《物联网应用基础》 课件 关雷 第1-3章-走进物联网、智能家居系统中的关键技术、智慧物流系统中的关键技术

第一章走进物联网《物联网应用基础》本章要点1物联网的基本概念2物联网的发展过程3物联网的发展过程4物联网的发展过程5物联网的发展过程1.1.1什么是物联网1.1.1什么是物联网

定义1.把所有物品通过射频识别（RadioFrequencyIdentification,RFID）和条码等信息传感设备与互联网连接起来，实现智能化识别和管理。定义2.由具有标识、虚拟个性的物体或对象所组成的网络，这些标识和个性信息在智能空间使用智能的接口与用户、社会和环境进行通信。定义3.物联网是以感知为目的，实现人与人、人与物、物与物全面互联的网络。其突出特征是通过各种感知方式来获取物理世界的各种信息，结合互联网、移动通信网等进行信息的传递与交互，再采用智能计算技术对信息进行分析处理，从而提升人们对物质世界的感知能力，实现智能化的决策和控制。定义4.物联网是一个动态的全球网络基础设施，它具有基于标准和互操作通信协议的自组织能力，其中物理的和虚拟的“物”具有身份标识、物理属性、虚拟的特性和智能的接口，并与信息网络无缝整合。

传感网又称无线传感器网络（WirelessSensorNetworks,WSN），它是由一组传感器以自组织方式构成的无线网络，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖地理区域中感知对象的信息，并发布给观察者。

互联网是由多个网络遵循一定的通信协议（Protocol）互联而成的网络，现在特指由美国国防部高级研究计划署资助的ARPANET分组交换网演变而来的、采用TCP/IP协议的一种互联网络。

泛在网是指基于个人和社会的需求，实现人与人、人与物、物与物之间按需进行的信息获取、传递、存储、认知、决策、使用等服务，网络具有超强的环境感知、内容感知及智能性，为个人和社会提供泛在的、无所不包的信息服务和应用。1.1.2物联网概念关系

从20世纪40年代开始，科学界就开始普遍认同这个观点，即世界是由物质、能量、信息三大要素组成的，而不仅仅是由物质组成的、或者是由物质与能量两种要素组成的。今天，人们已把信息看做一种重要的资源，甚至把当今时代视为信息革命的时代。因为如果没有信息和信息传递，就不会形成有组织的系统，也不会具备有序的能量转化和物质交换。物联网被称为继计算机、互联网之后，世界信息产业的第三次革命，它体现了信息通信技术在人类生活领域不断拓展和深化的需求。与前两次信息革命停留在信息世界不同，物联网强调建立依托物质的信息生命形态的信息虚拟世界，把虚拟世界和物理世界结合起来，并采用智能计算的技术对信息进行分析和处理，通过对虚拟世界的管理来实现对物理世界的管理、协调和控制，从而实现人类社会与物理世界的有机结合。

1.1.3物联网与信息化革命

感知是物联网的核心特征之一，传感器是感知物理世界的重要手段，人类社会使用传感器的历史可以追溯到很久以前。汉时期，张衡就发明了地动仪，这是世界上可考证的最早利用惯性原理发明的地震传感器；而王充在《论衡》中所载的“司南勺”可能是最早的磁性方向指示器（方向传感器）。随着通信和网络技术的进步发展，人们在生产生活实践过程中开始通过网络将传感器互联起来，甚至实现了对物体进行控制。2009年1月，在美国总统与工商业领袖举行的圆桌会议上，IBM总裁提出了“智慧地球”的构想。指出“物联网”与“互联网”的全面融合，将把商业系统和社会系统与物理系统融合起来，形成一个新的智慧基础设施。2009年8月，温家宝总理在考察中科院无锡高新微纳传感网工程技术研发中心时提出，要尽快建立中国的“感知中国”中心。中美两国领导人相继对物联网的战略定位，使得物联网概念一举成为炙手可热的高科技明星。

1.2.1溯源物联网2004年：

韩国提出为期10年的U-Korea战略，目标是在全球最优的泛在基础设施上，将韩国建设成全球第一个泛在社会；

日本政府提出了以发展泛在网络社会为目标的U-Japan计划，将传感网列为4项重点战略之一。2006年：

韩国推出U-IT839计划，提出将泛在的传感器网（UniversalSensorNetworks,USN）列入发展重点，并在此后推出一系列相关实施计划。2009年：

欧盟委员会发布《欧盟物联网行动计划》。

韩国颁布了《物联网基础设施构建基本规划》。1.2.1溯源物联网

2009年是中国的“物联网元年”温家宝总理首次提出要建立中国的传感信息中心。

2010年3月的政府工作报告中，明确提出将加快物联网的研发应用纳入重点产业振兴计划，将物联网的发展真正提升到了国家战略高度。

2010年9月11日成立了传感器网络标准化工作组，加快制定符合我国发展需求的传感网技术标准，并开始统筹部署宽带普及、三网融合、物联网及下一代互联网的发展，并将物联网列为我国信息产业三大发展目标之一。1.2.3物联网在中国——感知中国

“感知中国”成为国家的信息产业发展战略的原因：132国家希望在这一轮新的信息技术革命中，通过发展物联网产业跻身世界信息技术前列。在这一轮物联网革命中，物联网连接的是实实在在的物理空间，涉及的是国家公共安全，关系到国家的经济命脉。物联网包括物物连接、人与物连接，与现有人与人的通信业务比例，预计会逐年增大，可能涉及几万亿的产业。1.2.3物联网在中国——感知中国

1.3.1物联网的层次结构1.3.1物联网的层次结构物联网应该具备三个特征：（1）全面感知：利用RFID、传感器、二维码等随时随地获取物体的信息。（2）可靠传递：通过各种电信网络与互联网的融合，将物体的信息实时准确地传速出去。（3）智能处理：利用云计算、模糊识别等各种智能计算技术，对海量数据信息进行分析和处理，对物体实施智能化的控制。1.3.2感知层

感知层包括传感器等数据采集设备，包括数据接入到网关之前的传感器网络。它是物联网发展和应用的基础，RFID技术、传感和控制技术、短距离无线通信技术是感知层涉及的主要技术。感知层又包括芯片研发、通信协议研究、RFID材料、智能节点供电等细分技术。

对于目前关注和应用较多的RFID网络来说，张贴安装在设备上的RFID标签和用来识别RFID信息的扫描仪、感应器属于物联网的感知层。

无线射频识别系统由电子标签（Tag）、读写器（Reader）和天线（Antenna）三部分组成。具体的工作原理如图1-4所示：上位机发送指令使读写器工作，天线发送射频信号，电子标签接收到射频信号后，转化为电流，供芯片工作，读出内部所储存的数据，经调制后发送出去；天线接收标签反馈的信息后送至读写器，经解调后还原出标签数据，发送给上位机进行处理。1.3.2感知层

射频识别系统最重要的优点是非接触识别，它能穿透雪、雾、冰、涂料、尘垢和条形码无法使用的恶劣环境阅读标签，并且阅读速度极快，大多数情况下不到100ms。有源式射频识别系统的速写能力也是重要的优点，可用于流程跟踪和维修跟踪等交互式业务。1.3.2感知层

用于战场环境信息收集的智能微尘（SmartDust）网络，感知层由智能传感节点和接入网关组成，智能传感节点感知信息（温度、湿度、图像等），并自行组网传递到上层网关接入点，由网关将收集到的感应信息通过网络层提交到后台处理，如图1-6所示。环境监控、污染监控等应用是基于这一类结构的物联网。1.3.2感知层网络层中应有的功能包括信息存储查询、网络管理等。但是，数据感知与处理技术是实现以数据为中心的物联网的核心技术。数据感知与处理技术包括本网络层数据的存储、查询、挖掘、理解以及基于感知数据的决策和行为的理论和技术。1.3.4网络层

