算模式的演变物联网是应用需求的产物。由于人类对计算机性能的需求永无止境，在诸如预测模型的构造和模拟，工程设计和自动化，能源勘探，医学，军事等领域内对计算能力提出了极高的、具有挑战性的要求。而传统的计算模式已经难以适应日益增长的应用需求，计算模式发生改变成

5、为必然。计算模式从基于同构系统的并行计算演变到基于异构环境的分布式计算，再从分布式计算演变到元计算、网格计算、云计算到物联网。 桂小林 12桂小林 12AR2 物联网的模型最少学时：3学时知识点：功能模型层次模型拓扑结构学习目标：熟悉物联网的功能模型熟悉物联网的层次模型理解功能模型与层次模型之间的关系连接物联网常用网络拓扑结构桂小林 13桂小林 13感知系统：十大类传感器。通讯系统：互联网/传感器网计算系统：计算机软硬件数 据 海：媒体、数据处理控制系统：控制算法、执行机构等桂小林 14桂小林 14桂小林 15桂小林 15AR3 物联网感知技术最少学时：6学时知识点：标识的方法感知的方法学习目

6、标：了解物联网中标识和感知的作用理解常用的定位和标识技术及方法熟悉常见的感知技术的工作原理和信息感知的基本方法桂小林 16桂小林 16AR4 物联网通信技术最少学时：4学时知识点：通信方式通信网络学习目标：了解通信在物联网中的作用熟悉物联网环境下的常用通信方式熟悉物联网环境下常用通信网络及其特点本教案桂小林版权所有，仅供选用桂小林主编的物联网技术导论教材的老师教学使用！桂小林 17桂小林 17AR5 智能数据处理技术最少学时：4学时知识点：数据存储方法数据处理方法信息利用学习目标：了解物联网环境下的数据特征和数据存储需求了解网络存储的基本体系结构和特点了解数据中心的基本概念及典型的数据中心了解

7、海量数据的智能处理技术熟悉物联网环境下海量信息利用的基本方法本教案桂小林版权所有，仅供选用桂小林主编的物联网技术导论教材的老师教学使用！桂小林 18桂小林 18AR6 物联网控制技术最少学时：3学时知识点：控制模型控制技术学习目标：了解自动控制的基本原理理解常见的控制模型熟悉自动控制系统的基本控制方式了解物联网环境下的控制需求和控制功能桂小林 19桂小林 19AR7 物联网安全技术最少学时：4学时知识点：网络安全信息安全隐私保护学习目标：了解网络安全和信息安全的基本概念理解物联网面临的主要安全和隐私隐患熟悉物联网环境下保护位置信息的重要性理解提高物联网安全和保护位置信息及个人隐私的基本手段桂小

8、林 20桂小林 20AR8 物联网应用最少学时：6学时知识点：应用模式应用架构学习目标：了解物联网的应用模式熟悉常见的物联网应用架构熟悉物联网应用系统的组成了解典型的物联网应用领域和应用系统桂小林 21桂小林 21教学方法和手段课堂讲解观看录像现场参观实地调查桂小林 22桂小林 22第一门专业课程的重要性从一个应用开始，展示物联网专业的知识模型梳理出专业的主要知识形成学生的专业知识主线构造学生的专业认知能力建立学生的“物联网”思维带领学生开展参观性实验桂小林 23桂小林 23课程导引物联网被称为继计算机、互联网之后，世界信息产业的第三次浪潮。国务院关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定将以物联

9、网为代表的新一代信息技术列为重点培育和发展的战略性新兴产业，国民经济和社会发展第十二个五年规划纲要对培育发展以物联网代表的新一代信息技术战略性新兴产业做了全面部署 桂小林 24桂小林 24物联网的愿景与动因-1/2camera phones.1 billionRFID tags30 billionNearly 85% of new automobiles will contain event data recorders by 2010.85%InstrumentedInterconnectedIntelligent（IBM）IBM桂小林 25桂小林 25People, systems and

