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1、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論第二章授課教師:季順寧授課教師:季順寧感知技術(shù)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論2 2 感知技術(shù)感知技術(shù)2.1 2.1 嵌入式系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng) 2.22.2傳感器技術(shù)傳感器技術(shù) 2.32.3無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò) 2.4 RFID 2.4 RFID 2.5 2.5 條形碼技術(shù)條形碼技術(shù) 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論2.1 2.1 嵌入式系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)2.1.1 2.1.1 嵌入式系統(tǒng)的概念嵌入式系統(tǒng)的概念2.1.2 2.1.2 嵌入式系統(tǒng)的組成嵌入式系統(tǒng)的組成2.1.3 2.1.3 嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論2.1.1 2.1.1 嵌
2、入式系統(tǒng)的概念嵌入式系統(tǒng)的概念定義:定義: 以應(yīng)用為中心、以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)、軟件硬件可裁剪、適以應(yīng)用為中心、以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)、軟件硬件可裁剪、適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求的專(zhuān)應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求的專(zhuān)用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)?;疽鼗疽? 嵌入性:嵌入到對(duì)象體系中,有對(duì)象環(huán)境要求。嵌入式系統(tǒng)是嵌入性:嵌入到對(duì)象體系中,有對(duì)象環(huán)境要求。嵌入式系統(tǒng)是面向用戶(hù)、面向產(chǎn)品、面向應(yīng)用的。面向用戶(hù)、面向產(chǎn)品、面向應(yīng)用的。 計(jì)算機(jī):實(shí)現(xiàn)對(duì)象的智能化功能。嵌入式系統(tǒng)是將先進(jìn)的計(jì)算計(jì)算機(jī):實(shí)現(xiàn)對(duì)象的智能化功能。嵌入式系統(tǒng)是將先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、半導(dǎo)體
3、技術(shù)和電子技術(shù)和各個(gè)行業(yè)的具體應(yīng)用相結(jié)合機(jī)技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)和電子技術(shù)和各個(gè)行業(yè)的具體應(yīng)用相結(jié)合后的產(chǎn)物,這一點(diǎn)就決定了它必然是一個(gè)技術(shù)密集、資金密集、后的產(chǎn)物,這一點(diǎn)就決定了它必然是一個(gè)技術(shù)密集、資金密集、高度分散、不斷創(chuàng)新的知識(shí)集成系統(tǒng)。高度分散、不斷創(chuàng)新的知識(shí)集成系統(tǒng)。 專(zhuān)用性:軟、硬件按對(duì)象要求裁減。嵌入式系統(tǒng)必須根據(jù)應(yīng)用專(zhuān)用性:軟、硬件按對(duì)象要求裁減。嵌入式系統(tǒng)必須根據(jù)應(yīng)用需求對(duì)軟硬件進(jìn)行裁剪,滿(mǎn)足應(yīng)用系統(tǒng)的功能、可靠性、成本、需求對(duì)軟硬件進(jìn)行裁剪,滿(mǎn)足應(yīng)用系統(tǒng)的功能、可靠性、成本、體積等要求。體積等要求。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論物聯(lián)網(wǎng)對(duì)嵌入式系統(tǒng)的要求物聯(lián)網(wǎng)對(duì)嵌入式系統(tǒng)的要求:
4、嵌入式系統(tǒng)要協(xié)助滿(mǎn)足物聯(lián)網(wǎng)三要素,即信息采集、信息傳嵌入式系統(tǒng)要協(xié)助滿(mǎn)足物聯(lián)網(wǎng)三要素,即信息采集、信息傳遞、信息處理。遞、信息處理。 嵌入式系統(tǒng)要滿(mǎn)足智慧地球提出的嵌入式系統(tǒng)要滿(mǎn)足智慧地球提出的“3I”,即儀器化、互聯(lián)化、,即儀器化、互聯(lián)化、智能化(智能化(Instrumented、Interconnected、Intelligent)。)。 嵌入式系統(tǒng)要滿(mǎn)足信息融合物理系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)要滿(mǎn)足信息融合物理系統(tǒng)CPS 中的中的”3C”,即計(jì),即計(jì)算、通信和控制(算、通信和控制(Computation、Communication、Control)。)。嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn): 系統(tǒng)內(nèi)核小。
5、系統(tǒng)內(nèi)核小。 專(zhuān)用性強(qiáng)。專(zhuān)用性強(qiáng)。 系統(tǒng)精簡(jiǎn)。系統(tǒng)精簡(jiǎn)。 高實(shí)時(shí)性高實(shí)時(shí)性的系統(tǒng)軟件的系統(tǒng)軟件(OS)是是嵌入式軟件嵌入式軟件的基本要求。的基本要求。 嵌入式軟件開(kāi)嵌入式軟件開(kāi)發(fā)發(fā)要想走向標(biāo)準(zhǔn)化,就必須使用多任務(wù)的操作系統(tǒng)。要想走向標(biāo)準(zhǔn)化,就必須使用多任務(wù)的操作系統(tǒng)。 嵌入嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)需要開(kāi)發(fā)工具和環(huán)境。需要開(kāi)發(fā)工具和環(huán)境。 2.1.1 2.1.1 嵌入式系統(tǒng)的概念嵌入式系統(tǒng)的概念物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論2.1.2 2.1.2 嵌入式系統(tǒng)的組成嵌入式系統(tǒng)的組成嵌入式系統(tǒng)一般都由嵌入式系統(tǒng)一般都由嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和執(zhí)行裝置組成,如圖所示。和執(zhí)行裝置組成,如圖所示。