物联网应用层利用经过分析处理的感知数据，为用户提供丰富的特定服务。物联网的应用可分为监控型（物流监控、污染监控）、查询型（智能检索、远程抄表）、控制型（智慧交通、智能家居、路灯控制）、扫描型（手机钱包、高速公路不停车收费）等。

应用层是物联网发展的目的，软件开发、智能控制技术将会为用户提供丰富多彩的物联网应用。各种行业和家庭应用的开发将会推动物联网的普及，也给整个物联网产业链带来利润。1.3.2应用层

从系统角度看，物联网可划分为一个由感知互动层、网络传输层和应用服务层组成的三层体系，即上节提及的感知层、网络层和应用层。1.4物联网的关键技术1.4.1感知与识别技术

1.感知技术：

感知技术主要是指传感器，它是摄取物理信息的关键器件，是构成物联网的基础单元。传感器技术是半导体技术、测量技术、计算机技术、信息处理技术、微电子学、光学、声学、精密机械、仿生学和材料科学等众多学科相互交叉的综合性和高新技术密集型的前沿研究课题之一，是现代新技术革命和信息社会的重要基础，它与通信技术、计算机技术构信息产业的三大支柱。

2.识别技术：

识别技术涵盖物体识别、位置识别和地理识别。

物体识别技术以RFID技术为代表；

位置识别技术比较成熟，它以全球定位系统（GPS）技术为代表；

地理识别技术以地理信息系统（GIS）为代表，以空间数据库为基础，运用系统工程信息科学的理论，对空间数据进行科学管理和综合分析。1.4.1感知与识别技术

物联网中的处理结点主要包括两类，一类是感知结点，一类是网关结点。感知结点是感知层设备，负责采集物理信息并传输到应用层，不仅具有感知和识别能力，而且还具有一定的通信和计算能力。网关结点是连接感知层和网络层的关键设备，负责实现异种异构网络的互联互通。1.4.2节点软硬件设计技术

物联网接入技术包括有线（双绞线、光纤、同轴电缆等）接入和无线（2G、3G、4G、卫星通信以及WiMAX、Wi-Fi、Zigbee、蓝牙等）接入两大类型。而接入网及其后的核心网与现有的末梢网络完全不同，它并不是为承载物联网应用设计的。为了实现异构信息之间的互联、互通与互操作，未来的物联网需要以一个开放的、分层的、可扩展的网络体系结构为框架，来实现异种异构网络能够与骨干网络实现无缝连接，并提供相应的服务质量保证。1.4.3组网与泛在接入技术

物联网是一个智能的网络，传感器仅仅提供了对物理变量、状态及其变化的探测和测量所必需的手段，而对物理世界由“感”而“知”的过程则由智能分析和信息处理技术来实现。信息处理技术贯穿由“感”而“知”的全过程，它基于多个物联网感知层节点或设备所采集的传感数据，实现对物理世界及其变化的全面、透彻感知，以及智能反馈、决策的过程，是实现物联网应用系统物物互联、物人互联的关键技术之一。1.4.4大规模的感知信息处理技术

1.智能电网：将物联网技术应用于智能电网，是信息通信技术发展到一定阶段的必然结果，它将有效整合通信基础设施资源和电力系统基础设施资源，为电网发电、输电、变电、配电、用电等环节提供重要技术支撑，使信息通信基础设施资源服务于电力系统运行，提高电力系统信息化水平，改善现有电力系统基础设施的利用效率。电网智能化将成为拉动物联网产业，甚至整个信息通信产业发展的强大驱动力，并有力影响和推动其他行业的物联网应用和部署进度，进而提高我国工业生产、行业运作和公众生活等各个方面的信息化水平。1.5.1物联网的应用领域

2.智能交通：智能交通是交通管理理念与物联网系统相结合的产物，它将先进的传感、通信和数据处理等物联网技术，应用于交通运输领域，以构建一个安全、畅通和环保的交通运输系统。其中包括智能化交通管理、交通诱导和出行信息服务、智能道路收费、公共交通管理和智能汽车等多个方面的应用。我国政府已将智能交通系统作为中国未来交通发展的重要方向，加大了对智能交通系统的投资力度。1.5.1物联网的应用领域

3.现代物流：由于物流管理的基础是物流信息，是用信息流来控制实物流的，这就使得物流信息化成为现代物流业的灵魂。物流企业纷纷将物流信息化作为提高物流效率的重要途径。物流领域越来越成为现代信息技术应用比较普遍和成熟的领域，物流企业正在转变为信息密集型企业。物联网技术是物流信息化最重要的技术手段，借助物联网的智能采集、传输与处理等技术手段，物流企业的信息化水平得以显著提升，实现了目达耳通的智慧物流管理，降低了物流成本，提升了物流效率。1.5.1物联网的应用领域

4.智能农业：智能农业在农业环境监测、农业生产、农产品流通等领域有大量的应用空间，如快速气象监测、智能大田温室种植、工业化养殖、生鲜农产品运输等。借助“绿色农业”的提倡与政府对农业科技有力地扶持投入，大力推广智能农业有着良好的经济效益和社会效益，市场前景广阔。1.5.1物联网的应用领域

5.公共安全：公共安全防护泛指对人们日常生活中的食品安全、生产安全、重大灾害及疫情、社会安方面进行的全方位防护。视频监控系统是最为常见的一类安防系统，用于区域监视并将监视画面呈现给安防监护人员。智能安防系统则尝试使现有安防系统具备更多更复杂的功能。智能安防将多种功能互异的安防检测设备连接在一起，使它们各自独立地捕获危险信号与异常信号，并基于物联网平台进行交互，从而实现局部智能决策，判断与定位危险源，并实施初级救援工作。1.5.1物联网的应用领域

6.智慧医疗：智慧医疗利用物联网技术实时感知各种医疗信息，实现全面互联互通的信息化医疗系统。此系统可以方便医生准确地掌握病人病情，提高诊断的准确性；可以方便医生对病人的情况进行有效跟踪，提升医疗服务质量；可以有效提高医院包括药品和医疗器械在内的医疗资源管理，通过传感器终端的延伸，加强医院服务的效能，从而达到有效整合资源的目的。1.5.1物联网的应用领域

7.环境监测：环境监测是环境保护和预防控制灾害的基础性工作之一。传统的监测手段只能解决局部监测问题，而及时准确全面的监测结果必须依赖现代信息网络技术。物联网技术凭借其低成本、低能耗、适合快速灵活大规模部署及自动智能化处理方面的优势，应用于环境监测将大大提升环境保护和灾害预防的监控能力。1.5.1物联网的应用领域

8.智能家居：智能家居将物联联网技术应用于家居环境之中，为住户提供以住宅为平台，融消防报警、智能家电和综合布线等系统为一体的，高效、舒适、安全、环保的居住环境。1.5.1物联网的应用领域

物联网技术是支撑“网络强国”和“中国制造2025”等国家战略的重要基础，在推动国家产业结构升级和优化过程中发挥重要作用。物联网是新一代信息技术的高度集成和综合运用，对新一轮产业变革和经济社会绿色、智能、可持续发展具有重要意义。全球各国尤其是美国、欧盟、日韩等发达国家高度重视物联网发展，积极进行战略布局，以期把握未来国际经济科技竞争主动权。1.5.1物联网的产业规模

