d12-物联网-感知层课件

物联网的技术架构感知层感知层是实现物联网全面的感知的基础1.包括二维码标签和识读器、RFID标签和读写器、摄像头、GPS、传感器和M2M终端、传感器网络和传感器网关等；2.要解决的重点问题是感知和识别物体，采集和捕获信息；3.要突破的方向是具备更敏感、更全面的感知能力，解决低功耗、小型化和低成本的问题；感知层的主要技术传感器条码RFID无线传感网络（WSN)传感器是各种信息处理系统获取信息的一个重要途径。在物联网中传感器的作用尤为突出，是物联网中获得信息的主要设备。作为物联网中的信息采集设备，传感器利用各种机制把被观测量转换为一定形式的电信号，然后由相应的信号处理装置来处理，并产生响应的动作。1:常见传感器：包括温度，压力，湿度，光电，霍尔磁性传感器，等等。

传感器温度传感器常见的温度传感器包括热敏电阻，半导体温度传感器，以及温差电偶。热敏电阻主要是利用各种材料电阻率的温度敏感性，根据材料的不同，热敏电阻可以用于设备的过热保护，以及温控报警等等。半导体温度传感器利用半导体器件的温度敏感性来测量温度，具有成本低廉，线性度好等优点。温差电偶则是利用温差电现象，把被测端的温度转化为电压和电流的变化；由不同金属材料构成的温差电偶，能够在比较大的范围内测量温度，例如-200℃~2000℃。温差电偶热敏电阻半导体温度传感器压力传感器常见的压力传感器在受到外部压力时会产生一定的内部结构的变形或位移，进而转化为电特性的改变，产生相应的电信号。一种车用电容式压力传感器Honeywell24PC压力传感器及其内部结构湿度传感器湿度传感器主要包括电阻式和电容式两个类别。电阻式湿度传感器也成为湿敏电阻，利用氯化锂，碳，陶瓷等材料的电阻率的湿度敏感性来探测湿度。电容式湿度传感器也称为湿敏电容，利用材料的介电系数的湿度敏感性来探测湿度。一种电容式湿敏传感器结构图一种电阻式陶瓷湿敏传感器结构图几种湿度传感器光传感器光传感器可以分为光敏电阻以及光电传感器两个大类。光敏电阻主要利用各种材料的电阻率的光敏感性来进行光探测。光电传感器主要包括光敏二极管和光敏三极管，这两种器件都是利用半导体器件对光照的敏感性。光敏二极管的反向饱和电流在光照的作用下会显著变大，而光敏三极管在光照时其集电极、发射极导通，类似于受光照控制的开关。此外，为方便使用，市场上出现了把光敏二极管和光敏三极管与后续信号处理电路制作成一个芯片的集成光传感器。光传感器的不同种类可以覆盖可见光，红外线（热辐射），以及紫外线等波长范围的传感应用。光敏电阻结构图与实物光敏三极管集成光传感器霍尔（磁性）传感器霍尔传感器是利用霍尔效应制成的一种磁性传感器。霍尔效应是指：把一个金属或者半导体材料薄片置于磁场中，当有电流流过时，由于形成电流的电子在磁场中运动而收到磁场的作用力，会使得材料中产生与电流方向垂直的电压差。可以通过测量霍尔传感器所产生的电压的大小来计算磁场的强度。霍尔效应霍尔传感器霍尔传感器结合不同的结构，能够间接测量电流，振动，位移，速度，加速度，转速等等，具有广泛的应用价值。基于霍尔器件的精密电流传感器霍尔转速传感器霍尔液位传感器霍尔流速传感器2.微机电（MEMS）传感器微机电系统的英文名称是Micro-Electro-MechanicalSystems，简称MEMS，是一种由微电子、微机械部件构成的微型器件，多采用半导体工艺加工。目前已经出现的微机电器件包括压力传感器、加速度计、微陀螺仪、墨水喷咀和硬盘驱动头等等。微机电系统的出现体现了当前的器件微型化发展趋势。2.2.1微机电压力传感器某轮胎压力传感器的内部结构以及外观如下图所示。该压力传感器利用了传感器中的硅应变电阻在压力作用下发生形变而改变了电阻来测量压力；测试时使用了传感器内部集成的测量电桥。传感器外形MEMS压力传感器结构传感器中集成的测量电桥2.2.2微机电加速度传感器微机电加速度传感器主要通过半导体工艺在硅片中加工出可以在加速运动中发生形变的结构，并且能够引起电特性的改变，如变化的电阻和电容。应变电阻式MEMS加速度传感器的平面与刨面结构图电容式MEMS加速度传感器的结构图微机电系统的应用基于MEMS技术的胃肠道内窥检查系统：胃肠道无线内窥镜主要用于胃肠道疾病的诊断.其核心部分为一可吞服的胃肠道摄像无线发射的药丸,

