3物联网感知技术

物联网感知技术智能工程教研室韩霄松

物联网技术与应用

物联网感知技术3.1RFID技术22023/9/17物联网技术与应用3.1.1常见的自动识别技术应用一定的识别装置识别物品与识别装置靠近自动的获取识别物品的相关信息后台计算机完成后续处理自动识别系统：数据采集和存储应用程序接口：通讯接口，数据翻译和传递应用程序软件：处理数据2023/9/17物联网技术与应用33.1.1.1条码技术Barcode历史上世纪20年代，JohnKermode实现邮政单据分拣1948年，BernardSilver和NormWoodland公牛眼代码上世纪70年代，NormWoodland研究成果成为UPC基础1970年，美国超级市场委员会制定了UPC1973年，UCC（GS1US）建立UPC系统1975年，EANS和EAN（GS1）2023/9/17物联网技术与应用43.1.1.1条码技术Barcode优点利用结账机可快速加以识别各种角度都能识别印刷成本便宜不需要多余费用2023/9/17物联网技术与应用53.1.1.1条码技术Barcode分类一维条码商品条码：EAN和UPC物流条码：128，ITF，39，库德巴二维条码行排式二维条码：PDF417，49，16K矩阵式二维条码：DM，MC，QR2023/9/17物联网技术与应用63.1.1.1条码技术2023/9/17物联网技术与应用7国家地区编码690-695：中国20-24：店内条码3.1.1.1条码技术二维条码行排式二维条码一维条码的堆积译码算法需要升级矩阵式二维条码黑白像素在矩阵中不同分布编码计算机图像处理技术和组合编码原理2023/9/17物联网技术与应用83.1.1.1条码技术2023/9/17物联网技术与应用93.1.1.1条码技术2023/9/17物联网技术与应用10一维条形码二维条形码资料密度与容量密度低，容量小密度高，容量大错误侦测及自我纠正能力可以进行错误侦测，但没有错误纠正能力有错误检验及错误纠正能力，并可根据实际应用设置不同的安全等级垂直方向的资料不储存资料，垂直方向的高度是为了识读方便，并弥补印刷缺陷或局部损坏携带资料，可以纠正印刷缺陷或局部损坏等，并能恢复资料主要用途主要用于对物品的标识用于对物品的描述资料库与网络依赖性多数场合需依赖资料库及通讯网络可不依赖资料库及通讯网络而单独使用识读设备可用线型扫描器识读，如光笔、线型CCD等对于堆叠式可用线型扫描器，或图像扫描仪识读，对于矩阵式则只能用图像扫描仪识读3.1.1.2光学字符识别光学字符识别：OpticalCharacterRecognition，OCR对文本资料进行扫描并分析获得文字和版面信息图像字符识别和智能字符识别办公自动化中的文本输入邮件自动处理自动获取文本过程其他领域2023/9/17物联网技术与应用113.1.1.3卡识别技术磁条（卡）技术定向排列铁性氧化粒子涂料数据可读写数据存储量可满足大多需求成本低廉且具有一定安全性IC卡识别技术安全性高存储量大便于应用防磁抗干扰，可靠性高2023/9/17物联网技术与应用123.1.1.4生物特征识别生物特征识别：BiometricIdentificationTechnology利用人体生物特征进行身份认证对生物特征进行采样提取的特征转化成数字代码代码组合成特征模版2023/9/17物联网技术与应用133.1.1常见的自动识别技术2023/9/17物联网技术与应用143.1.2RFID技术概述RFID：RadioFrequencyIdentification无线射频识别，电子标签非接触式自动识别技术无须人工参与可识别高速运动物体可同时识别多个标签操作快捷方便2023/9/17物联网技术与应用153.1.2RFID技术概述1937年NRL开发了敌我识别系统识别飞机20世纪50年代IFF成为世界空中交通控制系统基础20世纪60年代开发电子商品监视设备保护财