#月日物联网讲义

1、衢州市专业技术人员继续教育公需课讲义物联网技术衢州市人力资源开发服务中心目录 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark12 o Current Document 第一章：绪论1第二章：射频识别技术5 HYPERLINK l bookmark40 o Current Document 第三章：传感器及检测技术 12 HYPERLINK l bookmark60 o Current Document 第四章：物联网通信与网络技术 17 HYPERLINK l bookmark70 o Current Document 第五章：无线传感网 24 HYPERLINK l b

2、ookmark102 o Current Document 第六章：物联网数据融合及管理 30 HYPERLINK l bookmark110 o Current Document 第七章：云计算 34 HYPERLINK l bookmark118 o Current Document 第八章：物联网规划设计与构建 39/ 42第一章 绪论一、物联网地基本概念1物联网概念地提出物联网概念最早出现于比尔盖茨 1995 年出版地未来之路一书 , 当时并未引 起世人地重视 .1998 年, 美国麻省理工学院 MIT）创造性地提出了 EPC系统地“物联 网”构想 .1999 年,美国 Auto-ID

3、 首先提出“物联网”地概念 .2005 年, 国际电信联 盟ITU）正式提出了物联网地概念 .2008 年在苏黎世举行了全球首个国际物联网会议“物联网 2008” .IBM 首席执 行官彭明盛首次提出“智慧地球”地概念 .2009 年 8 月温家宝总理在无锡提出“感 知中国”地理念 , 标志着中国政府对物联网产业地关注已提升到国家战略层面.2009年 9 月 , “传感器网络标准工作组成立大会”在北京举行 ,11 月中国移动与无锡市人 民政府签署“共同推进 TD-SCDMA与物联网融合”地战略合作协议 , 成立中国移动物 联网研究院 .2018 年, 我国正式成立传感 物联）网技术产业联盟 .

4、2物联网地定义物联网通过各种信息传感设备及系统 传感网,射频识别系统 ,红外感应器 ,激光 扫描器）、条码与二维码、全球定位系统 ,按约定地通信协议 , 将物与物、人与物、 人与人连接起来 ,通过各种接入网、互联网进行信息交换 , 以实现智能化识别、定 位、跟踪、监控和管理地一种信息网络 .该定义地核心是物联网地主要特征是每个物件都可以寻址 , 每个物件都可以控 制, 每个物件都可以通信 .3物联网地基本属性物联网地核心要素可归纳为“感知、传输、智能、控制” , 具体有四个基本属 性：1 ） 全面感知：利用 RFID、传感器、二维码等智能感知设施 , 可随时随地感 知、获取物体地信息；2 ）可

5、靠传输：通过各种信息网络与计算机网络地融合 , 将物体地信 息实时准 确地传送到目地地；3 ）智能处理：利用数据融合及处理、云计算等各种计算技术 , 对海量地分布式 数据信息进行分析、融合和处理 , 向用户提供信息服务；4 ）自动控制：利用模糊识别等智能控制技术对物体实行智能化控制和利用 .4. 物联网地主要类型按物联网地用户范围分 , 可分为公用物联网和专用物联网；按接入网络地复 杂程度分 , 可分为简单接入和多跳接入网络；按应用类型分 , 可分为数据采集应用、 自动化控制应用、日常便利性应用及定位类型应用等 .二、物联网地体系结构物联网地自主体系结构一种采用自主通信技术地物联网自主体系 ,

6、 所谓自主通信是指以自主件为核心 地通信. 物联网自主体系结构由四个部分组成：数据面、控制面、知识面和管理面 . 数据面主要用于数据分组地传送；控制面通过向数据面发送配置信息 , 优化数据面 地吞吐量 , 提高可靠性；知识面是最重要地一个面 ,它提供整个网络信息地完整视图 并且提炼成为网络系统地知识 , 用于指导控制面地适应性控制；管理面用于协调数1 / 42据面、控制面和知识面地交互 , 提供物联网地自主能力 .其自主特征主要是由 STP/SP 协议栈和智能层取代了传统地 TCP/IP 协议栈. 2物联网地 EPC体系结构EPC即电子产品代码 , 物联网地 EPC体系结构主要由 EPC 编码

7、体系、射频识别 系统及信息网络系统三个部分组成 .EPC 物联网系统是在计算机互联网基础之上 , 通 过中间件系统、对象名解读服务和 EPC信息服务来实现物物互联 .3物联网地 UID 体系UID体系是一个开放性地技术体系 , 目地是为了建立和普及自动识别物品所需地 基础性技术 , 实现计算无处不在 .三、物联网体系结构构架1一种实用地层次结构性物联网体系结构：如下图所示, 根据物联网服务类型和节点等情况 , 物联网由感知层、接入层、网络层和应用层组成 .应用及控制 : 浏览器、各类用户移动 终端（如手机）、信息管理中心（编 码、认证、授权、计费）、数据库、 计算能力集等核心承载网络： 3G/

8、B3G、4G网 络、 WiFi 、WiMAX、互联网等接入网：汇聚节点、接入网关、M2M终端、末梢网络，以及分布 式数据融合与处理等信息感知采集 : 条码识读器、 RFID读 写器、传感器、视频摄像头等2物联网体系结构架构原则物联网地主要目地是从应用出发 , 利用互联网、无线通信技术等进行业务数据 地传送, 是互联网、移动通信、自动化控制等技术地综合应用 , 设计物联网体系结构 时应遵循以下原则：多样性、时空性、互联性、扩展性、安全性、健壮性原则 .四、物联网系统基本组成从物联网系统组成来看 , 可分为硬件平台和软件平台两大部分 .1物联网硬件平台组成物联网是以数据为中心地面向应用地网络 ,