10、 objects can communicate and interact with each other in entirely new ways.There will be an estimated 2 billion people on the internet by 2011.2 billionThere are an estimated 4 billion mobile phone subscribers worldwide.4 billionSoon, there will be 1 trillion connected devices in the world, constitu

11、ting an “internet of things.”1 trillionInstrumentedInterconnectedIntelligent（IBM）物联网的愿景与动因-2/2IBM桂小林 26桂小林 26课程教材桂小林 27桂小林 27第一章 物联网技术概论桂小林2013.3.5桂小林 28桂小林 28281.1物联网的概念1.2 物联网的起源与发展1.3 物联网的应用报告内容桂小林 29桂小林 29第一章 物联网概论基本要求理解物联网的基本概念了解物联网技术的发展历程调研物联网的典型应用收集网络视频，了解物联网的特性。本教案桂小林版权所有，仅供选用桂小林主编的物联网技术导论教材

12、的老师教学使用！桂小林 30桂小林 301.1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。桂小林 31桂小林 31物联网的概念由于目前对于物联网的研究尚

13、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 of Things”。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、监控和管理的一种网络。桂小林 32桂小林 32物联网的定义桂小林 33桂小林 33全面感知、可靠传送、智能处理

14、人与自然和谐相处需要更多地感知物理世界物联网= 物理世界与信息网络的无缝连接智能交通远程医疗智能家居环境监测公共安全绿色农业工业监控33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，进行信息交换和通讯，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。物流管理桂小林 34桂小林 34物联网的特征与传统的互联网相比，物联网具有以下三个主要特征，如图1-1所示：桂小林 35桂小林 351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

15、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。桂小林 36桂小林 362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。桂小林 37桂小林 373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

16、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。桂小林 38桂小林 381.2 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技术的唯一编号方案，即产品电子代码（Electronic Product Code，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 Interne

17、t of Things”报告中。 桂小林 39桂小林 392007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。2009年1月IBM首席执行官彭明盛提出“智慧地球”的概念 2009年6月，欧盟委员会正式提出了欧盟物联网行动计划 1999年，中科院就启动了传感网的研究 2009年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 2010年物联网新专业设立桂小林 40桂小林 40各国均把物联网作为未来信息化战略的重要内容40共同点:融合各种信息技术，突破互联网的限制，将物体接入信息网络，实现“物联网”在网络泛在的基础上，将信息技术应用到

18、各个领域，从而影响到国民经济和社会生活的方方面面未来信息产业的发展在由信息网络向全面感知和智能应用两个方向拓展、延伸和突破。日本： 2009年8月 i-Japan战略中国：2009年8月 感知中国欧盟：2009年6月 物联网行动计划 美国： 2008年底 IBM向美国政府提出的”智慧的地球”战略强调传感等感知技术的应用，提出建设智慧型基础设施具体而务实，强调RFID的广泛应用，注重信息安全在u-Japan的基础上，强调电子政务和社会信息服务应用桂小林 41桂小林 41中国发展物联网的战略意义保障国家 信息安全 国土安全促进工业化与信息化融合 感知中国，赢得未来抢占信息产业第三次浪潮的制高点物联

19、网41TD成功的重大契机桂小林 42桂小林 42物联网发展面临的问题 标准统一化问题协议与安全问题核心技术 商业模式与产业链问题配套政策和规范的制定与完善桂小林 43桂小林 431.3 物联网的应用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。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。桂小林 44桂小林 44环境物联网的基本系统架构分为感知层、传输层和应用层 桂小林 45桂小林 45感知层：感知层的主要功能是通过探测器、传感器采集关键区域的特定信息。探测器的感知能

20、力是影响系统性能优劣的关键因素，设备主要包括：摄像机、烟感、红外、震动、温/湿度传感器、CO2传感器等各种探测感知器。数据汇聚层：数据汇聚层是系统的基础，它的主要功能是通过不同接口的接入和不同协议的转换，实现各种探测器、传感器的有效接入。对上层而言，屏蔽了异构数据之间的差异，使上层对下层的透明管理。桂小林 46桂小林 46基于物联网的工业流程管理示例 桂小林 47桂小林 471.4 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。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

