物聯(lián)網(wǎng)感知與識別技術概述

《物聯(lián)網(wǎng)應用技術導論》課件

第2章物聯(lián)網(wǎng)感知與識別技術東軟電子出版社羅漢江主編《物聯(lián)網(wǎng)應用技術導論》教材配套課件2第2章物聯(lián)網(wǎng)感知與識別技術2.1物聯(lián)網(wǎng)感知與識別技術概述2.2射頻識別技術

2.2.1RFID系統(tǒng)組成2.2.2典型RFID分類2.2.3RFID工作原理2.2.4RFID的典型應用2.2.5EPC產(chǎn)品電子代碼2.3傳感器技術

2.3.1傳感器的定義2.3.2傳感器的分類2.3.3常見傳感器簡介2.4無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)2.4.1無線傳感器網(wǎng)絡簡介2.4.2無線傳感器網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)2.4.3無線傳感器網(wǎng)絡特性2.5其他感知與識別技術

2.5.1二維碼技術

2.5.2紅外感應技術2.5.3定位技術2.5.4其他技術2.6本章小結(jié)本章主要內(nèi)容2.1物聯(lián)網(wǎng)感知與識別技術概述

感知與識別技術主要實現(xiàn)如識別物體本身的存在，定位物體位置、物體移動情況等等，常采用的技術包括二維碼技術、射頻識別技術、GPS定位技術、紅外感應技術、聲音及視覺識別技術、生物特征識別技術等。2.1物聯(lián)網(wǎng)感知與識別技術概述

物聯(lián)網(wǎng)的感知與識別技術實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的信息采集，是物聯(lián)網(wǎng)主要的數(shù)據(jù)來源，物聯(lián)網(wǎng)的各種應用都是通過采集各類信息和數(shù)據(jù)來實現(xiàn)的。本章主要對射頻識別技術RFID、傳感器技術、無線傳感器網(wǎng)絡技術、二維碼技術、紅外感應技術、定位技術等進行介紹。2.2射頻識別技術射頻識別技術（RadioFrequencyIdentification，縮寫RFID），是20世紀80年代發(fā)展起來的一種自動識別技術，它利用射頻信號通過空間耦合（交變磁場或電磁場）實現(xiàn)無接觸信息傳遞并通過所傳遞的信息達到識別目的，對靜止或移動物體的自動識別。2.2射頻識別技術RFID技術具有防水、耐高溫、使用壽命長、讀取距離遠、標簽數(shù)據(jù)可以加密、存儲數(shù)據(jù)容量大、存儲信息可以隨意修改、可以識別高速運動中的物體，可識別多個標簽，可以在惡劣環(huán)境下工作等優(yōu)點。2.2射頻識別技術隨著物聯(lián)網(wǎng)概念的興起，RFID在社會生產(chǎn)生活中的應用再一次推向了高潮。目前RFID應用范圍越來越廣，涉及商品防偽、國防軍事、智能交通、電子門票、身份識別和一卡通等多個領域。2.2射頻識別技術2.2.1RFID系統(tǒng)組成RFID系統(tǒng)主要由電子標簽、天線、讀寫器和主機組成2.2射頻識別技術2.2.2典型RFID分類按照標簽的工作頻率分類有源電子標簽又稱主動標簽（Activetag），標簽的工作電源完全由內(nèi)部電池供給，同時標簽電池也給標簽的無線發(fā)射和接收裝置供電。

