物联网技术及应用

4/29/20251物联网及其开展4/29/20252什么是传感网〔物联网〕？物联网，根本上就是我们以前称为传感网的网络。IBM在前年提出，美国总统奥巴马上台以后，为了解决经济危机，接过这一事物，提出“智慧地球〞的概念；温家宝总理2021，8视察江苏无锡时，提出把“智慧中国〞的中心建在无锡。江苏省委和省政府非常重视。正在全力贯彻落实。近日，倾向于把物联网称为传感网。传感器网、传感网、物联网、互联网、因特网：关联和区别；4/29/20253什么是传感网〔物联网〕？传感器网：把各种传感器连接起来的网络，这种连接可以是无线，也可以是有线；目前学界对于传感器网、传感网、物联网尚无一个明确的定义；可以认为，传感网强调以感知为目的，物联网倾向于传感器的连接为特征；但是两者都是以互联网为根底的。但是对于互联网、因特网那么有科学的定义；INTERNET；因特网Internet；互联网4/29/20254什么是物联网？4/29/20255什么是物联网？物联网将各种信息传感设备、控制设备，例如射频识别装置〔RFID〕、红外感应装置、全球定位系统〔GPS〕、激光扫描器等与互联网结合起来形成一个不仅仅是人在使用，也可以把各种其它信息〔不仅仅是文字、语言、数字、图像〕通过互联网进行传递、处理、存储、检测等。以提高人类社会的信息化、自动化水平。物联网的用途广泛，普及智能交通、环境保护、政府政务、公共平安、平安家居、智能消防、工业检测、病老护理、个人健康等多个领域。业界普遍认为物联网是继计算机、互联网、移动通信网之后的又一次信息产业浪潮。4/29/20256什么是物联网？物联网的要素，首先是要把物体连接到网上；其次是要把这个物体的信息传到互联网上；物联网的工作，就是获取信息、传送信息、处理信息、存储信息、显示信息；美国的研究机构Forrester预测，物联网的产业价值和规模，要比互联网大30倍，将会形成下一个万亿元级别的产业；4/29/20257传感网与无线通信4/29/20258传感网与无线通信4/29/20259传感器的种类信息〔例如RFID中的各种读卡器〕温度、温限压力测力、压力、重力；液位、水位测量、流体、流量电机保护光敏荷重、称重传感器闸门开度〔高度〕4/29/202510传感器的种类气体、气味、口臭、室内空气、风速湿度灰尘红外漏电、电导PH值4/29/202511传感器的种类酒精AQS环境控制卤素浓度生物传感器热学量位置、安防光纤光栅指纹、触摸4/29/202512传感器的种类磁阻倾角视觉、图像压电、静电、电流、电压加速度霍尔位置微波4/29/202513物联网的工作模式物联网的工作模式较多，但是目前主要分为射频识别〔射频标签〕RFID和ZigBee，因为国际标准化组织目前主要在这两种应用中制定了一系列的标准；射频识别〔射频标签〕RFID主要是应用读卡器和应答器之间的信息传输完成工作；ZigBee那么主要是工作于网络系统；4/29/202514RFID射频识别是无线电频率识别的简称，即通过无线电波进行识别。RFID系统中，识别信息存放在电子数据载体中，电子数据载体称为应答器。应答器中存放的识别信息由阅读器读出。阅读器不仅可以读出存放的信息，而且可以对其进行写入，读写过程是通过双方之间的无线通信来实现的。4/29/202515RFID应答器〔射频卡或标签〕射频卡

4/29/202516RFID应答器〔射频卡或标签〕标签4/29/202517RFID阅读器〔读写器或基站〕4/29/202518RFIDRFID的根本原理框图射频卡或电子标签读写器或基站4/29/202519RFID的工作频率RFID的工作频率可划分为：1、LF：低频30－300KHz，常用125KHz；2、HF：高频3－30MHz，工作频率为13.56MHz;3、UHF：特高频300MHz－3GHz，工作频率：433MHz，866－960MHz，2.45GHz；4、SHF：超高频3－30GHz，工作频率：5.8GHz、24GHz；0f(Hz)30k300k3M30M300M3G30G125k13.56M常用：433M866～960M5.8G工作频率分布图

