《物聯網工程導論》 課件 李世明 第1、2章　物聯網概論、物聯網感知層

第

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章概述1.1物聯網背景1.2物聯網發(fā)展趨勢1.3物聯網體系結構1.4物聯網關鍵技術1.5物聯網典型應用領域1.6本章小結第1章本章內容什么是物聯網？物聯網是一個“萬物”互聯、以互聯網為基礎進行延伸和擴展的網絡，它將各種感知物理世界的設備通過互聯網連接起來，實現不受時間、地點、人、物、方式的互聯互通，實現智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控、處理、管理和決策功能。1.1物聯網背景物聯網發(fā)展現狀

物聯網技術發(fā)展先后經歷了不同階段，而每個階段都各有其典型特征：以傳感器等感知技術為典型特征的感知階段，以云計算、大數據、智能硬件、人工智能等智能處理技術為典型特征的智能應用階段等。1.1物聯網背景國外發(fā)展狀況歐盟

歐盟委員會于2009年提出《物聯網——歐洲行動計劃》（InternetofThings—AnactionplanforEurope）；2015年3月，歐盟委員會推動成立了“物聯網創(chuàng)新聯盟（AllianceforInternetofThingsInnovation）”；2015年5月，歐盟通過了單一數字市場（DigitalSingleMarket）；2015年10月，歐盟正式開展物聯網重點研究和大規(guī)模試點計劃征求提案。1.1物聯網背景國外發(fā)展狀況美國

2009年1月，IBM與美國智庫共同向美國政府提交關于利用信息通信技術（ICT）投資來實現短期內提高就業(yè)率的報告。

具體看表1-1：

1.1物聯網背景

表1-12009年美國振興經濟法案中與ICT相關的計劃投資領域具體項目能源（約500億美元）以信息技術改善能源效率；電力系統(tǒng)：智能電網；建筑：住宅節(jié)能化、建筑物能源使用管理系統(tǒng)；建設現代化公共基礎設施。寬帶（72億美元）寬帶技術機會計劃（BroadbandTechnologyOpportunitiesProgram）：以農村及寬帶服務欠缺地區(qū)為首要對象，重點支持學校、圖書館、醫(yī)院、大學等組織，創(chuàng)造就業(yè)機會，擴充公共計算機中心的容量；鄉(xiāng)村公共服務計劃（RuralUtilitiesServiceProgram）：提供寬帶基礎建設的貸款，尤其是在需要高速寬帶服務的農村地區(qū)，為當地電信公司、移動運營商寬帶基礎建設提供貸款服務。醫(yī)療（約190億美元）加速健康信息技術的推廣；加強個人隱私權的保障。1.1物聯網背景國外發(fā)展狀況美國

奧巴馬就任總統(tǒng)后鼓勵物聯網技術發(fā)展的政策主要體現在推動能源、寬帶與醫(yī)療三大領域開展物聯網技術的應用；2015年，美國電話電報公司AT&T將車聯網、物聯網業(yè)務當成未來業(yè)務增長點，并于2016年第一季度新增120萬個連接設備；Google提出ProjectIoT（物聯網計劃），于2015年發(fā)布源于Android的物聯網底層操作系統(tǒng)Brillo，其支持ARM、X86、MIPS架構的智能硬件。1.1物聯網背景國外發(fā)展狀況美國

2016年，美國思科公司為了完善物聯網生態(tài)體系，斥資14億美元收購Jasper全部股權；2016年11月，美國發(fā)布《保障物聯網安全的戰(zhàn)略原則》。1.1物聯網背景國外發(fā)展狀況韓國

自1997年起，韓國政府出臺了一系列推動國家信息化建設的產業(yè)政策，如2009年的《物聯網基礎設施構建基本規(guī)劃》；2011年5月，韓國聯合多個部門計劃在2014年之前向物聯網、云計算領域投入6146億韓元（約合36.88億元人民幣）；2014年5月，韓國出臺《物聯網基本規(guī)劃》；2016年，韓國成為全世界物聯網設備普及率最高的國家。1.1物聯網背景國外發(fā)展狀況日本

20世紀90年代以來，日本政府連續(xù)提出u-Japan、i-Japan物聯網發(fā)展戰(zhàn)略；2015年，日本發(fā)布中長期信息技術戰(zhàn)略發(fā)展計劃《i-Japan戰(zhàn)略2015》；2016年，日本通過物聯網技術改進火力發(fā)電廠的設備管理，并確定改造后的設備于2017年投入使用。1.1物聯網背景國內發(fā)展狀況

為了趕超第三輪世界信息產業(yè)浪潮，我國政府高度重視物聯網技術研發(fā)和產業(yè)化工作。國務院于2010年10月發(fā)布了《關于加快培養(yǎng)和發(fā)展戰(zhàn)略性新興產業(yè)的決定》，并明確將物聯網列為我國戰(zhàn)略發(fā)展新興產業(yè)之一。2017年，工業(yè)和信息化部發(fā)布《物聯網發(fā)展規(guī)劃（2016—2020年）》；2018年6月，工業(yè)和信息化部發(fā)布《工業(yè)和信息化部辦公廳關于開展2018年物聯網集成創(chuàng)新與融合應用項目征集工作的通知》；2018年年底，中央經濟工作會議明確了5G、人工智能、工業(yè)互聯網、物聯網等“新型基礎設施”建設的定位。1.1物聯網背景國內發(fā)展狀況

2019年，《工業(yè)和信息化部關于開展2019年IPv6網絡就緒專項行動的通知》明確提出，要持續(xù)推進IPv6的部署及應用，為物聯網的快速發(fā)展預留充足的地址空間；2020年4月，工業(yè)和信息化部辦公廳發(fā)布《關于深入推進移動物聯網全面發(fā)展的通知》，提出到2020年年底，縣級以上城市主城區(qū)要全面覆蓋NB-IoT網絡，移動物聯網連接數達到12億，打造一批NB-IoT應用標桿工程和NB-IoT百萬級連接規(guī)模應用場景。1.1物聯網背景國內發(fā)展狀況

2021年9月，工業(yè)和信息化部等八部門聯合發(fā)布《物聯網新型基礎設施建設三年行動計劃（2021—2023年）》，明確提出要提升創(chuàng)新能力，培育產業(yè)生態(tài)，融合發(fā)展應用，優(yōu)化支撐體系；2021年11月，工業(yè)和信息化部發(fā)布《“十四五”信息通信行業(yè)發(fā)展規(guī)劃》，提出5項重點任務。1.1物聯網背景國內發(fā)展狀況

與此同時，國內高校也正積極迅速地開展物聯網方面的研究。2009年9月，北京郵電大學與作為“感知中國”中心的無錫市就傳感器網絡技術研究和產業(yè)發(fā)展簽署合作協(xié)議；2009年12月8日，重慶郵電大學和無錫物聯網產業(yè)研究院簽署合作協(xié)議，共同研究物聯網技術；此外，南京航空航天大學、西北工業(yè)大學等也加快了物聯網技術研究。截止到目前，全國獲批物聯網工程本科專業(yè)的院校已有560多所。1.1物聯網背景國內發(fā)展狀況

此外，國際電信聯盟（ITU）于2020年7月9日做出決議，正式批準NB-IoT為5G標準，物聯網加速器再添動力。截止到2020年2月底，國內三大運營商的NB-IoT連接數突破1億。2020年4月，阿里云宣布未來三年再投2000億美元，用于云操作系統(tǒng)、服務器、芯片、網絡等重大核心技術研發(fā)攻堅和面向未來的數據中心建設。2020年12月16日上午，華為正式發(fā)布了HarmonyOS2.0手機開發(fā)者Beta版本。1.1物聯網背景國內發(fā)展狀況

現如今物聯網技術已經與社會發(fā)展緊密關聯，并且在各個領域得到了廣泛應用，如智能家居、智慧城市、智慧醫(yī)療、智慧交通、智能電網等，我國社會正在逐步實現“萬物互聯”。1.1物聯網背景物聯網產業(yè)規(guī)模

