物联网工程设计与系统仿真 课件 第2章 全感知的关键技术

第2章全感知的关键技术12了解一维条码的类型和特点了解二维码的类型、特点以及优势了解RFID技术的起源、发展历史及典型应用理解RFID系统的结构和工作流程了解传感器的分类、原理及常用传感器理解无线传感网的体系结构、网络特点了解无线传感网有关的重要标准化组织知识目标能够从操作和功能的角度对比一维条码和二维码能够阐述RFID系统的工作流程能够阐述物联网常用传感器的功能和应用能够分析无线传感网络的体系结构

能力目标培养从整体到局部、从概括到细节的认知习惯培养积极思考与勤于实践并重的意识培养独立学习与沟通协作的能力素质目标第2章全感知的关键技术目录CATALOG030102一维条码和二位码RFID传感器04无线传感器网络T第2章全感知的关键技术一维条码和二维码2.1条码（BarCode）是由一组规则排列的条、空所组成的符号，可供机器识读，用以表示信息。常见条码包括一维条码和二维码。一维条码一维条码只能容纳有限数量的字符。要想表示更多信息，则需要更长的一维条码。最常见的一维条码是在食品杂货和消费品上常见的EAN及UPC代码。一维条码的意义依赖于与数据库的连接：扫描器读取一维条码中的数字后，必须基于数据库资料将一维条码中的数字与产品、定价日期或其他信息联系起来。5一维条码用于商品一维条码技术静区静区也叫空白区，分为左空白区和右空白区，左空白区是让扫描设备做好扫描准备，右空白区是保证扫描设备正确识别条码的结束标记。1234起始字符第一位字符，具有特殊结构，当扫描器读取到该字符时，便开始正式读取代码。数据字符和校验字符条形码的数据内容；检验读取到的数据是否正确，不同编码规则可能会有不同的校验规则。终止字符最后一位字符，同样具有特殊结构，用于告知代码扫描完毕，同时还起到指示进行校验计算的作用。6现行产品条码体系：EAN条码和UCC条码中国目前主要使用的是EAN条码。EAN条码的标准版有13位标识数字，缩短版有8位标识数字。7信息容量受限：只能识别到类别，不能识别到单品。识读方式限制：光学识别。无法有效防伪。现行产品条码体系存在缺陷，并不适用于物联网“万物互联”的愿景二维码一维条码的应用大大提高了资料收集与资料处理的速度，但能承载的信息容量非常有限。因此，一维条码仅能标识商品，而不能描述商品，对商品详细信息的描述要依赖网络和数据库的支持，使用受到限制。为了存储更多的信息并表示更多的数据类型，人们提出了二维条码，又称二维码（2Dbarcode）。二维码使用图案、形状和点在水平和垂直两个方向实现信息的加密。8一维条码与二维码的维度比较二维码的发展9行排式二维码矩阵式二维码QR码：最早支持汉字的二维码10QR码符号示例二维码相对于一维条码在编码容量和纠错机制上有突出优势。相同面积的QR码是一维条码承载信息的几十倍，可以表示包括汉字、英文、数字、其他字符等在内的多种语言文字，可将图片、声音、文字、签字、指纹等不同类型的信息进行数字化编码。纠错级别纠错容量（近似值）L7%M15%Q25%H30%QR码的纠错能力二维码的生成11分为两个阶段。第一阶段完成原始数据的信息化处理，即信息预编码；第二阶段将数字、汉字、图像等数字信息按一定的规则映射到二维码的基本信息单元在原有信息的基础上增加信息冗余，通过一定的纠错码生成算法生成纠错码字，支持用户根据实际情况选择不同的纠错等级将表达数据信息流的码字流用相应的二维码符号进行表示。具体包括条码符号设计、码字排布等。二维码符号印制对反射率、对比度、模块大小以及分辨率等均有严格的要求一维条码vs二维码12应当了解一维条码和二维码在操作和功能上的支持和限制，以便根据应用场景的不同选择不同的条码，做出有关码型的最佳决策。操作：读取引擎类型不同一维条码用传统的激光扫描仪进行扫描，扫描距离是标准范围或远程。在扫描时，一维条码激光扫描仪在扫描角度上有很大限制。二维码成像仪可以从任何方向、长距离读取，可以解释损坏或印刷不良的条形码，极大地提升了工作效率。功能：应用场景很重要一维条码通常用于关联数据容易频繁更改的场景，例如商品定价或集装箱的内容。在可能没有数据库连接、空间有限以及需要大量数据的情况下，可使用具有更大信息容纳量和独立性的二维码。RFID2.2RFID射频识别技术是一种无线通信技术，它通过无线电信号识别特定目标并读写相关数据，无需识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触。