物联网技术概论 课件 第2章感知识别技术

物联网的目标是物理世界与数字世界的融合。物联网的感知层主要完成信息的采集、转换和收集。感知层的关键技术主要为传感器技术和短距离传输网络技术，例如射频标识（RFID）标签与用来识别RFID信息的扫描仪、视频采集的摄像头和各种传感器中的传感与控制技术、短距离无线通信技术（包括由短距离传输网络技术组成的无线传感网技术）。2.感知技术2.1传感器技术Travelmate内置了传感器，与主人的智能手机连接2.1.1传感器的定义定义：能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件和装置，通常由敏感元件和转换元件组成。膜合式压力传感器2.1.1传感器的定义说明：①传感器是测量装置，能完成检测任务。②它的输出量是某一被测量，可能是物理量，也可能是化学量、生物量等。③它的输出量是某种物理量，这种量要便于传输、转换、处理、显示等等，这种量可以是气、光、电量，但主要是电量。④输出输入有对应关系，且应有一定的精确程度。

膜合式压力传感器2.1.2传感器的组成

传感器是能感受规定的被测量，并按一定的规律性换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件、转换元件和转换电路组成。敏感元件转换元件辅助电源接口电路非电物理量电信号敏感元件转换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的物理量。能敏锐地感受某种物理、化学、生物的信息并将其转变为电信息的特种电子元件。敏感元件敏感元件---电阻应变片敏感元件敏感元件转换元件敏感元件电阻应变片在压力作用下，应变片的尺寸性了变化，电阻阻值发生了变化。换成电阻参量。即：压力电阻转换元件敏感元件的输出就是它的输入，抟换成电路参量。电路参数接入基本转换电路，便可转换成电量输出。转换电路电阻应变片接成电桥电路压力电阻电压（电流）2.1.3常用传感器1.电容传感器平行板电容器如图所示，电容量为通过被测量的变化改变其中一个参数，就可把被测量的变化转换为电容量的变化。这就是电容传感器的基本工作原理。改变面积------------变面积式电容传感器

改变间距------------变间隙式电容传感器

改变介电常数------变介电常数式电容传感器变面积式电容传感器变间隙式电容传感器变间隙式电容传感器变介电常数式电容传感器2.热电式传感器热电极A右端称为：自由端（参考端、冷端）

左端称为：测量端（工作端、热端）热电极B热电效应热电效应产生的热电势是由接触电势和温差电势两部分组成的。热电效应产生的热电势—接触电势假设两种金属A、B的自由电子密度分别为nA和nB,且nA>nB。当两种金属相接时，将产生自由电子的扩散现象。达到动态平衡时，在A、B之间形成稳定的电位差，即接触电势eAB。对于单一导体，如果两端温度分别为T、TO，且T>TO，如图所示。导体中的自由电子，在高温端具有较大的动能，因而向低温端扩散，在导体两端产生了电势，这个电势称为单一导体的温差电势。热电效应产生的热电势—温差电势热电偶温度计浸入式热电偶测量熔融金属温度热电偶灵敏感应迅速切断燃气3.霍尔传感器霍尔效应在置于磁场中的导体或半导体内通入电流，若电流与磁场垂直，则在与磁场和电流都垂直的方向上会出现一个电势差，这种现象称为霍尔效应。实物演示霍尔开关工作霍尔传感器技术在汽车上的应用4.压电式传感器压电效应某些电介质（晶体）当沿着一定方向施加力变形时，内部产生极化现象，同时在它表面会产生符号相反的电荷。当外力去掉后，又重新恢复不带电状态。当作用力方向改变后，电荷的极性也随之改变;这种现象称压电效应。可制成压电传感器。压电传感器应用测量汽车重量2.2无线传感器网络2.2.1无线传感器网络的结构

无线传感器网络是由体积小、成本低、具有无线通信和数据处理能力的传感器节点组成的。功能无线传感器网络节点主要完成信息采集、数据处理数据回传等。1.传感器节点----硬件平台组成：传感器、微处理器（微控制器MCU）、通信系统供电电源。

1.传感器节点----硬件平台传感器传感器模块是无线传感器网络中负责采集监测环境或对象的相关信息的单元，与具体的应用需要紧密关联，不同的应用所涉及到的监测信息也不相同。有许多传感器可供节点平台使用，使用哪种传感器往往由具体的应用需求以及传感器本身的特点决定。需要根据处理器与传感器的交互方式：通过模拟信号和通过数字信号，选择是否需要外部模数转换器和额外的校准技术。传感器常用传感器及其关键特性微处理器是无线传感节点中负责计算的核心。功能：（1）是接收来自传感器的监测数据，对数据进行处理和计算并通过通信模块发送出去。（2）是读取通信模块接收到的数据及控制信息，进行数据处理并对硬件平台或控制目标进行控制。（3）第三是通信协议处理，完成无线传感器网络通信过程中的MAC、路由协议处理等。微处理器（微控制器MCU）组成：微处理器芯片同时也集成了内存、闪存、模数转化器、数字IO等，这种深度集成的特征使得它们非常适合在无线传感器网络中使用。微处理器（微控制器MCU）关键性能：影响节点工作整体性能的微处理器关键性能包括功耗特性，唤醒时间（在睡眠/工作状态间快速切换），供电电压（长时间工作），运算速度和内存大小微处理器（微控制器MCU）常用微处理器及其关键特性通信功能：传感器节点组网的必备功能，它使得独立的传感器节点之间可以相互连接，并能借助多跳将数据回传到汇聚节点。通信芯片通信芯片是无线传感节点中重要的组成部分，在一个无线传感节点的能量消耗中，通信芯片通常消耗能量最多，在目前常用的TelosB节点上，CPU在工作状态电流仅500uA，而通信芯片在工作状态电流近20mA。