产20世纪70年代基于IC的无线射频射频识别系统20世纪80年代铁路车辆识别和跟踪家畜20世纪90年代电子收费系统20世纪末门禁控制、航班行李识别、汽车防盗等21世纪自动化管理，Wal－Mart供应链使用2023/9/17物联网技术与应用163.1.2RFID技术概述RFID特点数据的读写机能小型化和多样化的形状耐环境性可终复使用2023/9/17物联网技术与应用173.1.3RFID分类供电方式不同有源无源半无源频率不同低频高频超高频微波封装形式不同信用卡线形纸状玻璃管圆形异形2023/9/17物联网技术与应用183.1.3RFID分类有源电子标签ActiveTag，主动式标签带有电池，可主动探测读写器信号，并发送自身信息阅读距离较远，记忆空间较大无源电子标签PassiveTag，被动式标签通过阅读器的电波或磁场供电免维护，成本低，寿命长，更轻便半无源电子标签Semi-PassiveTag，半主动式标签内置电池用来监测环境数据数据传输靠阅读器供电2023/9/17物联网技术与应用193.1.3RFID分类2023/9/17物联网技术与应用203.1.3低频RFID线圈电感耦合方式工作工作频率在135KHz以下可穿透水、有机组织和木材能没有特殊许可限制适合近距离、低速率、数据量少的识别感应器价格较高2023/9/17物联网技术与应用213.1.3高频RFID腐蚀印刷和负载调试方式工作典型工作频率在13.56MHz可穿透大多数材料但有衰减没有特殊许可限制感应器形式一般为电子标签标签防撞，信息可写入传输速率较快，价格不是很贵2023/9/17物联网技术与应用223.1.3超高频RFID电场来传输能量，电容耦合传递数据工作频率在860MHz－960MHz之间穿透能力不强读取距离较长，几米到十几米适应高速运动物体识别，读写速度快标签一般为长条和标签形沃尔玛和麦德龙在供应链上使用2023/9/17物联网技术与应用233.1.3微波RFID电磁耦合方式工作典型工作频率为在2.4GHz和5.8GHz对环境敏感性较高阅读器一般为定向天线2023/9/17物联网技术与应用243.1.3RFID的分类2023/9/17物联网技术与应用253.1.4RFID系统组成和原理读写器通过发射天线发送特定频率的射频信号电子标签进入后产生感应电流获得能量并利用内置天线发送信息读写器的接受天线接收到标签的调制信号天线的调制器将信号发送到读写器处理模块解调和解码后将信息发送到计算机进行处理计算机根据信息做出相应处理和控制计算机发出信号控制读写器完成不同操作2023/9/17物联网技术与应用263.1.4RFID系统组成和原理2023/9/17物联网技术与应用273.1.4RFID系统组成和原理RFID硬件电子标签读写器天线主机RFID软件RFID系统软件RFID中间件主机应用程序2023/9/17物联网技术与应用283.1.4.1RFID硬件组成（电子标签）被动式电子标签电磁波感应产生电流，读写距离在3cm～900cm微芯片整流器或电源控制模块时钟提取器调制解调器逻辑单元记忆体标签天线波长和天线长度成正比天线尺寸决定标签大小2023/9/17物联网技术与应用293.1.4.1RFID硬件组成（电子标签）主动式电子标签通信由标签发起，读写距离在30m以上可休眠标签微芯片标签天线板载电源板载电子电路2023/9/17物联网技术与应用303.1.4.1RFID硬件组成（电子标签）半主动式电子标签通信由读写器发起，读写距离在30m以上有完成特殊功能的电子元件可读取更远距离读写器信号无需通电激活，可快读读取数据2023/9/17物联网技术与应用313.1.4.1RFID硬件组成（读写器）捕捉和处理RFID标签数据的设备可以单独个体，也可以嵌入其他设备负责主机接口2023/9/17物联网技术与应用323.1.4.1RFID硬件组成（读写器）2023/9/17物联网技术与应用33

