《無(wú)線傳感網(wǎng)技術(shù)》 課件全套 聶增麗 第1-6章 續(xù)論 -4G通信技術(shù)

緒論《無(wú)線傳感網(wǎng)技術(shù)》911歷史事件尋找拉登藏身之處應(yīng)用需求引發(fā)研究熱潮綜觀計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展史，應(yīng)用需求始終是推動(dòng)和左右全球網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)步的動(dòng)力與源泉。第一章緒論一什么是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)二傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展歷史三傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用情況四傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)教學(xué)目的：掌握傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本情況學(xué)時(shí)：4學(xué)時(shí)本章重點(diǎn)：基本概念、應(yīng)用情況一、什么是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)有基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)無(wú)基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)移動(dòng)Adhoc網(wǎng)絡(luò)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)是大量的靜止或移動(dòng)的傳感器以自組織和多跳的方式構(gòu)成的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，目的是協(xié)作地采集、處理和傳輸網(wǎng)絡(luò)覆蓋地域內(nèi)感知對(duì)象的監(jiān)測(cè)信息，并報(bào)告給用戶。“無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)”術(shù)語(yǔ)的標(biāo)準(zhǔn)定義傳感器技術(shù)計(jì)算機(jī)技術(shù)通信技術(shù)感官大腦神經(jīng)現(xiàn)代信息技術(shù)信息系統(tǒng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層數(shù)據(jù)鏈路層網(wǎng)絡(luò)層傳輸層應(yīng)用層能量分配移動(dòng)管理應(yīng)用優(yōu)化1.3.4無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信體系結(jié)構(gòu)圖1.4無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信體系結(jié)構(gòu)傳感器節(jié)點(diǎn)實(shí)物示例傳感器網(wǎng)絡(luò)的常用邏輯結(jié)構(gòu)圖傳感器1傳感器2傳感器N無(wú)線鏈路無(wú)線接口模塊…監(jiān)控主機(jī)二、傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展歷史第一階段最早可以追溯二十世紀(jì)70年代越戰(zhàn)時(shí)期使用的傳統(tǒng)的傳感器系統(tǒng)。胡志明小道胡志明小道熱帶樹(shù)熱帶樹(shù)轟炸機(jī)傳感器僅產(chǎn)生探測(cè)數(shù)據(jù)流傳感器無(wú)計(jì)算能力

傳感器之間不能相互通信SensorsObject信號(hào)分析傳統(tǒng)感知方法的特征有線/無(wú)線連接第二階段感知能力＋計(jì)算能力＋通信能力1999年商業(yè)周刊將傳感器網(wǎng)絡(luò)列為二十一世紀(jì)最具影響的21項(xiàng)技術(shù)之一。二十世紀(jì)80年代至90年代之間第三階段

21世紀(jì)開(kāi)始至今2001911事件2002橡樹(shù)嶺實(shí)驗(yàn)室提出“網(wǎng)絡(luò)就是傳感器”。20032006美國(guó)《技術(shù)評(píng)論》雜志評(píng)出深遠(yuǎn)影響人類未來(lái)生活的十大新興技術(shù)，傳感器網(wǎng)絡(luò)列為第一。我國(guó)發(fā)布《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)與技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》。計(jì)算設(shè)備的演化歷史三、傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用情況（一）民事應(yīng)用蓋茨的家蓋茨通常安排訪客乘船橫渡華盛頓湖，從專屬碼頭登堂入室。訪客從一進(jìn)門(mén)開(kāi)始，就會(huì)領(lǐng)到一個(gè)內(nèi)建微晶片的胸針，可以預(yù)先設(shè)定你偏好的溫度、濕度、燈光、音樂(lè)、畫(huà)作等等條件；無(wú)論你走到哪里，內(nèi)建的感測(cè)器就會(huì)將這些資料傳送至WindowsNT系統(tǒng)的中央電腦，將環(huán)境調(diào)整到賓至如歸的境地?？蛷d--水族館鯨鯊--世界上最大的魚(yú)這體現(xiàn)出蓋茨的富不是單就有錢。還要提醒的是，鯨鯊不但稀有，瀕臨絕種，而且它也是世界上最古老的生物之一，它不是鯊魚(yú)，也不是鯨魚(yú)。那么龐大的體型，吃的確是海洋浮游生物

大鴨島海燕監(jiān)測(cè)無(wú)人干擾監(jiān)測(cè)鳥(niǎo)巢海燕大鴨島橋梁監(jiān)測(cè)健康監(jiān)測(cè)海洋監(jiān)測(cè)環(huán)境監(jiān)測(cè)電力高壓線高爾夫球場(chǎng)葡萄園道路交通智能停車場(chǎng)物流系統(tǒng)列車鐵軌高速公路系統(tǒng)韓國(guó)濟(jì)州島智能漁場(chǎng)北京大興區(qū)菊花基地克爾斯博公司浙江溫州的奶牛牧場(chǎng)沈陽(yáng)玫瑰園討論題

請(qǐng)大家思考和組織課堂討論：傳感器網(wǎng)絡(luò)還可以有哪些用途？？二零零八年五月十二日汶川地區(qū)發(fā)生強(qiáng)烈地震（二）軍事應(yīng)用聯(lián)合國(guó)維和部隊(duì)伊拉克微型感應(yīng)傳感器網(wǎng)絡(luò)核武器和生化武器美軍未來(lái)戰(zhàn)斗系統(tǒng)的戰(zhàn)場(chǎng)警戒示意圖傳感器節(jié)點(diǎn)通行車輛密封形封裝罩節(jié)點(diǎn)封裝示例（一）特點(diǎn)：表面光滑可以滾動(dòng)自動(dòng)調(diào)整姿態(tài)位置萬(wàn)向節(jié)固定架設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)封裝示例（二）錐形罩特點(diǎn)：底基重量大自正位“懸垂鐘擺”式電路板飛機(jī)拋撒“狼群”地面?zhèn)鞲衅骶W(wǎng)絡(luò)美軍共計(jì)完成23項(xiàng)傳感器網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)四、傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)通信能力有限節(jié)點(diǎn)通信覆蓋范圍只有幾十到幾百米關(guān)鍵之一如何在有限的通信能力條件下,完成探測(cè)數(shù)據(jù)的傳輸？無(wú)線通信技術(shù)是第一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)！電源能量有限通常電池供電，工作環(huán)境惡劣，一次部署終生使用，更換電池困難關(guān)鍵之二如何節(jié)省電源、最大化網(wǎng)絡(luò)的使用壽命？低功耗設(shè)計(jì)問(wèn)題是第二項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)！計(jì)算能力有限節(jié)點(diǎn)體積小，處理器和存儲(chǔ)器性能有限，不允許進(jìn)行復(fù)雜算法的運(yùn)算關(guān)鍵之三嵌入式操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)是第三項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)！自組織的動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)傳感器網(wǎng)絡(luò)沒(méi)有基站節(jié)點(diǎn)失效、新節(jié)點(diǎn)加入，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)性，需要自動(dòng)愈合關(guān)鍵之四多跳自組織的網(wǎng)絡(luò)路由是第四項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)！傳感器網(wǎng)絡(luò)是以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò)用戶感興趣的是數(shù)據(jù)而不是網(wǎng)絡(luò)和傳感器硬件關(guān)鍵之五如何建立以數(shù)據(jù)為中心的傳感器網(wǎng)絡(luò)？傳感器網(wǎng)絡(luò)的第五項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)是數(shù)據(jù)融合方法！網(wǎng)絡(luò)攻擊無(wú)處不在傳感器節(jié)點(diǎn)的物理操縱傳感信息的竊聽(tīng)拒絕服務(wù)攻擊私有信息的泄露……關(guān)鍵之六安全性是傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的重要問(wèn)題。如何保護(hù)機(jī)密數(shù)據(jù)和防御網(wǎng)絡(luò)攻擊是第六項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)！習(xí)題：[1]什么是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)？[2]傳感器節(jié)點(diǎn)的組成及其功能是什么？[3]列舉幾種常用的傳感器。

本章小結(jié)本章主要介紹傳感器網(wǎng)絡(luò)的概念、發(fā)展歷史、應(yīng)用情況和關(guān)鍵技術(shù)。射頻識(shí)別技術(shù)概述1RFID系統(tǒng)的組成

2幾種常見(jiàn)的RFID系統(tǒng)

34RFID中間件技術(shù)第四章射頻識(shí)別技術(shù)4RFID典型模塊應(yīng)用及實(shí)訓(xùn)54.1.1射頻識(shí)別第四章射頻識(shí)別技術(shù)1．概述◆RFID(RadioFrequencyIdentification)射頻識(shí)別。

無(wú)線射頻識(shí)別技術(shù)是一種自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，射頻識(shí)別技術(shù)是一項(xiàng)利用射頻信號(hào)通過(guò)空間耦合(交變磁場(chǎng)或電磁場(chǎng))實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸信息傳遞并通過(guò)所傳遞的信息達(dá)到識(shí)別目的的技術(shù)。RFID常稱為感應(yīng)式電子芯片或近接卡、感應(yīng)卡、非接觸卡、電子標(biāo)簽、電子條碼等。完整RFID系統(tǒng)由讀寫(xiě)器和電子標(biāo)簽兩部份組成。其工作原理為由讀寫(xiě)器發(fā)射一特定頻率的無(wú)線電波能量給電子標(biāo)簽，用以驅(qū)動(dòng)電子標(biāo)簽的電路將內(nèi)部之IDCode送出，此時(shí)讀寫(xiě)器便接收此IDCode。電子標(biāo)簽的特殊在于免用電池、免接觸、免刷卡，故不怕臟污，且芯片密碼為世界唯一，無(wú)法復(fù)制，安全性高、長(zhǎng)壽命。4.1.1射頻識(shí)別第四章射頻識(shí)別技術(shù)2．射頻識(shí)別技術(shù)發(fā)展歷史◆1940-1950年：雷達(dá)的改進(jìn)和應(yīng)用催生了RFID技術(shù)，1948年奠定了射頻識(shí)別技術(shù)的理論基礎(chǔ)。◆1950-1960年：早期RFID技術(shù)探索階段，處于實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)研究?！?960-1970年：射頻識(shí)別技術(shù)的理論得到了發(fā)展，開(kāi)始了一些應(yīng)用嘗試。◆1970-1980年：射頻識(shí)別技術(shù)與產(chǎn)品研發(fā)處于一個(gè)大發(fā)展時(shí)期，各種射頻識(shí)別技術(shù)測(cè)試得到加速。出現(xiàn)了一些最早的射頻識(shí)別應(yīng)用?！?980-1990年：射頻識(shí)別技術(shù)及產(chǎn)品進(jìn)入商業(yè)應(yīng)用階段，各種規(guī)模應(yīng)用開(kāi)始出現(xiàn)。4.1.1射頻識(shí)別第四章射頻識(shí)別技術(shù)◆

1990-2000年：射頻識(shí)別技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化問(wèn)題日趨得到重視，射頻識(shí)別產(chǎn)品得到廣泛采用，射頻識(shí)別產(chǎn)品逐漸成為人們生活中的一部分?！?/p>

