物联网的技术组成RFID技术课件

物联网的技术组成RFID技术物联网的技术组成RFID技术物联网的技术组成RFID技术物联网的技术组成_RFID技术物联网的支撑技术则融合了传感器技术、RFID、ZigBee技术、传感器技术、智能服务等多种技术。一、RFID技术简介RFID技术是20世纪90年代开始兴起并逐渐走向成熟的一种自动识别技术，是一项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的技术。电子标签是RFID的通俗叫法。（1）非接触操作。（2）无机械磨损，寿命长。（3）可识别高速运动物体，多个电子标签。（4）读写器具有自身的安全性。（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的技术优点。12021/2/22物联网的技术组成_RFID技术物联网的支撑技术则融合了传感器技术、RFID、ZigBee技术、传感器技术、智能服务等多种技术。一、RFID技术简介RFID技术是20世纪90年代开始兴起并逐渐走向成熟的一种自动识别技术，是一项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的技术。电子标签是RFID的通俗叫法。（1）非接触操作。（2）无机械磨损，寿命长。（3）可识别高速运动物体，多个电子标签。（4）读写器具有自身的安全性。（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的技术优点。22021/2/22RFID技术在工业自动化、物体跟踪、交通运输控制管理、防伪和军事方面已经有着广泛的应用。RFID系统（见图4-1）由三部分组成：（1）电子标签。（3）读写器。（2）天线。图4-1RFID工作原理第一节RFID技术32021/2/22二、RFID的特征1）数据的读写（Read-Write）机能2）容易小型化和多样化的形状 3）耐环境性4）可重复使用 5）穿透性6）数据的记忆容量大 7）系统安全8）数据安全三、RFID的工作原理RFID的应用系统主要由电子标签读写器和RFID卡两部分组成。表4-1RFID同其他识别系统的比较第一节RFID技术42021/2/22RFID应用系统的工作原理是RFID卡进入读写器的射频场后，由其天线获得的感应电流经升压电路作为芯片的电源，同时将带信息的感应电流通过射频前端电路检得的数字信号送入逻辑控制电路进行信息处理；所需回复的信息则从存储器中获取经由逻辑控制电路送回射频前端电路，最后通过天线发回给读写器。四、RFID的技术分类（1）工作频率的不同，可分为低频（30～300kHz）、中频（3～30MHz）和高频系统（300MHz～3GHz）。图4-2RFID的内部结构第一节RFID技术52021/2/22（2）根据RFID的不同，可分为可读写（RW）卡、一次写入多次读出（WORM）卡和只读（RO）卡。（3）根据RFID的有源和无源，分为有源RFID标签和无源RFID标签。（4）调制方式的不同，分为主动式RFID标签和被动式RFID标签。五、RFID的技术标准1）动物识别ISO11784和ISO11785技术标准位序号信息说明1动物应用1/非动物应用0应答器是否应用动物识别2～15保留未来应用16后面有数据1/没有数据0识别代码后是否有数据17～26国家代码说明使用国家，999表明是测试应答器27～64国内定义唯一的国内专有的登记号表4-2ISO11784和ISO11785标准代码结构第一节RFID技术62021/2/222）非接触智能卡ISO10536、ISO15693和ISO14443技术标准3）集装箱识别ISO10374六、RFID的应用及发展趋势目前国际制定RFID标准的组织比较著名的有ISO、以美国为首的EPCglobal以及日本的UbiquitousIDCenter三个（1）物流： （2）零售： （3）制造业：（4）服装业： （5）医疗： （6）身份识别：（7）防伪： （8）资产管理： （9）交通：（10）食品： （11）动物识别： （12）图书馆：（13）汽车： （14）航空： （15）军事：七、RFID面临的问题1．