《物聯(lián)網(wǎng)工程導(dǎo)論》 課件 李世明 第1、2章　物聯(lián)網(wǎng)概論、物聯(lián)網(wǎng)感知層

第

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章概述1.1物聯(lián)網(wǎng)背景1.2物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展趨勢(shì)1.3物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)1.4物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)1.5物聯(lián)網(wǎng)典型應(yīng)用領(lǐng)域1.6本章小結(jié)第1章本章內(nèi)容什么是物聯(lián)網(wǎng)？物聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)“萬物”互聯(lián)、以互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)進(jìn)行延伸和擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)，它將各種感知物理世界的設(shè)備通過互聯(lián)網(wǎng)連接起來，實(shí)現(xiàn)不受時(shí)間、地點(diǎn)、人、物、方式的互聯(lián)互通，實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控、處理、管理和決策功能。1.1物聯(lián)網(wǎng)背景物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)狀

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展先后經(jīng)歷了不同階段，而每個(gè)階段都各有其典型特征：以傳感器等感知技術(shù)為典型特征的感知階段，以云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、智能硬件、人工智能等智能處理技術(shù)為典型特征的智能應(yīng)用階段等。1.1物聯(lián)網(wǎng)背景國(guó)外發(fā)展?fàn)顩r歐盟

歐盟委員會(huì)于2009年提出《物聯(lián)網(wǎng)——?dú)W洲行動(dòng)計(jì)劃》（InternetofThings—AnactionplanforEurope）；2015年3月，歐盟委員會(huì)推動(dòng)成立了“物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新聯(lián)盟（AllianceforInternetofThingsInnovation）”；2015年5月，歐盟通過了單一數(shù)字市場(chǎng)（DigitalSingleMarket）；2015年10月，歐盟正式開展物聯(lián)網(wǎng)重點(diǎn)研究和大規(guī)模試點(diǎn)計(jì)劃征求提案。1.1物聯(lián)網(wǎng)背景國(guó)外發(fā)展?fàn)顩r美國(guó)

2009年1月，IBM與美國(guó)智庫(kù)共同向美國(guó)政府提交關(guān)于利用信息通信技術(shù)（ICT）投資來實(shí)現(xiàn)短期內(nèi)提高就業(yè)率的報(bào)告。

具體看表1-1：

1.1物聯(lián)網(wǎng)背景

表1-12009年美國(guó)振興經(jīng)濟(jì)法案中與ICT相關(guān)的計(jì)劃投資領(lǐng)域具體項(xiàng)目能源（約500億美元）以信息技術(shù)改善能源效率；電力系統(tǒng)：智能電網(wǎng)；建筑：住宅節(jié)能化、建筑物能源使用管理系統(tǒng)；建設(shè)現(xiàn)代化公共基礎(chǔ)設(shè)施。寬帶（72億美元）寬帶技術(shù)機(jī)會(huì)計(jì)劃（BroadbandTechnologyOpportunitiesProgram）：以農(nóng)村及寬帶服務(wù)欠缺地區(qū)為首要對(duì)象，重點(diǎn)支持學(xué)校、圖書館、醫(yī)院、大學(xué)等組織，創(chuàng)造就業(yè)機(jī)會(huì)，擴(kuò)充公共計(jì)算機(jī)中心的容量；鄉(xiāng)村公共服務(wù)計(jì)劃（RuralUtilitiesServiceProgram）：提供寬帶基礎(chǔ)建設(shè)的貸款，尤其是在需要高速寬帶服務(wù)的農(nóng)村地區(qū)，為當(dāng)?shù)仉娦殴?、移?dòng)運(yùn)營(yíng)商寬帶基礎(chǔ)建設(shè)提供貸款服務(wù)。醫(yī)療（約190億美元）加速健康信息技術(shù)的推廣；加強(qiáng)個(gè)人隱私權(quán)的保障。1.1物聯(lián)網(wǎng)背景國(guó)外發(fā)展?fàn)顩r美國(guó)

奧巴馬就任總統(tǒng)后鼓勵(lì)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的政策主要體現(xiàn)在推動(dòng)能源、寬帶與醫(yī)療三大領(lǐng)域開展物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用；2015年，美國(guó)電話電報(bào)公司AT&T將車聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)當(dāng)成未來業(yè)務(wù)增長(zhǎng)點(diǎn)，并于2016年第一季度新增120萬個(gè)連接設(shè)備；Google提出ProjectIoT（物聯(lián)網(wǎng)計(jì)劃），于2015年發(fā)布源于Android的物聯(lián)網(wǎng)底層操作系統(tǒng)Brillo，其支持ARM、X86、MIPS架構(gòu)的智能硬件。1.1物聯(lián)網(wǎng)背景國(guó)外發(fā)展?fàn)顩r美國(guó)

2016年，美國(guó)思科公司為了完善物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)體系，斥資14億美元收購(gòu)Jasper全部股權(quán)；2016年11月，美國(guó)發(fā)布《保障物聯(lián)網(wǎng)安全的戰(zhàn)略原則》。1.1物聯(lián)網(wǎng)背景國(guó)外發(fā)展?fàn)顩r韓國(guó)

自1997年起，韓國(guó)政府出臺(tái)了一系列推動(dòng)國(guó)家信息化建設(shè)的產(chǎn)業(yè)政策，如2009年的《物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施構(gòu)建基本規(guī)劃》；2011年5月，韓國(guó)聯(lián)合多個(gè)部門計(jì)劃在2014年之前向物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算領(lǐng)域投入6146億韓元（約合36.88億元人民幣）；2014年5月，韓國(guó)出臺(tái)《物聯(lián)網(wǎng)基本規(guī)劃》；2016年，韓國(guó)成為全世界物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備普及率最高的國(guó)家。1.1物聯(lián)網(wǎng)背景國(guó)外發(fā)展?fàn)顩r日本

20世紀(jì)90年代以來，日本政府連續(xù)提出u-Japan、i-Japan物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展戰(zhàn)略；2015年，日本發(fā)布中長(zhǎng)期信息技術(shù)戰(zhàn)略發(fā)展計(jì)劃《i-Japan戰(zhàn)略2015》；2016年，日本通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)改進(jìn)火力發(fā)電廠的設(shè)備管理，并確定改造后的設(shè)備于2017年投入使用。1.1物聯(lián)網(wǎng)背景國(guó)內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r

為了趕超第三輪世界信息產(chǎn)業(yè)浪潮，我國(guó)政府高度重視物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化工作。國(guó)務(wù)院于2010年10月發(fā)布了《關(guān)于加快培養(yǎng)和發(fā)展戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的決定》，并明確將物聯(lián)網(wǎng)列為我國(guó)戰(zhàn)略發(fā)展新興產(chǎn)業(yè)之一。2017年，工業(yè)和信息化部發(fā)布《物聯(lián)網(wǎng)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(guān)于開展2018年物聯(lián)網(wǎng)集成創(chuàng)新與融合應(yīng)用項(xiàng)目征集工作的通知》；2018年年底，中央經(jīng)濟(jì)工作會(huì)議明確了5G、人工智能、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等“新型基礎(chǔ)設(shè)施”建設(shè)的定位。1.1物聯(lián)網(wǎng)背景國(guó)內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r

2019年，《工業(yè)和信息化部關(guān)于開展2019年IPv6網(wǎng)絡(luò)就緒專項(xiàng)行動(dòng)的通知》明確提出，要持續(xù)推進(jìn)IPv6的部署及應(yīng)用，為物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展預(yù)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(guān)于深入推進(jìn)移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)全面發(fā)展的通知》，提出到2020年年底，縣級(jí)以上城市主城區(qū)要全面覆蓋NB-IoT網(wǎng)絡(luò)，移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)連接數(shù)達(dá)到12億，打造一批NB-IoT應(yīng)用標(biāo)桿工程和NB-IoT百萬級(jí)連接規(guī)模應(yīng)用場(chǎng)景。1.1物聯(lián)網(wǎng)背景國(guó)內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r

2021年9月，工業(yè)和信息化部等八部門聯(lián)合發(fā)布《物聯(lián)網(wǎng)新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)三年行動(dòng)計(jì)劃（2021—2023年）》，明確提出要提升創(chuàng)新能力，培育產(chǎn)業(yè)生態(tài)，融合發(fā)展應(yīng)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(xiàng)重點(diǎn)任務(wù)。1.1物聯(lián)網(wǎng)背景國(guó)內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r

與此同時(shí)，國(guó)內(nèi)高校也正積極迅速地開展物聯(lián)網(wǎng)方面的研究。2009年9月，北京郵電大學(xué)與作為“感知中國(guó)”中心的無錫市就傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究和產(chǎn)業(yè)發(fā)展簽署合作協(xié)議；2009年12月8日，重慶郵電大學(xué)和無錫物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)研究院簽署合作協(xié)議，共同研究物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)；此外，南京航空航天大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)等也加快了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究。截止到目前，全國(guó)獲批物聯(lián)網(wǎng)工程本科專業(yè)的院校已有560多所。1.1物聯(lián)網(wǎng)背景國(guó)內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r

