《走进物联网》课件-2.1 物联网的神经元-传感器

传感器

传感器的应用在现实生活中随处可见。自动门是利用人体的红外波来开关门；烟雾报警器是利用烟敏电阻来测量烟雾浓度；手机的照相机和数码相机是利用光学传感器来捕获图像；电子称是利用力学传感器来测量物体的重量。目前传感器已经渗透到工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断和生物工程等各个领域，从茫茫的太空到浩瀚的海洋，几乎每一个现代化项目都离不开各种各样的传感器。前言案例故事知识提炼聚焦生活能力拓展1234目录01案例故事马塞罗那的智能垃圾回收系统

在巴塞罗那，原有的收集方式是车辆沿固定路线、固定时间收集垃圾，但经常会遇到垃圾箱未满就来收或垃圾已满收集车辆还未来的情况。这种相对固定的收集方式效率低，浪费资源。

目前，巴塞罗那流行一种带感应的垃圾处理箱技术。这种垃圾处理箱技术的特点是在自身满载时会主动发出信号，工作人员将根据其发出的信号来安排、分配垃圾运输车的出行频率和路线，从而提高垃圾处理效率。

除此之外，巴塞罗那在城市管理的其他方面也大量的运用了传感器。如巴塞罗那通过在地上安装传感设备，司机只要下载一种专门的应用程序，就能根据传感器发出来的信息获知哪里有空车位，极大地便捷了市民停车需求。采用了湿度传感器，通过感知地面湿度，以确定何时应该给城市绿地浇水。02知识提炼传感器是一种检测装置，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，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。传感器的存在和发展，让物体有了触觉、味觉和嗅觉等感官，让物体慢慢变得活了起来。可以说，传感器是人类感觉器官的延长，因此传感器又称为电五官。传感器与人类五大感觉器官的比拟。

湿度传感器

工作原理：湿敏元件是最简单的湿度传感器。湿敏元件主要有电阻式、电容式两大类。电阻式湿度传感器的工作原理是在基片上覆盖一层用感湿材料制成的膜，当空气中的水蒸气吸附在感湿膜上时，元件的电阻率和电阻值都发生变化，利用这一特性即可测量湿度。

电容式湿度传感器的工作原理是用高分子薄膜电容制成的。当环境湿度发生改变时，湿敏电容的介电常数发生变化，使其电容量也发生变化，其电容变化量与相对湿度成正比。

温度传感器

工作原理：独立式烟感报警器共有两种传感器可供选择，一种是离子传感器，一种是光电传感器。离子传感器是通过测量空气中的正负电荷的平衡来工作的光电传感器是通过一束光和一个光的感应器来测量烟的浓度的。

烟雾传感器

工作原理：工作原理：独立式烟感报警器共有两种传感器可供选择：一种是离子传感器，一种是光电传感器。

金属膨胀原理设计的传感器双金属片式传感器液体和气体的变形曲线设计的传感器电阻传感

热电偶传感

其他传感器空气质量传感器称重传感器声音传感器

其他传感器压力传感器光照度传感器转速传感器03聚焦生活智能手机中的传感器技术随着信息技术的迅猛发展，智能手机的功能越来越强大，其中很多功能要归功于多种多样的传感器。方向传感器、触摸屏幕、重力传感器、光线传感器、电子罗盘、GPS、加速传感器、距离传感器、三轴陀螺仪、摄像头等，这些都是手机内部比较常见的传感器装置。我们在玩手机游戏、定位导航、拍摄照片、手机屏幕旋转时都使用到手机内部的传感器。光线传感器重力传感器位移传感器做一做做一做04能力拓展请你查阅资料，例举各种传感器的作用，以及它在生活中的应用场景，并填写到表2－3。条码技术

随着商业的不断发展，智能移动化的普及，条码技术在生产、生活中的应用越来越广泛，接下来通过以下案例、知识点及场景应用的介绍，更深层次地学习条形码技术。前言案例故事知识提炼聚焦生活能力拓展1234目录01案例故事食品溯源

