《物联网概论》 课件 4 物联网信息感知 - 副本

4.物联网信息感知物联网概论主讲教师：12物联网五大关键要素物联网关键要素及涉及的技术示例IoT关键要素涉及的技术示例识别命名电子产品代码（EPC）、泛在码（UCode）寻址IPv4、IPv6感知智能传感器、可穿戴设备、嵌入式传感器、执行器、射频识别标签通信射频识别通信（RFID）、近场通信（NFC）、超宽带通信（UWB）、蓝牙通信（BT）、蓝牙低功耗通信（BLE）、紫蜂通信（Zigbee）、Z-Wave、WiFi、LTE、LTE-A计算硬件Arduino、树莓派、MediaTekLinkItONE等物联网硬件平台软件Contiki、TinyOS、LiteOS、AndroidThings等物联网操作系统服务身份服务（如供应链管理）信息聚合服务（如智能电网）协作感知服务（如智能家居）3物联网为什么要具备感知（Sensing）能力？在物联网“万物互联”的愿景下，需要作为网络节点的“物”能够主动的产生信息、表达和传输信息。面对这些无时无刻不在产生的海量信息，人类的感知、采集和分析能力受限，应当让人更少地参与海量信息的采集和分析，将大量不需要亲自关注的信息交给设备和网络去处理，把人从海量信息的困局中解放出来。对“感知”能力的充分运用，是物联网相对于互联网的最大不同和优势所在。随着物联网的发展和进化，未来会产生更多不同种类的终端节点，它们无需人类用户去互动，可以实现智能化自动化地直接服务于人类。4理解物联网的感知过程物联网传感终端负责收集数据并将数据发送回数据仓库、数据库或云端；接下来，对收集的数据进行分析，以便传感终端根据服务需要采取特定行动。物联网的传感终端可以是智能传感器、执行器或可穿戴传感设备。在这些传感终端内，可以集成单板计算机（单片机），并内置TCP/IP及安全功能，从而构建物联网的硬件平台。传感终端设备被连接到中央管理门户，以提供客户所需要的数据。很多公司在提供物联网传感终端的同时，也提供配套的智能网关和能够安装在智能手机上的移动应用程序，使人们能够使用智能手机监测对象的环境以及控制物联网中的目标设备或装置。54.物联网信息感知4.34.14.24.4身份感知技术位置感知技术状态感知技术过程感知技术4.34.14.24.4身份感知技术位置感知技术状态感知技术过程感知技术感知技术分类4.1身份感知技术基本概念身份感知技术也称自动识别技术，就是应用一定的识别装置，通过被识别物品和识别装置之间的接近活动，自动地获取被识别物品的相关信息，并提供给后台的计算机处理系统来完成相关后续处理的一种技术。识别可看做身份感知对物联网相关关键技术的解释随着其动态发展及概念框架的不断丰富，也保持着动态的更新并可以有不同角度的阐述。故此，可将识别要素中的命名技术纳入“感知”功能的范畴，看作是身份感知技术的子类。主流身份感知技术条形码二维码电子标签RFID8条形码条形码（barcode）诞生于20世纪40年代，是将宽度不等的多个黑条和空白按照一定的编码规则排列以表达一组信息的图形标识符。常见的条形码由反射率相差很大的可变宽度的矩形黑条（简称条）和白条（简称空）平行排列而成。条码阅读器（又称条码扫描器或条码扫描枪）扫描条形码，得到一组反射光信号，此信号经光电转换后变为一组与黑条、白条相对应的电子信号，经解码后还原为相应的文数字，再传入电脑。条形码能表示物品的生产国、制造厂家、商品名称、生产日期、图书分类号、邮件起止地点、类别、日期等许多信息，在商品流通、图书管理、邮政管理、银行系统等领域都得到了广泛的应用。9各种条形码10商品条形码——EAN-13结构11二维码二维码/二维条码（2DBarCode）是按一定规律在二维空间分布的光学可识读符号，以黑白相间的图形来记录数据信息，需要在水平和垂直方向配合识读全部信息。二维码比传统的BarCode条形码能存更多的信息，也能表示更多的数据类型。随着近年来移动设备的兴起，二维码逐渐流行。二维符号同样具有检错与纠错特性。12各种二维码13行排式将条码堆积成多行。典型例子：Code16K、Code49、PDF417、Ultracode等。矩阵式又称棋盘式二维码，它是在一个矩形空间通过黑、白像素在矩阵中的不同分布进行编码。典型例子：CodeOne、MaxiCode、QRCode、DataMatrix。