2000年后：標(biāo)準(zhǔn)化問(wèn)題日趨為人們所重視，射頻識(shí)別產(chǎn)品種類豐富，有源電子標(biāo)簽、無(wú)源電子標(biāo)簽及半無(wú)源電子標(biāo)簽均得到發(fā)展，電子標(biāo)簽成本不斷降低，規(guī)模應(yīng)用行業(yè)擴(kuò)大。◆至今，射頻識(shí)別技術(shù)的理論得到豐富和完善。單芯片電子標(biāo)簽、多電子標(biāo)簽識(shí)讀、無(wú)線可讀可寫(xiě)、無(wú)源電子標(biāo)簽的遠(yuǎn)距離識(shí)別、適應(yīng)高速移動(dòng)物體的射頻識(shí)別技術(shù)與產(chǎn)品正在成為現(xiàn)實(shí)并走向應(yīng)用。4.1.1射頻識(shí)別第四章射頻識(shí)別技術(shù)3.射頻識(shí)別技術(shù)特點(diǎn)RFID需要利用無(wú)線電頻率資源，因些RFID須遵守?zé)o線電頻率管理的諸多規(guī)范。與早期的接觸式識(shí)別技術(shù)相比較，RFID有如下一些特點(diǎn)。(1)數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)功能(2)電子標(biāo)簽的小型化和多樣化(3)耐環(huán)境性(4)可重復(fù)使用(5)穿透性(6)數(shù)據(jù)的記憶容量大(7)系統(tǒng)安全性自動(dòng)識(shí)別技術(shù)的比較4.1.2RFID技術(shù)分類4.1.2RFID技術(shù)分類第四章射頻識(shí)別技術(shù)1．RFID技術(shù)分類

依據(jù)電子標(biāo)簽的供電方式、工作頻率、可讀性和工作方式進(jìn)行分類。1)根據(jù)標(biāo)簽的供電形式分類

RFID的電能消耗是非常低的(一般是1/100mW級(jí)別)。按照電子標(biāo)簽獲取電能的方式不同，電子標(biāo)簽可分成有源式電子標(biāo)簽、無(wú)源式電子標(biāo)簽及半有源式電子標(biāo)簽。(1)有源式電子標(biāo)簽(2)無(wú)源式電子標(biāo)簽(3)半有源式電子標(biāo)簽4.1.2RFID技術(shù)分類第四章射頻識(shí)別技術(shù)2)根據(jù)電子標(biāo)簽的工作頻率分類射頻識(shí)別應(yīng)用占據(jù)的頻段或頻點(diǎn)在國(guó)際上有公認(rèn)的劃分，即位于ISM(工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療)頻段波段。

典型的工作頻率有：125kHz、133kHz、13.56MHz、27.12MHz、433MHz、902～928MHz、2.45GHz、5.8GHz等。4.1.2RFID技術(shù)分類第四章射頻識(shí)別技術(shù)2)根據(jù)電子標(biāo)簽的工作頻率分類低頻段、中高頻段、超高頻與微波電子標(biāo)簽。(1)低頻段電子標(biāo)簽。◆工作頻率范圍為30～300kHz。典型工作頻率有：125kHz、133kHz(也有接近的其他頻率的，如TI公司使用134.2kHz)?！舻皖l電子標(biāo)簽的閱讀距離一般情況下小于1m?！舻湫蛻?yīng)用有：動(dòng)物識(shí)別、容器識(shí)別、工具識(shí)別、電子閉鎖防盜(帶有內(nèi)置應(yīng)答器的汽車鑰匙)等?！襞c低頻標(biāo)簽相關(guān)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)有：ISO11784/11785(用于動(dòng)物識(shí)別)、ISO18000-2(125～135kHz)。低頻標(biāo)簽有多種外觀形式，應(yīng)用于動(dòng)物識(shí)別的低頻標(biāo)簽外觀有：項(xiàng)圈式、耳牌式、注射式、藥丸式等?！舨捎闷胀ǖ腃MOS工藝，具有省電、廉價(jià)的特點(diǎn)，工作頻率不受無(wú)線電頻率管制約束，可以穿透水、有機(jī)組織、木材等。4.1.2RFID技術(shù)分類第四章射頻識(shí)別技術(shù)(2)中高頻段電子標(biāo)簽?！糁懈哳l段電子標(biāo)簽的工作頻率一般為3～30MHz?！舻湫凸ぷ黝l率為13.56MHz?！舾哳l電子標(biāo)簽一般也采用無(wú)源方式，其工作能量同低頻標(biāo)簽一樣，也是通過(guò)電感(磁)耦合方式從讀寫(xiě)器耦合線圈的輻射近場(chǎng)中獲得。◆電子標(biāo)簽與讀寫(xiě)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換時(shí)，電子標(biāo)簽必須位于讀寫(xiě)器天線輻射的近場(chǎng)區(qū)內(nèi)。◆高頻電子標(biāo)簽典型應(yīng)用包括：電子車票、電子身份證、電子閉鎖防盜(電子遙控門(mén)鎖控制器)等。4.1.2RFID技術(shù)分類第四章射頻識(shí)別技術(shù)(3)超高頻與微波標(biāo)簽◆超高頻與微波頻段的電子標(biāo)簽，簡(jiǎn)稱為微波電子標(biāo)簽?！舻湫凸ぷ黝l率為433.92MHz、902～928MHz、2.45GHz、5.8GHz?！粑⒉娮訕?biāo)簽可分為有源式電子標(biāo)簽與無(wú)源式電子標(biāo)簽兩類。工作時(shí)，電子標(biāo)簽位于讀寫(xiě)器天線輻射場(chǎng)的遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)內(nèi)，電子標(biāo)簽與讀寫(xiě)器之間的耦合方式為電磁耦合方式。讀寫(xiě)器天線輻射場(chǎng)為無(wú)源式電子標(biāo)簽提供射頻能量，將有源式電子標(biāo)簽喚醒?！糸喿x距離一般大于1m，典型為4～7m，最大可達(dá)10m以上?！糇x寫(xiě)器天線一般均為定向天線，只有在讀寫(xiě)器天線定向波束范圍內(nèi)的電子標(biāo)簽才可被讀寫(xiě)?！舻湫偷臄?shù)據(jù)容量指標(biāo)有1Kbit、128bit、64bit等?！粑⒉娮訕?biāo)簽的典型應(yīng)用包括移動(dòng)車輛識(shí)別、電子身份證、倉(cāng)儲(chǔ)物流應(yīng)用、電子閉鎖防盜(電子遙控門(mén)鎖控制器)等。RFID系統(tǒng)工作頻率4.1.2RFID技術(shù)分類第四章射頻識(shí)別技術(shù)3)根據(jù)標(biāo)簽的可讀性分類

根據(jù)使用的存儲(chǔ)器類型，可以將標(biāo)簽分成只讀(ReadOnly，RO)標(biāo)簽、可讀可寫(xiě)(ReadandWrite，RW)標(biāo)簽和一次寫(xiě)入多次讀出(WriteOnceReadMany，WORM)標(biāo)簽。(1)只讀電子標(biāo)簽：只讀標(biāo)簽內(nèi)部有只讀存儲(chǔ)器ROM。ROM中存儲(chǔ)有電子標(biāo)簽的標(biāo)識(shí)信息。這些信息可以在電子標(biāo)簽制造過(guò)程中，由制造商寫(xiě)入ROM中，電子標(biāo)簽在出廠時(shí)，即已將完整的電子標(biāo)簽信息寫(xiě)入電子標(biāo)簽。(2)可讀可寫(xiě)標(biāo)簽：可讀/寫(xiě)電子標(biāo)簽內(nèi)部的存儲(chǔ)器，除ROM、緩沖存儲(chǔ)器外，還有非活動(dòng)可編程記憶存儲(chǔ)器。如EEPROM?？勺x可寫(xiě)電子標(biāo)簽還可能有隨機(jī)存取器RAM，用于存儲(chǔ)電子標(biāo)簽反應(yīng)和數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中臨時(shí)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。(3)一次寫(xiě)入多次讀出標(biāo)簽：一次寫(xiě)入多次讀出(WriteOnceReadMany，WORM)的電子標(biāo)簽既有接觸式改寫(xiě)的電子標(biāo)簽存在，也有無(wú)接觸式改寫(xiě)的電子標(biāo)簽存在。這類WORM電子標(biāo)簽一般大量用在一次性使用的場(chǎng)合

如航空行李標(biāo)簽、特殊身份證件標(biāo)簽等。4.1.2RFID技術(shù)分類第四章射頻識(shí)別技術(shù)4)根據(jù)標(biāo)簽的工作方式分類根據(jù)標(biāo)簽的工作方式，可將RFID分為被動(dòng)式、主動(dòng)式和半主動(dòng)式。一般，無(wú)源系統(tǒng)為被動(dòng)式，有源系統(tǒng)為主動(dòng)式。(1)主動(dòng)式電子標(biāo)簽。◆一般來(lái)說(shuō)主動(dòng)式RFID系統(tǒng)為有源系統(tǒng)，即主動(dòng)式電子標(biāo)簽用自身的射頻能量主動(dòng)地發(fā)送數(shù)據(jù)給讀寫(xiě)器，在有障礙物的情況下，只需穿透障礙物一次?！粲捎谥鲃?dòng)式電子標(biāo)簽自帶電池供電，它的電能充足，工作可靠性高，信號(hào)傳輸距離遠(yuǎn)?！糁饕秉c(diǎn)是標(biāo)簽的使用壽命受到限制，而且隨著標(biāo)簽內(nèi)部電池能量的耗盡，數(shù)據(jù)傳輸距離越來(lái)越短，從而影響系統(tǒng)的正常工作。4.1.2RFID技術(shù)分類第四章射頻識(shí)別技術(shù)

(2)被動(dòng)式電子標(biāo)簽。

◆須利用讀寫(xiě)器的載波來(lái)調(diào)制自身的信號(hào)，標(biāo)簽產(chǎn)生電能的裝置是天線和線圈。

◆電子標(biāo)簽進(jìn)入RFID系統(tǒng)工作區(qū)后，天線接收特定的電磁波，線圈產(chǎn)生感應(yīng)電流供給電子標(biāo)簽工作，在有障礙物的情況下，讀寫(xiě)器的能量必須來(lái)回穿過(guò)障礙物兩次。

◆這類系統(tǒng)一般用于門(mén)禁或交通系統(tǒng)中，因?yàn)樽x寫(xiě)器可以確保只激活一定范圍內(nèi)的電子標(biāo)簽。(3)半主動(dòng)式電子標(biāo)簽。

◆在半主動(dòng)式RFID系統(tǒng)里，電子標(biāo)簽本身帶有電池，但是電子標(biāo)簽并不通過(guò)自身能量主動(dòng)發(fā)送數(shù)據(jù)給讀寫(xiě)器，電池只負(fù)責(zé)對(duì)電子標(biāo)簽內(nèi)部電路供電。

◆電子標(biāo)簽需要被讀寫(xiě)器的能量激活，然后才通過(guò)反向散射調(diào)制方式傳送自身數(shù)據(jù)。4.1.2RFID技術(shù)分類第四章射頻識(shí)別技術(shù)

2．RFID系統(tǒng)的分類

根據(jù)RFID系統(tǒng)完成的功能不同，可以粗略地把RFID系統(tǒng)分成四種類型：(1)EAS系統(tǒng)

(2)便攜式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

(3)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

(4)定位系統(tǒng)。4.1.2RFID技術(shù)分類第四章射頻識(shí)別技術(shù)

