第2章物聯(lián)網(wǎng)感知技術(shù)

1、第2章 物聯(lián)網(wǎng)感知技術(shù)2.1常見自動識別技術(shù)1自動識別技術(shù)的基本概念1）識別的基本概念 識別是一個集定義、過程與結(jié)果為一體的概念。 識別是人類參與社會活動的基本要求。人們認(rèn)識和了解事物的特征及信息就是一種識別，為有差異的事物命名是一種識別，為便于管理而為一個單位的每一個人或一個包裝箱內(nèi)的每一件物品進行編號也是一種識別。2021-9-241第2章 物聯(lián)網(wǎng)感知技術(shù)2）自動識別技術(shù)的含義 自動識別( Automatic Identification，Auto-ID)技術(shù)是指通過非人工手段獲取被識別對象所包含的標(biāo)識信息或特征信息，并且不使用鍵盤即可實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時輸入計算機或其他微處理器控制設(shè)備的技術(shù)。

2、自動識別技術(shù)具有如下共同的特點： 準(zhǔn)確性自動數(shù)據(jù)采集，徹底消除人為錯誤。 高效性信息交換實時進行。 兼容性識別技術(shù)以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)，可與信息管理系統(tǒng)無縫連接。2021-9-242太原理工大學(xué)信息學(xué)院第2章 物聯(lián)網(wǎng)感知技術(shù)2自動識別技術(shù)分類 自動識別技術(shù)根據(jù)識別對象的特征、識別原理和方式可以分為兩大類，分別是數(shù)據(jù)采集技術(shù)（定義識別）和特征提取技術(shù)（模式識別）。 數(shù)據(jù)采集技術(shù)的基本特征是需要被識別物體具有特定的識別特征載體（如標(biāo)簽等，僅光學(xué)字符識別例外）；而特征提取技術(shù)（特征識別）則根據(jù)被識別物體本身的屬性特征和行為特征來完成數(shù)據(jù)的自動采集。2021-9-24太原理工大學(xué)信息學(xué)院3第2章 物聯(lián)網(wǎng)

3、感知技術(shù)3自動識別技術(shù)的一般性原理 2021-9-24太原理工大學(xué)信息學(xué)院4自動識別技術(shù)信息處理系統(tǒng)的模型框圖第2章 物聯(lián)網(wǎng)感知技術(shù)2.1.1條碼自動識別技術(shù)條碼自動識別技術(shù)1條碼的符號表示及結(jié)構(gòu)條碼的符號表示及結(jié)構(gòu)1）條碼的編碼 條碼是利用“條”和“空”構(gòu)成二進制的“0”和“1”，并以它們的組合來表示某個數(shù)字或字符，反映某種信息的。但不同碼制的條碼在編碼方式上有所不同，一般有以下兩種不同的編碼方式。 2021-9-24太原理工大學(xué)信息學(xué)院5第2章 物聯(lián)網(wǎng)感知技術(shù) 寬度調(diào)節(jié)編碼法 寬度調(diào)節(jié)編碼法，即條碼符號中的條和空由寬、窄兩種單元組成的條碼編碼方法。按照這種方式編碼時，是以窄單元（條或空）表

4、示邏輯值“0”，寬單元（條或空）表示邏輯值 “1”，其中，寬單元通常是窄單元的2 3倍。2021-9-24太原理工大學(xué)信息學(xué)院6第2章 物聯(lián)網(wǎng)感知技術(shù) 模塊組配編碼法 模塊組配編碼法，即條碼符號的字符由規(guī)定的若干個模塊組成的條碼編碼方法。按照這種方式編碼，條與空是由模塊組合而成的，一個模塊寬度的“條”模塊，表示二進制的“1”；而一個模塊寬度的“空”模塊，表示二進制的“0”。2021-9-24太原理工大學(xué)信息學(xué)院7第2章 物聯(lián)網(wǎng)感知技術(shù)2021-9-24太原理工大學(xué)信息學(xué)院8圖1-2 RFID系統(tǒng)的組成圖1-2 RFID系統(tǒng)的組成圖1-2 RFID系統(tǒng)的組成圖1-2 RFID系統(tǒng)的組成圖1-2