2.2射頻識別技術2.2.2典型RFID分類按照標簽的工作頻率分類半有源射頻標簽又稱為半被動標簽（Semi-passivetag），可以使用微型紐扣電池給芯片供電，而天線接收發(fā)射仍然通過閱讀器發(fā)射的電磁波獲取能量，因此本身耗電很少。2.2射頻識識別技技術典典型型RFID分類按照標標簽的的工作作頻率率分類類無源電電子標標簽又稱為為被動動標簽簽（Passivetag），沒沒有內(nèi)內(nèi)部電電池，，當標標簽處處在閱閱讀器器的讀讀出范范圍之之外時時，電電子標標簽處處于無無源狀狀態(tài)，，而在在閱讀讀器的的讀出出范圍圍之內(nèi)內(nèi)時，，電子子標簽簽從閱閱讀器器發(fā)出出的射射頻能能量中中提取取其工工作所所需的的電源源能量量。2.2射頻識識別技技術典典型型RFID分類類按照標標簽的的工作作頻率率分類類低頻段段電子子標簽簽30kHz～300kHz中高頻頻段電電子標標簽3MHz～30MHz超高頻頻與微微波標標簽433.92MHz，862(902)～928MHz，2.45GHz，5.8GHz2.2射頻識識別技技術2.2.3RFID工作作原理理RFID的工作作原理理讀寫器器通過過發(fā)射射天線線發(fā)送送一定定頻率率的射射頻信信號，，當RFID進入發(fā)發(fā)射天天線工工作區(qū)區(qū)域時時產(chǎn)生生感應應電流流，標標簽獲獲得能能量被被激活活，將將自身身編碼碼等信信息通通過內(nèi)內(nèi)置發(fā)發(fā)送天天線發(fā)發(fā)送出出去，，系統(tǒng)統(tǒng)接收收天線線接收收到標標簽發(fā)發(fā)送來來的載載波信信號，，經(jīng)天天線調(diào)調(diào)節(jié)器器傳送送到讀讀寫器器，讀讀寫器器對接接收的的信號號進行行解調(diào)調(diào)和解解碼然然后送送到后后臺主主系統(tǒng)統(tǒng)進行行相關關處理理；主主系統(tǒng)統(tǒng)根據(jù)據(jù)邏輯輯運算算判斷斷該標標簽的的合法法性，，針對對不同同的設設定做做出相相應的的處理理和控控制，，發(fā)出出指令令信號號控制制執(zhí)行行機構(gòu)構(gòu)動作作。2.2射頻頻識識別別技技術術工工作作原原理理標簽簽和和讀讀寫寫器器通通信信的的方方式式和和能能量量感感應應方方式式有有電電感感耦耦合合和和電電磁磁反反向向散散射射耦耦合合兩兩種種。。電感感耦耦合合方方式式，，也也稱稱磁磁耦耦合合，，一一般般適適用用于于中中低低頻頻的的近近距距離離RFID系統(tǒng)統(tǒng)，，這這種種近近距距離離的的電電感感耦耦合合系系統(tǒng)統(tǒng)通通過過空空間間高高頻頻交交變變磁磁場場實實現(xiàn)現(xiàn)耦耦合合，，依依據(jù)據(jù)的的是是電電磁磁感感應應定定律律。。電磁磁反反向向散散射射耦耦合合采采用用雷雷達達原原理理模模型型，，讀讀寫寫器器發(fā)發(fā)射射出出去去的的電電磁磁波波碰碰到到目目標標后后一一部部分分被被目目標標吸吸收收，，一一部部分分以以不不同同的的強強度度散散射射到到各各個個方方向向，，其其中中一一小小部部分分攜攜帶帶目目標標信信息息反反射射回回發(fā)發(fā)射射天天線線，，并并被被天天線線吸吸收收（（讀讀寫寫器器的的發(fā)發(fā)射射天天線線也也是是接接收收天天線線）），，對對接接收收信信號號進進行行處處理理和和放放大大，，即即可可獲獲得得目目標標的的相相關關信信息息。。