(1)EAS系統(tǒng)ELECTRONICARTICLESURVEILLANCE(EAS)(電子防盜系統(tǒng))是一種設(shè)置在需要控制物品出入的門(mén)口的RFID技術(shù)。

◆典型應(yīng)用場(chǎng)合是商店、圖書(shū)館、數(shù)據(jù)中心等地方，當(dāng)未被授權(quán)的人從這些地方非法取走物品時(shí)，EAS系統(tǒng)會(huì)發(fā)出警告?！粼趹?yīng)用EAS技術(shù)時(shí)，首先在物品上粘付EAS標(biāo)簽，當(dāng)物品被正常購(gòu)買或者合法移出時(shí)，在結(jié)算處通過(guò)一定的裝置使EAS標(biāo)簽失活，物品就可以取走。物品經(jīng)過(guò)裝有EAS系統(tǒng)的門(mén)口時(shí)，EAS裝置能自動(dòng)檢測(cè)標(biāo)簽的活動(dòng)性，發(fā)現(xiàn)活動(dòng)性標(biāo)簽EAS系統(tǒng)會(huì)發(fā)出警告?！舻湫偷腅AS系統(tǒng)一般由三部分組成：附著在商品上的電子標(biāo)簽(即電子傳感器)、電子標(biāo)簽滅活裝置(以便授權(quán)商品能正常出入)、監(jiān)視器(在出口造成一定區(qū)域的監(jiān)視空間)。4.1.2RFID技術(shù)分類第四章射頻識(shí)別技術(shù)

(1)EAS系統(tǒng)

EAS系統(tǒng)的工作原理是：在監(jiān)視區(qū)，發(fā)射器以一定的頻率向接收器發(fā)射信號(hào)。發(fā)射器與接受器一般安裝在零售店、圖書(shū)館的出入口，形成一定的監(jiān)視空間。當(dāng)具有特殊特征的標(biāo)簽進(jìn)入該區(qū)域時(shí)，會(huì)對(duì)發(fā)射器發(fā)出的信號(hào)產(chǎn)生干擾，這種干擾信號(hào)也會(huì)被接收器接收，再經(jīng)過(guò)微處理器的分析判斷，就會(huì)控制警報(bào)器的鳴響。

根據(jù)發(fā)射器所發(fā)出的信號(hào)不同以及標(biāo)簽對(duì)信號(hào)干擾原理不同，EAS可以分成許多種類型。EAS技術(shù)最新的研究方向是標(biāo)簽的制作，人們正在討論EAS標(biāo)簽?zāi)懿荒芟髼l碼一樣，在產(chǎn)品的制作或包裝過(guò)程中加進(jìn)產(chǎn)品，成為產(chǎn)品的一部分。4.1.2RFID技術(shù)分類第四章射頻識(shí)別技術(shù)(3)物流控制系統(tǒng)

在物流控制系統(tǒng)中，固定布置的RFID閱讀器分散布置在給定的區(qū)域，并且閱讀器直接與數(shù)據(jù)管理信息系統(tǒng)相連，信號(hào)發(fā)射機(jī)是移動(dòng)的，一般安裝在移動(dòng)的物體、人上面。當(dāng)物體、人流經(jīng)閱讀器時(shí)，閱讀器會(huì)自動(dòng)掃描標(biāo)簽上的信息并把數(shù)據(jù)信息輸入數(shù)據(jù)管理信息系統(tǒng)存儲(chǔ)、分析、處理，達(dá)到控制物流的目的。

(4)定位系統(tǒng)

定位系統(tǒng)用于自動(dòng)化加工系統(tǒng)中的定位以及對(duì)車輛、輪船等進(jìn)行運(yùn)行定位支持。閱讀器放置在移動(dòng)的車輛、輪船上或者自動(dòng)化流水線中移動(dòng)的物料、半成品、成品上，信號(hào)發(fā)射機(jī)嵌入到操作環(huán)境的地表下面。信號(hào)發(fā)射機(jī)上存儲(chǔ)有位置識(shí)別信息，閱讀器一般通過(guò)無(wú)線的方式或者有線的方式連接到主信息管理系統(tǒng)。4.1.3RFID技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)第四章射頻識(shí)別技術(shù)RFID標(biāo)準(zhǔn)可以分為以下四類：

(1)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)(如RFID技術(shù)、IC卡標(biāo)準(zhǔn)等)

(2)數(shù)據(jù)內(nèi)容與編碼標(biāo)準(zhǔn)(如編碼格式、語(yǔ)法標(biāo)準(zhǔn)等)

(3)性能與一致性標(biāo)準(zhǔn)(如測(cè)試規(guī)范等)

(4)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)(如船運(yùn)標(biāo)簽、產(chǎn)品包裝標(biāo)準(zhǔn)等)具體來(lái)講，RFID相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)涉及電氣特性、通信頻率、數(shù)據(jù)格式和元數(shù)據(jù)、通信協(xié)議、安全、測(cè)試、應(yīng)用等方面。4.1.3RFID技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)第四章射頻識(shí)別技術(shù)與RFID技術(shù)和應(yīng)用相關(guān)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu)主要有：

國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)國(guó)際電信聯(lián)盟(ITU)世界郵聯(lián)(UPU)。

此外還有其他的區(qū)域性標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu)(如EPCGlobal、UIDCenter、CEN)、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu)(如BSI、ANSI、DIN)和產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟(如ATA、AIAG、EIA)等也制定了與RFID相關(guān)的區(qū)域、國(guó)家、產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟標(biāo)準(zhǔn)，并通過(guò)不同的渠道提升為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。4.1.3RFID技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)第四章射頻識(shí)別技術(shù)

總體來(lái)看，目前RFID存在三個(gè)主要的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系：總部設(shè)在美國(guó)麻省理工學(xué)院(MIT)的自動(dòng)識(shí)別中心(Auto-IDCenter)、日本的泛在中心(UbiquitousIDCenter，UIC)和ISO標(biāo)準(zhǔn)體系4.2RFID系統(tǒng)的組成第四章射頻識(shí)別技術(shù)

4.2.1

RFID的工作原理及系統(tǒng)組成1．工作原理RFID的工作原理是：標(biāo)簽進(jìn)入磁場(chǎng)后，如果接收到閱讀器發(fā)出的特殊射頻信號(hào)，就能憑借感應(yīng)電流所獲得的能量發(fā)送出存儲(chǔ)在芯片中的產(chǎn)品信息(即PassiveTag，無(wú)源標(biāo)簽或被動(dòng)標(biāo)簽)，或者主動(dòng)發(fā)送某一頻率的信號(hào)(即ActiveTag，有源標(biāo)簽或主動(dòng)標(biāo)簽)，閱讀器讀取信息并解碼后，送至中央信息系統(tǒng)進(jìn)行有關(guān)數(shù)據(jù)處理。4.2RFID系統(tǒng)的組成第四章射頻識(shí)別技術(shù)2．RFID系統(tǒng)的組成2.RFID系統(tǒng)的組成第四章射頻識(shí)別技術(shù)RFID系統(tǒng)的組成如圖5.1所示，主要有以下幾部分：

(1)信號(hào)發(fā)射機(jī)以不同的形式存在，如標(biāo)簽(TAG)。標(biāo)簽可存儲(chǔ)需識(shí)別傳輸或能自動(dòng)或在外力的作用下把存儲(chǔ)的信息主動(dòng)發(fā)射出去。(2)信號(hào)接收機(jī)在RFID系統(tǒng)中，信號(hào)接收機(jī)一般叫做閱讀器。閱讀器基本的功能就是提供與標(biāo)簽進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐緩健?3)編程器只有可讀可寫(xiě)標(biāo)簽系統(tǒng)才需要編程器。編程器是向標(biāo)簽寫(xiě)入數(shù)據(jù)的裝置。(4)天線天線是標(biāo)簽與閱讀器之間傳輸數(shù)據(jù)的發(fā)射、接收裝置。RFID主要有線圈型、微帶貼片型、偶極子型3種基本形式的天線。RFID標(biāo)簽組成電子標(biāo)簽的封裝形式與材質(zhì)RFID標(biāo)簽天線的分類標(biāo)簽天線的形式微帶偶極子天線折合偶極子天線彎折線天線雙極化天線片上天線分形天線微帶偶極子天線折合偶極子天線彎折線天線雙極化天線片上天線分形標(biāo)簽天線分形閱讀器天線RFID系統(tǒng)組成－閱讀器2.RFID系統(tǒng)的組成第四章射頻識(shí)別技術(shù)◆從功能實(shí)現(xiàn)考慮，可將RFID系統(tǒng)分成邊沿系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)?！暨呇叵到y(tǒng)主要是完成信息感知，屬于硬件組件部分；◆軟件系統(tǒng)完成信息的處理和應(yīng)用；◆通信設(shè)施負(fù)責(zé)整個(gè)RFID系統(tǒng)的信息傳遞。圖4.2射頻識(shí)別系統(tǒng)基本組成4.2.2RFID系統(tǒng)中的軟件組件第四章射頻識(shí)別技術(shù)◆RFID系統(tǒng)中的軟件組件主要完成數(shù)據(jù)信息的存儲(chǔ)、管理以及對(duì)RFID標(biāo)簽的讀寫(xiě)控制，是獨(dú)立于RFID硬件之上的部分?！鬜FID系統(tǒng)歸根結(jié)底是為應(yīng)用服務(wù)的，讀寫(xiě)器與應(yīng)用系統(tǒng)之間的接口通常由軟件組件來(lái)完成。RFID軟件組件包含有：

①邊沿接口系統(tǒng)；②中間件即為實(shí)現(xiàn)所采集信息的傳遞與分發(fā)而開(kāi)發(fā)的中間件；③企業(yè)應(yīng)用接口即為企業(yè)前端軟件，如設(shè)備供應(yīng)商提供的系統(tǒng)演示軟件、驅(qū)動(dòng)軟件、接口軟件、集成商或者客戶自行開(kāi)發(fā)的RFID前端操作軟件等；④應(yīng)用軟件，主要指企業(yè)后端軟件，如后臺(tái)應(yīng)用軟件、管理信息系統(tǒng)(MIS)軟件等。4.2.2RFID系統(tǒng)中的軟件組件第四章射頻識(shí)別技術(shù)1．邊沿接口系統(tǒng)

邊沿接口系統(tǒng)主要完成RFID系統(tǒng)硬件與軟件之間的連接，通過(guò)使用控制器實(shí)現(xiàn)同RFID硬軟件之間的通信。邊沿接口系統(tǒng)的主要任務(wù)是從讀寫(xiě)器中讀取數(shù)據(jù)和控制讀寫(xiě)器的行為，激勵(lì)外部傳感器、執(zhí)行器工作。

邊沿接口系統(tǒng)還具有以下功能：

(1)從不同讀寫(xiě)器中過(guò)濾重復(fù)數(shù)據(jù)。(2)設(shè)置基于事件方式觸發(fā)的外部執(zhí)行機(jī)構(gòu)。(3)提供智能功能，選擇發(fā)送到軟件系統(tǒng)。(4)遠(yuǎn)程管理功能。4.2.2RFID系統(tǒng)中的軟件組件第四章射頻識(shí)別技術(shù)2．RFID中間件