低功耗的通信芯片在发送状态和接收状态时消耗的能量差别不大，这意味着只要通信芯片开着，都在消耗差不多的能量通信芯片通信芯片的传输距离是选择传感节点的重要指标。发射功率越大，接受灵敏度越高，信号传输距离越远。常用通信芯片：CC1000：可工作在433MHz，868MHz和915MHz；采用串口通信模式时速率只能达到19.2KbpsCC2420：工作频率2.4GHz，是一款完全符合IEEE802.15.4协议规范的芯片；传输率250Kbps通信芯片常用通信芯片及其关键特性供电单元是无线传感器网络的能量来源，供电技术的好坏决定了网络工作时间的长短和系统运行成本。在供电单元的选择上主要有高能量电池、燃料电池和能量转换电池等几种。供能装置采用电池供电，使得节点容易部署。但由于电压、环境等变化，电池容量并不能被完全利用。可再生能量，如太阳能。可再生能源存储能量有两种方式：充电电池，自放电较少，电能利用会比较高，但充电的效率较低，且充电次数有限；超电容，充电效率高，充电次数可达100万次，且不易受温度，振动等因素的影响。供能装置2.传感器节点----操作系统节点操作系统是微型化的。节点操作系统区别于传统操作系统的主要特点是：硬件平台资源极其有限节点操作系统发展史TinyOSTinyOS由加州伯克莱分校开发,是目前无线传感网络研究领域使用最为广泛的OS()TinyOS开发语言：nesCnesC语言是专门为资源极其受限、硬件平台多样化的传感节点设计的开发语言使用nesC编写的应用程序是基于组件的组件之间的交互必须通过使用接口用nesC编写的应用程序一般有一个最顶层的配置文件TinyOSTinyOS的结构图TimyOS开发环境结构

TinyOS代码举例//BlinkC.ncmoduleBlinkC{usesinterfaceTimer<TMilli>asTimer;usesinterfaceLeds;usesinterfaceBoot;}implementation{eventvoidBoot.booted(){callTimer.startPeriodic(250);}eventvoidTimer.fired(){callLeds.led0On();}}左侧代码中：BlinkC就表示一个组件，它使用了三个接口：Timer，Leds，Boot。在其实现部分，它可以调用这些接口提供的服务，如Timer.startPeriodic启动一个以250ms周期触发的时钟，而Leds.led0Toggle使节点上第一个灯亮起。在上面的代码中，注意的是，event关键字表示BlinkC组件处理的系统事件。TinyOS代码举例//BlinkCApp.ncconfigurationBlinkAppC{}implementation{componentsMainC,BlinkC,LedsC;componentsnewTimerMilliC()asTimerC;BlinkC->MainC.Boot;BlinkC.Timer->TimerC;BlinkC.Leds->LedsC;}左侧代码显示了一个典型的nesC配置文件。它必须指定当前程序使用了哪些组件。例如该程序使用了MainC，BlinkC（即代码1显示的组件），LedsC和TimerC组件。BlinkC组件中使用的接口到底是由哪个组件提供的，例如，BlinkC组件使用的Boot接口由MainC组件提供；BlinkC组件使用的Timer接口由TimerC组件提供；BlinkC组件使用的Leds接口由LedsC组件提供。TinyOSTinyOS任务调度TinyOS核心使用了事件驱动的单线程任务调度机制，这和传统OS的多线程调度机制截然不同任何一个时刻，处理器只能执行一个任务。因此，如果当前正在执行一个任务，处理器必须等这个任务处理完毕，才能开始处理另一个任务在单个TinyOS任务中不能有IO等阻塞的调用其他常用微型OS对比2.2.2组网技术—选路指标传输成功每个包需要的总传输次数（ETX,ExpectedTransmissionCount)Linkthroughput1/LinkETXDeliveryRatio100%50%33%Throughput100%50%33%LinkETX123假设链路有ACKs和重传:P(TXsuccess)=P(Datasuccess)P(ACKsuccess)LinkETX=1/P(TXsuccess)

=1/[P(Datasuccess)P(ACKsuccess)]实际计算ETX:P(Datasuccess)measuredfwddeliveryratiorfwdP(ACKsuccess)measuredrevdeliveryratiorrevLinkETX1/(rfwd