从产业链来看，中国已形成包括芯片、元器件、设备、软件、系统集成、运营、应用服务在内的较为完整的物联网产业链，各关键环节的发展也取得重大进展。M2M服务、中高频RFID、二维码等环节产业链业已成熟，国内市场份额不断扩大，具备一定领先优势；基础芯片设计、高端传感器制造、智能信息处理等相对薄弱环节与国外差距不断缩小，尤其光纤传感器在高温传感器和光纤光栅传感器方面取得重大突破；物联网第三方运营平台不断整合各种要素形成有序发展局面，平台化、服务化的发展模式逐渐明朗，成为中国物联网产业发展的一大亮点。1.5.2物联网的产业规模1.5.1物联网的应用领域 本章完结第一章

走进物联网《物联网应用基础》 第二章智能家居系统中的关键技术《物联网应用基础》本章要点《智慧城市：物联网应用基础》1背景概述2生物识别技术3传感器技术本章要点《智慧城市：物联网应用基础》4WiFi技术与网络5ZigBee技术与网络6智能家居中的物联网应用案例2.1

背景概述2.1.1当前家居环境亟待改善

不断改善居住条件、创建宜居生活环境是人们对美好生活的坚韧追求。早在石器时代人类祖先便开始使用石头和泥土堆砌房屋遮风避雨，并用泥土烧制陶器制作各类生活用品；进入农业文明后，人们又发明了砖瓦结构的房屋，并学会制作青铜制品作为家用器皿；工业文明的发展和电气技术的出现带来了诸如微波炉冰箱、空调等各类家用电器和自动化生活设施。家居设施的更新一直追随着科学技术的发展，永远跟随人类文明的进步。

然而，随着环保意识的增强和可持续发展理念的深入，发展“低碳经济”正在成为世界各国迈向生态文明的必由之路。另一方面，人们对家居环境的追求，也从早期的环境、位置、户型等方面上升到了对整个家居安全、智能、健康、舒适等更高层面的要求。这使得当前的家居环境存在的一些问题逐渐凸显出来。

当前家居环境中存在的一些问题：1家居能耗过高2家庭安防手段落后3家用电器使用不便2.1.1

当前家具环境亟待改善

智能家居的发展目前还处于物联网应用的雏形阶段，目前已经出现了部分“智能”的家居设备，如远程抄表系统、自动窗帘等，实现了初步的“家庭自动化”，但离真正的智能家居还有不少的距离。建造全球首栋智能家居的比尔盖茨说，独立的智能家居设备和软件早晚会被取代，未来的智能家居最大的特色是“整合”：将各种家居设施包括灯光、安防、多媒体、采暖等通过网络和服务整合在一起，这正是物联网技术应用在智能家居中需要解决的问题。2.1.2

物联网技术与智能家具

使用物联网技术连接与管理家居设施，在易用性与智能化等方面，对于现有的家居系统有着革命性的意义。具体来说，它包括如下优势：

（1）高效节能:各种家用电器、照明灯具等能源消耗设施可以在不需要时自动关闭，或以最低能耗运行。（2）使用方便:智能家居将所有家居设施通过公众通信网络互联，用户可以通过远程和更加灵活的交互方式控制家居设施的运行，既可以通过广泛普及的移动手机，也可以直接在互联网上操作。（3）安全性高:智能家居中的安防系统可以有效防范非法入侵，或在意外事故等紧急情况下报警，而且用户可以随时随地监控家庭安全状况。2.1.2

物联网技术与智能家具生物识别技术是通过计算机与光学、声学、生物传感器和生物统计学原理等高科技手段密切结合，利用人体固有的生理特性（如指纹、脸象、虹膜等）和行为特征（如笔迹、声音、步态等）来进行个人身份鉴定的技术。生物识别技术是目前最为方便与安全的识别技术。

2.2.1概述2.2

生物识别技术

人脸与人体的其它生物特征（指纹、虹膜等）一样与生俱来，它的唯一性和不易被复制的良好特性为身份鉴别提供了必要的前提，与其它类型的生物识别比较人脸识别具有如下特点：

（1）非强制性：用户不需要专门配合人脸采集设备，几乎可以在无意识的状态下就可获取人脸图像，这样的取样方式没有“强制性”。

（2）非接触性：用户不需要和设备直接接触就能获取人脸图像。

（3）并发性：在实际应用场景下可以进行多个人脸的分拣、判断及识别；

（4）符合视觉特性：“以貌识人”的特性，以及操作简单、结果直观、隐蔽性好等特点。2.2.2

人脸识别

指纹是指人的手指末端正面皮肤上凹凸不平的纹线。纹线有规律地排列成不同的形状。由于每个人的指纹不尽相同，就算同一个人的十个指头，指纹也存在明显的区别，因此可以将指纹作为识别生物的技术之一。

虽然每个人的指纹识别都是独一无二的，但并不适用于每一个行业、每一个人。例如，双手长期徒手工作业的人们便会为指纹识别而烦恼，他们的手指若有丝毫破损或干湿环境里、沾有异物则指纹识别功能要失效了。另外对于在严寒区域或者严寒气候下，亦或者人们需要长时间带手套的环境当中，这也将使得指纹识别变得不那么便利。2.2.3

指纹识别

虹膜是位于眼睛的白色巩膜和黑色瞳孔之间的圆环状部分，总体上呈现一种由内向外的放射状结构，由相当复杂的纤维组织构成。虹膜包含了最丰富的纹理信息，包括很多类似于冠状、水晶体、细丝、斑点、凹点、射线、皱纹和条纹等细节特征结构，这些特征由遗传基因决定，在出生之前就确定下来，并且终生不变。虹膜的高度独特性和稳定性是其用于身份鉴别的基础。在所有生物识别技术中，虹膜识别是当前应用最为方便和精确的一种。2.2.4

虹膜识别

静脉识别具有高度防伪、简便易用、快速识别及高度准确四大特点。最为重要的一点是，指静脉识别的特征已被国际公认具有唯一性，且和视网膜相当，在其拒真率（相同结构图，而被算法识别为不同）低于万分之一的情况下，其识假率（不同结构图，而被算法识别为相同）可低于10万分之一。2.2.5

静脉识别静脉识别同样有着难以规避的缺点：（1）手背静脉仍可能随着年龄和生理的变化而发生变化，永久性尚未得到证实。（2）仍然存在无法成功注册登记的可能。（3）由于采集方式受自身特点的限制，产品难以小型化。（4）采集设备有特殊要求，设计相对复杂，制造成本高。2.2.5

静脉识别优势：（1）声纹提取方便，可在不知不觉中完成，因此使用者的接受程度也高。（2）获取语音的识别成本低廉，使用简单，一个麦克风即可，在使用通讯设备时更无需额外的录音设备。（3）适合远程身份确认，只需要一个麦克风或电话、手机就可以通过网路（通讯网络或互联网络）实现远程登录；（4）声纹辨认和确认的算法复杂度低；（5）配合一些其他措施，如通过语音识别进行内容鉴别等，可以提高准确率。2.2.6

声纹识别劣势：（1）同一个人的声音具有易变性，易受身体状况、年龄、情绪等的影响；（2）不同的麦克风和信道对识别性能有影响；（3）环境噪音对识别有干扰；（4）混合说话人的情形下人的声纹特征不易提取。2.2.6

声纹识别

步态识别是一种非接触的生物特征识别技术。因为它不需要人的行为配合；特别适合于远距离的身份识别。这是任何生物特征识别所无法比拟的；不容易伪装。是让犯罪分子防不胜防的追捕手段，它不仅可以分析闭路电视捕捉到的嫌犯的行动情况，还能把它们同嫌犯走路的姿态进行比较。在一些凶杀案中，往往凶犯不让你看到他们的脸，但却能看到凶手走路的样子。采集装置简单、经济。2.2.7

步态识别

2.3.1概述

传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，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。传感器的输出信号多为易于处理的电量，如电压、电流和频率等。2.3

