物联网应用技术导论第2章物联网感知与识别技术.ppt

物联网应用技术导论 第2章物联网感知与识别技术 第2章 物联网感知 与识别技术 物联网应用技术导论 第2章物联网感知与识别技术 第2章 物联网感知与识别技术 2.1 物联网感知与识别技术概述 2.2 射频识别频识别 技术术 2.2.1 RFID系统组成 2.2.2 典型RFID分类 2.2.3 RFID工作原理 2.2.4 RFID的典型应用 2.2.5 EPC产品电子代码 2.3 传传感器技术术 2.3.1 传感器的定义 2.3.2 传感器的分类 2.3.3 常见传感器简介 2.4 无线传线传 感器网络络系统统 2.4.1 无线传感器网络简介 2.4.2 无线传感器网络体系结构 2.4.3 无线传感器网络特性 2.5 其他感知与识别识别 技术术 2.5.1 二维码技术 2.5.2 红外感应技术 2.5.3 定位技术 2.5.4 其他技术 2.6 本章小结结 本章主要内容 物联网应用技术导论 第2章物联网感知与识别技术 2.1 物联网感知与识别技术概述 感知与识别技术主要实现如识别物体本身的存在，定位物体 位置、物体移动情况等等，常采用的技术包括二维码技术、 射频识别技术、GPS定位技术、红外感应技术、声音及视觉识 别技术、生物特征识别技术等。 物联网的感知与识别技术实现物联网的信息采集，是物联网 主要的数据来源，物联网的各种应用都是通过采集各类信息 和数据来实现的。 本章主要对射频识别技术RFID、传感器技术、无线传感器网络 技术、二维码技术、红外感应技术、定位技术等进行介绍。 物联网应用技术导论 第2章物联网感知与识别技术 2.2 射频识别 技术 射频识别技术（Radio Frequency Identification，缩写RFID），是20世纪80年代 发展起来的一种自动识别技术，它利用射频信号通过空间耦合（交变磁场或电磁 场）实现无接触信息传递并通过所传递的信息达到识别目的，对静止或移动物体 的自动识别。 RFID技术具有防水、耐高温、使用寿命长、读取距离远、标签数据可以加密、 存储数据容量大、存储信息可以随意修改、可以识别高速运动中的物体，可识别 多个标签，可以在恶劣环境下工作等优点。 随着物联网概念的兴起，RFID在社会生产生活中的应用再一次推向了高潮。目 前RFID应用范围越来越广，涉及商品防伪、国防军事、智能交通、电子门票、 身份识别和一卡通等多个领域。 物联网应用技术导论 第2章物联网感知与识别技术 2.2 射频识别技术 2.2.1 RFID系统组成 RFID 系统主要由电子标签、天线、读写器和主机组成 物联网应用技术导论 第2章物联网感知与识别技术 2.2 射频识别 技术 2.2.2 典型RFID分类 按照标签的工作频率分类 有源电子标签 又称主动标签（Active tag），标签的工作电源完全由内部电 池供给，同时标签电池也给标签的无线发射和接收装置供电。 物联网应用技术导论 第2章物联网感知与识别技术 2.2 射频识别 技术 2.2.2 典型RFID分类 按照标签的工作频率分类 半有源射频标签 又称为半被动标签（Semi-passive tag），可以使 用微型纽扣电池给芯片供电，而天线接收发射仍然 通过阅读器发射的电磁波获取能量，因此本身耗电 很少。 物联网应用技术导论 第2章物联网感知与识别技术 2.2 射频识别 技术 2.2.2 典型RFID分类 按照标签的工作频率分类 无源电子标签 又称为被动标签（Passive tag），没有内部电池， 当标签处在阅读器的读出范围之外时，电子标签处 于无源状态，而在阅读器的读出范围之内时，电子 标签从阅读器发出的射频能量中提取其工作所需的 电源能量。 物联网应用技术导论 第2章物联网感知与识别技术 2.2 射频识别 技术 2.2.2 典型RFID分类 按照标签的工作频率分类 低频段电子标签 30kHz300kHz 中高频段电子标签 3MHz30MHz 超高频与微波标签 433.92MHz，862(902)928MHz， 2.45GHz，5.8GHz 物联网应用技术导论 第2章物联网感知与识别技术 2.2 射频识别 技术 2.2.3 RFID工作原理 RFID的工作原理 读写器通过发射天线发送一定频率的射频信号，当RFID进入发射天线 工作区域时产生感应电流，标签获得能量被激活，将自身编码等信息通 过内置发送天线发送出去，系统接收天线接收到标签发送来的载波信号 ，经天线调节器传送到读写器，读写器对接收的信号进行解调和解码然 后送到后台主系统进行相关处理；主系统根据逻辑运算判断该标签的合 法性，针对不同的设定做出相应的处理和控制，发出指令信号控制执行 机构动作。 