标准化 2．价格问题3．技术上需突破 4．涉及人员失业、隐私保护及安全问题第一节RFID技术72021/2/22第二节ZigBee技术一、ZigBee概述Zigbee是IEEE802.15.4协议的代名词，根据这个协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。ZigBee联盟是一个高速增长的非盈利业界组织ZigBee联盟的主要目标是通过加入无线网络功能，为消费者提供更富弹性、更易用的电子产品。二、ZigBee无线数据传输网络描述ZigBee是一种高可靠的无线数据传输网络，类似于CDMA和GSM网络。ZigBee数据传输模块类似于移动网络基站。通信距离从标准的75m到几百米、几千米，并且支持无限扩展。包装结构比较简单，主要由同步序言、数据、循环冗余校验（CRC）等组成。82021/2/22第二节ZigBee技术ZigBee定义了两种物理设备类型： 全功能设备（FFD）和精简功能设备（RFD）。交换数据的网络中的设备类型：协调器、路由器和终端设备。与移动通信的CDMA或GSM网络不同的是，ZigBee网络主要是为工业现场自动化控制数据传输而建立的，因此它必须具有简单、使用方便、工作可靠、价格低的特点。图4-3ZigBee模块92021/2/22第二节ZigBee技术三、ZigBee采用的自组织网通信方式举一个简单的例子就可以说明这个问题，当一队伞兵空降后，每人持有一个ZigBee网络模块终端，降落到地面后，只要他们彼此间在网络模块的通信范围内，通过彼此自动寻找，很快就可以形成一个互联互通的ZigBee网络。而且，由于人员的移动，彼此间的联络还会发生变化。因而，模块还可以通过重新寻找通信对象，确定彼此间的联络，对原有网络进行刷新。这就是自组织网。所谓动态路由是指网络中数据传输的路径并不是预先设定的，而是传输数据前，通过对网络当时可利用的所有路径进行搜索，分析它们的位置关系以及远近，然后选择其中的一条路径进行数据传输。ZigBee网络层支持三种网络拓扑结构：星状（star）结构、簇状（clustertree）结构和网状（mesh）结构。102021/2/22第二节ZigBee技术（a）星状结构（b）簇状结构（c）网状结构图4-4ZigBee的组网拓扑结构四、ZigBee的频带（1）868MHz，传输速率为20kbit/s，适用于欧洲。（2）915MHz，传输速率为40kbit/s，适用于北美。（3）2.4GHz，传输速率为250kbit/s，全球通用。112021/2/22第二节ZigBee技术五、ZigBee性能分析1）数据传输速率ZigBee数据传输率比较低2）可靠性ZigBee有很多方面进行保证，物理层采用了扩频技术，能够在一定程度上抵抗干扰；介质访问控制（MAC）层（APS部分）有应答重传功能，MAC层的载波监听多路访问（CSMA）机制使节点发送前先监听信道，可以起到避开干扰的作用。3）时延由于ZigBee采用随机接入MAC层，且不支持时分复用的信道接入方式，因此不能很好地支持一些实时的业务。4）能耗特性（技术优势）122021/2/22第二节ZigBee技术5）组网和路由性（即网络层特性）ZigBee具备大规模的组网能力，每个网络有60000个节点；而蓝牙为每个网络8个节点。六、ZigBee自身的技术优势1）低功耗 2）低成本 3）低速率4）近距离 5）短时延 6）高容量7）高安全 8）免执照频段七、ZigBee应用领域（1）监控照明、HVAC和写字楼安全。（2）配合传感器和激励器对制造、过程控制、农田耕作、环境及其他区域进行工业监控。132021/2/22第二节ZigBee技术（3）带负载管理功能的自动抄表（AMR），这可使得地产管理公司削减成本和节省电气能源。（4）对油气等生产、运输和勘测进行管理。