物联网技术基础（物联网及相关专业）全套教学课件

物联网技术基础全套可编辑PPT课件共分为7章，内容涵盖物联网概述、RFID（射频识别）技术、传感器与传感网技术、物联网通信技术、物联网智能化技术、物联网安全和物联网应用第1章物联网概述全套可编辑PPT课件目录Content物联网的起源与发展物联网的基本特征物联网的体系架构物联网的基本概念1234物联网标准化5物联网（InternetofThings，简称IoT）被称为继计算机、互联网之后世界信息产业发展的第三次浪潮，它是新一代信息技术的重要组成部分，也是“信息化”时代的重要发展阶段。“”1.1物联网的基本概念物联网作为新一代信息技术的典型代表，目前在全球范围内呈现出爆发式增长态势，不同行业和不同类型的物联网应用为我们开启了万物互联时代。图1-1为物联网的主要应用场景。环境监测

食品安全

智慧城市智能家居

智能交通

智能农业图1-1物联网的主要应用场景1999年，美国麻省理工学院对物联网定义。012009年9月，欧盟相关组织对物联网定义。03中国国家标准GB/T33745－2017《物联网术语》对物联网的定义。052005年，国际电信联盟（ITU）对“物联网”的含义进行了扩展。022010年，我国政府工作报告对物联网定义。04国内普遍引用的物联网定义为：物联网是通过信息传感设备，按照约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。根据物联网的定义，可以从技术和应用两个方面对其进行理解。物联网是物体的信息利用感应装置，经过传输网络，到达指定的信息处理中心，最终实现物与物、人与物的自动化信息交互与处理的智能网络。（1）技术理解。物联网是把世界上所有的物体都连接到一个网络中，形成“物联网”，然后又与现有的互联网相连，实现人类社会与物体系统的整合，达到更加精细和动态的方式去管理生产和生活。（2）应用理解。简而言之，物联网就是“物物相连的互联网”。在这个网络中，物体之间能够彼此进行“交流”，而无需人工干预。1.2物联网的起源与发展20世纪90年代有关物联网的研究开始萌芽。1物联网的理念最早出现于比尔•盖茨1995年出版的《未来之路》一书。21999年，美国麻省理工学院（MIT）Auto-ID中心首次提出InternetofThings的概念。32005年11月17日，国际电信联盟（ITU）发布了《ITU互联网报告2005：物联网》。42008年5月，欧洲智能系统集成技术平台（EPoSS）分析预测了未来物联网的4个发展阶段（13页所述）：52009年1月28日，IBM公司代表提出了“智慧地球”的研究计划。612010年之前，单体互联，RFID广泛应用于物流、零售和制药领域；22010～2015年，物体互联，无线传感器网络技术大规模应用；32015～2020年，物体进入半智能化阶段，物体和物体之间实现初步互联，物体信息可以通过无线网络发送到手机或互联网等终端设备上，实现信息共享；42020年之后，物体进入全智能化阶段，最终形成全球统一的“物联网”。2009年8月7日，温家宝总理提出“感知中国”的战略构想。2010年，物联网首次被写入我国政府工作报告。2011年11月28日，工业和信息化部发布了《物联网“十二五”发展规划》。我国政府也高度重视物联网的研究和发展。2013年2月5日，国务院出台《关于推进物联网有序健康发展的指导意见》。2013年9月5日，国家发改委等部门联合印发《物联网发展专项行动计划》。2015年5月19日，国务院发布《中国制造2025》。1.3物联网的基本特征和传统的互联网相比，物联网应具备3个基本特征：即利用传感器（网络）、RFID技术等随时随地获取对象信息；一是全面感知即通过各种电信网络与互联网的融合，实现对数据和信息实时准确地传输；二是可靠传输即利用云计算、模糊识别等各种智能计算技术，对海量的数据和信息进行分析和处理，对物体实施智能化的控制。三是智能处理全面感知是指利用射频识别（RFID）、传感器、定位器和二维码等手段随时随地对物体进行信息采集和获取。1．全面感知在物联网中，传感器发挥着类似人类社会中“语言”的作用，借助这种特殊的“语言”，人和物体、物体和物体之间可以相互感知对方的存在、特点和变化，从而进行“对话”与“交流”。1物联网离不开传感设备。射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备是物联网不可或缺的关键元器件。物联网之所以又称为传感器网络，就是因为传感设备在网络中起到了关键作用。可靠传输是指通过各种电信网络与互联网的融合，对接收到的感知信息进行实时远程传送，实现信息的交互和共享，并进行各种有效的处理。在这一过程中，通常需要用到现有的电信网络，包括无线和有线网络。2．可靠传输智能处理是指利用云计算、数据挖掘、模糊识别等各种智能计算技术，对随时接收到的跨地域、跨行业、跨部门的海量数据和信息进行分析处理，提升对物理世界、经济社会各种活动和变化的洞察力，实现智能化的决策和控制。3．智能处理1.4物联网的体系架构从系统结构的角度看，人们普遍认同的物联网体系架构是由感知层、网络层和应用层组成的三层体系，如图1-2所示。图1-2物联网三层体系架构123感知层以二维码、RFID、传感器为主，是物联网的识别系统。感知层网络层是互联网、广电网络、通信网络的融合，是物联网的传输系统。网络层应用层涉及云计算、数据挖掘、中间件等技术，是物联网的智能处理系统。应用层1感知层主要用于采集物理世界中发生的物理事件和数据，包括各类物理量、标识、音频、视频数据。物联网数据采集涉及传感器、RFID、蓝牙、ZigBee、多媒体信息采集、二维码和实时定位等技术。传感器网络组网和协同信息处理技术，实现传感器、RFID等数据采集技术所获取数据的短距离传输、自组织组网及多个传感器对数据的协同信息处理过程。较之于传统网络层，物联网的感知层网络范围更广，传统网络仅仅包括人与人之间的通信，而物联网的范围不仅包括人与人，还包括人与物、物与物。感知层处于三层架构的最底层，是物联网发展和应用的基础，具有物联网全面感知的核心能力。作为物联网的最基本一层，感知层具有十分重要的作用，它由数据采集子层、短距离通信技术和协同信息处理子层组成。感知层的主要技术包括以下几种。传感器是摄取信息的关键器件传感器是一种检测和信息采集装置，能感受到被测的信息，并将信息转换成电脑系统能识别的信息形式。常见的传感器有压力传感器、温度传感器、湿度传感器、光传感器、磁性传感器等。1．传感器技术RFID是射频识别（RadioFrequencyIdentification）的英文缩写，。RFID既可以看做是一种设备标识技术，也可以归类为短距离传输技术。它是物联网中能够让物品“开口说话”的一种技术。2．RFID技术每个RFID芯片中都有一个全球唯一的编码：在为物品贴上RFID标签后，需要在系统服务器中建立该物品的相关描述信息，与RFID编码相对应。用户可以使用读写器（或称阅读器）向标签发出电磁信号，与标签进行通信对话，而标签中的RFID编码被传输回读写器，读写器再与系统服务器进行对话，根据编码查询该物品信息。有源标签工作时与读写器的距离可以达到10m以上，成本较高而无源标签工作时与读写器的距离在1m左右而RFID标签又分为有源和无源两种：“”蓝牙（Bluetooth）是一种无线技术标准，可实现固定设备、移动设备和楼宇个人域网之间的短距离数据交换。它采用高速跳频和时分多址等先进技术，支持点对点及点对多点通信。3．蓝牙技术其传输频段为全球公共通用的2.4GHz频段，能提供1Mbit/s的传输速率和10m的传输距离。它除了具有全球通用、功耗低、成本低、抗干扰能力强等特点外，还有可同时传输话音和数据、可建立临时性的对等连接、开放的接口标准等特点。ZigBee是介于无线标记技术和蓝牙之间的一种无线传输技术，具有短距离、低功耗的显著特点。ZigBee采用分组交换和跳频技术，可使用3个频段，分别是2.4GHz的公共通用频段、欧洲的868MHz频段和美国的915MHz频段。4．ZigBee技术1它主要应用在短距离且数据传输速率不高的各种电子设备之间。与蓝牙相比，ZigBee更简单、速率更慢、功率及费用也更低，因此它只适合承载低速率、通信范围较小、数据量较小的业务。二维码又称二维条码，它是用某种特定的几何图形即按一定规律在平面（二维方向上）分布的黑白相间的图形来记录数据符号信息的。5．二维码技术二维码在代码编制上巧妙地利用构成计算机内部逻辑基础的“0”和“1”比特流的概念，使用若干与二进制相对应的几何形体来表示文字数值信息，通过图像输入设备或光电扫描设备自动识读以实现信息自动处理。二维码有多种编码方式，常用的二维码有PDF417，QRCode，DataMatrix，MaxiCode，Code49，Code16K，CodeOne等。二维码是物联网中“物”的身份证，其优点是信息容量大，译码可靠性高，纠错能力强，制作成本低，保密与防伪性能好，即使某个部分遭到一定程度的损坏，也可通过存在于其他位置的纠错码将损失的信息还原出来。物联网的发展是建立在其他网络发展的基础上的，特别是三网融合中的三网（电信网、广播电视网、互联网），还包括通信网、卫星网、行业专网等。网络层将来自感知层的各类信息通过基础承载网络传输到应用层，网络层中的感知数据管理与处理技术是实现以数据为中心的物联网的核心技术。感知数据管理与处理技术包括物联网数据的存储、查询、分析、挖掘、理解及基于感知数据决策和行为的技术。