传感器技术

传感器的定义包含了以下几方面的意思：①传感器是测量装置，能完成检测任务；②它的输入量是某一被测量，可能是物理量，也可能是化学量或生物量等；③它的输出量是某种物理量，这种量要便于传输、转换、处理和显示等，这种量可以是气、光、电量，但主要是电量；④输出输入有对应关系，且应有一定的精确程度。2.3.2

传感器的定义

敏感元件是在传感器中直接感受被测量的元件，即被测量通过传感器的敏感元件转换成一个与之有确定关系、更易于转换的非电量。这一非电量通过转换元件被转换成电参量。转换电路的作用是将转换元件输出的电参量转换成易于处理的电压、电流或频率量。应该指出，有些传感器将敏感元件与转换元件合二为一了。2.3.2

传感器的定义

气体压力传感器：这里的膜盒就是敏感元件，其外部与大气相通，当内部感受被测压力变化时，引起膜盒上半部移动，即输出相应的位移量。转换元件：敏感元件的输出就是它的输入，它把输入转换成电路参量。在图2-3中转换元件是可变电感线圈3，它把输入的位移量转换成电感的变化。2.3.2

传感器的定义

实际上，有些传感器很简单，有些则较复杂，大多数是开环系统，也有些是带反馈的闭环系统。最简单的传感器由一个敏感元件（兼转换元件）组成，它感受被测量时直接输出电量，如热电偶就是这样：2.3.2

传感器的定义

人们为了从外界获取信息，必须借助于感觉器官。而在研究自然现象、规律以及生产活，单靠人们自身的感觉器官的功能就远远不够了。为适应这种情况，就需要传感器。因此可以说，传感器是人类五官的延长，又称之为“电五官”。传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段。2.3.3

传感器的作用

传感器早已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程甚至文物保护等极其广泛的领域。可以毫不夸张地说，从茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各种复杂的工程系统，几乎每一个现代化项目，都离不开各种各样的传感器。图所示就是遥感卫星CCD视觉传感器的外观。2.3.3

传感器的定义

（1）按传感器的物理量分类，可分为位移、力、速度、温度、湿度、流量和气体成分等传感器。（2）按传感器工作原理分类，可分为电阻、电容、电感、电压、霍尔、光电、光栅和热电偶等传感器。（3）按传感器输出信号的性质分类，可分为输出为开关量（“1”和“0”或“开”和“关”）的开关型传感器，模拟型传感器，输出为脉冲或代码的数字型传感器。

（4）根据传感器的能量转换情况，可分为能量控制型传感器和能量转换型传感器。2.3.4

传感器的分类

静态数学模型是指在静态信号作用下，传感器输出与输入量之间的一种函数关系。表示为：

y=a0+a1x+a2x2+…+anxn式中，x为输入量；y为输出量；a0为零输入时的输出，也称零位误差；a1为传感的线性灵敏度，用K表示；a2、…、an为非线性项系数。根据传感器的数学模型一般把传感器分为三种：（1）理想传感器，静态数学模型表现为y=a1x。（2）线性传感器，静态数学模型表现为y=a0+a1x。（3）非线性传感器，静态数学模型表现为y=a0+a1x+a2x2+…+anxn（a2、…、an中至少有一个不为零）。2.3.5

传感器的数学模型与静态特性

传感器的静态特性是指对静态的输入信号，传感器的输出量与输入量之间的关系。因为输入量和输出量都和时间无关，它们之间的关系，即传感器的静态特性可用一个不含时间变量的代数方程，或以输入量作横坐标、把与其对应的输出量作纵坐标而画出的特性曲线来描述。表征传感器静态特性的主要参数有线性度、灵敏度、分辨力和迟滞等，传感器的参数指标决定了传感器的性能以及选用传感器的原则。2.3.5

传感器的数学模型与静态特性

（1）传感器的灵敏度：灵敏度是指传感器在稳态工作情况下输出量变化Δy对输入量变化Δx的比值。它是输出-输入特性曲线的斜率：K=dy/dx如果传感器的输出和输入之间显线性关系，则灵敏度K是一个常数，即特性曲线的斜率。否则，它将随输入量的变化而变化。灵敏度的量纲是输出量、输入量的量纲之比。例如，某位移传感器，在位移变化1mm时，输出电压变化为200mV，则其灵敏度应表示为200mV/mm。当传感器的输出量、输人量的量纲相同时，灵敏度可理解为方大倍数。提高灵敏度，可得到较高的测量精度。但灵敏度越高，测量范围越窄，稳定性也往往越差。2.3.5

传感器的数学模型与静态特性

（2）传感器的线性度：通常情况下，传感器的实际静态特性输出是条曲线而非直线。在实际工作中，为使仪表具有均匀刻度的读数，常用一条拟合直线近似地代表实际的特性曲线，线性度（非线性误差）就是这个近似程度的一个性能指标。拟合直线的选取有多种方法，如将零输入和满量程输出点相连的理论直线作为拟合直线，或将与特性曲线上各点偏差的平方和为是小的理论直线作为拟合直线，此拟合直线称为最小二乘法拟合直线。传感器校准曲线与拟合直线间的最大偏差（△max）与满量程输出（Ym）的百分比，称为线性度（又称为“非线性误差”），该值越小，表明线性特性越好。表示公式如下：E=△max/Ym×100%式中，△max是实际曲线和拟合直线之间的最大差值；Ym为量程。2.3.5

传感器的数学模型与静态特性

（3）传感器的分辨力：

分辨力是指传感器可能感受到的被测量的最小变化的能力。也就是说，如果输入量从某一非零值缓慢地变化，当输入变化值未超过某一数值时，传感器的输出不会发生变化，即传感器对此输入量的变化是分辨不出来的。只有当输入量的变化超过最小变化时，其输出才会发生变化。

通常传感器在满量程范围内各点的分辨力并不相同，因此常用满量程中能使输出量产生阶跃变化的输入量中的最大变化值作为衡量分辨力的指标，上述指标若用满量程的百分比表示，则称为分辨力。（4）重复性:

传感器在输入量按同一方向做全量程多次测试时，所得特性曲线不一致的程度。2.3.5

传感器的数学模型与静态特性

（5）迟滞现象:

传感器正向行程（输人量增大）和区向行程（输入量减小）期间，特性曲线不一致程度。（6）稳定性与漂移:

传感器的稳定性有长期和短期之分。一般指一段时间以后，传感器的输出和初始航定时的输出之间的差值。通常用不稳定度来表征其输出稳定的程度。

传感器的漂移是在外界干扰下，输出量出现与输人量无关的变化。漂移有很多种，如时间漂移和温度漂移等。时间漂移指在规定的条件下，零点或灵敏度随时间发生变化；温度漂移指环境温度变化而引起的零点或灵数度的变化。2.3.5

传感器的数学模型与静态特性

温度传感器的分类方法很多。按照用途可分为基准温度计和工业温度计；按照测量方法又可分为接触式和非接触式；按工作原理又可分为膨胀式、电阻式、热电式、辐射式等；按输出方式分有自发电型、非电测型等。2.3.6

温度传感器

热敏电阻是利用半导体材料电阻率随温度变化而变化的性质制成的，按其温度特性分成三类，适用于不同的使用场合。（1）电阻值随温度升高而升高的，称为正温度系数热敏电阻（PTC）；（2）电阻值随温度升高而降低的，称为负温度系数热敏电阻（NTC）；（3）具有正或负温度系数特性，但在某一温度范围电阻值发生巨大变化的，称为突变型温度系数热敏电阻（CTR）。2.3.6