互聯網數據中心（InternetDataCenter，IDC）發(fā)布的《2021年V2全球物聯網支出指南》預測，全球物聯網支出在2025年達到12000億美元；其中，我國市場規(guī)模將在2025年超過3000億美元，全球占比約26.1%。1.2物聯網發(fā)展趨勢物聯網與人工智能

在物聯網、云計算、大數據、新產業(yè)等快速發(fā)展的形勢下，人工智能與各個學科領域的深度融合是大勢所趨，人工智能已成為未來戰(zhàn)略技術之一。而人工智能技術與物聯網技術的結合（簡稱AIoT）提升了二者的戰(zhàn)略地位。大量物聯網節(jié)點的管控，以及大量信息數據的采集和傳輸，尤其是物聯網應用層的大數據計算及智能決策，都需要采用人工智能技術進行數據融合、智能處理，這也造就了物聯網的個體智能向群體智能方向演進。

1.2物聯網發(fā)展趨勢“工業(yè)4.0”

“工業(yè)4.0”（Industry4.0）概念最早由德國提出，并在2013年4月的漢諾威工業(yè)博覽會上通過發(fā)布《實施“工業(yè)4.0”戰(zhàn)略建議書》正式推出。工業(yè)4.0”被理解為以智能制造為特征的“第四次工業(yè)革命”，即通過深入融合信息通信技術和網絡空間虛擬技術系統(tǒng)——信息物理系統(tǒng)（Cyber-PhysicalSystem，CPS）實現制造業(yè)的“智能制造”，其本質是打通制造業(yè)數據流通與共享壁壘，優(yōu)化企業(yè)生產規(guī)模和效益，構建出可定制化、異構化的制造業(yè)模式，進而促進產業(yè)結構改革。

1.2物聯網發(fā)展趨勢“工業(yè)4.0”項目主要包括以下三部分。

（1）智慧工廠，重點研究企業(yè)生產過程及生產系統(tǒng)的網絡化、分布式和智能化。（2）智慧生產，重點研究企業(yè)生產過程的物資管理、人機交互、數字孿生技術，整合各類大、中、小企業(yè)，研發(fā)新一代智能化生產技術并確定技術的引導者和受益者。（3）智慧物流，重點研究如何利用互聯網、物聯網、各物流系統(tǒng)進行物流資源智慧化管理，最大化提高物流工作效率，為制造業(yè)提供最佳匹配服務。

1.2物聯網發(fā)展趨勢工業(yè)互聯網

制造業(yè)是經濟發(fā)展的重要支撐，而“第四次工業(yè)革命”涉及世界經濟、國家創(chuàng)新體系、產業(yè)結構調整與競爭、企業(yè)生存與發(fā)展，更是工業(yè)制造業(yè)在云計算、物聯網、大數據、人工智能等信息技術突飛猛進過程中的必然走向。其中，工業(yè)互聯網是“第四次工業(yè)革命”的關鍵支撐和創(chuàng)新戰(zhàn)略。

1.2物聯網發(fā)展趨勢工業(yè)互聯網

工業(yè)互聯網將新一代信息技術與制造業(yè)深度融合，通過建立產品、生產線、供應商、客戶和銷售商之間的互聯互通，實行網絡化、數字化和智能化的跨行業(yè)、跨產業(yè)鏈的集成系統(tǒng)，最終提升生產效率、降低生產成本。

1.2物聯網發(fā)展趨勢工業(yè)互聯網

我國工業(yè)互聯網較“工業(yè)4.0”內涵更加豐富，覆蓋領域更多。工業(yè)互聯網產業(yè)呈現中高速增長，有力支撐經濟發(fā)展。

1.2物聯網發(fā)展趨勢物聯網安全威脅物聯網感知層的安全問題

物聯網要實現“萬物互聯”，就需要大量傳感器實時采集數據。而在采集過程中，各傳感器要面臨潛在的自身物理安全（可能丟失、破壞、假冒等）、協(xié)議安全、能量供應安全（如電池電量耗盡、惡意斷電）等問題，而惡劣的物理環(huán)境可能導致上述問題更加嚴重。

1.2物聯網發(fā)展趨勢物聯網安全威脅物聯網網絡層的安全問題

物聯網應用層與具體業(yè)務相關性較大，數據中心和計算中心的安全性往往更高。

物聯網應用層主要面臨的安全問題有數據安全、用戶隱私安全、安全溯源、數字取證、滲透攻擊、數據庫安全等。

1.2物聯網發(fā)展趨勢體系結構概述

目前，多個國際標準化組織及技術聯盟提出了各自的物聯網參考體系，如ISO/IECJTC1/WG10、ITUSG20、IEEEP2413、IIC、IoT-A、OneM2M等。各個體系結構從不同角度進行描述，如機器對機器通信（MachinetoMachine，M2M）角度、泛在網角度、互聯網角度、傳感網角度、移動網角度等。因此，對物聯網體系結構的描述形式始終無法統(tǒng)一。1.3物聯網體系結構我國物聯網體系概述物聯網概念模型物聯網系統(tǒng)參考體系結構面向Web開放服務的物聯網系統(tǒng)參考架構典型物聯網體系結構

1.3物聯網體系結構物聯網概念模型GB/T33474—2016標準采用遞進和分開的思路進行模型設計，根據不同類別的物聯網應用系統(tǒng)抽象出物聯網概念模型，如圖1-2所示。1.3物聯網體系結構圖1-2物聯網概念模型1.3物聯網體系結構

該物聯網概念模型中包含了6個域，各域的描述如下。用戶域

用戶域是物聯網用戶和用戶系統(tǒng)的實體集合，用戶通過系統(tǒng)及其他域的實體來感知物理世界對象的信息，并進行操控。目標對象域

目標對象域是用戶期望感知相關信息或執(zhí)行相關操控的對象實體集合。它包括用戶期望感知信息的對象和用戶期望執(zhí)行操控的對象。1.3物聯網體系結構感知控制域

感知控制域是用于感知對象信息與操控被控制對象的軟/硬件系統(tǒng)實體集合。服務提供域

服務提供域是實現物聯網的基礎服務與業(yè)務服務方面的軟/硬件系統(tǒng)實體集合。1.3物聯網體系結構運維管控域

運維管控域是實現物聯網的運行、維護、法律要求的監(jiān)管功能的軟/硬件系統(tǒng)實體集合資源交換域

資源交換域是實現物聯網系統(tǒng)內外之間信息共享與交換，以及信息和服務集中交易的軟/硬件系統(tǒng)實體集合。1.3物聯網體系結構物聯網系統(tǒng)參考體系結構

參考體系結構以物聯網概念模型為基礎，按從上到下的思想從系統(tǒng)頂層架構開始設計，如圖1-3所示。1.3物聯網體系結構圖1-3物聯網系統(tǒng)參考體系結構1.3物聯網體系結構

該模型有利于分解系統(tǒng)功能，保證不同物聯網應用系統(tǒng)之間的兼容性、互操作性和資源共享性。各個域包含的實體的描述如下。用戶系統(tǒng)

用戶系統(tǒng)是支撐物聯網用戶接入物聯網系統(tǒng)、使用物聯網服務的接口系統(tǒng)。從物聯網用戶角度總體來劃分，用戶系統(tǒng)可包括政府用戶系統(tǒng)、企業(yè)用戶系統(tǒng)、公眾用戶系統(tǒng)等。1.3物聯網體系結構物聯網網關

物聯網網關是支撐感知控制系統(tǒng)與其他系統(tǒng)互聯、實現感知控制域本地管理的實體。感知控制系統(tǒng)

感知控制系統(tǒng)通過對關聯對象進行信息感知和執(zhí)行控制操作，能夠進行本地協(xié)同信息處理和融合?；A服務系統(tǒng)

基礎服務系統(tǒng)提供物聯網的基礎支撐服務系統(tǒng)，保障正常提供各類業(yè)務服務。1.3物聯網體系結構業(yè)務服務系統(tǒng)