RFID系統(tǒng)中間件是介于讀寫(xiě)器和后端軟件之間的一組獨(dú)立軟件，它能夠與多個(gè)RFID讀寫(xiě)器和多個(gè)后端軟件應(yīng)用系統(tǒng)連接。應(yīng)用程序使用中間件所提供的通用應(yīng)用程序接口(API)，就能夠連接到讀寫(xiě)器，讀取RFID標(biāo)簽數(shù)據(jù)。中間件屏蔽了不同讀寫(xiě)器和應(yīng)用程序后端軟件的差異，從而減輕了多對(duì)多連接的設(shè)計(jì)與維護(hù)的復(fù)雜性。

使用RFID中間件有3個(gè)主要目的：(1)隔離應(yīng)用層和設(shè)備接口。(2)處理讀寫(xiě)器和傳感器捕獲的原始數(shù)據(jù)，使應(yīng)用層看到的都是有意義的高層事件，大大減少所需處理的信息。(3)提供應(yīng)用層接口用于管理讀寫(xiě)器和查詢RFID觀測(cè)數(shù)據(jù)，目前，大多數(shù)可用的RFID中間件都有這些特性。4.2.2RFID系統(tǒng)中的軟件組件第四章射頻識(shí)別技術(shù)3.企業(yè)應(yīng)用接口企業(yè)應(yīng)用接口是RFID前端操作軟件，主要是提供給RFID設(shè)備操作人員使用的。(1)讀/寫(xiě)功能：讀功能就是從電子標(biāo)簽中讀取數(shù)據(jù)，寫(xiě)功能就是將數(shù)據(jù)寫(xiě)入電子標(biāo)簽。(2)防碰撞功能：當(dāng)多個(gè)電子標(biāo)簽同時(shí)進(jìn)入讀寫(xiě)器的讀取區(qū)域，要求同時(shí)識(shí)別和傳輸數(shù)據(jù)，這時(shí)，就需要前端軟件具有防碰撞功能，即可以同時(shí)識(shí)別進(jìn)入識(shí)別范圍內(nèi)的所有電子標(biāo)簽。(3)安全功能：確保電子標(biāo)簽和讀寫(xiě)器雙向數(shù)據(jù)交換通信的安全。在前端軟件設(shè)計(jì)中可利用密碼限制讀取標(biāo)簽內(nèi)信息、讀寫(xiě)一定范圍內(nèi)的標(biāo)簽數(shù)據(jù)以及對(duì)傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行加密等措施來(lái)實(shí)現(xiàn)安全功能。(4)檢/糾錯(cuò)功能：前端軟件可以采用校驗(yàn)和的方法，如循環(huán)冗余校驗(yàn)、縱向冗余校驗(yàn)、奇偶校驗(yàn)等檢測(cè)錯(cuò)誤。4.2.2RFID系統(tǒng)中的軟件組件第四章射頻識(shí)別技術(shù)4.應(yīng)用軟件應(yīng)用軟件也是系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心，負(fù)責(zé)與讀寫(xiě)器通信，將讀寫(xiě)器經(jīng)過(guò)中間件轉(zhuǎn)換之后的數(shù)據(jù)，插入到后臺(tái)企業(yè)倉(cāng)儲(chǔ)管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)中，對(duì)電子標(biāo)簽管理信息、發(fā)行電子標(biāo)簽和采集的電子標(biāo)簽信息集中進(jìn)行存儲(chǔ)和處理。一般說(shuō)來(lái)，后端應(yīng)用軟件系統(tǒng)需要完成以下功能：(1)RFID系統(tǒng)管理：系統(tǒng)設(shè)置以及系統(tǒng)用戶信息和權(quán)限。(2)電子標(biāo)簽管理：在數(shù)據(jù)庫(kù)中管理電子標(biāo)簽序列號(hào)和每個(gè)物品對(duì)應(yīng)的序號(hào)及產(chǎn)品名稱、型號(hào)規(guī)格，芯片內(nèi)記錄的詳細(xì)信息等，完成數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)所有電子標(biāo)簽的信息更新。(3)數(shù)據(jù)分析和存儲(chǔ)：對(duì)整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，生成相關(guān)報(bào)表，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和管理。4.3幾種常見(jiàn)的RFID系統(tǒng)第四章射頻識(shí)別技術(shù)從電子標(biāo)簽到讀寫(xiě)器之間的通信和能量感應(yīng)方式來(lái)看，RFID系統(tǒng)一般可分為：電感耦合(磁耦合)系統(tǒng)和電磁反向散射耦合(電磁場(chǎng)耦合)系統(tǒng)?！綦姼旭詈舷到y(tǒng)是通過(guò)空間高頻交變磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)耦合，依據(jù)的是電磁感應(yīng)定律；◆電磁反向散射耦合，即雷達(dá)原理模型，發(fā)射出去的電磁波碰到目標(biāo)后反射，同時(shí)攜帶回目標(biāo)信息，依據(jù)的是電磁波的空間傳播規(guī)律。4.3幾種常見(jiàn)的RFID系統(tǒng)第四章射頻識(shí)別技術(shù)◆電感耦合方式適合于中、低頻率工作的近距離RFID系統(tǒng)；◆電磁反向散射耦合方式一般適合于高頻、微波工作頻率的遠(yuǎn)距離RFID系統(tǒng)。電感耦合方式和電磁反向散射耦合方式如圖5.3所示。4.3.1電感耦合RFID系統(tǒng)第四章射頻識(shí)別技術(shù)◆電感耦合方式電路結(jié)構(gòu)如圖5.4所示。電感耦合的射頻載波頻率為13.56MHz和小于135kHz的頻段，應(yīng)答器和讀寫(xiě)器之間的工作距離小于1m。4.3.2反向散射耦合RFID系統(tǒng)第四章射頻識(shí)別技術(shù)◆RFID反向散射耦合方式采用特高頻和超高頻，應(yīng)答器和讀寫(xiě)器的距離大于1m。反射調(diào)制形式的RFID工作原理4.4RFID中間件技術(shù)第四章射頻識(shí)別技術(shù)◆RFID中間件(Middleware)技術(shù)將企業(yè)級(jí)中間件技術(shù)延伸到RFID領(lǐng)域，是RFID產(chǎn)業(yè)鏈的關(guān)鍵共性技術(shù)?！鬜FID中間件是RFID讀寫(xiě)器和應(yīng)用系統(tǒng)之間的中介?！鬜FID中間件屏蔽了RFID設(shè)備的多樣性和復(fù)雜性，能夠?yàn)楹笈_(tái)業(yè)務(wù)系統(tǒng)提供強(qiáng)大的支撐，從而驅(qū)動(dòng)更廣泛、更豐富的RFID應(yīng)用。4.4.1RFID中間件的組成及功能特點(diǎn)第四章射頻識(shí)別技術(shù)1．RFID中間件的組成RFID中間件(即RFIDEdgeServer)也是EPCglobal推薦的RFID應(yīng)用框架中相當(dāng)重要的一環(huán)，它負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)與RFID硬件以及配套設(shè)備的信息交互與管理，同時(shí)作為一個(gè)軟硬件集成的橋梁，完成與上層復(fù)雜應(yīng)用的信息交換。鑒于使用中間件的3個(gè)主要原因，大多數(shù)中間件應(yīng)由讀寫(xiě)器適配器、事件管理器和應(yīng)用程序接口3個(gè)組件組成。4.4.1RFID中間件的組成及功能特點(diǎn)第四章射頻識(shí)別技術(shù)1．RFID中間件的組成(1)讀寫(xiě)器適配器讀寫(xiě)器適配器是提供讀寫(xiě)器接口。讀寫(xiě)器適配器程序提供一種抽象的應(yīng)用接口，來(lái)消除不同讀寫(xiě)器與API之間的差別。(2)事件管理器事件管理器的作用是過(guò)濾事件。讀寫(xiě)器不斷從電子標(biāo)簽讀取大量未經(jīng)處理的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)必須進(jìn)行去重和過(guò)濾。過(guò)濾有兩種類型，一是基于讀寫(xiě)器的過(guò)濾；二是基于標(biāo)簽和數(shù)據(jù)的過(guò)濾。提供這種事件過(guò)濾的組件就是事件管理器。(3)應(yīng)用程序接口應(yīng)用程序接口的作用是提供一個(gè)基于標(biāo)準(zhǔn)的服務(wù)接口。這是一個(gè)面向服務(wù)的接口，即應(yīng)用程序?qū)咏涌?，它為RFID數(shù)據(jù)的收集提供應(yīng)用程序?qū)诱Z(yǔ)義。4.4.1RFID中間件的組成及功能特點(diǎn)第四章射頻識(shí)別技術(shù)2．RFID中間件的主要功能RFID中間件的任務(wù)主要是對(duì)讀寫(xiě)器傳來(lái)的與標(biāo)簽相關(guān)的數(shù)據(jù)進(jìn)行過(guò)濾、匯總、計(jì)算、分組，減少?gòu)淖x寫(xiě)器傳往應(yīng)用系統(tǒng)的大量原始數(shù)據(jù)、生成加入了語(yǔ)義解釋的事件數(shù)據(jù)。因此說(shuō)，中間件是RFID系統(tǒng)的“神經(jīng)中樞”，也是RFID應(yīng)用的核心設(shè)施。具體說(shuō)來(lái)，RFID中間件的功能主要集中在以下4個(gè)方面。(1)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集(2)數(shù)據(jù)處理(3)數(shù)據(jù)共享

(4)安全服務(wù)4.4.1RFID中間件的組成及功能特點(diǎn)第四章射頻識(shí)別技術(shù)3.中間件的工作機(jī)制及特點(diǎn)中間件的工作機(jī)制為在客戶端上的應(yīng)用程序需要從網(wǎng)絡(luò)中的某個(gè)地方獲取一定的數(shù)據(jù)或服務(wù)，這些數(shù)據(jù)或服務(wù)可能處于一個(gè)運(yùn)行著不同操作系統(tǒng)的特定查詢語(yǔ)言數(shù)據(jù)庫(kù)的服務(wù)器中?？蛻?服務(wù)器應(yīng)用程序中負(fù)責(zé)尋找數(shù)據(jù)的部分只需訪問(wèn)一個(gè)中間件系統(tǒng)，由中間件完成到網(wǎng)絡(luò)中尋址數(shù)據(jù)源或服務(wù)，進(jìn)而傳輸客戶請(qǐng)求、重組答復(fù)信息，最后將結(jié)果送回應(yīng)用程序的任務(wù)。中間件作為一個(gè)用API定義的軟件層，在具體實(shí)現(xiàn)上應(yīng)具有強(qiáng)大的通信能力和良好的可擴(kuò)展性。作為一個(gè)中間件應(yīng)具備如下幾點(diǎn)：(1)標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議和接口，具備通用性、易用性；(2)分布式計(jì)算，提供網(wǎng)絡(luò)、硬件、操作系統(tǒng)透明性；(3)滿足大量應(yīng)用需要；(4)能運(yùn)行于多種硬件和操作系統(tǒng)平臺(tái)。4.4.2RFID中間件體系結(jié)構(gòu)第四章射頻識(shí)別技術(shù)4.4.2RFID中間件體系結(jié)構(gòu)第四章射頻識(shí)別技術(shù)

將中間件系統(tǒng)按照數(shù)據(jù)流程劃分為設(shè)備管理系統(tǒng)(包括數(shù)據(jù)采集及預(yù)處理)、事件處理以及數(shù)據(jù)服務(wù)接口模塊。1．設(shè)備管理系統(tǒng)