此外，國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）于2020年7月9日做出決議，正式批準(zhǔn)NB-IoT為5G標(biāo)準(zhǔn)，物聯(lián)網(wǎng)加速器再添動(dòng)力。截止到2020年2月底，國(guó)內(nèi)三大運(yùn)營(yíng)商的NB-IoT連接數(shù)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(wù)器、芯片、網(wǎng)絡(luò)等重大核心技術(shù)研發(fā)攻堅(jiān)和面向未來的數(shù)據(jù)中心建設(shè)。2020年12月16日上午，華為正式發(fā)布了HarmonyOS2.0手機(jī)開發(fā)者Beta版本。1.1物聯(lián)網(wǎng)背景國(guó)內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r

現(xiàn)如今物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)與社會(huì)發(fā)展緊密關(guān)聯(lián)，并且在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，如智能家居、智慧城市、智慧醫(yī)療、智慧交通、智能電網(wǎng)等，我國(guó)社會(huì)正在逐步實(shí)現(xiàn)“萬物互聯(lián)”。1.1物聯(lián)網(wǎng)背景物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)規(guī)模

互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心（InternetDataCenter，IDC）發(fā)布的《2021年V2全球物聯(lián)網(wǎng)支出指南》預(yù)測(cè)，全球物聯(lián)網(wǎng)支出在2025年達(dá)到12000億美元；其中，我國(guó)市場(chǎng)規(guī)模將在2025年超過3000億美元，全球占比約26.1%。1.2物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展趨勢(shì)物聯(lián)網(wǎng)與人工智能

在物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、新產(chǎn)業(yè)等快速發(fā)展的形勢(shì)下，人工智能與各個(gè)學(xué)科領(lǐng)域的深度融合是大勢(shì)所趨，人工智能已成為未來戰(zhàn)略技術(shù)之一。而人工智能技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的結(jié)合（簡(jiǎn)稱AIoT）提升了二者的戰(zhàn)略地位。大量物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的管控，以及大量信息數(shù)據(jù)的采集和傳輸，尤其是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層的大數(shù)據(jù)計(jì)算及智能決策，都需要采用人工智能技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合、智能處理，這也造就了物聯(lián)網(wǎng)的個(gè)體智能向群體智能方向演進(jìn)。

1.2物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展趨勢(shì)“工業(yè)4.0”

“工業(yè)4.0”（Industry4.0）概念最早由德國(guó)提出，并在2013年4月的漢諾威工業(yè)博覽會(huì)上通過發(fā)布《實(shí)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(shù)和網(wǎng)絡(luò)空間虛擬技術(shù)系統(tǒng)——信息物理系統(tǒng)（Cyber-PhysicalSystem，CPS）實(shí)現(xiàn)制造業(yè)的“智能制造”，其本質(zhì)是打通制造業(yè)數(shù)據(jù)流通與共享壁壘，優(yōu)化企業(yè)生產(chǎn)規(guī)模和效益，構(gòu)建出可定制化、異構(gòu)化的制造業(yè)模式，進(jìn)而促進(jìn)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)改革。

1.2物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展趨勢(shì)“工業(yè)4.0”項(xiàng)目主要包括以下三部分。

（1）智慧工廠，重點(diǎn)研究企業(yè)生產(chǎn)過程及生產(chǎn)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化、分布式和智能化。（2）智慧生產(chǎn)，重點(diǎn)研究企業(yè)生產(chǎn)過程的物資管理、人機(jī)交互、數(shù)字孿生技術(shù)，整合各類大、中、小企業(yè)，研發(fā)新一代智能化生產(chǎn)技術(shù)并確定技術(shù)的引導(dǎo)者和受益者。（3）智慧物流，重點(diǎn)研究如何利用互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、各物流系統(tǒng)進(jìn)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(wù)。

1.2物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展趨勢(shì)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)

制造業(yè)是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要支撐，而“第四次工業(yè)革命”涉及世界經(jīng)濟(jì)、國(guó)家創(chuàng)新體系、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整與競(jìng)爭(zhēng)、企業(yè)生存與發(fā)展，更是工業(yè)制造業(yè)在云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等信息技術(shù)突飛猛進(jìn)過程中的必然走向。其中，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是“第四次工業(yè)革命”的關(guān)鍵支撐和創(chuàng)新戰(zhàn)略。

1.2物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展趨勢(shì)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)將新一代信息技術(shù)與制造業(yè)深度融合，通過建立產(chǎn)品、生產(chǎn)線、供應(yīng)商、客戶和銷售商之間的互聯(lián)互通，實(shí)行網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化和智能化的跨行業(yè)、跨產(chǎn)業(yè)鏈的集成系統(tǒng)，最終提升生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本。

1.2物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展趨勢(shì)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)

我國(guó)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)較“工業(yè)4.0”內(nèi)涵更加豐富，覆蓋領(lǐng)域更多。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)中高速增長(zhǎng)，有力支撐經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

1.2物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展趨勢(shì)物聯(lián)網(wǎng)安全威脅物聯(lián)網(wǎng)感知層的安全問題

物聯(lián)網(wǎng)要實(shí)現(xiàn)“萬物互聯(lián)”，就需要大量傳感器實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)。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(yīng)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(dǎo)致上述問題更加嚴(yán)重。

1.2物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展趨勢(shì)物聯(lián)網(wǎng)安全威脅物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層的安全問題

物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層與具體業(yè)務(wù)相關(guān)性較大，數(shù)據(jù)中心和計(jì)算中心的安全性往往更高。

物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層主要面臨的安全問題有數(shù)據(jù)安全、用戶隱私安全、安全溯源、數(shù)字取證、滲透攻擊、數(shù)據(jù)庫(kù)安全等。

1.2物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展趨勢(shì)體系結(jié)構(gòu)概述

目前，多個(gè)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織及技術(shù)聯(lián)盟提出了各自的物聯(lián)網(wǎng)參考體系，如ISO/IECJTC1/WG10、ITUSG20、IEEEP2413、IIC、IoT-A、OneM2M等。各個(gè)體系結(jié)構(gòu)從不同角度進(jìn)行描述，如機(jī)器對(duì)機(jī)器通信（MachinetoMachine，M2M）角度、泛在網(wǎng)角度、互聯(lián)網(wǎng)角度、傳感網(wǎng)角度、移動(dòng)網(wǎng)角度等。因此，對(duì)物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)的描述形式始終無法統(tǒng)一。1.3物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)我國(guó)物聯(lián)網(wǎng)體系概述物聯(lián)網(wǎng)概念模型物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)參考體系結(jié)構(gòu)面向Web開放服務(wù)的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)參考架構(gòu)典型物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)

1.3物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)概念模型GB/T33474—2016標(biāo)準(zhǔn)采用遞進(jìn)和分開的思路進(jìn)行模型設(shè)計(jì)，根據(jù)不同類別的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)抽象出物聯(lián)網(wǎng)概念模型，如圖1-2所示。1.3物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)圖1-2物聯(lián)網(wǎng)概念模型1.3物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)

該物聯(lián)網(wǎng)概念模型中包含了6個(gè)域，各域的描述如下。用戶域

用戶域是物聯(lián)網(wǎng)用戶和用戶系統(tǒng)的實(shí)體集合，用戶通過系統(tǒng)及其他域的實(shí)體來感知物理世界對(duì)象的信息，并進(jìn)行操控。目標(biāo)對(duì)象域

目標(biāo)對(duì)象域是用戶期望感知相關(guān)信息或執(zhí)行相關(guān)操控的對(duì)象實(shí)體集合。它包括用戶期望感知信息的對(duì)象和用戶期望執(zhí)行操控的對(duì)象。1.3物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)感知控制域

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

服務(wù)提供域是實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)服務(wù)與業(yè)務(wù)服務(wù)方面的軟/硬件系統(tǒng)實(shí)體集合。1.3物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)運(yùn)維管控域

運(yùn)維管控域是實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的運(yùn)行、維護(hù)、法律要求的監(jiān)管功能的軟/硬件系統(tǒng)實(shí)體集合資源交換域

資源交換域是實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)外之間信息共享與交換，以及信息和服務(wù)集中交易的軟/硬件系統(tǒng)實(shí)體集合。1.3物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)參考體系結(jié)構(gòu)

參考體系結(jié)構(gòu)以物聯(lián)網(wǎng)概念模型為基礎(chǔ)，按從上到下的思想從系統(tǒng)頂層架構(gòu)開始設(shè)計(jì)，如圖1-3所示。1.3物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)圖1-3物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)參考體系結(jié)構(gòu)1.3物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)