网络层位于整个物联网体系的中间位置，其主要技术包括Internet技术、移动通信网技术、无线传感器网络技术等。Internet技术就是我们常见的互联网技术，是把分布于世界各地不同结构的计算机网络用各种传输介质互相连接起来形成一个网络的技术。移动通信是指通信双方至少有一方在运动状态中进行信息交换，它包括移动用户之间的通信、固定用户与移动用户的通信。节点软件网关无线传感器网络主要由三部分组成。空间分布的测量节点通过与传感器连接对周围环境进行监控。监测到的数据无线发送至网关，网关与有线系统相连接，使用软件对数据进行采集、加工、分析和显示。路由器是一种特别的测量节点，可以用它在无线传感器网络中延长距离和增加可靠性。应用层的主要功能是对感知和传输来的信息进行分析和处理，做出正确的控制和决策，实现智能化的管理、应用和服务。这一层解决的是信息处理和人机交互的问题，网络层传输而来的数据在这一层进入各行各业、各种类型的信息处理系统，并通过各种设备与人进行交互。应用层位于整个体系的最上层，是物联网架构中的关键结构。应用层主要包括服务支撑层和应用子集层。“”服务支撑层的主要功能是根据底层采集的数据，形成与业务需求相适应、实时更新的动态数据资源库；应用子集层的主要功能是把感知和传输来的信息进行分析和处理，做出正确的控制和决策，实现智能化的管理、应用和服务。物联网的应用可分为监控型（如环境监控、物流监控）、查询型（如智能检索、远程抄表）、控制型（如智能交通、智能家居、路灯控制）、扫描型（如手机钱包、高速公路不停车收费）等。图1-5为一个农业生产中的物联网连接示意图。通过这张图，可以对物联网的技术体系框架有一个深入的认识。图1-5温室大棚的物联网连接示意图1.5物联网标准化1物联网涉及的标准化组织十分复杂，依据物联网的参考体系结构和技术框架，不同标准化组织侧重的技术领域也不相同，有些标准化组织的工作覆盖多个层次，不同标准化组织之间错综交互。目前，很多标准化组织均开展了与物联网相关的标准化工作，但尚未形成一套较为完备的物联网标准规范，在市场上仍有多项标准和技术在争夺主导地位，这种现象严重制约了物联网技术的广泛应用和产业的迅速发展，亟需建立统一的物联网系统架构和技术标准体系。我国物联网国家标准已经初具体系。至今，我国已有47项物联网国家标准正式立项，79项物联网国家标准立项完成立项公示，涵盖了农业物联网、交通物联网、公共安全物联网、林业物联网、家用电器等多个应用领域。2014年9月，由我国主导提出的物联网参考体系结构标准，已经顺利通过了ISO/IEC的国际标准立项，这是我国在国际标准化领域的又一个突破性进展，同时也标志着我国开始主导物联网国际标准化工作。截至2016年底，国家标准GB/T31866－2015《物联网标识体系物品编码Ecode》、GB/T33474－2016《物联网参考体系结构》等已经正式发布。谢谢观看物联网技术基础第2章RFID（射频识别）技术目录ContentRFID系统组成RFID系统原理RFID的典型应用RFID基础知识1234从目前的发展阶段来看，物联网发展的瓶颈就在于感知层。RFID（射频识别）技术是一种非接触式的自动识别技术。它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无须人工干预，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。“”2.1RFID基础知识在物联网中，RFID标签里存储着规范而具有互用性的信息，可通过有线或无线的方式把它们自动采集到中央信息系统，实现物品（商品）的识别，进而通过开放式的计算机网络实现信息交换和共享，实现对物品的“透明”管理。RFID即射频识别（RadioFrequencyIdentification），又称无线射频识别，是一种非接触式的自动识别技术，它利用射频信号通过空间电磁耦合实现无接触信息传递并通过所传递的信息实现物体识别。读写器电子标签计算机系统图2-1RFID系统组成示意图电子标签读写器天线RFID系统电子标签芯片具有数据存储区，用于存储待识别物品的标识信息；读写器是将约定格式的待识别物品的标识信息写入电子标签的存储区中（写入功能），或在读写器的阅读范围内以无接触的方式将电子标签内保存的信息读取出来（读出功能）；天线用于发射和接收射频信号，往往内置在电子标签和读写器中。天线芯片图2-2电子标签电子标签由芯片及天线组成，封闭于小型的介质中，如图2-2所示。它附着在物体上标识目标对象。每个电子标签都具有唯一的电子编码，存储着被识别物体的相关信息。（1）电子标签图2-3各种外观的读写器读写器又称阅读器、读头或读出设备等，是利用射频技术读写电子标签信息的设备，如图2-3所示。（2）读写器数据交换与管理由计算机网络完成，读写器可以通过标准接口与计算机网络连接，计算机网络完成数据处理、传输和通信的功能。（3）计算机系统RFID还具有如下一些特点。（1）数据的读写功能。（2）电子标签的小型化和多样化。（3）耐环境性。（4）可重复使用。（5）穿透性。（6）数据的记忆容量大。（7）系统安全性。1．根据标签的供电形式分类按照获取电能的方式不同，电子标签可分为:有源电子标签半有源电子标签无源电子标签123有源电子标签又称主动标签，通过标签自带的内部电池进行供电，其电能充足，工作可靠，信号传送距离远。有源电子标签无源电子标签又称被动标签，内部不带电池，需靠外界提供能量才能正常工作。无源电子标签半有源电子标签又称半被动标签，可以使用微型纽扣电池给芯片供电，而天线接收、发射仍然通过读写器发射的电磁波获取能量，因此本身耗电很少。半有源电子标签2．根据标签的工作频率分类电子标签的工作频率决定着射频识别系统的工作原理（电感耦合还是电磁反向散射耦合）、识别距离、电子标签及读写器实现的难易程度和设备的成本。电子标签依据频率的不同可分为:低频电子标签超高频电子标签中高频电子标签微波电子标签RFID系统主要频段标准与特性如表2-1所示。表2-1RFID系统主要频段标准与特性低频中高频超高频微波工作频率125～134kHz13.56MHz868～915MHz2.45～5.8GHz读取距离1.2m1.2m4m（美国）15m（美国）速度慢中等快很快潮湿环境无影响无影响影响较大影响较大方向性无无部分有全球适用频率是是部分部分现有ISO标准ISO11784/11785；ISO/IEC14223ISO/IEC14443；ISO/IEC18000-3；ISO/IEC15693ISO/IEC18000-6ISO/IEC18000-4；ISO/IEC18000-5低频电子标签的工作频率范围为30kHz～300kHz。低频标签一般为无源电子标签，其工作能量通过电感耦合方式从读写器耦合线圈的辐射近场中获得。低频标签与读写器之间传送数据时，低频电子标签需位于读写器天线辐射的近场区内。1）低频电子标签中高频电子标签的工作频率一般为3MHz～30MHz，典型工作频率为13.56MHz。从射频识别应用角度来说，因其工作原理与低频标签完全相同，所以宜将其归为低频标签类中。另一方面，根据无线电频率的一般划分，其工作频段又称为高频，所以也常将其称为高频标签。2）中高频电子标签超高频和微波电子标签的工作频率都大于300MHz，且特点类似，故常将两者合称为微波电子标签。微波电子标签可分为有源电子标签与无源电子标签两类。3）超高频和微波电子标签3．根据标签的可读性分类根据使用的存储器类型，可以将电子标签分为:只读（RO）标签可读可写（RW）标签一次写入多次读出（WORM）标签只读标签内部有只读存储器（ROM）。ROM中存储有电子标签的标识信息。（1）只读标签。可读可写标签内部的存储器，除了ROM、缓冲存储器之外，还有非活动可编程记忆存储器。（2）可读可写标签。一次写入多次读出（WORM）的电子标签既有接触式改写的电子标签存在，也有无接触式改写的电子标签存在。（3）一次写入多次读出标签。4．根据标签的工作方式分类根据标签的工作方式，可将RFID分为被动式、主动式和半主动式。一般来讲，无源系统为被动式，有源系统为主动式。主动式RFID系统为有源系统，即主动式电子标签用自身的射频能量主动地发送数据给读写器，在有障碍物的情况下，只需穿透障碍物一次。（1）主动式电子标签。被动式电子标签必须利用读写器的载波来调制自身的信号，标签产生电能的装置是天线和线圈。（2）被动式电子标签。在半主动式RFID系统里，电子标签本身带有电池，但是电子标签并不通过自身能量主动发送数据给读写器，电池只负责对电子标签内部电路供电。（3）半主动式电子标签。综上可知，RFID标签的种类及特点如表2-2所示。表2-2RFID标签的种类及特点分类方式种类说明供电方式无源卡卡内无电池，利用波束供电技术将收到的射频能量转化为直流电源为卡内电路供电，作用距离短，寿命长，对工作环境要求不高有源卡卡内有电池提供电源，作用距离较远，但寿命有限，体积较大，成本高，且不适合在恶劣环境下工作载波频率和作用距离的区别低频射频卡主要有125kHz和134.2kHz两种，常用于短距离、低成本的应用中，如门禁、货物跟踪等高频射频卡13.56MHz，用于门禁控制和需传送大量数据的应用系统超高频射频卡主要为433MHz，915MHz，2.45GHz，5.8GHz等，应用于需要较长读写距离和高读写速度的场合，如火车监控、高速公路收费，以及供应链管理调制方式主动式主动式射频卡用自身的射频能量主动地发送数据给读写器被动式被动式射频卡使用调制散射方式发送数据，它必须利用读写器的载波来调制自己的信号在20世纪60年代出现了一系列的RFID技术论文及专利文献。

