第一章物联网感知识别技术及应用概论

*物联网感知识别技术及其应用左加阔南京邮电大学物联网学院E-mail:zuojiakuo@*提要第一章概述(3学时)第二章条形码技术(次重点，3学时)第三章射频识别技术(重点，9+4学时)第四章传感器技术与传感网络(重点，9+4学时)第五章无线定位技术(重点，9学时)第六章智能信息设备(4学时)第七章感知识别技术综合应用(3学时)*参考书目1.教材丁明跃.物联网识别技术[M].中国铁道出版社,2012.2.主要参考书庞明.物联网条码技术与射频识别技术[M].中国物资出版社,2011.吴亚林,王劲松.物联网用传感器[M].电子工业出版社,2012.梁久祯.无线定位系统[M].电子工业出版社,2013.高建良,贺建飚.物联网RFID原理与技术[M].电子工业出版社,2013.*考核方式1、平时成绩(作业、上课出勤率等)占总评的30%。2、期末考试成绩占总评的70%*第一章概述1.1物联网1.2自动识别技术1.4

无线定位技术1.3传感器及传感网络1.5智能信息设备*1物联网定义关于物联网(InternetofThings,IoT)比较准确的定义应该是：物联网是通过各种信息传感设备及系统(传感网、射频识别系统、红外感应器、激光扫描器、条码与二维码、全球定位系统等)，按约定的通信协议，将物与物、人与物、人与人连接起来，通过各种接入网、互联网进行信息交换，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种信息网络。

1.1.1物联网概述*2物联网发展历程

1999200420052009-8MIT提出物联网概念U-Korea战略感知中国2012《ITU互联网报告2005：物联网》U-Japan战略7IBM提出“智慧地球”2008“十二五”物联网发展规划*物联网的概念最早是1999年由美国麻省理工学院Auto-ID等学者提出的，他们认为物联网是指将所有物品通过射频识别技术(特别是RFID)等传感设备与互联网连接起来，实现智能化识别和管理的网络。2005年国际电信联盟(ITU)发布《ITU互联网报告2005：物联网》，引用了“物联网”的概念。2008年IBM总裁兼首席执行官彭明盛(SamuelJ．Palmisano)首次提出了“智慧的地球”的概念。

2009年8月，温家宝总理视察无锡发表重要讲话，鼓励大力发展传感网(“物联网”)技术，并建立中国的“感知中心”，使“物联网”在中国的研究被推向高潮。

2012年2月14日，《“十二五”物联网发展规划》揭开神秘面纱，该规划指出:“十二五”期间(2011年一2015年)，我国要初步完成产业体系构建，形成较为完善的物联网产业链，培育和发展10个产业聚集区，100家以上骨干企业。*1.1.2物联网体系结构

目前国外已提出很多标准，如EPCGlobal的ONS/PML标准体系，还有Telematics行业推出的NGTP标准协议及其软件体系架构，以及EDDL,M2MXML,oBIX等。这里我们提供

三层体系框架以供参考。*1感知层

感知层主要用于采集物理世界中发生的物理事件和数据，包括各类物理量、标识、音频、视频数据。物联网数据采集涉及到的技术有多种，主要包括传感器、RFID、多媒体信息采集、实时定位等等。传感器网络组网并协同信息处理技术来实现传感器、RFID等数据采集技术所获取数据的短距离传输、自组织组网以及多个传感器对数据进行处理。射频识别RFID条码二维码传感网WSN短距离无线网络实时定位系统感知层*2网络层网络层不单单是互联网功能，它能够实现更加广泛的互联功能。理想中的物联网中，网络层可以把感知层感知到的信息无障碍、高可靠性、高安全性地传输。为了实现这一宏伟目标，需要传感器网络与移动通信技术、互联网等技术相融合。*3应用层应用层主要包含支撑平台和应用服务。应用支撑平台子层用于支撑跨行业、跨应用、跨系统之间的信息协同、共享、互通的功能。应用服务子层包括智能家居、智能电网、智能交通、智能物流等行业应用。物联网应用层移动POS金融供应链智能运输工业自动化智能建筑消防公共安全环境保护气象数字化医疗遥感勘测军事农业林业水务电力煤炭石化*1.1.3物联网应用场景1智能家居智能家居是以住宅为平台，利用综合布线技术、网络通信技术、安全防范技术、自动控制技术、音频技术将家居生活有关的设施集成，构建高效的住宅设施与家庭日程事务的管理系统，提升家居安全性、便利性、舒适性、并实现环保节能的居住环境。*2智能交通实时获取路况信息，监视和控制交通流量实现车辆与网络相连，优化行车路线无缝地检测、标识车辆并收取行驶费用14*3智能物流自动化仓库自动检测物品的出入，向供货商自动发送订单自动化运输物品上的电子标签根据后台系统信息，自动选择合适路径供应链商业模式变化用户直接通过物联网向商品本身发订单。用户不在是向一个生产商定购大宗的商品，而是按照用户的订单顺序从不同的生产商购买商品*4智能医疗体内智能诊断设备，有助于疾病的早期诊断，增强康复效果新型个人医疗设备，使得病人在家即可接受医疗，远程医疗可避免昂贵路费，减少病人的压力家庭中的智能设备，在老人出现意外时发出求助信号*1.1.4物联网感知识别关键技术通过感知识别技术，让物品“开口说话、发布信息”是融合物理世界和信息世界的重要一环，是物联网区别于其他网络的最独特的部分。物联网的“触手”是位于感知识别层的大量信息生成设备，既包括采用自动生成方式的RFID、传感器、定位系统等，也包括采用人工生成方式的各种智能设备，例如智能手机、PDA、多媒体播放器、上网本、笔记本电脑等等。**1.2自动识别技术1.2.1条形码技术一维条形码二维条形码1.2.2RFID技术*1.2.1条形码技术条形码技术是在计算机应用和实践中产生并发展起来的一种广泛应用于商业、邮政、图书管理、仓储、工业生产过程控制、交通等领域的自动识别技术，具有输入速度快、准确度高、成本低、可靠性强等优点，在当今的自动识别技术中占有重要的地位。