2.2射頻頻識識別別技技術術的的典典型型應應用用證件件管管理理從2004年開開始始，，采采用用了了RFID技術術的的中中國國第第二二代代居居民民身身份份證證，，在在全全國國范范圍圍內(nèi)內(nèi)開開始始換換發(fā)發(fā)，，截截至至2008年，，中中國國第第二二代代身身份份證證發(fā)發(fā)行行量量已已經(jīng)經(jīng)達達到到9億多多張張，，是是迄迄今今為為止止全全球球最最大大的的RFID應用項目目。2.2射頻識別別技術2.2.4RFID的典典型應用用RFID電子門票票RFID技術作為為電子門門票在中中國已經(jīng)經(jīng)廣泛地地應用于于大型演演出、公公園、展展覽館等等方面。。2008年北京奧奧運會門門票成功功應用RFID技術。另外外為奧運會會、殘奧會會開、閉幕幕式實名制制查驗及人人員管理，，為奧運會會賽事管理理、安全提提供了有力力的保障。。2.2射頻識別技技術2.2.4RFID的典典型應用高速公路自自動收費及及交通管理理高速公路自自動收費系系統(tǒng)是RFID技術最成功功的應用之之一。RFID技術應用在在高速公路路自動收費費上能夠充充分體現(xiàn)了了非接觸識識別的優(yōu)勢勢。讓車輛輛高速通過過收費站的的同時自動動完成收費費。同時可可以解決收收費員貪污污路費及交交通擁堵的的問題。2.2射頻識別技技術2.2.4RFID的典典型應用門禁保安門禁保安系系統(tǒng)可采用用射頻卡，，并且一卡卡可以多用用，比如作作工作證、、出入證、、停車卡、、旅館住宿宿卡甚至旅旅游護照等等等，目的的是幫助識識別人員身身份、安全全管理、收收費等，這這樣可以簡簡化出入手手續(xù)、提高高工作效率率。2.2射頻識別技技術2.2.4RFID的典典型應用生產(chǎn)線自動動化用RFID技術在生產(chǎn)產(chǎn)流水線上上可以實現(xiàn)現(xiàn)自動控制制、監(jiān)視，，提高生產(chǎn)產(chǎn)率，改進進生產(chǎn)方式式、節(jié)約了了成本。如如用于汽車車裝配流水水線，德國國寶馬汽車車公司在裝裝配流水線線上應用射射頻卡以盡盡可能大量量地生產(chǎn)用用戶定制的的汽車。2.2射頻識別技技術2.2.4RFID的典典型應用防偽將射頻識別別技術應用用在防偽領領域有它自自身的技術術優(yōu)勢。防防偽技術本本身成本低低，但卻很很難偽造。。射頻卡的的成本就相相對便宜，，而芯片的的制造需要要有昂貴的的芯片工廠廠，使偽造造者望而卻卻步。射頻頻卡本身具具有內(nèi)存，，可以儲存存、修改與與產(chǎn)品有關關的數(shù)據(jù)、、利于銷售售商使用；；體積十分分小、便于于產(chǎn)品封裝裝。2.2射頻識別技技術2.2.5EPC產(chǎn)品電電子代碼EPC的全稱是ElectronicProductCode，中文稱為為產(chǎn)品電子子代碼。EPC的載體是RFID電子標簽，，并借助互互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)現(xiàn)信息的傳傳遞。EPC旨在為每一一件產(chǎn)品建建立全球的的、開放的的標識標準準，實現(xiàn)全全球范圍內(nèi)內(nèi)對單件產(chǎn)產(chǎn)品的跟蹤蹤與追溯，，從而有效效提高供應應鏈管理水水平、降低低物流成本本。EPC是一個完整整的、復雜雜的、綜合合的系統(tǒng)。。2.2射頻識別技技術2.2.5EPC產(chǎn)品電電子代碼EPCglobal是一個非贏贏利性標準準化組織，，由EAN和UCC兩大標準化化組織聯(lián)合合成立，其其主要職責責是在全球球范圍內(nèi)對對各個行業(yè)業(yè)建立和維維護EPC網(wǎng)絡，保證證供應鏈各各環(huán)節(jié)信息息的自動、、實時識別別采用全球球統(tǒng)一標準準。