rrev)选路指标的计算选路指标的计算RouteETX12235Throughput100%50%50%33%20%扩展到路径的情形RouteETX=SumoflinkETXs数据收集协议（CTP）CollectionTreeProtocol初始化阶段:网络中每个节点广播自己到汇聚节点的路径的ETX。每个节点收到广播包之后，依据邻居节点广播的路径ETX，动态选择父节点，使得自己到汇聚节点的路径ETX尽量小。经过不断更新，网络中的每个节点都能够选择到一条到汇聚节点ETX之和最小的路径。数据收集协议（CTP）CTP在TinyOS中实现的考虑链路质量：综合了来自多方面的信息。CTP不仅通过主动交换控制包来估计链路质量，而且通过被动侦听数据包来动态更新链路质量；同时CTP协议不仅考虑了链路层信息，而且考虑了网络层队列是否溢出的信息，以此来避免拥塞的节点。在控制包发送方面，使用了Trickle算法来自适应的控制发包的频率。数据收集协议数据分发协议数据收集协议（CTP）数据收集协议的信息传播方式TrickleTimer在网络稳定的时候，Trickle算法二进制增长发包间隔，以减少发送包的数量。在发生环路或其他异常情况时，Trickle算法缩短发包间隔至最小，使网络能及时恢复到正常状态。优点：网络不变化，发送包数量很少网络一旦变化，迅速更新整个网络数据分发协议DripDrip为每一个数据项分配一个版本号，版本号越高的数据为越新的数据。网络中每个节点周期性的广播关于一个数据项的版本信息。当一个Drip节点发现自己的数据需要更新时，则向邻居借点发送请求包。Drip节点在收到请求包后即广播关于被请求数据项的包。数据分发协议与洪泛协议的本质区别数据分发协议维护了每一个数据项的版本信息，保证该数据的最新版本能够可靠地扩散到整个网络。VigilNet是由美国弗吉尼亚大学研制的用于军事监测的无线传感系统，该系统由XSM，Mica2和Mica2Dot节点构成，其规模最大达200个节点；节点通过电池供电，铺设在道路旁边，用于检测与收集移动目标的情况。应用特点节点自主成网、多跳传输节点通过电池供电，通过软件节能机制延长网络的生命周期节点智能感知、协同工作，向上提供预警的功能2.2.3无线传感器网络的应用--军事监测应用煤矿监测系统2004~2007年，香港科技大学的研究团队以煤矿安全生产和紧急救援为应用目标，提出无线传感器网络煤矿监控系统。应用特点事故预警紧急救援与导航客观的安全评估与建议传感器网络本身具有鲁棒性克服地下信号传播困难，采取多跳传输网络自愈，克服煤矿事故对网络拓扑产生的影响WSNPrototypeEnergyEfficiencyReliableRoutingMulti-SinkDeploymentGeocastingDataAggregationCompressionEventDetectionLocationSensingIDAssignment医疗监控中的传感器：Mercury

传感器的另一个重要应用是医疗监控，哈佛大学研究组改进了传统传感器，使得其外形更小，适合穿戴在身上应用特点传感器的设计十分人性化传感器具有高精度的感知能力，医用的数据需要较高的采样精度供医生分析诊断传感器能连续长期地采集数据传感器使用无线通信方式，其数据传输是机会性的2.3RFID系统

2.3.1RFID系统组成2.4.1RFID系统组成最基本的RFID系统由三部分组成：电子标签(Tag)、阅读器、天线。传送器、接收器和微处理器通常都被封装在一起，又统称为阅读器(Reader)2.3.1RFID系统组成1.电子标签组合：由耦合元件、芯片及微型天线组成，每个标签内部存有唯一的电子编码，附着在物体上，用来标识目标对象。1.电子标签功能：标签进入RFID阅读器扫描场以后，接收到阅读器发出的射频信号，凭借感应电流获得的能量发送出存储在芯片中的电子编码（被动式标签），或者主动发送某一频率的信号（主动式标签）。

用来接收由阅读器送来的信号，并把所要求的数据送回阅读器。①天线天线把由阅读器送来的射频信号转换成直流电压，并经大电容储存能量，再经稳压电路以提供稳定的电源。②电压调节器天线射频模块包括调制器和解调器。调制器:逻辑控制模块送出的数据经调制电路调制后，加载到天线送给阅读器。解调器:把载波去除以取出真正的调制信号。③射频收发模块用来译码阅读器送来的信号，并依其要求送回数据给阅读器。④逻辑控制模块包括E2PROM和ROM，作为系统运行及存放识别数据的空间。⑤存储器存储方式电可擦可编程只读存储器（EEPROM）：

一般射频识别系统主要采用EEPROM方式。

缺点是写入过程中的功耗消耗很大，使用寿命一般为100,000次。存储方式铁电随机存取存储器（FRAM）:

与EEPROM相比，FRAM的写入功耗消耗减小100倍，FRAM的写入时间甚至缩短1000倍。FRAM属于非易失类存储器。FRAM由于生产方面的问题至今未获得广泛应用。存储方式静态随机存取存储器（SRAM）:SRAM能快速写入数据，适用于微波系统。SRAM需要辅助电池不间断供电，才能保存数据。标签分类被动式标签（PassiveTag）：

因内部没有电源设备又被称为无源标签。

被动式标签内部的集成电路通过接收由阅读器发出的电磁波进行驱动，向阅读器发送数据。标签分类主动标签（ActiveTag）：

因标签内部携带电源又被称为有源标签。

电源设备和与其相关的电路决定了主动式标签要比被动式标签体积大、价格昂贵。但主动标签通信距离更远，可达上百米。标签分类半主动标签（Semi-activeTag）：

兼有被动标签和主动标签的所有优点。

内部携带电池，能够为标签内部计算提供电源。

半主动标签可以携带传感器，可用于检测环境参数，如温度、湿度、是否移动等。

与主动式标签不同的是它们的通信并不需要电池提供能量，而是像被动式标签一样通过阅读器发射的电磁波获取通信能量。①空闲状态：②准备状态：③防碰撞状态④选中状态⑤停止状态电子标签五种状态