業(yè)務服務系統(tǒng)是為特定用戶提供物聯網業(yè)務服務的系統(tǒng)。它提供對象信息統(tǒng)計查詢、分析對比、告警、預警、操作控制、協(xié)調聯動等功能。運維管控系統(tǒng)

運維管控系統(tǒng)能夠管理和保障物聯網中設備和系統(tǒng)安全可靠運行并符合相關法律法規(guī)，可分為運行維護系統(tǒng)和法規(guī)監(jiān)管系統(tǒng)。1.3物聯網體系結構資源交換系統(tǒng)

資源交換系統(tǒng)能夠完成物聯網系統(tǒng)內外之間信息資源共享與交換、系統(tǒng)信息和服務集中交易，根據功能可分為信息資源交換系統(tǒng)和市場資源交換系統(tǒng)。1.3物聯網體系結構面向Web開放服務的物聯網系統(tǒng)參考架構

我國于2022年5月1日開始實施國家標準GB/T40778.1—2021，以實現各物聯網系統(tǒng)之間數據的流通，達到“物物互聯”的目的。該國家標準適用于面向Web開放服務的物聯網系統(tǒng)頂層設計，如圖1-4所示。1.3物聯網體系結構圖1-4面向Web開放服務的物聯網系統(tǒng)頂層設計1.3物聯網體系結構

其中，各部分描述如下：

（1）RFD（Reduced-FunctionDevice，受限功能設備）因自身功能受到限制而本身不安裝各類組件，需要借助邊緣網關與Web服務器實現數據傳輸功能。

（2）FFD（Full-FunctionDevice，全功能設備）不受自身功能限制，可以通過本身安裝的Web功能組件與邊緣網關及Web服務器實現數據傳輸功能。

（3）邊緣網關是部署在網絡邊緣的網關設備，可與RFD、FFD及Web服務器實現數據傳輸功能。1.3物聯網體系結構

（4）Web客戶端主要指Web瀏覽器（Browser）。其主要功能是將用戶向服務器請求的Web資源呈現出來，顯示在瀏覽器窗口中。

（5）Web服務端是使用HTTP（超文本傳輸協(xié)議）和其他協(xié)議來響應通過萬維網發(fā)出的Web客戶端請求的軟件和硬件。

物聯網Web功能組件如圖1-5所示。1.3物聯網體系結構圖1-5物聯網Web功能組件1.3物聯網體系結構典型物聯網體系結構

從物聯網的提出到目前發(fā)展來看，比較常見的物聯網體系結構分為感知層、網絡層和應用層，如圖1-6所示。1.3物聯網體系結構圖1-6典型物聯網體系結構1.3物聯網體系結構感知層

物聯網的目標之一是實現“物與物”和“人與物”之間的通信，感知層技術作為實現物聯網感知能力的核心和物聯網關鍵技術之一，其關鍵在于對物品的更精確、更全面的感知能力，其作用類似于人的眼、耳、鼻、喉和皮膚等感官或神經末梢，能夠完成對物理世界實體的信息采集、捕獲和識別。1.3物聯網體系結構網絡層

物聯網的網絡層是物聯網信息的基礎承載網絡，它建立在現有的移動通信網和互聯網基礎上，主要完成信息的傳送，實現人與人、人與物、物與物之間的通信，主要包括接入網絡和核心網絡二層結構。1.3物聯網體系結構應用層

物聯網的應用層是物聯網和用戶（包括人、組織和其他系統(tǒng)）之間的接口，是實現物聯網技術與行業(yè)需求密切結合并智能應用的功能層。

應用層能夠實現信息存儲、數據挖掘和智能決策等功能。

后期業(yè)界研究人員在三層結構的基礎上進行了細化和擴展，提出了細化后的物聯網體系結構，如圖1-7所示。1.3物聯網體系結構物聯網技術特征全面感知

物聯網系統(tǒng)中的首要環(huán)節(jié)是對物理世界的信息進行時效性采集，要求傳感器（或RFID）等采集設備能夠被嵌入需要采集信息的地點、物體及系統(tǒng)中，利用采集技術和方法實時高效采集目標信息，并對其進行整合處理?？煽總魉涂煽總魉褪侵笇Σ杉降臄祿M行安全加密，并采用各類有效的協(xié)議進行安全傳輸，以保證數據的高可靠性、安全性及準確性。1.4物聯網關鍵技術智能處理

智能處理是指利用計算機技術、大數據處理技術、人工智能技術對接收到的物聯網大數據進行加工、處理，為最終智能決策和控制服務。1.4物聯網關鍵技術物聯網涉及的主要技術分為感知層技術、應用層技術、網絡層技術和公共技術。該框架代表著物聯網信息技術的集合，如圖1-8所示。1.4物聯網關鍵技術圖1-8物聯網技術框架1.4物聯網關鍵技術感知層關鍵技術感知層技術是物聯網系統(tǒng)應用的基礎，主要完成對物理世界對象信息的感知與識別，具體涉及信息采集、處理、傳送或控制功能，分為采集控制技術和感知數據處理技術。1.4物聯網關鍵技術網絡層關鍵技術由感知層技術采集的數據被網絡層傳輸給應用層，或應用層數據經過網絡層再向感知層傳輸，需要利用物聯網通信技術完成傳輸操作。網絡層關鍵技術有光通信網絡技術、移動通信網技術（如3G、4G、5G）、互聯網技術、局域網技術、Wi-Fi技術及自組織網技術等。1.4物聯網關鍵技術應用層關鍵技術應用層技術實現數據的接收、存儲、計算、決策、授權等，并對客戶提供不同應用型服務。應用層技術分為終端設計技術、應用設計技術和應用支撐技術。應用層技術涉及學科多、交叉性強，能夠為物聯網系統(tǒng)的具體應用提供支撐服務，實現跨行業(yè)、跨應用、跨系統(tǒng)的信息協(xié)同、共享、互通。1.4物聯網關鍵技術公共技術公共技術是管理和保障物聯網整體性能的技術，它涉及各層，主要有標識技術、安全技術、QoS技術和網絡管理技術。從本質上講，公共技術部分不屬于單獨的層次，因為它所涉及的技術在感知層、網絡層和應用層3個層次中都有體現。具體而言，公共技術的安全在感知層體現為邊緣計算安全，在網絡層體現為網絡安全，在應用層體現為數據安全、系統(tǒng)安全，而且有些內容貫穿多個層次，所以公共技術部分屬于3個層次共有。1.4物聯網關鍵技術物聯網典型應用領域智能電網工業(yè)互聯網智慧農業(yè)智慧醫(yī)療智慧交通智慧物流智慧城市智能家居智慧校園