（5）家庭监控照明、安全和其他系统。（6）对病患、设备及设施进行医疗和健康监控。（7）军事应用，包括战场监视和军事机器人控制。（8）汽车应用，即配合传感器网络报告汽车的所有的系统状态。（9）消费电子应用，包括对玩具、游戏机、电视、立体音响、DVD播放机和其他家电设备进行遥控。（10）用于计算机外设，如键盘、鼠标、游戏控制器及打印机。（11）有源RFID应用，如电池供电标签，可用于产品运输、产品跟踪、存储较大物品和财务管理。（12）基于互联网的设备之间的机器到机器（M2M）的通信。142021/2/22第二节ZigBee技术八、ZigBee技术的趋势发展ZigBee联盟将在未来的进一步改进中，注重下列关键问题：（1）自动频率适应，因为2.4GHz的频段越来越拥挤，需要自动检测并在遇到相关频率干扰的情况下，自动进行通信频率偏移。（2）路由节点的低功耗（时间同步算法）。（3）将900MHz频道通信速率由目前40kbit/s提高到250kbit/s，目前多家公司正在开发900MHzZigBeeRF系统级芯片（SoC）。（4）ZigBee剖面已经有400个剖面在开发，ZCP全球认证也将陆续开展。（5）16位或32位高性能微控制器（MCU）有望成为ZigBeeSoC的标准内核。整个短距离无线通信都在向高速率、低功耗、低价格、长距离发展，ZigBee只能在一个特定的技术领域有自己的位置，而绝不可能会独霸天下。152021/2/22第三节常见的组网技术

一、现场总线技术1．现场总线技术概述FCS技术是20世纪80年代中期发展起来的一种崭新的工业控制技术。FCS的出现引起了传统的可编程序控制器（PLC）和集散控制系统（DCS）基本结构的革命性变化。现场总线是连接现场电器、现场仪表及现场设备与控制室主机系统之间的一种开放的、全数字化、双向、多站的通信系统。而现场总线标准规定某个控制系统中一定数量的现场设备之间如何交换数据。数据的传输介质可以是电线电缆、光缆、电话线、无线电波等。2．现场总线技术的特点1）布线简单2）开放性3）实时性4）可靠性162021/2/22第三节常见的组网技术3．现场总线的应用领域图4-5控制系统的金字塔结构172021/2/22第三节常见的组网技术图4-6现场总线的应用范围182021/2/22第三节常见的组网技术目前现场总线技术的应用主要集中在冶金、电力、水处理、乳品饮料、烟草、水泥、石化、矿山以及原始设备制造商（OEM）用户等各个行业，同时还有道路无人监控、楼宇自动化、智能家居等新技术领域。二、WiFi技术1．WiFi概述WiFi全称WirelessFidelity，又称IEEE802.11b标准，它的最大优点就是传输速率较高，最高带宽为11Mbit/s，带宽的自动调整有效地保障了网络的稳定性和可靠性。2．WiFi无线网络结构WiFi无线网络的拓扑结构主要有Ad-Hoc和Infrastructure两种。192021/2/22第三节常见的组网技术图4-7Ad-Hoc拓扑结构202021/2/22第三节常见的组网技术图4-8Infrastructure拓扑结构212021/2/22第三节常见的组网技术3．WiFi的优点（1）无线电波的覆盖范围广（2）传输速度非常快（3）成本低。4．WiFi的应用从覆盖区域来看，可重点应用于以下区域：（1）有线资源成本太高或布线困难的区域。（2）酒店、机场、医院、茶楼等人员流动频繁的地方。（3）校园、办公室、会议等人员聚集的地方。（4）展览馆、体育馆、新闻中心等信息需求量大的地方。5．WiFi的技术发展WiFi技术与3G技术相结合将具有广阔的发展前景。222021/2/22第三节常见的组网技术三、蓝牙技术1．蓝牙技术概述利用“蓝牙”技术，能够有效地简化移动通信终端设备之间的通信，也能够成功地简化设备与Internet之间的通信，从而数据传输变得更加迅速高效，为无线通信拓宽道路。蓝牙采用分散式网络结构以及快跳频和短包技术，支持点对点及点对多点通信，工作在全球通用的2.4GHzISM（即工业、科学、医学）频段，数据传输速率为1Mbit/s，采用时分双工传输方案实现全双工传输。