6、 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論2.1.3 2.1.3 嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用嵌入式系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域可以包括:嵌入式系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域可以包括: 1)工業(yè)控制)工業(yè)控制2)交通管理)交通管理3)信息家電)信息家電4)家庭智能管理系統(tǒng))家庭智能管理系統(tǒng)5)POS網(wǎng)絡(luò)及電子商務(wù)網(wǎng)絡(luò)及電子商務(wù)6)環(huán)境工程與自然)環(huán)境工程與自然7)機(jī)器人)機(jī)器人物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論2.22.2傳感器技術(shù)傳感器技術(shù) 2.2.1 2.2.1 傳感器的概念傳感器的概念2.2.2 2.2.2 傳感器的組成傳感器的組成2.2.3 2.2.3 傳感器的分類(lèi)傳感器的分類(lèi)2.2.4 2.2.4 常用傳感器常用傳感器物聯(lián)
7、網(wǎng)技術(shù)概論物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論2.2.1 2.2.1 傳感器的概念傳感器的概念定義:定義:能感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換能感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件和裝置,通常由敏感元件成可用輸出信號(hào)的器件和裝置,通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。和轉(zhuǎn)換元件組成。 傳感器是測(cè)量裝置,能完成檢測(cè)任務(wù)。傳感器是測(cè)量裝置,能完成檢測(cè)任務(wù)。 它的輸出量是某一被測(cè)量,可能是物理量,也可它的輸出量是某一被測(cè)量,可能是物理量,也可能是化學(xué)量、生物量等。能是化學(xué)量、生物量等。 它的輸出量是某種物理量,這種量要便于傳輸、它的輸出量是某種物理量,這種量要便于傳輸、轉(zhuǎn)換、處理、顯示等等,這種量可以是氣、
8、光、轉(zhuǎn)換、處理、顯示等等,這種量可以是氣、光、電量,但主要是電量。電量,但主要是電量。 輸出輸入有對(duì)應(yīng)關(guān)系,且應(yīng)有一定的精確程度。輸出輸入有對(duì)應(yīng)關(guān)系,且應(yīng)有一定的精確程度。 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論2.2.2 2.2.2 傳感器的組成傳感器的組成 傳感器是能感受規(guī)定的被測(cè)量,并按一定的規(guī)律性換傳感器是能感受規(guī)定的被測(cè)量,并按一定的規(guī)律性換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置,通常由敏感元件、轉(zhuǎn)換元成可用輸出信號(hào)的器件或裝置,通常由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和轉(zhuǎn)換電路組成,如圖所示。件和轉(zhuǎn)換電路組成,如圖所示。敏感元件:敏感元件:直接感受被測(cè)量,并輸出與被測(cè)量成確定關(guān)系的直接感受被測(cè)量,并輸出與被測(cè)量成確定關(guān)
9、系的物理量。能敏銳地感受某種物理、化學(xué)、生物的信息并將其物理量。能敏銳地感受某種物理、化學(xué)、生物的信息并將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦畔⒌奶胤N電子元件。轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦畔⒌奶胤N電子元件。 轉(zhuǎn)換元件:轉(zhuǎn)換元件:敏感元件的輸出就是它的輸入,摶換成電路參量。敏感元件的輸出就是它的輸入,摶換成電路參量。 轉(zhuǎn)換電路:轉(zhuǎn)換電路:上述電路參數(shù)接入基本轉(zhuǎn)換電路,便可轉(zhuǎn)換成電上述電路參數(shù)接入基本轉(zhuǎn)換電路,便可轉(zhuǎn)換成電量輸出。量輸出。 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論2.2.3 2.2.3 傳感器的分類(lèi)傳感器的分類(lèi)根據(jù)傳感器根據(jù)傳感器應(yīng)用原理應(yīng)用原理分:為物理傳感器和化學(xué)傳感器。分:為物理傳感器和化學(xué)傳感器。按照傳感器的按照傳感器的作用作
10、用分:壓力敏和力敏傳感器、位置傳感器、液面?zhèn)鞲衅?、能分:壓力敏和力敏傳感器、位置傳感器、液面?zhèn)鞲衅?、能耗傳感器、速度傳感器、加速度傳感器、射線(xiàn)輻射傳感器、熱敏傳感器等耗傳感器、速度傳感器、加速度傳感器、射線(xiàn)輻射傳感器、熱敏傳感器等 按照傳感器的按照傳感器的工作原理工作原理分:振動(dòng)傳感器、濕敏傳感器、磁敏傳感器、氣敏傳分:振動(dòng)傳感器、濕敏傳感器、磁敏傳感器、氣敏傳感器、真空傳感器、生物傳感器等。感器、真空傳感器、生物傳感器等。按按輸出信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)輸出信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)可以將傳感器分:模擬傳感器、數(shù)字傳感器、膺數(shù)字傳感器、可以將傳感器分:模擬傳感器、數(shù)字傳感器、膺數(shù)字傳感器、開(kāi)關(guān)傳感器。開(kāi)關(guān)傳感器。從所從所應(yīng)用
11、的材料應(yīng)用的材料傳感器分為:傳感器分為:按照其所用材料類(lèi)別來(lái)分:金屬、聚合物、陶瓷、混合物;按照其所用材料類(lèi)別來(lái)分:金屬、聚合物、陶瓷、混合物;按材料物理性質(zhì)來(lái)分:導(dǎo)體、絕緣體、半導(dǎo)體、磁性材料;按材料物理性質(zhì)來(lái)分:導(dǎo)體、絕緣體、半導(dǎo)體、磁性材料;按材料的晶體結(jié)構(gòu)來(lái)分:?jiǎn)尉А⒍嗑?、非晶材料。按材料的晶體結(jié)構(gòu)來(lái)分:?jiǎn)尉А⒍嗑?、非晶材料。按傳感器按傳感器制造工藝制造工藝可以分為:集成傳感器、薄膜傳感器、厚膜傳感器、陶瓷可以分為:集成傳感器、薄膜傳感器、厚膜傳感器、陶瓷傳感器等。傳感器等?物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論2.2.4 2.2.4 常用傳感器常用傳感器1)電阻應(yīng)變式傳感器)電阻應(yīng)變式傳感器
12、 電阻應(yīng)變式傳感器利用電阻應(yīng)變片將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻值電阻應(yīng)變式傳感器利用電阻應(yīng)變片將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻值變化的傳感器。應(yīng)變式傳感器的組成:彈性元件、應(yīng)變片、變化的傳感器。應(yīng)變式傳感器的組成:彈性元件、應(yīng)變片、附件(補(bǔ)償元件、保護(hù)罩等),其原理如圖所示。附件(補(bǔ)償元件、保護(hù)罩等),其原理如圖所示。 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論2.2.4 2.2.4 常用傳感器常用傳感器2)電容式傳感器)電容式傳感器 c=s/d電容式傳感器可分為電容式傳感器可分為變極距型變極距型、變面積變面積型型和和變介電常數(shù)變介電常數(shù)型三種型三種 變介質(zhì)式電容式傳感器變介質(zhì)式電容式傳感器 變面積式電容傳感器變面積式電容傳感器 變間隙