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1条形码概念条形码是一种可供电子仪器自动识别的标准符号，是由一组黑白相间、粗细不同的条、空符号按一定编码规则排列组成的标记，用以表示一定的信息，确认某个物体，能正确快速地为产、供、销各环节在采集、处理和交换信息时提供标识。在条形码下方的一组数据是代码，它所表达的内容和条形码是一样的。*按码制分类UPC码EAN码一维条码25码和交插25码ITF-14码和ITF-6码二维条码多维条形码•行排式二维条码•矩阵式二维条码库德巴码(Codebar)128码39码(Code3of9)•商品条码(EAN码和UPC码)物流条码(128码、39码、库德巴码(Codabar))按维数分类

2条形码分类*3一维条形码条码符号的构成起始符左侧数据符中间分隔符右侧数据符校验符终止符数据所表达的内容和条形码一样左侧空白区右侧空白区供人识别字符标志一个条码符号的开始,阅读器确认此字符存在后开始处理扫描脉冲。标志一个条码符号的结束，阅读器确认此字符后停止处理代表一种算术运算的结果*信息容量低你知道吗？应用受限依赖于数据库纠错能力差常用一维条码UPC码(通用商品代码，UniversalProductCode,UPC)EAN码(欧洲物品编码,EuropeanArticleNumbering)

128码一维条形码局限性*EAN-13商品条形码EAN-13码的结构UCC/EAN-13码由13位数字组成，分三种结构，每种结构由三部分组成。(1)前置码由2~3位数字（X13X12或X13X12X11）组成，是EAN分配给国家（或地区）编码组织的代码。前置由EAN统一分配和管理，只代表分配和管理有关厂商识别代码的国家（或地区）编码组织。*EAN分配给中国使用的商品条形码前置码有690、691、692、693、694、695，当使用690、691时采用结构一、当使用692、693时采用结构二、结构三暂未使用。图书和期刊作为特殊商品也采用了EAN-13表示ISBN和ISSN，前置码977用于期刊号ISSN，前置码978用于图书号ISBN。我国被分配使用7开头的ISBN号，因此我国出版社出版的图书上的条形码全部以9787开头。(2)厂商识别代码由7~9位数字组成，由中国物品编码中心负责分配和管理(3)商品项目代码由3~5位数字组成，由厂商负责制定*(4)校验码由一位数字组成，用来校验X13一X12的编码正确性。校验码的计算步骤如下：*EAN-13条形码的结构(1)左侧空白区位于条形码符合最左侧的与空的反射率相同的区域，其最小宽度为11个模块宽(2)起始符

位于条形码符号左侧空白区的右侧，表示信息开始的特殊符号，由101这3个模块组成*

(3)左侧数据符位于起始符右侧，表示6位数字信息的一组条形码字符，每个数字由7个模块组成(4)中间分隔符是平分条形码字符的特殊符号，由01010这5个模块组成(5)右侧数据符位于中间分隔符的右侧，表示5位数字信息的一组条形码字符，每个数字由7个模块组成

(6)