21、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。桂小林 48桂小林 48第二章 物联网体系结构桂小林 49桂小林 49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桂小林 50桂小林 502.1 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。物联网应用广泛，系统规划和设计极易因角度的

22、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。桂小林 51桂小林 51如图2-1所示，在物联网中，任何人和物之间都可以在任何时间、任何地点实现与任何网络的无缝融合，它实现了物理世界的情景（context）感知、处理和控制这一闭环过程真正意义上形成了人-物、人-人、物-物间信息连接的新一代智能互联网络。桂小林 52桂小林 52物联网的最终目的是建立一个满足人们生产、生活以及对资源、信息更高需求的综合平台，管理跨组织、跨管理域的各种资源和异构设备，为上层应

23、用提供全面的资源共享接口，实现分布式资源的有效集成，提供各种数据的智能计算、信息的及时共享，决策的辅助分析等。物联网是在传感网、互联网的基础上发展起来的桂小林 53桂小林 53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所示中间件（Middleware）是位于感知设备和应用之间的通用服务，这些服务具有标准的程序接口和协议，即中间件=平台+通信。 桂小林 54桂小林 542.2 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

24、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。 桂小林 55桂小林 555层结构桂小林 56桂小林 56通用四层结构桂小林 57桂小林 57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

25、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。桂小林 58桂小林 58感知控制层感知是指对客观事物的信息直接获取并进行认知和理解的过程。 人们对于信息获取的需求

26、促使其不断研发新的技术来获取感知信息，如传感器、RFID、定位技术等。 桂小林 59桂小林 59数据传输层 物联网的数据传输层主要进行信息的传送，它是物理感知世界的延伸，更好地实现物与物之间的通信、物与人之间的通信以及人与人之间的通信。 物联网数的据传输层主要包括接入网和核心网两层结构 学生调研桂小林 60桂小林 60数据管理层数据管理层则是利用云计算平台实现海量感知数据的动态组织与管理，云计算技术的运用，使数以亿计的各类物品的实时动态管理变得可能。随着物联网应用的发展、终端数量的增长，通过借助云计算处理海量信息，进行辅助决策，提升物联网信息处理能力。(1) 智能计算(2) 海量数据存储、检索

27、。 桂小林 61桂小林 61应用决策层 物联网技术综合了传感器技术、嵌入式计算技术、互联网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等多种领域技术,具有十分广阔的应用前景，在智能家居、工农业控制、城市管理、远程医疗、环境监测、抢险救灾、防恐反恐、危险区域远程控制等众多领域有着广泛的应用价值。桂小林 62桂小林 62智能处理层：智能处理层是整个系统的核心，它的主要功能是数据存储和多源数据的协同分析。通过在服务器上部署智能分析处理程序，针对单一探测器所采集的数据，调用相应的功能模块进行分析，对同一区域的其它探测器所采集的信息进行综合分析，实现异常事件的智能判断。应用决策层：应用决策层的主要是系统的应用展

28、示和管理。用户可以通过智能手机、平板电脑等远程监控终端监控和管理系统，及时对监测到的各种事件进行决策处理。桂小林 63桂小林 63图2-11 手机钱包桂小林 64桂小林 64三层桂小林 65桂小林 65桂小林 66桂小林 662.3 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。

29、桂小林 67桂小林 672.3.1 感知标识技术 感知和标识是物联网实现“物物相联，人物互动”的基础，各种类型的传感器在弥合物理和虚拟世界差距方面发挥了关键作用，数据的产生、获取、传输、处理、应用是物联网的重要组成部分，其中数据的获取是物联网智能信息化的重要环节之一，没有它，物联网也就成了无水之源、无本之木。桂小林 68桂小林 68桂小林 69桂小林 692.3.2 网络与通信技术物联网本质上是泛在网络，需要融合现有的各种通信网络，并引入新的通信网络。要实现泛在的物联网，异构网络的融合是一个重要的技术问题。三网融合技术：“三网融合”又叫“三网合一”（即FDDX），意指电信网、有线电视网和计算机