电子标签在进入射频区前处于空闲状态；空闲状态时内部的信息不会泄漏或遗失。

对于无源的电子标签来说，空闲状态也就意味着电路处于无电源的状态。①空闲状态进入射频区后，电子标签进入准备状态。准备接收阅读器发过来的指令。②准备状态

当射频区电子标签不止一个时，电子标签就将进入防碰撞状态。

防碰撞的完成可能需要多次循环，每次循环识别出一个电子标签，没有被识别出来的电子标签将在下一次防碰撞中继续进行循环。③防碰撞状态

被识别出来的电子标签进入选中状态。

阅读器只能对处于选中状态的电子标签进行读写数据。④选中状态

阅读器对处于选中状态的电子标签读写完数据后，会发出停止命令控制电子标签进入停止状态。

进入停止状态的电子标签停止响应，暂时处于封闭的状态，直到接到阅读器发送过来的唤醒指令。

有些无源RFID系统是通过电子标签进入射频区时的上电复位来实现对进入停止状态的电子标签的唤起，这样的策略确保了每个处于射频区的电子标签只能被选中一次，如果要想被第二次选中，电子标签就必须退出射频区后再进入。⑤停止状态RFID系统中，电子标签的图如图所示工作流程2.阅读器(Reader)阅读器是RFID系统最重要也是最复杂的一个组件。因其工作模式一般是主动向标签询问标识信息，有时又被称为询问器（Interrogator）。功能：主要负责与电子标签的双向通信，同时接受来自主机系统的控制命令。2.阅读器(Reader)组成：逻辑控制模块、射频模块阅读器可以通过标准网口、RS232串口或USB接口同主机相连，通过天线同RFID标签通信。有时为了方便，阅读器和天线以及智能终端设备会集成在一起形成可移动的手持式阅读器。（1）逻辑控制模块组成：微控制器

应用接口驱动

逻辑单元（1）逻辑控制模块功能：与应用系统软件进行通信，并执行应用系统软件发来的命令。控制与电子标签的通信过程（主-从原则），将发送的并行数据转换成串行的方式发出，而将收到的串行数据转换成并行的方式读入。（2）射频模块组成：调制器

输出级

放大器

滤波器

解调器（2）射频模块功能：产生高频发射功率以启动电子标签，并提供能量。对发射信号进行调制（装载），经由发射天线发送出去，发送出去的射频信号（可能包含有传向标签的命令信息）经过空间传送（照射）到电子标签上，接收并解调（卸载）来自电子标签的高频信号，将电子标签回送到读写器的回波信号进行必要的加工处理，并从中解调，提取出电子标签回送的数据。（3）阅读器的工作流程2.3.2RFID系统中的频率分析频率是RFID系统的一个很重要的参数，它决定了系统工作原理、通信距离、成本、天线形状和应用领域等因素。RFID典型的工作频率有125KHz、133KHz、13.56MHz、27.12MHz、433MHz、860-960MHz、2.45GHz、5.8GHz等。按照工作频率的不同，RFID系统集中在低频、高频和超高频三个区域。低频（LF）范围为30kHz-300kHz，RFID典型低频工作频率有125kHz和133kHz两个，该频段的波长大约为2500m。低频标签一般都为无源标签，其工作能量通过电感耦合的方式从阅读器耦合线圈的辐射场中获得，通信范围一般小于1米。除金属材料影响外，低频信号一般能够穿过任意材料的物品而不降低它的读取距离。1、低频（LF）高频（HF）范围为3MHz-30MHz，RFID典型工作频率为13.56MHz,该频率的波长大概为22米，通信距离一般也小于1米。该频率的标签不再需要线圈绕制，可以通过腐蚀活字印刷的方式制作标签内的天线，采用电感耦合的方式从阅读器辐射场获取能量。2、高频（HF）超高频（UHF）范围为300MHz-3GHz，3GHz以上为微波范围。采用超高频和微波的RFID系统一般统称为超高频RFID系统，典型的工作频率为：433MHz，860-960MHz，2.45GHz，5.8GHz，频率波长大概在30厘米左右。严格意义上，2.45GHz和5.8GHz属于微波范围。超高频标签可以是有源标签与无源标签两种，通过电磁耦合方式同阅读器通信。通信距离一般大于1米，典型情况为4-6米，最大可超过10米。3、超高频（UHF）2.3.3RFID工作原理阅读器将要发送的信息，经编码后加载在某一频率的载波信号上经天线向外发送，进入阅读器工作区域的电子标签接收此脉冲信号，卡内芯片中的有关电路对此信号进行调制、解码、解密，然后对命令请求、密码、权限等进行判断。2.3.3RFID工作原理若为读命令，逻辑控制模块则从存储器中读取有关信息，经加密、编码、调制后通过卡内天线再发送给阅读器，阅读器对接收到的信号进行解调、解码、解密后送至中央信息系统进行有关数据处理。2.3.3RFID工作原理若为修改信息的写命令，有关逻辑控制引起的内部电荷泵提升工作电压，

提供擦写EEPROM中的内容进行改写，

若经判断其对应的密码和权限不符，则返回出错信息。1.电感耦合系统工作原理电感耦合RFID系统属于近距离识别系统，识别距离一般在1m以下。电感耦合电子标签是由一个电子数据作载体，通常是由单个微芯片及用做天线的线圈等组成。