校验符位于右侧数据符的右侧，表示校验码的条形码字符，由7个模块组成

(7)终止符位于条形码校验符的右侧，表示信息结束的特殊符号，由101这3个模块组成*(8)右侧空白区右侧空白区最小宽度为7个模块宽，为保护右侧空白区的宽度，可以在条形码符号终止符之后且与条形码文字齐平之处添加“>”符号，“>”的位置和尺寸如下图所示：*

EAN-13由113个模块组成，其中每个模块代表条形码中的一个细条或细空（对应于字符集中的1或0）。EAN-13条形码的模块组成如下图所示：*字符集在EAN-13商品条形码中，由13位数字组成，每个数字由7个模块组成。商品条形码使用的字符集如下图所示：*在标准版商品条形码的软件设计过程中，需要根据第一位（最左侧的一位数字）来确定其后6位数字中每个数字的编码规则，即选择上图中的A子集还是B子集；而右侧的5位数据符以及1位校验码则根据每位的数字直；接选择上图的C子集。EAN-13商品条形码左侧数据符使用的字符集如下图所示：*设计实例已知一商品条形码文字字符为693234010516X，请设计该条形码(1)计算条形码的校验字符根据校验码计算过程可知该条形码的校验字符为6(2)计算条形码各字符的二进制序列由于条形码的第一个字符是6，可知EAN-13左侧数据符使用的字符集规则为ABBBAA，因此可得出左侧数据符的二进制序列如下表所示：左侧数据符的二进制序列字符932340字符集ABBBAA二进制序列00010110100001001101101000010100110001101*

右侧数据符均采用字符编码的C子集，直接查表得出右侧6个数据字符的二进制序列，如下表所示：右侧数据符字符105166字符集CCCCCC二进制序列110011011100101001110110011010100001010000*

(3)构造整个条形码的二进制序列按照“左侧空白区起始符932340中间分隔符105166终止符右侧空白区”的构造方式，构成的二进制字符串序列，共113个字符长度：000000000001010001011010001001101101000010100011000110101010110011011100101001110110011010100001010000000*常用二维条码•PDF417码QRCode码4二维条码是指在水平和垂直方向的二维空间存储信息的条码。行排式二维码将多个短截的一维条码在纵向堆积成两行或多行矩阵式二维码由点的矩阵式排列组合，在矩阵相应元素位置上用点的出现表示二进制“1”，空的出现表示二进制“0”

。代表性条码：Code49、PDF417代表性的条码：QRCode、Data Matrix、MaxiCode等。QRCode码*5条码阅读器

商品上印刷的条形码符号通过条形码阅读器的扫描读入，经过译码处理还原为数字码输入收款机，然后从机内的商品数据资料库中找到该商品的有关资料，再进行相应的销售操作并获取有关的销售情报。

条形码阅读器的基本工作原理为：由光源发出的光线经过光学系统照射到条形码符号上面，被反射回来的光经过光学系统成像在光电转换器上，使之产生电信号，信号经过电路放大后产生模拟电压，它与照射到条形码符号上被反射回来的光成正比，再经过滤波、整形，形成与模拟信号对应的方波信号，经译码器解释为计算机可以直接接受的数字信号。*光笔阅读器：通过光笔的镜头发出一个很小的光点，当这个光点从左到右划过条形码时，在“空”的部分，光线被反射，“条”的部分，光线将被吸收，因此在光笔内部产生一个变化的电压，这个电压通过放大、整形后用于译码。*CCD条码阅读器CCD条码阅读器主要采用CCD(ChargeCoupledDevice)电荷耦合装置，条形码符号将光路成像在CCD感光器件阵列(光电二极管阵列)上，由于条和空的反光强度不同，映在感光器件上产生的电信号强度也不同，通过扫描电路，把相应的电信号经过放大、整形输出，最后形成与条码符号信息对应的电信号。*激光扫描器

激光扫描器的基本工作原理为：通过一个激光二极管发出一束光线，照射到一个旋转的棱镜或来回摆动的镜子上，反射后的光线穿过阅读窗照射到条形码表面，光线经过条或空的反射后返回阅读器，由一个镜子进行采集、聚焦，通过光电转换器转换成电信号。该信号将通过扫描器或终端上的译码软件进行译码。

*固定式和移动式条码阅读器*

店内条码(In-storeMarking)一种仅供店内自行印贴的条码，仅可以在店内使用，不能对外流通的条码。

原印条码(SourceMarking)指产品在制造生产阶段已印在商品标签或包装容器上的商品条码，通常由产品的供应商申请，在产品出厂前即印妥，适合于大量生产的商品。应用：商品*