LF1MHFUHF1G1K4/29/202520电感耦合方式RFID的工作原理RIFD工作方式电感耦合

阅读器应答器电感耦合方式的电路结构信息4/29/202521电感耦合方式RFID的工作原理1、阅读器为有源工作，应答器无源工作；2、L1、C1；L2、C2均工作在射频源VS的谐振频率；3、阅读器L2的磁场变化产生电压整流后供阅读器使用；4、阅读器向阅读器的数据传输采用内部的二进制数据编码信号控制开关S，使得负载电阻R2被接通或者断开，通过耦合使L1产生变化的电压，经调制、解码即可；5、阅读器向阅读器的数据传输，是通过数字调制的方式实现的，多采用ASK〔幅频监控〕的方式；4/29/202522电感耦合方式RFID的工作原理RIFD工作方式负载调制

负载调制的原理示意图4/29/202523反向散射耦合RFID工作方式目标的反向散射耦合RIFD工作方式反向散射耦合电源电路用于吸收耦合的功率；4/29/202524反向散射方式RFID的工作原理声外表波〔SurfaceAcousticWave，SAW〕器件是以压电效应和与外表弹性相关的低速传播的声波为依据。4/29/202525反向散射方式RFID的工作原理声外表波应答器以压电效应和防止弹性相关的低速传播的声波为依据，加以体积小、重量轻、工作频率高、相对带宽较高，并且可采用与集成电路芯片工艺相同的平面加工工艺，制造简单，工艺的一致性好，灵活性高；4/29/202526反向散射方式RFID的工作原理换能器的作用是将电信号转换为声波。它利用压电衬底在电场作用下的膨胀和收缩效应。指状电极上的电位差形成电场。射频信号一起雅典衬底的振动，从而沿其外表产生声波，经反射返回换能器在转换成射频脉冲的序列的电信号，经偶极子天线回传至阅读器；4/29/202527RFID谐波检测法的工作原理：基于反向散射耦合方式，它可用于电子防盗系统谐波法原理

4/29/202528RFID射频识别的应用系统构架1、最简单的应用系统只有单个阅读器，它一次对一个应答器进行操作，如公交汽车上的票务操作。2、较复杂的应用需要一个阅读器可同时对多个应答器进行操作，即要具有防碰撞〔亦称防冲突〕的能力。3、更复杂的应用系统要解决阅读器的高层处理问题，包括多阅读器的网络连接。4/29/202529RFID应答器的主要性能参数工作频率读/写能力编码调制方式数据传输速率信息数据存储容量工作距离多应答器识读能力〔亦称防碰撞或防冲突能力〕平安性能〔密钥、认证〕等。4/29/202530RFID无源、半无源与有源应答器无源应答器：不附有电池，从阅读器发出射频能量中提取工作所需的电能。采用电感耦合方式的应答器多为无源应答器。半无源应答器：内装有电池，起辅助作用，对维持数据的电路供电或对应答器芯片工作所需的电压作辅助支持，用于传输通信的射频能量源自阅读器。有源应答器：工作电源完全由内部电池供给，同时内部电池能量也局部地转换为应答器与阅读器通信所需的射频能量。4/29/202531RFID应答器电路的根本结构4/29/202532RFID阅读器的功能1、以射频方式向应答器传输能量；2、从应答器中读出数据或向应答器写入数据；3、完成对读取数据的信息处理并实现应用操作；4、假设有需要，应能和高层处理交互信息。4/29/202533RFID阅读器的电路组成