将照像机、光源、信号转换器和发射装置等集成在一个如感冒胶囊形状与大小的胶囊中，病人吞服后系统能对胃肠道内部进行检查，可连续拍摄下数万至数十万帧照片并将信号发送给接收端，供医生详细观察，病人毫无痛苦。2.2.3微机电气体流速传感器以下图片中的气体流速传感器可以用于空调等设备的监测与控制。气体流速传感器显微照片气体流速传感器结构图无气流时的温度分布有气流时的温度分布3:智能传感器智能传感器（smartsensor）是一种具有一定信息处理能力的传感器，目前多采用把传统的传感器与微处理器结合的方式来制造。如下图所示，在传统的传感器构成的应用系统中，传感器所采集的信号通常要传输到系统中的主机中进行分析处理；而由智能传感器构成的应用系统中，其包含的微处理器能够对采集的信号进行分析处理，然后把处理结果发送给系统中的主机。智能传感器能够显著减小传感器与主机之间的通信量，并简化了主机软件的复杂程度，使得包含多种不同类别的传感器应用系统易于实现；此外，智能传感器常常还能进行自检、诊断和校正。2.3.1智能压力传感器下图显示的是Honeywell公司开发的PPT系列智能压力传感器的外形以及内部结构。传感器内部结构PPT系列智能压力传感器下面是一种车用智能压力传感器的芯片布局图。该芯片中把微机电压力传感器，模拟接口、8位模-数转换器、微处理器（摩托罗拉69HC08）、存储器、以及串行接口（SPI）等集成在一个芯片上，主要用于汽车的各种压力传感。CPU2.3.2智能温湿度传感器下面显示的是Sensirion公司推出的SHT11/15温湿度智能传感器的外形，引脚，以及内部框图。2.3.3智能液体浑浊度传感器下面显示的是Honeywell公司推出的AMPS-10G型智能液体浑浊度传感器的外形，测量原理，以及内部框图。条形码可以标出物品的生产国、制造厂家、商品名称、生产日期以及图书分类号、邮件起止地点、类别、日期等信息，因此在商品流通、图书管理、邮政管理、银行系统等很多领域得到了广泛的应用。1.一维条形码条形码或者条码（barcode）是将宽度不等的多个黑条和空白，按一定的编码规则排列，用以表达一组信息的图形标识符。常见的一维条形码是由黑条（简称条）和白条（简称空）排成平行线图案。通常一维条形码所能表示的字符集不过10个数字、26个英文字母及一些特殊字符，条码字符集最大所能表示的字符个数为128个ASCII字符，信息量非常有限，因此二维条形码诞生了。一维条形码条形码扫描器条码2.二维条形码二维条形码是在二维空间水平和竖直方向存储信息的条形码。它的优点是信息容量大，译码可靠性高，纠错能力强，制作成本低，保密与防伪性能好。以常用的二维条形码PDF417码为例，可以表示字母、数字、ASCII字符与二进制数；该编码可以表示1850个字符/数字，纠错能力，即使条形码的某个部分遭到一定程度的损坏，也可以通过存在于其他位置的纠错码将损失的信息还原出来。RFID什么是RFIDRFID是RadioFrequencyIdentification的缩写，即射频识别。常称为感应式电子晶片或近接卡、感应卡、非接触卡、电子标签、电子条码，等等。什么是RFID技术RFID射频识别是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无须人工干预，可工作于各种恶劣环境。RFID技术可识别高速运动物体并可同时识别多个标签，操作快捷方便。

短距离射频产品不怕油渍、灰尘污染等恶劣的环境，可在这样的环境中替代条码，例如用在工厂的流水线上跟踪物体。长距射频产品多用于交通上，识别距离可达几十米，如自动收费或识别车辆身份等。RFID与条形码特性条形码RFID扫描速度一次只能一个受到扫描可同时读取数个RFID标签体积与形状依赖纸张大小及印刷品质不受尺寸大小和形状限制抗污染能力和耐久性易受污染及折损抗污染，耐久性强是否能重复使用不能刻意反复修改、更新穿透性与无屏障阅读必须无阻挡才可读取可穿透性通信数据记忆容量2-3000个字符256k，最大可达数MB安全性易被伪造和变造不易伪造，安全性强2023/7/2623RFID特点1、非接触操作，长距离识别（几厘米至几十米），无需人工干预，应用便利。2、无机械磨损，寿命长，可应用在恶劣的环境中。3、可是别高速运动的物体，并可同时识别多个电子标签。4、读写器具有不直接对最终用户开放的物理接口，保证其自身安全性。5、数据安全方面除电子标签的密码保护外，数据部分可用一些算法实现安全管理。6、读写器与标签之间存在相互认证的过程，实现安全通信和存储。RFID组成和分类★组成射频电子标签（Tag）读写器或阅读器（Reader）应用系统（ManagementSystem）