設(shè)備管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的主要功能：一是為網(wǎng)絡(luò)上的讀寫(xiě)器進(jìn)行適配，并按照上層的配置建立實(shí)時(shí)的UDP連接并做好接收標(biāo)簽數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備；二是對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。讀寫(xiě)器傳遞上來(lái)的數(shù)據(jù)存在著大量的冗余信息以及一些誤讀的標(biāo)簽信息，所以要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行過(guò)濾，消除冗余數(shù)據(jù)。預(yù)處理內(nèi)容包括集中處理所屬讀寫(xiě)器采集到的標(biāo)簽數(shù)據(jù)，并統(tǒng)一進(jìn)行冗余過(guò)濾、平滑處理、標(biāo)簽解讀等工作。經(jīng)過(guò)處理后，每條標(biāo)簽內(nèi)容包含的信息有標(biāo)準(zhǔn)EPC格式數(shù)據(jù)、采集的讀寫(xiě)器編號(hào)、首次讀取時(shí)間、末次讀取時(shí)間等，并以一個(gè)讀周期為時(shí)間間隔，分時(shí)向事件處理子系統(tǒng)發(fā)送，為進(jìn)一步的數(shù)據(jù)高級(jí)處理做好必要準(zhǔn)備。4.4.2RFID中間件體系結(jié)構(gòu)第四章射頻識(shí)別技術(shù)2．事件處理

設(shè)備管理系統(tǒng)產(chǎn)生事件，并將事件傳遞到事件處理系統(tǒng)中，由事件處理系統(tǒng)進(jìn)行處理，然后通過(guò)數(shù)據(jù)服務(wù)接口把數(shù)據(jù)傳遞到相關(guān)的應(yīng)用系統(tǒng)。在這種模式下，讀寫(xiě)器不必關(guān)心哪個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)需要什么數(shù)據(jù)。同時(shí)，應(yīng)用程序也不需要維護(hù)與各個(gè)讀寫(xiě)器之間的網(wǎng)絡(luò)通道，僅需要將需求發(fā)送到事件處理系統(tǒng)中即可。由此，設(shè)計(jì)出的事件處理系統(tǒng)應(yīng)具有如下功能：數(shù)據(jù)緩存功能、基于內(nèi)容的路由功能和數(shù)據(jù)分類存儲(chǔ)功能。3.數(shù)據(jù)服務(wù)接口

來(lái)自事件處理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)最終是分類的XML文件。同一類型的數(shù)據(jù)以XML文件的形式保存，并提供給相應(yīng)的一個(gè)或多個(gè)應(yīng)用程序使用。而數(shù)據(jù)服務(wù)接口主要是對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行過(guò)濾、入庫(kù)操作，并提供訪問(wèn)相應(yīng)數(shù)據(jù)庫(kù)的服務(wù)接口。高頻（HF）讀卡模塊簡(jiǎn)介HFRFID擴(kuò)展板采用飛利浦MFRC500芯片方案。MFRC500應(yīng)用于13.56MHz非接觸式通信中的高集成讀卡IC系列中的一員。該讀卡IC系列利用了先進(jìn)的調(diào)制和解調(diào)概念完全集成了在13.56MHz下所有類型的被動(dòng)非接觸式通信方式和協(xié)議可靠性高，通用性強(qiáng)。通過(guò)51單片機(jī)連接MFRC500控制器，進(jìn)行IC卡的讀寫(xiě)操作，HFRFID的擴(kuò)展子板通過(guò)串口與智能網(wǎng)關(guān)進(jìn)行通信和數(shù)據(jù)交換。MFRC500簡(jiǎn)介

MFRC500利用了先進(jìn)的調(diào)制和解調(diào)概念，完全集成了在13.56MHz下所有類型的被動(dòng)非接觸式通信方式和協(xié)議。MFRC500支持ISO14443A所有的層。內(nèi)部的發(fā)送器部分不需增加有源電路就能直接驅(qū)動(dòng)近操作距離的天線（可達(dá)100mm）。接收器部分提供解調(diào)和解碼電路，用于ISO14443A兼容應(yīng)答器信號(hào)數(shù)字部分處理ISO14443A幀和錯(cuò)誤檢測(cè)(奇偶&CRC)此外，它還支持快速CRYPTO1加密算法用于驗(yàn)證MIFARE系列產(chǎn)品。MFRC500管腳圖

引腳功能簡(jiǎn)介MFRC500特點(diǎn)高集成度模擬電路用于卡應(yīng)答的解調(diào)和解碼緩沖輸出驅(qū)動(dòng)器使用最少數(shù)目的外部元件連接到天線近距離操作(可達(dá)100mm)支持MIFARE雙接口卡IC和ISO14443A1-4部分加密并保護(hù)內(nèi)部非易失性密匙存儲(chǔ)器并行微處理器接口帶有內(nèi)部地址鎖存和IRQ線靈活的中斷處理自動(dòng)檢測(cè)微處理器并行接口類型方便的64字節(jié)發(fā)送和接收FIFO緩沖區(qū)帶低功耗的硬件復(fù)位軟件實(shí)現(xiàn)掉電模式可編程定時(shí)器唯一的序列號(hào)用戶可編程的啟動(dòng)配置位和字節(jié)定位幀數(shù)字模擬和發(fā)送器部分各自獨(dú)立的電源輸入腳內(nèi)部振蕩器緩沖連接13.56MHz，石英晶體低相位抖動(dòng)時(shí)鐘頻率濾波短距離應(yīng)用中發(fā)送器（天線驅(qū)動(dòng)器）為3.3V操作與MFRC500配套使用的是MIFARE卡，有M1卡和ML卡。MIFARE卡介紹

1)M1卡工作原理M1卡由一個(gè)天線和ASIC組成。

天線：卡片的天線是只有幾組繞線的線圈，很適于封裝到IS0卡片中。ASIC：卡片的ASIC由一個(gè)高速（106KB波特率）的RF接口，一個(gè)控制單元和一個(gè)8K位EEPROM組成。

工作原理：讀寫(xiě)器向M1卡發(fā)一組固定頻率的電磁波，卡片內(nèi)有一個(gè)LC串聯(lián)諧振電路，其頻率與讀寫(xiě)器發(fā)射的頻率相同，在電磁波的激勵(lì)下，LC諧振電路產(chǎn)生共振，從而使電容內(nèi)有了電荷，在這個(gè)電容的另一端，接有一個(gè)單向?qū)ǖ碾娮颖?，將電容?nèi)的電荷送到另一個(gè)電容內(nèi)儲(chǔ)存，當(dāng)所積累的電荷達(dá)到2V時(shí)，此電容可做為電源為其它電路提供工作電壓，將卡內(nèi)數(shù)據(jù)發(fā)射出去或接取讀寫(xiě)器的數(shù)據(jù)。與MFRC500配套使用的是MIFARE卡，有M1卡和ML卡。MIFARE卡介紹

2)M1卡主要指標(biāo)加密并保護(hù)內(nèi)部非易失性密匙存儲(chǔ)器。容量為8K位EEPROM。分為16個(gè)扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)為4塊，每塊16個(gè)字節(jié),以塊為存取單位。每個(gè)扇區(qū)有獨(dú)立的一組密碼及訪問(wèn)控制。每張卡有唯一序列號(hào)，為32位。具有防沖突機(jī)制，支持多卡操作。無(wú)電源，自帶天線，內(nèi)含加密控制邏輯和通訊邏輯電路。數(shù)據(jù)保存期為10年，可改寫(xiě)10萬(wàn)次，讀無(wú)限次。工作溫度：-20℃~50℃(溫度為90%)。工作頻率：13.56MHZ。通信速率：106KBPS。讀寫(xiě)距離：10mm以內(nèi)（與讀寫(xiě)器有關(guān)）。M1卡的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)3)MIFARE卡介紹

1.M1卡有16個(gè)扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)由4塊(塊0至塊3)組成，(將16個(gè)扇區(qū)的64個(gè)塊按絕對(duì)地址編號(hào)為0~63，存貯結(jié)構(gòu)如下:MIFARE卡介紹

2.第0扇區(qū)的塊0（即絕對(duì)地址0塊），它用于存放廠商代碼，已經(jīng)固化，不可更改。3.每個(gè)扇區(qū)的塊0、塊1、塊2為數(shù)據(jù)塊，可用于存貯數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)塊可作兩種應(yīng)用：

●用作一般的數(shù)據(jù)保存，可以進(jìn)行讀、寫(xiě)操作?！裼米鲾?shù)據(jù)值，可以進(jìn)行初始化值、加值、減值、讀值操作。4.每個(gè)扇區(qū)的塊3為控制塊，包括了密碼A、存取控制、密碼B。具體結(jié)構(gòu)如下：

A0A1A2A3A4A5FF078069B0B1B2B3B4B5

密碼A(6字節(jié))存取控制(4字節(jié))密碼B(6字節(jié))5.每個(gè)扇區(qū)的密碼和存取控制都是獨(dú)立的，可以根據(jù)實(shí)際需要設(shè)定各自的密碼及存取控制。存取控制為4個(gè)字節(jié)，共32位，扇區(qū)中的每個(gè)塊（包括數(shù)據(jù)塊和控制塊）的存取條件是由密碼和存取控制共同決定的，在存取控制中每個(gè)塊都有相應(yīng)的三個(gè)控制位,定義如下：MIFARE卡介紹

存取控制中每個(gè)塊有相應(yīng)的三個(gè)控制位,定義如下：塊0：C10C20C30塊1：C11C21C31塊2：C12C22C32塊3：C13C23C33三個(gè)控制位以正和反兩種形式存在于存取控制字節(jié)中，決定了該塊的訪問(wèn)權(quán)限（如進(jìn)行減值操作必須驗(yàn)證KEYA，進(jìn)行加值操作必須驗(yàn)證KEYB，等等）。三個(gè)控制位在存取控制字節(jié)中的位置，以塊0為例，對(duì)塊0的控制：MIFARE卡介紹

三個(gè)控制位在存取控制字節(jié)中的位置，以塊0為例，對(duì)塊0的控制：MIFARE卡介紹

存取控制（4個(gè)字節(jié)，其中字節(jié)9為備用字節(jié)）結(jié)構(gòu)如下所示：M1卡的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)3)MIFARE卡介紹

（KeyA|B表示密碼A或密碼B，Never表示任何條件下不能實(shí)現(xiàn)）

例如：當(dāng)塊0的存取控制位C10C20C30=100時(shí)，驗(yàn)證密碼A或密碼B正確后可讀；驗(yàn)證密碼B正確后可寫(xiě)；不能進(jìn)行加值、減值操作。

6.數(shù)據(jù)塊（塊0、塊1、塊2）的存取控制如下：M1卡的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)3)MIFARE卡介紹

例如：當(dāng)塊3的存取控制位C13C23C33=001時(shí)，表示：密碼A：不可讀，驗(yàn)證KEYA或KEYB正確后，可寫(xiě)(更改)。存取控制：驗(yàn)證KEYA或KEYB正確后，可讀、可寫(xiě)。密碼B：驗(yàn)證KEYA或KEYB正確后，可讀、可寫(xiě)。7.控制塊塊3的存取控制與數(shù)據(jù)塊(塊0、1、2)不同，它的存取控制如下：：M1卡與讀寫(xiě)器MFRC500的通訊4)MIFARE卡介紹