1.5物聯網典型應用領域智能電網智能電網（見圖1-9）是指在現有電網和集成、高速雙向通信的基礎上，通過先進的傳感與測量技術、設備技術、控制技術和決策支持技術進行改造升級，來實現電網的可靠、安全、經濟、高效的管理與運營。1.5物聯網典型應用領域圖1-9智能電網1.5物聯網典型應用領域工業(yè)互聯網工業(yè)互聯網（見圖1-10）的主要應用集中在制造業(yè)供應鏈管理、生產過程工藝優(yōu)化、產品設備監(jiān)控管理、環(huán)保監(jiān)測及能源管理、工業(yè)安全生產管理上。1.5物聯網典型應用領域圖1-10工業(yè)互聯網1.5物聯網典型應用領域智慧農業(yè)智慧農業(yè)（見圖1-11）是物聯網的一個典型應用，它通過實時采集大棚（或溫室）內的溫度、濕度、光照度、土壤溫濕度、CO2濃度、葉面濕度、露點溫度等參數，根據智能管理系統(tǒng)盡最大努力來自動管理農業(yè)物聯網系統(tǒng)的運行。1.5物聯網典型應用領域圖1-11智慧農業(yè)1.5物聯網典型應用領域智慧醫(yī)療智慧醫(yī)療（見圖1-13）是指借助家庭醫(yī)療傳感設備對家中患者或老人的生理指標進行自動檢測，并通過網絡系統(tǒng)傳輸給遠程護理人、醫(yī)生或醫(yī)療單位來實現線上醫(yī)療，有利于優(yōu)化醫(yī)療資源配置，提高醫(yī)療資源的利用效率。1.5物聯網典型應用領域圖1-13智慧醫(yī)療1.5物聯網典型應用領域智慧交通智慧交通（見圖1-14）是指通過各物聯網技術實現公共交通的監(jiān)控、管理、報站、電子票務等系列活動，目的是方便人們日常出行，優(yōu)化和管控交通流量。同時,智慧交通還可以根據對車輛的北斗或GPS定位來提高公共治理能力和水平。1.5物聯網典型應用領域圖1-14智慧交通1.5物聯網典型應用領域智能物流智慧物流（見圖1-15）是指利用計算機、條碼、傳統(tǒng)物流和車輛導航監(jiān)控等技術手段打造的信息，實現電子商務、物流配載和倉儲管理等服務于物流功能的物流模式。1.5物聯網典型應用領域圖1-15智慧物流1.5物聯網典型應用領域智能城市智慧城市（見圖1-16）是指利用各種信息技術及創(chuàng)新理念，圍繞城市系統(tǒng)和服務進行設計、集成或開發(fā)，來實現城市資源運用效率提升和城市管理優(yōu)化，有助于提升城市服務質量和人民生活水平。1.5物聯網典型應用領域圖1-16智慧城市1.5物聯網典型應用領域智能家居智能家居（見圖1-17）是指以人們家庭住宅為基礎，綜合利用布線技術、網絡通信技術、智能技術、網絡安全技術、安全防火防盜技術、自動檢測與控制技術、音頻視頻技術等對必要生活設施進行升級改造，利用各類傳感器、設備或設施對家居環(huán)境進行智能化升級。從2017年開始，我國就不斷發(fā)布和實施智能家居的系列國家標準。1.5物聯網典型應用領域圖1-17智能家居1.5物聯網典型應用領域智能校園智慧校園是指采用物聯網技術對校園開展管理、教學、科研、學習和生活等活動的智慧型場所。在系列優(yōu)化和管理過程中，智慧校園圍繞各種應用服務進行設計，使得校園生活得到充分融合。1.5物聯網典型應用領域

本章圍繞著物聯網的基本狀況進行講解，介紹了物聯網的背景、發(fā)展趨勢、體系結構、關鍵技術及典型應用領域。1.6本章小結第2章物聯網感知層2.1感知層概述2.2RFID技術2.3傳感器2.4智能傳感器2.5WSN2.6本章小結第2章本章內容感知層簡介

感知層是物聯網三層體系結構中的底層，完成對物理世界中物理量的采集。因此，感知層匯集和使用了大量功能和性能各異的傳感器，用于完成對聲、光、電、力、位置、媒體等屬性信息的采集。感知層技術能夠采集物體與環(huán)境等信息并在處理后發(fā)送給網絡層，網絡層再利用各類網絡傳輸技術將信息傳輸到應用層，最終實現物聯網數據的處理和應用。2.1感知層概述感知層關鍵技術感知層關鍵技術主要通過各種不同類型的傳感器對物理世界不同對象的屬性信息、狀態(tài)信息進行感知與識別，然后對信息進行數據處理、傳送或接收控制命令。感知層關鍵技術分為采集控制技術和感知數據處理技術，如圖2-1所示。2.1感知層概述圖2-1感知層關鍵技術2.1感知層概述感知層關鍵技術標識和解析

物聯網標識體系總則（GB/T37032—2018）是我國于2018年發(fā)布并于2019年7月1日起實施的國家標準。該標準由全國物品編碼標準化技術委員會（SAC/TC287）和全國信息技術標準化技術委員會（SAC/TC28）提出并歸口管理，由中國物品編碼中心和中國電子技術標準化研究院起草制定，分為編碼、采集與識別、信息服務三部分。

如圖2-2所示

2.1感知層概述

圖2-2圖2-2物聯網標識體系框架2.1感知層概述

（1）編碼

物聯網采用統(tǒng)一編碼方式，對物聯網中所有對象的物理實體或虛擬實體進行全局性、唯一性代碼編制，同時對現有的物聯網系統(tǒng)提供或建立全局性、唯一性的代碼兼容方案，保證代碼不沖突（通過編碼體系標識實現編碼的兼容性）。（2）采集與識別

采集與識別是指按照數據協(xié)議將編碼存入數據載體，通過讀寫設備對數據載體進行自動識別，讀取編碼信息并提供給信息服務進行處理。2.1感知層概述

（3）信息服務

信息服務包含標識解析服務、信息發(fā)現服務和接口服務等。物聯網標識體系要具備必要的安全機制，能夠保障物品標識編碼在分配、注冊和解析過程中的數據安全。2.1感知層概述感知層關鍵技術條碼

條碼（又稱條形碼）技術是根據條碼理論將光電技術、計算機技術、圖像處理技術、條碼印制技術集于一體的識別技術。條碼具有識別速度快、準確率高、成本低、安全可靠性高、使用周期長等特點，常被廣泛應用于各個領域。

2.1感知層概述RFID

RFID（無線射頻識別）是一種非接觸式的自動識別技術，直接繼承了雷達的概念。當采用RFID系統(tǒng)后，系統(tǒng)會自動高速識別標簽并讀出標簽內部數據。傳感器與智能傳感器

傳感器（Sensor/Transducer）是物聯網感知層的重要部分。它是能夠利用物理、化學和生物等學科的某些效應或機理來感知規(guī)定的被測量，并將其按照一定規(guī)律轉換成可用輸出信息的測量裝置。

2.1感知層概述位置信息采集

位置定位是物聯網中感知位置的重要技術，可以分為室外定位和室內定位。室外定位技術主要為導航技術，室內定位技術有RFID定位技術、藍牙定位技術等。無線傳感網

無線傳感網也叫作無線傳感器網絡（WirelessSensorNetwork，WSN），是通過在監(jiān)測區(qū)域內部署大量低成本、資源受限、具有計算和無線通信功能的傳感器節(jié)點形成的一種具有多跳自組織能力的網絡系統(tǒng)。

2.1感知層概述中間件

中間件是介于操作系統(tǒng)和應用軟件之間的程序或組件，是兩級程序的連接“管道”。中間件利用各類協(xié)議向下傳輸數據，向上可以提供數據資源和服務，經過這樣處理后，上層應用軟件可以共享其下各層資源、交換信息。

2.1感知層概述

而物聯網中間件需要應對物聯網中的異構設備和異構數據等復雜情況，具備較強的獨立性和兼容性，實現與上層多個應用程序交互，同時兼容不同廠商、不同型號、不同軟件的異構性，采集數據，完成應用層業(yè)務邏輯，支持標準化協(xié)議。物聯網中間件示意圖如圖2-7所示。

2.1感知層概述

圖2-7物聯網中間件示意圖2.1感知層概述物聯網網關

任何一個完整的物聯網應用系統(tǒng)都離不開物聯網網關，因為它在數據實時采集、實時傳輸、設備控制等操作中起著至關重要的作用。常見的物聯網網關有智能家居網關、工業(yè)互聯網網關等。（1）智能家居網關

智能家居是相對成熟的物聯網應用領域，智能家居網關連接家庭的各類智能終端，如智能手機、智能電視、智能熱水器、智能空調、智能冰箱、智能水表、智能電表、智能攝像頭、智能門鎖等

2.1感知層概述（2）工業(yè)互聯網網關

工業(yè)互聯網是物聯網技術在工業(yè)領域的應用，是國家發(fā)展戰(zhàn)略之一。工業(yè)互聯網網關（見圖2-8）可以實現傳統(tǒng)工業(yè)的升級，實現工業(yè)網絡及工業(yè)協(xié)議的互通，獲取和傳輸工業(yè)數據，及時響應工業(yè)系統(tǒng)請求，是工業(yè)互聯網中的極其重要的設備。2.1感知層概述圖2-8工業(yè)互聯網網關2.1感知層概述