图4-9蓝牙标志232021/2/22第三节常见的组网技术图4-10蓝牙耳机242021/2/22第三节常见的组网技术2．蓝牙技术的系统参数和技术指标蓝牙技术的系统参数和技术指标见P87表4-3。3．蓝牙协议分析蓝牙协议体系中的协议按特性兴趣小组的关注程度分为四层：核心协议，串口仿真协议，电话控制协议，选用协议。除上述协议层外，规范还定义了主机控制接口。4．蓝牙技术的特点（1）能传送语音和数据。（2）使用频段、连接性、抗干扰和稳定性。（3）低成本、低功耗和低辐射。（4）安全性。（5）网络特性。252021/2/22第三节常见的组网技术5．蓝牙技术的应用蓝牙SIG定义了几种基本的应用模型，主要包括文件传输、Internet网桥、局域网接入、三合一电话（ThreeinOnePhone）和终端耳机等。应用：手机、PDA、耳机、数字相机、数字摄像机、汽车套件等上。另外，蓝牙系统还可以嵌入微波炉、洗衣机、电冰箱、空调机等传统家用电器。随着蓝牙技术的成熟，它也得到越来越广泛的应用。四、GPS技术1．GPS概述全球定位系统（GlobalPositioningSystem，GPS），简称“球位系”。GPS是20世纪70年代由美国陆、海、空三军联合研制的新一代空间卫星导航定位系统。262021/2/22第三节常见的组网技术2．GPS组成图4-11全球定位系统示意图272021/2/22第三节常见的组网技术3．GPS特点高精度、全天候、高效率、多功能、操作简便、应用广泛等。4．GPS的应用GPS应用范围广泛，在导航、跟踪、精确测量等方面都有很重要的应用。5．GPS发展前景由于具有全天候、高精度和自动测量的特点，GPS技术作为先进的测量手段和新的生产力，已经融入了国民经济建设、国防建设和社会发展的各个应用领域。五、PLC技术1．PLC概述电力线通信（PowerLineCommunication，PLC）技术是指利用电力线传输数据和语音信号的一种通信方式。282021/2/22第三节常见的组网技术图4-12典型的PLC系统应用示意图292021/2/22第三节常见的组网技术2．PLC的关键技术国际上高速PLC采用的调制技术主要有扩展频谱技术和正交频复用（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing，OFDM）技术。3．PLC的特点1）高压载波路由合理，通道建设投资相对较低2）传输频带受限，传输容量相对较小3）可靠性要求高4）线路噪声大5）对外界的干扰6）网络应用要求更高302021/2/22第三节常见的组网技术目前，PLC存在的问题:1）硬件平台2）软件平台3）网络管理问题（四网合一）4．PLC的发展展望目前PLC正在向大容量、高速率方向发展，同时转向采用低压配电网进行载波通信，实现家庭用户利用电力线打电话、上网等多种业务。312021/2/22第四节MEMS技术微机电系统（Micro-Electro-MechanicalSystems，MEMS）是美国的叫法，在日本被称为微机械，在欧洲被为微系统。MEMS称为电子产品设计中的“明星”。MEMS包括微型机构、微传感器、微执行器和相应的处理电路等。一、MEMS技术简介MEMS尺寸最大的不超过1cm甚至仅仅为几个微米，采用以硅为主的材料，电气性能优良。完整的MEMS由微传感器、微执行器、信号处理和控制电路、通信接口和电源灯部件组成的一体化微型系统，其目标是把信息的获取、处理和执行集成在一起，组成具有多功能的微型系统，集成于大尺寸系统中，从而大幅度地提高系统的自动化、智能化和可靠性水平。322021/2/22第四节MEMS技术二、MEMS技术发展历史MEMS第一轮商业化20世纪70年代末80年代初,采用的是大型蚀刻硅片结构和背蚀刻膜片传感器。