30、通信网的相互渗透、互相兼容、并逐步整合成为全世界统一的信息通信网络。 桂小林 70桂小林 70三网融合（录像）本教案桂小林版权所有，仅供选用桂小林主编的物联网技术导论教材的老师教学使用！桂小林 71桂小林 712.3.3 云计算技术物联网聚集海量数据海量数据需要有效组织、管理、存储高效数据处理时物联网的核心需要运用的云计算技术处理海量数据虚拟化Map-reduce。桂小林 72桂小林 72云计算-低成本的海量信息处理技术云计算资源池存储能力统一监控管理计算能力SaaS(Software as a Sevice)软件即服务物联网应用不再是单纯的卖硬件或软件，而是针对长尾市场中各行各业的需求，通过

31、能力开放与组合，形成个性化、差异化的优质服务。云计算(Cloud computing)利用大规模低成本运算单元通过网络相连而组成的运算系统，为物联网海量的信息处理提供低成本计算能力。72桂小林 73桂小林 73云计算-从单户到多租户桂小林 74桂小林 74云计算青云实验环境桂小林 75桂小林 752.3.4 安全技术由于物联网终端感知网络的私有特性，因此安全也是一个必须面对的问题。物联网中的传感节点通常需要部署在无人值守、不可控制的环境中，除了受到一般无线网络所面临的信息泄露、信息篡改、重放攻击、拒绝服务等多种威胁外，还面临传感节点容易被攻击者获取，通过物理手段获取存储在节点中的所有信息，从而

32、侵入网络、控制网络的威胁。涉及到安全的主要有程序内容、运行使用、信息传输等方面。位置是物联网的核心服务。位置隐私成为物联网推广应用的核心技术。桂小林 76桂小林 76 因此，物联网需要云计算支撑，必须解决人们关注的隐私安全问题。用户数据应用桂小林 77桂小林 772.4 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。桂小林 78桂小林 78WSN桂小林 79桂小林 79EPC/UID系统 桂

33、小林 80桂小林 80EPC/UID系统EPC (Electronic Product Code ) 电子产品编码的概念最早由美国麻省理工大学(MIT)的Sarma和Brock教授在1999年提出的，其核心思想是为每一个产品提供唯一的电子标识符，通过射频识别技术实现数据的自动标识和采集。2003年，国际物品编码协会(EAN)和美国统一代码协会(UCC)联合成立了EPCglobal，以推动EPC技术在商业上的应用。桂小林 81桂小林 81EPC编码体系有EPC-64，EPC-96和EPC-256 三种。使用较多的是EPC-64编码体系，而新一代的EPC标签将采用EPC-96编码体系，其具体结构如

34、表2-19所示。体系标头厂商识别代码对象分类代码 序列号EPC-968282436桂小林 82桂小林 82桂小林 83桂小林 83桂小林 84桂小林 84M2M系统 M2M的定义可以分为广义和狭义两种。广义上包括Machine-to-Machine、Man-to-Machine以及Machine-to-Man。它是指是人与各种远程设备之间的无线数据通信。狭义上的M2M是Machine-to-Machine的简称，指一方或双方是机器且机器通过程序控制，能自动完成整个通信过程的通信形式 桂小林 85桂小林 85M2M系统从右至左可以划分为M2M设备域、M2M网络域、M2M应用域。 桂小林 86桂小

35、林 862.5 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。 桂小林 87桂小林 872.5 物联网的反馈与控制 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桂小林 88桂小林 88自动控制是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的

36、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。自动控制的概念及应用2.5 物联网的反馈与控制自动控制的基本原理与方式 桂小林 89桂小林 89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。桂小林 90桂小林 90反馈控制原理桂小林 91桂小林 91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

37、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。桂小林 92桂小林 92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。桂小林 93桂小林 93自动控制系统的基本

