第十章 物联网

第10章物联网本章内容：物联网的概念及典型应用物联网使用的关键技术常用传感器本章重点：物联网的概念传感器物联网的应用10.1物联网的基本概念物联网的基本概念：顾名思义，“物联网就是物物相连的互联网”，物联网的英文名称为InternetofThings，简称IOT。2005年国际电信联盟（ITU-T）报告中定义的物联网是可以在任何地点、任何时间、任意物体之间实现互联。具体定义：物联网就是将物体通过传感技术、识别技术、通过有线/无线等方式接入互联网，实现人与物之间，物体与物体之间的联系互动和管理。与互联网的区别：物联网是通过将现实物体接入互联网使互联网从单纯的信息传递网络变成可与现实世界相连的泛在网。而现在的互联网是指相互连接的计算机网络。

物联网思想物联网的思想最早由1999年由麻省理工学院提出2009年美国提出了智慧地球进入21世纪后随着互联网和传感技术的快速发展才越来越受到世界各国的重视，近年来获得了长足的发展。我国也提出了“感知中国”计划，各地也相继提出如智慧城市等概念。但无论是智慧城市也好，智慧地球也好，其核心就是物联网。物联网的组成物联网是由通信网、互联网和传感器网组成的。但和这些网络又不完全相同。通信网着重于人与人之间的信息传递，互联网着重于人与人之间的信息的共享；传感器网着重于物于物之间的互联。而物联网着着重于人于物的互联。通过物联网人类可以真切的感知现实世界。物联网的组成物联网要将现实世界和网络世界连接起来，首先就要将现实世界的各种物理量转化为网络可以识别传输处理的电信号。如温度湿度、电压、电流、位移、流量、色彩、声音等。由传感器将相应的物理量转换为适应网络传输和计算机处理的数据。网络将数据传输到数据处理中心进行处理后将相应的结果或操作指令送到相关的执行设备或管理人员。物联网的组成物联网的体系架构按功能可以划分为三层，分别为感知层（含信息编码层）、网络层、应用层，如图10-1所示。感知层负责将现实世界的物体的状态、图像、数据、转化为网络可传输可识别的数据并送至传输网络，网络层负责把这些数据传送到需要的节点。应用层负责对这些数据进行处理和存储，并将结果以及指令发送给相关节点。物联网的组成图10-1物联网分层结构图10.2物联网的关键技术物联网技术包括了现实世界信息的感知和获取、网络接入、数据传输、数据处理与存储、以及各种应用及管理。但关键技术可以归纳为4类：感知和识别技术、接入技术、通信和传输技术、数据存储和智能处理技术。10.2.1感知和识别技术感知和识别技术是物联网和现实世界的接口，是物联网的信息来源。感知和识别技术是对各类物体的信息和各种物理量识别、转换、获取的技术。常见的传感器和识别技术如RFID（射频标签）、条形码、二维码、各种物理传感器，化学传感器、生物传感器、各种智能卡、摄像机、照相机等。物联网利用这些设备感知物体和环境的各种信息。传感器和识别设备是物联网的基础。传感器的作用传感器的作用就是把物体和环境的各种物理量转换成易于测量和传输及处理的电学量。如把温度、流量、红外、位移、速度、重力、磁力等物理量转化成相应的电压或者电流。然后通过模数转换器（A/D转换）将电压或者电流转换为计算机可以处理的数字信号。传感器的种类很多，常见的有温度、湿度、速度、压力、声音、激光等物理量传感器，也有酶传感器、醋酸杆菌传感器、大肠杆菌传感器等生物、微生物传感器，还有二氧化碳、甲烷、氧气、瓦斯传感器等化学传感器。各种传感器组成基本相同，都包括几个最基本的部分：敏感元件、信号调理、A/D转换、数据传输接口等。传感器的组成10.2.2常见传感器和识别技术1.RFID识别技术（1）射频识别的基本概念

射频识别（RadioFrequencyIdentification，RFID）俗称电子标签，是一种自动识别技术，是通过无线方式进行数据传递交换达到识别物体的目的识别技术。是一种非接触的识别技术。目前RFID技术在很多领域的到了广泛应用。如：停车场管理、校园一卡通、公交卡、门禁系统、邮包分拣、铁路货运车辆管理、智能仓库等。电子标签电子标签也称射频卡，如图10-2所示，安装在需要识别的物体上。射频卡从供电方式上又分为有源卡和无源卡两种。有源卡靠卡内电池供电，适应于远距离识别场合，如车辆出入管理，高速收费系统（ETC）。但体积大、造价高。无源卡卡内没有电源，依靠卡内的感应线圈将读写器发射的射频波束转换为电能供射频卡使用。适合于识别距离短、造价要求低、体积小的场合使用。