第2章-物联网感知与识别技术55课件.pptx

1、2022年11月10日星期四第第2章章_物联网感知与识物联网感知与识别技术别技术55第2章 物联网感知与识别技术2.1 2.1 物联网感知与识别技术概述物联网感知与识别技术概述 2.2 2.2 射频识别技术射频识别技术 2.2.1 RFID系统组成 2.2.2 典型RFID分类 2.2.3 RFID工作原理 2.2.4 RFID的典型应用 2.2.5 EPC产品电子代码2.3 2.3 传感器技术传感器技术 2.3.1 传感器的定义 2.3.2 传感器的分类 2.3.3 常见传感器简介2.4 2.4 无线传感器网络系统无线传感器网络系统 2.4.1 无线传感器网络简介 2.4.2 无线传感器网络

2、体系结构 2.4.3 无线传感器网络特性2.5 2.5 其其他他感知与识别技术感知与识别技术 2.5.1 二维码技术 2.5.2 红外感应技术 2.5.3 定位技术 2.5.4 其他技术2.6 2.6 本章小结本章小结本章主要内容2.1 物联网感知与识别技术概述 感知与识别技术主要实现如识别物体本身的存在，定位物体位置、物体移动情况等等，常采用的技术包括二维码技术、射频识别技术、GPS定位技术、红外感应技术、声音及视觉识别技术、生物特征识别技术等。2.1 物联网感知与识别技术概述 物联网的感知与识别技术实现物联网的信息采集，是物联网主要的数据来源，物联网的各种应用都是通过采集各类信息和数据来实

3、现的。本章主要对射频识别技术RFID、传感器技术、无线传感器网络技术、二维码技术、红外感应技术、定位技术等进行介绍。2.2 射频识别技术射频识别技术（Radio Frequency Identification，缩写RFID），是20世纪80年代发展起来的一种自动识别技术，它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，对静止或移动物体的自动识别。2.2 射频识别技术RFID技术具有防水、耐高温、使用寿命长、读取距离远、标签数据可以加密、存储数据容量大、存储信息可以随意修改、可以识别高速运动中的物体，可识别多个标签，可以在恶劣环境下工作等优点。2

4、.2 射频识别技术随着物联网概念的兴起，RFID在社会生产生活中的应用再一次推向了高潮。目前RFID应用范围越来越广，涉及商品防伪、国防军事、智能交通、电子门票、身份识别和一卡通等多个领域。2.2 射频识别技术2.2.1 RFID系统组成RFID 系统主要由电子标签、天线、读写器和主机组成 2.2 射频识别技术2.2.2 典型RFID分类按照标签的工作频率分类按照标签的工作频率分类有源电子标签又称主动标签（Active tag），标签的工作电源完全由内部电池供给，同时标签电池也给标签的无线发射和接收装置供电。2.2 射频识别技术2.2.2 典型RFID分类按照标签的工作频率分类按照标签的工作频

5、率分类半有源射频标签又称为半被动标签（Semi-passive tag），可以使用微型纽扣电池给芯片供电，而天线接收发射仍然通过阅读器发射的电磁波获取能量，因此本身耗电很少。2.2 射频识别技术2.2.2 典型RFID分类按照标签的工作频率分类按照标签的工作频率分类无源电子标签又称为被动标签（Passive tag），没有内部电池，当标签处在阅读器的读出范围之外时，电子标签处于无源状态，而在阅读器的读出范围之内时，电子标签从阅读器发出的射频能量中提取其工作所需的电源能量。2.2 射频识别技术2.2.2 典型RFID分类按照标签的工作频率分类按照标签的工作频率分类 低频段电子标签 30kHz30

6、0kHz 中高频段电子标签 3MHz30MHz 超高频与微波标签 433.92MHz，862(902)928MHz，2.45GHz，5.8GHz 2.2 射频识别技术2.2.3 RFID工作原理RFID的工作原理读写器通过发射天线发送一定频率的射频信号，当RFID进入发射天线工作区域时产生感应电流，标签获得能量被激活，将自身编码等信息通过内置发送天线发送出去，系统接收天线接收到标签发送来的载波信号，经天线调节器传送到读写器，读写器对接收的信号进行解调和解码然后送到后台主系统进行相关处理；主系统根据逻辑运算判断该标签的合法性，针对不同的设定做出相应的处理和控制，发出指令信号控制执行机构动作。2.

