1、物联网(通信)导论高等教育出版社第4章 自动识别与传感技术版权所有，如采用请注明来源主要内容自动识别基本概念射频识别技术条码识别技术其他识别技术无线传感技术传感器基础自动识别技术v概念：自动识别技术是一种自动收集数据的技术，指通过事物的特定信息或特定的辅助装置来对所需要识别的人、动物或物品进行标记，然后通过读写设备来获取这些特征信息进而进行处理，以达到对人或物品的识别、追踪及信息收集的技术。是什么？更快在哪里？怎么样？更准更方便识 别自动识别技术分类自动识别技术视频识别技术主要内容自动识别基本概念射频识别技术条码识别技术其他识别技术无线传感技术传感器基础v RFID是Radio Frequen
2、cy Identification的缩写，即射频识别。v RFID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。v 工作原理：标签：进入磁场后，接收解读器发出的射频信号，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（Passive Tag，无源标签或被动标签），或者主动发送某一频率的信号（Active Tag，有源标签或主动标签）；读写器：读取信息并解码后，送至中央信息系统进行有关数据处理。射频识别技术RFID基本结构v 射频识别系统的组成:电子标签（Tag）读写器 （Reader）天线 （Antenna）中间件和应用软件 （或后台处理系统）RFID读写器
3、v RFID读写器：读取或写入标签数据和信息的设备。v 基本组成:控制模块：控制读写器的正常工作 射频接口：发送和接收信号 读写器天线：将能量发送出去形成电磁场，并通过电磁场对标签进行识别RFID电子标签v 电子标签：RFID系统中存储数据和信息的电子装置。v 基本组成：标签芯片：主要包括控制模块和存储单元 标签天线：耦合元件v 特点：唯一性、能存储、可读性RFID电子标签v 根据标签与读写器的信息交换方式，标签的工作原理主要分为三种：电感耦合、电磁反向散射耦合、声表面波（SAW）读写器标签射频信号射频应答天线发送器叉能转换器读写器标签电感耦合电磁反向散射耦合声表面波RFID电子标签无源标签有
4、源标签v 根据标签的供电方式，标签的工作原理主要分为：有源标签、无源标签不同频率的RFID及其应用低频135KHz以下高频13.56MHz超高频860M960MHz微波2.4G身份证门禁卡定位跟踪RFID的常见分类定位跟踪v1.条形码v2.磁卡v3.IC卡v4.RFID卡四种类似的识别技术国际RFID应用v2004年开始，全球最大零售商沃尔玛开始采用RFID技术，每年可节省83.5亿美元v2005年底美国国防部开始大规模应用RFID技术v飞利浦公司为2006年世界杯提供320万张RFID门票v SAP、英特尔共同开发RFID技术并大力推广应用 在行业应用方面，国外主要是零售业、制造业、政府、医
5、药、物流等行业广泛应用RFID技术国际RFID应用标签天线标签天线单瓶级验证单瓶级验证 五粮液在酒瓶盖集成小型超高频电子标签，实现酒类防伪功能RFID应用：商品防伪RFID应用：食品安全未来广阔的应用领域行李包裹自动识别非接触电子钥匙集装箱自动分类管理废品分类管理仓库物品管理和分类生产线自动化及在线检测非接触度表轮胎实时检测现代化机场管理现代化医院管理与监测物流实时管理资产管理登记商场货物图书馆书籍管理停车场不停车收费和管理POS机主要内容自动识别基本概念射频识别技术条码识别技术其他识别技术无线传感技术传感器基础条码识别技术v一维条码：由平行排列宽窄不同的线条和间隔组成的二进制编码线条和间隔根
6、据预定的模式进行排列并且表达相应记号系统的数据项每一个物品对应唯一的编码条码识别技术v 一维条码的结构：静区、起始符、数据符、终止符v 条码的码制：码制即指条码条和空的排列规则，常用的一维码的码制包括：EAN码、39码、交叉25码、UPC码、128码、93码，及Codabar(库德巴码)等。不同码制有它们各自的应用领域条码识别技术v 二维条码 利用构成计算机内部逻辑基础的”“0”、“1”比特流概念，采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。v 特点：安全性强：具有纠错功能，可引入加密机制；灵活高效：不依赖于后台数据库 容量大