4/29/202534RFID天线天线的目标是取得最大的能量传输效果。RFID系统所用的天线类型主要有偶极子天线、微带贴片天线、线圈天线等。在应答器中，天线和应答器芯片封装在一起。4/29/202535RFID4/29/202536RFIDRFID的应用RFID应用领域广泛，且每种应用的实现，都会形成一个庞大的市场，因此可以说射频识别是一个重要的新的经济增长点。目前，RFID在票务系统〔城市公交车、高速公路收费、门票等〕、收费卡、城市交通管理、安检门禁、物流、家政、食品平安追溯、药品、矿井生产平安、防盗、防伪、证件、集装箱识别、动物追踪、运动计时、生产自动化、商业供给链等众多领域获得广泛重视和应用。4/29/202537RFIDRFID的应用第二代身份证4/29/202538RFID4/29/202539——胡锦涛2006-04-18美国西雅图微软“未来之家〞4/29/202540RFID的ISOIEC标准4/29/202541RFID标准涉及的内容4/29/202542RFID标准的分类4/29/202543RFID的ISOIEC标准4/29/202544ISO/IEC10536：密耦合CICC非接触式IC卡标准〔紧靠〕ISO/IEC14443：近耦合PICC非接触式IC卡标准<10cmISO/IEC15693：疏耦合VICC非接触式IC卡标准约50cmISO/IEC18000系列标准〔基于物品管理RFID的空中接口参数〕ISO/IEC18000－1：空中接口一般参数ISO/IEC18000－2：低于135KHz频率一般空中接口参数ISO/IEC18000－3：13.56MHz频率下的空中接口参数ISO/IEC18000－4：2.45GHz频率下的空中接口参数ISO/IEC18000－6：860－930MHz的空中接口参数ISO/IEC18000－7：433MHz频率下的空中接口参数4/29/202545ISO/IEC制定的RFID数据内容标准ISO/IEC15424：数据载体/特征标识符ISO/IEC15424：EAN、UCC应用标识符及ASCMH10〔ANSI标准〕数据表示符ISO/IEC15424：大容量ADC媒体用的传送语法ISO/IEC15424：物品管理的唯一标识号ISO/IEC15424：数据协议：应用接口ISO/IEC15424：数据编码规那么与逻辑存储功能协议ISO/IEC15424：射频标签〔应答器〕的唯一标识4/29/202546ISO/IEC制定的RFID性能标准ISO/IEC18046：RFID设备性能测试方法ISO/IEC18047：有源和无源的RFID设备一致性测试方法ISO/IEC10373－6：按ISO/IEC14443标准对非接触式IC卡进行参数的方法4/29/202547ISO/IEC制定的RFID应用标准4/29/202548RFID的ISOIEC标准4/29/202549RFID的ISOIEC标准ISO/IEC的RFID标准简介非接触式IC卡三种非接触式IC卡标准标准卡的类型阅读器作用距离ISO/IEC10536密耦合（CICC）CCD紧靠ISO/IEC14443近耦合（PICC）PCD<10cmISO/IEC15693疏耦合（VICC）VCD约50cm4/29/202550RFID的ISOIEC标准4/29/202551RFID的ISOIEC标准ISO/IEC的RFID标准简介物品识别标准ISO/IEC18000：空中接口的重要标准，无线频段〔频率〕有6个，即低于135kHz，13.56MHz，433MHz，860~960MHz，2.45GHz和5.8GHz。作用距离从数厘米至十多米不等ISO/IEC18001：给出了应答器的外形要求ISO/IEC10374：微波应答器的集装箱识别标准，工作频率范围为850~950MHz以及2.4~2.5GHz，应答器的灵敏度以最大电场强度150mV/m定义，最大可阅读距离为13m4/29/202552RFID的ISOIEC标准ISO/IEC的RFID标准简介国际标准ISO/IEC14443近耦合非接触式IC卡的国际标准用于身份证和各种智能卡、存储卡ISO/IEC14443标准由四局部组成，即ISO/IEC14443-1/2/3/4ISO/IEC14443-2射频能量4/29/202553RFID的ISOIEC标准ISO/IEC的RFID标准简介ISO/IEC14443-4传输协议TYPEA型PICC激活过程RATSATSPPS〔协议和参数选择〕请求4/29/2025546RFID的ISOIEC标准ISO/IEC的RFID标准简介PCD激活TYPEA型PICC4/29/202555RFID的ISOIEC标准ISO/IEC15693疏耦合射频卡〔VICC〕的国际标准物理特性〔机械特性，物理尺寸，抗紫外线、X射线和电磁射线能力，弯曲和扭曲性能〕空中接口与初始化防碰撞和传输协议命令扩展平安特性4/29/202556RFID的ISOIEC标准ISO/IEC15693空中接口和初始化VCD到VICC的通信4/29/202557RFID的ISOIEC标准ISO/IEC15693空中接口和初始化副载波：单副载波时，副载波的频率423.75kHz；在使用双副载波时，频率484.28kHz数据速率位表示和编码：采用曼彻斯特码编码方式

VICC到VCD的通信4/29/202558RFID的ISOIEC标准SOFEOF4/29/202559RFID的ISOIEC标准传输协议唯一标识符〔UID〕：由制造商永久地设定应用族标识符〔AFI〕：由VCD锁定的应用类型数据存储格式标识符〔DSFID〕：指出了数据在VICC内存中的结构CRC：初始值为FFHVICC内存结构：可寻址块达256个，块大小可至256位，最大内存容量可达64kb〔8kB〕。块平安状态：由VICC作为对VCD请求的响应参数返回4/29/202560RFID的ISOIEC标准VICC状态断电〔Power-Off〕、就绪〔Ready〕、静默〔Quiet〕、选择〔Selected〕4种状态4/29/202561RFID的ISOIEC标准防碰撞时隙数为16的典型防碰撞处理过程