7、2 射频识别技术2.2.3 RFID工作原理标签和读写器通信的方式和能量感应方式有电感耦合和电磁反向散射耦合两种。电感耦合方式，也称磁耦合，一般适用于中低频的近距离RFID系统，这种近距离的电感耦合系统通过空间高频交变磁场实现耦合，依据的是电磁感应定律。电磁反向散射耦合采用雷达原理模型，读写器发射出去的电磁波碰到目标后一部分被目标吸收，一部分以不同的强度散射到各个方向，其中一小部分携带目标信息反射回发射天线，并被天线吸收（读写器的发射天线也是接收天线），对接收信号进行处理和放大，即可获得目标的相关信息。2.2 射频识别技术2.2.4 RFID的典型应用证件管理证件管理 从2004 年开始，采用

8、了RFID 技术的中国第二代居民身份证，在全国范围内开始换发，截至2008年，中国第二代身份证发行量已经达到9 亿多张，是迄今为止全球最大的RFID 应用项目。2.2 射频识别技术2.2.4 RFID的典型应用RFID电子门票电子门票 RFID 技术作为电子门票在中国已经广泛地应用于大型演出、公园、展览馆等方面。2008 年北京奥运会门票成功应用RFID 技术。另外为奥运会、残奥会开、闭幕式实名制查验及人员管理，为奥运会赛事管理、安全提供了有力的保障。2.2 射频识别技术2.2.4 RFID的典型应用高速公路自动收费及交通管理高速公路自动收费及交通管理 高速公路自动收费系统是RFID技术最成功

9、的应用之一。RFID技术应用在高速公路自动收费上能够充分体现了非接触识别的优势。让车辆高速通过收费站的同时自动完成收费。同时可以解决收费员贪污路费及交通拥堵的问题。2.2 射频识别技术2.2.4 RFID的典型应用门禁保安门禁保安门禁保安系统可采用射频卡，并且一卡可以多用，比如作工作证、出入证、停车卡、旅馆住宿卡甚至旅游护照等等，目的是帮助识别人员身份、安全管理、收费等，这样可以简化出入手续、提高工作效率。2.2 射频识别技术2.2.4 RFID的典型应用生产线自动化生产线自动化用RFID技术在生产流水线上可以实现自动控制、监视，提高生产率，改进生产方式、节约了成本。如用于汽车装配流水线，德国

10、宝马汽车公司在装配流水线上应用射频卡以尽可能大量地生产用户定制的汽车。2.2 射频识别技术2.2.4 RFID的典型应用防伪防伪将射频识别技术应用在防伪领域有它自身的技术优势。防伪技术本身成本低，但却很难伪造。射频卡的成本就相对便宜，而芯片的制造需要有昂贵的芯片工厂，使伪造者望而却步。射频卡本身具有内存，可以储存、修改与产品有关的数据、利于销售商使用；体积十分小、便于产品封装。2.2 射频识别技术2.2.5 EPC产品电子代码EPC的全称是Electronic Product Code，中文称为产品电子代码。EPC的载体是RFID电子标签，并借助互联网实现信息的传递。EPC旨在为每一件产品建立

11、全球的、开放的标识标准，实现全球范围内对单件产品的跟踪与追溯，从而有效提高供应链管理水平、降低物流成本。EPC是一个完整的、复杂的、综合的系统。2.2 射频识别技术2.2.5 EPC产品电子代码EPCglobal是一个非赢利性标准化组织，由EAN和UCC两大标准化组织联合成立，其主要职责是在全球范围内对各个行业建立和维护EPC网络，保证供应链各环节信息的自动、实时识别采用全球统一标准。2.3 传感器技术 传感器是一种检测装置，能够感受被测量信息，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

12、制的首要环节，是物联网应用中的信息来源。2.3 传感器技术 传感器技术在发展经济、推动社会进步方面的重要作用，是十分明显的。世界各国都十分重视这一领域的发展。在物联网应用中，传感器可以说是物联网的基石。2.3 传感器技术2.3.1 传感器的定义国家标准GB7665-87对传感器下的定义是：“能感受规定的被测量件并按照一定的规律（数学函数法则）转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。2.3 传感器技术2.3.1 传感器的定义“传感器”在新韦式大词典中定义为：从一个系统接受功率，通常以另一种形式将功率送到第二个系统中的器件。根据这个定义，传感器的作用是将一种能量转换成另一种能量