20世纪80年代是充分使用RFID技术的十年。

1948年，拉开了RFID技术的研究序幕。

20世纪70年代，RFID技术成为人们研究的热门课题。

RFID技术起源于第二次世界大战时期。

本世纪初，RFID已经开始在中国进行试探性的应用。

21世纪初，RFID迎来了一个崭新的发展时期。

20世纪90年代是RFID发展史上最为重要的十年。

目前，我国的RFID产业链已经逐步形成，产业链中包括如下7个主要环节：1234567RFID标准制定；RFID芯片制造和设计；封装技术；天线设计和制造；标签材料的后续加工；系统和数据管理软件平台的构建；RFID应用系统的开发。2.2RFID系统组成典型的RFID系统的核心是射频识别技术，主要结构包括电子标签、读写器和天线等。而作为一个完整的RFID系统，在包括上述组件之外，还需要有与之配套的应用软件和计算机网络系统，才能实现完整的自动识别系统功能。RFID的工作过程是：当标签进入磁场后，通过天线接收读写器发出的射频信号，凭借感应电流的能量将储存在芯片中的产品信息发送出去，或是以自身能量源主动发送某频率的信号；读写器接收标签信息并译码后，送至中央信息系统进行相关处理。从RFID的工作过程可以看出，最简单的RFID系统是由电子标签、读写器和天线三部分组成，完整RFID系统还应包括主机。从RFID系统的工作原理来看，系统一般都是由信号发射机信号接收机发射接收天线等几部分组成。RFID系统的组成如图2-8所示，下面分别加以说明。图2-8RFID系统结构图1．信号发射机信号发射机典型的形式是电子标签，也即射频卡。标签相当于条码技术中的条码符号，用来存储需要识别传输的信息。2．信号接收机在RFID系统中，信号接收机一般叫做读写器或阅读器。读写器的基本功能就是提供与标签进行数据传输的途径。另外，读写器还提供相当复杂的信号状态控制、奇偶错误校验与更正功能等。3．编程器只有可读可写标签系统才需要编程器。编程器是向标签写入数据的装置。编程器写入数据一般来说是离线完成的，也就是预先在标签中写入数据，等到开始应用时直接把标签黏附在被标识项目上。4．天线天线是标签与读写器之间传输数据的发射、接收装置。RFID主要有线圈型、微带贴片型、偶极子型三种基本形式的天线。若从功能实现考虑，可将RFID系统分成边沿系统和软件系统两大部分，如图2-9所示。边沿系统主要是完成信息感知，属于硬件组件部分；软件系统完成信息的处理和应用；通信设施负责整个RFID系统的信息传递。图2-9RFID系统（从功能实现角度看）RFID系统中的软件组件主要完成数据信息的存储、管理及对RFID标签的读写控制，是独立于RFID硬件之上的部分。RFID系统是为应用服务的，读写器与应用系统之间的接口通常由软件组件来完成。一般RFID软件组件包含有以下几部分（见图2-9）。应用软件边沿接口系统中间件企业应用接口RFID软件组件下面分别进行介绍。边沿接口系统主要完成RFID系统硬件与软件之间的连接，通过使用控制器实现同RFID硬软件之间的通信。1．边沿接口系统边沿接口系统的主要任务是从读写器中读取数据和控制读写器的行为，激励外部传感器、执行器工作。此外，边沿接口系统还具有以下功能：①从不同读写器中过滤重复数据；③提供智能功能，选择发送到软件系统；②设置基于事件方式触发的外部执行机构；④远程管理功能。RFID中间件是介于读写器和后端软件之间的一组独立软件，它能够与多个RFID读写器和多个后端软件应用系统连接。2．RFID中间件使用RFID中间件有3个主要目的：隔离应用层和设备接口；1处理读写器和传感器捕获的原始数据，使应用层看到的都是有意义的高层事件，大大减少所需处理的信息；2提供应用层接口用于管理读写器和查询RFID观测数据，目前大多数可用的RFID中间件都有这些特性。3企业应用接口是RFID前端操作软件，主要是提供给RFID设备操作人员使用的。前端软件最重要的功能是保障电子标签和读写器之间的正常通信。3．企业应用接口前端软件完成的基本功能主要包括以下4点。01读/写功能03安全功能04检/纠错功能02防碰撞功能RFID系统所采集的信息最终要向后端应用软件传送，应用软件系统需要具备相应的处理RFID数据的功能。4．应用软件应用软件也是系统的数据中心，它负责与读写器通信，将读写器经过中间件转换之后的数据，插入到后台企业仓储管理系统的数据库中，对电子标签管理信息、发行电子标签和采集的电子标签信息集中进行存储和处理。