7、：密度是一维条码的几十到百倍，可表示文字、图象；主要内容自动识别基本概念射频识别技术条码识别技术其他识别技术无线传感技术传感器基础生物识别技术v 生物识别技术：利用人固有的身体特征或行为特征来进行身份验证的一种技术。v 分类：指纹识别技术 人脸识别技术 虹膜识别技术 签名识别技术等视频识别技术v 视频识别技术：通过在图像及图像描述之间建立映射关系，使计算机能够通过数字图像处理和分析来理解视频画面中的内容的一种识别技术。v 分类：身份识别 轨迹识别 环境判断补偿识别主要内容自动识别基本概念射频识别技术条码识别技术其他识别技术无线传感技术传感器基础传感器基础p 什么是传感器？p 传感器分类p 传感
8、器技术特点p 传感器发展p 传感器用途什么是传感器？v传感器与人体器官看、听、嗅、尝温湿度、压力、温湿度、压力、光强、烟雾光强、烟雾分析、处理动作、反应分析、处理动作、反应什么是传感器？传感器可定义为：将一种信号(物理、化学、生物等)转换为另一种便于处理的信号(一般为电信号)进行输出的器件或者装置（广义上）。广义传感器一般由信号检测器件和信号处理器件两部分组成。我国国家标准(GB7665-87)中对传感器的定义：“能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件和装置。”什么是传感器？工作过程：敏感元件感受被测量，经转换元件转换为相应电参量，基本电路把电参量接入电路转换模块转换为输出
9、量，而辅助电路负责前面环节的能量供给等功能。其中转换元件决定了传感器的工作原理，是传感器的关键部件。敏感元件仅指传感器中能直接感受或响应被测量的部分，而传感器是包含敏感元件、转换元件、基本电路以及辅助电路的功能器件，敏感元件只是置于传感器内部的元件。什么是传感器？基本特性：包括灵敏度、分辨率、检出限、稳定性等。通常可以用静态特性与动态特性来描述。静态特性：传感器静态特性是指输入量是静态变化或缓慢变化信号时，输出与输入的关系。动态特性：传感器的动态特性是指输入量随时间变化时，输出与输入之间的关系。实际应用中，传感器的输入量一般都是随时间动态变化的，要想准确实时地测量出感知量，传感器的输出必须随着
10、输入量的变化而做出快速的反应，也就是要求传感器具有良好的动态特性，而不仅仅是良好的静态特性。传感器分类p按传感器的能源：包括了有源和无源传感器p按传感器检测量：有物理型、化学型和生物型传感器p按传感器输出信号性质：有模拟和数字传感器p按传感器结构：有结构型、物性型和复合型传感器p按传感器功能多少：有单功能、多功能和智能传感器p按传感器转换原理：有机电、光电、热电、磁电和电化学传感器多种分类方法类型(三大类)物理量传感器化学量传感器生物量传感器种类(11小类)力学量传感器、热学量传感器、电学量传感器、光学量传感器、磁学量传感器、射线传感器气体传感器、离子传感器、温度传感器生化量传感器、生物量传感
11、器我国传感器分类体系表:传感器分类物理型传感器：利用某些敏感元件的物理性质或某些功能材料的特殊物理性能制作成的传感器。具有便于批量生产，成本较低以及易于小型化的特点，应用越来越广泛。化学型传感器：利用电化学反应原理，把无机或有机化学的物质成分、浓度等转换电信号的传感器。广泛应用于化学分析、化学工业的在线监测和环保监测中。生物型传感器：它是一种利用生物活性物质来识别和测定生物化学物质的传感器最大特点是能在分子水平上识别被测物质，近年发展很快。在化工监测、医疗诊断、环保监测等方面都有着广泛的应用前景。技术特点涉及多学科与技术，包括物理学科中各门类以及各个技术学科门类品种繁多，被测参数包括热工量、电
12、工量、化学量、物理量、机械量、生物量、状态量等应用领域十分广泛，应用要求千差万别；传感器技术发展缓慢，但一旦成熟，持续发展的能力非常强，不会轻易退出竞争舞台传感器技术特点传感器技术是综合系统技术，涉及到传感器的机理研究与分析、研制与设计、性能评估与应用等。传感器发展发展现状：p从事研发生产的国家：40个，机构上万；p品种繁多：20000种；p我国：差距、发展迅速，1700家机构，6000品种。发展方向：p提高与改善传感器技术指标；p寻找新原理、新材料及新工艺。发展趋势：p小型化、微型化（微机械加工技术）；p多功能化、智能化。传感器用途如今，传感器已广泛应用与工业、农业、商业、交通运输业以及环境
13、监测、医疗诊断、国防军事、航空航天、智能家居等领域，成为现代信息社会的重要组成部分。智能娱乐 指纹门禁 环境监测烟雾监测安防医疗诊断 传感器用途 1Form oracle9传感器用途微观粒子天体演化瞬态反应极限技术宇宙基础科学研究传感器用途p交通运输与航空航天领域：速度、加速度、位置、姿态、温度、压力、磁场、振动等参数测量p现代工业生产：自动监视与控制p智能家居：温湿度、液位、流量、压力、振动、光敏测量p医疗诊断、计量测量、家用电器、环境监测等方面应用。559个温度传感器140个压力传感器501个信号传感器142个遥控传感器主要内容自动识别基本概念射频识别技术条码识别技术其他识别技术无线传感技