发射机

接收机

译码器

编码器

逻辑单元

存储器

IO接口

通信接口

电源微处理器

读写器天线3.1.4.1RFID硬件组成（读写器）读写器功能读写器可与电子标签进行通信通过标准接口，读写器与计算机网络连接实现网络通信在读写区域识别并查询标签，具备防撞功能校验读写过程中的错误信息对有源标签，识别电池信息2023/9/17物联网技术与应用343.1.4.1RFID硬件组成（控制器）读写器有序工作的指挥中心与应用系统软件通信执行应用系统软件发来的动作命令控制与标签的通信过程基带信号的解码与编码防碰撞算法对读写器和标签之间传送的数据加密和解密读写器与标签之间的身份认证对其它外部设备的控制2023/9/17物联网技术与应用353.1.4.1RFID硬件组成（读写器天线）以电磁波形式把前端射频信号功率接收或辐射出去的设备实现导行波与自由空间波能量的转换不同频段的天线原理和设计不同读写器天线的增益和阻抗对作用距离产生影响工作频率影响天线尺寸和辐射损耗天线设计好坏直接影响到系统的成功与否2023/9/17物联网技术与应用363.1.4.1RFID硬件组成（通信设施）为不同的RFID系统管理提供安全通信连接有线无线网络读写器和控制器与计算机连接2023/9/17物联网技术与应用373.1.4.2RFID的软件组成（边沿接口系统）实现硬件与软件的连接从读写器获取数据并控制读写器行为控制外部传感器、执行器工作从不同读写器中过滤重复数据允许设置基于事件触发的外部执行机构智能功能，选择发送到软件系统远程管理功能2023/9/17物联网技术与应用383.1.4.2RFID的软件组成（中间件）介于读写器和后端软件之间的独立软件可与多个读写器、多个软件系统连接屏蔽了不同读写器和应用程序的差异，减少设计复杂性隔离应用层和设备接口处理原始数据，减少应用层处理提供应用层接口用于管理读写器和查询RFID观测数据2023/9/17物联网技术与应用393.1.4.2RFID的软件组成（企业应用接口）RFID前端操作软件，设备操作人员使用读写功能防碰撞功能安全功能差／纠错功能2023/9/17物联网技术与应用403.1.4.2RFID的软件组成（应用软件）系统的核心，数据中心RFID系统管理电子标签管理数据分析和存储2023/9/17物联网技术与应用413.1.5RFID技术的应用门禁管制动物监控交通运输物流管理自动控制医疗应用物料管控质量追踪资源回收防盗应用防伪假冒废物处理联合票证危险物品2023/9/17物联网技术与应用423.1.5RFID技术的应用沃尔玛铁道部车辆调度系统新加坡交通系统美国邮政服务公司英国用标签识别囚犯2023/9/17物联网技术与应用433.1.5RFID技术的应用2023/9/17物联网技术与应用44成本的下降国际标准的制定和推行可能引起的隐私权问题物联网技术与应用

物联网感知技术3.2传感器技术452023/9/17物联网技术与应用通知！10月26日逸夫楼封楼一天26日的课改在三教211上2023/9/17物联网技术与应用463.2.1传感器的作用和重要性2023/9/17物联网技术与应用47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），作出相应的动作。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”）。人感觉定性，传感器定量尤其测量高温高压环境中物理量3.2.1传感器的作用和重要性2023/9/17物联网技术与应用483.2.1传感器的作用和重要性2023/9/17物联网技术与应用49传感器是现代科学的中枢神经系统传感器是获取自然领域中信息的主要途径和手段计算机技术发展很快，但是传感器技术发展相对缓慢传感器真正实现从人人连接的互联网到物物相连的物联网3.2.1传感器技术苹果手机的传感器压力传感器：屏幕三轴陀螺仪：手机的三维位置加速感应器：手机的加速度（运动）反馈距离感应器：手机加速移动距离环境光传感器：调整屏幕亮度环境声音传感器：调整耳机音量并降噪指纹传感器：手机安全摄像头传感器：照相，录像2023/9/17物联网技术与应用503.2.1.1传感器的作用生物工程医疗卫生环境保护安全防范家用电器网络家居2023/9/17物联网技术与应用51工业自动化军事国防宇宙开发海洋开发传感器来自外界的信号电信号3.2.1.2传感器的特征参数2023/9/17物联网技术与应用52灵敏度：输出量和输入量之比分辨率：规定测量范围内可被测量的最小变化量测量范围和量程：被测量的上限和下限范围和差线性度（非线性误差）：传感器校准曲线与拟合直线间的最大偏差与满量程输出值的百分比迟滞：相同条件下，正行程与反行程特性不一致性重复性：相同条件下，输入量按同一方向在全测量范围内连续变化多次得到特性曲线的不一致性零漂和温漂：输入不变（输入升高1度），输出值的最大偏差与量程的百分比3.2.2传感器的定义和组成国家标准GB7665-87的定义：能感受规定的被测量件并按照一定规律转换成可用信号的器件和装置，通常由敏感元件和转换元件组成。传感器是一种以一定的精确度把被测量转换为与之有确定对应关系的、便于应用的某种物理量的测量装置。2023/9/17物联网技术与应用533.2.2传感器的定义和组成传感器是测量装置，能完成检测任务它的输入量是某一被测量，可能是物理量，也可能是化学量、生物量等输出量是某种物理量，这种量要便于传输、转换、处理、显示等，这种量可以是气、光、电，但主要是电量输入输出有对应关系，且应有一定的精确度2023/9/17物联网技术与应用543.2.2传感器的定义和组成2023/9/17物联网技术与应用55敏感元件（Sensitiveelement）：直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。转换元件（Transductionelement）：以敏感元件的输出为输入，把输入转换成电路参数。转换电路（Transductioncircuit）：将转换电路参数接入转换电路，便可转换成电量输出。电路被测量