条形码和二维码的广泛使用给消费者查询食品信息带来了便利，二维码中有生产、加工、流通、消费等供应链环节中消费者关心的追溯要素。购物时，只要用智能手机扫描一下食品标签上的条形码和二维码，就能立即获得该食品的详细信息，包括食品来源、食品生产和加工方法、食品冷藏链等情况。不但食品的主料可以溯源，就连辅料也一样可以追溯。02知识提炼条码的产生和发展条码的概念条码的概念一维条码二维码条码识别设备03聚焦生活手机APP－－查查条码制作一维条码做一做04能力拓展寻找家里5-6个有一维码的物品，并用手机软件进行扫描识别，记录扫描数据，并填写表2－5中。2016年底以来共享单车风靡各个城市，使用者只需下载APP，扫描单车上的二维码，就可以使用了。体验共享单车并完成表2－6。物联网“第二代身份证”RFIDRFID是物联网感知层中重要的识读技术，生活中处处可见RFID技术的应用，像公共交通电子车牌、酒店门禁卡、汽车防盗系统、图书馆通道门禁等等，但似乎大家对于RFID技术都很陌生，接下来通过以下的学习来真正的认识和了解RFID。前言案例故事知识提炼聚焦生活能力拓展1234目录01案例故事010406020503苏明是一家大型连锁超市某分店店长。早上8:00苏明到达超市，在考勤机上刷了自己的员工卡，考勤记录同步到超市的考勤管理系统。010406020503苏明打开了“智能商超管理系统”，开始正式营业。010406020503一个客户来到超市柜台，要求办理购物卡。苏明打开“智能商超——账户充值”系统，同时拿出了一张无线射频IC卡，放在桌面发卡器上，为用户进行了购物卡办理。010406020503今天是中秋节，苏明想做商品优惠促销活动，吸引客户的眼球。于是，苏明对部分商品的价格进行降价修改处理，修改的商品价格通过手持终端PDA设备写到超高频纸质标签上并通用电子价格标签显示，方便用户查看。010406020503降价促销活动引来了很多客户的抢购，客户购买完商品后，直接推着所购买的所有商品经过收银台指定的位置。该位置安装了RFID超高频读写器，可以直接读取到商品上的超高频纸质标签。读取完毕后，收银员的操作系统界面上显示了客户所购买的所有商品，并且将总价显示出来，客户可通过现金结算，或者使用购物卡进行结算。010406020503晚上8:30，超市关门，停止营业。苏明跟几个员工开始进行商品的盘点工作，对商品的销售情况及库存情况进行统计。商品的盘点主要借助于手持终端PDA设备，员工先用PDA扫下某商品的条码，接着走过每一排货架，通过获取商品上的超高频纸质标签，让PDA自动搜索该商品的所有数量。010406020503以上案例场景中，很多涉及到RFID技术的应用，如考勤打卡机、商品的入库、电子价格标签、购物结算及PDA盘点，除了这些，生活中对于RFID的应用还很多。那么RFID是怎么来的？RFID的组成、分类、工作方式等的知识，需要我们更深入的去了解。请同学们扫描二维码，感受运用RFID技术，超市购物自动结帐功能。02知识提炼RFID，射频识别技术，又称无线射频识别，是一种通信技术，可通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据，无需识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触，是一种非接触式的自动识别技术。RFID(RadioFrequencyIdentification)RFID领域应用最为广泛的一个标准是EPC标准，它将RFID系统分成了四个层次，包括物理层、中间层、网络层和应用层。物理层是整个系统的物理环境构造，包括标签、天线、读写器、传感器、仪器仪表等硬件设备。中间层是信息采集的中间件和应用程序接口，负责对读卡器所采集到的标签中的信息进行简单的预处理，然后将信息传送到网络层或应用层的数据接口。网络层是系统内部以及系统间的数据联系纽带，各种信息在其上交互传递。应用层则是EPC后端软件及企业应用系统。通常我们所说的RFID产品处于物理层，其最基本的组成部分包括：1．射频标签(或称射频卡、应答器等)射频标签也可称作射频卡，它由耦合元件及芯片组成，含有物品唯一的标识体系，包含着一系列的数据和信息，比如产地，日期代码和其他关键的信息等，这些信息储存在一个小的硅片中，利用阅读器，可以及时方便的了解精确的信息。按照不同的方式，射频标签有以下几种分类。