1.电感耦合系统工作原理电感耦合方式的电子标签几乎都是无源标签。标签中的微芯片工作时所需的全部能量由阅读器发送的感应电磁能提供，高频的强电磁场由阅读器的天线线圈产生，并穿越线圈横截面和线圈的周围空间，以使附近的电子标签产生电磁感应。1.电感耦合系统工作原理频率范围（f<135kHz时，λ>400m；f=13.5MHz时，λ=22.2m）内的波长比阅读器天线和标签天线之间的距离大好多倍（对于电感耦合工作方式的RFID系统的阅读器天线和标签天线之间的距离不超过10cm），可以把标签到天线间的电磁场当做简单的交变磁场考虑。1.电感耦合系统工作原理发射磁场的一小部分磁力线穿过距离阅读器天线线圈一定距离的电子标签天线线圈，通过感应，在电子标签的天线线圈上产生一个电压U，将其整流后作为微芯片的工作电源。1.电感耦合系统工作原理将一个电容器CT与阅读器的天线线圈并联，其中电容器与天线线圈的电感一起，形成谐振频率与阅读器发射频率相符的并联谐振回路。

并联谐振回路的谐振使得阅读器的天线线圈产生较大的电流，这种方法也适用于产生供远距离电子标签工作所需要的场强。1.电感耦合系统工作原理标签的天线线圈和电容器C4构成并联谐振回路。

调谐到阅读器的发射频率。

通过谐振回路的谐振，标签线圈上的电压U达到最大值。1.电感耦合系统工作原理

两个线圈的结构也可以解释为变压器（电感耦合是一种变压器耦合，即作为初级线圈的阅读器和作为次级线圈的电子标签之间的耦合，只要线圈之间的距离不超过0.16λ，并且电子标签处于发送天线的近场范围内，变压器耦合就有效），变压器的两个线圈之间只存在很弱的耦合。1.电感耦合系统工作原理阅读器的天线线圈与标签之间的功率传输效率与工作频率f、标签线圈的匝数n、被标签线圈包围的面积S、两个线圈的相对角度以及它们之间的距离是成比例的。1.电感耦合系统工作原理随着频率的增加，所需标签线圈的电感表现为线圈匝数n的减少（135kHz：100～10

000匝，13.5MHz：3～10匝），因为标签中的感应电压是与频率成比例的，在较高频率的情况下，线圈匝数较小对功率传输效率几乎没有什么影响。1.电感耦合系统工作原理

由于电感耦合系统的效率不高，所以只适用于低电流电路，

只有功耗极低的只读电子标签（小于135kHz），可用于1m以上的距离，而具有写入功率和复杂安全算法的电子标签的功率消耗较大，一般作用距离为15cm。2．电磁反向散射RFID系统工作原理

电磁反向散射RFID系统属于远距离识别系统，识别距离一般在1m以上。在反向散射RFID系统中阅读器和标签之间的能量和数据传送依靠阅读器天线和电子标签天线来完成。2．电磁反向散射RFID系统工作原理

阅读器首先通过天线发射电磁波，

处于有效范围内的电子标签天线一方面接收电磁能量为射频标签提供能量，

一方面反向散射电磁波，并将有用信息调制

在反射波上，完成反向散射调制。2．电磁反向散射RFID系统工作原理

阅读器天线接收到来自标签的反向散射调制波，

经过放大、解调和解码，得到电子标签中的信息，完成识别过程。在射频识别系统的工作过程中，空间传输通道中发生的过程可归结为3种：1）数据交换是目的；2）时序是数据交换的实现方式；3）能量是时序得以实现的基础。事件模型3.数据传输

射频识别系统中的数据传输包含两个方面的含义：一是从阅读器向电子标签方向的数据传输；二是从电子标签到阅读器方向的数据传输。（1）从阅读器向电子标签方向的数据传输信号发射：在发射端，阅读器将所要传输的命令和数据组合起来，加上纠错校验位，形成需要传输的数据部分，对这部分数据按照适合RFID系统的格式进行基带编码，并加上帧头，形成RFID数据帧，数据帧的长度有几到十几个字节，然后将这一帧数据经调制后发送出去。发送后的数据通过无线信道传输。发射端（1）从阅读器向电子标签方向的数据传输信号接收：在接收端，电子标签将接收到的信号进行解调并整形后形成二进制信号，再将该信号经过基带解码，纠错校验，判断是否有误码产生，最后去掉随数据一起传输来的附加校验位，形成最后的数据。接收端

在RFID系统中，当从电子标签向阅读器方向传输数据时，电子标签以同样的方式形成数据帧，并采用合适的调制方法将数据返回阅读器，阅读器将接收到的信号进行解调、解码及校验后形成收到的数据。（2）从电子标签向阅读器方向的数据传输2.3.4RFID系统的应用系统通过对密布于高速公路沿线的视频检测专用视频、高清监控视频、违法监测视频、卡口监测视频等视频流的智能分析，将道路参与主体（人、车、非机动车）的状态、速度、方向、位置等信息进行检测，并采用轨迹跟踪、行为分析、事件触发、违规检测等技术，可对异常停车、逆行或倒车、低速车流、排队超限、抛洒物、行人穿越、能见度低等异常事件实时监测和预警；可对违法停车、逆行或倒车、压线行车、违法行驶专用车道等交通违法行为实时监测和取证；可对断面流量、车道流量、平均速度、时间占有率、空间占有率、密度、服务等级等十余种交通参数实时检测和统计分析，实现直观、实时、有效的视频监测和过程记录。卓视智通车路协同道路全息感知系统通过RFID读写闸机，入库产品可进行一次性检查产品定位管理入库流程三步骤：入库——检查产品——上货架利用RFID实现自由位置库存管理混凝土站车辆排队叫号系统适合新零售RFID智能管理系统（1）仓库管理对象1.对象和任务（2）仓库管理的作业任务1.对象和任务2.总体设计基本思路系统架构仓库管理系统设计采用三层结构：第一层是采集：主要是通过射频识别设备以及其它自动识别设备采集数据，包括库位标签、货物标签、无线数据终端、AGV车等。第二层是移动：即通过无线通信技术，把采集的数据传递到中央数据库，包括无线接入和相关的网络设备。第三层是管理：对采集的数据管理，包括数据库服务器、网络服务器和仓库管理系统软件。。系统构成仓库管理系统三部分组成：第一部分：仓库管理中心子系统负责仓库管理数据库的集中管理与维护，负责进货计划、出库计划的制定和指令下达；打印生成各种管理报表。第二部分：仓库管理现场子系统发行入库标签、进行实时库存管理（库位管理）、通过无线网络发布仓库管理作业指令。第三部分：仓库管理执行子系统完成入库、出库、移库、盘库等作业具体操作，并返回执行实况。系统信息流作业流程（1）库位标签的制作与安装作业流程（2）入库作业流程作业流程（2）入库作业流程①收货检验重点检查：送货单与订货单是否一致；