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

用戶系統(tǒng)是支撐物聯(lián)網(wǎng)用戶接入物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)、使用物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)的接口系統(tǒng)。從物聯(lián)網(wǎng)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(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)是支撐感知控制系統(tǒng)與其他系統(tǒng)互聯(lián)、實(shí)現(xiàn)感知控制域本地管理的實(shí)體。感知控制系統(tǒng)

感知控制系統(tǒng)通過對(duì)關(guān)聯(lián)對(duì)象進(jìn)行信息感知和執(zhí)行控制操作，能夠進(jìn)行本地協(xié)同信息處理和融合?；A(chǔ)服務(wù)系統(tǒng)

基礎(chǔ)服務(wù)系統(tǒng)提供物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)支撐服務(wù)系統(tǒng)，保障正常提供各類業(yè)務(wù)服務(wù)。1.3物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)業(yè)務(wù)服務(wù)系統(tǒng)

業(yè)務(wù)服務(wù)系統(tǒng)是為特定用戶提供物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)服務(wù)的系統(tǒng)。它提供對(duì)象信息統(tǒng)計(jì)查詢、分析對(duì)比、告警、預(yù)警、操作控制、協(xié)調(diào)聯(lián)動(dòng)等功能。運(yùn)維管控系統(tǒng)

運(yùn)維管控系統(tǒng)能夠管理和保障物聯(lián)網(wǎng)中設(shè)備和系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行并符合相關(guān)法律法規(guī)，可分為運(yùn)行維護(hù)系統(tǒng)和法規(guī)監(jiān)管系統(tǒng)。1.3物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)資源交換系統(tǒng)

資源交換系統(tǒng)能夠完成物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)外之間信息資源共享與交換、系統(tǒng)信息和服務(wù)集中交易，根據(jù)功能可分為信息資源交換系統(tǒng)和市場(chǎng)資源交換系統(tǒng)。1.3物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)面向Web開放服務(wù)的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)參考架構(gòu)

我國(guó)于2022年5月1日開始實(shí)施國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T40778.1—2021，以實(shí)現(xiàn)各物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)的流通，達(dá)到“物物互聯(lián)”的目的。該國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)適用于面向Web開放服務(wù)的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)頂層設(shè)計(jì)，如圖1-4所示。1.3物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)圖1-4面向Web開放服務(wù)的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)頂層設(shè)計(jì)1.3物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)

其中，各部分描述如下：

（1）RFD（Reduced-FunctionDevice，受限功能設(shè)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(wǎng)關(guān)與Web服務(wù)器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸功能。

（2）FFD（Full-FunctionDevice，全功能設(shè)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(wǎng)關(guān)及Web服務(wù)器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸功能。

（3）邊緣網(wǎng)關(guān)是部署在網(wǎng)絡(luò)邊緣的網(wǎng)關(guān)設(shè)備，可與RFD、FFD及Web服務(wù)器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸功能。1.3物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)

（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(wù)器請(qǐng)求的Web資源呈現(xiàn)出來，顯示在瀏覽器窗口中。

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

物聯(lián)網(wǎng)Web功能組件如圖1-5所示。1.3物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)圖1-5物聯(lián)網(wǎng)Web功能組件1.3物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)典型物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)

從物聯(lián)網(wǎng)的提出到目前發(fā)展來看，比較常見的物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層，如圖1-6所示。1.3物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)圖1-6典型物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)1.3物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)感知層

物聯(lián)網(wǎng)的目標(biāo)之一是實(shí)現(xiàn)“物與物”和“人與物”之間的通信，感知層技術(shù)作為實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)感知能力的核心和物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)之一，其關(guān)鍵在于對(duì)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(jīng)末梢，能夠完成對(duì)物理世界實(shí)體的信息采集、捕獲和識(shí)別。1.3物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)層

物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)層是物聯(lián)網(wǎng)信息的基礎(chǔ)承載網(wǎng)絡(luò)，它建立在現(xiàn)有的移動(dòng)通信網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上，主要完成信息的傳送，實(shí)現(xiàn)人與人、人與物、物與物之間的通信，主要包括接入網(wǎng)絡(luò)和核心網(wǎng)絡(luò)二層結(jié)構(gòu)。1.3物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)應(yīng)用層

物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用層是物聯(lián)網(wǎng)和用戶（包括人、組織和其他系統(tǒng)）之間的接口，是實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與行業(yè)需求密切結(jié)合并智能應(yīng)用的功能層。

應(yīng)用層能夠?qū)崿F(xiàn)信息存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)挖掘和智能決策等功能。

后期業(yè)界研究人員在三層結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了細(xì)化和擴(kuò)展，提出了細(xì)化后的物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)，如圖1-7所示。1.3物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)特征全面感知

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的首要環(huán)節(jié)是對(duì)物理世界的信息進(jìn)行時(shí)效性采集，要求傳感器（或RFID）等采集設(shè)備能夠被嵌入需要采集信息的地點(diǎn)、物體及系統(tǒng)中，利用采集技術(shù)和方法實(shí)時(shí)高效采集目標(biāo)信息，并對(duì)其進(jìn)行整合處理?？煽總魉涂煽總魉褪侵笇?duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行安全加密，并采用各類有效的協(xié)議進(jìn)行安全傳輸，以保證數(shù)據(jù)的高可靠性、安全性及準(zhǔn)確性。1.4物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)智能處理