温度传感器

湿度传感器的主要特性有以下几点：（1）感湿特性：湿度传感器的特征量（如电阻、电容、频率等）随湿度变化的关系常用感湿特征量和相对湿度的关系曲线来表示。（2）湿度量程：它表示湿度传感器技术规范规定的感湿范围。全量程相对湿度为0-100%。（3）灵敏度：它表示湿度传感器的感湿特征量（如电阻、电容等）随环境湿度变化的程度，也是该传感器感湿特性曲线的斜率。由于大多数湿度传感器的感湿特性曲线是非线性的，因此常用不同环境下的感湿特征量之比来表示其灵敏度的大小。（5）响应时间：在一定环境温度下，当相对湿度发生跃变时，湿度传感器的感湿特征量达到稳定变化量的规定比例所需的时间，一般以相应的起始湿度和终止湿度这一变化区间的90%的相对湿度变化所需的时间来计算。2.3.7

湿度传感器

湿度传感器的主要特性有以下几点：（6）感湿温度系数：当环境湿度恒定时，温度每变化1℃所引起的湿度传感器感湿特征量的变化量。（7）老化特性：湿度传感器在一定温度、湿度气氛下存放一定时间后，其感湿特性将发生变化的特性。2.3.7

湿度传感器

湿度传感器种类繁多。按输出的电学量可分为电阻型电容型、频率型等；按探测功能可分为绝对湿度型、相对湿度型、结露型等；按材料可分为陶瓷型、有机高分子型、半导体型、电解质型等。这里主要介绍应用最广泛的陶瓷型湿度传感器。陶瓷型湿度传感器是利用其表面多孔性吸湿进行导电，从而改变元件的阻值。这种湿敏元件随外界湿度变化而使电阻值变化的特性便是用来制造湿度传感器的依据。陶瓷型湿度传感器较成熟的产品有MgCr2O4-TiO2系、ZnO-Cr2O3系、ZrO2系厚膜型、Al2O3薄膜型、TiO2-V2O5薄膜型等品种。2.3.7

湿度传感器

MgCr2O4-TiO2系湿度传感器MgCr2O4-TiO2系湿度传感器是一种典型的多孔陶瓷湿度测量器件。由于它具有灵敏度高、响应特性好测湿范围宽和高温清洗后性能稳定等优点，目前已商品化，并得到广泛应用。以MgCr2O4为基础材料，加入一定比例的TiO2（20~35mo/L）制成的。感湿材料被压制成4mm×4mm×0.5mm的薄片，在1300℃左右烧成，在感湿片两面涂布氧化钌（RuO2）多孔电极，并于800℃下烧结。在感湿片外附设有加热清洗线圈，此清洗线圈主要是通过加热排除附着在感湿片上的有害气氛及油雾、灰尘，恢复对水汽的吸附能力。2.3.7

湿度传感器

ZrO2系厚膜型湿度传感器由于烧结法制成的体型陶瓷湿度传感器结构复杂，工艺上一致性差，特性分散，近来，国外开发了厚膜陶瓷型湿度传感器，这不仅降低了成本，也提高了传感器的一致性。ZrO2系厚膜型湿度传感器的感湿层是用一种多孔ZrO2系厚膜材料制成的，它可用碱金属调节阻值的大小并提高其长期稳定性。2.3.7

湿度传感器

气体传感器是一种把气体（多数为空气）中的特定成分检测出来，并将它转换为电信号的器件，以便提供有关待测气体的存在及浓度大小的信息。2.3.8

气体传感器

气体传感器的主要检测对象及应用场所2.3.8

气体传感器

气体传感器的性能必须满足下列条件：（1）能够检测易爆气体的允许浓度、有害气体的允许浓度和其他基准设定浓度，并能及起时给出报警、显示与控制信号；（2）对被测气体以外的共存气体或物质不敏感；（3）性能长期稳定性、重复性好；（4）动态特性好、响应迅速；（5）使用、维护方便，价格便宜等。2.3.8

气体传感器

气体传感器种类（1）半导体型气体传感器：2.3.8

气体传感器

（2）固体电解质式气体传感器：这类传感器内部不是依赖电子传导，而是靠阴离子或阳离子进行传导，因此，把利用这种传导性能好的材料制成的传感器称为固体电解质传感器。（3）接触燃烧式气体传感器：2.3.8

气体传感器

（4）电化学式气体传感器：

电化学式气体传感器包括离子电极型气体传感器、定位电解法气体传感器、加伐尼电池型气体传感器等种类。离子电极型气体传感器：CO2+H2O=H++HCO3-加伐尼电池型气体传感器。定位电解法气体传感器。2.3.8

气体传感器

（5）集成型气体传感器这种传感器：一类是把敏感部分、加热部分和控制部分集成在同一基底上，以提高器件的性能。另一类是把多个具有选择性的元件，用厚膜或薄膜的方法制在一个衬底上，用微机处理和信号识别的方法对被测气体进行选择性的测定，既可对气体进行识别又可提高检测灵敏度。2.3.8

气体传感器

光敏元器件是指能将光信号转变为电信号的元器件，有时候又会被称为“光电传感器”。光敏元器件与发光管配合，可以实现电→光、光→电的相互转换。常见的光敏元器件有光敏电阻、光敏二极管、光敏晶体管等。2.3.9

光电传感器

光敏电阻：由陶瓷基片上沉积一层光敏半导体，再接上两根引线做电极制成。光敏电阻的主要参数有：（1）暗电阻（RD）：光敏电阻在无光照射时的电阻值称为暗光敏电阻电阻。（2）亮电阻（RL）：光敏电阻在受到光照射时所具有的阻值称为亮电阻。（3）峰值波长：光敏特性响应最佳时所对应的波长。2.3.9

光电传感器

光敏二极管：它是由一PN结构成的半导体器件。光敏二极管的两管脚有正、负极之分：靠近管键和色点的是正极，另一管脚为负极；较长的一脚为正极，较短的一脚为负极。光敏二极管的检测方法：1）用万用表R×100或R×1k档，与测普通二极管一样，其正向电阻应为10k左右。2)对调两表笔，使光敏二极管工作在反向状态。用一物体遮住光敏二极管的透明窗口，测得的电阻值应接近无穷大。3)去掉遮光物，表笔指针应向右偏转至几千欧处，光线越强，电阻值越小。若测得的正反向电阻都是无穷大或零，说明管子已损坏。2.3.9

光电传感器

光敏晶体管：光敏二极管能实现光电转换，但灵敏度低，使用光敏晶体管就大大提高了光电转换的灵敏度。光敏晶体管为NPN型结构，基极即为光射窗口，因此大多数光敏晶体管只有集电极和发射极两个管脚，也有基极有引出脚的，作为温度补偿用，不用时剪去。2.3.9

光电传感器

光敏晶体管的检测如图所示：用遮光物遮住光敏晶体管的窗口，没有光照，光敏晶体管没有电流，测得的阻值应为无穷大。

去掉遮光物，使光敏晶体管的窗口朝向光源，晶体管导通，万用表的指针向右偏转至1k左右，指针偏转角的大小反映了管子的灵敏度。2.3.9

光电传感器

通过光敏晶体管做成的光电开关目前应用非常普遍，以红外线光电开关为例，其所发射的红外线属于一种电磁射线，其特性等同于无线电或X射线。人眼可见的光波是380

~780nm，发射波长为780nm

~

1mm的长射线称为红外线，一般红外线光电开关优先使用的是接近可见光波长的近红外线。2.3.9

光电传感器

光电开关内部振荡回路产生的调制脉冲先经反射电路后，由发射管辐射出光脉冲；当被测物体进入受光器作用范围时，被反射回来的光脉冲进入光敏晶体管，并在接收电路中将光脉冲解调为电脉冲信号，再经放大器放大和同步选通整形，然后用数字积分或RC积分方式排除干扰，最后经延时（或不延时）触发驱动器输出光电开关控制信号。2.3.9