物联网应用技术导论 第2章物联网感知与识别技术 2.2 射频识别 技术 2.2.3 RFID工作原理 标签和读写器通信的方式和能量感应方式有电感耦合和电磁反向散射耦合 两种。 电感耦合方式，也称磁耦合，一般适用于中低频的近距离RFID系统，这种 近距离的电感耦合系统通过空间高频交变磁场实现耦合，依据的是电磁感 应定律。 电磁反向散射耦合采用雷达原理模型，读写器发射出去的电磁波碰到目标 后一部分被目标吸收，一部分以不同的强度散射到各个方向，其中一小部 分携带目标信息反射回发射天线，并被天线吸收（读写器的发射天线也是 接收天线），对接收信号进行处理和放大，即可获得目标的相关信息。 物联网应用技术导论 第2章物联网感知与识别技术 2.2 射频识别 技术 2.2.4 RFID的典型应用 证件管理 从2004 年开始，采用了RFID 技术的中国 第二代居民身份证，在全国范围内开始换 发，截至2008年，中国第二代身份证发行 量已经达到9 亿多张，是迄今为止全球最 大的RFID 应用项目。 物联网应用技术导论 第2章物联网感知与识别技术 2.2 射频识别 技术 2.2.4 RFID的典型应用 RFID电子门票 RFID 技术作为电子门票在中国已经广泛 地应用于大型演出、公园、展览馆等方面 。2008 年北京奥运会门票成功应用RFID 技术。另外为奥运会、残奥会开、闭幕式 实名制查验及人员管理，为奥运会赛事管 理、安全提供了有力的保障。 物联网应用技术导论 第2章物联网感知与识别技术 2.2 射频识别 技术 2.2.4 RFID的典型应用 高速公路自动收费及交通管理 高速公路自动收费系统是RFID技术最成功 的应用之一。 RFID技术应用在高速公路自 动收费上能够充分体现了非接触识别的优 势。让车辆高速通过收费站的同时自动完 成收费。同时可以解决收费员贪污路费及 交通拥堵的问题。 物联网应用技术导论 第2章物联网感知与识别技术 2.2 射频识别 技术 2.2.4 RFID的典型应用 门禁保安 门禁保安系统可采用射频卡，并且一卡可 以多用，比如作工作证、出入证、停车卡 、旅馆住宿卡甚至旅游护照等等，目的是 帮助识别人员身份、安全管理、收费等， 这样可以简化出入手续、提高工作效率。 物联网应用技术导论 第2章物联网感知与识别技术 2.2 射频识别 技术 2.2.4 RFID的典型应用 生产线自动化 用RFID技术在生产流水线上可以实现自动 控制、监视，提高生产率，改进生产方式 、节约了成本。如用于汽车装配流水线， 德国宝马汽车公司在装配流水线上应用射 频卡以尽可能大量地生产用户定制的汽车 。 物联网应用技术导论 第2章物联网感知与识别技术 2.2 射频识别 技术 2.2.4 RFID的典型应用 防伪 将射频识别技术应用在防伪领域有它自身的技术优势。防伪 技术本身成本低，但却很难伪造。射频卡的成本就相对便宜 ，而芯片的制造需要有昂贵的芯片工厂，使伪造者望而却步 。射频卡本身具有内存，可以储存、修改与产品有关的数据 、利于销售商使用；体积十分小、便于产品封装。 物联网应用技术导论 第2章物联网感知与识别技术 2.2 射频识别 技术 2.2.5 EPC产品电子代码 EPC的全称是Electronic Product Code，中文称 为产品电子代码。EPC的载体是RFID电子标签， 并借助互联网实现信息的传递。EPC旨在为每一 件产品建立全球的、开放的标识标准，实现全球 范围内对单件产品的跟踪与追溯，从而有效提高 供应链管理水平、降低物流成本。EPC是一个完 整的、复杂的、综合的系统。 物联网应用技术导论 第2章物联网感知与识别技术 2.2 射频识别 技术 2.2.5 EPC产品电子代码 EPCglobal是一个非赢利性标准化组织，由 EAN和UCC两大标准化组织联合成立，其主要 职责是在全球范围内对各个行业建立和维护 EPC网络，保证供应链各环节信息的自动、实 时识别采用全球统一标准。 物联网应用技术导论 第2章物联网感知与识别技术 2.3 传感器技术 传感器是一种检测装置，能够感受被测量信息， 并能将检测感受到的信息按一定规律变换成为电 信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的 传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求， 它是实现自动检测和自动控制的首要环节，是物 联网应用中的信息来源。 