智能處理是指利用計(jì)算機(jī)技術(shù)、大數(shù)據(jù)處理技術(shù)、人工智能技術(shù)對(duì)接收到的物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)進(jìn)行加工、處理，為最終智能決策和控制服務(wù)。1.4物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)物聯(lián)網(wǎng)涉及的主要技術(shù)分為感知層技術(shù)、應(yīng)用層技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)層技術(shù)和公共技術(shù)。該框架代表著物聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)的集合，如圖1-8所示。1.4物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)圖1-8物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)框架1.4物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)感知層關(guān)鍵技術(shù)感知層技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)用的基礎(chǔ)，主要完成對(duì)物理世界對(duì)象信息的感知與識(shí)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(shù)和感知數(shù)據(jù)處理技術(shù)。1.4物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)網(wǎng)絡(luò)層關(guān)鍵技術(shù)由感知層技術(shù)采集的數(shù)據(jù)被網(wǎng)絡(luò)層傳輸給應(yīng)用層，或應(yīng)用層數(shù)據(jù)經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)層再向感知層傳輸，需要利用物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)完成傳輸操作。網(wǎng)絡(luò)層關(guān)鍵技術(shù)有光通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、移動(dòng)通信網(wǎng)技術(shù)（如3G、4G、5G）、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、局域網(wǎng)技術(shù)、Wi-Fi技術(shù)及自組織網(wǎng)技術(shù)等。1.4物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用層關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用層技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收、存儲(chǔ)、計(jì)算、決策、授權(quán)等，并對(duì)客戶提供不同應(yīng)用型服務(wù)。應(yīng)用層技術(shù)分為終端設(shè)計(jì)技術(shù)、應(yīng)用設(shè)計(jì)技術(shù)和應(yīng)用支撐技術(shù)。應(yīng)用層技術(shù)涉及學(xué)科多、交叉性強(qiáng)，能夠?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)系統(tǒng)的具體應(yīng)用提供支撐服務(wù)，實(shí)現(xiàn)跨行業(yè)、跨應(yīng)用、跨系統(tǒng)的信息協(xié)同、共享、互通。1.4物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)公共技術(shù)公共技術(shù)是管理和保障物聯(lián)網(wǎng)整體性能的技術(shù)，它涉及各層，主要有標(biāo)識(shí)技術(shù)、安全技術(shù)、QoS技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)。從本質(zhì)上講，公共技術(shù)部分不屬于單獨(dú)的層次，因?yàn)樗婕暗募夹g(shù)在感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層3個(gè)層次中都有體現(xiàn)。具體而言，公共技術(shù)的安全在感知層體現(xiàn)為邊緣計(jì)算安全，在網(wǎng)絡(luò)層體現(xiàn)為網(wǎng)絡(luò)安全，在應(yīng)用層體現(xiàn)為數(shù)據(jù)安全、系統(tǒng)安全，而且有些內(nèi)容貫穿多個(gè)層次，所以公共技術(shù)部分屬于3個(gè)層次共有。1.4物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)物聯(lián)網(wǎng)典型應(yīng)用領(lǐng)域智能電網(wǎng)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)智慧農(nóng)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(lián)網(wǎng)典型應(yīng)用領(lǐng)域智能電網(wǎng)智能電網(wǎng)（見圖1-9）是指在現(xiàn)有電網(wǎng)和集成、高速雙向通信的基礎(chǔ)上，通過先進(jìn)的傳感與測(cè)量技術(shù)、設(shè)備技術(shù)、控制技術(shù)和決策支持技術(shù)進(jìn)行改造升級(jí)，來實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的可靠、安全、經(jīng)濟(jì)、高效的管理與運(yùn)營(yíng)。1.5物聯(lián)網(wǎng)典型應(yīng)用領(lǐng)域圖1-9智能電網(wǎng)1.5物聯(lián)網(wǎng)典型應(yīng)用領(lǐng)域工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)（見圖1-10）的主要應(yīng)用集中在制造業(yè)供應(yīng)鏈管理、生產(chǎn)過程工藝優(yōu)化、產(chǎn)品設(shè)備監(jiān)控管理、環(huán)保監(jiān)測(cè)及能源管理、工業(yè)安全生產(chǎn)管理上。1.5物聯(lián)網(wǎng)典型應(yīng)用領(lǐng)域圖1-10工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)1.5物聯(lián)網(wǎng)典型應(yīng)用領(lǐng)域智慧農(nóng)業(yè)智慧農(nóng)業(yè)（見圖1-11）是物聯(lián)網(wǎng)的一個(gè)典型應(yīng)用，它通過實(shí)時(shí)采集大棚（或溫室）內(nèi)的溫度、濕度、光照度、土壤溫濕度、CO2濃度、葉面濕度、露點(diǎn)溫度等參數(shù)，根據(jù)智能管理系統(tǒng)盡最大努力來自動(dòng)管理農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行。1.5物聯(lián)網(wǎng)典型應(yīng)用領(lǐng)域圖1-11智慧農(nóng)業(yè)1.5物聯(lián)網(wǎng)典型應(yīng)用領(lǐng)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(shè)備對(duì)家中患者或老人的生理指標(biāo)進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)，并通過網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)傳輸給遠(yuǎn)程護(hù)理人、醫(yī)生或醫(yī)療單位來實(shí)現(xiàn)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(lián)網(wǎng)典型應(yīng)用領(lǐng)域圖1-13智慧醫(yī)療1.5物聯(lián)網(wǎng)典型應(yīng)用領(lǐng)域智慧交通智慧交通（見圖1-14）是指通過各物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)公共交通的監(jiān)控、管理、報(bào)站、電子票務(wù)等系列活動(dòng)，目的是方便人們?nèi)粘３鲂校瑑?yōu)化和管控交通流量。同時(shí),智慧交通還可以根據(jù)對(duì)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(lián)網(wǎng)典型應(yīng)用領(lǐng)域圖1-14智慧交通1.5物聯(lián)網(wǎng)典型應(yīng)用領(lǐng)域智能物流智慧物流（見圖1-15）是指利用計(jì)算機(jī)、條碼、傳統(tǒng)物流和車輛導(dǎo)航監(jiān)控等技術(shù)手段打造的信息，實(shí)現(xiàn)電子商務(wù)、物流配載和倉(cāng)儲(chǔ)管理等服務(wù)于物流功能的物流模式。1.5物聯(lián)網(wǎng)典型應(yīng)用領(lǐng)域圖1-15智慧物流1.5物聯(lián)網(wǎng)典型應(yīng)用領(lǐng)域智能城市智慧城市（見圖1-16）是指利用各種信息技術(shù)及創(chuàng)新理念，圍繞城市系統(tǒng)和服務(wù)進(jìn)行設(shè)計(jì)、集成或開發(fā)，來實(shí)現(xiàn)城市資源運(yùn)用效率提升和城市管理優(yōu)化，有助于提升城市服務(wù)質(zhì)量和人民生活水平。1.5物聯(lián)網(wǎng)典型應(yīng)用領(lǐng)域圖1-16智慧城市1.5物聯(lián)網(wǎng)典型應(yīng)用領(lǐng)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(chǔ)，綜合利用布線技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、智能技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)、安全防火防盜技術(shù)、自動(dòng)檢測(cè)與控制技術(shù)、音頻視頻技術(shù)等對(duì)必要生活設(shè)施進(jìn)行升級(jí)改造，利用各類傳感器、設(shè)備或設(shè)施對(duì)家居環(huán)境進(jìn)行智能化升級(jí)。從2017年開始，我國(guó)就不斷發(fā)布和實(shí)施智能家居的系列國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。1.5物聯(lián)網(wǎng)典型應(yīng)用領(lǐng)域圖1-17智能家居1.5物聯(lián)網(wǎng)典型應(yīng)用領(lǐng)域智能校園智慧校園是指采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)校園開展管理、教學(xué)、科研、學(xué)習(xí)和生活等活動(dòng)的智慧型場(chǎng)所。在系列優(yōu)化和管理過程中，智慧校園圍繞各種應(yīng)用服務(wù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，使得校園生活得到充分融合。1.5物聯(lián)網(wǎng)典型應(yīng)用領(lǐng)域

本章圍繞著物聯(lián)網(wǎng)的基本狀況進(jìn)行講解，介紹了物聯(lián)網(wǎng)的背景、發(fā)展趨勢(shì)、體系結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)及典型應(yīng)用領(lǐng)域。1.6本章小結(jié)第2章物聯(lián)網(wǎng)感知層2.1感知層概述2.2RFID技術(shù)2.3傳感器2.4智能傳感器2.5WSN2.6本章小結(jié)第2章本章內(nèi)容感知層簡(jiǎn)介

感知層是物聯(lián)網(wǎng)三層體系結(jié)構(gòu)中的底層，完成對(duì)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(duì)聲、光、電、力、位置、媒體等屬性信息的采集。感知層技術(shù)能夠采集物體與環(huán)境等信息并在處理后發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)層，網(wǎng)絡(luò)層再利用各類網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)將信息傳輸?shù)綉?yīng)用層，最終實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的處理和應(yīng)用。2.1感知層概述感知層關(guān)鍵技術(shù)感知層關(guān)鍵技術(shù)主要通過各種不同類型的傳感器對(duì)物理世界不同對(duì)象的屬性信息、狀態(tài)信息進(jìn)行感知與識(shí)別，然后對(duì)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、傳送或接收控制命令。感知層關(guān)鍵技術(shù)分為采集控制技術(shù)和感知數(shù)據(jù)處理技術(shù)，如圖2-1所示。2.1感知層概述圖2-1感知層關(guān)鍵技術(shù)2.1感知層概述感知層關(guān)鍵技術(shù)標(biāo)識(shí)和解析

物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)識(shí)體系總則（GB/T37032—2018）是我國(guó)于2018年發(fā)布并于2019年7月1日起實(shí)施的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)由全國(guó)物品編碼標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)（SAC/TC287）和全國(guó)信息技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)（SAC/TC28）提出并歸口管理，由中國(guó)物品編碼中心和中國(guó)電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院起草制定，分為編碼、采集與識(shí)別、信息服務(wù)三部分。

如圖2-2所示

2.1感知層概述

圖2-2圖2-2物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)識(shí)體系框架2.1感知層概述

（1）編碼

物聯(lián)網(wǎng)采用統(tǒng)一編碼方式，對(duì)物聯(lián)網(wǎng)中所有對(duì)象的物理實(shí)體或虛擬實(shí)體進(jìn)行全局性、唯一性代碼編制，同時(shí)對(duì)現(xiàn)有的物聯(lián)網(wǎng)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(biāo)識(shí)實(shí)現(xiàn)編碼的兼容性）。（2）采集與識(shí)別

采集與識(shí)別是指按照數(shù)據(jù)協(xié)議將編碼存入數(shù)據(jù)載體，通過讀寫設(shè)備對(duì)數(shù)據(jù)載體進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別，讀取編碼信息并提供給信息服務(wù)進(jìn)行處理。2.1感知層概述

（3）信息服務(wù)

信息服務(wù)包含標(biāo)識(shí)解析服務(wù)、信息發(fā)現(xiàn)服務(wù)和接口服務(wù)等。物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)識(shí)體系要具備必要的安全機(jī)制，能夠保障物品標(biāo)識(shí)編碼在分配、注冊(cè)和解析過程中的數(shù)據(jù)安全。2.1感知層概述感知層關(guān)鍵技術(shù)條碼

條碼（又稱條形碼）技術(shù)是根據(jù)條碼理論將光電技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、圖像處理技術(shù)、條碼印制技術(shù)集于一體的識(shí)別技術(shù)。條碼具有識(shí)別速度快、準(zhǔn)確率高、成本低、安全可靠性高、使用周期長(zhǎng)等特點(diǎn)，常被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。

2.1感知層概述RFID

RFID（無線射頻識(shí)別）是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，直接繼承了雷達(dá)的概念。當(dāng)采用RFID系統(tǒng)后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)高速識(shí)別標(biāo)簽并讀出標(biāo)簽內(nèi)部數(shù)據(jù)。傳感器與智能傳感器

傳感器（Sensor/Transducer）是物聯(lián)網(wǎng)感知層的重要部分。它是能夠利用物理、化學(xué)和生物等學(xué)科的某些效應(yīng)或機(jī)理來感知規(guī)定的被測(cè)量，并將其按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信息的測(cè)量裝置。