分类方式种类特点供电方式无源卡卡内无电池，利用波束供电技术将接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，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（LF）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（HF）主要有13.56MHz，用于门禁控制和需传送大量数据的传输系统。超高频射频卡（UHF）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射数据，它必须利用读写器的载波来调制自己的信号。芯片只读卡只读，唯一且无法修改的标识，价格低。读写卡可擦写，可反复使用，价格高。CPU卡芯片内部包含微处理器单元（CPU）、存储单元、输入/输出接口单元，价格高。2．射频阅读器在RFID系统中，信号接收设备一般叫做阅读器（或读卡器）。阅读器的基本功能就是提供与标签进行数据传输的接口，读取(有时还可以写入)标签信息的设备。在RFID相关产品中，读卡器的含金量是最高的，因为它是半导体技术、射频技术、高效解码算法等多种技术的集合。3．射频天线射频天线主要用来在标签和读取器间传递射频信号。RFID系统中包括两类天线，一类是RFID标签上的天线，和RFID标签集成为一体；另一类是读写器天线，既可以内置于读写器中，也可以通过同轴电缆与读写器的射频输出端口相连。目前的天线产品多采用收发分离技术来实现发射和接收功能的集成。RFID系统的基本工作原理：在工作时，RFID读写器通过天线持续发送出一定频率的信号，当RFID标签进入磁场时，凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息（PassiveTag，无源标签或被动标签），或者主动发送某一频率的信号（ActiveTag，有源标签或主动标签）；随后读写器读取信息并解码后，将数据传输到中央信息系统进行有关的数据处理。03聚焦生活认识NFC-手机中的RFIDNFC是NearFieldCommunication缩写，即近距离无线通讯技术。由非接触式射频识别（RFID）演变而来，这项技术被广泛应用在手机中。NFC生活通是为手机用户精心打造的一款生活服务软件，可实现闪付卡的信息查询、公交一卡通查询、电子海报读取、手机设置、电子名片互换、NFC标签读写、条码识读等功能。下面我们通过“NFC生活通”来认识一下NFC在手机中的应用。首先确定智能手机是否支持NFC功能，手机中点击设置。在360手机软件管理或应用商店中找到“NFC生活通”，并安装此APP软件。NFC生活通功能一：闪付卡功能可以查询带有芯片的银联卡的银行信息、余额、有效期、使用次数、最近十笔交易记录等卡信息。NFC生活通功能二：文件快传功能支持两个手机用户最高以6M/秒的速度互传文件。用户可以使用NFC或雷达模式进行传送，支持图片、音乐、视频、应用及普通文件的传送。NFC生活通功能四：条形码查询功能可以扫描产品监管码、快递单号、商品条码、药品监管码的信息，可以查询到快递的跟踪位置，产品的厂商、规格、生产日期、有效期等产品信息，也可以手动输入商品条码、药品码、快递单码、产品码，查询到相应的信息。NFC生活通功能五：电子标签功能主要是对标签的多元化专业运用，具有标签识读、文本写入、标签克隆、标签格式化、我的位置等功能。电子标签支持格式：文本格式、网页格式、海报格式，可以通过用手机的后壳触碰标签的NFC感应区查询到标签的相应信息，将信息从标签中读取或写入标签。04能力拓展请说出RFID按载波频率和作用距离的区别可分为哪几类？各有什么特点？RFID系统的基本工作原理是什么？请列举出生活中哪些场景应用到了RFID技术？无线传感网络无线传感网在国际上被认为是继互联网之后的第二大网络，早在2003年美国《技术评论》杂志评出对人类未来生活产生深远影响的十大新兴技术，传感器网络被列为第一。2006年我国发布的《国家中长期科学与技术发展规划纲要》中，为信息技术确定了三个前沿方向，其中有两项就与传感器网络直接相关，这就是智能感知和自组网技术。无线传感网越来越受到人们的关注，我们通过下面几个案例了解无线传感网。前言案例故事知识提炼聚焦生活能力拓展1234目录01案例故事案例一：利用适当的传感器，例如压电传感器、加速度传感器、超声传感器、湿度传感器等，可以有效地构建一个三维立体的防护检测网络。该系统可用于监测桥梁、高架桥、高速公路等道路环境。对许多老旧的桥梁，桥墩长期受到水流的冲刷，传感器能够放置在桥墩底部、用以感测桥墩结构；也可放置在桥梁两侧或底部，实时搜集桥梁的温度、湿度、震动幅度、桥墩被侵蚀程度等指标，减少断桥所造成生命财产的损失。