国际标准书号(InternationalStandardBookNumber)，简称ISBN，是专门为识别图书等文献而设计的国际编号。应用：图书、期刊国际标准期刊号(Internationalstandardserialnumber,ISSN)是根据国际标准ISO3297制定的连续出版物国际标准编码。*

1.2.2RFID技术*1.2.2RFID技术

RFID技术是物联网中“让物品开口说话”的关键技术，RFID标签上的信息，通过无线通信将信息自动采集到信息处理系统中，实现物品的识别。主要应用于：道路自动收费、门禁控制/电子门票、一卡通、物流和供应管理、生产制造和装配、航空行李处理、邮件/快运包裹处理、文档追踪/图书馆管理、动物身份标识等。*射频识别即(RFID,RadioFrequencyIdentification)技术，又称电子标签，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和读写相关数据。1RFID概念、历史和现状*RFID较其它技术明显的优点是电子标签和阅读器无需接触便可

完成识别。射频识别技术改变了条形码依靠"有形"的一维或二维几何图案来提供信息的方式，通过芯片来提供存储在其中的数量巨大的"无形"信息。RFID技术和条码两者之间在有无写入信息能力、能否实现远距离识别和批量识别、运营成本等方面有着较大区别。RFID对计算机自动识别技术而言是一场革命，极大地提高了信息处理效率和准确度。*与条码识别技术相比，RFID的优势：1、为每件物品分配唯一的标识2、扫描速度快3、体积小、易封装4、抗污染能力强，可实现穿透性识别5、可重复使用6、穿透性和无障碍阅读7、数据的存储容量大8、安全性高*

RFID标准争夺的核心：RFID标签的数据内容和编码标准。目前，国际上已形成了五大标准组织，分别代表不同团体或国家的利益。1、EPCglobal2、国家标准化组织(ISO)/国际电工委员会(IEC)3、AIMglobal4、IP-X5、UID总的来看：EPCglobal是由北美产品统一编码组织UCC和欧洲产品标准组织EAN联合成立，在全球拥有上百家成员，得到了零售巨头沃尔玛和制造业巨头强生、保洁等跨国公司的支持；AIM、ISO、UID则代表了欧美国家和日本；IP-X的成员则以非洲、大洋洲、亚洲等国家为主。2RFID的地盘谁作主*3原理及分类RFID技术

利用感应、无线电波或微波能量进行非接触双向通信，进行识别及数据交换。

电感耦合方式和电磁反向散射耦合方式*RFID系统组成

标签读写器：传送器、接收器、微处理器、天线。传送器、接收器和微处理器通常都被封装在一起，统称为阅读器(Reader)，所以业界常将RFID系统分为阅读器、天线和标签三大组件。*读写器发射RF能量形成电磁场，作用距离和范围的大小取决于发射功率和天线。读写器与标签建立无线通信，并通过标准接口与计算机网络进行通信。标签通过该区域时被触发，发送存储在标签中的数据，或根据读写器的指令改写存储在标签中的数据。RFID的工作过程*射频标签的分类(1)根据标签工作方式主动标签ActiveTag：自身电源供电被动标签PassiveTag：通过电磁感应获取半主动标签：带有电池，只对内部数字电路供电(2)根据标签的读写方式只读型标签只读标签一次写入只读标签可重复编程只读标签读写型标签*(3)根据标签的工作频率低频标签：500kHz以下，用于动物识别、行李识别等高频标签：500kHz~1GHz，用于电子门票、门禁控制等微波标签：1GHz以上，用于集装箱自动识别、ETC等(4)根据标签的工作距离远程标签：>100cm近程标签：10~100cm超近程标签：0.2cm~10cm*

标签(Tag)是由耦合元件、芯片及微型天线组成，每个标签内部存有唯一的电子编码，附着在物体上，用来标识目标对象。电子标签最重要的特点之一：工作频率，它决定着RFID系统工作原理RFID系统识别距离电子标签及读写器实现的难易程度和设备的成本不同频段标签详细介绍*

典型的工作频率：125kHz、134kHz、13.56MHz、27.12MHz、433MHz、900MHz、2.45GHz、5.8GHz等。典型的工作频率*典型工作频率有125kHz和134kHz一般为无源标签。传送数据时，需位于阅读器天线辐射的近场区内。最大阅读距离10cm典型应用：动物、容器、工具识别，电子闭锁防盗等。相关标准：ISO11784/11785；ISO18000-2(125~135kHz)。外观：项圈式、耳牌式、注射式和药丸式等主要优势：省电、廉价工作频率不受无线电频率管制约束可穿透水、有机组织和木材等非常适合近距离、低速度、数据量少的识别应用等。劣势：标签存储数据量较少只适合低速、近距离识别应用(1)低频段(30~300kHz)电子标签*(2)高频段(3~30MHz)电子标签典型工作频率13.56MHz工作原理与低频标签完全相同：电感耦合方式一般也采用无源方式，其工作能量也通过电感(磁)耦合方式从阅读器耦合线圈的辐射近场中获得。最大阅读距离10m典型应用：电子车票、电子身份证和电子闭锁防盗(电子遥控门锁控制器)等相关国际标准ISO14443、15693、18000-3(13.56MHz)等基本特点与低频标准相同，但可以选较高的数据传输速率。一般制成卡片状。*(3)超高频