2.1感知層概述位置信息采集

位置定位是物聯(lián)網(wǎng)中感知位置的重要技術(shù)，可以分為室外定位和室內(nèi)定位。室外定位技術(shù)主要為導(dǎo)航技術(shù)，室內(nèi)定位技術(shù)有RFID定位技術(shù)、藍(lán)牙定位技術(shù)等。無線傳感網(wǎng)

無線傳感網(wǎng)也叫作無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WirelessSensorNetwork，WSN），是通過在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)部署大量低成本、資源受限、具有計(jì)算和無線通信功能的傳感器節(jié)點(diǎn)形成的一種具有多跳自組織能力的網(wǎng)絡(luò)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(yīng)用軟件之間的程序或組件，是兩級(jí)程序的連接“管道”。中間件利用各類協(xié)議向下傳輸數(shù)據(jù)，向上可以提供數(shù)據(jù)資源和服務(wù)，經(jīng)過這樣處理后，上層應(yīng)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(lián)網(wǎng)中間件需要應(yīng)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)中的異構(gòu)設(shè)備和異構(gòu)數(shù)據(jù)等復(fù)雜情況，具備較強(qiáng)的獨(dú)立性和兼容性，實(shí)現(xiàn)與上層多個(gè)應(yīng)用程序交互，同時(shí)兼容不同廠商、不同型號(hào)、不同軟件的異構(gòu)性，采集數(shù)據(jù)，完成應(yīng)用層業(yè)務(wù)邏輯，支持標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)議。物聯(lián)網(wǎng)中間件示意圖如圖2-7所示。

2.1感知層概述

圖2-7物聯(lián)網(wǎng)中間件示意圖2.1感知層概述物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)

任何一個(gè)完整的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)都離不開物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，因?yàn)樗跀?shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、實(shí)時(shí)傳輸、設(shè)備控制等操作中起著至關(guān)重要的作用。常見的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)有智能家居網(wǎng)關(guān)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)等。（1）智能家居網(wǎng)關(guān)

智能家居是相對(duì)成熟的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用領(lǐng)域，智能家居網(wǎng)關(guān)連接家庭的各類智能終端，如智能手機(jī)、智能電視、智能熱水器、智能空調(diào)、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(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，是國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略之一。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)（見圖2-8）可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)工業(yè)的升級(jí)，實(shí)現(xiàn)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)及工業(yè)協(xié)議的互通，獲取和傳輸工業(yè)數(shù)據(jù)，及時(shí)響應(yīng)工業(yè)系統(tǒng)請(qǐng)求，是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中的極其重要的設(shè)備。2.1感知層概述圖2-8工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)2.1感知層概述

（3）物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)應(yīng)用示例

在設(shè)計(jì)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)時(shí)，可以根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域、技術(shù)特點(diǎn)、功能需求和設(shè)備選擇使用不同類型的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)應(yīng)用示意圖如圖2-9所示。2.1感知層概述圖2-9物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)應(yīng)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(jì)算能力的移動(dòng)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)收集，然后經(jīng)過數(shù)據(jù)傳輸聚合到數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)，并由數(shù)據(jù)使用者提出請(qǐng)求，平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和共享知識(shí)的一種物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)感知和服務(wù)模式。物聯(lián)網(wǎng)群智感知系統(tǒng)架構(gòu)如圖2-10所示。

2.1感知層概述圖2-10物聯(lián)網(wǎng)群智感知系統(tǒng)架構(gòu)2.1感知層概述

群智感知能夠?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)應(yīng)用（如社會(huì)公共安全、智慧城市、智慧醫(yī)療等）提供更多有價(jià)值的數(shù)據(jù)，具有部署成本低、方式靈活、感知異構(gòu)數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)源多樣、應(yīng)用廣泛、容易擴(kuò)展等特點(diǎn)。語音識(shí)別

語音識(shí)別是目前流行的技術(shù)之一，它先將人類語音轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，然后用模/數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)和編碼技術(shù)轉(zhuǎn)換成可存儲(chǔ)、可處理的數(shù)據(jù)，結(jié)合人工智能技術(shù)識(shí)別出不同人的聲音。

2.1感知層概述生物識(shí)別

物識(shí)別也叫作生物特征識(shí)別，是指利用設(shè)備對(duì)人體生物特征進(jìn)行采集并經(jīng)過計(jì)算機(jī)技術(shù)處理后形成唯一識(shí)別個(gè)體的數(shù)據(jù)。這里的生物特征是指人的指紋、掌紋、虹膜、臉、手勢(shì)、步態(tài)、DNA等。

2.1感知層概述RFID工作原理

RFID標(biāo)簽由耦合元件和微電子芯片構(gòu)成，使用時(shí)可以依附在物體表面，也可以嵌入物體之中（金屬除外）。RFID標(biāo)簽中存儲(chǔ)要識(shí)別的信息。常見的RFID標(biāo)簽內(nèi)部結(jié)構(gòu)和RFID標(biāo)簽生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)。如圖2-12所示。

在過去的半個(gè)多世紀(jì)中，RFID技術(shù)的發(fā)展階段如表2-1所示。2.2RFID技術(shù)圖2-12常見的RFID標(biāo)簽內(nèi)部結(jié)構(gòu)和RFID標(biāo)簽生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)（a）RFID標(biāo)簽內(nèi)部結(jié)構(gòu) （b）RFID標(biāo)簽生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)2.2RFID技術(shù)

在過去的半個(gè)多世紀(jì)中，RFID技術(shù)的發(fā)展階段如表2-1所示。年代發(fā)展歷程及主要表現(xiàn)1941—1950年根據(jù)雷達(dá)技術(shù)衍生RFID技術(shù)，1948年奠定RFID理論基礎(chǔ)1951—1960年RFID探索階段，研究理論和技術(shù)1961—1970年RFID理論發(fā)展階段，嘗試應(yīng)用1971—1980年 RFID快速發(fā)展階段，出現(xiàn)RFID應(yīng)用1981—1990年RFID開始商業(yè)應(yīng)用，并具有一定規(guī)模1991—2000年開始著手RFID標(biāo)準(zhǔn)化工作，RFID技術(shù)已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用2001年至今公布RFID技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，RFID技術(shù)應(yīng)用隨處可見表2-1RFID技術(shù)的發(fā)展階段2.2RFID技術(shù)RFID特點(diǎn)

（1）識(shí)別精度高，可快速準(zhǔn)確地識(shí)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(shù)據(jù)，可工作于惡劣環(huán)境。

（3）可以同時(shí)對(duì)多個(gè)物體進(jìn)行識(shí)讀。

（4）儲(chǔ)存信息量大且可加密，是普通條碼存儲(chǔ)信息量的幾十倍，甚至上百倍。

2.2RFID技術(shù)RFID工作過程（1）工作原理

利用射頻信號(hào)或空間耦合（電感或電磁耦合）的傳輸特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)標(biāo)簽的讀取或?qū)懭搿，F(xiàn)以有源標(biāo)簽為例進(jìn)行說明，RFID工作原理如圖2-13所示。

2.2RFID技術(shù)圖2-13RFID工作原理（以有源標(biāo)簽為例）2.2RFID技術(shù)（2）工作過程

開始工作時(shí)，讀寫器向標(biāo)簽發(fā)送指令，標(biāo)簽回送應(yīng)答信息來建立雙向通信通道，讀寫器通過天線向標(biāo)簽發(fā)射攜帶操作指令的無線信號(hào)，標(biāo)簽接收指令并完成指令要求的任務(wù)后，再將標(biāo)簽標(biāo)識(shí)和執(zhí)行結(jié)果以無線方式回送給讀寫器，也可能直接存儲(chǔ)在RFID標(biāo)簽中。2.2RFID技術(shù)RFID關(guān)鍵技術(shù)RFID頻率選擇

RFID工作的頻率不同則特性不同，適合的應(yīng)用領(lǐng)域也不同。

（1）低頻

低頻RFID工作頻率為125kHz～135kHz，該頻率的應(yīng)用和推廣非常廣泛，具有穿透力強(qiáng)（除金屬外）、不會(huì)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(diǎn)2.2RFID技術(shù)（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(biāo)簽式封裝使用，具有穿透力強(qiáng)（除金屬外）、會(huì)降速、頻段無特殊限制、讀寫區(qū)域均勻、防碰撞沖突（可同時(shí)讀取多個(gè)電子標(biāo)簽）、可寫數(shù)據(jù)到標(biāo)簽、傳輸速率高于低頻等特點(diǎn)。（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(yuǎn)，無源可達(dá)10m。2.2RFID技術(shù)天線技術(shù)