5、RFID系統(tǒng)的組成2）條碼的符號結(jié)構(gòu) 碼符號通常由左右側(cè)空白區(qū)、起始字符、數(shù)據(jù)字符、校驗字符、終止字符等構(gòu)成。第2章 物聯(lián)網(wǎng)感知技術(shù)2條碼的種類及主要碼制介紹 條碼可分為一維條碼和二維條碼。一維條碼必須與計算機的數(shù)據(jù)庫聯(lián)系起來應(yīng)用；二維條碼比一維條碼包含更多的信息容量，自身可以攜帶文字信息，如商品的制造廠家、名稱、生產(chǎn)日期、圖書分類號、郵件起止地點、類別、日期等信息，它不需要與計算機數(shù)據(jù)庫聯(lián)系就能翻譯出條碼的含義。 2021-9-24太原理工大學(xué)信息學(xué)院9第2章 物聯(lián)網(wǎng)感知技術(shù)1）一維條碼 一維條碼是通常我們所說的傳統(tǒng)條碼，按其應(yīng)用可分為商品條碼和物流條碼，商品條碼包括EAN碼和UPC碼；物流

6、條碼包括128碼、39碼、庫德巴(Coda bar)碼等。2021-9-24太原理工大學(xué)信息學(xué)院10EAN13商品條碼舉例第2章 物聯(lián)網(wǎng)感知技術(shù)2021-9-24太原理工大學(xué)信息學(xué)院11EAN/UCC-13碼的結(jié)構(gòu)說明碼的結(jié)構(gòu)說明EAN/UCC-13碼的結(jié)構(gòu)說明名稱名稱描描 述述備備 注注國家代碼（前綴碼）由23位數(shù)字（X13X12或X13X12X11）EAN已將690695分配給中國使用廠商代碼由79位數(shù)字組成由中國物品編碼中心負(fù)責(zé)分配和管理，統(tǒng)一分配、注冊，因此，編碼中心有責(zé)任確保每個廠商的識別代碼在全球范圍內(nèi)是惟一的產(chǎn)品代碼由35位數(shù)字組成由廠商負(fù)責(zé)編制，由3位數(shù)字組成的商品項目代碼有0

7、00999，共有1000個編碼容量，可標(biāo)識1000種商品；同理，由4位數(shù)字組成的商品項目代碼可標(biāo)識10000種商品；由5位數(shù)字組成的商品項目代碼可標(biāo)識100000種商品校正碼（校驗位）根據(jù)編碼規(guī)則計算得出第2章 物聯(lián)網(wǎng)感知技術(shù)2） 二維條碼 二維條碼根據(jù)其構(gòu)成原理、結(jié)構(gòu)形狀的差異，可分為兩大類型：一類是行排式二維條碼( 2D Stacked Bar Code)；另一類是矩陣式二維條碼(2D Matrix Bar Code)。 行排式二維條碼（又稱堆積式二維條碼或?qū)优攀蕉S條碼），其編碼原理是建立在一維條碼基礎(chǔ)上，按其需要堆積成二行或多行的。 矩陣式二維條碼（又稱棋盤式二維條碼）是在一個矩形空間

8、內(nèi)，通過黑、白像素在矩陣中的不同分布進行編碼的。在矩陣相應(yīng)元素位置上，用點（方點、圓點或其他形狀）的出現(xiàn)表示二進制的“1”，點的不出現(xiàn)表示二進制的“0”，點的排列組合確定了矩陣式二維條碼所代表的意義。2021-9-24太原理工大學(xué)信息學(xué)院12第2章 物聯(lián)網(wǎng)感知技術(shù)2021-9-24太原理工大學(xué)信息學(xué)院13典型的二維條碼第2章 物聯(lián)網(wǎng)感知技術(shù)2.1.2射頻自動識別技術(shù)1RFID系統(tǒng)的構(gòu)成 RFID系統(tǒng)包括：射頻（識別）標(biāo)簽、射頻識別讀寫設(shè)備（讀寫器）、應(yīng)用軟件。2021-9-24太原理工大學(xué)信息學(xué)院14RFID應(yīng)用系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖第2章 物聯(lián)網(wǎng)感知技術(shù)2RFID系統(tǒng)的基本工作原理 RFID技術(shù)的基本