案例二：研究人员开发出基于多个加速度传感器的无线传感器网络系统，用于进行人体行为模式监测，如坐、站、躺、行走、跌倒、爬行等。该系统使用多个传感器节点，安装在人体几个特征部位。系统实时地把人体因行动而产生的三维加速度信息进行提取、融合、分类，进而由监控界面显示受检测人的行为模式。这个系统稍加产品化，便可成为一些老人及行动不便的病人的安全助手。同时，该系统也可以应用到一些残障人士的康复中心，对病人的各类肢体恢复进展进行精确测量，从而为制作康复、健康方案带来宝贵的参考依据。

案例三：探索外部星球一直是人类梦寐以求的理想，借助于航天器布撒的传感器节点实现对星球表面大范围、长时期、近距离的监测和探索，是一种经济可行的方案。NASA美国宇航局的JPL实验室研制的SensorWebs就是为将来的火星探测、选定着陆场地等需求进行技术准备的。现在该项目已在佛罗里达宇航中心的环境监测项目中进行测试和完善。

02知识提炼无线传感网络由大量部署在作用区域内的、具有无线通信与计算能力的传感器节点组成，这些节点通过自组织方式构成传感器网络，其目的是协作感知、采集和处理网络覆盖地理区域中的感知对象信息并发布给观察者。接下来从传感节点和传感网络结构两个方面介绍传感网。一、传感器节点体系结构传感器节点是无线传感网的一个基本组成部分。传感器节点可能是小型的、廉价的或节能的，必须配备合适的传感器，具有必要的计算和存储资源，并且需要足够的通信设施。一个典型的传感器节点由感知单元、处理单元（包括处理器和存储器）、通信单元、能量供给单元和其他应用相关单元组成，传感器节点的体系结构如图所示。感知单元主要用来采集现实世界的各种信息，如温度、湿度、压力、声音等物理信息，并将传感器采集到的模拟信息转换成数字信息，交给处理单元进行处理。处理单元负责整个传感器节点的数据处理和操作，存储本节点的采集数据和其他节点发来的数据。通信单元负责与其他传感器节点进行无线通信、交换控制消息和收发采集数据。能量供给单元提供传感器节点运行所需的能量，是传感器节点最重要的单元之一。另外，为了对节点精确定位以及对移动状态进行管理，传感器节点需要相应的应用支持单元，如位置查找单元和移动管理单元。二、传感网的网络结构传感网由大量的传感器节点组成，节点之间通过无线传输方式通信。一个典型的传感网的体系结构如图所示，通常包括传感器节点、汇聚节点和任务管理节点，如图所示。传感器节点分散在监测区域内，这些节点能够采集数据、分析数据并且把数据路由到一个指定的汇聚节点。传感器节点之间通过自组织方式构成网络，可以根据需要智能地采用不同的网络拓扑结构。传感器节点的监测数据可能被多个节点处理，通常以多跳的方式沿着其他节点逐跳传输，经过路由到其他中间节点进行数据融合和转发后到达汇聚节点，最后通过互联网或者卫星到达用户可以操作的任务管理节点，任务管理节点可以对传感网进行配置和管理。传感网除了具有无线网络的移动性等共同特征之外，还具有其他鲜明的特点。1．大规模传感网一般都由大量的传感器节点组成，节点的数量可能达到成千上万，甚至更多。一方面，传感器节点分布在很大的地理区域内；另一方面，传感器节点部署很密集，在一个面积不是很大的空间内，密集部署了大量的传感器节点。2．