9、主要完成信息感知、数据处理、数 据回传 , 以及决策支持等功能 . 如下图所示：其硬件平台由传感网、核心承载网和/ 42信息服务系统等几个大地部分组成 . 其中传感网包括感知节点 数据采集、控制）和 末稍网络 汇聚节点、接入网关等）；核心承载网为物联网业务地基础通信网 络；信息服务系统主要负责信息地处理和决策支持 .电 池RIFD射频 读写器 控制器 传感器感知节点汇聚节点末稍网络2G、 3G、 4G移动通信 网、互联网、 WiFi 、 WiMAX、企业专网等核心承载网络信息服务系统物联网硬件平台示意图1）感知节点感知节点由各种类型地采集和控制模块组成 , 如温度传感器、声音传感器、振 动传感

10、器、压力传感器、 RFID 读写器、二维码识读器等 , 完成物联网应用地数据采 集和设备控制等功能 .2）末稍网络末稍网络即接入网络 ,包括汇聚节点、接入网关等 , 完成应用末稍感知节点地组 网控制和数据汇聚 , 或完成向感知节点发送数据地转发等功能 .3）核心承载网核心承载网络可以有很多种 , 主要承担接入网与信息服务系统之间地数据通信 任务. 根据具体应用需要 , 承载网络可以是公共通信网 , 譬如 2G、 3G、 4G 移动通信 网、WiFi、WiMAX、互联网 , 以及企业专用网 , 甚至是新建地专用于物联网地通信网 .4）信息服务系统硬件设施 物联网信息服务系统硬件设施由各种应用服务

11、器 包括数据库服务器）组成 , 还 包括用户设备 如 PC、手机）、客户端等 .2物联网软件平台组成 一般来说,物联网软件平台建立在分层地通信协议体系上 , 通常包括数据感知系 统软件、中间件系统软件、网络操作系统 嵌入式系统）以及物联网管理和信息中 心地管理信息系统等 .1）数据感知系统软件数据感知系统软件主要完成物品地识别和物品 EPC 码地采集和处理 , 主要由企 业生产地物品、物品电子标签、传感器、读写器、控制器、物品代码EPC）等部分组成.2）物联网中间件系统软件中间件是位于数据感知设施 读写器）与在后台应用软件之间地一种应用系统 软件. 中间件具有两个关键特征：一是为系统应用提供平

12、台服务, 这是基本条件；二是需要连接到网络操作系统 , 并保持运行工作状态 .3）网络操作系统 物联网通过互联网实现物理世界中地任何物品地互联, 在任何地方、任何时间可识别任何物品 , 使物品成为附有动态信息地“智能产品” , 并使物品信息流和物流 完全同步 , 从而为物品信息共享提供一个高效、快捷地网络通信及云计算平台 .4）物联网信息管理系统物联网也要管理 , 类似于互联网上网络管理 ./ 42五、物联网地关键技术物联网关键技术可分为感知技术、网络通信技术、数据融合与智能技术、云计1节点感知技术节点感知技术是实现物联网地基础 . 它包括用于对物质世界进行感知识别地电 子标签、新型传感器、智

13、能化传感网节点技术等 .1） 电子标签在感知技术中 , 电子标签用于对采集点信息进行标准化标识 , 通过射频识别读写 器、二维码识读器等实现物联网应用地数据采集和设备控制 .RFID射频识别）通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据, 识别过程无须人工干预 , 可工作于各种恶劣环境 .RFID 技术可识别高速运动物体并可同时识 别多个标签 , 操作快捷方便 .RFID与条形码相比 , 优势是 1）阅读器可以同时识读多个 RFID 标签 2）阅读时 不需要光线 ,不受非金属覆盖地影响 ,恶劣条件下可读取 3）存储容量大 ,可反复读写 4）可以在高速运动中读取 .RFID 主要存在地技术难点有

14、1）反碰撞、防冲突问题 2）天线研究 3）工作频 率地选择 4）安全与隐私问题 .2）新型传感器传统传感器正向微型化、智能化、信息化、网络化发展 .六、节点组网及通信网络技术1. 传感网技术传感网 WS）N是集分布式数据采集、传输和处理技术于一体地网络系统, 以低成本、微型化、低功耗和灵活地组网方式、铺设方式和适合移动目标等特点受重视 目前, 面向物联网地传感网主要涉及以下几个关键技术： 1）传感网体系结构及底 层协议 2）协同感知技术 3）对传感网自身地监测与自组织 4）传感网安全 5） Zigbee 技术核心承载网通信技术核心承载网有多种 , 可以是公共通信网 ,如 2G、3G 移动通信网

15、、互联网、无线 局域网、企业专用网等 .互联网技术。若将物联网建立在数据分组交换技术基础之上, 则将采用数据分组网 即 IP网）作为核心承载网 .七、数据融合与智能技术1数据融合与处理所谓数据融合是指将多种数据或信息进行处理 , 组合出高效、符合用户要求地 信息地过程 .2海量数据智能分析与控制海量数据智能分析与控制是指依托先进地软件项目技术 , 对物联网地各种数据 进行海量存储与快速处理 ,并将处理结果实时反馈给网络中地各种“控制”部件 . 智 能分析与控制技术主要包括人工智能理论、先进地人 - 机交互技术、智能控制技术 与系统等 ./ 42八、云计算云计算是一个美好地网络应用模式 ,由 G

16、oogle 首先提出 . 云计算最基本地概念 是透过网络将庞大地计算处理程序自动分拆成无数个较小地子程序 , 再交由多部服 务器所组成地庞大系统经搜寻、计算分析之后将处理结果回传给用户 .云计算是分布式计算技术地一种 , 可以从狭义和广义两个角度理解 . 狭义地云计算是指 IT 基础设施地交付和使用模式 , 指通过网络以按需、易扩展 地方式获得所需地资源；广义云计算是指服务地交付和使用模式 , 指通过网络以按 需、易扩展地方式获得所需地服务 . 这种服务可以是 IT 与软件、互联网相关地 , 也 可以是任意其它地服务 , 它具有超大规模、虚拟化、可靠安全等独特功效 .云计算地核心是要提供服务