9、工作原理是由讀寫器發(fā)射特定頻率的無線電波能量，當(dāng)射頻標(biāo)簽進入感應(yīng)磁場后，接收讀寫器發(fā)出的射頻信號憑借感應(yīng)電流所獲得的能量，發(fā)送出存儲在芯片中的產(chǎn)品信息（Passive Tag，無源標(biāo)簽或被動標(biāo)簽），或者由標(biāo)簽主動發(fā)送某一頻率的信號（Active Tag，有源標(biāo)簽或主動標(biāo)簽），讀寫器讀取信息并解碼后，送至中央信息系統(tǒng)進行有關(guān)數(shù)據(jù)處理。2021-9-24太原理工大學(xué)信息學(xué)院15第2章 物聯(lián)網(wǎng)感知技術(shù) RFID系統(tǒng)的基本工作原理示意圖2021-9-24太原理工大學(xué)信息學(xué)院16第2章 物聯(lián)網(wǎng)感知技術(shù)2.1.3 卡類自動識別技術(shù)1卡類識別技術(shù)的分類2021-9-24太原理工大學(xué)信息學(xué)院17下面重點介紹磁

10、卡技術(shù)和IC卡技術(shù)。第2章 物聯(lián)網(wǎng)感知技術(shù)1) 磁卡技術(shù) 磁卡(Magnetic Card)是利用磁性載體來記錄信息的，磁卡技術(shù)應(yīng)用了物理學(xué)和磁力學(xué)的基本原理。常見的磁性載體通常以液體磁性材料或磁條為信息載體，通常將液體磁性材料涂覆在卡片上（如存折，見圖2-17）；或?qū)?14mm的磁條壓貼在卡片上(如銀行卡）。2021-9-24太原理工大學(xué)信息學(xué)院18第2章 物聯(lián)網(wǎng)感知技術(shù)2) IC卡技術(shù) 是將一個微電子芯片嵌入符合ISO 7816標(biāo)準(zhǔn)的卡基中，做成卡片形式，利用集成電路的可存儲特性，保存、讀取和修改芯片上的信息。 IC卡的主要特性： 存儲容量大，其內(nèi)部可含RAM、ROM、EPROM、EEP

11、ROM等存儲器，存儲容量從幾字節(jié)到幾兆字節(jié)。 體積小，重量輕，抗干擾能力強，便于攜帶。 安全性高，在無源情況下數(shù)據(jù)也不會丟失，數(shù)據(jù)的安全性和保密性都非常好。 智能卡與計算機系統(tǒng)相結(jié)合，可以方便地滿足對各種各樣信息的采集、傳送、加密和管理的2021-9-24太原理工大學(xué)信息學(xué)院19第2章 物聯(lián)網(wǎng)感知技術(shù)IC卡的種類：IC卡按通信方式可分為接觸式IC卡、非接觸式IC卡。2021-9-24太原理工大學(xué)信息學(xué)院20第2章 物聯(lián)網(wǎng)感知技術(shù)接觸式IC卡： 接觸式IC卡是通過讀寫設(shè)備的觸點與IC卡的觸點接觸后，進行數(shù)據(jù)的讀寫。 按芯片的類型，接觸IC卡可分為4種類型，即存儲器卡、邏輯加密卡、CPU卡和超級智

12、能卡。非接觸式IC卡（射頻卡）： 非接觸式IC卡與讀寫設(shè)備無電路接觸，而是通過非接觸式的讀寫技術(shù)進行讀寫（例如光或無線技術(shù)）。相關(guān)技術(shù)在第3章介紹。2021-9-24太原理工大學(xué)信息學(xué)院21第2章 物聯(lián)網(wǎng)感知技術(shù)2卡類識別技術(shù)基礎(chǔ)1) 磁卡技術(shù)基礎(chǔ) 磁記錄原理 磁條上數(shù)據(jù)的存儲就是靠改變磁條上氧化粒子的磁性來實現(xiàn)的。在數(shù)據(jù)的寫入過程中，需要輸入的數(shù)據(jù)首先通過“編碼器”變換成二進制的機器代碼，然后控制器控制的“磁頭”在與磁條的相對移動過程中，改變磁條磁性粒子的極性來實現(xiàn)數(shù)據(jù)寫入。數(shù)據(jù)的讀出是“磁頭”先讀出機器代碼，再通過“譯碼器”還原成人們可識讀的數(shù)據(jù)信息。2021-9-24太原理工大學(xué)信息學(xué)院