(300MHz~3GHz)与微波

(2.45GHz以上)电子标签典型工作频率433.92MHz、862~928MHz、2.45GHz、5.8GHz分为有源标签、无源标签阅/识读距离>1m，典型情况为4~7m

读写器天线一般为定向天线典型特点主要集中以下几个方面：●是否无源●无线读写距离●是否支持多标签读写●是否适合高速识别应用●读写器的发射功率容限●电子标签及读写器的价格典型应用：移动车辆识别、电子身份证、仓储物流应用和电子闭锁防盗(电子遥控门锁控制器)等*表2-1不同频段电子标签的特点总结工作频率协议一般最大读写距离受方向影响芯片价格(相对)数据传输速率(相对)目前使用情况125kHzISO11784/11785ISO18000-210cm无一般慢大量使用13.56MHzISO/IEC1444310cm无一般较慢大量使用ISO/IEC15693单向180cm，全向100cm无低较快大量使用860~930MHzISO/IEC18000-6、EPCx1m一般一般读快，写较慢大量使用2.45GHzISO/IEC18001-31m一般较高较快可能大量使用5.8GHzISO/IEC18001-51m以上一般较高较快可能大量使用*读写器是前端系统与后台系统的接口。因其工作模式一般是主动向标签询问标识信息，所以有时又称询问器(Interrogator)。阅读器可通过标准网口、RS232串口或USB接口同主机相连，通过天线同RFID标签通信。为了方便，阅读器和天线以及智能终端设备会集成在一起形成可移动的手持式阅读器。4读写器(阅读器)*读写器的接收范围受电波频率、标签尺寸形状和读写器的功率等很多因素的影响。一般来说：低频被动标签的接收距离在1英尺(≈30.48cm)以内高频被动标签的接收距离在3英尺左右超高频标签的接收距离在10~20英尺使用电池的半主动和主动标签的接收距离可达300英尺甚至更远和收音机一样，射频标签和读写器也要调制到相同的频率才能工作。不同频率有不同特点，其用途也形形色色：低频标签比超高频标签便宜，节省能量，穿透废金属物体力强，最适合用于含水分较高的物体超高频作用范围广，传送数据速度快，但较耗能，穿透力较弱，作业区域不能有太多干扰，适用于监测从港口运到仓库的物品。*射频技术遇到的一个问题是读写器冲突，即一个读写器接收到的信息和另一个读写器接收到的信息发生冲突，产生重叠。一种解决方法是使用TDMA技术，即指挥读写器在不同时间收发信号，从而保证读写器不会相互干扰。但在同一区域的物品就可能被读取多次，因此就要建立相应的防碰撞机制去避免这种情况的发生。射频读写器通过多种方式和标签传送信息，目前不是所有读写器都能支持不同种类的标签。读写器和标签一样，得通过具体的需求决定其使用的种类和数量。*5RFID技术的应用应用领域应用说明物流物流仓储是RFID最有潜力的应用领域之一，UPS、DHL、Fedex等国际物流巨头都在积极试验RFID技术。可应用的过程包括：物流过程中的货物追踪，信息自动采集，仓储管理应用，邮政包裹，快递等交通高速不停车，出租车管理，公交车枢纽管理，铁路机车识别等。已有不少较为成功的案例。汽车制造、防盗、定位、车钥匙。可以应用于汽车的自动化，个性化生产，汽车的防盗、汽车的定位，可以做为安全性极高的汽车钥匙。国际上有成功案例。零售由沃尔玛、麦德隆等大超市一手推动的RFID应用。可应用的过程包括商品的销售数据实时统计、补货、防盗等。身份识别RFID技术由于天生的快速读取与难伪造性，而被广泛应用于个人的身份识别证件。如现在开展的电子护照项目、我国的第二代身份证、学生证等其它各种电子证件。制造业应用于生产过程的生产数据实时监控、质量追踪、自动化生产、个性化生产等。在贵重及精密的货品生产领域应用更为迫切。服装业可以应用于服装的自动化生产、仓储管理、品牌管理、单品管理、渠道管理等过程，随着标签价格的降低，这一领域将有很大的应用潜力。医疗可以应用于医院的医疗器械管理、病人身份识别、婴儿防盗等领域。*防伪RFID技术具有很难伪造的特性，可以应用的领域包括贵重物品(烟、酒、药品)的防伪、票证的防伪等资产管理各类资产(贵重的或数量大相似性高的或危险品等)。随着标签价格的降低，几乎可以涉及到所有的物品。食品水果、蔬菜、生鲜、食品等保鲜度管理。由于食品、水果、蔬菜、生鲜上含水份多，会影响正常的标签识别，所以该领域的应用将在标签的设计及应用模式上有所创新。动物识别训养动物、畜牧牲口、宠物等识别管理，动物的疾病追踪，畜牧牲口的个性化养殖等。在国际上已有不少较为成功的案例。图书馆书店、图书馆、出版社等应用。可以大大减少书籍的盘点、管理时间，可以实现自动租借、还书等功能。在美国、欧洲、新加坡等已有图书馆应用成功案例。在国内有图书馆正在测试中。航空制造、旅客机票、行李包裹追踪。可以应用于飞机的制造，飞机零部件的保养及质量追踪、旅客的机票、快速登机、旅客的包裹追踪。军事弹药、枪支、物资、人员、卡车等识别与追踪。美国在伊拉克战争中已有大量使用。美国国防部已与其上万的供应商正在对军事物资进行电子标签标识与识别。其它门禁、考勤、电子巡更、一卡通、消费、电子停车场等。*1.3传感器与传感网络