RFID发展历史探索RFID技术的理论1941~1960年RFID技术的理论得到进一步发展1961~1970年RFID技术与产品研发处于高潮期1971~1980年RFID技术及产品进入商业应用阶段1981~1990年RFID应用得到丰富1991~2000年RFID产品种类更加丰富2000年至今RFID技术起源与发展射频识别在历史上的首次应用可以追溯到1940年，第二次世界大战期间，美国军方设计出射频识别技术，由英国空军安装在飞机上，用来分辨出是敌方飞机还是盟军飞机。盟军的飞机上装载有高耗电量的主动式卷标（射频卡的一种），当雷达发出询问的信号，这些卷标就会发出适当的响应信息，用来识别出该飞机是盟军而不是敌军。20世纪70年代末，美国政府开始将RFID技术从军用转向民用。15RFID技术起源与发展20世纪90年代是RFID发展史上最为重要的十年，电子收费系统在美国开始大量部署，在北美约共有3亿个RFID标签被安装在汽车尾部。1991年，世界第一个高速公路不停车收费系统在美国俄克拉荷马州投入使用。1992年，世界第一个电子收费和交通管理的集成系统在美国休斯敦投入使用。之后，人们开始意识到RFID技术的标准化问题。只有运行频率和通信协议等方面拥有统一标准，RFID技术才能在更广泛的领域得到应用。16RFID技术起源与发展20世纪90年代开始，受技术、成本及需求等多方面因素的刺激，RFID技术逐步进入规模化商用应用的前期阶段。以沃尔玛、宝洁等一批知名公司为代表的企业界及一些政府机构（如美国国防部）开始推进RFID应用，并要求他们的供应商也采用此项技术。EPCglobal、AIMGlobal、ISO/IEC、UID等多个全球性RFID标准化机构和技术联盟组织开始聚焦于RFID的标准化工作，试图在标签频率数据标准、传输和接口协议、网络运营和管理、行业应用等方面获得统一平台。17RFID系统的结构及工作流程18典型RFID系统构成存有识别目标个体信息（如电子编码）的RFID标签，由天线、耦合元件及芯片组成，每个标签附着于目标对象上，储存有和目标对象相关的信息RFID读写器，由天线、耦合元件、芯片组成，是读取（有时也支持写入）RFID标签信息的设备，通常有手持式和固定式服务器记录并处理识别目标信息RFID系统的结构及工作流程19RFID系统工作流程示意图第一步，RFID读写器通过发射天线发送一定频率的射频信号。第二步，当RFID标签进入RFID读写器天线工作区域时，其内置天线产生感应电流，RFID标签获得能量被激活。第三步，RFID标签将所储存有关识别目标的信息经过编码和调制，并通过内置天线发送出去。第四步，RFID读写器的天线接收到RFID标签发送来的载波信号，将其传送到RFID读写器。最后，RFID读写器对接收到的信号进行解调和解码，并送到后台计算机系统进行相关处理。传感器2.3传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并将感受到的信息按一定规律转换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。汽车上配备的常见传感器21汽车传感器：信息转换为电信号汽车在运行中，各系统会处于不同的工作状态，比如水温、油温、进气压力、车速、节气门位置、档位等等，汽车的电脑无法直接读取这些信息，由汽车传感器将状态信息转化为电脑能够识别的电信号。车载电脑：计算分析汽车运行中的光、电、温度、压力、时间等信息转化成电信号后输入车载电脑系统，由电脑中内部预先存储的程序进行计算分析，从而判断汽车的运行状态。汽车上的传感器非常多，多达几十个至上百个。传感器分类按被测量分包括力、压力、位移、速度、温度、湿度、流量、气体成分和离子浓度等1234按工艺分类为厚薄膜传感器、MEMS（微机电系统）传感器、纳米传感器等按传感对象分类分为心电传感器、呼吸传感器、脉搏传感器、血糖传感器、烟雾传感器、火焰传感器、气体传感器、水质传感器、风力传感器等22按工作机理分类分为结构型（空间型）和物性型（材料型）两大类。传感器构成及原理23敏感元件是传感器中能直接感受被测量的部分，其输出与被测量成确定关系的某一物理量（非电信号或电信号）。转换元件将敏感元件输出的非电量转换为电参量，便于传输和处理。转换电路将电参量转换成便于测量的电压、电流、频率等电信号。