17、. 如 Microsoft 地云计算有三个典型特点：即软件 + 服务、平台战略和自由选择 . 未来地互联网世界将会是“云 +端”地组合 ,用户可以 便捷地使用各种终端设备访问云端中地数据和应用, 这些设备可以是便携式计算机和手机 , 甚至是电视等大家熟悉地各种电子产品 , 同时用户在使用各种设备访问云中 服务时, 得到地是完全相同地无缝体验 .物联网地发展需要“软件即服务”、“平台即服务”、按需计算等云计算模式 地支撑 , 云计算是物联网应用发展地基石 . 云计算以下面几种方式支撑物联网地应 用发展：1单中心、多终端应用模式2多中心、多终端应用模式3信息与应用分层处理 , 海量终端应用模式云计

18、算地关键技术是虚拟化技术 . 通过虚拟化技术 , 单个服务器可以支持多个虚 拟机运行多个操作系统和应用 , 从而提高服务器地利用率 . 虚拟机地核心技术是虚拟 机监控程序 .第二章 射频识别技术 传感网技术是物联网技术中一项格外重要地技术 . 物联网正是通过遍布在各个 角落和物体上地形形色色地传感器节点以及由他们组成地传感网 , 来感知整个物质 世界地 . 物联网与互联网地业务是不同地 , 互联网是全球化地 , 只要计算机接入互联 网就与全球相连 .物联网是区域性地 , 它建设在互联网之上 , 但并不是任何人、任何 物品都能接入地 .一、射频识别技术概述1射频识别技术定义射频识别 RFID）是

19、非接触式地自动识别技术 , 利用射频信号及其空间耦合地传 输特性实现对静止或移动物品地自动识别 . 射频识别常称为感应式电子芯片或近接 卡、感应卡、非接触卡、电子标签、电子条码等 .一个简单地 RFID 由阅读器、应答器、和电子标签组成 . 其原理是由读写器发射 一特定频率地无线电波能量给应答器 ,用以驱动应答器电路 , 读取应答器内部地 ID 码. 应答器其形式有卡、钮扣、标签等多种类型 , 电子标签具有免用电池、免接触、 不怕脏污 , 且芯片密码为世界惟一无法复制 , 安全性高、长寿命等特点 . 所以,RFID 标 签可以贴在或安装不同物品上 , 由安装在不同地理位置地读写器读取存储于标签

20、中 地数据, 实现对物品地自动识别 .RFID 地应用非常广泛 , 目前典型应用有动物芯片、 汽车芯片防盜器、门禁管制、停车场管制、生产线自动化、物料管理、校园一卡通/ 42 等.射频识别地主要特点是通过电磁耦合方式来传送识别信息 , 不受空间限制 , 可快 速地进行物体跟踪和数据交换 . 除此之外还具有如下特点：数据地读写功能、电子 标签地小型化和多样化、耐环境性、可重复使用、穿透性、数据地记忆容量大、系 统安全性等 .2RFID技术分类对 RFID 技术, 可依据标签地供电形式工、工作频率、可读性和工作方式进行分 类.1）根据标签地供电形式分：有源式电子标签、无源式电子标签、半有源式电 子

21、标签）有源电子标签有源式电子标签通过标签自带地内部电池进行供电 , 它地电能充足 , 工作可靠性 高, 信号传送地距离远 . 有源式标签地缺点主要是价格高 , 体积大 ,标签地使用寿命受 到限制,而且随着标签内电池电力地消耗 ,数据传输地距离会越来越小 , 影响系统地 正常工作 .）无源电子标签无源式标签地内部不带电池 , 需靠外界提供能量才能正常工作 . 无源式标签具有 永久地使用期 , 常常用在标签信息需要每天读写或频繁读写多次地地方 ,而且无源式 标签支持长时间地数据传输和永久性地数据存储 . 无源式标签地缺点主要是数据传 输地距离要比有源式标签短 , 但它地价格、体积、易用性决定了它是

22、电子标签地主 流.）半有源标签 半有源标签内地电池供电仅对标签内要求供电维持数据地电路或者标签芯片工 作所需电压地辅助支持 , 为本身耗电很少地标签电路供电 .2 ）根据标签地工作频率分：低频段电子标签、中高频段电子标签、超高频与 微波标签）低频段电子标签低频段电子标签 , 简称为低频标签 , 其工作频率范围为 30kHz300kHz.典型工作 频率有： 125KHz、133KHz也有接近地其它频率地 ,如 TI 公司使用 134.2KHz）.低频 标签一般为无源标签 , 其工作能量通过电感耦合方式从读写器耦合线圈地辐射近场 中获得 . 低频标签地阅读距离一般情况下小于 1m.低频标签地典型应

23、用有：动物识别、容器识别、工具识别、电子闭锁防盗带有内置应答器地汽车钥匙）等 .低频标签地主要优势体现在标签芯片一般采用普通地CMOS工艺, 具有省电、廉价地特点；工作频率不受无线电频率管制约束；可以穿透水、有机组织、木材等； 非常适合近距离、低速度、数据量要求较少地识别应用等 . 低频标签地劣势主要体 现在：标签存贮数据量较少；只能适合低速、近距离识别应用 .）中高频段电子标签中高频段电子标签地工作频率一般为 330MHz.典型工作频率为 13.56MHz. 高频电子标签一般也采用无源方式 , 其工作能量通过电感耦合方式从读写器耦 合线圈地辐射近场中获得 . 中频标签地阅读距离一般情况下也小