光电传感器

常用光电开关的分类是按检测方式来划分的，其可分为反射式、对射式和面反射式等几种类型。对射式检测距离远，可检测半透明物体的密度（透光度）。反射式的工作距离被限定在光束的交点附近，以避免背景影响。镜面反射式的反射距离较远，适宜作远距离检测，也可检测透明或半透明物体。2.3.9

光电传感器

直接反射光电开关，它是一种集发射器和接收器于一体的传感器，当有被检测物体经过时，将光电开关发射器发射的足够量的光线反射到接收器，于是光电开关就产生了开关信号。当被检测物体的表面光亮或其反光率极高时，直接反射式的光电开关是首选的检测模式。2.3.9

光电传感器2.4WiFi技术与网络2.4.1概述

WiFi是一种可以将个人计算机、手持设备（如PAD、手机）等终端以无线方式互相连接的技术。无线保真是一个无线网络通信技术的品牌，由WiFi联盟所持有。目的是改善基于IEE802.11标准的无线网络产品之间的互通性。有人把使用IEEE802.11系列协议的局域网就称为无线保真，甚至把无线保真等同于无线网际网络（WiFi是WLAN的重要组成部分）。2.4.1概述2.4.1概述

无线网络在无线局域网的范畴是指“无线相容性认证”，实质上是一种商业认证，同时也是一种无线联网技术，以前通过网线连接计算机，而无线保真则是通过无线电波来联网。常见的就是一个无线路由器，那么在这个无线路由器的电波覆盖的有效范围都可以采用无线保真连接方式进行联网，如果无线路由器连接了一条ADSL线路或者别的上网线路，则又被称为热点。

WiFi第一个版本发表于1997年，其中定义了介质访问接入控制层（MAC层）和物理层。物理层定义了工作在2.4GHz的ISM频段上的两种无线调频方式和一种红外传输的方式，总数据传输速率设计为2Mbit/s两个设备之间的通信可以自由直接的方式进行，也可以在基站（BaseStation，B）或者访问点（AccessPoint，AP）的协调下进行。2.4.2WiFi协议的基本内容协议栈WiFi网络结构2.4.2WiFi协议的基本内容2.4.3WiFi网络的组成元件（1）站点STA（Station）：所谓的站点，是指具有WiFi通信功能的，并且连接到无线网络中的终端设备，如手机、平板电脑、笔记本计算机等；（2）接入点AP（AccessPoint）：AP也可称为基站，就是我们平常所说的WiFi热点，更通俗一点，就是我们家里的无线路由器。当我们需要从互联网上获取数据到手机上显示时，那么接入点就相当于一个转发器，将互联网上其他服务器上的数据转发给我们的手机上。同时，接入点也属于站点的一种。（3）基本服务集BSS（BasicServiceSet）：①由一个接入点和若干个站点组成；②由若干个站点组成，最少两个。有接入点的，称为基础结构型基本服务集（InfrastructureBSS）；无接入点的，称为独立型基本服务（IndependentBSS，IBSS），BS也有其他的叫法，称为AdHocNetwork。2.4.3WiFi网络的组成元件（4）服务集识别码SSID（ServiceSetIdentifier）：WiFi账号就是SSID。SSID通过接入点广播出来。同时，我们在设置无线路由器时，可修改SSID的名称。（5）分布式系统DS（DistributionSystem）：称为传输系统，通过基站将多个基本服务集连接起来。分布式系统是基站间传送帧的骨干网络，通常被骨干网络（BackboneNetwork）。（6）扩展服务集ESS（ExtendedServiceSet）：由一个或者多个基本服务集通过分布式统串联在一起就构成了ESS。通过ESS，我们可以扩展无线网络的覆盖范围。（7）门桥（Portal）:用于将无线局域网有线局域网或者其他网络联系起来。门桥可以使这两种类型的网络实现逻辑上的综合。2.4.3WiFi网络的组成元件网络类型主要是在BSS中进行分类，有独立型基本服务集（IndependentBSS）和基础构型基本服务集（InfrastructureBSS）两种。（1）独立型基本服务集：通常，IBSS是由少数几部工作站针对特定目的而组成的临时性网络最低限度的IBSS是由两个站点组成的。IBSS有时被称为特设网络（Ad

Hoc

Network）。2.4.4WiFi网络类型（2）基础结构型基本服务集：判断是否为基础结构型网络，只要检查是否有基站参与其中。基站负责基础结构型网络所有的传输，包括同一服务区域中所有行动节点之间的通信。网络类型主要是在BSS中进行分类，有独立型基本服务集（IndependentBSS）和基础构型基本服务集（InfrastructureBSS）两种。2.4.4WiFi网络类型

位于基础结构型基本服务集的移动式站点，如有必要跟其他移动式站点通信，必须经过两个步骤：（

首先，由开始对话的站点将帧传递给基站。

其次，由基站将此帧传送至目的站点。既然所有通信都必须通过基站，基础结构型网络所对应的基本服务区域就相当于基站的传送范围。）2.4.4WiFi网络类型虽然这种做法比直接传送耗费较多的资源，不过它有两个主要的优点：（1）基础结构型基本服务集被界定在基站的传输范围。（2）基站在基础结构型网络里的作用是协助站点节省电力。2.4.4WiFi网络类型

WiFi网络具有移动性，同时WiFi以无线电波作为传输媒介，这种媒介本质上是开放的，且容易被拦截，任何人都可以通过抓包工具截取无线网络的数据包。因此，在设计WiFi协议时，需要提供一些传输数据和管理的服务：（1）分布式（2）整合（3）关联（4）重新关联（5）解除关联（6）身份认证（7）解除认证（8）机密性（9）MSDU传递（10）传输功率控制（11）动态频率选择2.4.5WiFi网络的数据传输与管理2.5ZigBee技术与网络2.5.1概述

ZigBee技术是一种便宜、低功耗、高可靠性的近距离无线组网通信技术是一个由可多达65000个无线数传模块组成的网络平台。ZigBee是一种开放式的基于EEE802.15.4协议的无线个人局域网（WirelessPersonalAreaNetworks）标准。ZigBee是一种新兴的短距离、低数据速率、低成本低复杂度的双向无线网络通信技术。ZigBee可使用的无线频段有3个，分别是2.4GHz的ISM频段、欧洲的868MHz频段以及美国的915MHz频段。

ZigBee和E802.15.4标准都适合于低速率数据传输，最大速率为250kbit/s，与其他无线技术比较，适合传输距离相对较近。

ZigBee采取了IEEE802.15.4强有力的无线物理层所规定的全部优点：省电、简单、成本低。ZigBee增加了逻辑网络、网络安全和应用层。2.5.1概述ZigBee作为一种无线通信技术，具有如下特点：（1）低功耗：ZigBee的传输速率低，发射功率仅为1mW，而且采用了休眠模式。（2）成本低：ZigBee模块的初始成本较低，并且ZigBee协议是免专利费的。（3）时延短：通信时延和从休眠状态到激活的时延都非常短，典型的搜索设备时延为30ms，眠激活的时延为15ms，活动设备信道接入的时延为15ms。（4）网络容量大：一个星形结构的ZigBee络最多可以容纳254个从设备和1个主设备，一个区域内可以同时存在最多100个ZigBee网络，而且组网灵活。（5）可靠性高：采取了碰撞避免策略，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避开了发送数据的竞争和冲突。（6）安全：ZigBee提供了基于循环冗余校验（CRC）的数据包完整性检查功能，支持鉴权和认证，采用了AES-128的加密算法，各个应用可以灵活确定其安全属性。

目前市面上设计ZigBee的应用方案，主要有两种方式：（1）使用现成的无线ZigBee模块（2）直接用厂家的ZigBee芯片来完成自己所需的ZigBee应用设计采用ZigBee的无线传输系统应用领域主要包括：1）家庭和楼宇网络2）工业控制3）商业4）公共场所5）农业控制6）医疗