自组织传感器节点的位置不需要设计或预先确定，这使得传感器节点可以随机部署在人迹罕至的地形或救灾行动中。这就要求传感器节点必须具有自组织能力。在一个传感器节点部署完成之后，首先，必须检测它的邻居并建立通信，其次必须了解相互连接的节点的部署、节点的拓扑结构，以及建立自组织多跳的通信信道。3．动态性无线传感网具有很强的动态性，它的拓扑结构可能因为下列因素而改变。（1）环境因素或电能耗尽所造成的传感器节点出现故障或失效；（2）环境条件变化可能造成无线通信链路带宽变化，甚至时断时通；（3）传感网的传感器、感知对象和观察者这三个要素都可以具有移动性；（4）新节点的加入可改变无线传感网的拓扑结构。4．容错性根据不同的应用场景，传感器节点有可能部署在环境相当恶劣的地区，一些传感器节点可能会因为电力不足、有物理损坏或外部环境的干扰而不能工作或者处于阻塞状态，此时要确保传感器节点的故障不能影响到整个传感网的正常工作，也就是说，传感网不能因为传感器节点故障而产生任何中断。03聚焦生活城市路内智能停车系统随着人们生活水平的不断提高，城市路内停车泊位数量与汽车保有量矛盾日益突出。传统的占道停车造成停车位难以监管，无法实现停车信息的实时交互。一些乱停现象导致城市交通拥堵，停车泊位难求。越来越多的城市选择并使用了城市路内智能停车系统，有效地整合停车数据，及时发布空余车位信息，实现停车数据共享，提高车位利用效率，缓解供求矛盾。该系统主要通过地磁探测器（也称为车位传感器），实时检测路内停车占用状态。多个地磁探测器组成一个个小形传感网，由固定管理器接收地磁探测器采集到的网内停车状态。固定管理器将数据通过3G、GPRS或有线网络传送到管理平台，由管理平台在后台进行实时监控，并提供实时更新的停车数据。车主可通过固定管理器上的刷卡设备、巡值人员的手持终端和手机APP进行停车登记，准确记录停车信息，有效解决逃单、乱收费等问题。停车平台还可以将停车位信息实时地发布在诱导牌或手机APP上，车主能及时查询城市内每条街、每个区域停车站点空闲停车位数量。04能力拓展无线传感器网络与其他传统的网络相比较独有的特点是什么？无线传感器网络所用到的短距离无线通信网络技术有哪些？云计算与大数据

“物联网”、“云计算”、“大数据”是IT行业最新发展的技术。我国的“十三五”规划中提出：积极推进云计算和物联网发展；实施国家大数据战略。那什么是云计算？什么是大数据？他们三者之间又有何联系？前言案例故事知识提炼聚焦生活能力拓展1234目录01案例故事

马云说：互联网还没搞清楚的时候，移动互联就来了，移动互联还没搞清楚的时候，大数据就来了。目前，“云计算与大数据”这个词汇越来越被大众熟悉，但他们真正的涵义，相信许多人都一头雾水。下面我们通过这个案例，让大家实打实触摸一把“云计算与大数据”。2016年11月11日零点开始，天猫的总交易额就在不断刷新：1分钟破10亿元、2分钟破20亿元、7分钟破100亿元、1小时破353亿元、18小时55分破1000亿元……11月11日24时，随着最终数字的定格，2016年天猫“双11”的最终交易数字显示为1207亿元，刷新了中国网络购物的新纪录，也刷新了单日全球零售的历史记录，巨额数字再次震惊中外。

02知识提炼

在互联网时代数据来源仅是计算机，随着物联网的出现，物体也产生数据，数据