13、22第2章 物聯(lián)網(wǎng)感知技術(shù) 磁條和磁道 磁卡的一面印刷有說明提示性的信息，如插卡方向等；另一面則有磁層或磁條，具有23個磁道以記錄有關(guān)信息數(shù)據(jù)。 磁道(Track)：磁條上存儲信息的分區(qū)叫磁道，如下圖所示。2021-9-24太原理工大學(xué)信息學(xué)院23第2章 物聯(lián)網(wǎng)感知技術(shù) 磁道的格式和內(nèi)容 磁道的應(yīng)用分配一般是根據(jù)特殊的使用要求而定制的，如銀行系統(tǒng)、證券系統(tǒng)、門禁控制系統(tǒng)、身份識別系統(tǒng)、駕駛員駕駛執(zhí)照管理系統(tǒng)等，都會對磁卡上3個磁道提出不同的應(yīng)用格式，如下圖所示。2021-9-24太原理工大學(xué)信息學(xué)院24第2章 物聯(lián)網(wǎng)感知技術(shù)2) IC卡技術(shù)基礎(chǔ) 接觸式IC卡 接觸式IC卡的結(jié)構(gòu) IC卡接口電路

14、作為IC卡與卡內(nèi) CPU的惟一通道，為保證通信和數(shù)據(jù)交換的安全與可靠。2021-9-24太原理工大學(xué)信息學(xué)院25第2章 物聯(lián)網(wǎng)感知技術(shù) 接觸式IC卡的工作原理 接觸式IC卡獲取工作電壓的方法為接觸式IC卡通過其表面的金屬電極觸點將卡的集成電路與外部接口電路直接接觸連接，由外部接口電路提供卡內(nèi)集成電路工作的電源。 接觸式IC卡與讀寫器交換數(shù)據(jù)的原理為接觸式IC卡通過其表面的金屬電極觸點將卡的集成電路與IC接口電路直接接觸連接，通過串行方式與讀卡器交換數(shù)據(jù)（通信）。2021-9-24太原理工大學(xué)信息學(xué)院26第2章 物聯(lián)網(wǎng)感知技術(shù)2.1.4 生物特征自動識別技術(shù)1生物特征識別技術(shù)的基本原理 生物特征

15、識別技術(shù)的核心在于如何獲取這些生物特征，并將之轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息，存儲于計算機中，再利用可靠的匹配算法來完成識別與驗證個人身份的過程。 1) 基本原理 生物特征識別技術(shù)的原理，如下圖。2021-9-24太原理工大學(xué)信息學(xué)院27第2章 物聯(lián)網(wǎng)感知技術(shù)2) 生物特征識別技術(shù)的特點 生物特征識別技術(shù)的特點，決定了該技術(shù)是個人身份鑒別的有效手段。其主要特點如下：普遍性、惟一性、穩(wěn)定性、不可復(fù)制性。 利用生物特征進行身份驗證的方法，無需依賴于各種人造的和附加的物品來證明人的自身，而用來證明自身的，恰恰是人的本身。所以，它不會丟失、不會遺忘、很難偽造和假冒，是一種“只認(rèn)人、不認(rèn)物”的、方便安全的保安手段。20

16、21-9-24太原理工大學(xué)信息學(xué)院28第2章 物聯(lián)網(wǎng)感知技術(shù)2生物特征識別技術(shù)的主要內(nèi)容生物特征識別技術(shù)的主要內(nèi)容1)指紋2) 掌紋3) 眼睛 虹膜識別 視網(wǎng)膜識別4) 面部5) 語音6) 簽名7) DNA8) 其他：有通過靜脈、耳朵形狀、按鍵節(jié)奏、身體氣味、 行走步態(tài)等。2021-9-24太原理工大學(xué)信息學(xué)院29第2章 物聯(lián)網(wǎng)感知技術(shù) 5類主要的人體生物特征的自然屬性類主要的人體生物特征的自然屬性2021-9-24太原理工大學(xué)信息學(xué)院30 自然屬性自然屬性特性特性虹膜虹膜指紋指紋面部面部DNA靜脈靜脈惟一性因人而異因人而異因人而異同卵雙胞胎相同惟一性穩(wěn)定性終身不變終身不變隨年齡段改變終身不變