13、型電容傳感器變間隙型電容傳感器 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論2.2.4 2.2.4 常用傳感器常用傳感器3)電感式傳感器)電感式傳感器 電感式傳感器是基于電磁感應(yīng)原理,它把被測(cè)量轉(zhuǎn)化為電感電感式傳感器是基于電磁感應(yīng)原理,它把被測(cè)量轉(zhuǎn)化為電感量變化的一種裝置。按照轉(zhuǎn)換方式的不同可分為自感式(包量變化的一種裝置。按照轉(zhuǎn)換方式的不同可分為自感式(包括可變磁阻式與渦流式)和互感式(差動(dòng)變壓器式)兩種。括可變磁阻式與渦流式)和互感式(差動(dòng)變壓器式)兩種。 自感式電感傳感器自感式電感傳感器主要有變間隙型、變面積型和螺管型。由主要有變間隙型、變面積型和螺管型。由線(xiàn)圈、鐵芯和銜鐵三部分組成。鐵芯和銜鐵由導(dǎo)磁材
14、料制成。線(xiàn)圈、鐵芯和銜鐵三部分組成。鐵芯和銜鐵由導(dǎo)磁材料制成。 互感式傳感器互感式傳感器 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論2.2.4 2.2.4 常用傳感器常用傳感器4)熱電式傳感器)熱電式傳感器 熱電偶熱電偶 熱電偶作為溫度傳感器,測(cè)得與溫度相應(yīng)的熱電動(dòng)熱電偶作為溫度傳感器,測(cè)得與溫度相應(yīng)的熱電動(dòng)勢(shì),由儀表顯示出溫度值。它廣泛用來(lái)測(cè)量勢(shì),由儀表顯示出溫度值。它廣泛用來(lái)測(cè)量-2001300范圍內(nèi)的溫度,特殊情況下,可測(cè)至范圍內(nèi)的溫度,特殊情況下,可測(cè)至2800的高溫或的高溫或4K的低溫。它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,價(jià)格的低溫。它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,價(jià)格便宜,準(zhǔn)確度高,測(cè)溫范圍廣等特點(diǎn)。由于熱電偶便宜,準(zhǔn)確度高,測(cè)溫
15、范圍廣等特點(diǎn)。由于熱電偶將溫度轉(zhuǎn)化成電量進(jìn)行檢測(cè),使溫度的測(cè)量、控制、將溫度轉(zhuǎn)化成電量進(jìn)行檢測(cè),使溫度的測(cè)量、控制、以及對(duì)溫度信號(hào)的放大,變換都很方便,適用于遠(yuǎn)以及對(duì)溫度信號(hào)的放大,變換都很方便,適用于遠(yuǎn)距離測(cè)量和自動(dòng)控制。距離測(cè)量和自動(dòng)控制。 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論2.2.4 2.2.4 常用傳感器常用傳感器熱電阻式傳感器熱電阻式傳感器 電阻溫度計(jì)是利用導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻值隨溫度的變化電阻溫度計(jì)是利用導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻值隨溫度的變化來(lái)測(cè)量溫度的元件,它由熱電阻體(感溫元件),連接導(dǎo)線(xiàn)來(lái)測(cè)量溫度的元件,它由熱電阻體(感溫元件),連接導(dǎo)線(xiàn)和顯示或紀(jì)錄儀表構(gòu)成。習(xí)慣上將用作標(biāo)準(zhǔn)的熱電阻體稱(chēng)為
16、和顯示或紀(jì)錄儀表構(gòu)成。習(xí)慣上將用作標(biāo)準(zhǔn)的熱電阻體稱(chēng)為標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì),而將工作用的熱電阻體直接稱(chēng)為熱電阻。他們標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì),而將工作用的熱電阻體直接稱(chēng)為熱電阻。他們廣泛用來(lái)測(cè)量廣泛用來(lái)測(cè)量-200850范圍內(nèi)的溫度,少數(shù)情況下,低溫范圍內(nèi)的溫度,少數(shù)情況下,低溫可至可至1K,高溫可達(dá),高溫可達(dá)1000。在常用的電阻溫度計(jì)中,標(biāo)準(zhǔn)。在常用的電阻溫度計(jì)中,標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)的準(zhǔn)確度最高,并作為國(guó)際溫標(biāo)中鉑電阻溫度計(jì)的準(zhǔn)確度最高,并作為國(guó)際溫標(biāo)中961.78以以下內(nèi)插用標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)。同熱電偶相比,具有準(zhǔn)確度高,輸出下內(nèi)插用標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)。同熱電偶相比,具有準(zhǔn)確度高,輸出信號(hào)大,靈敏度高,測(cè)溫范圍廣,穩(wěn)定性好,輸出線(xiàn)
17、性好等信號(hào)大,靈敏度高,測(cè)溫范圍廣,穩(wěn)定性好,輸出線(xiàn)性好等特性;但結(jié)構(gòu)復(fù)雜,尺寸較大,因此熱相應(yīng)時(shí)間長(zhǎng),不適于特性;但結(jié)構(gòu)復(fù)雜,尺寸較大,因此熱相應(yīng)時(shí)間長(zhǎng),不適于測(cè)量體積狹小和溫度瞬變區(qū)域。測(cè)量體積狹小和溫度瞬變區(qū)域。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論2.2.4 2.2.4 常用傳感器常用傳感器5)霍爾傳感器)霍爾傳感器 霍爾傳感器是一種磁電式傳感器。它是利用霍霍爾傳感器是一種磁電式傳感器。它是利用霍爾元件基于霍爾效應(yīng)原理而將被測(cè)量轉(zhuǎn)換成電動(dòng)勢(shì)爾元件基于霍爾效應(yīng)原理而將被測(cè)量轉(zhuǎn)換成電動(dòng)勢(shì)輸出的一種傳感器。由于霍爾元件在靜止?fàn)顟B(tài)下,輸出的一種傳感器。由于霍爾元件在靜止?fàn)顟B(tài)下,具有感受磁場(chǎng)的獨(dú)特能力,并
18、且具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體具有感受磁場(chǎng)的獨(dú)特能力,并且具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、噪聲小、頻率范圍寬積小、噪聲小、頻率范圍寬(從直流到微波從直流到微波)、動(dòng)態(tài)、動(dòng)態(tài)范圍大范圍大(輸出電勢(shì)變化范圍可達(dá)輸出電勢(shì)變化范圍可達(dá)1000:1)、壽命長(zhǎng)等、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn),因此獲得了廣泛應(yīng)用。例如,在測(cè)量技術(shù)中特點(diǎn),因此獲得了廣泛應(yīng)用。例如,在測(cè)量技術(shù)中用于將位移、力、加速度等量轉(zhuǎn)換為電量的傳感器;用于將位移、力、加速度等量轉(zhuǎn)換為電量的傳感器;在計(jì)算技術(shù)中用于作加、減、乘、除、開(kāi)方、乘方在計(jì)算技術(shù)中用于作加、減、乘、除、開(kāi)方、乘方以及微積分等運(yùn)算的運(yùn)算器等。以及微積分等運(yùn)算的運(yùn)算器等。 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論2.2.