在物联网中传感器主要负责接收物品“讲话”的内容。传感器技术是从自然信源获取信息并对获取的信息进行处理、变换、识别的一门多学科交叉的现代科学与工程技术，它涉及传感器、信息处理和识别的规划设计、开发、制造、测试、应用及评价改进活动等内容。DS18B20温度传感器DHT11湿度传感器BH1750光强传感器MQ-2烟雾传感器DS18B20温度传感器*无线传感器网络(Wirelesssensornetworks,WSN)就是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自组织网络的网络系统，其目的是协作感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象信息，并发给观察者。WSN的特征：电源能量有限、通信能量有限、计算能力有限、网络规模大分布广、自组织动态网络等。WSN通常包括传感器节点(sensornode)、汇聚节点(sinknode)和管理节点(managernode)。*1.3.1传感器技术1传感器的概念国家标准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”。这一定义包含了以下几个方面的含义：(1)传感器是测量装置，能完成测量任务。(2)它的输入量是某一被测量，可能是物理量、也可能是化学量、生物量等。(3)它的输出量是某一物理量，这种量要便于传输、转换、处理和显示等，这就是所谓的“可用信号”的含义。(4)输出与输入有一定的对应关系，这种关系要有一定的规律。根据字义可以将传感器理解为一感二传，即感受信息并传递出去。*2传感器的组成人类为了认识物质及事物的本质，需要对物质特性进行测量，其中大多数是对非电量的测量。非电量不能直接使用一般的电工仪表和电子仪器进行测量，因为一般的电工仪表和电子仪器只能测量电量，而要求输入的信号为电信号非电量需要转化成与其有一定关系的电量，再进行测量，实现这种转换技术的器件就是传感器。传感器由敏感元件和转换元件组成，如图所示。

*3传感器的分类按被测量分类物理量传感器力学量压力传感器、力矩传感器、加速度传感器、流量传感器、位移传感器、尺度传感器、密度传感器、硬度传感器等热学量温度传感器、热流传感器、热导传感器光学量可见光传感器、红外光传感器、紫外光传感器、照度传感器、色度传感器、图像传感器、亮度传感器磁学量磁场传感器、磁通传感器电学量电流传感器、电压传感器、电场强度传感器、声学量噪声传感器、超声波传感器、声表面传感器射线射线传感器、辐射量传感器、离子传感器、气体传感器、温度传感器生物量传感器生物量体压传感器、脉搏传感器、心音传感器、血液传感器、呼吸传感器、血容量传感器、体电图传感器、生化量酶式传感器、免疫血型传感器、微生物传感器、血气传感器、血液电解质传感器、*4常用传感器介绍温度传感器温度传感器是家用电器中应用最多的，常用的有以下几种：

取暖器电烤箱

电热锅

电熨斗

空调*a：手动复位式温控器(温度开关)温度降低后，需手动才能接通电路。电热水壶

双金属片达到一定温度时，由于形变而产生瞬间跳动，通过传动机构，迅速断开电路。*饮水机双金属片b：自动复位式温控器(恒温开关)温控器内部的双金属片达到设定温度时，自动断开电路；当温度低于设定温度时，自动接通电路，从而保持温度的恒定。电热水瓶