实到货物与送货单是否一致；

如果不符拒绝接收。作业流程（2）入库作业流程②制作和粘贴标签：具体方法：采用选定的物品编码方案对入库物品进行编码；制作货物标签：把编码信息写入电子标签，同时打印纸质标签（方便要工校核），再把纸质标签和电子粘合在一起成为货物标签。在库存品上固定标签：考虑到目前标签成本较高，为了方便电子标签的回收，一般采用悬挂的方式把标签固定到物品上。如果不回收则可以采用粘贴的方式固定。作业流程③现现场计算机自动分配库位，并逐步把每次操作的库位号和对应物品编号下载到无线数据终端（手机终端或叉车终端）上。（2）入库作业流程④作业人员运送货物到指定库位，核对位置无误后把货物送入库位（如有必要，修改库位标签中的记录的货物编号和数量信息）。⑤无线数据终端把入库实况发送给现场计算机，及时更新库存数据库。作业流程（3）出库作业流程作业流程（4）移库作业流程作业流程（5）盘库作业流程2.5定位系统中国北斗2.5.1位置信息基于位置的服务自动导航搜索周边服务信息基于位置的社交网络：Foursquare位置信息和我们的生活息息相关位置信息不是单纯的“位置”地理位置（空间坐标）处在该位置的时刻（时间坐标）处在该位置的对象（身份信息）2.5.2定位系统现存主流定位系统卫星定位：GPS蜂窝基站定位无线室内环境定位新兴定位系统：A-GPS，网络定位无线电定位1.卫星定位各国的卫星定位系统美国：GPS俄罗斯：GLONASS欧盟：伽利略中国：北斗北斗系统2020年7月31日上午，北斗三号全球卫星导航系统正式开通北斗系统组成：

空间段

地面段

用户段。

空间部分主要由若干卫星组成用户部分接收并观测卫星信号记录和处理数据提供导航定位信息地面控制部分中心控制系统实现时间同步跟踪卫星进行定轨北斗二号系统15颗卫星连续稳定运行；北斗三号系统正式组网前，发射了5颗北斗三号试验卫星，开展在轨试验验证，研制了更高性能的星载铷原子钟（天稳定度达到10-14量级）和氢原子钟（天稳定度达到10-15量级），进一步提高了卫星性能与寿命；成功发射了19颗组网卫星（其中，18颗中圆地球轨道卫星已提供服务，1颗地球静止轨道卫星处于在轨测试状态），构建了稳定可靠的星间链路，基本系统星座部署圆满完成。（1）空间段----实现全球组网北斗三号系统建立了高精度时间和空间基准，增加了星间链路运行管理设施，实现了基于星地和星间链路联合观测的卫星轨道和钟差测定业务处理，具备定位、测速、授时等全球基本导航服务能力；同时，开展了短报文通信、星基增强、国际搜救、精密单点定位等服务的地面设施建设。主控中心专用地面天线专用监视站（2）地面段----实施了升级改造北斗系统用户段包括北斗兼容其他卫星导航系统的芯片、模块、天线等基础产品，以及终端产品、应用系统与应用服务等。