19、4 2.2.4 常用傳感器常用傳感器6)壓電式傳感器)壓電式傳感器 由壓電元件的工作原理可知,壓電式傳感由壓電元件的工作原理可知,壓電式傳感器可以看作一個(gè)電荷發(fā)生器。同時(shí),它也是一器可以看作一個(gè)電荷發(fā)生器。同時(shí),它也是一個(gè)電容器,晶體上聚集正負(fù)電荷的兩表面相當(dāng)個(gè)電容器,晶體上聚集正負(fù)電荷的兩表面相當(dāng)于電容的兩個(gè)極板,極板間物質(zhì)等效于一種介于電容的兩個(gè)極板,極板間物質(zhì)等效于一種介質(zhì),則其電容量為質(zhì),則其電容量為 。 壓電傳感器在實(shí)際使用時(shí)總要與測(cè)量?jī)x器壓電傳感器在實(shí)際使用時(shí)總要與測(cè)量?jī)x器或測(cè)量電路相連接或測(cè)量電路相連接, dACra0物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論2.2.4 2.2.4 常用傳感器
20、常用傳感器7)光纖傳感器)光纖傳感器 光導(dǎo)纖維簡(jiǎn)稱(chēng)光纖,它是一種特殊結(jié)構(gòu)的光光導(dǎo)纖維簡(jiǎn)稱(chēng)光纖,它是一種特殊結(jié)構(gòu)的光學(xué)纖維,由纖芯、包層和護(hù)層組成。光纖傳感器學(xué)纖維,由纖芯、包層和護(hù)層組成。光纖傳感器原理實(shí)際上是研究光在調(diào)制區(qū)內(nèi),外界信號(hào)(溫原理實(shí)際上是研究光在調(diào)制區(qū)內(nèi),外界信號(hào)(溫度、壓力、應(yīng)變、位移、度、壓力、應(yīng)變、位移、 振動(dòng)、電場(chǎng)等)與光的振動(dòng)、電場(chǎng)等)與光的相互作用,即研究光被外界參數(shù)的調(diào)制原理。相互作用,即研究光被外界參數(shù)的調(diào)制原理。 外外界信號(hào)可能引起光的強(qiáng)度、界信號(hào)可能引起光的強(qiáng)度、 波長(zhǎng)、頻率、相位、波長(zhǎng)、頻率、相位、偏振態(tài)等光學(xué)性質(zhì)的變化,從而形成不同的調(diào)制。偏振態(tài)等光學(xué)性質(zhì)
21、的變化,從而形成不同的調(diào)制。 光纖傳感器的主要特點(diǎn)有:抗電磁干擾,電光纖傳感器的主要特點(diǎn)有:抗電磁干擾,電絕緣,耐腐蝕。靈敏度高。重量輕、體積小、可絕緣,耐腐蝕。靈敏度高。重量輕、體積小、可彎曲。測(cè)量對(duì)象廣泛。對(duì)被測(cè)介質(zhì)影響小。彎曲。測(cè)量對(duì)象廣泛。對(duì)被測(cè)介質(zhì)影響小。 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論2.32.3無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò) 2.3.12.3.1無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展2.3.22.3.2無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)2.3.32.3.3無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論2.3.12.3.1無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)
22、絡(luò)的發(fā)展傳感器網(wǎng)絡(luò)傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)展階段發(fā)展階段時(shí)間時(shí)間主要特點(diǎn)主要特點(diǎn)第一代第一代20世紀(jì)世紀(jì)70年代年代點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸,具有簡(jiǎn)單信息獵、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸,具有簡(jiǎn)單信息獵、獲取能力獲取能力第二代第二代20世紀(jì)世紀(jì)80年代年代獲取多種信息的綜合能力獲取多種信息的綜合能力第三代第三代20世紀(jì)世紀(jì)90年代年代后期后期智能傳感器采用現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)連接智能傳感器采用現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)連接傳感器構(gòu)成局域網(wǎng)絡(luò)傳感器構(gòu)成局域網(wǎng)絡(luò)第四代第四代21世紀(jì)世紀(jì)至今至今以無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)為標(biāo)志,處以無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)為標(biāo)志,處于理論研究和應(yīng)用開(kāi)發(fā)階段于理論研究和應(yīng)用開(kāi)發(fā)階段物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論2.3.2無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)
23、1)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的組成)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的組成 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)是由體積小、成本低、具有無(wú)線(xiàn)通信和數(shù)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)是由體積小、成本低、具有無(wú)線(xiàn)通信和數(shù)據(jù)處理能力的傳感器節(jié)點(diǎn)組成的。傳感器節(jié)點(diǎn)一般由傳感器、處據(jù)處理能力的傳感器節(jié)點(diǎn)組成的。傳感器節(jié)點(diǎn)一般由傳感器、處理器、無(wú)線(xiàn)收發(fā)器和電源組成,有的還包括定位裝置和移動(dòng)裝置。理器、無(wú)線(xiàn)收發(fā)器和電源組成,有的還包括定位裝置和移動(dòng)裝置。 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)由許多密集分布的傳感器節(jié)點(diǎn)組成,每個(gè)節(jié)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)由許多密集分布的傳感器節(jié)點(diǎn)組成,每個(gè)節(jié)點(diǎn)的功能都是相同的,它們通過(guò)無(wú)線(xiàn)通訊的方式自適應(yīng)地組成一點(diǎn)的功能都是相同的,它們通過(guò)無(wú)線(xiàn)
24、通訊的方式自適應(yīng)地組成一個(gè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)。各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)將自己所探測(cè)到的有用信息,通過(guò)個(gè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)。各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)將自己所探測(cè)到的有用信息,通過(guò)多跳中轉(zhuǎn)的方式向指揮中心多跳中轉(zhuǎn)的方式向指揮中心(主機(jī)主機(jī))報(bào)告。傳感器節(jié)點(diǎn)配備有滿(mǎn)足報(bào)告。傳感器節(jié)點(diǎn)配備有滿(mǎn)足不同應(yīng)用需求的傳感器不同應(yīng)用需求的傳感器(如溫度傳感器、濕度傳感器、光照度傳如溫度傳感器、濕度傳感器、光照度傳感器、紅外線(xiàn)感應(yīng)器、位移傳感器、壓力傳感器等感器、紅外線(xiàn)感應(yīng)器、位移傳感器、壓力傳感器等)。其典型無(wú)。其典型無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖所示。線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖所示。 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論2)節(jié)點(diǎn)單元硬件總體結(jié)構(gòu))節(jié)點(diǎn)單元硬件總體結(jié)構(gòu) 無(wú)