光敏传感器光敏传感器是利用光敏元件将光信号转换为电信号的传感器，它的敏感波长一般在可见光附近。光敏传感器并不只局限于对光的探测，还可以作为探测元件组成其他传感器，对那些能够转换为光信号变化的非电量的变化进行检测。光敏传感器广泛应用于以光控制为特征的物联网系统、自动控制系统及智能电子产品中。例如，屏幕智能感光调节、键盘智能节能、照相机自动补光、路灯及航标等的自动控制、光控灯、声光控开关、智能监控系统、防盗钱包等。24气敏传感器气敏传感器是一种检测特定气体的传感器，它可以感知环境中特定气体成分与浓度，并将这种非电信号转换为电信号。25气敏传感器广泛应用于一氧化碳、瓦斯、煤气、氟利昂、呼气中乙醇（酒精）等的检测霍尔传感器26霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器。在受检对象上人为设置磁场，利用霍尔效应检测这个磁场，就可以将力、力矩、压力、应力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、转数、转速以及工作状态发生变化的时间等非电、非磁的物理量转变为电量来进行检测和控制。在和物联网有关的应用中，常见的霍尔传感器有霍尔效应动感检测器、霍尔压力传感器、霍尔车用传感器、霍尔无损探伤传感器等。热红外人体感应器27是一种可探测人体存在的红外热释电感应器。无论人体移动还是静止，其感光元件可以产生极化压差，令感光电路发出有人的识别信号，实现探测移动或静止人体的功能。热红外人体感应器常用在建筑物的过道、楼梯、走廊等场所，实现自动控制照明以及防盗报警等功能。超声波测距离传感器超声波测距离传感器采用超声波回波测距原理检测传感器与目标物之间的距离，可用于智能驾驶、高速公路、智能停车、工业测井、自动控制、生产制造等场景下的液位检测、物位检测、距离测量等。28MEMS传感器29什么是MEMS传感器是采用微电子和微机械加工技术制造出来的新型传感器。MEMS技术是实现状态感知的核心关键技术，涉及电子、机械、材料、物理学、化学、生物学、医学等多种学科与技术，具有广阔的应用前景。已研制出的微型压力传感器、加速度传感器、微喷墨打印头、数字微镜显示器在内的几百种MEMS产品中，MEMS传感器占相当大的比例。MEMS传感器的特点体积小重量轻成本低功耗低可靠性高适于批量化生产易于集成和实现智能化在微米量级的特征尺寸使其可以实现某些传统机械传感器所不能实现的功能。MEMS传感器分类30MEMS传感器的典型应用31应用领域系统或产品用到的MEMS传感器消费电子手机、数码相机、手环、平板电脑、笔记本电脑等压力传感器、MEMS麦克风、加速度计、陀螺仪、惯性测量单元（IMU）、指纹识别传感器等汽车工业汽车的安全系统、制动防抱死系统（ABS）、发动机系统、动力系统等压力传感器、加速度计、陀螺仪、化学传感器、气体传感器、指纹识别传感器等航空航天、空间应用微型惯性导航系统、空间姿态测定系统、动力和推进系统、控制和监视系统和微型卫星等加速度计、陀螺仪、压力传感器、惯性测量单元（IMU）、磁力计、化学传感器等医疗保健临床化验、诊断和健康监测系统、灵巧药丸输送系统、心脏起搏器、计步器MEMS麦克风、生物传感器、压力传感器、集成加速度传感器、微流体传感器等机器人无人机姿态控制系统加速度计、陀螺仪、惯性测量单元（IMU）等工业控制、气象、环境、农业、矿山环境监测系统、农业物联网、设备生命周期管理（运输、安装、长期维护）压力、湿度、温度、生物、腐蚀、气体和气体流速、加速度计、MEMS麦克风等无线传感器网络2.4无线传感器网络（wirelesssensornetworks，WSN）是物联网感知层广泛采用的无线通信技术。无线传感器网络传统的移动通信网络主要满足人类用户的通信需求，在成本、功耗和灵活性方面并不适应物联网的低功耗、高异构的特点，不能很好地支撑来自物联网的海量机器通信需求。和传统无线通信网络主要服务人类用户通信需求相比，无线传感器网络所传输的信息内容通常是机器设备所捕获的有关物理世界的特征，如温度、压强、速度等，而不是人类用户的语音、消息、邮件等。33无线传感器网络体系结构34广义的无线传感网络体系结构无线传感网络节点结构无线传感器网络特点：多跳组网多跳网络35典型无线传感器节点外形无线传感器网络特点：自组织组网自组织网络：能够根据环境情况自动进行配置和管理，通过拓扑控制机制和