一般说来，后端应用软件系统需要完成以下功能。（1）RFID系统管理。（3）数据分析和存储。（2）电子标签管理。RFID中间件技术将企业级中间件技术延伸到RFID领域，是RFID产业链的关键共性技术。它是RFID读写器和应用系统之间的中介。RFID中间件（即RFIDEdgeServer）负责实现与RFID硬件及配套设备的信息交互与管理，同时作为一个软硬件集成的桥梁，完成与上层复杂应用的信息交换。1．RFID中间件的组成中间件应由读写器适配器、事件管理器和应用程序接口3个组件组成。（1）读写器适配器。读写器适配器的作用是提供读写器接口。（2）事件管理器。事件管理器的作用是过滤事件。（3）应用程序接口。应用程序接口的作用是提供一个基于标准的服务接口。具体说来，RFID中间件的功能主要集中在以下4个方面。2．RFID中间件的主要功能01数据实时采集03数据共享04安全服务02数据处理从理论上讲，中间件的工作机制为：3．中间件的工作机制及特点在客户端上的应用程序需要从网络中的某个地方获取一定的数据或服务，这些数据或服务可能处于一个运行着不同操作系统的特定查询语言数据库的服务器中。客户/服务器应用程序中负责寻找数据的部分只需访问一个中间件系统，由中间件完成到网络中寻址数据源或服务，进而传输客户请求、重组答复信息，最后将结果送回应用程序的任务。作为一个中间件应具备：1标准的协议和接口，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。其中，具有标准的协议和接口更为重要，因为由此可实现不同硬件、操作系统平台上的数据共享、应用互操作。4．RFID中间件体系结构1RFID中间件技术包括并发访问技术、目录服务及定位技术、数据及设备监控技术、远程数据访问技术、安全和集成技术、进程及会话管理技术等。但任何RFID中间件应能够提供数据读出和写入、数据过滤和聚合、数据的分发、数据的安全等服务。根据RFID应用需求，中间件必须具备通用性、易用性、模块化等特点。如图2-10所示，将中间件系统按照数据流程划分为设备管理系统（包括数据采集及预处理）、事件处理和数据服务接口模块。图2-10分布式RFID中间件分层结构示意图一是为网络上的读写器进行适配，并按照上层的配置建立实时的UDP连接并做好接收标签数据的准备；

01设备管理系统设备管理系统实现的主要功能有：二是对接收到的数据进行预处理。

02事件处理设备管理系统产生事件，并将事件传递到事件处理系统中，由事件处理系统进行处理，然后通过数据服务接口把数据传递到相关的应用系统。设计出的事件处理系统应具有如下功能：①数据缓存功能；②基于内容的路由功能；③数据分类存储功能。来自事件处理系统的数据一般以临时XML文件的形式和磁盘文件方式保存，供数据服务接口使用。03数据服务接口来自事件处理系统的数据最终是分类的XML文件。同一类型的数据以XML文件的形式保存，并提供给相应的一个或多个应用程序使用。而数据服务接口主要是对这些数据进行过滤、入库操作，并提供访问相应数据库的服务接口。具体操作如下。（1）将存放在磁盘上的XML文件进行批量入库操作。（2）在数据移植前将重复的数据过滤掉。（3）为企业内部和企业外部访问数据库提供WebServices接口。2.3RFID系统原理RFID系统结构多有不同，但是其基本工作原理都很相似，即：由读写器通过发射天线发送特定频率的射频信号，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；读写器的接收天线接收到从标签发送来的调制信号，经天线的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的身份，针对不同的设定做出相应的处理和控制，最终发出信号控制读写器完成不同的读写操作。从电子标签到读写器之间的通信和能量感应方式来看，RFID系统主要有：电感耦合（磁耦合）1电感耦合方式一般适合于中、低频率工作的近距离RFID系统；电磁反向散射耦合（电磁场耦合）2电磁反向散射耦合方式一般适合于高频、微波工作频率的远距离RFID系统。电感耦合方式和电磁反向散射耦合方式的基本原理，如图2-11所示。（a）电感耦合方式

（b）电磁反向散射耦合方式图2-11电感耦合和电磁反向散射耦合原理图电感耦合RFID系统的电路结构如图2-12所示。电感耦合的射频载波频率为13.56MHz和小于135kHz的频段，识别作用距离小于1m，典型作用距离为10～20cm。图2-12电感耦合方式的电路结构电磁耦合方式的应答器几乎都是无源的，能量（电源）从读写器获得。由于读写器产生的磁场强度受到电磁兼容性能有关标准的严格限制，因此系统的工作距离较近。1．应答器（电子标签）的能量供给2．数据传输应答器向读写器的数据传输采用负载调制方法。应答器二进制数据编码信号控制开关器件，使其电阻发生变化，从而使应答器线圈上的负载电阻按二进制编码信号的变化而改变。该电压的变化通过滤波放大和调制解调电路，恢复应答器的二进制编码信号，这样，读写器就获得了应答器发出的二进制数据信息。电磁反向散射耦合方式一般适合于高频、微波工作的远距离射频识别系统。典型的工作频率有433MHz，915MHz，2.45GHz，5.8GHz，识别作用距离大于1m，典型作用距离为3～10m。当电磁波遇到空间目标时，其能量的一部分被目标吸收，另一部分以不同的强度散射到各个方向。在散射的能量中，一小部分反射回发射天线，并被天线接收，对接收信号进行放大和处理，即可获得目标的有关信息。1．反向散射一个目标反射电磁波的频率由反射横截面来确定。反射横截面的大小与一系列的参数有关。由于目标的反射性能通常随频率的升高而增强，所以RFID反向散射耦合方式采用特高频和超高频，应答器和读写器的距离大于1m。2．RFID反向散射耦合方式RFID反向散射耦合方式的原理框图如图2-13所示，读写器、应答器和天线构成一个收发通信系统。图2-13RFID反向散射耦合方式原理图01应答器的能量供给无源应答器的能量由读写器提供，在有些应用中，应答器采用完全无源方式会有一定困难。为解决应答器的供电问题，可在应答器上安装附加电池。为防止电池不必要的消耗，应答器平时处于低功耗模式，当应答器进入读写器的作用范围时，应答器由获得的射频功率激活，进入工作状态。02应答器至读写器的数据传输由读写器传到应答器的功率的一部分被天线反射，反射功率P2经自由空间后返回读写器，被读写器天线接收。接收信号经收发耦合器电路传输到读写器的接收通道，被放大后经处理电路获得有用信息。03读写器至应答器的数据传输读写器至应答器的命令及数据传输，应根据RFID的有关标准进行编码和调制，或者按所选用应答器的要求进行设计。声表面波（SurfaceAcousticWave，SAW）器件以压电效应和与表面弹性相关的低速传播的声波为依据。3．声表面波应答器01声表面波器件声表面波应答器的基本结构如图2-14所示。基片通常采用石英铌酸锂或钽酸锂等压电材料制作，指状电极结构是电声转换器（换能器）。在压电基片的导电板上附有偶极子天线。在应答器的剩余长度安装了反射器。02声表面波应答器图2-14声表面波应答器原理结构图读写器送出的射频脉冲序列电信号，从应答器的偶极子天线馈送至换能器。换能器将电信号转换为声波。转换的工作原理是利用压电衬底在电场作用时的膨胀和收缩效应。电场是由指状电极上的电位差形成的。一个时变输入电信号（即射频信号）引起压电衬底振动，并沿其表面产生声波。严格地说，传输的声波有表面波和体波，但主要是表面波，这种表面波纵向通过基片。一部分表面波被每个分布在基片上的反向带反射，而剩余部分到达基片的终端后被吸收。一部分反向波返回换能器，在那里被转换成射频脉冲序列电信号，并被偶极子天线传送至读写器。读写器接收到的脉冲数量与基片上的反射带数量相符，单个脉冲之间的时间间隔与基片上反射带的空间间隔成比例，从而通过反射的空间布局可以表示一个二进制的数字序列。