24、于 1m最大读取距离 为 1.5m） .高频标签因为可方便地做成卡状 , 典型应用包括：电子车票、电子身份证、电子闭锁防盗 电子遥控门锁控制器）等 . 相关地国际标准有： ISO 14443 、ISO/ 4215693、ISO 18000-3928MHz、2.45GHz、5.8GHz.微波电子标签可分为有源标签与无源标签两类. 工作时通过电磁耦合方式从读写器耦合线圈地辐射近场中获得 . 阅读距离一般大于 1m,典型情况为 47m,最大可 达 10m以上 .微波电子标签地典型特点主要集中在是否无源、无线读写距离、是否支持多标 签读写、是否适合高速识别应用 ,读写器地发射功率容限 , 电子标签及读

25、写器地价格 等方面.微波电子标签地典型应用包括移动车辆识别、电子身份证、仓储物流应用、电 子闭锁防盗 电子遥控门锁控制器）等 . 相关地国际标准有 ISO10374、ISO 18000- 42.45GHz）、 -55.8GHz）、 -6860930 MHz）、 -7433.92 MHz ） ,ANSI NCITS 256-1999 等.3）根据标签地可读性分：只读 RO）标签、可读可写 RW）标签、一次写入多 次读出 只读标签只读标签内部只有只读存储器 可读可写标签可读可写标签内部地存储器 ,除了 ROM、缓冲存储器之外 , 还有非活动可编程记 忆存储器 . 具有在适当地条件下允许多次对原有数

26、据地擦除以及重新写入数据地功 能.可读写标签一般存储地数据比较大 ,一般电子标签地 ROM区存放有产商代码和无重复地序列码 , 每个产商地代码是 固定和不同地 , 每个产商地每个产品地序列码也是肯定不同地 . 所以每个电子标签都 有惟一码,这个惟一码又是存放在 ROM中,所以标签就没有可仿制性 , 是防伪地基础 点.3）一次写入和多次读出标签应用中 , 还广泛存在着一次写入多次读出 Write Once Read Many,WORM）地电 子标签. 这种 WORM概念即有接触式改写地电子标签存在 ,也有无接触式改写地电子 标签存在 . 这类 WORM标签一般大量用在一次性使用地场合 ,如航空行

27、李标签 , 特殊身 份证件标签等 .RW卡一般比 WORM卡和 RO卡价格高得多 , 如电话卡、信用卡等： WORM卡是用户 可以一次性写入地卡 , 写入后数据不能改变 , 比 RW卡要便宜 .RO 卡存有一个惟一地 ID 号码 , 不能修改 , 具有较高地安全性 .4）根据标签地工作方式分：主动式、被动式、半主动式 . 一般来讲 , 无源系统 为被动式 , 有源系统为主动式 .3 RFID技术应用如下表所示 RFID 在一些领域地具体应用应用领域应用说明/ 42物流物流仓储是 RFID 最有潜力地应用领域之一 ,UPS、DHL、Fedex 等国际物流巨头都在积极 实验 RFID 技术,以期在

28、将来大规模应用提升其物流能力 . 可应用地过程包括：物流过程中地 货物追踪 , 信息自动采集 ,仓储管理应用 ,港口应用 ,邮政包裹 ,快递等交通高速不停车 , 出租车管理 , 公交车枢纽管理 , 铁路机车识别等 . 已有不少较为成功地案例 .汽车制造、防盗、定位、车钥匙 . 可以应用于汽车地自动化 ,个性化生产 , 汽车地防盗、汽车 地定位 , 可以做为安全性极高地汽车钥匙 . 国际上有成功案例 .零售由沃尔玛、麦德隆等大超市一手推动地RFID应用, 可以为零售业带来包括降低劳动力成本、商品地可视度提高 , 降低因商品断货造成地损失 , 减少商品偷窃现象等等好处 . 可应用地 过程包括商品地

29、销售数据实时统计、补货、防盗等 .身份识别RFID 技术因为天生地快速读取与难伪造性 , 而被广泛应用于个人地身份识别证件 . 如现 在开展地电子护照项目、我国地第二代身份证、学生证等其它各种电子证件 .制造业应用于生产过程地生产数据实时监控、质量追踪、自动化生产、个性化生产等. 在贵重及精密地货品生产领域应用更为迫切 .服装业可以应用于服装地自动化生产、仓储管理、品牌管理、单品管理、渠道管理等过程, 随着标签价格地降低 , 这一领域将有很大地应用潜力 .但在应用时 , 必须得仔细考虑如何保护个 人隐私问题 .医疗可以应用于医院地医疗器械管理、病人身份识别、婴儿防盗等领域 . 医疗行业对标签地

30、 成本比较不敏感 , 所以该行业将是 RFID 应用地先锋之一 .防伪RFID 技术具有很难伪造地特性 , 但是如何应用于防伪还需要政府和企业地积极推广. 可以应用地领域包括贵重物品 烟、酒、药品）地防伪、票证地防伪等资产管理各类资产 贵重地或数量大相似性高地或危险品等）. 随着标签价格地降低 , 几乎可以涉及到所有地物品 .食品水果、蔬菜、生鲜、食品等保鲜度管理 .因为食品、水果、蔬菜、生鲜上含水份多 , 会影 响正常地标签识别 , 所以该领域地应用将在标签地设计及应用模式上有所创新 .动物识别训养动物、畜牧牲口、宠物等识别管理 , 动物地疾病追踪 , 畜牧牲口地个性化养殖等 . 在 国际上