（3）物聯網網關應用示例

在設計物聯網應用系統(tǒng)時，可以根據應用領域、技術特點、功能需求和設備選擇使用不同類型的物聯網網關。物聯網網關應用示意圖如圖2-9所示。2.1感知層概述圖2-9物聯網網關應用示意圖2.1感知層概述群智感知

群智感知是指通過大量具有感知功能和計算能力的移動設備進行數據收集，然后經過數據傳輸聚合到數據服務平臺，并由數據使用者提出請求，平臺進行數據分析和共享知識的一種物聯網數據感知和服務模式。物聯網群智感知系統(tǒng)架構如圖2-10所示。

2.1感知層概述圖2-10物聯網群智感知系統(tǒng)架構2.1感知層概述

群智感知能夠為物聯網應用（如社會公共安全、智慧城市、智慧醫(yī)療等）提供更多有價值的數據，具有部署成本低、方式靈活、感知異構數據、數據源多樣、應用廣泛、容易擴展等特點。語音識別

語音識別是目前流行的技術之一，它先將人類語音轉換成電信號，然后用模/數轉換技術和編碼技術轉換成可存儲、可處理的數據，結合人工智能技術識別出不同人的聲音。

2.1感知層概述生物識別

物識別也叫作生物特征識別，是指利用設備對人體生物特征進行采集并經過計算機技術處理后形成唯一識別個體的數據。這里的生物特征是指人的指紋、掌紋、虹膜、臉、手勢、步態(tài)、DNA等。

2.1感知層概述RFID工作原理

RFID標簽由耦合元件和微電子芯片構成，使用時可以依附在物體表面，也可以嵌入物體之中（金屬除外）。RFID標簽中存儲要識別的信息。常見的RFID標簽內部結構和RFID標簽生產現場。如圖2-12所示。

在過去的半個多世紀中，RFID技術的發(fā)展階段如表2-1所示。2.2RFID技術圖2-12常見的RFID標簽內部結構和RFID標簽生產現場（a）RFID標簽內部結構 （b）RFID標簽生產現場2.2RFID技術

在過去的半個多世紀中，RFID技術的發(fā)展階段如表2-1所示。年代發(fā)展歷程及主要表現1941—1950年根據雷達技術衍生RFID技術，1948年奠定RFID理論基礎1951—1960年RFID探索階段，研究理論和技術1961—1970年RFID理論發(fā)展階段，嘗試應用1971—1980年 RFID快速發(fā)展階段，出現RFID應用1981—1990年RFID開始商業(yè)應用，并具有一定規(guī)模1991—2000年開始著手RFID標準化工作，RFID技術已經得到廣泛應用2001年至今公布RFID技術標準，產業(yè)發(fā)展迅猛，RFID技術應用隨處可見表2-1RFID技術的發(fā)展階段2.2RFID技術RFID特點

（1）識別精度高，可快速準確地識別出物體。

（2）采用無線電射頻繞開障礙物并穿透外部材料讀取數據，可工作于惡劣環(huán)境。

（3）可以同時對多個物體進行識讀。

（4）儲存信息量大且可加密，是普通條碼存儲信息量的幾十倍，甚至上百倍。

2.2RFID技術RFID工作過程（1）工作原理

利用射頻信號或空間耦合（電感或電磁耦合）的傳輸特性，實現對標簽的讀取或寫入。現以有源標簽為例進行說明，RFID工作原理如圖2-13所示。

2.2RFID技術圖2-13RFID工作原理（以有源標簽為例）2.2RFID技術（2）工作過程

開始工作時，讀寫器向標簽發(fā)送指令，標簽回送應答信息來建立雙向通信通道，讀寫器通過天線向標簽發(fā)射攜帶操作指令的無線信號，標簽接收指令并完成指令要求的任務后，再將標簽標識和執(zhí)行結果以無線方式回送給讀寫器，也可能直接存儲在RFID標簽中。2.2RFID技術RFID關鍵技術RFID頻率選擇

RFID工作的頻率不同則特性不同，適合的應用領域也不同。

（1）低頻

低頻RFID工作頻率為125kHz～135kHz，該頻率的應用和推廣非常廣泛，具有穿透力強（除金屬外）、不會降速、頻段無許可限制、封裝形式多、讀寫區(qū)域均勻、傳輸速率低等特點2.2RFID技術（2）高頻

高頻RFID工作頻率為13.56MHz，天線的制作通過腐蝕或者印刷方式來完成，通常以電子標簽式封裝使用，具有穿透力強（除金屬外）、會降速、頻段無特殊限制、讀寫區(qū)域均勻、防碰撞沖突（可同時讀取多個電子標簽）、可寫數據到標簽、傳輸速率高于低頻等特點。（3）超高頻

超高頻RFID工作頻率為860MHz～960MHz。該頻段讀取距離比較遠，無源可達10m。2.2RFID技術天線技術

RFID根據應用領域不同的具體需求來選擇頻率，設計天線，甚至要考慮是否需要嵌入檢測對象內部。不同的天線設計對數據發(fā)送和接收的效果也是不同的。低功耗技術

低功耗是RFID模塊的基本要求，低功耗技術是提升識別距離、降低功耗和推廣應用的關鍵技術。

2.2RFID技術防沖撞技術

人們將計算機網絡中的防碰撞沖突算法及原理經過改進應用到RFID技術中，但因為計算能力不同、標簽響應時間要求不同，算法效果不是很理想，所以需要針對RFID來研究解決碰撞沖突問題。封裝技術

RFID標簽在封裝時，需要考慮應用環(huán)境、頻率范圍、傳感距離、穿透要求、封裝材料、封裝后標簽尺寸等因素。常見的RFID標簽如圖2-14所示。2.2RFID技術圖2-14常見的RFID標簽2.2RFID技術RFID中間件技術

RFID中間件作用于RFID讀寫器和RFID應用軟件之間，是RFID系統(tǒng)的神經中樞，可使應用開發(fā)者不用再關心RFID的底層實現細節(jié)，而將重點放在應用需求本身上，從而將應用開發(fā)者從復雜的物聯網環(huán)境中解放出來。安全技術

RFID標簽的設計、制作、封裝等決定著標簽的物理安全，讀寫器與RFID標簽之間的通信安全、讀寫器自身的安全等決定著RFID系統(tǒng)的整體安全性。

2.2RFID技術定位與跟蹤技術

RFID技術可以用于空間定位與跟蹤服務，利用標簽對物體的唯一標識，依據讀寫器與標簽之間射頻信號的強度來測試空間位置，可以用于GPS系統(tǒng)難以應用到的室內定位領域。

2.2RFID技術RFID標準國家標準

我國已經發(fā)布了許多RFID國家標準，現行的部分RFID國家標準如表2-2所示。

2.2RFID技術表2-2我國現行的部分RFID國家標準序號標準號是否采標標準名稱類別發(fā)布日期實施日期1GB/T35660.3—2021采信息與文獻圖書館射頻識別（RFID）第3部分：分區(qū)存儲RFID標簽中基于ISO/IEC15962規(guī)則的數據元素編碼推標2021-11-262021-11-262GB/T38333—2019

鉛酸蓄電池用射頻識別（RFID）電子標簽技術規(guī)范推標2019-12-102020-07-013GB/T38059—2019

氣瓶射頻識別（RFID）應用充裝控制管理要求推標2019-10-182020-05-014GB/T37886—2019

氣瓶射頻識別（RFID）讀寫設備技術規(guī)范推標2019-08-302020-03-015GB/T37026—2018

服裝商品編碼與射頻識別（RFID）標簽規(guī)范推標2018-12-282019-07-012.2RFID技術序號標準號是否采標標準名稱類別發(fā)布日期實施日期6GB/Z36442.1—2018

信息技術用于物品管理的射頻識別實現指南第1部分：無源超高頻RFID標簽推標2018-06-072019-01-017GB/Z36442.3—2018采信息技術用于物品管理的射頻識別實現指南第3部分：超高頻RFID讀寫器系統(tǒng)在物流應用中的實現和操作推標2018-06-072019-01-018GB/T35290—2017