25、線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)主要完成信息采集、數(shù)據(jù)處理以及無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)主要完成信息采集、數(shù)據(jù)處理以及數(shù)據(jù)回傳等功能,其硬件平臺(tái)主要包括微控制器、通信模塊、數(shù)據(jù)回傳等功能,其硬件平臺(tái)主要包括微控制器、通信模塊、傳感器和供電單元等幾部分。其節(jié)點(diǎn)硬件系統(tǒng)框圖如圖所示。傳感器和供電單元等幾部分。其節(jié)點(diǎn)硬件系統(tǒng)框圖如圖所示。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論微控制器單元是無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的核心微控制器單元是無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的核心部分,主要完成三部分的工作:第一是接收部分,主要完成三部分的工作:第一是接收來(lái)自傳感器的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和來(lái)自傳感器的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和計(jì)算并通過(guò)通信模塊發(fā)送出去。第二是
26、讀取計(jì)算并通過(guò)通信模塊發(fā)送出去。第二是讀取通信模塊接收到的數(shù)據(jù)及控制信息,進(jìn)行數(shù)通信模塊接收到的數(shù)據(jù)及控制信息,進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并對(duì)硬件平臺(tái)或控制目標(biāo)進(jìn)行控制。據(jù)處理并對(duì)硬件平臺(tái)或控制目標(biāo)進(jìn)行控制。第三是通信協(xié)議處理,完成無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)第三是通信協(xié)議處理,完成無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)通信過(guò)程中的通信過(guò)程中的MAC、路由協(xié)議處理等。、路由協(xié)議處理等。 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論 通信功能是傳感器節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)的必備功能,它使得獨(dú)立的傳通信功能是傳感器節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)的必備功能,它使得獨(dú)立的傳感器節(jié)點(diǎn)之間可以相互連接,并能借助多跳將數(shù)據(jù)回傳到匯感器節(jié)點(diǎn)之間可以相互連接,并能借助多跳將數(shù)據(jù)回傳到匯聚節(jié)點(diǎn)。在進(jìn)行通信模塊硬件設(shè)
27、計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮通信模塊的聚節(jié)點(diǎn)。在進(jìn)行通信模塊硬件設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮通信模塊的處理能力和數(shù)據(jù)傳輸時(shí)的能耗,在滿(mǎn)足通信功能的情況下盡處理能力和數(shù)據(jù)傳輸時(shí)的能耗,在滿(mǎn)足通信功能的情況下盡可能地降低通信能耗,延長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)工作時(shí)間。傳感器網(wǎng)絡(luò)中??赡艿亟档屯ㄐ拍芎?,延長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)工作時(shí)間。傳感器網(wǎng)絡(luò)中常用的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)比較如表所示。用的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)比較如表所示。 無(wú)線(xiàn)技術(shù)無(wú)線(xiàn)技術(shù)頻率頻率距離距離/m功耗功耗傳輸速率傳輸速率/kbpsBluetooth2.4GHz10低低10000802.1b2.4GHZ100高高11000ZigBee2.4GHz10-75低低250IrDA紅外紅外1低低16000UWB3.1-1
28、0.6GHz10低低100000物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論 傳感器模塊是無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中負(fù)責(zé)采集傳感器模塊是無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中負(fù)責(zé)采集監(jiān)測(cè)環(huán)境或?qū)ο蟮南嚓P(guān)信息的單元,與具監(jiān)測(cè)環(huán)境或?qū)ο蟮南嚓P(guān)信息的單元,與具體的應(yīng)用需要緊密關(guān)聯(lián),不同的應(yīng)用所涉體的應(yīng)用需要緊密關(guān)聯(lián),不同的應(yīng)用所涉及到的監(jiān)測(cè)信息也不相同。常用的傳感器及到的監(jiān)測(cè)信息也不相同。常用的傳感器模塊有溫度傳感器、濕度傳感器、震動(dòng)傳模塊有溫度傳感器、濕度傳感器、震動(dòng)傳感器、磁場(chǎng)傳感器、光照度傳感器、氣壓感器、磁場(chǎng)傳感器、光照度傳感器、氣壓傳感器等。傳感器等。 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論 供電單元是無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量來(lái)源,供電單元是無(wú)線(xiàn)傳感
29、器網(wǎng)絡(luò)的能量來(lái)源,供電技術(shù)的好壞決定了網(wǎng)絡(luò)工作時(shí)間的長(zhǎng)供電技術(shù)的好壞決定了網(wǎng)絡(luò)工作時(shí)間的長(zhǎng)短和系統(tǒng)運(yùn)行成本。在供電單元的選擇上短和系統(tǒng)運(yùn)行成本。在供電單元的選擇上主要有高能量電池、燃料電池和能量轉(zhuǎn)換主要有高能量電池、燃料電池和能量轉(zhuǎn)換電池等幾種。但是當(dāng)傳感節(jié)點(diǎn)放置在室內(nèi)電池等幾種。但是當(dāng)傳感節(jié)點(diǎn)放置在室內(nèi)固定位置時(shí),可以采用交流供電,此時(shí)節(jié)固定位置時(shí),可以采用交流供電,此時(shí)節(jié)點(diǎn)功耗問(wèn)題并不會(huì)影響系統(tǒng)成本和節(jié)點(diǎn)使點(diǎn)功耗問(wèn)題并不會(huì)影響系統(tǒng)成本和節(jié)點(diǎn)使用壽命。用壽命。 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論3)節(jié)點(diǎn)軟件程序設(shè)計(jì))節(jié)點(diǎn)軟件程序設(shè)計(jì) TinyOS操作系統(tǒng)操作系統(tǒng) TinyOS是由加州大學(xué)伯克利分校