敏感元件转化元件转换电路3.2.3传感器的分类及要求以被测量来分类被测量类别被

测

量热工量温度、热量、比热；压力、压差、真空度；流量、流速、风速机械量位移（线位移、角位移）、尺寸、形状；力、力矩、应力；重量、质量；转速、线速度；振动幅度、频率、加速度、噪声物性和成分量气体化学成分、液体化学成分；酸碱度（PH值）、盐度、浓度、粘度；密度、比重状态量颜色、透明度、磨损量、材料内部裂缝或缺陷、气体泄漏、表面质量2023/9/17物联网技术与应用563.2.3传感器的分类及要求以传感器原理分类电阻式光电式（红外式、光导纤维式）电感式谐振式电容式霍尔式（磁式）阻抗式（电涡流式）超声式磁电式同位素式热电式电化学式压电式微波式2023/9/17物联网技术与应用573.2.3传感器的分类及要求足够的容量灵敏度高，精度适当响应速度快，工作稳定，可靠性好使用性和适应性强使用经济2023/9/17物联网技术与应用583.2.4传感器发展新趋势电五官”落后于“电脑”的现状，已成为微型计算机进一步开发和应用的一大障碍许多有竞争力的新产品开发和卓有成效的技术改造，都离不开传感器传感器的应用直接带来了明显的经济效益和社会效益传感器普及于社会各个领域，将造成良好的销售前景2023/9/17物联网技术与应用593.2.4传感器发展新趋势2023/9/17物联网技术与应用60集成化同一功能多元件并列化与传感器后续信号加工元件一体化多功能化不同功能元件集成综合处理其测量结果3.2.4传感器发展新趋势2023/9/17物联网技术与应用61智能化：传感器与微处理器相结合，使之不仅具有检测功能，还具有信息处理、逻辑判断、自诊断以及“思维”等人工智能，被称为传感器的智能化。具有判断力的敏感装置具有学习能力的敏感装置具有创造能力的敏感装置3.2.4传感器发展新趋势2023/9/17物联网技术与应用623.2.4传感器发展新趋势精度高稳定、可靠性好检测与处理方便功能广性价比高2023/9/17物联网技术与应用633.2.5生活，被传感器所包围自动门全自动洗衣机自动冲水马桶遥控器汽车话筒声控灯电子温度计手机触摸屏数码产品电饭锅电熨斗光电鼠标汽车称重电子天平……2023/9/17物联网技术与应用643.2.6胡志明小道1959年5月5日，秘密补给线1960年，麦克纳马拉线鸽子炸弹？狗粪传感器？白色冰屋！2023/9/17物联网技术与应用653.2.6胡志明小道声响传感器：幻听和长钉震动传感器：探测地表震动磁性传感器：探测金属红外传感器压力传感器人迹嗅探器：探测生物排出的氨2023/9/17物联网技术与应用663.2.7机器人机器人（Robot）是自动执行工作的机器装置。它既可以接受人类指挥，又可以运行预先编排的程序，也可以根据以人工智能技术制定的原则纲领行动。它的任务是协助或取代人类工作的工作，例如生产业、建筑业，或是危险的工作。灵魂是人工智能，感知为电五官2023/9/17物联网技术与应用673.2.7机器人2023/9/17物联网技术与应用683.2.7机器人2023/9/17物联网技术与应用69眼睛：光电传感器耳朵：压力传感器鼻子：气体传感器舌头：味觉传感器皮肤：温度传感器和触觉传感器3.2.8智能尘埃具有电脑功能的超微型传感器微处理器双向无线电接收装置无线网络可互相定位、收集数据并传向基站某个尘埃功能时常，其余尘埃会对其修复UCB的KristiferPister提出，1mm32023/9/17物联网技术与应用703.2.8智能尘埃