电子标签图10-2RFID内部图电子标签的分类RFID的特点RFID具有如下特点。①非接触操作，可近距离识别（几厘米）,也可远距离识别达几十米，应用方便。②体积小，方便携带安装。③寿命长、可在恶劣环境下使用，如粉尘污染环境、腐蚀气体环境、油污环境。④可识别高速物体，也可同时识别多个物体。⑤穿透性好。⑥保密安全、读写器和标签之间有相互认证过程，数据部分可以通过加密算法实现数据安全。RFID系统的工作原理RFID系统由于应用不同，组成有所差别。但都是由读写器（Reader）和电子标签（Tag）组成。如图10-3所示。图10-3中的阅读器通过波束天线发射一个特定频率的电磁波，电子标签进入阅读器工作范围后，电子标签内的感应线圈产生感应电流。获得的能量供给电子标签的芯片工作。电子标签将自身编码的信息通过自身天线发送给阅读器。阅读器对接收的载波信号进行解调和解码。将解码后的信息送给计算机系统进行数据处理。计算机系统对电子标签的进行查询和判断，并向相应的执行机构发出指令。RFID系统的工作原理图10-3RFID系统的工作原理2．条形码识别技术条形码是指由一组规则排列的条、空及其对应字符组成的标识，如图10-4所示。用以表示一定的商品信息的符号，用条形码识读设备的扫描识读。其对应字符由一组阿拉伯数字组成，供人们直接识读或通过键盘向计算机输人数据使用。这一组条空和相应的字符所表示的信息是相同的。为了使商品能够在全世界自由、广泛地流通，企业无论是设计制作，申请注册还是使用商品条形码，都必须遵循商品条形码管理的有关规定。商品条形码的编码遵循唯一性原则，以保证商品条形码在全世界范围内不重复。目前世界上常用的码制有ENA条形码、UPC条形码、二五条形码、交叉二五条形码、库德巴条形码、三九条形码和128条形码等，而商品上最常使用的就是EAN商品条形码。条形码

图10-4条形码3．指纹识别技术指纹识别技术是一种生物特征识别技术。生物特征识别具有安全可靠，唯一性，难以伪造，保密性好等特点。生物特征识别技术在门禁，上班签到、保密验证、海关、使馆签证等越来越多的场合得到应用。生物特征识别常见的有，指纹识别、虹膜识别、面部识别。3．指纹识别技术指纹识别是目前应用最广泛的生物特征识别技术。已经开始走入我们的日常生活，是目前生物特征识别技术中应用最广泛，发展最成熟的技术。由于每个人的指纹都具有唯一性。每个人指纹图案、断点和交叉点各不相同，呈现唯一性且终生不变。因此我们就可以把一个人同他的指纹对应起来，通过将他的指纹和预先保存的指纹数据进行比对，就可以验证它的真实身份，这就是指纹识别技术。4．压力传感器压力传感器是最为常见的一种传感器。如日常用的电子称、压强表、高速公路计重收费系统等都要用到压力传感器。压力传感器就是将压力转变为连续的模拟电信号。模拟信号是指在给定范围内或在一段连续的时间间隔内表现为连续的信号。压力传感器实现方式有很多，原理各不相同但常用的主要有以下3种。（1）压电型压力传感器，它是利用了压电陶瓷压电效应制造而成的，这样的传感器也称为压电传感器，这种传感器可靠性高、成本低、适应范围广。（2）电阻型压力传感器，它是利用半导体材料在压力下会导致阻抗变化原理制成的。半导体压电阻抗扩散压力传感器，是通过半导体在承受压力时禁带宽度发生变化，导致载流子浓度和迁移率变化。产生压电阻抗效果，从而使阻抗的变化转换成电信号。扩散型半导体压力传感器采用集成电路工艺制成，可以提高性能，改进测量的精度。（3）电容型压力传感器，它是利用压力情况下传感器电容量会发生变化的原理制成的，是将玻璃的固定极和硅的可动极相对而形成电容，通过外力（压力）使可动极变形从而导致电容量发生变化，然后将电容量的变化转换成电信号输出。5．声波传感器声波传感器也是一种最常见的传感器，从频率上可分为音频传感器（话筒就是一种音频传感器）、超声传感器（如医院使用的超声波探头）。从原理上可分为，压电陶瓷式、电容式（手机、录音笔等便携式设备使用的微型话筒都是电容式也称为驻极体话筒）、电磁动圈式（动圈式话筒体积大，但音频还原性好）。声波传感器可以使用在如环境噪声监测、声控节能灯、安保告警、声控录音等场合。6．红外线传感器在光谱中波长自0.76～400μm的一段称为红外线，红外线是不可见光线。红外线传感器就是利用红外线的物理性质来进行测量的传感器。红外线又称红外光，它具有反射、折射、散射、干涉、吸收等性质。世界上任何物质，只要高于绝对零度（−273.15℃）的物质都能辐射红外线。红外线传感器工作原理红外线传感器按工作原理可分为热敏检测元件和光电检测元件。