M1卡與讀寫(xiě)器MFRC500的通訊●復(fù)位應(yīng)答（Answertorequest）

M1射頻卡的通訊協(xié)議和通訊波特率是定義好的，當(dāng)有卡片進(jìn)入讀寫(xiě)器的操作范圍時(shí)，讀寫(xiě)器以特定的協(xié)議與它通訊，從而確定該卡是否為M1射頻卡，即驗(yàn)證卡片的卡型?！穹罌_突機(jī)制(AnticollisionLoop)

當(dāng)有多張卡進(jìn)入讀寫(xiě)器操作范圍時(shí)，防沖突機(jī)制會(huì)從其中選擇一張進(jìn)行操作，未選中的則處于空閑模式等待下一次選卡，該過(guò)程會(huì)返回被選卡的序列號(hào)。●選擇卡片(SelectTag)

選擇被選中的卡的序列號(hào)，并同時(shí)返回卡的容量代碼?！袢位ハ啻_認(rèn)(3PassAuthentication)

選定要處理的卡片之后，讀寫(xiě)器就確定要訪問(wèn)的扇區(qū)號(hào)，并對(duì)該扇區(qū)密碼進(jìn)行密碼校驗(yàn)，在三次相互認(rèn)證之后就可以通過(guò)加密流進(jìn)行通訊。（在選擇另一扇區(qū)時(shí)，則必須進(jìn)行另一扇區(qū)密碼校驗(yàn)。）5)ML卡介紹MIFARELIGHT卡是一種小容量卡，共384位，適合于一卡一用。主要指標(biāo)：

●容量為384位●16位的數(shù)值計(jì)算

●128位的數(shù)據(jù)區(qū)（如果不用錢包文件可達(dá)192位）

●用戶可自定義控制權(quán)限●唯一的32位序列號(hào)●工作頻率：13.56MHZ●通信速率：106KB波特率●防沖突：同一時(shí)間可處理多張卡●讀寫(xiě)距離：在10cm以內(nèi)（與天線有關(guān)）●卡內(nèi)無(wú)需電源6)ML存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)ML卡共384位，分為12頁(yè)，每頁(yè)為4個(gè)字節(jié)。存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)如下：

6)ML卡存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)(1)第0、1頁(yè)存放著卡的序列號(hào)等信息，只可讀。(2)第2、3頁(yè)及A、B兩頁(yè)數(shù)據(jù)塊，可存貯一般的數(shù)據(jù)。(3)第4、5頁(yè)為數(shù)值塊，可作為錢包使用，兩字節(jié)的值以正和反兩種形式存貯。只有減值操作，沒(méi)有加值操作。如果不做錢包使用，則可以做為普通的數(shù)據(jù)塊使用。(4)第6、7、8、9頁(yè)存儲(chǔ)著密碼A（6字節(jié)）、密碼B（6字節(jié)）及存取控制。(5)第7頁(yè)的2字節(jié)、第9頁(yè)的2字節(jié)為存儲(chǔ)控制，存儲(chǔ)控制以正和反的形式存兩次。6)ML卡存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)(4)第6、7、8、9頁(yè)存儲(chǔ)著密碼A（6字節(jié)）、密碼B（6字節(jié)）及存取控制。(5)第7頁(yè)的2字節(jié)、第9頁(yè)的2字節(jié)為存儲(chǔ)控制，存儲(chǔ)控制以正和反的形式存兩次。(6)一次寫(xiě)一頁(yè)（4個(gè)字節(jié)），一次讀兩頁(yè)（8個(gè)字節(jié)）。

6)ML卡存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)例如：AC-A的初始值為ff，即‘11111111’，即：

Data1：可讀、可寫(xiě)；

Value：可寫(xiě)；

AC-A：可寫(xiě)；

Data2：可讀、可寫(xiě)；第2章傳感器的基本知識(shí)本章內(nèi)容1、傳感器的概述2、常見(jiàn)的傳感器3、傳感器的基本特性和選型4、微型傳感器應(yīng)用實(shí)例學(xué)習(xí)本章的目的和要求1、掌握傳感器的定義和作用2、熟悉傳感器的組成和分類3、了解常見(jiàn)的傳感器4、了解傳感器的基本特性5、掌握傳感器選型的原則6、了解傳感器的應(yīng)用實(shí)例2.1傳感器概述1、傳感器的定義和作用

什么是傳感器？一般來(lái)說(shuō)能夠把特定的被測(cè)量信息（物理量、化學(xué)量、生物量等）按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成某種可用信號(hào)（電信號(hào)、光信號(hào)等）的器件或裝置，我們把它稱為傳感器。物理量是基于力、熱、光、磁和聲等物理效應(yīng)。生命探測(cè)儀：光學(xué)生命探測(cè)儀、聲波生命探測(cè)儀、熱紅外生命探測(cè)儀槍聲定位反恐系統(tǒng)

傳感器的作用是把非電學(xué)量轉(zhuǎn)換成電學(xué)量或電路的通斷，從而完成測(cè)量、處理和控制的功能。其作用類似于人的感覺(jué)器官，是實(shí)現(xiàn)測(cè)量和控制的首要環(huán)節(jié)。傳感器非電學(xué)量電學(xué)量例：2001年的1月和7月，美國(guó)的國(guó)家導(dǎo)彈防御系統(tǒng)計(jì)劃分別進(jìn)行了兩次實(shí)驗(yàn)，均因傳感器的故障，使得每次耗資9000萬(wàn)的實(shí)驗(yàn)以失敗告終。2005年7月13日“發(fā)現(xiàn)號(hào)”航天飛機(jī)外掛燃料箱上的4個(gè)引擎控制傳感器之一發(fā)生了故障，直接導(dǎo)致原發(fā)射計(jì)劃的推遲。

傳感器一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和基本轉(zhuǎn)換電路組成。

敏感元件是傳感器中能感受或響應(yīng)被測(cè)量的部分。轉(zhuǎn)換元件是將敏感元件感受或響應(yīng)的被測(cè)量轉(zhuǎn)換成適于傳輸或測(cè)量的信號(hào)（一般指電信號(hào)）部分?；巨D(zhuǎn)換電路可以對(duì)獲得的微弱電信號(hào)進(jìn)行放大、運(yùn)算調(diào)制等。另外，基本轉(zhuǎn)換電路工作時(shí)必須有輔助電源。隨著半導(dǎo)體器件與集成技術(shù)在傳感器中的應(yīng)用，傳感器的基本轉(zhuǎn)換電路可安裝在傳感器殼體里或與敏感元件一起集成在同一芯片上，構(gòu)成集成傳感器。2、傳感器的組成

傳感器接口技術(shù)是非常實(shí)用和重要的技術(shù)。各種物理量用傳感器將其變成電信號(hào)，經(jīng)由諸如放大、濾波、干擾抑制、多路轉(zhuǎn)換等信號(hào)檢測(cè)和預(yù)處理電路，將模擬量的電壓或電流送A/D轉(zhuǎn)換，變成數(shù)字量，供計(jì)算機(jī)或者微處理器處理。3、傳感器的分類傳感器的分類方法很多。（1）按被測(cè)量與輸出電量的轉(zhuǎn)換原理劃分，可分為能量轉(zhuǎn)換型和能量控制型兩大類。能量轉(zhuǎn)換型傳感器直接將被測(cè)對(duì)象（如機(jī)械量）的輸入轉(zhuǎn)換成電能。屬于這種類型的傳感器包括壓電式傳感器、磁電式傳感器、熱電偶傳感器等。能量控制型傳感器直接將被測(cè)量轉(zhuǎn)換成電參量（如電阻等），依靠外部輔助電源才能工作，并且由被測(cè)量控制外部供給能量的變化。屬于這種類型的傳感器包括電阻式、電感式、電容式等。（2）傳感器按測(cè)量原理分類，主要有物理和化學(xué)原理，包括電參量式、磁電式、磁致伸縮式、壓電式和半導(dǎo)體式等。

（3）按被測(cè)量的性質(zhì)不同劃分為位移傳感器、力傳感器、溫度傳感器等。（4）按輸出信號(hào)的性質(zhì)可分為開(kāi)關(guān)型（二值型）、數(shù)字型、模擬型。數(shù)字式傳感器能把被測(cè)的模擬量直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，它的特點(diǎn)是抗干擾能力強(qiáng)、穩(wěn)定性強(qiáng)、易于微機(jī)接口、便于信號(hào)處理和實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測(cè)量。2.2常見(jiàn)傳感器的類型介紹1、能量控制型傳感器

能量控制型傳感器將被測(cè)非電量轉(zhuǎn)換成電參量，在工作過(guò)程中不能起換能作用，需從外部供給輔助能源使其工作，所以又稱作無(wú)源傳感器。電阻式、電容式、電感式均屬這一類型。2、能量轉(zhuǎn)換型傳感器

能量轉(zhuǎn)換型傳感器感受外界機(jī)械量變化后，輸出電壓、電流或電荷量。它可以直接輸出或放大后輸出信號(hào)，傳感器本身相當(dāng)于一個(gè)電壓源或電流源，因而這種傳感器又叫做有源傳感器。壓電式、磁電式和熱電式傳感器等均屬這一類型。3、光敏傳感器光敏傳感器是一種感應(yīng)光線強(qiáng)弱的傳感器。當(dāng)感應(yīng)到光強(qiáng)度不同時(shí)，光敏探頭內(nèi)的電阻值就會(huì)有變化。常見(jiàn)的光敏傳感器有光電式傳感器、色敏傳感器、CCD圖像傳感器和紅外/熱釋電式光敏器件等。將光量轉(zhuǎn)換為電量的器件稱為光電傳感器或光電元件。(1)光電式傳感器光電式傳感器是將被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換成光信號(hào)的變化，再通過(guò)光電器件把光信號(hào)的變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的一種傳感器。

條形碼掃描筆光電鼠標(biāo)光敏元件聲敏元件聲控光敏延時(shí)開(kāi)關(guān)光控閃爍安全警示燈光控閃光標(biāo)志燈戒煙缸計(jì)數(shù)器(2)色敏傳感器色敏傳感器是由光敏二極管和濾色器構(gòu)成的一種傳感器。主要有半導(dǎo)體色敏器件和非晶硅單色彩傳感器。半導(dǎo)體色敏器件則可用來(lái)直接測(cè)量從可見(jiàn)光到近紅外波段內(nèi)單色輻射的波長(zhǎng)。非晶硅單色彩傳感器是一種能識(shí)別紅、綠、蘭等特定顏色的彩色傳感器。(3)CCD圖像傳感器首款11100萬(wàn)像素的CCD圖像傳感器(4)紅外/熱釋電光傳感器

主要應(yīng)用在軍事偵察、資源探測(cè)、人體感應(yīng)開(kāi)關(guān)、人體感應(yīng)燈、紅外玩具、安防防盜器材、火災(zāi)報(bào)警、溫度檢測(cè)、自動(dòng)控制等眾多領(lǐng)域。4、氣、濕敏傳感器氣敏傳感器是一種能將檢測(cè)到的氣體成分和濃度轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的傳感器。半導(dǎo)體氣敏傳感器廣泛應(yīng)用于可制成液化石油氣、天然氣、城市煤氣、煤礦瓦斯，以及有毒氣體等方面的報(bào)警器，也可用于對(duì)大氣污染進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以及在醫(yī)療上用于對(duì)02、CO等氣體的測(cè)量，生活中則可用于空調(diào)機(jī)、烹調(diào)裝置、酒精濃度探測(cè)等方面。