13、形式，所以不少学者也用“换能器（Transducer）”来称谓“传感器”。2.3 传感器技术2.3.2 传感器的分类按用途分类按用途分类压力敏和力敏传感器位置传感器液位传感器能耗传感器速度传感器加速度传感器射线辐射传感器热敏传感器等 2.3 传感器技术2.3.2 传感器的分类按原理分类按原理分类振动传感器湿敏传感器磁敏传感器气敏传感器真空度传感器生物传感器2.3 传感器技术2.3.2 传感器的分类按输出信号分类按输出信号分类模拟传感器数字传感器 膺数字传感器开关传感器2.3 传感器技术2.3.2 传感器的分类按其制造工艺分类按其制造工艺分类 集成传感器薄膜传感器 厚膜传感器 陶瓷传感器 2.3

14、 传感器技术2.3.2 传感器的分类按测量目的分类按测量目的分类 物理型传感器 化学型传感器 生物型传感器 2.3 传感器技术2.3.2 传感器的分类按其构成分类按其构成分类 基本型传感器 组合型传感器 应用型传感器 2.3 传感器技术2.3.2 传感器的分类按作用形式分类按作用形式分类 主动型传感器 被动型传感器 2.3 传感器技术2.3.3 常见传感器简介电阻式传感器电阻式传感器电阻式传感器是将被测量，如位移、形变、力、加速度、湿度、温度等这些物理量转换式成电阻值这样的一种器件。主要有电阻应变式、压阻式、热电阻、热敏、气敏、湿敏等电阻式传感器件。2.3 传感器技术2.3.3 常见传感器简介

15、称重传感器称重传感器称重传感器是一种能够将重力转变为电信号的力电转换装置，是电子衡器的一个关键部件。2.3 传感器技术2.3.3 常见传感器简介电阻应变式传感器电阻应变式传感器传感器中的电阻应变片具有金属的应变效应，即在外力作用下产生机械形变，从而使电阻值随之发生相应的变化。2.3 传感器技术2.3.3 常见传感器简介压阻式传感器压阻式传感器压阻式传感器是根据半导体材料的压阻效应在半导体材料的基片上经扩散电阻而制成的器件。其基片可直接作为测量传感元件，扩散电阻在基片内接成电桥形式。当基片受到外力作用而产生形变时，各电阻值将发生变化，电桥就会产生相应的不平衡输出2.3 传感器技术2.3.3 常见

16、传感器简介激光传感器激光传感器利用激光技术进行测量的传感器，它由激光器、激光检测器和测量电路组成。激光传感器是新型测量仪表，它的优点是能实现无接触远距离测量，速度快，精度高，量程大，抗光、电干扰能力强等。2.3 传感器技术2.3.3 常见传感器简介激光传感器工作原理激光传感器工作原理激光传感器工作时，先由激光发射二极管对准目标发射激光脉冲。经目标反射后激光向各方向散射。部分散射光返回到传感器接收器，被光学系统接收后成像到雪崩光电二极管上。雪崩光电二极管是一种内部具有放大功能的光学传感器，因此它能检测极其微弱的光信号，并将其转化为相应的电信号。2.3 传感器技术2.3.3 常见传感器简介 霍尔传

17、感器霍尔传感器 霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器，广泛地应用于工业自动化技术、检测技术及信息处理等方面，右图是一种霍尔传感器。霍尔效应是研究半导体材料性能的基本方法。通过霍尔效应实验测定的霍尔系数，能够判断半导体材料的导电类型、载流子浓度及载流子迁移率等重要参数。2.3 传感器技术2.3.3 常见传感器简介 霍尔传感器霍尔传感器 霍尔传感器分为线性型霍尔传感器和开关型霍尔传感器两种。其中，线性型霍尔传感器由霍尔元件、线性放大器和射极跟随器组成，它输出模拟量。开关型霍尔传感器由稳压器、霍尔元件、差分放大器，斯密特触发器和输出级组成，它输出数字量。2.4 无线传感器网络系统2.4.1