信息安全技術射頻識別（RFID）系統(tǒng)通用安全技術要求推標2017-12-292018-07-019GB/T35412—2017

托盤共用系統(tǒng)電子標簽（RFID）應用規(guī)范推標2017-12-292018-07-0110GB/T35660.1—2017采信息與文獻圖書館射頻識別（RFID）第1部分：數據元素及實施通用指南推標2017-12-292017-12-2911GB/T35660.2—2017采信息與文獻圖書館射頻識別（RFID）第2部分：基于ISO/IEC15962規(guī)則的RFID數據元素編碼推標2017-12-292018-07-01續(xù)表2.2RFID技術國際標準

ISO前后累計發(fā)布160多個關于RFID的各類標準，如ISO11784RFID畜牧業(yè)的應用－編碼結構、ISO11785RFID畜牧業(yè)的應用－技術理論、ISO14223-1RFID畜牧業(yè)的應用－空氣接口等

各類標準應用于各個領域中，如供應鏈、生產線自動化、航空包裹、集裝箱、智慧農牧業(yè)、人員管理、資產管理、后勤管理等領域。

2.2RFID技術RFID系統(tǒng)組成

通用RFID系統(tǒng)的結構、功能及硬件組成基本是相同的，一般由標簽、讀寫器和應用服務管理系統(tǒng)三部分構成，如圖2-15所示。2.2RFID技術圖2-15RFID系統(tǒng)基本組成2.2RFID技術標簽

根據應用領域需求，RFID系統(tǒng)可選用不同指標的標簽，如有源或無源、標簽頻率、標簽尺寸大小、封閉材料等。讀寫器

讀寫器也叫作閱讀器或掃描器，是用來讀取或寫入標簽數據的電子設備，一般設計成手持式或固定式，外觀與結構不統(tǒng)一，樣式較多，如圖2-16所示。

2.2RFID技術圖2-16讀寫器2.2RFID技術應用服務管理系統(tǒng)

讀寫器讀取標簽數據并傳輸標簽數據到后臺計算機的數據庫中，實現數據的存儲、查詢、刪除、更新等處理功能，為RFID的應用提供管理服務。

一個典型的RFID應用服務管理系統(tǒng)主要由RFID中間件、RFID應用軟件和后臺數據庫組成。（1）RFID中間件RFID中間件能夠兼容不同的讀寫器和標簽數據，使開發(fā)者無須關心RFID底層細節(jié)，從而降低開發(fā)難度。

2.2RFID技術

（2）RFID應用軟件RFID應用軟件是為解決應用領域中的具體問題而開發(fā)的軟件，對RFID標簽信息進行統(tǒng)計、計算、管理等。

（3）后臺數據庫后臺數據庫可直接存儲RFID信息。2.2RFID技術RFID應用案例安全防護領域

（1）門禁安保

RFID技術在門禁安保領域的應用非常普遍，如工作證、出入證、住宿卡、身份證等。

（2）汽車防盜

將RFID技術集成到汽車鑰匙中，提高汽車防盜性能（3）商品防盜

為防止商品被盜，可在商品內部或表面粘貼RFID標簽，當商品經過出口處時，讀寫器會自動識別并報警。

2.2RFID技術商品生產銷售領域

（1）生產流水線產品管理

將RFID標簽粘貼在產品上，在生產流水線上能夠自動識別，達到自動監(jiān)視、節(jié)約管理成本、改進生產方式和提高生產效率的目的。

（2）倉儲管理

先將RFID標簽提前粘貼在貨物上，然后通過手持讀寫器進行掃描，就可以立即知道倉庫中貨物的存儲情況，從而提高管理效率。

2.2RFID技術

（3）產品防偽

將RFID標簽提前封裝在產品中，然后通過讀寫器讀取并提交到企業(yè)官網，從而查詢智能產品的真?zhèn)巍?/p>

（4）RFID卡收費

RFID可以取代目前一些不太安全的收費卡，如磁卡等。通過RFID技術可實現非接觸式收費，不存在磁卡、IC卡磨損問題。2.2RFID技術傳感器組成與工作原理

作為一種檢測裝置，傳感器一般是利用物理、化學和生物等學科的某些效應或機理，按照一定的工藝和結構研制出來的。傳感器的核心功能是相同的，它們都能感知到被測量的信息，并能將這些信息按照一定規(guī)律變換成電信號或其他所需的信息輸出形式，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。2.3傳感器傳感器組成

傳感器是實現自動檢測和自動控制的首要環(huán)節(jié)，是感知延伸層獲取數據的一種設備。它通常由敏感元件、轉換元件和測量電路組成,如圖2-17所示。2.3傳感器

圖2-17傳感器組成框圖2.3傳感器

（1）敏感元件

敏感元件是傳感器中能直接感受被測量的變化，并輸出與被測量構成確定關系（某個函數）的某個物理量的元件。它是傳感器的核心，是完成信息采集的初始部分。

（2）轉換元件

轉換元件是傳感器中能將敏感元件感受或響應的被測量轉換成傳輸或測量的電信號的部分。當輸出為規(guī)定的標準信號時，傳感器稱為變送器。2.3傳感器

（3）測量電路

測量電路是將轉換元件輸出的電信號進行進一步轉換和處理的部分，如放大、濾波、線性化、補償等。傳感器可以制作得很簡單，也可以制作得很復雜。2.3傳感器傳感器工作原理

傳感器的工作過程是首先通過敏感元件將感受的變化量傳送給轉換元件進行轉換，然后通過測量電路將轉換結果進行處理，最后將轉換完成的電信號傳送出去。

傳感器盡管能夠感知大量物理世界信息，但它并不是萬能的。鑒于傳感器技術的重要性，世界各發(fā)達國家都將傳感器技術視為競爭力的關鍵。2.3傳感器傳感器性能指標線性度

線性度是指傳感器的輸出與輸入之間數量關系的線性程度。輸出與輸入關系可分為線性特性和非線性特性。從傳感器的性能看，希望其具有線性關系，即理想輸入/輸出關系，但實際遇到的傳感器大多為非線性。

如圖2-18所示。2.3傳感器圖2-18線性度2.3傳感器測量范圍

測量范圍是指在符合線性情況下正確輸出值的范圍，也是傳感器非常重要的性能指標。精度

精度是傳感器能實現的測量精確度。靈敏度

在保持傳感器線性情況下，人們希望傳感器的靈敏度越高越好，以保證快速反映輸出值與測量值之間的變化。2.3傳感器重復性

重復性是指傳感器在輸入量按同一方向做全量程連續(xù)多次變化時，所得的特性曲線不一致的程度。

如圖2-19所示。2.3傳感器圖2-19重復性2.3傳感器遲滯性

由于傳感器自身存在能量消耗或器件摩擦等原因會出現遲滯性，即檢測系統(tǒng)在正向（輸入量增大）和反向（輸入量減?。┬谐唐陂g，輸入特性曲線和輸出特性曲線不一致的程度。

如圖2-20所示。2.3傳感器

圖2-20遲滯性2.3傳感器漂移

漂移是指在傳感器輸入量不變的情況下，傳感器輸出量隨著時間變化的現象。產生漂移的原因有兩方面：一是傳感器自身結構參數；二是周圍環(huán)境（如溫度、濕度等）。2.3傳感器傳感器分類

從宏觀角度考慮，傳感器可分為電量傳感器和非電量傳感器兩大類。因為非電量傳感器采用非電量的方法來測量，已經無法適用于現代自動檢測技術，所以我們常說的傳感器是指以電量為輸出的傳感器。我國對傳感器分類建立了體系表，根據應用環(huán)境要求、功能、原理及性能的不同，從不同角度對傳感器分類。2.3傳感器按工作原理分類