RFID根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域不同的具體需求來選擇頻率，設(shè)計(jì)天線，甚至要考慮是否需要嵌入檢測(cè)對(duì)象內(nèi)部。不同的天線設(shè)計(jì)對(duì)數(shù)據(jù)發(fā)送和接收的效果也是不同的。低功耗技術(shù)

低功耗是RFID模塊的基本要求，低功耗技術(shù)是提升識(shí)別距離、降低功耗和推廣應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)。

2.2RFID技術(shù)防沖撞技術(shù)

人們將計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的防碰撞沖突算法及原理經(jīng)過改進(jìn)應(yīng)用到RFID技術(shù)中，但因?yàn)橛?jì)算能力不同、標(biāo)簽響應(yīng)時(shí)間要求不同，算法效果不是很理想，所以需要針對(duì)RFID來研究解決碰撞沖突問題。封裝技術(shù)

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

RFID中間件作用于RFID讀寫器和RFID應(yīng)用軟件之間，是RFID系統(tǒng)的神經(jīng)中樞，可使應(yīng)用開發(fā)者不用再關(guān)心RFID的底層實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，而將重點(diǎn)放在應(yīng)用需求本身上，從而將應(yīng)用開發(fā)者從復(fù)雜的物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中解放出來。安全技術(shù)

RFID標(biāo)簽的設(shè)計(jì)、制作、封裝等決定著標(biāo)簽的物理安全，讀寫器與RFID標(biāo)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(shù)定位與跟蹤技術(shù)

RFID技術(shù)可以用于空間定位與跟蹤服務(wù)，利用標(biāo)簽對(duì)物體的唯一標(biāo)識(shí)，依據(jù)讀寫器與標(biāo)簽之間射頻信號(hào)的強(qiáng)度來測(cè)試空間位置，可以用于GPS系統(tǒng)難以應(yīng)用到的室內(nèi)定位領(lǐng)域。

2.2RFID技術(shù)RFID標(biāo)準(zhǔn)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)

我國(guó)已經(jīng)發(fā)布了許多RFID國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)行的部分RFID國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)如表2-2所示。

2.2RFID技術(shù)表2-2我國(guó)現(xiàn)行的部分RFID國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)序號(hào)標(biāo)準(zhǔn)號(hào)是否采標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)名稱類別發(fā)布日期實(shí)施日期1GB/T35660.3—2021采信息與文獻(xiàn)圖書館射頻識(shí)別（RFID）第3部分：分區(qū)存儲(chǔ)RFID標(biāo)簽中基于ISO/IEC15962規(guī)則的數(shù)據(jù)元素編碼推標(biāo)2021-11-262021-11-262GB/T38333—2019

鉛酸蓄電池用射頻識(shí)別（RFID）電子標(biāo)簽技術(shù)規(guī)范推標(biāo)2019-12-102020-07-013GB/T38059—2019

氣瓶射頻識(shí)別（RFID）應(yīng)用充裝控制管理要求推標(biāo)2019-10-182020-05-014GB/T37886—2019

氣瓶射頻識(shí)別（RFID）讀寫設(shè)備技術(shù)規(guī)范推標(biāo)2019-08-302020-03-015GB/T37026—2018

服裝商品編碼與射頻識(shí)別（RFID）標(biāo)簽規(guī)范推標(biāo)2018-12-282019-07-012.2RFID技術(shù)序號(hào)標(biāo)準(zhǔn)號(hào)是否采標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)名稱類別發(fā)布日期實(shí)施日期6GB/Z36442.1—2018

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

信息安全技術(shù)射頻識(shí)別（RFID）系統(tǒng)通用安全技術(shù)要求推標(biāo)2017-12-292018-07-019GB/T35412—2017

托盤共用系統(tǒng)電子標(biāo)簽（RFID）應(yīng)用規(guī)范推標(biāo)2017-12-292018-07-0110GB/T35660.1—2017采信息與文獻(xiàn)圖書館射頻識(shí)別（RFID）第1部分：數(shù)據(jù)元素及實(shí)施通用指南推標(biāo)2017-12-292017-12-2911GB/T35660.2—2017采信息與文獻(xiàn)圖書館射頻識(shí)別（RFID）第2部分：基于ISO/IEC15962規(guī)則的RFID數(shù)據(jù)元素編碼推標(biāo)2017-12-292018-07-01續(xù)表2.2RFID技術(shù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)

ISO前后累計(jì)發(fā)布160多個(gè)關(guān)于RFID的各類標(biāo)準(zhǔn)，如ISO11784RFID畜牧業(yè)的應(yīng)用－編碼結(jié)構(gòu)、ISO11785RFID畜牧業(yè)的應(yīng)用－技術(shù)理論、ISO14223-1RFID畜牧業(yè)的應(yīng)用－空氣接口等

各類標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域中，如供應(yīng)鏈、生產(chǎn)線自動(dòng)化、航空包裹、集裝箱、智慧農(nóng)牧業(yè)、人員管理、資產(chǎn)管理、后勤管理等領(lǐng)域。

2.2RFID技術(shù)RFID系統(tǒng)組成

通用RFID系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能及硬件組成基本是相同的，一般由標(biāo)簽、讀寫器和應(yīng)用服務(wù)管理系統(tǒng)三部分構(gòu)成，如圖2-15所示。2.2RFID技術(shù)圖2-15RFID系統(tǒng)基本組成2.2RFID技術(shù)標(biāo)簽

根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域需求，RFID系統(tǒng)可選用不同指標(biāo)的標(biāo)簽，如有源或無源、標(biāo)簽頻率、標(biāo)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?qū)懭霕?biāo)簽數(shù)據(jù)的電子設(shè)備，一般設(shè)計(jì)成手持式或固定式，外觀與結(jié)構(gòu)不統(tǒng)一，樣式較多，如圖2-16所示。

2.2RFID技術(shù)圖2-16讀寫器2.2RFID技術(shù)應(yīng)用服務(wù)管理系統(tǒng)

讀寫器讀取標(biāo)簽數(shù)據(jù)并傳輸標(biāo)簽數(shù)據(jù)到后臺(tái)計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)庫(kù)中，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、查詢、刪除、更新等處理功能，為RFID的應(yīng)用提供管理服務(wù)。

一個(gè)典型的RFID應(yīng)用服務(wù)管理系統(tǒng)主要由RFID中間件、RFID應(yīng)用軟件和后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)組成。（1）RFID中間件RFID中間件能夠兼容不同的讀寫器和標(biāo)簽數(shù)據(jù)，使開發(fā)者無須關(guān)心RFID底層細(xì)節(jié)，從而降低開發(fā)難度。

2.2RFID技術(shù)

（2）RFID應(yīng)用軟件RFID應(yīng)用軟件是為解決應(yīng)用領(lǐng)域中的具體問題而開發(fā)的軟件，對(duì)RFID標(biāo)簽信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、計(jì)算、管理等。

（3）后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)可直接存儲(chǔ)RFID信息。2.2RFID技術(shù)RFID應(yīng)用案例安全防護(hù)領(lǐng)域

（1）門禁安保

RFID技術(shù)在門禁安保領(lǐng)域的應(yīng)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(shù)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(nèi)部或表面粘貼RFID標(biāo)簽，當(dāng)商品經(jīng)過出口處時(shí)，讀寫器會(huì)自動(dòng)識(shí)別并報(bào)警。

2.2RFID技術(shù)商品生產(chǎn)銷售領(lǐng)域

（1）生產(chǎn)流水線產(chǎn)品管理

將RFID標(biāo)簽粘貼在產(chǎn)品上，在生產(chǎn)流水線上能夠自動(dòng)識(shí)別，達(dá)到自動(dòng)監(jiān)視、節(jié)約管理成本、改進(jìn)生產(chǎn)方式和提高生產(chǎn)效率的目的。

（2）倉(cāng)儲(chǔ)管理

先將RFID標(biāo)簽提前粘貼在貨物上，然后通過手持讀寫器進(jìn)行掃描，就可以立即知道倉(cāng)庫(kù)中貨物的存儲(chǔ)情況，從而提高管理效率。

2.2RFID技術(shù)

（3）產(chǎn)品防偽

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

（4）RFID卡收費(fèi)

RFID可以取代目前一些不太安全的收費(fèi)卡，如磁卡等。通過RFID技術(shù)可實(shí)現(xiàn)非接觸式收費(fèi)，不存在磁卡、IC卡磨損問題。2.2RFID技術(shù)傳感器組成與工作原理

作為一種檢測(cè)裝置，傳感器一般是利用物理、化學(xué)和生物等學(xué)科的某些效應(yīng)或機(jī)理，按照一定的工藝和結(jié)構(gòu)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(cè)量的信息，并能將這些信息按照一定規(guī)律變換成電信號(hào)或其他所需的信息輸出形式，以滿足信息的傳輸、處理、存儲(chǔ)、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(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)控制的首要環(huán)節(jié)，是感知延伸層獲取數(shù)據(jù)的一種設(shè)備。它通常由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和測(cè)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(cè)量的變化，并輸出與被測(cè)量構(gòu)成確定關(guān)系（某個(gè)函數(shù)）的某個(gè)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(zhuǎn)換元件