声表面波应答器的数据存储能力和数据传输取决于基片的尺寸和反射带之间所能实现的最短间隔，实际上，16～32bit的数据传输率大约为500Kbps。声表面波RFID系统的作用距离主要取决于读写器所能允许的发射功率，在2.45GHz下，作用距离可达到1～2m。2.4RFID的典型应用由于RFID技术具有无需接触、自动化程度高、耐用可靠、识别速度快、适应各种工作环境、可实现高速和多标签同时识别等优势，因此应用非常广泛。在物联网领域，RFID技术比较典型的应用就是在物流领域的使用。RFID物流管理系统使物流企业在对货物的仓储、分捡、配送、运输等方面的管理更加高效、准确、科学，如图2-15所示。图2-15RFID物流仓储应用谢谢观看物联网技术基础第3章传感器与传感网技术目录Content常用传感器传感器的典型应用无线传感器网络概述传感器概述1234无线传感器网络面临的挑战无线传感器网络的典型应用56传感器和无线传感器网络（即传感网）是物联网的基石。在物联网的感知层中，信息的获取与数据的采集主要使用自动识别技术和传感器技术。“”3.1传感器概述传感器是物联网感知层的触角，是物联网感知的主要来源。传感器可以独立存在，也可以与其他设备以一体方式呈现。在未来的物联网中，传感器及其组成的传感器网络将在数据采集前端发挥重要的作用。传感器是一种获取信息的装置，是把特定的被测信息按一定规律转换成某种可用信号输出的器件或装置，也叫变换器、换能器或探测器等。国家标准GB/T7665－2005《传感器通用术语》对传感器的定义为：能感受被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。传感器是能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出。传感器的输出信号有多种形式，输出信号的形式由传感器的原理决定。通常情况下，传感器转换输出的大多是电信号。因此，传感器也可以定义为：把外界输入的非电量转换为电信号的一种装置。总之，在物联网中，传感器主要负责接收物品“讲话”的内容，它是实现自动检测和自动控制的首要环节。图3-1为各种类型的传感器。压力传感器

霍尔传感器

电压传感器

电流传感器

气敏传感器温湿度传感器

振动传感器

无线温度传感器

压电加速度传感器

光敏传感器图3-1各种类型的传感器敏感元件转换元件电子线路传感器传感器一般由敏感元件、转换元件和电子线路等部分组成。其中，敏感元件和转换元件是传感器的核心。敏感元件是指传感器中直接感受被测量的部分；转换元件是能将敏感元件的输出信号转换为适于传输和测量的电信号的部分；电子线路用于将传感器输出的电参量转换成电能量。随着半导体器件和集成技术在传感器中的应用，传感器的转换电路可以安装在传感器的壳体里或与敏感元件集成在一个芯片上，因此，转换电路和辅助电源也应作为传感器的组成部分，如图3-2所示。图3-2传感器的组成在图3-2中，敏感元件是直接感受被测量，并输出与被测量成一定关系的其他物理量的元件；转换元件也叫换能元件，是将敏感元件的输出量转换成电参量的元件；转换电路将转换元件输出的电参量转换成电压、电流或频率等电量；辅助电源为转换元件和转换电路提供电源。表3-1为传感器的典型分类方法。表3-1传感器的典型分类方法分类方法传感器类型按工作原理分类应变式、电容式、电感式、压电式、热电式等按输出信号形式分类模拟式、数字式按作用形式分类主动型、被动型按被测物理量分类位移量、力量、运动量、热学量、光学量、气体量等按能量关系分类能量转换型、能量控制型表3-2为传感器按变换原理进行分类。表3-2传感器按变换原理进行分类变换原理传感器类型变换电阻电位器式、压阻式、光导式、热电式、应变（计）式、光敏式、热敏式变换磁阻电感式、差动变压器式、涡流式变换电容电容式、湿敏式变换谐振频率谐振式变换电荷压电式变换电势霍耳式、感应式、热电偶式表3-3为传感器按被测量进行分类。表3-3传感器按被测量进行分类物理量

传感器力学量压力传感器、力传感器、力矩传感器、速度传感器、加速度传感器、流量传感器、位移传感器、位置传感器、尺度传感器、密度传感器、黏度传感器、硬度传感器、浊度传感器热学量温度传感器、热流传感器、热导率传感器光学量可见光传感器、红外光传感器、紫外光传感器、照度传感器、色度传感器、图像传感器、亮度传感器磁学量磁场强度传感器、磁通传感器电学量电流传感器、电压传感器、电场强度传感器声学量声压传感器、噪声传感器、超声波传感器、声表面波传感器射线X射线传感器化学量