按工作原理分類，傳感器可分為物理量傳感器、化學量傳感器和生物量傳感器三大類。

（1）物理量傳感器。

物理量傳感器主要有力學量傳感器、熱學量傳感器、光學量傳感器、磁學量傳感器、電學量傳感器、聲學量傳感器、核輻射傳感器。2.3傳感器

（2）化學量傳感器。

化學量傳感器主要有氣體傳感器、離子傳感器、濕度傳感器。

（3）生物量傳感器。

生物量傳感器主要有生化量傳感器和生理量傳感器。2.3傳感器按監(jiān)測對象分類

檢測對象有力學量、熱學量、流體量等，所以對應的傳感器可以稱為力學傳感器、熱學傳感器、流體傳感器等。按輸出信號類型分類

按輸出信號類型分類，傳感器可分為模擬傳感器、數字傳感器和膺數字信號傳感器。2.3傳感器

（1）模擬傳感器

模擬傳感器是輸出信號為模擬信號的傳感器。

（2）數字傳感器

數字傳感器是輸出信號為數字信號的傳感器。

（3）膺數字信號傳感器

膺數字信號傳感器是輸出信號有點接近于數字信號的傳感器。2.3傳感器按能源供應分類

（1）有源傳感器

有源傳感器是工作時需要外部能量供應的傳感器，如電阻、電感、電容等電路參量的傳感器。

（2）無源傳感器

無源傳感器是工作時不需要使用外部能量供應的傳感器，如壓電效應、熱電效應、光電效應、霍爾效應等原理構成的傳感器。2.3傳感器傳感器示例溫度傳感器分類

溫度傳感器是感受溫度并轉換成可用輸出信號的傳感器。根據傳感器使用方法的不同，溫度傳感器基本可以分為接觸式溫度傳感器和非接觸式溫度傳感器。

（1）接觸式溫度傳感器

接觸式溫度傳感器通過與被測物體直接接觸來測量物體的溫度。

2.3傳感器

目前，市場中該類溫度傳感器主要包括膨脹式溫度傳感器（基于物體受熱體積膨脹原理）、電阻式溫度傳感器（基于導體或半導體電阻值隨溫度變化原理）和熱電偶溫度傳感器（基于熱電效應原理）三種。常見的接觸式溫度傳感器。

如圖2-21所示。2.3傳感器

圖2-21常見的接觸式溫度傳感器2.3傳感器

（2）非接觸式溫度傳感器

非接觸式溫度傳感器的敏感元件不與被測對象接觸，依據物體熱輻射產生的紅外線來測量溫度，達到“隔空測量”的目的。常用的溫度傳感器

從接觸式與非接觸式兩類溫度傳感器中分別選擇一種較為常見的溫度傳感器進行介紹。2.3傳感器（1）熱電阻

熱電阻具有測量范圍寬、精度高和穩(wěn)定性好等優(yōu)點，常被用來測量-200～850℃區(qū)間內的溫度

（1）高且穩(wěn)定的電阻溫度系數，電阻值與溫度之間具有良好的線性關系。

（2）熱容量小、反應速度快。

（3）材料的復現性和工藝性好，便于批量生產，降低成本。

（4）在使用范圍內，其化學和物理性能穩(wěn)定。2.3傳感器

（2）熱電阻典型產品

工業(yè)中應用最廣的金屬熱電阻是銅熱電阻和鉑熱電阻。

如圖2-22所示。2.3傳感器

圖2-22銅熱電阻（左）和鉑熱電阻（右）2.3傳感器

（2）熱電阻典型產品

（1）鉑熱電阻

鉑熱電阻的測溫范圍為-200～850℃，主要有Pt10（電阻值為10Ω）和Pt100（電阻值為100Ω）兩種。

另外，通常將鉑電阻值制成100Ω，稱為Pt100溫度傳感器，其電阻值在一定溫度范圍內可以隨著溫度線性變化，可用于-200～650℃的測溫領域，其參數如表2-3所示。

2.3傳感器表2-3Pt100溫度傳感器參數參數值單位測溫范圍-200～650℃電阻變化率0.3851Ω/℃最大熱響應時間30s最大通過電流5mA2.3傳感器

Pt100溫度傳感器具有精度高、線性好、測溫范圍寬、穩(wěn)定性強、復現性好、抗振動和耐高壓等優(yōu)點，被廣泛應用于工業(yè)制造領域的溫度檢測與控制。Pt100溫度傳感器實物及連接方法如圖2-23所示。

2.3傳感器圖2-23Pt100溫度傳感器實物及連接方法2.3傳感器

（2）銅熱電阻

銅熱電阻線性好、價格低，但電阻率小，因而體積大、熱響應慢。銅熱電阻主要用于檢測液體、氣體（如蒸氣）介質和固體表面溫度。（3）紅外溫度傳感器

紅外溫度傳感器主要基于熱電堆、非接觸式來測量溫度，不僅價格低，而且測量精度高。紅外溫度傳感器。

如圖2-24所示。2.3傳感器圖2-24紅外溫度傳感器2.3傳感器（2）紅外溫度傳感器

紅外溫度傳感器相對于接觸式的溫度檢測方法，具備反應速度快、測溫準確度高及測溫范圍寬等優(yōu)點，可以用于高速運動物體、帶電體、高溫及高壓物體的溫度測量。2.3傳感器傳感器選用原則

宏觀方面，要考慮傳感器滿足各項需求，關鍵之處要優(yōu)先考慮。

①要充分考慮傳感器的實際應用環(huán)境，充分考慮各項感知功能。

②要從系統(tǒng)總體分析和明確選用傳感器的目的、功能的必要性、各項指標及性價比。

③要詳細考慮項目中重要的、核心的傳感器指標是否能夠保障在一定使用時間內滿足項目需求傳感器的指標可從以下幾方面進行判斷和選擇。2.3傳感器測量環(huán)境不同應用環(huán)境對傳感器的要求會相差很大。精度在傳感器的精度滿足整個測量系統(tǒng)的精度要求情況下，考慮將來系統(tǒng)升級時可以適當提高指標要求。2.3傳感器穩(wěn)定性

部分傳感器在使用一段時間后其性能可能發(fā)生變化，即穩(wěn)定性差。主要影響傳感器穩(wěn)定性的是傳感器的使用環(huán)境。因此，要使傳感器具有良好的穩(wěn)定性，傳感器必須要有較強的環(huán)境適應能力。

此外，還有線性度、靈敏度、遲滯性等都是選用傳感器時需要仔細考慮的。2.3傳感器智能傳感器概念

智能傳感器是傳感器發(fā)展的未來方向，物聯網傳感器終端也變成智能終端，進而成為邊緣計算中的“端”角色，占據了感知層中的重要位置，方便人們在借助各種智能傳感器完成高精準信息采集和智能處理時，提高工作效率和質量。

智能傳感器安裝現場如圖2-25所示。2.4智能傳感器圖2-25智能傳感器安裝現場2.4智能傳感器智能傳感器分類

傳感器技術發(fā)展具有數字化、智能化、微型化和網絡化特征。本節(jié)直接列出智能傳感器的基本分類，如表2-4所示，非智能傳感器可直接參考國家標準GB/T7665—2005。2.4智能傳感器

表2-4智能傳感器的基本分類（國家標準GB/T33905.3—2017）分類依據二級分類三級分類四級分類具體被測量或名稱被測量物理量力學量

壓力表壓、差壓、絕壓、真空傳感器、微型壓力力重量（稱重）、應力、力矩、扭矩速度線速度、角速度、轉速加速度線加速度、角加速度、振動、沖擊流量質量流量、容積流量位移線位移、角位移位置物位、姿態(tài)尺度厚度、角度、傾角、表面粗糙度濁度濁度密度密度黏度黏度硬度硬度熱學量溫度溫度熱流熱流紅外熱像感知物體表面溫度場信息并轉換成圖像，再根據圖像顏色確定表面溫度2.4智能傳感器分類依據二級分類三級分類四級分類具體被測量或名稱被測量物理量光學量