4/29/202562RFID的ISOIEC标准防碰撞VCD发送目录命令的请求帧，时隙数设置为16。VICC1在时隙0返回应答，因只有这一个VICC应答，故不存在碰撞，它的UID被VCD接收存储。VCD发送EOF，指示下一个时隙开始。在时隙1，VICC2和VICC3进行应答，发生了碰撞。VCD检测到碰撞，并记录该时隙发生了碰撞。VCD再发送EOF，进入时隙2。4/29/202563RFID的ISOIEC标准在时隙2，无VICC应答，VCD未检测到VICC的应答的SOF，因此VCD通过发送EOF，进入时隙3。在时隙3，VICC4和VICC5应答，产生了碰撞。VCD决定发送寻址请求〔例如读块请求〕给VICC1〔VICC1的UID已被UCD正确接收〕。所有VICC都检测到对VICC1请求的SOF，它们都处理这个请求，但只有UID匹配的VICC1才返回应答，其他的VICC那么退出防碰撞序列。所有VICC准备接收下一个请求。如果又是一个目录命令的请求，那么又从时隙0开始按上面步序执行。4/29/202564RFID的ISOIEC标准ISO/IEC18000-6标准定义了阅读器和应答器之间的物理接口、协议、命令及防碰撞机制。标准包含两种通信模式：TYPEA和TEPEB。TYPEA模式：数据编码帧格式调制

4/29/202565RFID的ISOIEC标准应答器向阅读器的数据传输数据编码帧格式前同步码、标志、参数、数据、CRC4/29/202566RFID的ISOIEC标准强制命令及状态转换INITROUND命令NEXTSLOT命令：确认已被识别的应答器；指示所有处于循环激活状态的应答器对它们的时隙计数器加1并进入下一个时隙NEWROUND命令：指示在循环准备和循环激活状态的应答器进入循环激活状态，复位它们的时隙计数器为1，进入新的循环；指示在选择状态的应答器变迁到静默状态，在静默和就绪状态的应答器仍维持它的状态4/29/202567RFID的ISOIEC标准CLOSESLOT命令：STANDBYROUND命令：确认来自一个应答器的有效应答，并指示该应答器进入选择状态，阅读器可以发送选择标志为1的读写命令等对此应答器进行操作；指示所有处于循环激活状态的应答器进入循环准备状态，等待NEXTSLOT，NEWSLOT或CLOSESLOT命令的到来，重新进入循环激活状态进入新的循环4/29/202568RFID的ISOIEC标准强制命令及状态转换SELECT〔bySUID〕命令：无论应答器原先处于场内哪个状态〔不含离场状态〕，接收到该命令且SUID匹配时进入选择状态，并发回应答帧；SUID不匹配的应答器不发回应答帧，当它处于循环激活状态时变迁到循环准备状态，处于选择状态时变迁到静默状态，处于就绪、静默或循环准备状态时保持状态不变READBLOCKS命令：GETSYSTEMINFORMATION命令：获取应答器的有关系统信息4/29/202569RFID的ISOIEC标准TYPEA的防碰撞过程1、启动防碰撞过程：阅读器发出INITROUND命令启动防碰撞过程，在命令中给出循环空间大小2、参与防碰撞过程的应答器对命令的处理4/29/202570RFID的ISOIEC标准3、阅读器发出INITROUND命令后出现的三种可能情况阅读器在一个时隙中没有检测到应答帧时，它发出CLOSESLOT命令。阅读器检测到碰撞或错误的CRC时，在确认无应答器仍在传输应答的情况下，发出CLOSESLOT命令。阅读器接收到一个应答器无过失的应答帧时，它发送NEXTSLOT命令，命令中包括该应答器的签名，对此已被识别的应答器进行确认，使它进入静默状态以便循环的继续4/29/202571RFID的ISOIEC标准4、接收到CLOSESLOT命令或NEXTSLOT而签名不匹配的参与循环的应答器将自己的时隙计数器加1并和所选择的随机数比较以决定该时隙是否发回应答帧，并根据本次循环时的时隙延迟标志决定发回应答帧的时延4/29/202572RFID的ISOIEC标准TYPEA的防碰撞过程5、阅读器按第〔3〕步中的三种情况处理，直至该循环结束〔到达了循环空间预置值〕6、一个循环结束后，如果在INITROUND命令或CLOSESLOT命令中重复循环标志位置为1，那么自动开始一个新的循环。如果重复循环标志位为0，阅读器可以决定用新的INITROUND命令或NEWROUND命令继续进行循环以完成防碰撞过程7、在一次循环中，阅读器可以通过发送STANDBYROUND命令来确认签名匹配的应答器的有效应答，并指示该应答器进入选择状态，同时让签名不匹配的应答器进入循环准备状态，以便在后续命令来到时将循环继续。4/29/202573RFID的ISOIEC标准TYPEB〔与TYPEA相类比〕物理接口命令和应答的帧格式数据元素应答器的存储器应答器的状态命令强制和推荐的命令防碰撞算法4/29/202574RFID