传感器离子传感器、气体传感器、湿度传感器生理量

传感器生物量体压传感器、脉搏传感器、心音传感器、体温传感器、血流传感器、呼吸传感器、血容量传感器、体电图传感器生化量酶式传感器、免疫血型传感器、微生物型传感器、血气传感器、血液电解质传感器传感器的基本特性主要分为静态特性和动态特性。1．静态特性静态特性是指检测系统的输入为不随时间变化的恒定信号时，系统的输出与输入之间的关系，主要包括线性度、灵敏度、迟滞、重复性、漂移等。123线性度是指传感器输出量与输入量之间的实际关系曲线偏离拟合直线的程度。线性度灵敏度值越大，表示传感器越灵敏。灵敏度传感器在输入量由小到大（正行程）及输入量由大到小（反行程）变化期间，其输入输出特性曲线不重合的现象称为迟滞。迟滞456重复性是指传感器在输入量按同一方向作全量程连续多次变化时，所得特性曲线不一致的程度。重复性漂移是指在输入量不变的情况下，传感器输出量随着时间变化的现象。漂移测量范围是指传感器所能测量到的最小输入量与最大输入量之间的范围。测量范围78量程是指传感器测量范围的上限值与下限值的代数差。量程精度是指测量结果的可靠程度。精度10稳定性表示传感器在一个较长的时间内保持其性能参数的能力。稳定性9传感器能检测到输入量最小变化量的能力称为分辨力。当分辨力以满量程输出的百分数表示时则称为分辨率。阈值是指能使传感器的输出端产生可测变化量的最小被测输入量值，即零点附近的分辨力。分辨率和阈值2．动态特性动态特性是指检测系统的输入为随时间变化的信号时，系统的输出与输入之间的关系。传感器主要动态特性的性能指标有时域单位阶跃响应性能指标和频域频率特性性能指标。传感器的输入信号是随时间变化的动态信号，这时就要求传感器能时刻精确地跟踪输入信号，按照输入信号的变化规律输出信号。动态特性就是指传感器对于随时间变化的输入信号的响应特性。实际传感器输入信号随时间变化的形式可能是多种多样的，最常见、最典型的输入信号是阶跃信号和正弦信号。对于阶跃输入信号，传感器的响应称为阶跃响应或瞬态响应，是指传感器在瞬变的非周期信号作用下的响应特性。对于正弦输入信号，传感器的响应称为频率响应或稳态响应，是指传感器在振幅稳定不变的正弦信号作用下的响应特性。建立微分方程是对传感器动态特性进行数学描述的基本方法。可将传感器作为线性定常系统来考虑，因而其动态数学模型可用线性常系数微分方程来表示。能用一、二阶线性微分方程来描述的传感器分别称为一、二阶传感器。3.2常用传感器不同类别的传感器，其工作原理是不同的。下面介绍几种常用的传感器，包括温度传感器、光电传感器、气敏传感器、力敏传感器、磁敏传感器、超声波传感器、激光传感器、生物传感器等。温度传感器是指能感受温度并转换成可用输出信号的传感器。温度传感器利用热敏元件的参数随温度变化而变化的特性来达到测量温度的目的。常见温度传感器如图3-3所示。图3-3温度传感器用来度量物体温度数值的标尺叫做温标。温度传感器是温度测量仪表的核心部分。按照敏感元件与被测介质接触与否，温度传感器可分为接触式和非接触式两大类；按照传感器材料及电子元件特性，温度传感器可分为热电阻和热电偶两类。1．热电阻热电阻是利用导电物体的电阻率随本身温度而变化的温度电阻效应而制成的传感器，它是中低温区最常用的一种温度检测器。热电阻主要特点是测量精度高，性能稳定。目前应用最广泛的热电阻材料是铂和铜，除铂和铜之外，还有镍、铁、锰等。铂热电阻具有耐高温，性能稳定，抗氧化能力强，电阻率高，且材料易于提纯等优点，在国际实用温标中以铂电阻作为标准。铜热电阻价格低廉，互换性好，固有电阻小，但高于100℃时易被氧化，所以在温度范围为-50℃～100℃时，可用铜做热电阻传感器。镍热电阻的温度系数大，灵敏度比铂和铜的高，常用来测量-60℃～180℃范围的温度。12345标称电阻：热电阻在0℃时的电阻值。分度表：以表格形式来表示热电阻的电阻－温度表。分度号：分度表的代号，一般用热电阻金属材料的化学符号和0℃时的电阻值表示。热电阻的温度特性：热电阻的阻值与温度之间的关系。热响应时间：当温度发生阶跃变化时，热电阻的电阻值变化至相当于该阶跃变化的某个规定百分比所需要的时间。1）热电阻的基本参数2）热电阻传感器的结构接线盒电阻体绝缘子保护套管热电阻传感器3）热敏电阻热敏电阻是一种新型的测温元件，其原理是：当热敏材料周围有热辐射时，它吸收辐射热，产生温升，从而引起材料电阻的变化。热敏电阻按照温度系数不同分为正温度系数热敏电阻（PTC）和负温度系数热敏电阻（NTC）。热敏电阻的典型特点是对温度敏感，不同的温度下表现出不同的电阻值。热敏电阻具有以下几个特性。（1）电阻－温度特性。（2）伏安特性。（3）电流－时间特性。2．热电偶热电偶是温度测量中最常用的温度传感器，其主要特点是宽温度范围和适应各种大气环境，而且结实、价低，无需供电。两种不同成分的导体（称为热电偶丝材或热电极）两端接合成回路，当两个接合点的温度不同时，在回路中就会产生电动势，这种现象称为热电效应，而这种电动势称为热电势。热电偶就是利用这种原理进行温度测量的。在选用温度传感器时，应该注意以下几个方面。01被测对象的温度是否需记录、报警和自动控制，是否需要远距离测量和传送。02测温范围的大小和精度要求。03测温元件大小是否适当。04在被测对象温度随时间变化的场合，测温元件的滞后能否适应测温要求。05被测对象的环境条件对测温元件是否有损害。06价格如何，使用是否方便。光电传感器是一种将光信号转换成电信号的设备。光电传感器的基础是光电转换元件的光电效应。图3-4所示为常见的光电传感器。图3-4光电传感器1．光电传感器的分类根据工作原理的不同，光电传感器可分为：光电效应传感器固体图像传感器红外热释电探测器光纤传感器光电效应传感器是应用光敏材料的光电效应制成的光敏器件。1）光电效应传感器红外热释电探测器主要是利用辐射的红外光（热）照射材料时引起材料电学性质发生变化或产生热电动势原理制成的一类器件。2）红外热释电探测器固体图像传感器从结构上分为两大类：一类是用CCD（电荷耦合器件）的光电转换和电荷转移功能制成的CCD图像传感器；另一类是用光敏二极管与CMOS（互补金属氧化物半导体）晶体管构成的将光信号变成电荷或电流信号的CMOS图像传感器。3）固体图像传感器光纤传感器利用发光管（LED）或激光管（LD）发射的光，经光纤传输到被检测对象，被检测信号调制后，光沿着光导纤维反射或送到光接收器，经接收解调后变成电信号。4）光纤传感器2．光电器件光电器件（即光敏元件）有:光电管光敏电阻光敏三极管光电倍增管光敏二极管光电管分为真空光电管和充气光电管两种。光电管的典型结构是将球形玻璃壳抽成真空，在内半球面上涂一层光电材料作为阴极，球心放置小球形或小环形金属作为阳极。光电管具有光谱特性和伏安特性。1）光电管光电倍增管是进一步提高光电管灵敏度的光电转换器件。管内除光电阴极和阳极外，两极间还放置多个瓦形倍增电极。2）光电倍增管光敏电阻是用具有内光电效应的光导材料制成的，为纯电阻元件，其阻值随光照增强而减小。光敏电阻由一块两边带有金属电极的光电半导体组成，电极和半导体之间呈欧姆接触，使用时在它的两电极上施加直流或交流工作电压，如图3-5所示。3）光敏电阻图3-5光敏电阻光敏电阻的主要参数如表3-4所示。