第二轮商业化出现在20世纪90年代，主要围绕着PC和信息技术的兴起。第三轮商业化可以说出现于世纪之交，微光学器件通过全光开关及相关机器而成为光纤通信的补充。目前MEMS产业呈现的新趋势是产品应用的扩展，其开始向工业、医疗、测试仪器等新领域扩张。推动第四轮商业化的其他应用包括一些面向射频无源元件、在硅片上制作的音频、生物和神经元探针，以及所谓的“片上实验室”，生化药品开发系统和微型药品输送系统的静态和移动器件。332021/2/22第四节MEMS技术三、MEMS微传感器的研究现状与发展方向MEMS未来的发展趋势为微细化、集成化、多元化与产业化四方面。1．微机械压力传感器分类：压阻式和电容式两类。结构：圆形、方形、矩形、E形等多种结构。发展方向: 1）智能化 2）低量程 3）拓宽温度范围 4）开发谐振式微机械压力传感器2．微加速度传感器分类：压阻式、电容式、力平衡式和谐振式。最具有吸引力的是力平衡式微加速度传感器。342021/2/22第四节MEMS技术3．微机械陀螺仪角速度一般是用陀螺仪来进行测量的。传统的陀螺仪是利用高速转动的物体具有保持其角动量的特性来测量角速度的。目前常见的微机械角速度传感器有双平衡环结构、悬臂梁结构、音叉结构、振动环结构等。但是，目前实现的微机械陀螺仪的精度还不到10°/h，离惯性导航系统所需的0.1°/h相差尚远。4．微流量传感器目前国内外研究的微流量传感器根据工作原理可分为热式（包括热传导式和热飞行时间式）、机械式和谐振式三种。荷兰Twente大学的Pob.LegtenBerg等人利用薄膜技术和微机械加工技术制作了一对具有相对V形槽的谐振器芯片和顶盖芯片，利用低温玻璃键合在一起，形成质量流量传感器（见图4-13），相对的V形槽形成流体通过流管。352021/2/22第四节MEMS技术图4-13质量流量传感器362021/2/22第四节MEMS技术5．微气敏传感器气敏传感器的工作原理是声表面波器件的波速和频率会随外界环境的变化而发生漂移。气敏传感器就是利用这种性能在压电晶体表面涂覆一层选择性吸附某气体的气敏薄膜，当该气敏薄膜与待测气体相互作用（化学作用、生物作用或物理吸附），使得气敏薄膜的膜层质量和导电率发生变化，引起压电晶体的声表面波频发生漂移；气体浓度不同，膜层质量和导电率变化程度亦不同，即引起声表面波频率的变化也不同。通过测量声表面波频率的变化就可以准确地反映气体浓度的变化。图4-14微气敏传感器372021/2/22第四节MEMS技术6．微机械温度传感器微机械传感器与传统的传感器相比，具有体积小、重量轻的特点，其固有热容量仅为10-8～10-15J/K，使其在温度测量方面具有传统温度传感器不可比拟的优势。382021/2/22第五节智能技术物联网工作的基本原理可以简单表述为：传感设备自动感应物品属性信息，再通过无线数据通信网络采集到中央信息处理系统，实现对物品的“透明”和“智能”管理。物联网中的智能总体上分为两个层次：个体智能和空间智能。一、嵌入式智能平台技术EIP行业是二战后在全世界工业界流行开来的，当时是美国用于战争中的军用技术，战后整个中心转到了工业，后来才推广到民用。EIP的出现是微处理器技术、超大规模集成电路（VLSI）技术、嵌入式软件技术相结合的结果。未来几年内，EIP将信息化、智能化、网络化三者完美结合的特性优势必将更加明显，发展空间必将逐步拓宽，应用领域必将逐步扩大。392021/2/22第五节智能技术二、智能空间技术美国国家标准和技术学会（NIST）给出的定义，智能空间是“一个嵌入了计算、信息设备和多模态的传感器的工作空间，其目的是使用户能非常方便地在其中访问信息和获得计算机的服务来高效地进行单独工作和与他人的协同工作”。智能空间可以看成是物流世界和信息空间的融合，具备感知/观察、分析/推理、决策/执行三大基本功能。这种融合表现为两个方面：（1）物理世界中的物体将与信息空间中的对象互相关联。（2）物理世界中物体状态的变化会引发信息空间中相关联的对象状态的改变，反之亦然。智能空间应具备的基本要求:（1）用户及其携带的移动设备能方便地与智能空间进行交互，从而为用户的日常活动提供方便。（2）能自动捕获和动态监测智能空间中发生的