物联网应用技术导论 第2章物联网感知与识别技术 2.3 传感器技术 传感器技术在发展经济、推动社会进步方 面的重要作用，是十分明显的。世界各国 都十分重视这一领域的发展。 在物联网应用中，传感器可以说是物联网 的基石。 物联网应用技术导论 第2章物联网感知与识别技术 2.3 传感器技术 2.3.1 传感器的定义 国家标准GB7665-87对传感器下的定义是：“能感受规 定的被测量件并按照一定的规律（数学函数法则）转 换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换 元件组成”。 物联网应用技术导论 第2章物联网感知与识别技术 2.3 传感器技术 2.3.1 传感器的定义 “传感器”在新韦式大词典中定义为：从一个系统接受功 率，通常以另一种形式将功率送到第二个系统中的器 件。根据这个定义，传感器的作用是将一种能量转换 成另一种能量形式，所以不少学者也用“换能器（ Transducer）”来称谓“传感器”。 物联网应用技术导论 第2章物联网感知与识别技术 2.3 传感器技术 2.3.2 传感器的分类 按用途分类 压力敏和力敏传感器 位置传感器 液位传感器 能耗传感器 速度传感器 加速度传感器 射线辐射传感器 热敏传感器等 物联网应用技术导论 第2章物联网感知与识别技术 2.3 传感器技术 2.3.2 传感器的分类 按原理分类 振动传感器 湿敏传感器 磁敏传感器 气敏传感器 真空度传感器 生物传感器 物联网应用技术导论 第2章物联网感知与识别技术 2.3 传感器技术 2.3.2 传感器的分类 按输出信号分类 模拟传感器 数字传感器 膺数字传感器 开关传感器 物联网应用技术导论 第2章物联网感知与识别技术 2.3 传感器技术 2.3.2 传感器的分类 按其制造工艺分类 集成传感器 薄膜传感器 厚膜传感器 陶瓷传感器 物联网应用技术导论 第2章物联网感知与识别技术 2.3 传感器技术 2.3.2 传感器的分类 按测量目的分类 物理型传感器 化学型传感器 生物型传感器 物联网应用技术导论 第2章物联网感知与识别技术 2.3 传感器技术 2.3.2 传感器的分类 按其构成分类 基本型传感器 组合型传感器 应用型传感器 物联网应用技术导论 第2章物联网感知与识别技术 2.3 传感器技术 2.3.2 传感器的分类 按作用形式分类 主动型传感器 被动型传感器 物联网应用技术导论 第2章物联网感知与识别技术 2.3 传感器技术 2.3.3 常见传感器简介 电阻式传感器 电阻式传感器是将被测量，如位移、形变、力、加速 度、湿度、温度等这些物理量转换式成电阻值这样的 一种器件。主要有电阻应变式、压阻式、热电阻、热 敏、气敏、湿敏等电阻式传感器件。 物联网应用技术导论 第2章物联网感知与识别技术 2.3 传感器技术 2.3.3 常见传感器简介 称重传感器 称重传感器是一种能够将重力转变为电信号的力电 转换装置，是电子衡器的一个关键部件。 物联网应用技术导论 第2章物联网感知与识别技术 2.3 传感器技术 2.3.3 常见传感器简介 电阻应变式传感器 传感器中的电阻应变片具有金属的应变效应，即在外 力作用下产生机械形变，从而使电阻值随之发生相应 的变化。 物联网应用技术导论 第2章物联网感知与识别技术 2.3 传感器技术 2.3.3 常见传感器简介 压阻式传感器 压阻式传感器是根据半导体材料的压阻效应在半导体 材料的基片上经扩散电阻而制成的器件。其基片可直 接作为测量传感元件，扩散电阻在基片内接成电桥形 式。当基片受到外力作用而产生形变时，各电阻值将 发生变化，电桥就会产生相应的不平衡输出 物联网应用技术导论 第2章物联网感知与识别技术 2.3 传感器技术 2.3.3 常见传感器简介 激光传感器 利用激光技术进行测量的传感器 ，它由激光器、激光检测器和测 量电路组成。激光传感器是新型 测量仪表，它的优点是能实现无 接触远距离测量，速度快，精度 高，量程大，抗光、电干扰能力 强等。 物联网应用技术导论 第2章物联网感知与识别技术 2.3 传感器技术 2.3.3 常见传感器简介 激光传感器工作原理 激光传感器工作时，先由激光发射二极管对准目标发 射激光脉冲。