轉(zhuǎn)換元件是傳感器中能將敏感元件感受或響應(yīng)的被測(cè)量轉(zhuǎn)換成傳輸或測(cè)量的電信號(hào)的部分。當(dāng)輸出為規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)時(shí)，傳感器稱為變送器。2.3傳感器

（3）測(cè)量電路

測(cè)量電路是將轉(zhuǎn)換元件輸出的電信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步轉(zhuǎn)換和處理的部分，如放大、濾波、線性化、補(bǔ)償?shù)?。傳感器可以制作得很?jiǎn)單，也可以制作得很復(fù)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(zhuǎn)換元件進(jìn)行轉(zhuǎn)換，然后通過測(cè)量電路將轉(zhuǎn)換結(jié)果進(jìn)行處理，最后將轉(zhuǎn)換完成的電信號(hào)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(shù)的重要性，世界各發(fā)達(dá)國(guó)家都將傳感器技術(shù)視為競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵。2.3傳感器傳感器性能指標(biāo)線性度

線性度是指?jìng)鞲衅鞯妮敵雠c輸入之間數(shù)量關(guān)系的線性程度。輸出與輸入關(guān)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(guān)系，即理想輸入/輸出關(guān)系，但實(shí)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(cè)量范圍

測(cè)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(biāo)。精度

精度是傳感器能實(shí)現(xiàn)的測(cè)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(cè)量值之間的變化。2.3傳感器重復(fù)性

重復(fù)性是指?jìng)鞲衅髟谳斎肓堪赐环较蜃鋈砍踢B續(xù)多次變化時(shí)，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(fù)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(huì)出現(xiàn)遲滯性，即檢測(cè)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(shí)間變化的現(xiàn)象。產(chǎn)生漂移的原因有兩方面：一是傳感器自身結(jié)構(gòu)參數(shù)；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?yàn)榉请娏總鞲衅鞑捎梅请娏康姆椒▉頊y(cè)量，已經(jīng)無法適用于現(xiàn)代自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)，所以我們常說的傳感器是指以電量為輸出的傳感器。我國(guó)對(duì)傳感器分類建立了體系表，根據(jù)應(yīng)用環(huán)境要求、功能、原理及性能的不同，從不同角度對(duì)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(xué)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(xué)量傳感器、熱學(xué)量傳感器、光學(xué)量傳感器、磁學(xué)量傳感器、電學(xué)量傳感器、聲學(xué)量傳感器、核輻射傳感器。2.3傳感器

（2）化學(xué)量傳感器。

化學(xué)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(cè)對(duì)象分類

檢測(cè)對(duì)象有力學(xué)量、熱學(xué)量、流體量等，所以對(duì)應(yīng)的傳感器可以稱為力學(xué)傳感器、熱學(xué)傳感器、流體傳感器等。按輸出信號(hào)類型分類

按輸出信號(hào)類型分類，傳感器可分為模擬傳感器、數(shù)字傳感器和膺數(shù)字信號(hào)傳感器。2.3傳感器

（1）模擬傳感器

模擬傳感器是輸出信號(hào)為模擬信號(hào)的傳感器。

（2）數(shù)字傳感器

數(shù)字傳感器是輸出信號(hào)為數(shù)字信號(hào)的傳感器。

（3）膺數(shù)字信號(hào)傳感器

膺數(shù)字信號(hào)傳感器是輸出信號(hào)有點(diǎn)接近于數(shù)字信號(hào)的傳感器。2.3傳感器按能源供應(yīng)分類

（1）有源傳感器

有源傳感器是工作時(shí)需要外部能量供應(yīng)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(shí)不需要使用外部能量供應(yīng)的傳感器，如壓電效應(yīng)、熱電效應(yīng)、光電效應(yīng)、霍爾效應(yīng)等原理構(gòu)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(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的傳感器。根據(jù)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(cè)物體直接接觸來測(cè)量物體的溫度。

2.3傳感器

目前，市場(chǎng)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(dǎo)體或半導(dǎo)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(yīng)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(cè)對(duì)象接觸，依據(jù)物體熱輻射產(chǎn)生的紅外線來測(cè)量溫度，達(dá)到“隔空測(cè)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(jìn)行介紹。2.3傳感器（1）熱電阻

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

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

（2）熱容量小、反應(yīng)速度快。

（3）材料的復(fù)現(xiàn)性和工藝性好，便于批量生產(chǎn)，降低成本。

（4）在使用范圍內(nèi)，其化學(xué)和物理性能穩(wěn)定。2.3傳感器

（2）熱電阻典型產(chǎn)品

工業(yè)中應(yīng)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(chǎn)品

（1）鉑熱電阻

鉑熱電阻的測(cè)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(nèi)可以隨著溫度線性變化，可用于-200～650℃的測(cè)溫領(lǐng)域，其參數(shù)如表2-3所示。

2.3傳感器表2-3Pt100溫度傳感器參數(shù)參數(shù)值單位測(cè)溫范圍-200～650℃電阻變化率0.3851Ω/℃最大熱響應(yīng)時(shí)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(cè)溫范圍寬、穩(wěn)定性強(qiáng)、復(fù)現(xiàn)性好、抗振動(dòng)和耐高壓等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)制造領(lǐng)域的溫度檢測(cè)與控制。Pt100溫度傳感器實(shí)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(shí)物及連接方法2.3傳感器

（2）銅熱電阻

銅熱電阻線性好、價(jià)格低，但電阻率小，因而體積大、熱響應(yīng)慢。銅熱電阻主要用于檢測(cè)液體、氣體（如蒸氣）介質(zhì)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(cè)量溫度，不僅價(jià)格低，而且測(cè)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(duì)于接觸式的溫度檢測(cè)方法，具備反應(yīng)速度快、測(cè)溫準(zhǔn)確度高及測(cè)溫范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，可以用于高速運(yùn)動(dòng)物體、帶電體、高溫及高壓物體的溫度測(cè)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(xiàng)需求，關(guān)鍵之處要優(yōu)先考慮。

①要充分考慮傳感器的實(shí)際應(yīng)用環(huán)境，充分考慮各項(xiàng)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(xiàng)指標(biāo)及性價(jià)比。

③要詳細(xì)考慮項(xiàng)目中重要的、核心的傳感器指標(biāo)是否能夠保障在一定使用時(shí)間內(nèi)滿足項(xiàng)目需求傳感器的指標(biāo)可從以下幾方面進(jìn)行判斷和選擇。2.3傳感器測(cè)量環(huán)境不同應(yīng)用環(huán)境對(duì)傳感器的要求會(huì)相差很大。精度在傳感器的精度滿足整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的精度要求情況下，考慮將來系統(tǒng)升級(jí)時(shí)可以適當(dāng)提高指標(biāo)要求。2.3傳感器穩(wěn)定性

部分傳感器在使用一段時(shí)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(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力。

此外，還有線性度、靈敏度、遲滯性等都是選用傳感器時(shí)需要仔細(xì)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(lián)網(wǎng)傳感器終端也變成智能終端，進(jìn)而成為邊緣計(jì)算中的“端”角色，占據(jù)了感知層中的重要位置，方便人們?cè)诮柚鞣N智能傳感器完成高精準(zhǔn)信息采集和智能處理時(shí)，提高工作效率和質(zhì)量。

智能傳感器安裝現(xiàn)場(chǎng)如圖2-25所示。2.4智能傳感器圖2-25智能傳感器安裝現(xiàn)場(chǎng)2.4智能傳感器智能傳感器分類

傳感器技術(shù)發(fā)展具有數(shù)字化、智能化、微型化和網(wǎng)絡(luò)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(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T7665—2005。2.4智能傳感器

表2-4智能傳感器的基本分類（國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T33905.3—2017）分類依據(jù)二級(jí)分類三級(jí)分類四級(jí)分類具體被測(cè)量或名稱被測(cè)量物理量力學(xué)量

壓力表壓、差壓、絕壓、真空傳感器、微型壓力力重量（稱重）、應(yīng)力、力矩、扭矩速度線速度、角速度、轉(zhuǎn)速加速度線加速度、角加速度、振動(dòng)、沖擊流量質(zhì)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(xué)量溫度溫度熱流熱流紅外熱像感知物體表面溫度場(chǎng)信息并轉(zhuǎn)換成圖像，再根據(jù)圖像顏色確定表面溫度2.4智能傳感器分類依據(jù)二級(jí)分類三級(jí)分類四級(jí)分類具體被測(cè)量或名稱被測(cè)量物理量光學(xué)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(xué)圖像信息磁學(xué)量