38、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。桂小林 94桂小林 94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，控制效果也会更好。桂小林 95桂小林 952.5 物联网的反馈与控制2.5.2 物联

39、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桂小林 96桂小林 96物联网系统的控制论解析 物联网中的“感、智、控”分别构成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。联桂小林 97桂小林 97物联网的控制特性 鲁棒性保安性可信性时延性桂小林 98桂小林 98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

40、断，同时也便于进行仿真分析。桂小林 99桂小林 9999THANKS！GUI XIAOLIN桂小林 100桂小林 100第3章 传感器技术 桂小林西安交通大学电信学院桂小林 101桂小林 101传感器作用在人们的生产和生活中，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。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。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。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。桂小林 102桂小林 102传感器输出电量传感器输出电量有很多种形式

41、，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。 桂小林 103桂小林 103传感器的特性 传感器

42、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。线性度灵敏度桂小林 104桂小林 104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。 删去桂小林 105桂小林 105传感器的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 桂小林 106桂小林 106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

43、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，全部可由智能机器人去处理。 桂小林 107传感器应用（录像）桂小林 107桂小林 108桂小林 108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。 桂

44、小林 109桂小林 109传感器的分类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。桂小林 110桂小林 110按照能量分类 桂小林 111桂小林 111桂小林 112桂小林 112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，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

45、式、压电式、磁电式等。 应变式传感器原理桂小林 113桂小林 113应变式传感器桂小林 114桂小林 114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 桂小林 115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

46、积型和变介质型三种类型。桂小林 1161.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。桂小林 1173.变介质型电容传感器原理桂小林 118桂小林 119桂小林 119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

47、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、信噪比大等特点。桂小林 120电荷量的大小与外力成如下的正比关系： d33为压电系数桂小林 121桂小林 121图3-28压电陶瓷极化图桂小林 1223.3.5 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、

48、振动测量以及扭矩测量等。桂小林 123桂小林 124霍尔式传感器桂小林 125桂小林 1253.4 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。 桂小林 126桂小林 126温度传感器桂小林 127桂小林 127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

49、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；桂小林 128桂小林 128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 桂小林 129桂小林 129光电式传感器桂小林 130桂小林 130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

50、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。桂小林 131桂小林 131CCD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，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。桂小林 132CCD

51、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。桂小林 132桂小林 133

52、CCD桂小林 133桂小林 134桂小林 134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。桂小林 135桂小林 135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，

53、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。 桂小林 136桂小林 136桂小林 137桂小林 137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。桂小林 138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

54、速度a值的大小。 桂小林 139桂小林 139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。桂小林 140桂小林 140桂小林 141桂小林 141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

55、用。桂小林 142桂小林 142第4章 标识与定位技术 桂小林西安交通大学桂小林 143桂小林 1434.1 条形码技术条形码 (bar code，简称条码)技术是集条码理论、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。 桂小林 144桂小林 1444.1.1 一维条形码技术常用的一维条形码 桂小林 145桂小林 145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0001101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

56、)。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。桂小林 146桂小林 146桂小林 147桂小林 147EAN码EAN是欧洲物品条码（European Article Number 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， 桂小林 148桂

57、小林 148EAN-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。桂小林 149桂小林 149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。桂小林 150桂小林 150 ISBN码国际标准书号 ( International St

58、andard Book Number，ISBN )，是应图书出版、管理的需要，并便于国际间出版物的交流与统计所发展出的一套国际统一的编号制度。它由一组冠有“ISBN”代号(978)的十位数码所组成，用以识别出版物所属国别、地区或语言、出版机构、书名、版本及装订方式。 桂小林 151桂小林 151ISSN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。 桂小林 1524.1.2 二维条形码技术二维条形码最早发明于日

59、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 桂小林 153桂小林 153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

60、 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 Data File)、自备式数据库(Self-contained Database)、纸上网络(Paper Net)等美称。桂小林 154PDF417桂小林 155QR（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