可見光可見光紅外光紅外光紫外光紫外光色度色度圖像光學圖像信息磁學量

磁場強度磁場強度磁通量磁通量電學量

電場強度電場強度電流電流電壓電壓聲學量

聲壓聲壓噪聲噪聲超聲波超聲波核輻射放射線放射線輻射劑量核輻射射線的強弱和變化續(xù)表2.4智能傳感器分類依據二級分類三級分類四級分類具體被測量或名稱被測量

化學量

氣體

半導體利用半導體材料的電導率來感知氣體組分或濃度場效應管式利用場效應管柵極敏感膜的氣敏特性來感知氣體組分或濃度電化學式利用電化學原理來感知氣體組分或濃度接觸燃燒式利用可燃性氣體接觸涂覆催化劑材料表面燃燒所產生的燃燒熱來感知氣體熱導式利用不同氣體熱傳導率不同的原理來感知不同氣體紅外吸收式利用被檢測氣體對不同波長紅外輻射吸收程度不同的特性來感知波長變化和強度固體電解質型使用固體電解質、快離子異體和高聚物電解質作為氣敏材料濕度

露點露點水分水分離子

離子活度電解質溶液中參與電化學反應的離子的有效濃度成分電解質溶液中的離子種類pH氫離子的活度續(xù)表2.4智能傳感器續(xù)表分類依據二級分類三級分類四級分類具體被測量或名稱

被測量

生物量

生化量

酶以酶為分子識別器來感知生化量免疫感知抗原量或抗體量微生物利用微生物識別來感知生化量生物親和性利用蛋白質或DNA識別并結合目的物來感知生化量

生理量

食道壓力食道壓力膀胱內壓膀胱內壓力胃腸內壓胃腸內壓力顱內壓顱內壓力脈搏外周血管搏動心音心音體溫體溫皮溫皮膚溫度血流血流量及血流速度呼吸呼吸氣的分壓2.4智能傳感器分類依據二級分類三級分類四級分類具體被測量或名稱工作原理電容式、電位器式、電阻式、電磁式、電感式、電離式、電化學式、光導式、光伏式、熱電式、磁電式、伺服式、諧振式、應變[計]式、壓電式、壓阻式、磁阻式、差動變壓器式、隧道效應式、霍爾式、聲表面波式、光纖式、核輻射式、生物式、磁致伸縮式等輸出信號數字式、模擬式、混合式、膺數字式、開關式工作機理結構型、物性型通信技術有線網絡基于（現場）總線、基于TCP/IP協(xié)議

無線網絡說明：以電磁波和紅外線等作為載體來傳輸數據

結構組成非集成式、集成式、混合集成式、微傳感器其他分類智能復合式、集成智能式、多功能智能式、微結構智能式、硅微智能式、真空場發(fā)射式、智能納米式、智能觸覺式、碳納米管式、自主供電型（有源）式、外部供電型（無源）式續(xù)表2.4智能傳感器智能傳感器結構

智能傳感器是指在傳統(tǒng)傳感器的基礎上添加了微處理器智能感知器件，能夠利用微處理器計算和存儲能力對傳感器采集的數據進行處理的傳感器。智能傳感器主要由感知模塊和處理模塊兩部分構成，其原理框圖如圖2-26所示。2.4智能傳感器圖2-26智能傳感器原理框圖2.4智能傳感器

智能傳感器的產品較多，同樣功能的傳感器因為應用領域不同，產品設計與性能指標相差甚大，有的傳感器與機構裝置緊密結合，如圖2-27所示。2.4智能傳感器圖2-27智能傳感器樣例2.4智能傳感器智能傳感器特點自適應能力強

智能傳感器會利用從應用環(huán)境中感知到的數據進行自我學習，對檢測值進行校正或補償，并且自我診斷是否在正常工作，其最終目標是為系統(tǒng)提供精準的采集數據。2.4智能傳感器監(jiān)測與處理方便

智能傳感器能夠利用可編程自動化的能力來動態(tài)改變量程及輸出數據形式，并且通過串行或并行通信線直接將數據傳輸到數據中心或服務器或本地計算機來處理，可以方便地實現遠程控制。智能化數據處理

智能檢測系統(tǒng)通過軟件對測量結果進行及時、在線的處理以提高測量精度。2.4智能傳感器性價比高

在相同精度條件下，多功能智能傳感器與單一功能的普通傳感器相比，其性價比高，尤其是在采用比較便宜的單片機后更為明顯。2.4智能傳感器智能傳感器示例SHT11/15型智能傳感器簡要介紹

SHT11/15型智能傳感器是瑞士Sensirion公司推出的產品，具有高精度、自校準、多功能等特點，可同時測量相對濕度、溫度和露點等，被廣泛應用于工業(yè)、農業(yè)、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療等領域。

圖2-28所示。2.4智能傳感器圖2-28

SHT11/15型智能傳感器的外形2.4智能傳感器

與傳統(tǒng)的溫濕度傳感器不同，SHT11/15型智能傳感器是將溫濕度傳感器、信號放大調理、A/D轉換、二線串行接口全部集成于一個芯片內，融合了CMOS芯片技術與傳感器技術，具有超快響應、強抗干擾能力、極高性價比等優(yōu)點，其內部結構框圖。

如圖2-29所示。2.4智能傳感器圖2-29

SHT11/15型智能傳感器的內部結構框圖2.4智能傳感器測量原理

SHT11/15型智能傳感器首先利用相對濕度傳感器和溫度傳感器產生相對濕度和溫度的信號，然后經過放大、A/D轉換、校準、糾錯，再通過串口將相對濕度和溫度的數據送至微控制器，最后利用微控制器完成非線性補償和溫度補償。2.4智能傳感器SHT11/15型智能傳感器性能特點

SHT11/15型智能傳感器具有良好的性能特點，具體特點如下。

（1）全校準數字輸出各檢測數據，如溫度、濕度。（2）溫度值分辨率為14位，濕度值分辨率為12位，可通過編程降至12位和8位。

（3）具有露點計算輸出功能。

（4）不需要外圍元件。2.4智能傳感器（5）小體積（7mm×5mm×3mm），可表面貼裝。（6）卓越的長期穩(wěn)定性。（7）自動斷電功能。（8）工業(yè)標準I2C總線。（9）可靠的CRC傳輸校驗。2.4智能傳感器智能檢測系統(tǒng)智能檢測系統(tǒng)的特點

（1）軟件控制測量過程

智能檢測系統(tǒng)采用軟件控制放大、極性判斷、量程切換、報警、過載保護、非線性補償、多功能測試和自動巡回等功能

（2）智能化處理數據

智能檢測系統(tǒng)利用軟件對測量結果進行快速在線處理，并分析和加工測量結果，提高了輸出數據質量。2.4智能傳感器

（3）多通道采集和融合數據

智能檢測系統(tǒng)可以通過多個測量通道來測試數據，然后對數據進行智能化信息融合，提高了系統(tǒng)準確性、可靠性和容錯性。（4）快速檢測

智能傳感器的集成度和整合能力都比較高。在軟件控制下，智能傳感器的信號放大、過濾、非線性補償、A/D轉換、數據處理等操作的執(zhí)行速度快，大大提高了檢測的工作效率。2.4智能傳感器智能檢測系統(tǒng)智能檢測系統(tǒng)的結構智能檢測技術發(fā)展促進了信號檢測產品集成度的提高，如集成了信號處理、通信等功能，大大方便了連接各設備，而用戶只需集中力量編寫應用程序即可，縮短了開發(fā)周期。2.4智能傳感器智能檢測系統(tǒng)的特點

（1）信號提取

傳感器作為檢測系統(tǒng)與外界接觸的最前端，集中式檢測系統(tǒng)通過傳感器將實際的物理量接收進來，然后對這些物理量進行轉換，生成系統(tǒng)能夠處理的電信號。

（2）信號預處理

為了能夠使A/D轉換器準確合理地處理所提取的信號，采集的信息必須在轉換前進行預處理。2.4智能傳感器

（3）微處理處理

微處理器的功能主要是對轉換成數字信號的信息進行分析處理，同時通過人機交互設備對需要調整的信息進行必要的調整，常用的微處理器有MCU、DSP等。

（4）分布式結構

分布式結構是智能檢測技術與互聯網技術結合后誕生的一種新型結構。分布式檢測系統(tǒng)的具體結構如圖2-31所示。2.4智能傳感器