30、專(zhuān)門(mén)是由加州大學(xué)伯克利分校專(zhuān)門(mén)針對(duì)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)開(kāi)發(fā)的專(zhuān)業(yè)嵌入式操針對(duì)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)開(kāi)發(fā)的專(zhuān)業(yè)嵌入式操作系統(tǒng),它以其組件化編程,事件驅(qū)動(dòng)的作系統(tǒng),它以其組件化編程,事件驅(qū)動(dòng)的執(zhí)行模型,微型的內(nèi)核以及良好的可移植執(zhí)行模型,微型的內(nèi)核以及良好的可移植性等特點(diǎn)受到廣大性等特點(diǎn)受到廣大WSN應(yīng)用開(kāi)發(fā)研究人員應(yīng)用開(kāi)發(fā)研究人員的歡迎,是目前的歡迎,是目前WSN領(lǐng)域主流的操作系統(tǒng)。領(lǐng)域主流的操作系統(tǒng)。 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論TinyOS的結(jié)構(gòu)圖如圖所示的結(jié)構(gòu)圖如圖所示: 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論TimyOS開(kāi)發(fā)環(huán)境結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)環(huán)境結(jié)構(gòu) 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論 2.3.3無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用無(wú)線(xiàn)傳
31、感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用 1)軍事領(lǐng)域應(yīng)用)軍事領(lǐng)域應(yīng)用 在軍事應(yīng)用領(lǐng)域,利用無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠在軍事應(yīng)用領(lǐng)域,利用無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崿F(xiàn)監(jiān)測(cè)敵軍區(qū)域內(nèi)的兵力和裝備、實(shí)時(shí)監(jiān)視戰(zhàn)實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)敵軍區(qū)域內(nèi)的兵力和裝備、實(shí)時(shí)監(jiān)視戰(zhàn)場(chǎng)狀況、定位目標(biāo)物、監(jiān)測(cè)核攻擊或者生物化學(xué)場(chǎng)狀況、定位目標(biāo)物、監(jiān)測(cè)核攻擊或者生物化學(xué)攻擊等。信息化戰(zhàn)爭(zhēng)中,戰(zhàn)場(chǎng)信息的及時(shí)獲取和攻擊等。信息化戰(zhàn)爭(zhēng)中,戰(zhàn)場(chǎng)信息的及時(shí)獲取和反應(yīng)對(duì)于整個(gè)戰(zhàn)局的影響至關(guān)重要。由于反應(yīng)對(duì)于整個(gè)戰(zhàn)局的影響至關(guān)重要。由于WSN具具有生存能力強(qiáng)、探測(cè)精度高、成本低等特點(diǎn),非有生存能力強(qiáng)、探測(cè)精度高、成本低等特點(diǎn),非常適合應(yīng)用于惡劣的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中,執(zhí)行戰(zhàn)場(chǎng)偵查常適合應(yīng)用于惡劣
32、的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中,執(zhí)行戰(zhàn)場(chǎng)偵查與監(jiān)控、目標(biāo)定位、戰(zhàn)爭(zhēng)效能評(píng)估、核生化監(jiān)測(cè)與監(jiān)控、目標(biāo)定位、戰(zhàn)爭(zhēng)效能評(píng)估、核生化監(jiān)測(cè)以及國(guó)土安全保護(hù)、邊境監(jiān)視等任務(wù)以及國(guó)土安全保護(hù)、邊境監(jiān)視等任務(wù)。 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論2)環(huán)境監(jiān)測(cè)應(yīng)用)環(huán)境監(jiān)測(cè)應(yīng)用 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè),能夠無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè),能夠完成傳統(tǒng)系統(tǒng)無(wú)法完成的任務(wù)。環(huán)境監(jiān)測(cè)完成傳統(tǒng)系統(tǒng)無(wú)法完成的任務(wù)。環(huán)境監(jiān)測(cè)應(yīng)用領(lǐng)域包括:植物生長(zhǎng)環(huán)境、動(dòng)物的活應(yīng)用領(lǐng)域包括:植物生長(zhǎng)環(huán)境、動(dòng)物的活動(dòng)環(huán)境、生化監(jiān)測(cè)、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)、森林動(dòng)環(huán)境、生化監(jiān)測(cè)、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)、森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)、洪水監(jiān)測(cè)等。火災(zāi)監(jiān)測(cè)、洪水監(jiān)測(cè)等。 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論3)
33、建筑結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè))建筑結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè) 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)用于監(jiān)測(cè)建筑物的健無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)用于監(jiān)測(cè)建筑物的健康狀況,不僅成本低廉,而且能解決傳統(tǒng)康狀況,不僅成本低廉,而且能解決傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)布線(xiàn)復(fù)雜、線(xiàn)路老化、易受損壞等問(wèn)監(jiān)測(cè)布線(xiàn)復(fù)雜、線(xiàn)路老化、易受損壞等問(wèn)題。題。 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論4)醫(yī)療衛(wèi)生應(yīng)用)醫(yī)療衛(wèi)生應(yīng)用 加利福尼亞大學(xué)提出了基于無(wú)線(xiàn)傳感器加利福尼亞大學(xué)提出了基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的人體健康監(jiān)測(cè)平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)的人體健康監(jiān)測(cè)平臺(tái)CustMed,采用,采用可佩戴的傳感器節(jié)點(diǎn),傳感器類(lèi)型包括壓可佩戴的傳感器節(jié)點(diǎn),傳感器類(lèi)型包括壓力、皮膚反應(yīng)、伸縮、壓電薄膜傳感器、力、皮膚反應(yīng)、伸縮、壓電薄膜傳感器、溫度傳感器等
34、。節(jié)點(diǎn)采用加州大學(xué)伯克利溫度傳感器等。節(jié)點(diǎn)采用加州大學(xué)伯克利分校研制、分校研制、Crossbow公司生產(chǎn)的公司生產(chǎn)的dot-mote節(jié)點(diǎn),通過(guò)放在口袋里的節(jié)點(diǎn),通過(guò)放在口袋里的PC機(jī)可以方機(jī)可以方便直觀(guān)地查看人體當(dāng)前的情況。便直觀(guān)地查看人體當(dāng)前的情況。 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論5)智能交通應(yīng)用)智能交通應(yīng)用如圖為某市重點(diǎn)科技研發(fā)計(jì)劃中的智能交通監(jiān)測(cè)系統(tǒng),采用聲音、如圖為某市重點(diǎn)科技研發(fā)計(jì)劃中的智能交通監(jiān)測(cè)系統(tǒng),采用聲音、圖像、視頻、溫度、濕度等傳感器,節(jié)點(diǎn)部署于十字路口周?chē)?,圖像、視頻、溫度、濕度等傳感器,節(jié)點(diǎn)部署于十字路口周?chē)渴鹩谲?chē)輛上的節(jié)點(diǎn)還包括部署于車(chē)輛上的節(jié)點(diǎn)還包括GPS全球定