表3-4光敏电阻的主要参数参数定义暗电阻指光敏电阻置于室温、全暗条件下，经一段时间稳定后测得的阻值亮电阻指光敏电阻置于室温和一定光照条件下测得的稳定电阻值最高工作电压指光敏电阻在额定功率下所允许承受的最高电压亮电流指在无光照射时，光敏电阻在规定的外加电压下通过的电流时间常数指光敏电阻从光照跃变开始到稳定亮电流的63%时所需的时间电阻温度系数指光敏电阻在环境温度改变1℃时，其电阻值的相对变化灵敏度指光敏电阻在有光照射和无光照射时电阻值的相对变化光敏二极管的工作原理基于内光电效应，其结构与一般二极管相似，都有一个PN结。在结构上为了提高转换效率，增大受光面积，PN结面积比一般二极管大。常见光敏二极管如图3-6所示。4）光敏二极管图3-6光敏二极管光敏三极管与普通三极管结构相似，不同的是，光敏三极管是将基极－集电极结作为光敏二极管，集电结作为受光结，另外发射极的尺寸做得很大，以扩大光照面积。光敏三极管是一种相当于将基极、集电极光敏二极管的电流加以放大的普通三极管，比光敏二极管有更高的灵敏度。常见光敏三极管如图3-7所示。5）光敏三极管图3-7光敏三极管3．光纤传感器光纤传感器是把被测量的状态转变为可测的光信号的装置。其基本原理为：光受到被测量的调制，已调光经光纤耦合到光接收器，使光信号变为电信号，最后经信号处理系统得到被测量，如图3-8所示。图3-8光纤传感器结构示意图光纤传感器的特点有：极高的灵敏度和精度、安全性好、抗电磁干扰、高绝缘强度、耐腐蚀、集传感与传输于一体、能与数字通信系统兼容。01光纤传感器的组成光纤传感器由光源、光纤耦合器、光纤、光探测器等组成。一般要求光源的体积尽量小，以利于它与光纤耦合；光源发出的光波长应合适，以便减少光在光纤中传输的损失；光源要有足够亮度，以便提高传感器的输出信号。（1）光源。光纤耦合器又称分歧器、连接器、适配器、法兰盘，是用于实现光信号分路/合路，或用于延长光纤链路的元件，属于光被动元件领域。光纤耦合器可分标准耦合器、直连式耦合器、星状/树状耦合器及波长多工器，制作方式有烧结、微光学式、光波导式三种。（2）光纤耦合器。光导纤维简称光纤，采用石英玻璃丝制成。光的传输限制在光纤中，并随光纤能传送到很远的距离，光纤的传输是基于光的全内反射。光纤传感器所用光纤有单模光纤和多模光纤。（3）光纤。光探测器的作用是把传送到接收端的光信号转换成电信号，以便做进一步的处理。（4）光探测器。02光纤传感器的分类光纤传感器按照光纤在传感器中所起的作用，可以分为两大类：光纤传感器功能型（传感型）传感器是非功能型（传光型）传感器1又称全光纤传感器，它利用光纤本身的特性把光纤作为敏感元件，被测量对光纤内传输的光进行调制，使传输的光的强度、相位、频率或偏振等特性发生变化，再通过对被调制过的信号进行解调，从而得出被测信号。功能型（传感型）传感器2它是利用其他敏感元件感受被测量的变化，与其他敏感元件组合而成的传感器，光纤只作为光的传输介质，光照在光纤型敏感元件上受被测量调制。非功能型（传光型）传感器气敏传感器是用来检测气体类别、浓度和成分的传感器。它将气体种类及其浓度等有关的信息转换成电信号，根据这些电信号的强弱便可获得与待测气体在环境中存在情况有关的信息。常见气敏传感器如图3-9所示。图3-9气敏传感器湿式气敏传感器干式气敏传感器气敏传感器其中，干式气敏传感器包括接触燃烧式、半导体式、固体电解质式、红外线吸收式和导热率变化式；湿式气敏传感器包括极谱式及原电池式。其中，常见的是半导体气敏传感器。对于半导体气敏传感器，按照半导体与气体的相互作用是在其表面还是其内部，可以分为表面控制型和体控制型两种；按照半导体变化的物理性质，分为电阻型和非电阻型两种。气敏元件的种类如表3-5所示。表3-5气敏元件种类名称检测原理、现象具有代表性的气敏元件及材料检测气体半导体气敏元件电阻表面控制型有机半导体、金属可燃性气体体控制型Fe2O3可燃性气体二极管整流作用TiO2H2FET型气敏元件二极管栅极MOSFETNH3静电电容MOSFETH2O固体电解质气敏元件电池、电动势K2SO4卤素混合电位有机电解质CO电解电流CaOO2电流Sb2O3H2接触燃烧式气敏元件燃烧热（电阻）Pt可燃性气体力敏传感器是将各种力学量转换为电信号的器件，是用来检测气体、固体、液体等物质间相互作用力的传感器，它主要用于测力和称重两个方面。常见力敏传感器如图3-10所示。图3-10力敏传感器1．力敏传感器的分类力敏传感器的种类很多，有经弹性敏感元件转换后再转换成电量的；有直接将力变换为电量的。将被测物理量的变化转换成电阻值的变化，再经相应的测量电路而最后显示被测量值的变化，如图3-11所示。电阻式传感器图3-11电阻式利用电容器的原理，将非电量转化为电容量，进而实现非电量到电量的转化的器件，如图3-12所示。电容式传感器图3-12电容式利用线圈自感或互感的变化来实现测量的一种装置，可以用来测量位移、振动、压力等，如图3-13所示。电感式传感器图3-13电感式一种有源的双向机电传感器，其工作原理是基于压电材料的压电效应，如图3-14所示。压电式传感器图3-14压电式根据半导体材料的压阻效应在半导体材料的基片上经扩散电阻而制成的器件，如图3-15所示。压阻式传感器图3-15压阻式2．弹性敏感元件弹性敏感元件（力敏元件）是一个非常重要的传感器部件，它把力或压力转换成应变或位移，然后再由传感器将应变或位移转换成电信号。弹性敏感元件应具有良好的弹性、足够的精度、应保证长期使用和温度变化时的稳定性。（1）刚度。（3）弹性滞后。（5）固有振荡频率。（2）灵敏度。（4）弹性后效。图3-16磁敏传感器磁敏传感器是通过磁电作用将被测量转换成电信号的一种传感器。常见磁敏传感器如图3-16所示。1．磁敏元件在传统的磁检测中，首先被采用的敏感元件是电感线圈，其特点是无须在线圈中通电，一般仅对运动中的永磁体或电流载体起敏感作用。后来发展为用线圈组成振荡槽路。2．霍尔传感器霍尔传感器是依据霍尔效应制成的器件。霍尔效应是指通电的载体在受到垂直于载体平面的外磁场作用时，载流子受到洛伦兹力的作用，并有向两边聚集的倾向。3．磁阻传感器磁阻传感器采用的半导体材料与霍尔传感器大体相同。但这种传感器对磁场的作用机理不同，传感器内载流子运动方向与被检磁场在一平面内。磁阻传感器由于工作机理不同于霍尔传感器，因而供电也不同，而是采用恒压源供电。图3-17超声波传感器超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。常见超声波传感器如图3-17所示。超声波是一种振动频率高于声波的机械波，是由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。1．超声波传感器的种类超声波探头主要由压电晶片组成，既可发射超声波，也可接收超声波。小功率超声波探头多作探测用，可分为直探头（纵波）、斜探头（横波）、表面波探头（表面波）、兰姆波探头（兰姆波）、聚焦探头、冲水探头、水浸探头、高温探头、空气传导探头及其他专用探头等。2．超声波传感器的工作原理超声波传感器利用声波介质对被检测物进行非接触式无磨损的检测。超声波探头与被测物体接触时，探头与被测物体表面间存在一层空气薄层，空气将引起三个界面间强烈的杂乱反射波，造成干扰，并造成很大的衰减。