17、終身不變抗磨損性不易磨損易磨損較易磨損不受影響不受影響痕跡殘留不留痕跡接觸時流痕跡不留痕跡體液、細(xì)胞中含有不留痕跡第2章 物聯(lián)網(wǎng)感知技術(shù)2.1.5 圖像自動識別技術(shù)1數(shù)字圖像處理的層次與基本特點1) 數(shù)字圖像處理的三個層次 從狹義上講，數(shù)字圖像處理是直接對圖像進行變換及分析處理；而從廣義上講，數(shù)字圖像處理分成三個層次，即圖像識別技術(shù)系統(tǒng)在獲得圖像后，可以對其進行三方面的操作：圖像處理、圖像識別（分析）和圖像理解，如下圖。2021-9-24太原理工大學(xué)信息學(xué)院31第2章 物聯(lián)網(wǎng)感知技術(shù) 圖像處理、圖像識別和圖像理解2021-9-24太原理工大學(xué)信息學(xué)院32第2章 物聯(lián)網(wǎng)感知技術(shù)2光符識別技術(shù) 光

18、學(xué)字符識別( Optical Character Recognition，OCR)技術(shù)是指對文本資料進行掃描，然后對圖像文件進行分析處理，獲取文字及版面信息的過程。OCR技術(shù)已有30多年歷史，近幾年來，又出現(xiàn)了圖像字符識別(Image Character Recognition，ICR)技術(shù)和智能字符識別(Intelligent Character Recognition，ICR)技術(shù)，實際上，這三種自動識別技術(shù)的基本原理是大致相同的。2021-9-24太原理工大學(xué)信息學(xué)院33第2章 物聯(lián)網(wǎng)感知技術(shù) 一個OCR系統(tǒng)，從影像到結(jié)果輸出，必須經(jīng)過影像輸入、影像前處理、文字特征抽取、比對識別，然后經(jīng)

19、人工校正將認(rèn)錯的文字更正，最后將結(jié)果輸出。2021-9-24太原理工大學(xué)信息學(xué)院34第2章 物聯(lián)網(wǎng)感知技術(shù)2.2 傳感器技術(shù)2.2.1傳感器概述 傳感器是獲取自然領(lǐng)域中信息的主要途徑與手段。人通過五官（視、聽、嗅、味、觸）接受外界的信息，經(jīng)過大腦的思維（信息處理），做出相應(yīng)的動作。而用計算機控制的自動化裝置來代替人的勞動，則可以說電子計算機相當(dāng)于人的大腦（一般俗稱電腦），而傳感器則相當(dāng)于人的五官部分（“電五官”）。2021-9-24太原理工大學(xué)信息學(xué)院35第2章 物聯(lián)網(wǎng)感知技術(shù)人體系統(tǒng)與機器系統(tǒng)的對比2021-9-24太原理工大學(xué)信息學(xué)院36第2章 物聯(lián)網(wǎng)感知技術(shù) 傳感器的作用： 傳感器實際上

20、是一種功能塊，其作用是將來自外界的各種信號轉(zhuǎn)換成電信號。如圖所示。2021-9-24太原理工大學(xué)信息學(xué)院37第2章 物聯(lián)網(wǎng)感知技術(shù)2.2.2微機電系統(tǒng)（MEMS） 微機電系統(tǒng)是指可批量制作的，集微型機構(gòu)、微型傳感器、微型執(zhí)行器以及信號處理和控制電路、直至接口、通信和電源等于一體的微型器件或系統(tǒng)，如圖所示。2021-9-24太原理工大學(xué)信息學(xué)院38第2章 物聯(lián)網(wǎng)感知技術(shù)MEMS的特點是：1）微型化：MEMS器件體積小、重量輕、耗能低、慣性小、諧振頻率高、響應(yīng)時間短。2）以硅為主要材料，機械電器性能優(yōu)良：硅的強度、硬度和楊氏模量與鐵相當(dāng)，密度類似鋁，熱傳導(dǎo)率接近鉬和鎢。3）批量生產(chǎn)：用硅微加工工藝在一片硅片上可同時制造成百上千個微型機電裝置或完整的MEMS。4）集成化：可以把不同功能、不同敏感方向或致動方向的多個傳感器或執(zhí)行器集成于一體，或形成微傳感器陣列、微執(zhí)行器陣列，甚至把多種功能的器件集成在一起，形成復(fù)雜的微系統(tǒng)。5）多學(xué)科交叉：MEMS涉及電子、機械、材料、制造、信息與自動控制、物理、化學(xué)和生物等多種學(xué)科，并集約了當(dāng)今科學(xué)技術(shù)發(fā)展的許多尖端成果。202