35、位設(shè)備。重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)了系全球定位設(shè)備。重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)了系統(tǒng)的安全性問(wèn)題,包括耗能、網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)安全、網(wǎng)絡(luò)規(guī)模、數(shù)據(jù)統(tǒng)的安全性問(wèn)題,包括耗能、網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)安全、網(wǎng)絡(luò)規(guī)模、數(shù)據(jù)管理融合、數(shù)據(jù)傳輸模式等。管理融合、數(shù)據(jù)傳輸模式等。 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論2.4 RFID2.4 RFID 2.4.1 RFID2.4.1 RFID系統(tǒng)組成系統(tǒng)組成2.4.2 RFID2.4.2 RFID工作原理工作原理2.4.3 RFIO2.4.3 RFIO系統(tǒng)的分類(lèi)系統(tǒng)的分類(lèi)2.4.4 RFID2.4.4 RFID的應(yīng)用的應(yīng)用 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論2.4.1 RFID系統(tǒng)組成系統(tǒng)組成 最基本的最基本的RFID系統(tǒng)由三部分組
36、成:電子標(biāo)簽系統(tǒng)由三部分組成:電子標(biāo)簽(Tag) 、閱讀器、天線(xiàn)。、閱讀器、天線(xiàn)。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論1) 電子標(biāo)簽電子標(biāo)簽 在在RFID系統(tǒng)中,電子標(biāo)簽相當(dāng)于條碼技術(shù)中的條碼符號(hào),用來(lái)系統(tǒng)中,電子標(biāo)簽相當(dāng)于條碼技術(shù)中的條碼符號(hào),用來(lái)存儲(chǔ)需要識(shí)別傳輸?shù)男畔?,是射頻識(shí)別系統(tǒng)真正的數(shù)據(jù)載體。存儲(chǔ)需要識(shí)別傳輸?shù)男畔?,是射頻識(shí)別系統(tǒng)真正的數(shù)據(jù)載體。 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論 天線(xiàn)天線(xiàn):用來(lái)接收由閱讀器送來(lái)的信號(hào),并把所要求的:用來(lái)接收由閱讀器送來(lái)的信號(hào),并把所要求的數(shù)據(jù)送回閱讀器。數(shù)據(jù)送回閱讀器。 電壓調(diào)節(jié)器:把由閱讀器送來(lái)的射頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成直流電壓調(diào)節(jié)器:把由閱讀器送來(lái)的射頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成直流
37、電壓,并經(jīng)大電容儲(chǔ)存能量,再經(jīng)穩(wěn)壓電路以提供穩(wěn)電壓,并經(jīng)大電容儲(chǔ)存能量,再經(jīng)穩(wěn)壓電路以提供穩(wěn)定的電源。定的電源。 射頻收發(fā)模塊射頻收發(fā)模塊:包括調(diào)制器和解調(diào)器。調(diào)制器:包括調(diào)制器和解調(diào)器。調(diào)制器:邏輯邏輯控制模塊送出的數(shù)據(jù)經(jīng)調(diào)制電路調(diào)制后,加載到天線(xiàn)控制模塊送出的數(shù)據(jù)經(jīng)調(diào)制電路調(diào)制后,加載到天線(xiàn)送給閱讀器:解調(diào)器送給閱讀器:解調(diào)器:把載波去除以取出真正的調(diào)制信把載波去除以取出真正的調(diào)制信號(hào)。號(hào)。 邏輯控制模塊邏輯控制模塊:用來(lái)譯碼閱讀器送來(lái)的信號(hào),并依其:用來(lái)譯碼閱讀器送來(lái)的信號(hào),并依其要求送回?cái)?shù)據(jù)給閱讀器。要求送回?cái)?shù)據(jù)給閱讀器。 存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器:包括:包括E2PROM和和ROM,作為系統(tǒng)運(yùn)行及
38、存,作為系統(tǒng)運(yùn)行及存放識(shí)別數(shù)據(jù)的空間。放識(shí)別數(shù)據(jù)的空間。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論 RFID系統(tǒng)中,系統(tǒng)中,電子標(biāo)簽的電子標(biāo)簽的工作流程圖工作流程圖如圖所示如圖所示 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論2)閱讀器)閱讀器(Reader) 閱讀器即對(duì)應(yīng)于電子標(biāo)簽讀寫(xiě)設(shè)備,在閱讀器即對(duì)應(yīng)于電子標(biāo)簽讀寫(xiě)設(shè)備,在RFID系統(tǒng)中系統(tǒng)中扮演著重要的角色,主要負(fù)責(zé)與電子標(biāo)簽的雙向通信,同扮演著重要的角色,主要負(fù)責(zé)與電子標(biāo)簽的雙向通信,同時(shí)接受來(lái)自主機(jī)系統(tǒng)的控制命令。時(shí)接受來(lái)自主機(jī)系統(tǒng)的控制命令。 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論 RFID系系統(tǒng)中,統(tǒng)中,閱讀器閱讀器的工作的工作流程圖流程圖如圖所如圖所示。示。 物聯(lián)網(wǎng)
39、技術(shù)概論物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論3)天線(xiàn))天線(xiàn) 天線(xiàn)在標(biāo)簽和閱讀器間傳遞射頻信號(hào),天線(xiàn)在標(biāo)簽和閱讀器間傳遞射頻信號(hào),是標(biāo)簽與閱讀器之間傳輸數(shù)據(jù)的發(fā)射、接是標(biāo)簽與閱讀器之間傳輸數(shù)據(jù)的發(fā)射、接收裝置。天線(xiàn)的目標(biāo)就是傳輸最大的能量收裝置。天線(xiàn)的目標(biāo)就是傳輸最大的能量進(jìn)出標(biāo)簽芯片。在實(shí)際應(yīng)用中,除了系統(tǒng)進(jìn)出標(biāo)簽芯片。在實(shí)際應(yīng)用中,除了系統(tǒng)功率,天線(xiàn)的形狀和相對(duì)位置也會(huì)影響數(shù)功率,天線(xiàn)的形狀和相對(duì)位置也會(huì)影響數(shù)據(jù)的發(fā)射和接收,需要專(zhuān)業(yè)人員對(duì)系統(tǒng)的據(jù)的發(fā)射和接收,需要專(zhuān)業(yè)人員對(duì)系統(tǒng)的天線(xiàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)、安裝。天線(xiàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)、安裝。 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論 2.4.2 RFID工作原理工作原理 RFID系統(tǒng)的工作原理如
40、下:閱讀器將要發(fā)送的信息,經(jīng)編碼后加載系統(tǒng)的工作原理如下:閱讀器將要發(fā)送的信息,經(jīng)編碼后加載在某一頻率的載波信號(hào)上經(jīng)天線(xiàn)向外發(fā)送,進(jìn)入閱讀器工作區(qū)域的電子標(biāo)在某一頻率的載波信號(hào)上經(jīng)天線(xiàn)向外發(fā)送,進(jìn)入閱讀器工作區(qū)域的電子標(biāo)簽接收此脈沖信號(hào),卡內(nèi)芯片中的有關(guān)電路對(duì)此信號(hào)進(jìn)行調(diào)制、解碼、解簽接收此脈沖信號(hào),卡內(nèi)芯片中的有關(guān)電路對(duì)此信號(hào)進(jìn)行調(diào)制、解碼、解密,然后對(duì)命令請(qǐng)求、密碼、權(quán)限等進(jìn)行判斷。若為讀命令,邏輯控制模密,然后對(duì)命令請(qǐng)求、密碼、權(quán)限等進(jìn)行判斷。若為讀命令,邏輯控制模塊則從存儲(chǔ)器中讀取有關(guān)信息,經(jīng)加密、編碼、調(diào)制后通過(guò)卡內(nèi)天線(xiàn)再發(fā)塊則從存儲(chǔ)器中讀取有關(guān)信息,經(jīng)加密、編碼、調(diào)制后通過(guò)卡內(nèi)天線(xiàn)