★按照阅读器发送时所使用的频率

低频RFID标签LFTAG125KHz高频RFID标签HFTAG13.54MHz超高频RFID标签UHF

TAG

850-928MHz微波2.45GHz★按照标签是否自身带电池进行分类

无源标签或被动标签（Passivetags）

有源标签或主动标签（Activetage）

RFID主要频段标准及特性RFID未进行封装的RFID标签进行封装后的RFID标签2023/7/2627RFID标签打印机RFID读写器普通感应式读写器2023/7/2628移动式RFID读写器RFID读写器RFID的应用RFID柔性显示

„APPLICATIONS„Electronicdisplaycard

„Smartactivelabels

„Sensorsanddiagnostics

„KEYFEATURES„Lowoperatingvoltage(1.8V)„Lowpower(<3mA)

„Ultrathin(450micron)

„Highcontrast(>10:1)

„Brightsunlightreadable

„Shock,vibrationproof

„DirectdriveSource:EpsonPassiveRFIDtag(13.56MHz;ISO

15693)withadisplay.Thedisplay

componentisimplementedbyusingE-ink'sEPSheet.The

displayworkswithoutbatteries,by

usingtheelectrophoreticeffect.23RFID的应用——物流仓储RFID的应用——零售业标签天线单瓶级验证五粮液在酒瓶盖上集成小型超高频电子标签，实现酒类防伪功能。商品防伪与会人员代表证会场人员管理系统

人员管理肉类食品安全管理

药品溯源管理

使用RFID技术，对药品生产、流通、使用全程跟踪和可追溯监管，实施对问题药品快速、可控的召回；通过在电子标签上实现低成本安全认证，提供药品的防伪、防假技术手段药品溯源电子标签自助图书馆系统案例新家坡国家图书馆（图书资产）管理深圳图书馆新馆 2006年7月在全国率先全面应用无线射频技术（RFID），在馆内全面实行包括自助借还的多种形式的自助服务，很快得到了广大读者的认可，并且倍受欢迎，深圳图书馆自助供还量战占全馆问题的比例已超过90%。门禁控制使用RFID标识每一本图书利用RFID对每本图书的“唯一”标识读者自助还书（RFID读写器就能立刻确认还书信息）图书分拣由计算机自动完成医疗卫生系统医疗器械管理和追踪病人病情监控与跟踪案例美国新泽西医疗公司４家医院安装了RFID系统，用以追踪上千名病人和工作人员，以及多达一万件资产。

早在2006年，新泽西州哈肯萨克医学中心将植入式RFID微型标签（芯片）VeriChip植入病患的手臂上臂，用来存取慢性病病人的病况信息。医护人员将使用内置RFID读写器的手持终端扫描病患的VeriChip所在部位，VeriChip上面的16位ID信息及数据库中存储的病患治疗记录，会立刻显示在手持终端上。2008年10月，北京地坛医院开始了其应用RFID的项目——地坛医院追踪管理系统。主要应用在对人员、重要医疗设备以及医疗垃圾车三种对象的实时跟踪管理上。可口可乐RFID自动装饮料机