濕敏傳感器是將被檢測(cè)量的濕度轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的傳感器。數(shù)字溫濕敏度傳感器葉面濕度傳感器5、集成與智能傳感器

集成傳感器是將敏感元件、測(cè)量電路和各種補(bǔ)償元件等集成在一塊芯片上，具有體積小、重量輕、功能強(qiáng)和性能好的特點(diǎn)。目前廣泛應(yīng)用的集成傳感器有集成溫度傳感器、集成壓力傳感器、集成霍爾傳感器等。若將幾種不同的敏感元件集成在一個(gè)芯片上，可以制成多功能傳感器，可同時(shí)測(cè)量多種參數(shù)。

智能傳感器（SmartSensor）是在集成傳感器的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，是一種裝有微處理器的、能夠信息處理和信息存儲(chǔ)以及邏輯分析判斷的傳感器系統(tǒng)。智能傳感器利用集成或混合集成的方式將傳感器、信號(hào)處理電路和微處理器集成為一個(gè)整體。智能數(shù)字式稱重傳感器無(wú)限傳感器網(wǎng)絡(luò)在智能交通系統(tǒng)GPS、通信、天氣、聽(tīng)音樂(lè)、藍(lán)牙、WiFi等功能智能傳感器與傳統(tǒng)傳感器相比，具有如下幾個(gè)特點(diǎn)：（1）具有自動(dòng)調(diào)零和自動(dòng)校準(zhǔn)功能。（2）具有判斷和信息處理功能，對(duì)測(cè)量值進(jìn)行各種修正和誤差補(bǔ)償。（3）實(shí)現(xiàn)多參數(shù)綜合測(cè)量。（4）自動(dòng)診斷故障。（5）具有數(shù)字通信接口，便于與計(jì)算機(jī)聯(lián)機(jī)。2.3傳感器的基本特性和選型2.3.1傳感器的基本特性傳感器的正確選用是保證不失真測(cè)量的首要環(huán)節(jié)，因而在選用傳感器之前，掌握傳感器的基本特性是必要的。

傳感器的基本特性是指輸入與輸出之間的關(guān)系。測(cè)量范圍(measuringrange)

傳感器所能測(cè)量到的最小輸入量與最大輸入量之間的范圍稱為傳感器的測(cè)量范圍。量程(span)

傳感器測(cè)量范圍的上限值與下限值的代數(shù)差，稱為量程。傳感器的基本特性主要分為靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性。1、反映傳感器靜態(tài)特性的性能指標(biāo)靜態(tài)特性是指檢測(cè)系統(tǒng)的輸入為不隨時(shí)間變化的恒定信號(hào)時(shí)，系統(tǒng)的輸出與輸入之間的關(guān)系。主要包括靈敏度、線性度、穩(wěn)定性、重復(fù)性、漂移、精度、分辨力、遲滯等。

靜態(tài)模型：線性模型

傳感器的靈敏度指?jìng)鞲衅鬟_(dá)到穩(wěn)定工作狀態(tài)時(shí)，輸出變化量與引起變化的輸入變化量之比。k=輸出變化量/輸入變化量=△Y/△X=dy/dx它是輸出一輸入特性曲線的斜率。如果傳感器的輸出和輸入之間顯線性關(guān)系，則靈敏度k是一個(gè)常數(shù)。否則，它將隨輸入量的變化而變化。（1）靈敏度傳感器的靈敏度高，意味著傳感器能感應(yīng)微弱的變化量的能力越大，即被測(cè)量有一微小變化時(shí)，傳感器就會(huì)有較大的輸出。但是，在選擇傳感器時(shí)要注意合理性，因?yàn)橐话銇?lái)講，傳感器的靈敏度越高，測(cè)量范圍往往越窄，穩(wěn)定性會(huì)越差。線性傳感器的校準(zhǔn)曲線的斜率就是靜態(tài)靈敏度；對(duì)于非線性傳感器的靈敏度，它的數(shù)值是最小二乘法求出的擬合直線的斜率。例如，某位移傳感器，在位移變化1mm時(shí)，輸出電壓變化為200mV，則其靈敏度應(yīng)表示為200mV/mm。（2）線性范圍、線性度任何傳感器都有一定的線性范圍，在線性范圍內(nèi)它的輸出與輸入成線性關(guān)系。線性范圍越寬，則表明傳感器的工作量程越大。傳感器工作在線性范圍內(nèi)，是保證測(cè)量精確度的基本條件。例如，機(jī)械式傳感器中的彈性元件，它的材料彈性極限是決定測(cè)力量程的基本因素。當(dāng)超過(guò)彈性極限時(shí)，傳感器就將產(chǎn)生非線性誤差。任何傳感器很難保證做到絕對(duì)的線性，在某些情況下，在許可限度內(nèi)，也可以在近似線性區(qū)域內(nèi)使用。是指?jìng)鞲衅鞯膶?shí)際輸入-輸出曲線（校準(zhǔn)曲線）與擬合直線之間的吻合（偏離）程度，如圖2.3所示。選定擬合直線的過(guò)程，就是傳感器的線性化過(guò)程。線性度/非線性誤差取其中最大值與輸出滿度值之比作為評(píng)價(jià)線性度（或非線性誤差）的指標(biāo)。

式中為線性度(非線性誤差)，最大非線性絕對(duì)誤差，

為滿量程輸出值。擬合直線不同，非線性誤差也不同！所以，選擇擬合直線的主要出發(fā)點(diǎn)，應(yīng)是獲得最小的非線性誤差。另外，還應(yīng)考慮使用是否方便，計(jì)算是否簡(jiǎn)便。常用的直線擬合方法：①理論擬合；②端點(diǎn)連線平移擬合；③端點(diǎn)連線擬合；④過(guò)零旋轉(zhuǎn)擬合；⑤最小二乘擬合擬合直線方程：x0yyiy=kx+bxI最小二乘擬合法最小二乘法擬合y=kx+bx0yyiy=kx+bxI最小二乘擬合法若有n個(gè)實(shí)際校準(zhǔn)測(cè)試點(diǎn)，則第i個(gè)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)yi與擬合直線上響應(yīng)值kxi+b之間的殘差為Δi=yi-(kxi+b)最小二乘法擬合直線的原理就是使為最小，即將k和b代入擬合直線方程，即可得到擬合直線，然后求出殘差的最大值Lmax即為非線性誤差。最小二乘法的擬合精度很高，但最大偏差的絕對(duì)值不一定最小，最大正負(fù)偏差的絕對(duì)值也不一定相等。（3）穩(wěn)定性

穩(wěn)定性表示傳感器經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期使用之后，輸出特性不發(fā)生變化的性能。影響傳感器穩(wěn)定性的因素是時(shí)間與環(huán)境。

為了保證穩(wěn)定性，在選定傳感器之前，應(yīng)對(duì)使用環(huán)境進(jìn)行調(diào)查，以選擇合適類型的傳感器。例如電阻應(yīng)變式傳感器，濕度會(huì)影響到它的絕緣性，溫度會(huì)影響零漂；光電傳感器的感光表面有塵?；蛩麜r(shí)，會(huì)改變感光性能，帶來(lái)測(cè)量誤差。（4）重復(fù)性

重復(fù)性是指在同一工作條件下，輸入量按同一方向在全測(cè)量范圍內(nèi)連續(xù)變化多次所得特征曲線的不一致性，在數(shù)值上用各測(cè)量值正反行程標(biāo)準(zhǔn)偏差最大值的兩倍或三倍于滿量程

的百分比來(lái)表示。上式中δ為標(biāo)準(zhǔn)偏差，

為測(cè)量值，Y為測(cè)量值的算術(shù)平均值。（5）漂移傳感器的漂移是指在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)生漂移的原因有兩個(gè)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)。當(dāng)輸入狀態(tài)為零時(shí)的漂移稱為零點(diǎn)漂移。傳感器無(wú)輸入（或某一輸入值不變）時(shí)，每隔一段時(shí)間進(jìn)行讀數(shù)，其輸出偏離零值（或原指示值）。在其它因素不變的情況下，輸出隨著時(shí)間的變化產(chǎn)生的漂移稱為時(shí)間漂移。隨著溫度變化產(chǎn)生的漂移稱為溫度漂移，它表示當(dāng)溫度變化時(shí)，傳感器輸出值的偏離程度。一般以溫度變化1度時(shí)，輸出的最大偏差與滿量程的百分比來(lái)表示。上式中

為最大零點(diǎn)偏差（或相應(yīng)偏差）（6）精度傳感器精度指測(cè)量結(jié)果的可靠程度，它以給定的準(zhǔn)確度來(lái)表示重復(fù)某個(gè)讀數(shù)的能力，其誤差越小則傳感器精度越高。傳感器的精度表示為傳感器在規(guī)定條件下，允許的最大絕對(duì)誤差相對(duì)傳感器滿量程輸出的百分?jǐn)?shù)。

上式中△A為測(cè)量范圍內(nèi)允許的最大絕對(duì)誤差。所謂最大誤差是指在曲線上任取10個(gè)點(diǎn)測(cè)量某7點(diǎn)達(dá)10次，確定的最大誤差即為所求。

精度表示測(cè)量結(jié)果和“真值”的靠近程度，一般采用校驗(yàn)或標(biāo)定的方法來(lái)確定，此時(shí)“真值”則靠其它更精確的儀器或工作基準(zhǔn)來(lái)給出。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了傳感器和測(cè)試儀表的精度等級(jí)，如電工儀表精度分七級(jí)，分別是0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5級(jí)。精度等級(jí)的確定方法是首先算出絕對(duì)誤差與輸出滿度量程之比的百分?jǐn)?shù)，然后靠近比其低的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)值即為該儀器的精度等級(jí)。例題一臺(tái)精度等級(jí)為0.5級(jí)，量程范圍600-1200oC的溫度傳感器，它最大允許的絕對(duì)誤差是多少？檢驗(yàn)時(shí)最大允許的絕對(duì)誤差是4oC，問(wèn)此表時(shí)是否合格？（7）分辨力、分辨率分辨力是指能檢測(cè)出的輸入量的最小變化量的能力