2.3傳傳感器技術術傳感器是一一種檢測裝裝置，能夠夠感受被測測量信息，，并能將檢檢測感受到到的信息按按一定規(guī)律律變換成為為電信號或或其他所需需形式的信信息輸出，，以滿足信信息的傳輸輸、處理、、存儲、顯顯示、記錄錄和控制等等要求，它它是實現(xiàn)自自動檢測和和自動控制制的首要環(huán)環(huán)節(jié)，是物物聯(lián)網(wǎng)應用用中的信息息來源。2.3傳傳感器技術術傳感器技術術在發(fā)展經(jīng)經(jīng)濟、推動動社會進步步方面的重重要作用，，是十分明明顯的。世世界各國都都十分重視視這一領域域的發(fā)展。。在物聯(lián)網(wǎng)應應用中，傳傳感器可以以說是物聯(lián)聯(lián)網(wǎng)的基石石。2.3傳傳感器技術術2.3.1傳感器器的定義國家標準GB7665-87對傳感器下下的定義是是：“能感感受規(guī)定的的被測量件件并按照一一定的規(guī)律律（數(shù)學函函數(shù)法則））轉(zhuǎn)換成可可用信號的的器件或裝裝置，通常常由敏感元元件和轉(zhuǎn)換換元件組成成”。2.3傳傳感器技術術2.3.1傳感器器的定義“傳感器””在新韋式式大詞典中中定義為：：從一個系系統(tǒng)接受功功率，通常常以另一種種形式將功功率送到第第二個系統(tǒng)統(tǒng)中的器件件。根據(jù)這這個定義，，傳感器的的作用是將將一種能量量轉(zhuǎn)換成另另一種能量量形式，所所以不少學學者也用““換能器（（Transducer）”來稱謂謂“傳感器器”。2.3傳傳感器技術術2.3.2傳感器器的分類按用途分類類壓力敏和力力敏傳感器器位置傳感器器液位傳感器器能耗傳感器器速度傳感器器加速度傳感感器射線輻射傳傳感器熱敏傳感器器等2.3傳傳感器技術術2.3.2傳感器器的分類按原理分類類振動傳感器器濕敏傳感器磁敏傳感器氣敏傳感器真空度傳感器器生物傳感器2.3傳感感器技術傳傳感器的分分類按輸出信號分分類模擬傳感器數(shù)字傳感器膺數(shù)字傳感器器開關傳感器2.3傳感感器技術傳傳感器的分分類按其制造工藝藝分類集成傳感器薄膜傳感器厚膜傳感器陶瓷傳感器2.3傳感感器技術傳傳感器的分分類按測量目的分分類物理型傳感器器化學型傳感器器生物型傳感器器2.3傳感感器技術傳傳感器的分分類按其構(gòu)成分類類基本型傳感器器組合型傳感器器應用型傳感器器2.3傳感感器技術傳傳感器的分分類按作用形式分分類主動型傳感器器被動型傳感器器2.3傳感感器技術常常見傳感器器簡介電阻式傳感器器電阻式傳感器器是將被測量量，如位移、、形變、力、、加速度、濕濕度、溫度等等這些物理量量轉(zhuǎn)換式成電電阻值這樣的的一種器件。。主要有電阻阻應變式、壓壓阻式、熱電電阻、熱敏、、氣敏、濕敏敏等電阻式傳傳感器件。2.3傳感感器技術常常見傳感器器簡介稱重傳感器稱重傳感器是是一種能夠?qū)⒅亓D(zhuǎn)變?yōu)闉殡娦盘柕牧αΑ娹D(zhuǎn)換裝裝置，是電子子衡器的一個個關鍵部件。。2.3傳感感器技術常常見傳感器器簡介電阻應變式傳傳感器傳感器中的電電阻應變片具具有金屬的應應變效應，即即在外力作用用下產(chǎn)生機械械形變，從而而使電阻值隨隨之發(fā)生相應應的變化。2.3傳感感器技術常常見傳感器器簡介壓阻式傳感器器壓阻式傳感器器是根據(jù)半導導體材料的壓壓阻效應在半半導體材料的的基片上經(jīng)擴擴散電阻而制制成的器件。。其基片可直直接作為測量量傳感元件，，擴散電阻在在基片內(nèi)接成成電橋形式。。