—Freestyle

Freestyle可采用RFID技术来识别30多个调料桶，可提供100多种饮料。每种饮料都是由几种配料组成，当顾客下单时，机器将这些成分以适当的比例混合，并注入顾客的杯子里。Freestyle配备有移动和有线以太网功能，可与可口可乐位于亚特兰大的FreestyleSAP数据管理系统通讯，向公司提供商业分析，机器可以将消耗最多的饮料类型、时间和地点数据上传，还可以接收网络指令。举个例子，如果一个调料桶需要召回，网络指令机器立即停止出售含这种调料的饮料。（1）货车/机车电子标签（TAG）。安装在机车、货车底部的中梁上，由微带天线、反射调制器、编码器、微处理器和存储器组成。每个电子标签相当于每辆车的“身份证”。（2）地面识别系统（AEI）。由安装在轨道间的地面天线、车轮传感器及安装在探测机房的RF微波射频装置、读出计算机（工控机）等组成。对运行的列车及车辆进行准确的识别。（3）集中管理系统（CPS）。车站主机房配置专门的计算机，把工控机传送来的信息通过集中管理系统（CPS）进行处理、存储和转发。（4）铁道部中央数据库管理系统。全路标签编程站的总指挥部。把标签编程站申请的每批车号与中央车号数据库进行核对，对重车号则重新分配新车号。再向标签编程站返回批复的车号信息。即集中统一地处理、分配和批复车号信息，同时又是一个信息管理和信息查询中心。铁路车号自动识别系统（ATIS）系统可实时，准确无误地采集机车、车辆运行状态数据，如机车车次、车号、状态、位置、去向和到发时间等信息，实时追踪机车车辆；该系统已遍及全国及18个铁路局、7万多公里铁路，超过55万辆机车和车厢安装了无源RFID标签。北京奥运会期间，共发售了1600万张RFID门票；这种门票防伪性能良好，观众入场时手持门票通过检票设备即可，省去了人工验票过程；门票使用了国内自主开发的最小的RFID芯片，芯片最小面积0.3平方毫米，厚度最小达到50微米，可嵌入到纸张内,最远识别距离在5米左右。该芯片的仿制难度极大，有效保证了奥运门票的防伪性能，同时简化了以往检票员逐一分辨门票真伪的复杂程序，方便了信息统计和门票管理。”市科委有关工作人员透露，作为“科技奥运”的一大亮点，该门票的“记忆力”也很好，持票者的购票时间、地点、何时入场、座位区域等信息都可有详细记录，从而确保了整个赛场的安全秩序管理。北京奥运会RFID门票被列为21世纪最有影响的21项技术和改变世界的10大技术之一，受到了普遍的重视。无线传感网（WSN）传感器节点结构传感器网络协议栈无线传感器网络的特征低成本、低功耗、低速率、短距离节点能量有限节点通信能力有限节点计算能力有限传感器节点数量大且分布范围广网络动态性强自组织网络感知数据流量大以数据为中心应用相关WSN节点及嵌入式软件系统传感器节点的研究主要包括硬件设计和嵌入式软件系统两个方面!在传感器节点硬件方面：新传感器概念、理论和技术；新型感知材料和装置的研究，如化学感知材料和装置、生物感知材料和装置等；以降低能耗为核心，把传感器、计算部件、存储部件、通信部件集成为微型传感器!在嵌入式软件系统方面的研究成果主要是嵌入式操作系统!加利福尼亚大学伯克力分校研究开发了一个传感器节点操作系统TinyOS，有3个主要的特点：基于组件的架构、基于事件和任务的并发模式、独立的状态操作!无线传感器网络要解决的问题 网络的自组织、自配置（节点定位、时间同步、自动校准、拓扑控制等）通信协议（MAC、路由协议）分布式数据管理（数据采集、存储、查询、获取等）各种应用特定的数据融合处理节省能耗应贯穿到所有的设计中。WSN在无线通48探索外部星球一直是人类梦寐以求的理想，借助于航天器布撒的传感器节点实现对星球表面大范围、长时期、近距离的监测和探索，是一种经济可行的方案。NASA的JPL实验室研制的SensorWebs就是为将来的火星探测、选定着陆场地等需求进行技术准备的。现在该项目已在佛罗里达宇航中心的环境监测项目中进行测试和完善。NASA-空间、海洋探索计划美国宇航局的空间探索计划中无线传感器网络的应用模式示意图水下无线传感器网络技术水下传感器网络的组成结构可分为以下几类：(1)基于水面浮标的(射频+水声通信)可任意升降的三维立体水下传感器网络系统。优点：布放比较容易，可利用太阳能、GPS以及水面上的无线通信，回避、降低了水下通信的困难。缺点：阻碍航道，易被发现破坏，容易随波逐流，位置不能固定。(2)由固定在海底基站的节点构成的，可任意升降的三维立体网络系统。通过光缆或声通信与水面网关、节点联结，将数据传输至基站。优点：不会影响航行。缺点：维护不容易。(3)基于水面浮标节点(射频+水声通信)、水中自主航行器（水声通信）和水底固定节点（水声通信）的三维立体系统。优点：覆盖全面，配置灵活，功能强大。缺点：系统复杂，成本高。与地面无线传感器网络相比，水下传感器网络仍然存在着诸多困难：如有效带宽非常有限、水下信道非常恶劣等等，在这个领域还有许多的困难需要解决50智能农业-葡萄园环境监测2002年，英特尔公司率先在俄勒冈建立了世界上第一个无线葡萄园。传感器节点被分布在葡萄园的每个角落，每隔一分钟检测一次土壤温度、湿度或该区域有害物的数量，以确保葡萄可以健康生长。研究人员发现，葡萄园气候的细微变化可极大地影响葡萄酒的质量。通过长年的数据记录以及相关分析，便能精确的掌握葡萄酒的质地与葡萄生长过程中的日照、温度、湿度的确切关系葡萄园环境监测系统示意图51生态环境监测系统

2002年，由英特尔的研究小组和加州大学伯克利分校以及巴港大西洋大学的科学家把无线传感器网络技术应用于监视大鸭岛海鸟的栖息情况。位于缅因州海岸大鸭岛上的海燕由于环境恶劣，海燕又十分机警，研究人员无法采用通常方法进行跟踪观察。为此他们使用了包括光、湿度、气压计、红外传感器、摄像头在内的近10种传感器类型数百个节点，系统通过自组织无线网络，将数据传输到300英尺外的基站计算机内，再由此经卫星传输至加州