*c：电子温控器

数字家电利用微控制器进行智能化控制。与之配套的各种传感器，包括热敏电阻、热敏晶体管等也在家用电器中扮演着重要角色。DS18B20温度传感器NTC热敏电阻

*电冰箱的控制器

电压力锅智能微波炉智能电饭锅热敏电阻用于测量电子测温计空调*(2)加速度传感器加速度传感器是一种能够测量加速力的电子设备。加速力就是当物体在加速过程中作用在物体上的力。就好比地球引力，也就是重力。加速力可以是个常量，比如g，也可以是变量。加速度计有两种：一种是角加速度计，是由陀螺仪（角速度传感器）的改进的。另一种就是线加速度计。

MPU-92/65加速度模块ADXL345加速度模块*高速列车的车厢在转弯时会发生倾斜，而频繁的左右摆动，容易使人感觉晕眩。利用加速度传感器，计算机根据列车转弯的半径和速度，自动调节每节车厢的倾斜角度，从而达到高速、安全、舒适的目的。应用：自动调节车厢摆动的摆式列车列车转向架*应用：步态信号采集系统利用加速度传感器采集人的步态数据。步态识别是一种生物识别技术。人走路的姿态是每个人特有的生物特征，难以隐藏，并可远距离、非接触地识别。步态信号采集识别系统在疾病预防、诊断和康复、体育训练中可起到辅助作用。*应用：照相机防抖动系统1、感光元件防抖——机身的CCD框架产生相对移动，对成像落点进行矫正(索尼)。2、光学防抖——镜头中的对焦镜产生相对移动，对光路进行矫正(佳能)。CCD框架移动*

(3)称重传感器

称重传感器实际上是一种将质量信号转变为可测量的电信号输出的装置。用传感器应先要考虑传感器所处的实际工作环境，这点对正确选用称重传感器至关重要，它关系到传感器能否正常工作以及它的安全和使用寿命。主要有S型、悬臂型、轮辐式、板环式、膜盒式、桥式、柱筒式等几种样式。HX711称重传感器模块电阻应变式称重传感器**5传感器的微型化、网络化随着微电子技术的进步，微处理器、存储器等电子器件日益微型化，而传感器、执行器的微型化程度却远远落后，成了信息系统微型化的“瓶颈”。随着微机电系统、传感器、无线通信，以及集成电路等技术的发展和成熟，低成本、低功耗的微型传感器的大量生产成为可能。同时，将传感器、微处理器、执行器合为一体，构成微电子机械系统，是人们很久的愿望。于是，“MEMS(MicroElectroMechanicalSystem微机械电子系统)技术”应运而生。传感器的信息获取技术，已从过去的单一化逐渐向集成化、微型化和网络化的方向发展。*微机械电子系统(MicroElectroMechanicalSystem，MEMS)集成电路内部结构

微机电系统是采用微机械加工技术，将微型传感器、微型执行器、和相应的处理电路集成在一起的微型器件或微型系统。机械部分能够微型化吗？*MEMS微型传感器压强传感器压力传感器微传感器的尺寸大多为毫米级，甚至更小。例如：压力微传感器可放在注射针头内，送入血管测量血液流动情况。加速度传感器三轴陀螺仪*MEMS微型执行器*自海湾战争以来，美军越来越多地使用精确制导武器，实行战场上的精确打击。为提高命中精度，将惯性导航系统(陀螺仪)和GPS复合后作为制导技术。GPS提供时间和定位数据，并校准陀螺仪；而陀螺仪提供飞行参数，在GPS信号中断期间进行导航。二者取长补短，提高导航精度。第四代制导炸弹优于激光制导炸弹的显著特点：导弹采用GPS定位和微型陀螺仪制导，导弹发射后无需人工干预，可自主飞行，具有多目标攻击能力。MEMS微型陀螺仪MEMS与“精确打击”*传感技术MEMS通信技术无线传感器网络“无线传感器网络”由此孕育而生*1.3.2无线传感器网络WSN是利用大量的微型传感器(结点)，通过无线通信形成网络，用来感知现场的信息。结点中的微处理器对原始数据进行初步处理后，经网络层层转发，最终发送给基站，再由基站传送给用户，从而实现对现场的监控。*WSN由成千上万个微型传感器组成，每个微型传感器称为网络的一个“结点”。这些结点采用MEMS技术，在一个微小的芯片上集成了信息采集、数据处理和无线电通信等多种功能。传感器微型处理器无线通信最小的芯片只有150×150×7.5微米*无线传感器网络的意义。WSN引起了全世界的关注，被认为是继互联网之后的第二大网络。WSN被称为21世纪最具影响的技术之一；是改变世界的十大新兴技术之首；是全球未来的四大高新技术产业之一。在WSN研究及其应用方面，我国与发达国家几乎同步启动，它已成为我国信息领域，位居世界前列的少数项目之一。*