的ISO

IEC标准TYPEBTYPEB防碰撞流程4/29/202575RFID的ISOIEC标准ISO/IEC18000-7标准物理层使用窄带UHF频段。载波频率为433.92MHz±20ppm采用FSK调制方式，频率偏移为±35kHz，逻辑0的频率为fc〔载波频率〕－35kHz，逻辑1的频率为fc＋35kHz。数据位采用曼彻斯特编码，数据速率为27.7kbps阅读器和应答器之间的通信采用主从方式数据链路层4/29/202576RFID的ISOIEC标准数据链路层前同步码：包含20个周期为60μs的脉冲，高电平30μs，低电平30μs数据字节：包括8个数据位和一个停止位，采用曼彻斯特编码，位持续时间为36μs，字节周期〔含停止位〕为324μs。CRC码：多项式为x16+x12+x5+1包结束符4/29/202577RFID的ISOIEC标准命令格式阅读器命令格式

域命令前缀命令类型拥有者ID应答器ID阅读器ID命令编码参数CRC位长字节（31H）1字节3字节4字节2字节1字节N字节2字节4/29/202578RFID的ISOIEC标准应答格式对播送命令应答的信息格式对点到点命令应答的信息格式域应答器状态信息长度IntID应答器ID拥有者ID用户ID数据CRC位长2字节1字节2字节4字节3字节0~16字节0~N字节2字节域应答器状态信息长度IntID应答器ID命令编码参数CRC位长2字节1字节2字节4字节1字节N字节2字节4/29/202579什么是ZigBee？4/29/202580什么是ZigBee？4/29/202581什么是ZigBee？4/29/202582什么是ZigBee？4/29/202583什么是ZigBee？大容量：ZigBee可以有三种工作方式，即个域网协调器、路由器、终端设备。一个ZigBee网络最多可以包含256个ZigBee网络节点，包括一个主控设备，其余是附属设备。通过网络协调器，那么可以支持64000个ZigBee网络节点，网络协调器还可以相互连接，所以适合大面积的传感器网络；适于网络的自配置：ZigBee可以采用网络协调器自动建立网络，绝对数北可以随时参加和退出，适于自配置、自组织的网络4/29/202584什么是ZigBee？平安模式：提供循环冗余〔CRC〕的数据包完整性校验，支持鉴权和认证，通过三级平安处理：第一级：无平安方式；第二级：设备可以使用接入控制列表〔ACL〕防止非法设备获取数据，本级不加密；第三级：在数据传输中采用AES－128的对称密码来保护数据净荷，防止攻击者假冒合法设备；4/29/202585什么是ZigBee？4/29/202586ZigBee的应用4/29/202587ZigBee的协议架构－802.15协议簇LR-WPAN：无线个域网，属于低速无线个域网，协议属802.15：：中速无线个域网，兰牙；：高速无线个域网，超宽带，〔UWB〕：低速无线个域网，LR-WPAN，主要为电源能力受限、吞吐量要求不高、无线应用提供低本钱的连接；4/29/202588ZigBee的协议架构－802.15协议簇共27个信道：2450MHz16g个,915MHz10个，868MHz1个；支持250kbps、40kbps、20kbps三种速率；支出星状网络结构和点对点的对等网络结构；分配16位短地址或16位扩展地址；支持时隙保证机制，通过预留保证时隙〔GTS〕提供无竞争媒体访问，或实现CSMA/CA以防止竞争；确认握手保证传输的可靠性；低功耗，可以能量检测；有链路质量指标；4/29/202589ZigBee的网络拓扑○○○●●●●●●PAN协调器○●○PAN协调器LR-WPAN的网络拓扑简化功能设备RFD全功能设备FFD●星状拓扑点对点对等网络拓扑4/29/202590ZigBee的簇树网络－多个邻近簇连接成网●●●●○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○●●○○○○○○PAN协调器CID1CID2CID3CID4CID5簇首设备ZigBee的簇树网络4/29/202591ZigBee协议架构ZigBee协议包括：：物理层协议；媒体访问控制层：MAC；ZigBee联盟：网络层〔NWK〕应用层