经目标反射后激光向各方向散射。部分 散射光返回到传感器接收器，被光学系统接收后成像 到雪崩光电二极管上。雪崩光电二极管是一种内部具 有放大功能的光学传感器，因此它能检测极其微弱的 光信号，并将其转化为相应的电信号。 物联网应用技术导论 第2章物联网感知与识别技术 2.3 传感器技术 2.3.3 常见传感器简介 霍尔传感器 霍尔传感器是根据霍尔效应制作的 一种磁场传感器，广泛地应用于工 业自动化技术、检测技术及信息处 理等方面，右图是一种霍尔传感器 。霍尔效应是研究半导体材料性能 的基本方法。通过霍尔效应实验测 定的霍尔系数，能够判断半导体材 料的导电类型、载流子浓度及载流 子迁移率等重要参数。 物联网应用技术导论 第2章物联网感知与识别技术 2.3 传感器技术 2.3.3 常见传感器简介 霍尔传感器 霍尔传感器分为线性型霍尔传感器和开关型霍尔传感 器两种。其中，线性型霍尔传感器由霍尔元件、线性 放大器和射极跟随器组成，它输出模拟量。开关型霍 尔传感器由稳压器、霍尔元件、差分放大器，斯密特 触发器和输出级组成，它输出数字量。 物联网应用技术导论 第2章物联网感知与识别技术 2.4 无线传感器网络系统 2.4.1 无线传感器网络简介 无线传感器网络系统可以组成独立的感知控制系统， 但由于其在物联网整个构建中位于信息获取的底层， 其获取的信息可以汇总到更高层次进行处理后再反馈 到应用中，因此本书将其放在物联网的感知与识别部 分作介绍。 物联网应用技术导论 第2章物联网感知与识别技术 2.4 无线传感器网络系统 2.4.1 无线传感器网络简介 无线传感器网络WSN（Wireless Sensor Networks） 由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成 ，通过无线通信方式形成的一个多跳的、自组织的网 络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖 区域中被感知对象的信息，并发送给观察者。无线传 感器网络源于美国军方对战场的监控与预警系统的研 究，后来逐步迁移到民用研究。无线传感器网络主要 侧重于对目标、环境和物体状态的监测与控制。 物联网应用技术导论 第2章物联网感知与识别技术 2.4 无线传感器网络系统 2.4.2无线传感器网络体系结构 传感网主要由无 线节点、汇集节 点和信息监测或 管理中心等组成 。 物联网应用技术导论 第2章物联网感知与识别技术 2.4 无线传感器网络系统 2.4.3 无线传感器网络特点 1、节点能量有限。 2、自组织性。 3、多跳路由。 4、大规模网络。 5、动态性网络。 6、可靠的网络。 7、应用相关的网络。 8、以数据为中心的网络。 物联网应用技术导论 第2章物联网感知与识别技术 2.5 其他感知与识别技术 二维码技术 红外感应技术 GPS定位技术 声音及视觉识别技术 生物特征识别技术 物联网应用技术导论 第2章物联网感知与识别技术 2.5 其他感知与识别技术 2.5.1 二维码技术 二维码在1994年起源于日本，它用某种特定的几何图 形按一定规律在平面（二维方向上）分布的黑白相间 的图形记录数据符号信息。 二维码的应用：二维条码具有储存量大、保密性高、 追踪性高、抗损性强、备援性大、成本便宜等特性， 这些特性特别适用于表单、安全保密、追踪、证照、 存货盘点、资料备援等方面。 物联网应用技术导论 第2章物联网感知与识别技术 2.5 其他感知与识别技术 2.5.2 红外感应技术 红外线是一种波长在750nm至1mm之间的电磁波，它 的频率高于微波而低于可见光，是一种人的眼睛看不 到的光线。 任何物质，只要它本身具有一定的温度（高于绝对零 度），都能辐射红外线。 利用这种红外线的辐射，可以实现各种红外感应技术 的应用，如搜索和跟踪红外目标，确定其空间位置并 对它的运动进行跟踪，热成像系统可产生整个目标红 外辐射的分布图像等。 物联网应用技术导论 第2章物联网感知与识别技术 2.5 其他感知与识别技术 2.5.2 红外感应技术 利用红外感知技术可以制作红外线传感器，测量时不 与被测物体直接接触，因而不存在摩擦问题，并且有 灵敏度高，响应快等优点。 红外线传感器包括光学系统、检测元件和转换电路。 物联网应用技术导论 第2章物联网感知与识别技术 2.5 其他感知与识别技术 2.5.3 定位技术 在物联网的许多应用中，需要知道物体的位置信息， 特别是对于移