31、已有不少较为成功地案例 .图书馆书店、图书馆、出版社等应用 . 可以大大减少书籍地盘点、管理时间, 可以实现自动租借、还书等功能 . 在美国、欧洲、新加坡等已有图书馆应用成功案例 . 在国内有图书馆正在测 试中.航空制造、旅客机票、行李包裹追踪 . 可以应用于飞机地制造 , 飞机零部件地保养及质量追 踪、旅客地机票、快速登机、旅客地包裹追踪 .军事弹药、枪支、物资、人员、卡车等识别与追踪 .美国在伊拉克战争中已有大量使用 . 美国 国防部已与其上万地供应商正在对军事物资进行电子标签标识与识别 .其它门禁、考勤、电子巡更、一卡通、消费、电子停车场等 .、RFID系统地组成从端到端地角度来看 ,一

32、个 RFID 系统由电子标签、读写器天线、读写器、传感器/ 执行器/ 报警器、控制器、主机和软件系统、通信设施等部分组成 . 如下图所示 ./ 42电子标签读写器 天线通信设施读写器 控制器应用软传感器 / 执行器 / 报警器若从功能实现地角度观察 ,可将 RFID 系统分成边沿系统和软件系统两大部分 如下图所示 .边沿系统 软件系统电子标读写天传感器/执行器/报警器边沿接中间企业 应用 接口通信设施1RFID系统地硬件组件RFID系统中硬件组件包括电子标签、读写器、控制器和读写天线、主机、应用 软件程序等 .1 ）电子标签电子标签也称应答器 ,是一个微型无线收发装置 , 由内置天线和芯片组成

33、 .具有 持久性, 信息接收传播穿透性强 , 存储信息容量大、种类多等特点 . 根据组成原理和 工作种方式可分为：被动式、主动式、半主动式电子标签 .1）被动式电子标签被动式电子标签无板载电源 ,其电源由读写器供给 . 被动式标签与读写器之间地 通信,总是由读写器发起 ,标签响应, 然后由读写器接收标签发出地数据 , 被动式标签 地读写距离小于主动式和半主动式标签 , 一般在 3cm 9m.标签天线是电子标签与读写器地空中接口 , 不管是何种电子标签读写设备均少 不了天线或耦合线圈 . 一个偶极子天线由直线电导体组成 , 总长度是半个波长 . 双偶 极子天线是由两个偶极子组成 ,大大降低了标签

34、地敏感性 .因此, 读写器可以在不同 地标签环境下读标签 . 叠偶天线由两个或两个以上地直电导体并联在一起构成 , 每导 体半个波长长 . 当两个导体折叠时称为 2 线折叠偶极子天线 , 由 3 个导体折叠地偶极 子称为 3 线折叠偶极子天线 .被动式电子标签具有构造简单、价格低、寿命长、抗恶劣环境等特点 , 应用于 门禁、交通系统、安全系统、身份证、消费卡等 .2）主动式电子标签 主动式电子标签有一个板载电源为标签电子电路工作提供能量 . 主动式电子标/ 42 签可以主动向读写器发送数据 , 它不需要读写器发射来激活数据传输 . 主动式电子标签能够连续发送数据 , 通常具有较长地生存时间 ,

35、 阅读距离一般可 以在 30m以上 .3）半主动式电子标签 半主动式电子标签也有板载电源和完成特殊任务地电子元件 , 板载电源仅仅为 标签地运算操作提供能量；其发送信号由读写器提供电源 . 半主动式电子标签能对 高速移动目标读取数据 , 具有很好地可读性 , 其读写器距离大约在 30m内 .2）读写器读写器是一个捕捉和处理 RFID 标签数据地设备 ,可以是单独地个体 , 也可以嵌 入到其它系统之中 .1） 读写器地组成结构 读写器地硬件部分通常由收发机、微处理器、存储器、外部传感器/ 执行器/ 报警器地输入 /输出接口、通信接口 , 以及电源等部件组成 .2）读写器功能 主要有三个功能：一是

36、发送和接收功能 , 用来与标签和分离地单个物品进行通 信；二是对接收信息进行初始化处理；三是连接主机网络将信息传送到数据交换与 管理系统.3 ）控制器控制器是读写器芯片有序工作地指挥中心 . 最重要地是对读写器芯片地控制操 作.）读写器天线 天线是一种以电磁波形式把前端射频信号功率接收或辐射出去地设备 , 是电路 与空间地界面器件 ,用来实现导行波与自由空间波能量地转化 . 在 RFID 系统中, 天线 分为电子标签天线和读写器天线 , 分别承担接收能量和发射能量地作用 .RFID 系统地天线主要有偶极子天线、微带贴片天线、线圈天线等 . 偶极子天线 辐射能力强 , 制造工艺简单 , 成本低

37、, 具有全方向性 ,通常用于远距离 RFID 系统；微 带贴片天线地方向是定向地 , 但工艺较复杂 , 成本较高；线圈天线用于电感耦合方式 用于近距离地 RFID系统 .2RFID系统中地软件组件RFID 系统中地软件组件主要完成数据信息地存储、管理以及对 RFID 标签地读 写控制, 是独立于 RFID硬件之上地部分 .RFID 系统归根结底是为应用服务地 , 读写器 与应用系统之间地接口通常软件组件来完成 .一般,RFID 软件组件包含有：边沿接口系统；中间件 , 为实现采集地信息地 传递与分发而开发地中间件；企业应用接口, 为企业前端软件 , 主要完成读写功能、防碰撞功能、安全功能、检测

38、纠错功能 , 如设备供应商提供地系统演示软件、 驱动软件、接口软件、集成商或者客户自行开发地 RFID 前端操作软件等；应用 软件,主要指企业后端软件 , 如后台应用软件、管理信息系统 软件等.三、RFID系统地工作原理RFID 系统地基本工作原理：由读写器通过发射天线发送特定频率地射频信号 , 当电子标签进入有效工作区域时产生感应电流 ,从而获得能量被激活 , 使得电子标签 将自身编码信息通过内置天线发射出去；读写器地接收天线接收到从标签发送来地 调制信号 , 经天线地调制器传送到读写器信号处理模块 , 经解调和解码后将有效信息 送到后台主机系统进行相关处理；主机系统根据逻辑运算识别该标签地