14、术传感器基础无线传感技术p 无线传感网络(WSN)与物联网p 无线传感网络组成p 无线传感网络拓扑结构p 无线传感通信体系结构p 无线传感网络关键技术WSN与物联网人有双腿，物联网的双腿呢？WSN组成p 传感节点（路由节点）p 汇聚节点（网关节点）p 任务管理节点WSN组成(路由节点)传感节点（路由节点）：无线传感器网络的基本和核心单元，是传感网络感知环境信息的触角，负责传感信息的采集与预处理，响应监控终端的指令和发送相关数据。传感节点任务管理节点：整个无线传感网络的控制终端，负责对传感器网络进行配置、管理和监控，发布监测任务以及收集监测数据。常由运行有相关控制软件的计算机扮演。网关节点（汇聚
15、节点）：联系传感网络内网与外网的桥梁，负责传感器网络内部信息的汇聚、初步处理及远距离发送，必须集成两种以上通信方式。网关节点WSN组成(路由节点)WSN拓扑结构p星状网：单跳，所有节点与基站直接通信，彼此之间不建立连接；能耗问题、信息冗余加大网络负载。p网状网：多跳，所有节点之间可以直接通信，通过路由算法确定多跳传输路劲，故障修复能力强，减少了单一节点的发送功率；路由查找、维护、修复困难，节点必须保持监听状态、增加能耗、降低网络寿命。p混合网：兼具星状网的简洁、易控以及网状网的多跳和自愈的优点；其中分层式的网络结构属于混合网中较典型的一种，尤其适合节点众多的无线传感器网络应用。WSN通信体系结
16、构无线传感器网络的体系结构由分层的网络通信协议、网络管理平台以及应用支撑平台三部分组成：WSN通信协议类似于传统Internet网络中TCP/IP协议体系，无线传感器网络协议栈可分五层：物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层。物理层：主要用于信号的调制、提供数据收发的物理通道，使用动态功率管理、调整信号频率和调制方法、动态电压调度等途径来满足WSN的要求。数据链路层：负责数据成帧、帧监测、媒体访问和帧控制。其中，媒体访问协议保证可靠的点对点和点对多点的通信；差错控制保证源节点发出的信息可以完整无误地到达目的节点。WSN通信协议网络层：功能包括分组路由、拥塞控制，完成路由的发现和维护等。通常
17、大多数节点无法直接与网关通信，必须通过中间节点以多跳路由的方式将数据传送至汇聚节点。传输层：负责数据流的传输控制，是保证通信服务质量的重要部分。主要通过汇聚节点采集传感器网络内的数据，并使用卫星、Internet、移动通信网或者其它的链路与外部网络通信。应用层：提供具体的增值业务，同时提供时间同步和节点定位功能。WSNWSN管理平台管理平台能源管理：负责控制节点能量的使用。拓扑管理：负责保持网络连通和数据的有效传输。网络管理：负责网络维护、诊断，并向用户提供网络管理服务接口，通常包含数据收集、数据分析、数据处理和故障处理等功能。Qos支持与网络安全机制：通信协议中的数据链路层、网络层和传输层都
18、可以根据用户的需求提供Qos(Quality of Service，服务质量)WSN管理平台应用支撑平台建立在分层网络通信协议和网络管理技术基础之上，包括一系列基于监测任务的应用软件，通过应用服务接口和网络管理接口来为终端用户提供各种具体的应用支持，包括时间同步和节点定位等。p 时间同步：无线传感器网络中单个节点的能力有限，需要大量的相互配合协调工作，这些协同工作的节点需要全局同步时钟的支持。此外，节点的休眠和唤醒也需要时钟同步。p 节点定位：节点定位是指确定每个传感器节点在系统中的相对位置或绝对的位置。节点定位有哪些作用？想一想？WSN关键技术(略)p 路由技术p 能耗管理技术p 节点定位技
19、术p 数据融合技术p 时间同步技术p 数据管理技术p 嵌入式操作系统技术 本章介绍了信息感知与检测的多个关键技术，包括自动识别技术、传感器基础及无线传感技术。主要内容如下：p 自动识别技术的基本概念、目的及其常见分类；p 射频识别技术（RFID）作为应用最有潜力的一种自动识别技术，介绍了其基本原理、结构、分类与应用；p 条码识别技术作为目前应用量最大的一种自动识别技术，介绍了一维条码识别和二维条码识别的关键技术及其优缺点；p 其他的自动识别技术如生物识别、人脸识别等；p 传感器的基本知识，包括定义、特性、分类、应用及发展；p 无线传感器网络（WSN）在物联网中的重要地位，WSN的组成、拓扑结构、通信体系和关键技术。本章小结