热敏元件应用最多的是热敏电阻。热敏电阻受到红外线辐射时温度升高，电阻发生变化，通过转换电路变成电信号输出。光电检测元件常用的是光敏管，通常由半导体材料制成。10.2.3接入技术传感器和识别设备要接入互联网，就要用到接入技术。根据应用系统情况，传感器和识别设备的情况及应用场合条件选择不同的接入技术。当传感器和识别设备数量较多时传感器要首先组成一个传感器网络，然后才接入互联网或者专线与后台处理系统相连。传感器网络可以用有线方式组网或者无线方式组网也可以采用有线与无线方式混合组网。具体采用什么方式组网，要根据现场和具体应用项目的要求选择适合的组网方式。1．有线传感器网络技术有线方式组网有很多优点，供电方便，通常对传感器可以采用有线远端供电，每个采集点传感器不用单设电源。具有可靠性高，抗电磁干扰能力强、传输数据可靠、传输距离远、实时性好，不怕障碍物遮挡等特点。在可靠性和要求较高的工业控制领域内主要使用有线组网方式。通过有线方式将传感器连接在一起就一定要用到现场总线，现场总线是传感器与数据采集传输系统连接在一起的媒介。2．常用的无线网络接入技术无线组网技术是目前使用非常广泛的组网技术。具有安装灵活方便、不受场地、线路铺设条件等限制的优点。既可以使用在固定物体上也可以使用在移动物体上。既可以通过卫星等技术构成全球性的网络，也可以使用短距离无线技术作为有线网络的接入手段。目前常用的短距离无线组网技术有Wi-Fi、ZigBee、NFC、蓝牙（Bluetooth）和红外线等。我们只简单介绍Wi-Fi、ZigBee、NFC技术。Wi-Fi技术Wi-Fi全称WirelessFidelity，直译为无线保真。是IEEE制定的网络通信工业标准又叫802.11b标准。它的最大优点就是传输速度较高，可以达到11Mbit/s速率，在信号弱时可自动调整为5.5Mbit/s、2Mbit/s、1Mbit/s。另外它的有效距离也很长，由于Wi-Fi使用的2.4GHz频段在世界范围内是无需任何电信运营执照的免费频段，因此Wi-Fi无线设备提供了一个世界范围内可以使用的，费用极其低廉且数据带宽极高的无线空中接口。Wi-Fi技术成本低速率高的特点非常符合3G时代的应用要求。因此Wi-Fi技术在小型移动设备及家庭、机场、饭店、学校等公众场合得到了广泛的使用。是当今使用最广的一种无线网络传输技术。Wi-Fi技术的特点Wi-Fi技术的特点如下。①覆盖范围广，基于蓝牙技术的电波覆盖范围非常小，半径大约15m，而Wi-Fi的半径则可达100m。②虽然由Wi-Fi技术传输的无线通信质量不是很好，数据安全性比蓝牙差一些，但传输速度非常快，802.11a标准可以达到54Mbit/s，基本满足了多数用户一般业务的需求。802.11n理论速率最高可达600Mbit/s。但限于产业链成熟度（主要是射频芯片），目前最高支持300Mbit/s。③稳定性和可靠性高。802.11b在信号弱时可自动调整为5.5Mbit/s、2Mbit/s、1Mbit/s。速率可变保证了网络的稳定性和可靠性。④环保安全。IEEE802.11标准规定发射功率小于100mW。而通常手机发射功率在200mW到1W。ZigBee技术ZigBee技术是ZigBee联盟制定的一项短距离无线组网技术标准，ZigBee联盟是一个高速成长的非盈利行业组织，由美国飞思卡尔公司（原摩托罗拉公司半导体部）、荷兰飞利浦公司、日本三菱电气公司、等国际著名半导体生产商、技术提供者、设备制造商以及用户组成。联盟制定了基于IEEE802.15.4，具有高可靠、高性价比、低功耗的网络应用规格。ZigBee技术由于其低成本和低功耗的特点。可以方便的嵌入各类便携式电子产品，应用范围包括民用、商用、公共事业以及工业等领域。ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线组网技术。主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输。非常适合在数据传输量不大，实时性要求不高的场合使用。ZigBee可以工作在全球免费的2.4GHz及868MHz（欧洲）和915MHz（美国）3个频段上，分别具有最高250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s的传输速率，它的传输距离在10～75m的范围内，但可以继续增加。ZigBee的特点作为一种无线通信技术，ZigBee具有