通过以上分析可知，未来的物联网系统是把RFID技术、ZigBee技术、GPS技术、3G/4G宽带技术和行业应用融合起来的一个集成产品。于以上应用范围广且大都涉及个人家庭，因此低成本、低功耗和高可靠性是市场对物联网中无线通信技术最强烈的需求，而ZigBee产品的优势正好非常符合这种市场需求。2.5.1概述ZigBee技术组建的是一种低数据传输速率的无线个域网，网络的基本成员称为“设备”（Device）。另外网络中的设备按照具备功能的不同分为两类，具备完整功能的全功能设备（FullFunctionDevice,FFD）和只具备部分功能的精简功能设备（ReducedFunctionDevice,RFD）。RFD功能非常简单，可以用较低端的微控制器实现，FFD可以作为全域网的协调器、路由器，功能较全，当然也可以作为终端设备使用。一般在一个网络里至少需要一个主协调器。2.5.2ZigBee技术原理按照OSI模型，ZigBee网络分为4层，从下向上分别为物理层（PHILayer）、媒体访问层（MACLayer）、网络层或安全层（NWKLayer）、应用层（APLLayer）。2.5.3ZigBee网络体系

ZigBee支持包含有主从设备的星形、树形和对等拓扑结构。虽然每一个ZigBee设备都有一个唯一的64位IEEE地址，并可以用这个地址在PAN（个域网）中进行通信，但在从设备和网络协调器建立连接后会为它分配一个16位的短地址，此后可以用这个短地址在PAN内进行通信。2.5.4ZigBee网络拓扑

由于ZigBee广阔的应用前景，世界各大半导体生产厂商纷纷推出了支持EEE802.15.4标准的无线收发芯片。这些芯片集成了ZigBee物理层功能，并且所需外围元件少，使用起来非常方便，大大降低了射频电路设计、制作的难度，即使没有昂贵的射频仪器也能完成射频电路的设计制作。2.5.5几种常用的ZigBee射频芯片介绍1.MC13192射频芯片：MC13192是飞思卡尔公司推出的一种短距离、低功耗，工作于2.4GHz的ISM波段，包含ZigBee物理层（802.15.4）协议的收发芯片。它支持点对点、星形和网形结构的网络。2.CC2430/CC2431片上系统：CC2430是挪威Chipcon威公司（2006年被德州仪器（TI）公司收购）推出的用来实现嵌入式ZigBee应用的片上系统。2.5.5几种常用的ZigBee射频芯片介绍（1）厦门四信通信科技有限公司ZigBee模块：F8913ZigBee模块、F8914ZigBee终端其产品共同特点是：●支持ZigBee无线短距离数据传输功能。●具备中继路由和终端设备功能。●支持点对点、点对多点、对等和MESH网络。●网络容量大●节点类型灵活●发送模式灵活●通信距离大●提供5路●使用方便、灵活，可多种工作模式选择●具有方便的系统配置和维护接口●支持串口软件升级●为智能型数据终端2.5.6ZigBee模块生产厂家介绍（2）深圳市中鼎泰克电子有限公司ZigBee模块：该公司DRF系列ZigBee模块目前包括DRF1605、DRF605、DRF2617A、DRF2618-ZUSB、DRF2619A及相关配套底板。产品主要特点：●DRF系列ZigBee模块可以形象地理解为“无线的串口连接”●简单易用●自动组网●实现简单数据传输●有唯一IEEE地址●用户可更改节点类型●用户可更改无线电频道●用户可自定义Router地址2.5.6ZigBee模块生产厂家介绍（3）上海顺舟智能科技股份有限公司ZigBee模块：公司致力于ZigBee、PRS/GM、WiFi、1GHz以下频段（433MHz/470MHz）的研发和应用。性能特点：通信距离远抗干扰能力强串口应用灵活发送模式灵活节点类型灵活组网能力强网络容量大最大数据包工业级应用设备2.5.6ZigBee模块生产厂家介绍若采用ZigBee模块组网，问题就简单多了，只要学习一下模块的使用方法，掌握模块参数的设置方法，就像配置PC网卡那样简单就把无线网络组建完成了。2.5.6ZigBee无线组网策略分析2.6智能家居中的物联网应用案例2.6.1智能家电2.6智能家居中的物联网应用案例

从产业链来看，中国已形成包括芯片、元器件、设备、软件、系统集成、运营、应用服务在内的较为完整的物联网产业链，各关键环节的发展也取得重大进展。M2M服务、中高频RFID、二维码等环节产业链业已成熟，国内市场份额不断扩大，具备一定领先优势；基础芯片设计、高端传感器制造、智能信息处理等相对薄弱环节与国外差距不断缩小，尤其光纤传感器在高温传感器和光纤光栅传感器方面取得重大突破；物联网第三方运营平台不断整合各种要素形成有序发展局面，平台化、服务化的发展模式逐渐明朗，成为中国物联网产业发展的一大亮点。2.6.1智能家电

1.家庭智能温控系统:基于物联网技术的家庭温控系统能将调温、调湿、通风等多项功能集成在同一系统上，根据当前环境调节各项系统参数，以使家居环境舒适宜人。2.6.1智能家电

2.智能冰箱:基于物联网技术的智能冰箱引入了RFD技术，能够准确识别当前库存、显示库存、为主人提醒食品过期信息，还能根据各类食材的库存量从互联网上下载健康食谱供用户参考。2.6.1智能家电

3.物联之家:海尔“物联之家”是一套完整的智能家电解决方案，具备了上述家庭智能温控系统和智能冰箱的多项基本功能，并在家庭照明、家居娱乐等方面加以扩展，包括智能家电智能窗帘、智能灯光、故障反馈、网络监控等多个应用子系统。2.6.1智能家电近年来，人们对家居便利性和舒适度的要求越来越高，家庭能耗显著增加。在我国开展建筑节能尤其是住宅节能，对我国实现节能减排的具体目标具有重要的意义。建筑所必需的电梯动力、照明、空调、消防、通风、高低压配电等用能信息的传递是建筑节能和工业节能的基础，高效实现建筑节能信息化的关键问题之一是解决这些信息的传输问题。在基于无线传感网技术开发的建筑能耗监测系统中一般利用无线传感网技术来进行信息的采集和传输。适用于各种既有建筑和新建建筑，组网方便，不占空间，无需综合布线施工，项目实施快速简捷。2.6.2节能环保

（1）智能抄表:指在数字表（水、点、煤气表）中嵌入具有无线通信能力的抄表器。将数字表的读数变化情况发送给控制中心服务器。控制中心存储和分析数字表数据，供用户查询。用户可以通过控制中心网站及时了解家中能源消耗具体情况并进行对比分析。2.6.2节能环保

在北美地区，谷歌的PowerMeter软件能够让用户了解家庭的用电情况。其工作需要特殊的电表配合完成，如TED5000。安装有TED5000的家庭可通过互联网查看自己家中设备耗电情况。用户还可以配备一个无线终端，通过ZigBee协议与能耗监测模块通信，了解到更加及时的家庭能耗情况。2.6.2节能环保

与美国的独户式居住格局不同，我国的城市居住格局通常是“单元楼+小区”的模式，因此在智能抄表系统的设计上，更多的是采用小区总线与通信网络相结合的模式，这样可以降低系统布设成本，节省无线通信带宽资源，也更加便于管理。2.6.2节能环保

（2）智能供暖:在家庭能量消耗中，除去各类家用电器的电能消耗用于家庭供暖的热能消耗也是家庭能耗的重要组成部分。智能供暖系统能够根据当前家居环境自动调节供暖系统的供热强度。2.6.2节能环保