，即傳感器能檢測(cè)到的最小輸入增量

Xmin。也就是說(shuō)，如果輸入量從某一非零值緩慢地變化。當(dāng)輸入變化值未超過(guò)某一數(shù)值時(shí)，傳感器的輸出不會(huì)發(fā)生變化，即傳感器對(duì)此輸入量的變化是分辨不出來(lái)的。只有當(dāng)輸入量的變化超過(guò)分辨率時(shí)，其輸出才會(huì)發(fā)生變化。在輸入零點(diǎn)附近的分辨力稱為閾值，即產(chǎn)生可測(cè)輸出變化量時(shí)的最小輸入量值。如圖2.4所示左圖為非線性、右圖為線性輸出結(jié)果，其中的x0均表示可以開(kāi)始檢測(cè)的的最小輸入值。數(shù)字式傳感器一般用分辨率表示，分辨率是指分辨力/滿量程輸入值。圖2.4傳感器輸出的閾值示例（8）遲滯遲滯是指在相同工作條件下作全測(cè)量范圍校準(zhǔn)時(shí)，在同一次校準(zhǔn)中對(duì)應(yīng)同一輸入量的正行程和反行程間的最大偏差。它表示傳感器在正(輸入量增大)、反(輸入量減小)行程中輸出/輸入特性曲線的不重合程度，數(shù)值用最大偏差(△Amax)或最大偏差的一半與滿量程輸出值的百分比來(lái)表示，它們分別如下所示：傳感器的動(dòng)態(tài)性能是指?jìng)鞲衅鲗?duì)于隨時(shí)間變化的輸入量的響應(yīng)特性。它是傳感器的輸出值能真實(shí)再現(xiàn)變化著的輸入量的能力反映，即傳感器的輸出信號(hào)和輸入信號(hào)隨時(shí)間的變化曲線希望一致或相近。傳感器X(t)y(t)傳感器傳感器傳感器2、反映傳感器動(dòng)態(tài)特性的性能指標(biāo)y(t)傳感器X(t)y(t)傳感器對(duì)于線性系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)研究，最廣泛使用的數(shù)學(xué)模型是普通線性常系數(shù)微分方程。只要對(duì)微分方程求解，就可以得到動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)。動(dòng)態(tài)模型微分方程脈沖輸入正弦輸入階躍輸入任意輸入常見(jiàn)的動(dòng)態(tài)輸入動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性的主要指標(biāo)脈沖響應(yīng)函數(shù)h(t)傳遞函數(shù)H(S)頻率響應(yīng)函數(shù)H(jω)階躍響應(yīng)函數(shù)ｇ(t)對(duì)任意輸入的響應(yīng)函數(shù)y(t)

傳感器的響應(yīng)特性良好，意味著傳感器在所測(cè)的頻率范圍內(nèi)滿足不失真測(cè)量的條件。另外，實(shí)際傳感器的響應(yīng)過(guò)程總有一定的延遲，但希望延遲的時(shí)間越小越好。2.3.2傳感器選型的原則現(xiàn)代傳感器在原理和結(jié)構(gòu)上千差萬(wàn)別，如何根據(jù)具體的測(cè)量目的、測(cè)量對(duì)象和測(cè)量環(huán)境合理選用傳感器，是在進(jìn)行某個(gè)量的測(cè)量時(shí)首先要解決的問(wèn)題。當(dāng)傳感器的型號(hào)確定之后，與之相配套的測(cè)量方法和設(shè)備也就可以確定了。測(cè)量結(jié)果的成敗，在很大程度上取決于傳感器的選用是否合理。1、根據(jù)測(cè)量對(duì)象與環(huán)境確定類型根據(jù)被測(cè)量的特點(diǎn)和傳感器的使用條件考慮以下問(wèn)題：量程的大小；被測(cè)位置對(duì)傳感器體積的要求；測(cè)量方式為接觸式還是非接觸式；信號(hào)的輸出方法，有線或非接觸測(cè)量；傳感器的來(lái)源，國(guó)產(chǎn)還是進(jìn)口；價(jià)格能否承受，是否自行研制。2、靈敏度的選擇通常在傳感器的線性范圍內(nèi)，希望傳感器的靈敏度越高越好。因?yàn)橹挥徐`敏度高時(shí)，與被測(cè)量變化對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)的值會(huì)比較大，這有利于信號(hào)處理。但傳感器的靈敏度較高時(shí)，與被測(cè)量無(wú)關(guān)的外界噪聲也容易混入，也會(huì)被放大系統(tǒng)放大，從而導(dǎo)致影響測(cè)量精度。因此，選用傳感器本身應(yīng)具有較高的信噪比，盡量減少?gòu)耐饨缫敫蓴_信號(hào)。傳感器的靈敏度是有方向性的。當(dāng)被測(cè)量是單向量，而且對(duì)方向性要求較高時(shí)，應(yīng)選擇在其它方向上靈敏度小的傳感器；如果被測(cè)量是多維向量，則要求傳感器的交叉靈敏度越小越好。3、頻率響應(yīng)特性傳感器的頻率響應(yīng)特性決定了被測(cè)量的頻率范圍，必須在允許頻率范圍內(nèi)保持不失真的測(cè)量條件，實(shí)際上傳感器的響應(yīng)時(shí)間總有一定的延遲，通常希望延遲時(shí)間越短越好。

傳感器的頻率響應(yīng)越高，則可測(cè)的信號(hào)頻率范圍就越寬。由于受到結(jié)構(gòu)特性的影響，機(jī)械系統(tǒng)的慣性較大，因而傳感器頻率低，則可測(cè)信號(hào)的頻率就較低。在動(dòng)態(tài)測(cè)量中，應(yīng)根據(jù)信號(hào)的特點(diǎn)，以免產(chǎn)生過(guò)大的誤差。4、線性范圍傳感器的線形范圍是指輸出與輸入成正比的范圍。理論上在此范圍內(nèi)，靈敏度保持定值。傳感器的線性范圍越寬，則它的量程就越大，并且能保證一定的測(cè)量精度。在選擇傳感器時(shí)，當(dāng)傳感器的種類確定以后首先要看它的量程是否滿足要求。但在實(shí)際上，任何傳感器都不能保證絕對(duì)的線性，它的線性度也是相對(duì)的。當(dāng)所要求測(cè)量精度比較低時(shí)，在一定的范圍內(nèi)可將非線性誤差較小的傳感器近似看作是線性的，這會(huì)給測(cè)量工作帶來(lái)很大的方便。5、穩(wěn)定性傳感器在使用一段時(shí)間后，它的穩(wěn)定性會(huì)受到影響。影響傳感器長(zhǎng)期穩(wěn)定性的因素除傳感器本身的結(jié)構(gòu)以外，還包括傳感器的使用環(huán)境。因此，要使傳感器具有良好的穩(wěn)定性，需要有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力。6、精度精度是傳感器的一個(gè)重要的性能指標(biāo)，它是關(guān)系到整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量準(zhǔn)確程度的一個(gè)環(huán)節(jié)。傳感器的精度越高，它的價(jià)格就越昂貴。因此，傳感器的精度只要滿足整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的精度要求就可以了，不必過(guò)高。這樣可以在滿足同一測(cè)量目的的諸多傳感器中，選擇比較便宜和簡(jiǎn)單的傳感器型號(hào)。如果測(cè)量目的是定性分析，選用相對(duì)精度高的傳感器即可，不宜選用絕對(duì)量值精度高的型號(hào)；如果是為了定量分析，必須獲得精確的測(cè)量值，就要選用精度等級(jí)能滿足要求的型號(hào)。對(duì)某些特殊使用場(chǎng)合，無(wú)法選到合適的傳感器，則需自行設(shè)計(jì)制造傳感器。自制傳感器的性能應(yīng)滿足使用要求。2.4.2磁阻傳感器用于車輛探測(cè)1、磁感應(yīng)探測(cè)原理運(yùn)動(dòng)車輛的每個(gè)部分都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)可重復(fù)的對(duì)地球磁場(chǎng)的擾動(dòng)，不管車輛向哪個(gè)方向行駛，這個(gè)特征都會(huì)被可靠地檢測(cè)到。檢測(cè)車輛存在的另一種方法是觀察磁場(chǎng)變化的大小，磁場(chǎng)大小的變化表明了對(duì)地磁場(chǎng)整體的干擾程度。2.4微型傳感器應(yīng)用示例這里以磁阻傳感器為例，介紹微型傳感器的探測(cè)原理和應(yīng)用方法。2.4.1磁阻傳感器簡(jiǎn)介磁性傳感器通常又稱為磁力計(jì)，它的使用特點(diǎn)在于測(cè)量磁場(chǎng)并不是主要目的，通常能夠同時(shí)探測(cè)獲得其它參數(shù)，如車輪速度、車輛出現(xiàn)和運(yùn)動(dòng)方向等。這里側(cè)重討論各向異性磁阻（AnisotropicMagnetoresistive,AMR）傳感器，它屬于磁性傳感器中的一種，工作量程在地磁場(chǎng)范圍內(nèi)。磁阻傳感器的特征在于當(dāng)探測(cè)出磁場(chǎng)發(fā)生變化時(shí)，它會(huì)產(chǎn)生一個(gè)阻抗變化值，因而也就有了磁阻這一概念，阻抗變化的同時(shí)會(huì)改變電壓輸出值。磁阻傳感器的用途較多，最典型的應(yīng)用是用于車輛探測(cè)。2、運(yùn)動(dòng)車輛探測(cè)信號(hào)分析地球的磁場(chǎng)在很廣闊的區(qū)域內(nèi)是恒定的，可以看作是均勻磁場(chǎng)。大的鐵磁物體會(huì)引起地球磁場(chǎng)的擾動(dòng)。這些擾動(dòng)在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)和車輪處尤為明顯，但也取決于在車輛內(nèi)部、車頂或后備箱中有沒(méi)有其它鐵磁物質(zhì)。在道路中間和旁邊放置磁阻傳感器，可以探測(cè)由于車輛經(jīng)過(guò)而導(dǎo)致的畸變磁場(chǎng)，從而監(jiān)測(cè)車輛的存在，在此基礎(chǔ)上推導(dǎo)車輛類型、行駛方向等交通參數(shù)。3、車輛探測(cè)算法運(yùn)動(dòng)車輛探測(cè)算法需要有足夠的魯棒性，保證在不同工作環(huán)境下的車輛能被可靠探測(cè)。由于無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的微處理器的處理能力有限，車輛探測(cè)需要的計(jì)算應(yīng)盡可能的簡(jiǎn)單。習(xí)題1、什么是傳感器？并舉例說(shuō)明。2、傳感器的功能是什么？3、傳感器的基本特性包括哪些指標(biāo)？4、如何進(jìn)行傳感器的正確選型？ZigBee技術(shù)與應(yīng)用

ZigBee系列1

ZigBee技術(shù)與應(yīng)用

1.

ZigBee概述

2.

ZigBee技術(shù)體系

3.

ZigBee應(yīng)用

4.

ZigBee的發(fā)展現(xiàn)狀以及前景

5.總結(jié)ZigBee概述ZigBee，這個(gè)名字來(lái)源于蜂群使用的賴以生存和發(fā)展的通信方式：蜜蜂通過(guò)跳Zig-Zag形狀的舞蹈來(lái)分享新發(fā)現(xiàn)的食物源的位置，距離和方向等資訊。ZigBee概念Zigbee是IEEE802.15.4協(xié)議的代名詞。根據(jù)這個(gè)協(xié)議規(guī)定的技術(shù)是一種短距離、低功耗的無(wú)線通信技術(shù)。其特點(diǎn)是近距離、低復(fù)雜度、自組織、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本。主要適合用于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備。簡(jiǎn)而言之，ZigBee就是一種便宜的，低功耗的近距離無(wú)線組網(wǎng)通訊技術(shù)。

ZigBee概述

ZigBee的起源工業(yè)自動(dòng)化和家庭智能化對(duì)無(wú)線數(shù)據(jù)通信的需求越來(lái)越強(qiáng)烈，而藍(lán)牙技術(shù)對(duì)于這一領(lǐng)域顯然有一定的局限。2002年,zigbeeAlliance成立。Zigbee協(xié)議在2003年正式問(wèn)世。2004年,zigbeeV1.0誕生。2006年,推出zigb