智能尘埃还没有真正应用以前，仍无法确认它将会带来什么，对此能做的只能是期待事实的验证。不管是否接受，智能尘埃已经不再遥远。也许这样的新技术就像是那个捞到装了魔鬼的瓶子的渔夫——也许得到魔鬼的感激，也许收到它的愤怒。不同的是，人类一旦开启了这个瓶子将不会有机会再把它盖上。而英特尔正是那个一心想要打开瓶盖的渔夫，且正在一点点开启。2023/9/17物联网技术与应用713.2.8智能尘埃2023/9/17物联网技术与应用72军事应用：监视医疗健康应用：胃镜，血糖，老人监控防灾领域的应用：森林火灾大面积，长距离无人监控：石油管线，电网监控物联网技术与应用

物联网感知技术3.3嵌入式系统732023/9/17物联网技术与应用3.3嵌入式系统2023/9/17物联网技术与应用743.3嵌入式系统系统内核小专用性强系统精简高实时性多任务支持开发工具和环境2023/9/17物联网技术与应用753.3.1何谓嵌入式系统根据IEEE（国际电气和电子工程师协会）的定义：

嵌入式系统是“用于控制、监视或者辅助操作机器和设备的装置”Devicesusedtocontrol,monitor,orassisttheoperationofequipment,machineryorplants.2023/9/17物联网技术与应用763.3.1何谓嵌入式系统简单讲，就是嵌入到对象体中的专用计算机系统三要素：嵌入、专用、计算机嵌入式系统的特点:由三要素引出嵌入性：嵌入到对象体系中，有对象环境要求专用性：软、硬件按对象要求裁减计算机：实现对象的智能化功能2023/9/17物联网技术与应用773.3.1何谓嵌入式系统广义地说，一个嵌入式系统就是一个具有特定功能或用途的计算机软硬件集合体。国内普遍认同定义：即以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。嵌入式系统发展的最高形式——片上系统（SoC）2023/9/17物联网技术与应用783.3.1何谓嵌入式系统嵌入式系统是面向用户、面向产品、面向应用的，它必须与具体应用相结合才会具有生命力、才更具有优势。嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术、电子技术和各个行业相结合后的产物，是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。嵌入式系统必须根据应用需求对软硬件进行裁剪，满足应用系统的功能、可靠性、成本、体积等要求。2023/9/17物联网技术与应用793.3.2嵌入式系统的组成2023/9/17物联网技术与应用803.3.2.1嵌入式系统硬件（嵌入式处理器）嵌入式处理器是其嵌入式系统的核心部件超过1000种处理器，30多个体系架构，8051体系64～256MB，0，1～2000MIPS小体积，高性能，低功耗嵌入式微处理器（MicroProcessorUnit，MPU）嵌入式微控制器（MicroControllerUnit，MCU）嵌入式DSP处理器（DigitalSignalProcessor，DSP）嵌入式片上系统（SystemonChip，SoC）2023/9/17物联网技术与应用813.3.2.1嵌入式系统硬件（嵌入式处理器）MPU：基础就是通用计算机中的CPU在应用中，将微处理器装配在专门设计的电路板上，电路板只保留和嵌入式应用有关的母板功能，这样可以大幅度减小系统体积和功耗。