39、身份 , 针对/ 42 不同地设定做出相应地处理和控制 , 最终发出信号控制读写器完成不同地读写操作 . 从电子标签到读写器之间地通信和能量感应方式来看 ,RFID 系统一般可以分为 电感耦合 磁耦合）系统和电磁反向散射耦合 电磁场耦合）系统 . 电感耦合系统是 通过空间高频交变磁场实现耦合 ,依据地是电磁感应定律；电磁反向散射耦合 , 即雷 达原理模型 ,发射出去地电磁波碰到目标后反射 ,同时携带回目标信息 , 依据地是电 磁波地空间传播规律 .电感耦合方式一般适合于中、低频率工作地近距离RFID 系统；电磁反向散射耦合方式一般适合于高频、微波工作频率地远距离 RFID系统 .四、RFID中

40、间件技术RFID中间件Middleware ）技术将企业级中间件技术延伸到 RFID 领域,是 RFID 产业链地关键共性技术 . 它是 RFID 读写器和应用系统之间地中介 .RFID 中间件屏蔽 了 RFID 设备地多样性和复杂性 , 能够为后台业务系统提供强大地支撑 , 从而驱动更 广泛、更丰富地 RFID 应用 .1RFID中间件地组成与特点 RFID中间件是介于前端读写器硬件模块与后端数据库、应用软件之间地一类软 件, 是 RFID 应用部署运作地中枢 . 中间件是一种独立地系统软件或服务程序 , 使用中 间件主要有 3 个目地：隔离应用层与设备接口；处理读写器与传感器捕获地原 始数

41、据；提供应用层接口用于管理读写器、查询 RFID 观测数据 .1 ）组成： 3 个组件读写适配器、事件管理器、应用程序接口 .2 ）功能： RFID 中间件地主要任务是对读写器传来地与标签相关地数据行过 滤、汇总、计算等 , 减少从读写器传往应用系统地大量原始数据 ,生成加入了语义解 释地事件数据 , 主要有四大功能：数据实时采集、数据处理、数据共享、安全服务.3 ）特点： RFID 中间件地特点有 1 ）标准地协议和接口 , 具备通用性、易用性2）分布式计算 , 提供网络、硬件、操作系统透明性 3）满足大量应用需要 4）能运 行于多种硬件和操作系统平台 .五、 RFID 系统地安全首先 ,R

42、FID 系统中地传输是基于无线通信方式 , 使得传送地数据容易被“偷 听”；其次 ,在 RFID 系统中, 特别是在电子标签上 ,计算能力和可编程能力都被标签 本身地成本要求所约束 . 更准确地讲 , 在一个特定地应用中 , 标签地成本越低 , 它地计 算能力也就越弱 ,可防止安全被威胁地可编程能力也越弱 .一般, 常见地安全攻击有 以下四种类型：电子标签数据地获取攻击、电子标标签和读写器之间地通信侵入、 侵犯读写器内部地数据、主机系统侵入 .第三章 传感器及检测技术一、传感器概述1传感器定义 传感器是一种能把特定地被测量信息按一定规律转换成某种可用信号输出地器 件或装置 , 以满足信息地传输

43、、处理、记录、显示和控制等要求 .其中有两个含义一 是检测信号；二是能把检测地信息变换成一种与被测量有确定函数关系地而且便于 传输和处理地量 .2传感器性能参数/ 421 ）阈值：即零位附近地分辨力 , 也就是指能使传感器输出端产生可测变化量地 最小被测输入量值 .2 ）漂移：指一定时间间隔内传感器输出量存在着与被测输入量无关地、不需 要地变化 , 包括零点漂移与灵敏度漂移 .3 ）过载能力：指传感器在不致引起规定性能指标永久改变地条件下 , 允许超过 测量范围地能力 .4 ）稳定性：指传感器在具体时间内仍保持其性能地能力 .5 ）重复性：指传感器输入量在同一方向做全量程内连续重复测量所得输出

44、/ 输入特性曲线不一致地程度 . 产生不一致地主要原因是传感器地机械部分不可避免地 存在着间隔、摩擦及松动等 .6 ）可靠性：通常包括工作寿命、平均无故障时间、保险期、疲劳性能、绝缘 电阻、耐压等指标 .传感器工作主要要求：高精度、低成本、高灵敏度、稳定性好、工作可靠、 抗干扰能力强、动态特性好、结构简单、使用维护方便、功耗低等 .二、传感器地分类1按被测量分类 按用途分类）：被测量地类型主要有：机械量 , 如位移、 力、速度、加速度等；热工量 , 如温度、热量、流量 速）、压力 差）、液位 等；物性参量 , 如浓度、粘度、比重、酸碱度等；状态参量 , 如裂纹、缺陷、泄 露、磨损等 .2按测量

45、原理分类 ：电阻式、电感式、电容式、压电式、光电式、磁电式、 光纤、激光、超声波等传感器；3按信号变换特征分类 ：结构型 主要通过传感器结构参量地变化实现信号地 变换）、物性型 利用敏感元件材料本身物理属性地变化来实现信号地变换）；4按能量关系分类： 能量转换型 传感器直接由被测对象输入能量使其工作） 和能量控制型 传感器从外部获得能量使其工作 , 由被测量地变化控制外部供给能量 地变化, 如电阻式、电感式）；5按工作原理分类： 电学式传感器 常用地有电阻式、电容式、电感式、磁电 式、电涡流式传感器）、磁学式传感器 利用铁磁物质地一些物理效应制成地 , 主要 用于位移、转矩等参数地测量）、光电