QRCode123超高速识读（QuickResponse）。硬件实现码读取，平均每秒可识读20个含有100个字符的QRCode符号，是传统的PDF417及DataMatrix二维码平均每秒识读符号量的30至50倍。全方位360度识读，优于识读方位角仅为±10°的PDF417码。表示汉字的效率更高。QRCode用特定的数据压缩模式表示汉字，仅用13bit就可以表示一个汉字；相比之下，PDF417、DataMatrix等二维码需用16bit才能表示一个汉字。QRCode由日本Denso公司于1994年9月推出的矩阵式二维码，具有超高速识读、全方位识读、有效表示汉字等特性和优点。14电子标签（RFID）电子标签，又称无线射频识别（RadioFrequencyIdentification），这是一种可通过无线电信号识别特定目标并读写相关数据，而无需识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触的身份感知技术。15RFID技术基本工作原理图16标签（Tag）：由耦合元件及芯片组成，每个标签具有唯一的电子编码，附着在物体上标识目标对象。阅读器（Reader）：读取（有时还可以写入）标签信息的设备，可设计为手持式或固定式；17低频RFID（125kHz~134.2kHz）主要用于畜牧管理等；中高频RFID（13.56MHz）主要用于身份证、考勤卡、校园卡等；超高频RFID（860MHz~928MHz）主要用于铁路、物流等；微波频段RFID（2.45GHz~5.8GHz）主要用于跟踪定位、高速公路收费等。段号频段名称频段范围（含上限不含下限）波段名称波长范围（含上限不含下限）1甚低频（VLF）3~30KHz甚长波100~10km2低频（LF）30~300KHz长波10~1km3中频（MF）300~3000KHz中波1000~100m4高频（HF）3~30MHz短波100~10m5甚高频（VHF）30~300MHz米波10~1m6特高频（UHF）300~3000MHz分米波微波100~10cm7超高频（SHF）3~30GHz厘米波10~1cm8极高频（EHF）30~300GHz毫米波10~1mm9至高频（THF）300~3000GHz亚毫米波1~0.1mm18图书馆RFID应用案例首先对每本书对应的RFID标签上号并贴在书上，则每本书即相当于有了“身份证号”（ID），借书时，可以去柜台人工借阅，亦可以在自助机器上自助借还。利用RFID技术，借书时无需像过去的条码技术那样必须逐本扫描，而是可以批量处理借还书。以往需要在图书上加磁条防盗，而有了RFID标签后，RFID标签本身通过无线电波侦测门时，可以自动识别相应书籍是否已办理借书手续，没有办理借书手续的会自动报警。图书馆管理员在进行书架盘点、书籍寻找以及顺架整架时，也非常方便，只需用手持式读写器通过书架，即可以发现书籍，或查看书籍是否放错位置。三大RFID标准化体系ISO/IEC的RFID体系国际标准化组织和国际电工委员会共同制定。RFID通用技术标准主要针对不同应用领域中涉及的共同要求和属性。RFID应用技术标准则是在通用技术标准的基础上，根据各个行业自身特点制定，主要针对行业应用领域涉及的共同要求和属性。EPCGlobal制定的RFID体系由美国统一代码协会（UCC）和国际物品编码协会（EAN）共同制定。目标是解决供应链的透明性，帮助供应链各环节的参与方了解单件物品的相关信息UID制定的泛在码标签体系由UCode的发源地日本牵头制定。19UID标准体系和EPC标准体系的对比20

UIDEPC发源地日本欧美愿景利用日本发达的宽带网络环境，建立人人、人物、物物之间的连接，为个人、商业、公共事业等提供泛在的信息服务更加快速、自动、准确地识别供应链中商品，以提升在供应链全生命周期管理商品的效率编码泛在码（128位，可扩展）电子产品代码（96位，可扩展）实施系统UID系统，能对有形或无形的产品和对象作出全球唯一标识EPCGlobal网络，能对单一产品进行全球唯一标识，最终取代条码工作频率2.45GHz/13.56MHz860MHz-928MHz/13.56MHz应用领域不依赖于应用领域和业务类型，可广泛应用于电子产品、食品、场所和音乐内容等，不被特定的应用场景和业务类型所限制。