（3）用户段定位原理2.蜂窝基站定位GSM蜂窝网络通讯区域被分割成蜂窝小区每个小区对应一个通讯基站通讯设备连接小区对应基站进行通讯利用基站位置已知的条件

，可对通讯设备进行定位蜂窝基站定位主要优缺点优点不需要GPS接收机，可通讯即可定位启动速度快信号穿透能力强，室内亦可接收到缺点定位精度相对较低基站需要有专门硬件，造价昂贵3.单基站定位法COO定位（CellofOrigin）将移动设备所属基站的位置视为移动设备的位置精度直接取决于基站覆盖的范围基站分布疏松地区，一个基站覆盖范围半径可达数公里，误差巨大优点：简单、快速，适用紧急情况4.多基站定位法ToA/TDoA定位法测量无线信号传播时间需要三个基站才能定位稀疏地区可能只能收到两个基站的信号，不适用AoA定位法测量无线信号传播方向需要两个基站2.5.3定位技术定位技术的关键：有一个或多个已知坐标的参考点得到待定物体与已知参考点的空间关系定位技术的两个步骤：测量物理量→根据物理量确定目标位置2.5.3定位技术常见定位技术：基于距离的定位（ToA）基于距离差的定位（TDoA）基于信号特征的定位（RSS）1.基于距离的定位（ToA）距离测量方法距离d=波速v*传播时间Δt传播时间Δt=收到时刻t–发出时刻t0问题：接受端如何得知t0=？1.基于距离的定位（ToA）方法1：利用波速差发送端同时发送一道电磁波和声波接收端记录：电磁波到达时刻声波到达时刻距离由于远大于，上式可简化为1.基于距离的定位（ToA）方法2：测量波的往返时间发送端于时刻发送波接收端收到波后，等待时间后返回同样的波发送端记录收到回复的时间距离1.基于距离的定位（ToA）位置计算方法多边测量（也称多点测量）平面上定位，取三个参考点以每个参考点为圆心，到该参考点的距离为半径画圆，目标必在圆上平面上三个圆交于一点实际中取用超过三个参考点，用最小二乘法减少误差2.基于距离差的定位（TDoA）ToA的局限需要参考点和测量目标时钟同步TDoA不需要参考点和测量目标时钟同步参考点之间仍然需要时钟同步2.基于距离差的定位（TDoA）距离差测距方法测量目标广播信号参考点i，j分别记录信号接收到的时刻ti，tj测量目标到i，j的距离差2.基于距离差的定位（TDoA）位置计算方法至少两组数据联立方程求解实际采用多组数据最小二乘法求解每次测量结果参考点坐标到参考点的距离构建方程：3.基于信号特征的定位ToA和TDoA都需要接收端特殊装置基于信号特征的定位直接利用无线通信的射频信号定位，不需要额外设备原理：信号强度随传播距离衰减问题：理想公式实际难以应用3.基于信号特征的定位解决方法：将信号强度看做“特征”预先布置N个参考节点测出N个参考节点信号的强度，得到一个N维向量事先测出区域中每个位置的特征向量将目标测出的特征向量和事先测量值比对，找出位置缺点：不能应对动态变化3.基于信号特征的定位LANDMARC：基于信号特征的动态定位方法除了信号发送源，再布置一系列RFID标签作为参考标志每个标志随时记录自己收到的RSS信号强度特征向量将目标测得的信号特征向量与参考标志此时的特征向量进行比对，确定位置，误差在1m范围以内3.基于信号特征的定位LiFS：基于群智感知的非现场勘测定位通过集成在智能手机上的运动传感器捕捉用户的运动信息，将原本互相独立的RSS指纹关联到一起，进而形成高维的指纹空间将原始的楼层平面图变换为高维空间中的无应力平面图通过匹配指纹空间和无应力平面图，得到指纹的位置信息无需用户主动参与，成功取消人工勘测环节2.5条形码技术条形码技术是在计算机应用发展过程中，为消除数据录入的“瓶颈”问题而产生的，可以说是最“古老”的自动识别技术。条形码是由一组规则排列的条、空以及对应的字符组成的标记。当使用专门的条形码识别设备如手持式条码扫描器扫描这些条码时，条码中包含的信息就转化为计算机可识别的数据。目前市场上常见的是一维条形码，信息量约几十位数据和字符；二维条形码相对复杂，但信息量可达几千字符。2.5.1一维条形码一维条形码是由一组规则排列的条、空以及对应的字符组成的标记。普通的一维条码在使用过程中仅作为识别信息，它的意义是通过在计算机系统的数据库中提取相应的信息而实现的。1.一维条形码一个完整的条码的组成次序依次为：静区（前）、起始符、数据符、（中间分割符，主要用于EAN码）、(校验符)、终止符、静区（后）。模块：构成条码的基本单位是模块，模块是指条码中最窄的条或空，模块的宽度通常以mm或mil（千分之一英寸）为单位。构成条码的一个条或空称为一个单元，一个单元包含的模块数是由编码方式决定的，有些码制中，如EAN码，所有单元由一个或多个模块组成；而另一些码制，如39码中，所有单元只有两种宽度，即宽单元和窄单元，其中的窄单元即为一个模块。一维条形码的基本概念密度：条码的密度指单位长度的条码所表示的字符个数。模块尺寸越小，密度越大，所以密度值通常以模块尺寸的值来表示（如5mil）。通常7.5mil以下的条码称为高密度条码，15mil以上的条码称为低密度条码。一维条形码的基本概念宽窄比：对于只有两种宽度单元的码制，宽单元与窄单元的比值称为宽窄比，一般为2-3左右（常用的有2：1，3：1）。宽窄比较大时，阅读设备更容易分辨宽单元和窄单元，因此比较容易阅读。一维条形码的基本概念对比度（PCS）：条码符号的光学指标，PCS值越大则条码的光学特性越好。PCS＝(RL-RD)/RL×100%（RL:条形码反射率，RD:空气反射率）条码长度：从条码起始符前缘到终止符后缘的长度。条码密度：单位长度的条码所表示的字符个数。双向条码：条码的两段都可以作为扫描起点的。