应用：水下传感器网络

作为海洋监测的理想媒介以及无线传感器网络的新兴应用一一水下声学传感器网络(UASN,UnderwaterAcousticSensorNetwork)具有广泛的发展前景，例如:对目标海域进行实时性监控，探索海洋资源、监测海洋环境和辅助导航等。*

应用：农业物联网农业物联网指的是将各种各样的传感器节点自动组织起来构成传感网络通过各种传感器实时采集农田信息并及时反馈给农户，使农民足不出户便可掌握监控区域的农田环境及作物信息，另外，农民也可以通过手机或者电脑远程控制设备，自动控制系统减少了灌溉、作物管理的用工人数，提高了生产效率。*应用：物联网智能家居

物联网智能家居系统中需要各种感知设备实时的采集家具设施信息，不同的应用所需的感知信息也不同。比如，安防时需要摄像头实时的拍摄家庭内部的影像信息;利用磁传感器来监控门窗闭合的情况;可燃气体、烟雾传感器可以用来检测室内是否有毒气泄漏或火灾情况。在智能家电应用中，需要温度传感器监控室内温度和采集设备；需要光线传感器探测室内光线，调节照明的亮度。*1.4无线定位技术

定位就是得到人或事物在特定环境中，某一时刻的基于某种坐标系的坐标及相关信息。由于定位技术领域的研究发展，目前人们已提出了许多得到定位信息的解决方案，如卫星定位(GPS、伽利略以及我国北斗卫星导航系统)、移动通信网络定位技术、射频识别技术(RFID)、以及地磁定位技术等。*1GPS定位

GPS定位基本原理：测量接收机与多个卫星之间的距离，通过三点定位法确定接收机的位置。在GPS导航过程中，因建筑物和植被等原因，GPS信号会出现中断。此时，由微型陀螺仪提供移动角度，結合车辆移动的时间及速度，可计算出方向和距离，以此检查移动车辆的行进路线，作为GPS的辅助导航，直到GPS信号恢复正常。MEMS陀螺仪GPS卫星导航*GPS全球卫星定位系统汽车定位手机定位老人小孩定位宠物定位*2北斗导航定位系统北斗卫星导航定位系统是由我国自行研发的区域性有源三维卫星定位通信系统(CNSS)，是继美国的全球定位系统(GPS)、俄罗斯的格洛纳斯(GLONASS)定位系统之后，世界第三个成熟的卫星导航系统。

该系统分为“北斗一代”和“北斗二代”，分别由4颗(两颗工作卫星、两颗备用卫星)和35颗北斗定位卫星、地面控制中心、北斗用户终端三部分组成。*3WiFi定位WiFi定位方便且低廉，主流技术是基于信号指纹的定位方法，其过程分为：训练：现场勘察室内区域内每个位置的无线信号指纹(通常表示为该位置可侦测到的多个网络AP的信号强度所构成的向量)，这些指纹及其相应的位置最终形成由二元组(指纹，位置)构成的指纹数据库，供下一步查询使用。运行：用户将其所在位置的指纹作为关键字查询指纹数据库，定位系统根据定位算法将指纹数据库中最匹配的指纹所对应的位置作为用户的定位结果。WiFi定位可实现房间级别(或米级)的精度，如需更高精度的定位，单凭WiFi指纹就不够了。用户的历史位置和运动信息能进一步提高定位精度。*3多跳网络定位

WiFi和GPS都是单跳网络，终端设备(GPS接收机、无线网卡)直接与基站(卫星、AP)通信，形成以基站为中心的星型网络。

随着无线自组织网络技术的发展，定位技术也相应地从基站定位升级为网络定位的方式；网络中少量节点(一般称为信标节点或锚节点)通过手工设置或GPS拥有全局位置信息，其余大量节点先获取与邻居节点的相对位置关系，再通过无线网络交换数据相互配合进而获得全局定位置。

*所有定位技术都离不开的3个主要环节(1)物理测量

对物理世界的测量手段包括：WiFi、GPS、BlueTooth、ZigBee、UWB、红外、光波、声波和超声波等，最新的研究工作还使用了广播信号和地磁场；

测量结果的表示包括距离、方向、区域、连接关系和信号指纹等。

具有位置区分性(即不同位置上信号的观测结果是不同的)的任何信号都能用来定位，一般情况下空气成分不能作为区分位置的手段，但