非常适用于跨行业和应用的服务和目标管理，以及管理同一系统中多个位置和对象的服务等场景侧重物流管理、库存管理等与制造、物流、零售密切相关的供应链领域4.34.14.24.4身份感知技术位置感知技术状态感知技术过程感知技术感知技术分类4.2位置感知技术依赖无线电技术实现位置感知技术主要依赖无线电技术实现，主要包括全球定位系统、移动通信定位技术、WiFi定位技术、RFID定位技术以及WSN（无线传感网）定位技术。应用广泛如矿山中矿工位置定位，汽车导航定位，用车软件对叫车用户的位置定位、共享单车软件对周边可用单车位置的定位等，都会用到位置感知定位技术22主流位置感知技术全球定位系统移动通信定位技术WiFi定位技术WSN定位技术全球四大卫星定位系统23名称构成精度用途美国GPS系统由24颗卫星组成分米级（@2016）军民两用俄罗斯格洛纳斯系统由24颗卫星组成米级（@2013）军民两用欧洲伽利略系统由30颗卫星组成米级（@2017）民用为主中国北斗系统由5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星组成平均2.34米，最高厘米级（@2020）军民两用24GPS卫星系统构成移动通信基站定位技术基于三角关系和运算的定位技术根据测量得出的数据，利用几何三角关系计算被测物体的位置，是最主要的也是应用最为广泛的一种定位技术。基于三角关系和运算的定位技术可以细分为两种：基于距离测量的定位技术和基于角度测量的定位技术。主流位置感知技术基于三角关系和运算的定位技术25基于场景分析的定位技术基于邻近关系的定位技术基于定位原理划分基于距离基于角度移动通信基站定位技术以基于距离测量的定位技术为例手机附近至少有三个基站，可利用无线信号计算出手机和三个基站之间的距离。若已知三个基站的位置，以每个基站为圆心，以手机和该基站的距离为半径画圆，三个圆必有交点，即得到手机的位置。26WiFi定位技术WiFi定位的第一种方法技术原理与移动通信定位技术的原理相似，可以把WiFi的接入点（AP）类比为基站，从而利用三角定位原理对目标进行定位。27WiFi定位的第二种方法技术原理更加简单，可以用于定位精度较为粗糙的场合。WiFi技术的覆盖范围有限，如果AP位置已知，则其能收到信号的用户一定处于有限范围内，由此可以完成粗略定位。WiFi定位多用于室内场景RFID定位技术：多边测距法原理利用3个或3个以上固定部署的阅读器来读取目标标签的信息，记录每个阅读器接收信号的强度，可以得到各个阅读器和目标标签的距离，从而容易计算出标签的所在位置。28RFID定位技术：近邻法原理这种方法的主要思想是引入参考标签。在室内的多个固定位置分别部署阅读器和参考标签，可以通过比对参考标签和目标标签的接收信号强度，来推算目标标签的位置。这种方法的定位效果比较依赖标签如何摆放，一般需要标签都按照同样方向摆放。29RFID定位技术：信号强度法原理在已知阅读器位置的情况下，容易理解，能收到信号的标签必然处于相应阅读器的有限感知范围内，根据收到的信号强度可以完成对标签的粗略定位。304.物联网信息感知物联网概论主讲教师：314.物联网信息感知4.34.14.24.4身份感知技术位置感知技术状态感知技术过程感知技术4.34.14.24.4身份感知技术位置感知技术状态感知技术过程感知技术感知技术分类4.3状态感知技术34状态感知技术：利用传感器对人以及物品、环境等的状态信息进行采集。传感器（Sensor）：由敏感元件和转换元件组成的一种检测装置，能感受到被测量，并能将检测和感受到的信息按一定规律变换成为电信号输出，以满足感知信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制的要求。状态感知技术的关键：被测量（非电信号）→模拟电信号