为此，必须将接触面之间的空气排挤掉，使超声波能顺利地入射到被测介质中。在工业中，经常使用一种称为耦合剂的液体物质，使之充满在接触层中，起到传递超声波的作用。3．超声波传感器的主要性能指标（1）工作频率（2）工作温度（3）灵敏度4．超声波传感器的应用超声波传感技术在医学上的应用主要是诊断疾病。在工业方面，超声波的典型应用是对金属的无损探伤和超声波测厚两种。图3-18激光传感器激光传感器是利用激光技术进行测量的传感器，如图3-18所示。它由激光器、激光检测器和测量电路组成。激光传感器工作时，先由激光发射二极管对准目标发射激光脉冲。经目标反射后激光向各方向散射。部分散射光返回到传感器接收器，被光学系统接收后成像到雪崩光电二极管上。图3-19生物传感器生物传感器通过将待测物质经扩散作用进入生物活性材料，经分子识别，发生生物学反应，产生的信息继而被相应的物理或化学换能器转变成可定量和可处理的电信号，再经二次仪表放大并输出，便可知道待测物浓度，如图3-19所示。3.3传感器的典型应用据报道，美国研究人员开发出一种类似皮肤贴纸的柔性传感器，可监测心率和识别语音，如图3-20所示。该器件的潜在应用包括诊断病情、操纵机器人，以及在没有手柄的情况下玩电脑游戏等。图3-20贴纸柔性传感器3.4无线传感器网络概述无线传感器网络的基本功能是将一系列空间分散的传感器单元通过自组织的无线网络进行连接，从而将各自采集的数据通过无线网络进行传输汇总，以实现对空间分散范围内的物理或环境状况的协作监控，并根据这些信息进行相应的分析和处理。无线传感器网络（WirelessSensorNetwork，WSN）是由部署在监测区域内的大量低成本的微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一种多跳的自组织的网络系统。无线传感器网络融合了传感器技术、嵌入式技术、分布式信息处理技术和无线通信技术等，实现了数据的采集、处理和传输3种功能。传感器、感知对象和观察者是无线传感器网络的三要素。1．体系结构无线传感器网络的体系结构如图3-21所示，通常包括传感器节点、汇聚节点、管理节点和监测区域。图3-21无线传感器网络体系结构在无线传感器网络中，大量传感器节点随机或有规律地部署在监测区域内部或附近，通过无线多跳自组织方式构成无线传感器网络。传感器节点通常是一个微型的嵌入式系统，由于受到体积、价格和电源供给等因素的限制，它的处理能力、存储能力和通信能力相对较弱，通常由小容量电池供电，只与自身通信范围内的邻居节点交换数据，要访问通信范围以外的节点，必须使用多跳路由来实现。从网络功能上看，每个传感器节点都具有信息采集和路由的双重功能，除了进行本地信息收集和数据处理外，还要存储、管理和融合其他节点转发过来的数据，同时与其他节点协作完成一些特定任务。汇聚节点是连接传感器网络和外部网络的接口，通过协议转换实现管理节点与传感器网络之间的通信，把收集到的数据信息转发到外部网络上，同时向传感器节点发布来自管理节点的监测任务。管理节点实际上是传感器网络使用者直接操作的计算机终端或服务器，充当无线传感器网络服务器的角色，用于动态地监控和管理整个无线传感器网络的数据和状态。2．节点结构无线传感器节点由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块4部分组成，其结构如图3-22所示。图3-22无线传感器网络节点结构图传感器模块包括传感器和数/模转换模块，负责监测区域内信息的采集和数据转换；传感器模块处理器模块由嵌入式系统构成，负责控制和协调节点各部分的工作，存储和处理自身采集的数据及其他节点发来的数据；处理器模块无线通信模块包括网络、MAC、收发器等，负责与其他传感器节点进行无线通信，交换控制信息和收发采集数据；无线通信模块能量供应模块采用微型电池，为传感器节点提供运行所需的能量。能量供应模块具体来说，无线传感器网络具有如下主要特点。（1）网络规模大，节点密度高。（2）无中心和自组织。（3）动态网络拓扑。（4）节点资源有限。（5）安全性和可靠性。（6）多跳路由。（7）应用相关性。（8）以数据为中心的网络。3.5无线传感器网络面临的挑战无线传感器网络自身所具有的特点，具体表现在以下几个方面。（1）低成本。（3）实时性。（5）硬件安全。（2）低能耗。（4）精确定位。（6）网内通信问题。（8）灵活、自适应的网络协议体系。（7）网络安全。（9）跨层设计。3.6无线传感器网络的典型应用将无线传感器网络技术应用于智能用电中，一方面是在智能用电的通信建设中设计各个层次上的算法和网络协议，；另一方面是通过优化智能用电中的量测设备，实现更好的量测可靠性、稳定性及节能性。智能无线抄表系统随着智能电网的不断推进而被广泛应用，其设计和生产使用受到了业界的广泛关注，如图3-24所示。图3-24智能无线抄表系统谢谢观看物联网技术基础第4章物联网通信技术目录Content蓝牙技术ZigBee技术Wi-Fi技术短距离无线通信技术概述1234超宽带（UWB）技术移动通信技术56物联网通信技术主要是指短距离无线通信技术和移动通信技术，它们是物联网通信技术的基石。“”4.1短距离无线通信技术概述短距离无线通信技术一般指有效通信距离在厘米到百米范围内的无线通信技术，主要包括Wi-Fi技术、蓝牙技术、ZigBee技术、超宽带（UWB）技术、射频识别（RFID）技术、红外数据传输（IrDa）、近距离/近场通信（NearFieldCommunication，NFC）等。从数据的传输速率来分，可以将短距离无线通信分为：低速短距离无线通信技术高速短距离无线通信技术短距离无线通信最高数据传输速率高于100Mbps，通信距离小于10m的称为高速短距离无线通信技术；低速短距离无线通信技术的最低传输速率低于1Mbps，通信距离小于100m。短距离无线通信技术具有以下特点。（1）小范围区域内使用（2）低功耗（3）对等通信短距离无线通信技术（4）低成本（5）不用申请无线频道（6）高频操作4.2蓝牙技术蓝牙的实质内容是为固定设备或移动设备之间的通信环境建立通用的短距离无线接口，将通信技术与计算机技术进一步结合起来，它是各种设备在无电线或电缆相互连接的情况下，能在短距离范围内实现相互通信或操作的一种技术。1．蓝牙的概念蓝牙（Bluetooth）是一种支持设备短距离（一般在10m以内）通信的无线电技术，利用蓝牙技术，能够有效地简化移动通信终端设备之间、设备与互联网之间的通信。牙采用分散式网络结构，支持点对点及点对多点通信，使用IEEE802.15协议，工作在全球通用的2.4GHzISM频段，传输速率为1Mbps，采用时分双工传输方案实现全双工传输。2．蓝牙技术的发展蓝牙是一种无线个人局域网，由蓝牙技术联盟（BluetoothSIG）制定了技术标准。2006年10月，联想公司取代IBM在该组织中的创始成员位置。后续又发布了蓝牙V3.0，蓝牙V4.0。2001年的V1.1版正式列入IEEE标准蓝牙技术联盟先后推出了V1.2，V2.0版及其他附加新功能。2016年6月17日，蓝牙技术联盟发布了新一代的蓝牙标准，命名为Bluetooth5。3