當基片受到到外力作用而而產(chǎn)生形變時時，各電阻值值將發(fā)生變化化，電橋就會會產(chǎn)生相應的的不平衡輸出出2.3傳感感器技術常常見傳感器器簡介激光傳感器利用激光技術術進行測量的的傳感器，它它由激光器、、激光檢測器器和測量電路路組成。激光光傳感器是新新型測量儀表表，它的優(yōu)點點是能實現(xiàn)無無接觸遠距離離測量，速度度快，精度高高，量程大，，抗光、電干干擾能力強等等。2.3傳感感器技術常常見傳感器器簡介激光傳感器工工作原理激光傳感器工工作時，先由由激光發(fā)射二二極管對準目目標發(fā)射激光光脈沖。經(jīng)目目標反射后激激光向各方向向散射。部分分散射光返回回到傳感器接接收器，被光光學系統(tǒng)接收收后成像到雪雪崩光電二極極管上。雪崩崩光電二極管管是一種內(nèi)部部具有放大功功能的光學傳傳感器，因此此它能檢測極極其微弱的光光信號，并將將其轉(zhuǎn)化為相相應的電信號號。2.3傳傳感器器技術術常常見傳傳感器器簡介介霍爾傳傳感器器霍爾傳傳感器器是根根據(jù)霍霍爾效效應制制作的的一種種磁場場傳感感器，，廣泛泛地應應用于于工業(yè)業(yè)自動動化技技術、、檢測測技術術及信信息處處理等等方面面，右右圖是是一種種霍爾爾傳感感器。?；魻枲栃獞茄醒芯堪氚雽w體材料料性能能的基基本方方法。。通過過霍爾爾效應應實驗驗測定定的霍霍爾系系數(shù)，，能夠夠判斷斷半導導體材材料的的導電電類型型、載載流子子濃度度及載載流子子遷移移率等等重要要參數(shù)數(shù)。2.3傳傳感器器技術術常常見傳傳感器器簡介介霍爾傳傳感器器霍爾傳傳感器器分為為線性性型霍霍爾傳傳感器器和開開關型型霍爾爾傳感感器兩兩種。。其中中，線線性型型霍爾爾傳感感器由由霍爾爾元件件、線線性放放大器器和射射極跟跟隨器器組成成，它它輸出出模擬擬量。。開關關型霍霍爾傳傳感器器由穩(wěn)穩(wěn)壓器器、霍霍爾元元件、、差分分放大大器，，斯密密特觸觸發(fā)器器和輸輸出級級組成成，它它輸出出數(shù)字字量。。2.4無無線傳傳感器器網(wǎng)絡絡系統(tǒng)統(tǒng)無無線傳傳感器器網(wǎng)絡絡簡介介無線傳傳感器器網(wǎng)絡絡系統(tǒng)統(tǒng)可以以組成成獨立立的感感知控控制系系統(tǒng)，，但由由于其其在物物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)整個個構(gòu)建建中位位于信信息獲獲取的的底層層，其其獲取取的信信息可可以匯匯總到到更高高層次次進行行處理理后再再反饋饋到應應用中中，因因此本本書將將其放放在物物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)的感感知與與識別別部分分作介介紹。。2.4無無線傳傳感器網(wǎng)網(wǎng)絡系統(tǒng)統(tǒng)無無線傳感感器網(wǎng)絡絡簡介無線傳感感器網(wǎng)絡絡WSN（WirelessSensorNetworks）由部署署在監(jiān)測測區(qū)域內(nèi)內(nèi)大量的的廉價微微型傳感感器節(jié)點點組成，，通過無無線通信信方式形形成的一一個多跳跳的、自自組織的的網(wǎng)絡系系統(tǒng)，其其目的是是協(xié)作地地感知、、采集和和處理網(wǎng)網(wǎng)絡覆蓋蓋區(qū)域中中被感知知對象的的信息，，并發(fā)送送給觀察察者。無無線傳感感器網(wǎng)絡絡源于美美國軍方方對戰(zhàn)場場的監(jiān)控控與預警警系統(tǒng)的的研究，，后來逐逐步遷移移到民用用研究。。