→数字信号电压、电流、频率、相位物理量、化学量、生物量传感器基本结构35例：电阻应变式传感器36敏感元件就是左端的弹性元件，转换元件就是电阻应变片。弹性材料对外力非常敏感，当有外力作用在传感器上，材料会发生弹性形变，弹性形变引起电阻应变片的阻值发生变化。经过信号调理电路的整流和放大，会输出一个电信号，通过电信号的变化，可以反推出材料受到外力的情况。传感器的分类——按工作原理37变换原理传感器举例变电阻电位器式、应变式、压阻式、光敏式、热敏式变磁阻电感式、差动变压器式、涡流式变电容电容式、湿敏式变谐振频率振动膜式变电荷压电式变电势霍尔式、感应式、热电偶式传感器的分类——按被测量对象38基本被测量派生被测量热工量湿度、热量、比热、压力、压差、真空度、流量、流速、风速机械量位移、尺寸、形状、力、应力、力矩振动、加速度、噪声、角度、表面粗糙度物理量粘度、温度、密度化学量气体（液体）化学成分、浓度、盐度生物量心音、血压、体温、气流量、心电流、眼压、脑电波光学量光强、光通量传感器的分类——其它方式分类39传感器的发展历程和命名规则40命名形式：四级修饰语+主题词第一级修饰语：被测量第二级修饰语：转换原理第三级修饰语：传感器特征第四级修饰语：技术指标（量程、精确度、灵敏度等例：35kPa智能型谐振式差压传感器当实际实现一个物联网应用系统时，对传感器进行选型，根据传感器的名字就可以得到很多信息。被测量转换原理传感器特征技术指标MEMS（MicroelectroMechanicalSystems）微机电系统MEMS是利用传统的半导体工艺和材料，集微传感器、微执行器、微机械机构、信号处理和控制电路、高性能电子集成器件、接口、通信和电源等于一体的微型器件或系统。MEMS是在微电子技术基础上发展起来的多学科交叉的前沿研究领域。经过四十多年的发展，已成为世界瞩目的重大科技领域之一。41MEMS工作原理图MEMS传感器42什么是MEMS传感器是采用微电子和微机械加工技术制造出来的新型传感器。MEMS技术是实现状态感知的核心关键技术，涉及电子、机械、材料、物理学、化学、生物学、医学等多种学科与技术，具有广阔的应用前景。已研制出的微型压力传感器、加速度传感器、微喷墨打印头、数字微镜显示器在内的几百种MEMS产品中，MEMS传感器占相当大的比例。MEMS传感器的特点体积小重量轻成本低功耗低可靠性高适于批量化生产易于集成和实现智能化在微米量级的特征尺寸使其可以实现某些传统机械传感器所不能实现的功能。MEMS传感器分类43状态感知技术的应用：智慧汽车和智能驾驶44汽车传感器：信息转换为电信号汽车在运行中，各系统会处于不同的工作状态，比如水温、油温、进气压力、车速、节气门位置、档位等等，汽车的电脑无法直接读取这些信息，由汽车传感器将状态信息转化为电脑能够识别的电信号。车载电脑：计算分析汽车运行中的光、电、温度、压力、时间等信息转化成电信号后输入车载电脑系统，由电脑中内部预先存储的程序进行计算分析，从而判断汽车的运行状态。汽车上的传感器非常多，多达几十个至上百个。MEMS传感器@智能汽车MEMS加速度传感器和角速度传感器（即陀螺仪）主动安全系统的改进自动驾驶技术的兴起车身姿态感测人车交互安全气囊汽车发动机MEMS麦克风正面防撞气囊：高g值加速度计侧面气囊：压力传感器检测进气量：进气压力传感器、空气流量传感器等45状态感知技术的应用：可穿戴设备小米手环：用ADI的MEMS加速度和心率传感器实现运动和心率监测。AppleWatch：MEMS加速度计、陀螺仪、MEMS麦克风、脉搏传感器。46状态感知技术的应用：虚拟现实（VR）设备47MEMS加速度计、陀螺仪和磁力计：VR设备的标配，可精确测定头部转动的速度、角度和距离。例：OculusRift（虚拟现实设备，一款为电子游戏设计的头戴式显示器）、HTCVive（HTC出品的虚拟现实游戏设备产品，包括VR眼镜和VR头盔）、PlayStationVR（索尼出品的虚拟现实头戴式显示器）都采用了MEMS加速度计和陀螺仪，未来VR设备也可能会使用MEMS眼球追踪技术。状态感知技术的应用：无人机48无人机飞行姿态控制技术需要MEMS传感器。结合加速度计和陀螺仪，可以算出角度变化，并确定位置和飞行姿态。MEMS传感器能在各种恶劣条件正常工作，同时获得高精度输出。状态感知技术的应用：智慧工厂49环境条件的检测：MEMS温度、湿度传感器工业设备的振动和旋转速度监测：MEMS加速度计为工业机器人的导航和转动提供精确的位置信息：高精度的MEMS加速度计和陀螺仪状态感知技术的应用：智慧医疗50植入式传感器多应用于医疗级的生物感测和病况追踪。可植入式定位对MEMS传感器的采样精度、速度、适用性、体