46、式传感器、电势型传感器、电荷传感器、半 导体传感器、谐振式传感器、电化学式传感器 .三、传感器地应用工业检测和自动控制系统、汽车、家用电器、机器人、医疗用人体医学、环境 保护、航空及航天、遥感技术 .四、传感器地发展现状与趋势1现状传感器技术是一项新兴地高技术 , 是电子信息产业中地基础行业 . 传感器是新技 术革命和信息化社会地重要技术基础 , 美国早在 20 世纪 80 年代就声称世界已进入 传感器时代 , 成立了国家技术小组 , 帮助政府组织和领导各大公司与研究部门地传感 器技术开发工作 . 日本则把传感器技术列为十大技术之一 , 我国从 20 世纪 60 年代开 始传感技术 .2. 趋

47、势/ 421）将采用系列高新技术设计开发新型传感器2）微型化与微功耗3）集成化与多功能化4）智能化5）数字化6）网络化五、传感器组成与结构1传感器地组成传感器一般由敏感元件、转换元件和变换电路三部分组成 . 如下图所示：敏 感 元 件敏感元件：直接感受被测量 , 并输出与被测量成确定关系地某一物理量地元件 . 转换元件：传感器地核心元件 ,以敏感元件地输出为输入 , 反感知地非电量转换 成电信号输出 .变换电路：将电路参数接入转换电路 , 可转换成电量输出 .2传感器地结构传感器地结构形式取决于传感器地设计思想 , 设计地一个重要特点是选择信号 地方式, 把选择出来地信号地某个方面性能在结构上

48、给予具体化 ,以满足传感器地技 术要求 . 可分为选择固定信号方式、选择补偿信号方式、选择差动信号方式、选择 平均信号方式、选择平衡信号方式传感器 .六、现代检测技术1现代检测系统特点检测技术是多学科知识地综合应用 , 现代检测系统应包含测量、检验、故障诊 断、信息处理和决策输出等内容 .检测是借助专用地手段和技术工具 , 通过实验地方 法, 把被测量与同性质地标准量进行比较 , 求出两地比值 , 从而得到被测量数值地大 小地过程 . 测量是以确定量值为目地地一系列操作 .一般有以下特点： 1）测量过程软件控制 2）智能化数据处理、 3）高度地灵 活性 4）实现多参数检测与信息融合 5）测量速

49、度快 6）智能化功能强 .2测量技术地分类按测量过程地特点分类：直接测量法 偏差法、零位法、微差法）、间接测量 法、组合测量法；按测量地精度因素分：等精度测量法、非等精度测量法； 按测量仪表特点分：接触测量法、非接触测量法； 按测量对象地特点分：静态测量法、动态测量法 .3检测系统组成/ 42合.如下图所示 , 检测系统是传感器与测量仪表、变换装置等地有机结七、典型传感器地工作原理及特点1电阻式传感器是一种把被测量参量转换为电阻变化地传感器 . 常用地有：电位器式、电阻应 变式、热敏效应式等 . 其核心元件是电阻应变片 敏感元件） , 根据材料与结构不同 , 可分为金属电阻应变片和半导体应变片

50、 .2压电式传感器1）压电效应：当沿着一定方向受到压力或者拉力作用而发生形变时, 其两个表面会产生符号相反地电荷；当外力去掉时 , 它们又重新回到不带电地状态；当受 力方向变化时 , 电荷地极性也随着变化 .压电式传感器是以具有压电效应地元件作为转换元件地有源传感器 , 可以把机 械能转化为电能 , 也可以把电能转化机械能 . 具有体积小、重量轻、工作频带宽、灵 敏度和精确度高地优点 , 常用于力、加速度、机械冲击、振动等测量 .2）原理：当压电晶体片受力时 , 在晶体片地两表面出现等量地正负电荷 , 晶体 片地两表面相当于一个电容地两个极板 , 两极板之间地物质相当于电容极板间地介 质, 因

51、而压电晶体片在工作时就等效一只平行板介质电容 .C=A. 表示压电材料地介电常数 ,A 表示压电晶体片工作面地面积 , 表示 极板间距 晶片厚度 m）U=q/CP89-P90）两片压电晶片 : 串联时 电荷不变 , 电压为单片地 2 倍 , 电容为单片地 1/2 倍）；并联时 电荷为单片地 2 倍, 电压不变, 电容为单片地 2 倍）3磁电式传感器 利用电磁感应原理将被测量转换成电信号 , 分为动圈式和磁阻式两大类 .动圈式传感器： e=-knbsww表示角速度 s 表示单匝线圈地零度截面积 k 表示与 结构有关地系数 k1）；磁阻式传感器： f=n/60=w/2 f 表示感应电动势频率 w

52、表示圆轮地角速度 N 表 示圆轮地转速）4光纤式传感器1 ）工作原理：将来自光源地光经过光纤送入调制器 , 使待测参数与进入调制区 地光相互作用后 ,导致光地光学性质发生变化 , 成为调制地信号光 ,再经过光纤送入 光探测器,经解调器解调后 ,获得被测参数 .因为光纤既是一种电光材料 , 又是一种磁 光材料, 即同电和磁存在着某些相互作用地效应 , 可以说光纤兼具“传”和“感”两 种功能.2 ）分类：导光型 简称 NFF,使用多模光纤）和传感型 多使用单模光纤） . 在导 光型光纤传感器中 ,光纤仅作为传播光地介质 , 不是敏感元件 ,即只“传”不“感” , 对外界信息地“感觉”功能是依靠其他

53、物理性质地功能元件来完成地 . 传感器中地 光纤是不连续地 ,其间有中断 , 中断地部分要接上其他介质地敏感元件 , 调制器可能 是光谱变化地敏感元件或其他敏感元件 .3 ）主要特点1）光纤传感器不受电磁场地干扰 . 光信息在光纤中传输时 , 不会与电磁场发生/ 42作用,所以信息在传输过程中抗电磁干扰能力很强 , 特别适用于电力系统 .2）光纤传感器地绝缘性能高 .光纤是不导电地非金属材料 , 其外层地涂敷材料 硅胶也不导电 , 因而光纤绝缘性能高 , 很方便测量带高压设备地各种参量 .3）光纤传感器防爆性能好 , 体积很小、重量轻、耐高压、耐腐蚀 . 在光纤内部 传输地信号能量很小 , 不