体积小，重量轻，成本低，可靠性高单板计算机STD－BUS、PC1042023/9/17物联网技术与应用82MCU：单片机，整个计算机系统集成在一块芯片中以某一MPU为核心封装不同存储器和外设实现不同功能体积更小，功耗和成本更低，可靠性更高工业控制的主流，70%的嵌入式市场份额8051、P51XA、MCS－251、ARM等3.3.2.1嵌入式系统硬件（嵌入式处理器）2023/9/17物联网技术与应用833.3.2.1嵌入式系统硬件（嵌入式处理器）DSP：对系统结构和指令进行了特殊设计，使其适合于执行DSP算法，编译效率较高，指令执行速度也较高。数字滤波、FFT、谱分析DSP处理方式正从单板计算机中转向DSP芯片TexasInstruments的TMS320系列Motorola的DSP56000系列2023/9/17物联网技术与应用843.3.2.1嵌入式系统硬件（嵌入式处理器）SoC：在一个硅片上实现一个更为复杂的系统集成整个嵌入式系统减小体积和功耗，提高可靠性通用和专用2023/9/17物联网技术与应用853.3.2.1嵌入式系统硬件（存储器）存放和执行代码Cache主存辅助存储器2023/9/17物联网技术与应用863.3.2.1嵌入式系统硬件通用设备接口和I／O接口外设通过和片外其他设备或传感器的连接来实现MPU的I／O功能A／D：模／数转换接口D／A：数／模转换接口串行通信接口、以太网接口、USB接口、音频接口、VGA接口、串行总线接口、串行外围设备借口、红外线接口2023/9/17物联网技术与应用873.3.2.2嵌入式系统软件操作系统连接计算机硬件和应用程序计算机硬件便于使用高效组织和正确使用计算机资源2023/9/17物联网技术与应用883.3.2.2嵌入式系统软件实时系统：具有实时性、能支持实时控制系统工作通过任务调度使重要事件在规定时间内做成正确响应具有系统的可确定性硬实时系统：绝对不能错过系统处理时限，如航空控制系统软实时系统：系统负荷较重时可延时，如液晶屏刷新分时系统：任务的执行在时间上并不做严格要求2023/9/17物联网技术与应用893.3.2.2嵌入式系统软件嵌入式操作系统（EmbeddedOperationSystem，EOS）负责嵌入系统的全部软、硬件资源的分配、任务调度，控制、协调并发活动过去主要应用于工业控制和国防系统领域目前的EOS功能越来越强，越来越丰富2023/9/17物联网技术与应用903.3.2.2嵌入式系统软件uCLinux从Linux2.0/2.4派生出来主要针对没有内存管理的CPU稳定、移植性好、网络功能丰富、支持文件系统等WindowsCE开放的可升级的32位操作系统精简的Windows95GUI出色并可使用Win95/98开发工具提高软件兼容性2023/9/17物联网技术与应用913.3.2.2嵌入式系统软件VxWorks实时操作系统，广泛应用在实时领域良好的持续发展能力、高性能内核和友好的用户开发环境OSE实时操作系统与分布式和容错性应用在电信、数据、工控、航空等领域NucleusPLUS实时抢占式多任务操作系统内核95%用ANSIC编写易于移植，组件开发2023/9/17物联网技术与应用923.3.2.2嵌入式系统软件eCos可配置、可移植的嵌入式实时操作系统RedHat的GNUPro和GUN开发环境μC／OS－II开源、可移植、可固化、可剪裁、占先式的多任务实时操作系统用ANSIC编写系统资源占用少，高校可自由使用2023/9/17物联网技术与应用933.3.3嵌入式系统应用领域工业控制交通管理信息家电军事国防环境工程机器人2023/9/17物联网技术与应用943.3.4嵌入式系统的发展趋势嵌入式开发是一项系统工程，因此要求嵌入式系统厂商不仅要提供嵌入式软硬件系统本身，同时还需要提供强大的硬件开发工具和软件包。网络化、信息化的要求随着因特网技术的成熟、带宽的提高日益提高，使以往单一功能的设备如电话、手机、冰箱、微波炉等功能不再单一，结构更加复杂。网络