（1）家庭智能照明系统:控制家庭光照强度是改善家居环境的重要手段之一。基于物联网技术的智能照明系统能够通过感知室内光强与光照色度来自动调节家中照明设备的工作状态，并且控制窗帘闭合，达到舒适、节能、个性化的效果。2.6.3智能照明

（2）办公楼智能照明系统:办公楼智能照明特指高层建筑等工作场所的照明因为高层建筑照明比家庭照明功能更加复杂，系统更加庞大，节能是其最重要的设计目，同时还需要系统有良好的扩展性。该系统能将大楼内部所有照明回路和电动设备集中监控，智能调节。2.6.3智能照明

将物联网技术应用于家庭安防，能够使小区安防和家居安防结为一体，具有快速响应、判断精确的优势，是未来家庭安防的重要发展方向。按照前端探测对象的不同，智能家居系统还包括意外事故预防系统、防盗系统、远程监控系统3个子系统。2.6.4家庭安防

（1）意外事故预防系统:家庭意外事故预防主要是防火与防煤气泄漏。如有煤气泄漏，家庭服务器会发报警信号并通知相关人员。同时，家庭服务器还会自动关闭燃气管道电磁阀。2.6.4家庭安防

（2）家庭防盗系统:在家庭防盗系统中，首先需要通过门禁手段控制进入大楼的人员身份，其次还需要使用入侵检测技术确保房间安全。智能家庭门禁系统由前端的身份认证模块、自动门锁、家庭网络和家庭控制中心4个部分组成。入侵检测系统使用多种安防类传感器监视防护区域，实现对非法入侵者的检测、识别与报警。2.6.4家庭安防

（3）远程监控系统:通过远程监控系统，用户可以通过互联网实时查看家中状况。家庭的视频监控系统一般由摄像头、家庭监控服务器和小区监控中心服务器组成。家庭监控服务器连接一个或多个摄像头，分别对准特定场景，如门锁、窗口、家庭内的某个房间，采集现场视频信号，同时对视频进行数字化处理，并能够通过网络将实时监控视频发送给用户；利用运动检测技术，可以准确地判断是否有异常事件发生。2.6.4家庭安防 本章完结第一章

智能家居系统中的关键技术《物联网应用基础》第三章智慧物流系统中的关键技术《物联网应用基础》本章要点1背景概述2二维码识别技术3RFID技术本章要点4移动通信网络5智慧物流的应用案例3.1背景概述

物流是以满足客户需求为目的，以高效和经济的手段来组织原料、在制品、制成品以及相关信息从供应到消费的运动和储存的计划、执行和控制的过程。

物流过程一般是指货物从原材料到形成消费者购买的产品的整个流程，其中可分为至少5个部分，分别是：采购物流、生产物流、销售物流、退货物流和废弃物流。

进入21世纪以来，随着经济规模的飞速增长，我国的物流产业总体规模日新月异，服务水平也在显著提高，物流产业的产业环境和软硬条件也在不断得到改善。但我国当前物流产业的总体水平仍然偏低，还存在些制约其进步发展的因素，如物流运行效率偏低、社会化物流需求不足和专业化物流供给能力不足、物流基础设施能力以及物流服务的组织化和集约化程度低等，可以说，我国的物流产业还是较低端的服务业。

总体上看，我国物流业还比较粗放，科技水平还较为落后，还没有形成完整的物流信息网络和综合的物流服务理念，与发达国家有很大差距。物流业信息化水平还是很低，缺少统一的管理和规划效应，信息流通不畅。3.1.1我国物流系统面临的挑战（1）物联网应用能够提升物流行业的整体效率：

物流业具有很强的时效性，而其效率在很大程度上决定着物流行业的水平。将物联网技术融人到具体物流运作中，以实现高度的物流信息化、自动化、网络化及智能化，大大提升物流业的整体效率。（2）物联网应用可以推进物流行业专业化规模化发展：

企业通过接入物流信息网络系统能够即时建立企业内部、供应商、消费者、政府部门等相关单位的联系、协调和合作，实现整体联动的社会化物流。3.1.2

智慧物流与物联网技术（3）物联网行业可以推动物流行业集成化精细化发展：随着现代经济的快速发展，企业之间物流信息的交换关系和依赖程度也愈来愈错综复杂。在当今市场瞬息万变和竞争环境日益激烈的情况下，企业在物流方面要求是：响应快速、协同配合、个性化需要。而物联网技术的应用不仅能够使物流过程充分满足企业的上述要求，甚至能够通过物流环节及时的信息反馈，改变企业生产滞后市场需求的被动局面，打造企业利用物流信息主动推动市场形成的新局面。3.1.2

智慧物流与物联网技术在发展智慧物流的进程中，仅从技术层面就存在许多困难，这在采集信息、网络传输、智能应用三个环节中都有所体现。（1）在采集信息的环节中，一般认为技术标准和投资成本是主要矛盾，要想将识别系统深入到物流货物单件上，其成本对于大部分产品来说是难以承受的，这是目前讨论最多的部分。（2）物流信息在骨干网络的互联互通环节中也具有很多挑战性。在信息的整合中既要满足开放性要求，实现各种信息很方便、成本很低地互联互通，又要满足安全性要求，这样才能用于商务、管理、控制，也就是要解决好物流专网与公网的关系。3.1.2

智慧物流与物联网技术（3）智能应用环节的情况最为复杂，用户的需求跨度大，应用及服务复杂多样而且各种物流信息集中交汇，需要基于海量物流信息的物流服务，并提供可按照用户需求进行定制的物流服务产品，应用服务环节在所有环节中均处在核心的位置。物联网时代的“智能”物流应该是基于强大的骨干网络，智慧物流应该依托整个物流信息网络的海量数据处理和服务中心。3.1.2

智慧物流与物联网技术（1）加快信息标准建设，实现信息互融互通：

将供应链上所有成员的各个物流环节都紧密联系在一起，以此实现供应链一体化运作，这就需要建立统一的信息标准，才能消除跨部门、跨行业、跨企业之间的信息沟通障碍，为智慧物流的发展提供坚实的基础。（2）建立智慧物流云平台，提高信息集约化水平：

使生产、流通和消费实现无缝对接，从整体上有效降低物流成本，最大限度的进行了物流资源整合和优化，达到供应链一体化高效运作的目标，提高了物流专业服务能力。3.1.3我国智慧物流发展路径分析（3）构建智能末端体系，提升末端智能服务能力：借助智慧物流信息化平台，通过共同配送、无人机配送等智慧物流模式，达到末端物流配送集约化目的，解决最后一公里难题。（4）注重信息技术开发，提高企业竞争力：要充分利用GPS、GIS等先进物流技术准确快速及时的采集路况信息，并与道路交通系统有效对接，根据交通路况的实时变化，搭建合理的配送路线模型，为供应链上各环节的企业和用户，提供配送路径优化的高水平物流服务，进一步提高企业竞争力。3.1.3我国智慧物流发展路径分析（5）打造共享合作模式，优化社会物流资源：

与资源共享形式联系在一起的供应链上所有企业，不仅盘活了整个供应链条的物流资源，也增强了企业供应链的整体竞争能力。（6）多方协同培养人才，共筑智慧物流力量：

为了更好的培养智慧物流专业人才，国内各大专院校要积极与政府、企业、物流协会、社会培训机构共同协作，研究制定出适合我国现代物流发展的智慧物流人才培养模式，使高校能尽快培养出社会所需的真正物流人才，让物流教育与行业发展在人才建设上无缝对接。3.1.3我国智慧物流发展路径分析3.2二维码识别技术与RFID技术3.2.1概述

二维码是指在一维条码的基础上扩展出另一维具有可读性的条码，使用黑白矩形图案表示二进制数据，被设备扫描后可获取其中所包含的信息。一维条码的宽度记载着数据，而