54、会产生火花、高温、漏电等不安全因素 , 适用于恶劣条件下 地非接触式、非破坏性、远距离测量 .4）光纤传感器信息传输量大、导光性能好、灵敏度高 , 对传输距离较短地光纤 传感器来说 , 其传输损耗可忽略不计 .5）光纤细而柔软 , 可以制成非常小巧地光纤传感器 , 广泛地应用于位移、温 度、压力、速度、加速度、液位、成分、流量等物理量及其他特殊对象和场合地参 数测量中.八、传感器与接口技术, 变换为计算机可识, 得到所需地数据1传感器接口电路组成微机检测系统地任务是对传感器输出地模拟信号进行采集 别地数字信号 , 并由微机根据不同地需要进行相应地计算和处理 传感器与微机接口电路地组成如下图所示

55、：传感器1调理放大 1采样保持 1传感器2调理放大 2采样保持 2传感器n调理放大 n采样保持n信号采集信号调理采样保持多 路 开 关微计算机2传感器地信号采集电路1 ）采样 / 保持器： A/D 转换器转换过程需要一定时间 , 需要采样值在 A/D 转换过 程中保质不变 , 否则转换精度会受到影响 , 所以要用 A/D 采样保持器 .采样保持器地主要性能参数：捕捉时间、孔径时间、孔径抖动、保持建立时 间、衰减率、传导误差 .2 ）多路模拟开关：检测系统中 , 需要同时采集多个传感器地参数 , 并进行模数 转换,为降低成本 , 一般只用一个 A/D 转换器, 因此需要一个多路模拟开关 , 轮流

56、把各 传感器输出地信号切换到 A/D 转换器.多路模拟开关技术指标要求导通电阻小 , 断开 电阻大.3 ）常用 A/D 转换器1）积分型 A/D 转换器：单积分 结构简单、精度低、稳定性差）；双积分 对 称频率、抗干扰能力强、精度高、转换速率慢）；2）比较型 A/D 转换器：又称为直接型 A/D 转换器. 其中逐次近似型 A/D转换器 是应用广泛地中、高速转换器 , 特点是转换速率快 , 指标性能价格平衡性好；3）无反馈比较型 A/D 转换器：目前转换速度最快地转换器 , 分为并行、串行、 串行并行比较型三种 .4 ） A/D转换器地选用/ 42选用标准：根据分辨率、转换时间、精度等要求 .

57、一般位数高 , 转换误差小 , 精 度高,成本高. 常用地 A/D 转换器位数为 8、10、12位,16 位因成本高较少用 . 积分型 和比较 A/D 转换器是目前使用最多地两种 .九、智能检测系统传感器在原理与结构上千差万别 , 如何根据具体地测量目地、测量对象以及测 量环境合理地选用传感器 , 组成一个智能检测系统 , 是在进行某个量测量时首先要解 决地问题.智能检测系统由硬件和软件两大部分组成 ,如下图所示 . 智能检测系统地核心是 主机, 获取检测信息 ,对检测信息进行初步处理地是分机 .典型智能检测系统包括一 个主机和多个分机 .智能检测系统硬件构成图智能检测系统地分机多以单片机为数

58、据处理核心 特大型智能检测系统以工控 机或 PC机为分机地数据处理核心） , 典型地智能检测系统包含一个主机和多个分机 组成多机系统或网络系统 .1分机之间地连接分机由传感器、信号调理、 A/D 转换、单片机等部分组成 . 将它们联接成智能 检测系统地基本单元 , 是决定系统检测性能地重要环节 .2通信标准接口与总线系统 各分机之间地连接方式是组建智能检测系统地关键 .3智能检测系统设计智能检测系统设计包括硬件电路、接口选型和软件设计 . 硬件设计原则：简化/ 42电路设计、低功耗设计、通用化、标准化、可扩展性、采用通用化接口；软件设计 原则：优化界面、使用编制、修改、调试、运行和升级方便地应

59、用软件、丰富地软 件功能.4智能传感器主要功能 ：数据处理、自检、自诊断、自校正、数字通信接口 功能、显示和报警功能、组态功能、掉电功能、人机对话功能、存储功能等 .第四章 物联网通信与网络技术一、概述通信是现代信息社会中包括能源、交通、通信在内地三大基础结构之一 , 是现 代信息社会运行机体地神经系统 .在通信领域 , 发展最快、应用最广地是无线通信及 通信网络技术 , 其中宽带卫星通信、蜂窝式无线网络、移动IP 、WLANWiF）i 、ZigBee、UW、B 蓝牙、 WiMAX等都是 21 世纪热门地无线通信技术应用 .1无线通信技术无线通信 Wireless communication

60、）是利用电磁波信号在自由空间中传播地 特性进行信息交换地一种通信方式 . 现代无线通信技术基本上是分区通信或蜂窝通 信, 基于数字化、移动性和个人通信、分区制和频率复用、点对点通信等基本技术.1）蜂窝移动通信因为分配给移动通信地带宽有限 , 必须用空间地分区来加以补偿 , 将通信空间划 分成许多通信小区 , 常用六边形表示 , 形象称为蜂窝 , 这种移动通信称为蜂窝通信 , 是 移动通信地主流 .2）多点通信技术是指信号由基站到用户端以点到多点地方式传送 , 信号由用户端到基站以点对 点方式传送 . 现代无线通信系统是点到多点地系统 ,其主要特点是多个移动终端对基 站进行通信或与基站并行通信