磁場(chǎng)強(qiáng)度磁場(chǎng)強(qiáng)度磁通量磁通量電學(xué)量

電場(chǎng)強(qiáng)度電場(chǎng)強(qiáng)度電流電流電壓電壓聲學(xué)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(qiáng)弱和變化續(xù)表2.4智能傳感器分類依據(jù)二級(jí)分類三級(jí)分類四級(jí)分類具體被測(cè)量或名稱被測(cè)量

化學(xué)量

氣體

半導(dǎo)體利用半導(dǎo)體材料的電導(dǎo)率來感知?dú)怏w組分或濃度場(chǎng)效應(yīng)管式利用場(chǎng)效應(yīng)管柵極敏感膜的氣敏特性來感知?dú)怏w組分或濃度電化學(xué)式利用電化學(xué)原理來感知?dú)怏w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(chǎn)生的燃燒熱來感知?dú)怏w熱導(dǎo)式利用不同氣體熱傳導(dǎo)率不同的原理來感知不同氣體紅外吸收式利用被檢測(cè)氣體對(duì)不同波長(zhǎng)紅外輻射吸收程度不同的特性來感知波長(zhǎng)變化和強(qiáng)度固體電解質(zhì)型使用固體電解質(zhì)、快離子異體和高聚物電解質(zhì)作為氣敏材料濕度

露點(diǎn)露點(diǎn)水分水分離子

離子活度電解質(zhì)溶液中參與電化學(xué)反應(yīng)的離子的有效濃度成分電解質(zhì)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(jù)二級(jí)分類三級(jí)分類四級(jí)分類具體被測(cè)量或名稱

被測(cè)量

生物量

生化量

酶以酶為分子識(shí)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(shí)別來感知生化量生物親和性利用蛋白質(zhì)或DNA識(shí)別并結(jié)合目的物來感知生化量

生理量

食道壓力食道壓力膀胱內(nèi)壓膀胱內(nèi)壓力胃腸內(nèi)壓胃腸內(nèi)壓力顱內(nèi)壓顱內(nèi)壓力脈搏外周血管搏動(dòng)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(jù)二級(jí)分類三級(jí)分類四級(jí)分類具體被測(cè)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(xué)式、光導(dǎo)式、光伏式、熱電式、磁電式、伺服式、諧振式、應(yīng)變[計(jì)]式、壓電式、壓阻式、磁阻式、差動(dòng)變壓器式、隧道效應(yīng)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(hào)數(shù)字式、模擬式、混合式、膺數(shù)字式、開關(guān)式工作機(jī)理結(jié)構(gòu)型、物性型通信技術(shù)有線網(wǎng)絡(luò)基于（現(xiàn)場(chǎng)）總線、基于TCP/IP協(xié)議

無線網(wǎng)絡(luò)說明：以電磁波和紅外線等作為載體來傳輸數(shù)據(jù)

結(jié)構(gòu)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(fù)合式、集成智能式、多功能智能式、微結(jié)構(gòu)智能式、硅微智能式、真空?qǐng)霭l(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(jié)構(gòu)

智能傳感器是指在傳統(tǒng)傳感器的基礎(chǔ)上添加了微處理器智能感知器件，能夠利用微處理器計(jì)算和存儲(chǔ)能力對(duì)傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)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(gòu)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(chǎn)品較多，同樣功能的傳感器因?yàn)閼?yīng)用領(lǐng)域不同，產(chǎn)品設(shè)計(jì)與性能指標(biāo)相差甚大，有的傳感器與機(jī)構(gòu)裝置緊密結(jié)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(diǎn)自適應(yīng)能力強(qiáng)

智能傳感器會(huì)利用從應(yīng)用環(huán)境中感知到的數(shù)據(jù)進(jìn)行自我學(xué)習(xí)，對(duì)檢測(cè)值進(jìn)行校正或補(bǔ)償，并且自我診斷是否在正常工作，其最終目標(biāo)是為系統(tǒng)提供精準(zhǔn)的采集數(shù)據(jù)。2.4智能傳感器監(jiān)測(cè)與處理方便

智能傳感器能夠利用可編程自動(dòng)化的能力來動(dòng)態(tài)改變量程及輸出數(shù)據(jù)形式，并且通過串行或并行通信線直接將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心或服務(wù)器或本地計(jì)算機(jī)來處理，可以方便地實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。智能化數(shù)據(jù)處理

智能檢測(cè)系統(tǒng)通過軟件對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行及時(shí)、在線的處理以提高測(cè)量精度。2.4智能傳感器性價(jià)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(jià)比高，尤其是在采用比較便宜的單片機(jī)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(jiǎn)要介紹

SHT11/15型智能傳感器是瑞士Sensirion公司推出的產(chǎn)品，具有高精度、自校準(zhǔn)、多功能等特點(diǎn)，可同時(shí)測(cè)量相對(duì)濕度、溫度和露點(diǎn)等，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)療等領(lǐng)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(hào)放大調(diào)理、A/D轉(zhuǎn)換、二線串行接口全部集成于一個(gè)芯片內(nèi)，融合了CMOS芯片技術(shù)與傳感器技術(shù)，具有超快響應(yīng)、強(qiáng)抗干擾能力、極高性價(jià)比等優(yōu)點(diǎn)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖2.4智能傳感器測(cè)量原理

SHT11/15型智能傳感器首先利用相對(duì)濕度傳感器和溫度傳感器產(chǎn)生相對(duì)濕度和溫度的信號(hào)，然后經(jīng)過放大、A/D轉(zhuǎn)換、校準(zhǔn)、糾錯(cuò)，再通過串口將相對(duì)濕度和溫度的數(shù)據(jù)送至微控制器，最后利用微控制器完成非線性補(bǔ)償和溫度補(bǔ)償。2.4智能傳感器SHT11/15型智能傳感器性能特點(diǎn)

SHT11/15型智能傳感器具有良好的性能特點(diǎn)，具體特點(diǎn)如下。

（1）全校準(zhǔn)數(shù)字輸出各檢測(cè)數(shù)據(jù)，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(diǎn)計(jì)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(zhǎng)期穩(wěn)定性。（7）自動(dòng)斷電功能。（8）工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)I2C總線。（9）可靠的CRC傳輸校驗(yàn)。2.4智能傳感器智能檢測(cè)系統(tǒng)智能檢測(cè)系統(tǒng)的特點(diǎn)

（1）軟件控制測(cè)量過程

智能檢測(cè)系統(tǒng)采用軟件控制放大、極性判斷、量程切換、報(bào)警、過載保護(hù)、非線性補(bǔ)償、多功能測(cè)試和自動(dòng)巡回等功能

（2）智能化處理數(shù)據(jù)

智能檢測(cè)系統(tǒng)利用軟件對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行快速在線處理，并分析和加工測(cè)量結(jié)果，提高了輸出數(shù)據(jù)質(zhì)量。2.4智能傳感器

（3）多通道采集和融合數(shù)據(jù)

智能檢測(cè)系統(tǒng)可以通過多個(gè)測(cè)量通道來測(cè)試數(shù)據(jù)，然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行智能化信息融合，提高了系統(tǒng)準(zhǔn)確性、可靠性和容錯(cuò)性。（4）快速檢測(cè)

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(hào)放大、過濾、非線性補(bǔ)償、A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理等操作的執(zhí)行速度快，大大提高了檢測(cè)的工作效率。2.4智能傳感器智能檢測(cè)系統(tǒng)智能檢測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)智能檢測(cè)技術(shù)發(fā)展促進(jìn)了信號(hào)檢測(cè)產(chǎn)品集成度的提高，如集成了信號(hào)處理、通信等功能，大大方便了連接各設(shè)備，而用戶只需集中力量編寫應(yīng)用程序即可，縮短了開發(fā)周期。2.4智能傳感器智能檢測(cè)系統(tǒng)的特點(diǎn)

（1）信號(hào)提取

傳感器作為檢測(cè)系統(tǒng)與外界接觸的最前端，集中式檢測(cè)系統(tǒng)通過傳感器將實(shí)際的物理量接收進(jìn)來，然后對(duì)這些物理量進(jìn)行轉(zhuǎn)換，生成系統(tǒng)能夠處理的電信號(hào)。

（2）信號(hào)預(yù)處理

為了能夠使A/D轉(zhuǎn)換器準(zhǔn)確合理地處理所提取的信號(hào)，采集的信息必須在轉(zhuǎn)換前進(jìn)行預(yù)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(duì)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)的信息進(jìn)行分析處理，同時(shí)通過人機(jī)交互設(shè)備對(duì)需要調(diào)整的信息進(jìn)行必要的調(diào)整，常用的微處理器有MCU、DSP等。

（4）分布式結(jié)構(gòu)

分布式結(jié)構(gòu)是智能檢測(cè)技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合后誕生的一種新型結(jié)構(gòu)。分布式檢測(cè)系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)如圖2-31所示。2.4智能傳感器