中间分隔符：在条码符号中，位于两个相邻的条码符号之间且不代表任何信息的空。连续性条码：在条码字符中，两个相邻的条码字符之间没有中间分隔符的条码。非连续性条码：在条码字符中，两个相邻的条码字符之间存在中间分隔符的条码。一维条形码的基本概念一维条形码的译码原理激光扫描仪通过一个激光二极管发出一束光线，照射到一个旋转的棱镜或来回摆动的镜子上，反射后的光线穿过阅读窗照射到条码表面，光线经过条或空的反射后返回阅读器，由一个镜子进行采集、聚焦，通过光电转换器转换成电信号，该信号将通过扫描期或终端上的译码软件进行译码。典型一维条形码制比较2.5.2二维条形码二维码利用某种特定的几何图形按一定规律在平面（二维方向上）分布的黑白相间的图形记录数据符号信息的；在代码编制上巧妙地利用构成计算机内部逻辑基础的“0”、“1”比特流的概念，使用若干个与二进制相对应的几何形体来表示文字数值信息，通过图象输入设备或光电扫描设备自动识读以实现信息自动处理。二维码具有条码技术的一些共性：每种码制有其特定的字符集；每个字符占有一定的宽度；具有一定的校验功能等。同时还具有对不同行的信息自动识别功能、以及处理图形旋转变化等特点。1.二维条形码目前，世界上应用最多的二维条码符号有AztecCode、PDF147、DataMatrix、QRCode、Code16K等。Code16KDataMatrixPDF147AztecCodeQRCode1.二维条形码1.二维条形码2.一维条形码与二维条形码的比较一维条形码特点：可直接显示内容为英文、数字、简单符号；贮存数据不多，主要依靠计算机中的关联数据库；保密性能不高；损污后可读性差。二维条形码特点：可直接显示英文、中文、数字、符号、图形；贮存数据量大，可存放1K字符，可用扫描仪直接读取内容，无需另接数据库；保密性高（可加密）；安全级别最高时，损污50%仍可读取完整信息。2.6生物识别技术2.6.1虹膜识别虹膜识别是当前应用最方便精确的生物识别技术，虹膜的高度独特性和稳定性是其用于身份鉴别的基础。生物活性:虹膜处在巩膜的保护下，生物活性强。非接触性:从无需用户接触设备，对人身没有侵犯。唯一性:形态完全相同虹膜的可能性低于其他组织。稳定性:虹膜定型后终身不变，一般疾病不会对虹膜组织造成损伤。防伪性:不可能在对视觉无严重影响的情况下用外科手术改变虹膜特征。虹膜识别的特点实用角度看，指纹识别是优于其他生物识别技术的身份鉴别方法。因为指纹具有各不相同、终生基本不变的特点，且目前的指纹识别系统已达到操作方便、准确可靠、价格适中的阶段，正逐步应用于民用市场。2.6.2指纹识别指纹识别指纹识别的处理流程：通过特殊的光电转换设备和计算机图像处理技术，对活体指纹进行采集、分析和比对，可以迅速、准确地鉴别出个人身份。系统一般主要包括对指纹图像采集、指纹图像处理、特征提取、特征值的比对与匹配等过程。指纹的总体特征纹型：三种基本纹型包括：环型、弓型和螺旋型纹数：模式区内指纹纹路的数量。模式区：指纹上包含总体特征的区域，即从模式区就能够分辨出指纹是属于那一种类型的三角点：位于从核心点开始的第一个分叉点或断点、或者两条纹路会聚处、孤立点、转折点、或者指向这些奇异点。指纹的局部特征终结点（Ending）一条纹路在此终结。分叉点（Bifurcation）一条纹路在此分开成为两条或更多的纹路。分歧点（RidgeDivergence）两条平行纹路在此分开。孤立点（DotorIsland）一条特别短的纹路，以至成为一点。环点（Enclosure）一条纹路分开成两条后，立即又合并称为一条。短纹（ShortRidge）一端较短但不至于成为一点的纹路。2.6.3人脸识别人脸识别，是基于人的脸部特征信息进行身份识别的一种生物识别技术。人脸识别用摄像机或摄像头采集含有人脸的图像或视频流，并自动在图像中检测和跟踪人脸，进而对检测到的人脸进行脸部识别的一系列相关技术。人脸识别系统主要包括四个组成部分，分别为：人脸图像采集及检测、人脸图像预处理、人脸图像特征提取匹配与识别。1.人脸识别系统（1）人脸图像采集及检测人脸图像采集不同的人脸图像都能通过摄像镜头采集下来，比如静态图像、动态图像、不同的位置、不同表情等方面都可以得到很好的采集。当用户在采集设备的拍摄范围内时，采集设备会自动搜索并拍摄用户的人脸图像。（1）人脸图像采集及检测人脸检测人脸检测在实际中主要用于人脸识别的预处理，即在图像中准确标定出人脸的位置和大小。人脸图像中包含的模式特征：如直方图特征、颜色特征、模板特征、结构特征及Haar特征等。人脸检测就是把这其中有用的信息挑出来，并利用这些特征实现人脸检测。（1）人脸图像采集及检测主流的人脸检测方法基于以上特征采用Adaboost学习算法，Adaboost算法是一种用来分类的方法，它把一些比较弱的分类方法合在一起，组合出新的很强的分类方法。人脸检测过程中使用Adaboost算法挑选出一些最能代表人脸的矩形特征(弱分类器)，按照加权投票的方式将弱分类器构造为一个强分类器，再将训练得到的若干强分类器串联组成一个级联结构的层叠分类器，有效地提高分类器的检测速度。（2）人脸图像预处理人脸图像预处理：对于人脸的图像预处理是基于人脸检测结果，对图像进行处理并最终服务于特征提取的过程。系统获取的原始图像由于受到各种条件的限制和随机干扰，往往不能直接使用，必须在图像处理的早期阶段对它进行灰度校正、噪声过滤等图像预处理。对于人脸图像而言，其预处理过程主要包括人脸图像的光线补偿、灰度变换、直方图均衡化、归一化、几何校正、滤波以及锐化等。（3）人脸图像特征提取人脸图像特征提取人脸识别系统可使用的特征通常分为视觉特征、像素统计特征、人脸图像变换系数