無線傳傳感器網(wǎng)網(wǎng)絡主要要側(cè)重于于對目標標、環(huán)境境和物體體狀態(tài)的的監(jiān)測與與控制。。2.4無無線傳傳感器網(wǎng)網(wǎng)絡系統(tǒng)統(tǒng)2.4.2無線線傳感器器網(wǎng)絡體體系結(jié)構(gòu)構(gòu)傳感網(wǎng)主主要由無無線節(jié)點點、匯集集節(jié)點和和信息監(jiān)監(jiān)測或管管理中心心等組成成。2.4無無線傳傳感器網(wǎng)網(wǎng)絡系統(tǒng)統(tǒng)無無線傳感感器網(wǎng)絡絡特點1、節(jié)點能能量有限限。2、自組織織性。3、多跳路路由。4、大規(guī)模模網(wǎng)絡。。5、動態(tài)性性網(wǎng)絡。。6、可靠靠的網(wǎng)網(wǎng)絡。。7、應用用相關關的網(wǎng)網(wǎng)絡。。8、以數(shù)數(shù)據(jù)為為中心心的網(wǎng)網(wǎng)絡。。2.5其其他感知與與識別別技術術二維碼碼技術術紅外感感應技技術GPS定位技技術聲音及及視覺覺識別別技術術生物特特征識識別技技術2.5其其他感知與與識別別技術術二二維碼碼技術術二維碼碼在1994年起源源于日日本，，它用用某種種特定定的幾幾何圖圖形按按一定定規(guī)律律在平平面（（二維維方向向上））分布布的黑黑白相相間的的圖形形記錄錄數(shù)據(jù)據(jù)符號號信息息。二維碼的應應用：二維維條碼具有有儲存量大大、保密性性高、追蹤蹤性高、抗抗損性強、、備援性大大、成本便便宜等特性性，這些特特性特別適適用于表單單、安全保保密、追蹤蹤、證照、、存貨盤點點、資料備備援等方面面。2.5其其他感知與識別別技術2.5.2紅外感感應技術紅外外線線是是一一種種波波長長在在750nm至1mm之間間的的電電磁磁波波，，它它的的頻頻率率高高于于微微波波而而低低于于可可見見光光，，是是一一種種人人的的眼眼睛睛看看不不到到的的光光線線。。任何何物物質(zhì)質(zhì)，，只只要要它它本本身身具具有有一一定定的的溫溫度度（（高高于于絕絕對對零零度度）），，都都能能輻輻射射紅紅外外線線。。利用這種紅外外線的輻射，，可以實現(xiàn)各各種紅外感應應技術的應用用，如搜索和和跟蹤紅外目目標，確定其其空間位置并并對它的運動動進行跟蹤，，熱成像系統(tǒng)統(tǒng)可產(chǎn)生整個個目標紅外輻輻射的分布圖圖像等。2.5其其他感知與與識別別技術術紅紅外感感應技技術利用紅紅外感感知技技術可可以制制作紅紅外線線傳感感器，，測量量時不不與被被測物物體直直接接接觸，，因而而不存存在摩摩擦問問題，，并且且有靈靈敏度度高，，響應應快等等優(yōu)點點。紅外線線傳感感器包包括光光學系系統(tǒng)、、檢測測元件件和轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換電電路。。2.5其其他感知與與識別別技術術定定位技技術在物聯(lián)聯(lián)網(wǎng)的的許多多應用用中，，需要要知道道物體體的位位置信信息，，特別別是對對于移移動的的物體體，需需要知知道物物體變變化的的位置置信息息。因因此定定位技技術是是物聯(lián)聯(lián)網(wǎng)的的重要要技術術之一一。在物聯(lián)聯(lián)網(wǎng)應應用中中定位位技術術很多多，最最為常常用的的是衛(wèi)衛(wèi)星定定位系系統(tǒng)，，如全全球衛(wèi)衛(wèi)星定定位系系統(tǒng)GPS（Glob