18、无线传感器网络简介无线传感器网络系统可以组成独立的感知控制系统，但由于其在物联网整个构建中位于信息获取的底层，其获取的信息可以汇总到更高层次进行处理后再反馈到应用中，因此本书将其放在物联网的感知与识别部分作介绍。2.4 无线传感器网络系统2.4.1 无线传感器网络简介无线传感器网络WSN（Wireless Sensor Networks）由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的、自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中被感知对象的信息，并发送给观察者。无线传感器网络源于美国军方对战场的监控与预警系统的研究，后来逐步迁移到民用研究。无

19、线传感器网络主要侧重于对目标、环境和物体状态的监测与控制。2.4 无线传感器网络系统2.4.2无线传感器网络体系结构传感网主要由无线节点、汇集节点和信息监测或管理中心等组成。2.4 无线传感器网络系统2.4.3 无线传感器网络特点1、节点能量有限。2、自组织性。3、多跳路由。4、大规模网络。5、动态性网络。6、可靠的网络。7、应用相关的网络。8、以数据为中心的网络。2.5 其他感知与识别技术二维码技术红外感应技术GPS定位技术声音及视觉识别技术生物特征识别技术 2.5 其他感知与识别技术2.5.1 二维码技术二维码在1994年起源于日本，它用某种特定的几何图形按一定规律在平面（二维方向上）分布

20、的黑白相间的图形记录数据符号信息。二维码的应用：二维条码具有储存量大、保密性高、追踪性高、抗损性强、备援性大、成本便宜等特性，这些特性特别适用于表单、安全保密、追踪、证照、存货盘点、资料备援等方面。2.5 其他感知与识别技术2.5.2 红外感应技术红外线是一种波长在750nm至1mm之间的电磁波，它的频率高于微波而低于可见光，是一种人的眼睛看不到的光线。任何物质，只要它本身具有一定的温度（高于绝对零度），都能辐射红外线。利用这种红外线的辐射，可以实现各种红外感应技术的应用，如搜索和跟踪红外目标，确定其空间位置并对它的运动进行跟踪，热成像系统可产生整个目标红外辐射的分布图像等。2.5 其他感知与

21、识别技术2.5.2 红外感应技术利用红外感知技术可以制作红外线传感器，测量时不与被测物体直接接触，因而不存在摩擦问题，并且有灵敏度高，响应快等优点。红外线传感器包括光学系统、检测元件和转换电路。2.5 其他感知与识别技术2.5.3 定位技术在物联网的许多应用中，需要知道物体的位置信息，特别是对于移动的物体，需要知道物体变化的位置信息。因此定位技术是物联网的重要技术之一。在物联网应用中定位技术很多，最为常用的是卫星定位 系 统，如 全 球 卫 星 定 位 系 统 G P S（G l o b a l Positioning System）和北斗卫星定位系统。2.5 其他感知与识别技术2.5.4 其

22、他技术其他感知技术其他感知技术声音及视觉识别技术生物特征识别技术 2.5 其他感知与识别技术2.5.4 其他技术声音及视觉识别技术即利用声音和视频实现感知与识别。比如智能视觉物联网利用各类图像获取传感器，包括监控摄像机、手机、数码相机等，获取人、车、物图像或视频，并采用智能分析技术对视觉信息进行处理，自动获取我们需要视频信息，实现各种具体的应用，如危险品的预警、犯罪分子的发现等。2.5 其他感知与识别技术2.5.4 其他技术 生物识别技术（Biometric Identification Technology）是指利用人体生物特征进行身份认证的一种技术。它通过计算机与光学、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和行为特征来进行个人身份的鉴定。2.6 本章小结本章主要介绍了物联网的各种感知与识别技术，包括射频识别RFID技术、各类传感器技术、无线传感器网络技术、二维码技术、红外感应技术、定位技术及其它常用感知与识别技术。感知与识别技术是物联网技术的一块基石，正是由于能够对物体进行感知与识别，才能对物体和环境进行控制和各种物联网应用。感知与识别位于smart things的最前端，而其准确性和智能性对物联网应用有着很大的影响。