41、再發(fā)送給閱讀器,閱讀器對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)、解碼、解密后送至中央信送給閱讀器,閱讀器對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)、解碼、解密后送至中央信息系統(tǒng)進(jìn)行有關(guān)數(shù)據(jù)處理,若為修改信息的寫(xiě)命令,有關(guān)邏輯控制引起的息系統(tǒng)進(jìn)行有關(guān)數(shù)據(jù)處理,若為修改信息的寫(xiě)命令,有關(guān)邏輯控制引起的內(nèi)部電荷泵提升工作電壓,提供擦寫(xiě)內(nèi)部電荷泵提升工作電壓,提供擦寫(xiě)EEPROM中的內(nèi)容進(jìn)行改寫(xiě),若經(jīng)判中的內(nèi)容進(jìn)行改寫(xiě),若經(jīng)判斷其對(duì)應(yīng)的密碼和權(quán)限不符,則返回出錯(cuò)信息。斷其對(duì)應(yīng)的密碼和權(quán)限不符,則返回出錯(cuò)信息。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論1)電感耦合系統(tǒng)工作原理)電感耦合系統(tǒng)工作原理 電感藕合電感藕合RFID系統(tǒng)屬于近距離識(shí)別系統(tǒng),識(shí)別距離
42、一般在系統(tǒng)屬于近距離識(shí)別系統(tǒng),識(shí)別距離一般在1米以下。米以下。 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論2)電磁反向散射系統(tǒng)工作原理)電磁反向散射系統(tǒng)工作原理 電磁反向散射電磁反向散射RFID系統(tǒng)屬于遠(yuǎn)距離識(shí)別系統(tǒng),識(shí)別距離一般在系統(tǒng)屬于遠(yuǎn)距離識(shí)別系統(tǒng),識(shí)別距離一般在1米以上。米以上。 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論3)數(shù)據(jù)傳輸)數(shù)據(jù)傳輸 射頻識(shí)別系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)傳輸包含兩個(gè)方面的含義:一是射頻識(shí)別系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)傳輸包含兩個(gè)方面的含義:一是從閱讀器向電子標(biāo)簽方向的數(shù)據(jù)傳輸;二是從電子標(biāo)簽到閱從閱讀器向電子標(biāo)簽方向的數(shù)據(jù)傳輸;二是從電子標(biāo)簽到閱讀器方向的數(shù)據(jù)傳輸。讀器方向的數(shù)據(jù)傳輸。 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論3
43、)全雙工和半雙工)全雙工和半雙工 閱讀器和電子標(biāo)簽之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,通常有閱讀器和電子標(biāo)簽之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,通常有全雙工和半雙工兩種方法。全雙工和半雙工兩種方法。 (a) 全雙工法全雙工法(FDX):數(shù)據(jù)在電子標(biāo)簽與閱讀器之間的:數(shù)據(jù)在電子標(biāo)簽與閱讀器之間的雙向傳輸是同時(shí)進(jìn)行的,其中電子標(biāo)簽發(fā)送數(shù)據(jù)采雙向傳輸是同時(shí)進(jìn)行的,其中電子標(biāo)簽發(fā)送數(shù)據(jù)采用用“分諧法分諧法”,即發(fā)送頻率是閱讀器的幾分之一,即發(fā)送頻率是閱讀器的幾分之一,或是用一種完全獨(dú)立的或是用一種完全獨(dú)立的“非諧波非諧波”頻率。頻率。(b) 半雙工法半雙工法(HDX):從閱讀簽到電子標(biāo)簽的數(shù)據(jù)傳輸:從閱讀簽到電子標(biāo)簽的數(shù)據(jù)傳輸和從電子標(biāo)
44、簽到閱讀器的數(shù)據(jù)傳輸是交替進(jìn)行的,和從電子標(biāo)簽到閱讀器的數(shù)據(jù)傳輸是交替進(jìn)行的,當(dāng)工作頻率低于當(dāng)工作頻率低于300KHz時(shí),常采用這種方法,有沒(méi)時(shí),常采用這種方法,有沒(méi)有副載波也無(wú)所謂,電路一般也很簡(jiǎn)單。有副載波也無(wú)所謂,電路一般也很簡(jiǎn)單。 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論4)時(shí)序)時(shí)序 時(shí)序是數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)方式。對(duì)于雙向系統(tǒng)時(shí)序是數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)方式。對(duì)于雙向系統(tǒng)(閱讀器向電子標(biāo)簽發(fā)送命令與數(shù)據(jù)、電子標(biāo)簽向閱讀器向電子標(biāo)簽發(fā)送命令與數(shù)據(jù)、電子標(biāo)簽向閱讀器返回所存貯的數(shù)據(jù)閱讀器返回所存貯的數(shù)據(jù))來(lái)說(shuō),閱讀器一般處于來(lái)說(shuō),閱讀器一般處于主動(dòng)狀態(tài),即閱讀器發(fā)出詢(xún)問(wèn)后,電子標(biāo)簽予以主動(dòng)狀態(tài),即閱讀器發(fā)出詢(xún)問(wèn)
45、后,電子標(biāo)簽予以應(yīng)答,稱(chēng)這種方式為閱讀器先講方式。另外一種應(yīng)答,稱(chēng)這種方式為閱讀器先講方式。另外一種情況是電子標(biāo)簽先講方式,即電子標(biāo)簽滿(mǎn)足工作情況是電子標(biāo)簽先講方式,即電子標(biāo)簽滿(mǎn)足工作條件后,首先自報(bào)家門(mén),閱讀器根據(jù)電子標(biāo)簽的條件后,首先自報(bào)家門(mén),閱讀器根據(jù)電子標(biāo)簽的自報(bào)家門(mén),進(jìn)行記錄或進(jìn)一步發(fā)出一些詢(xún)問(wèn)信息自報(bào)家門(mén),進(jìn)行記錄或進(jìn)一步發(fā)出一些詢(xún)問(wèn)信息與電子標(biāo)簽構(gòu)成一個(gè)完整對(duì)話(huà)達(dá)成閱讀器對(duì)電子與電子標(biāo)簽構(gòu)成一個(gè)完整對(duì)話(huà)達(dá)成閱讀器對(duì)電子標(biāo)簽進(jìn)行識(shí)別的目的。標(biāo)簽進(jìn)行識(shí)別的目的。 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論5)能量)能量 能量是時(shí)序得以實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。閱讀器向電子能量是時(shí)序得以實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。閱讀器向電子標(biāo)
46、簽供給射頻能量。對(duì)于無(wú)源標(biāo)簽來(lái)說(shuō),其工作標(biāo)簽供給射頻能量。對(duì)于無(wú)源標(biāo)簽來(lái)說(shuō),其工作所需的能量即由該射頻能量中取得所需的能量即由該射頻能量中取得(一般由整流方一般由整流方法將射頻能量轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟娫创嬖跇?biāo)簽中電容器法將射頻能量轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟娫创嬖跇?biāo)簽中電容器里里):對(duì)于:對(duì)于(半半)有源標(biāo)簽來(lái)說(shuō),該射頻能量的到來(lái)有源標(biāo)簽來(lái)說(shuō),該射頻能量的到來(lái)起到了喚醒標(biāo)簽轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)的作用。完全有源起到了喚醒標(biāo)簽轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)的作用。完全有源標(biāo)簽一般不利用閱讀器發(fā)出的射頻能量,因而閱標(biāo)簽一般不利用閱讀器發(fā)出的射頻能量,因而閱讀器可以較小的能量發(fā)射取得較遠(yuǎn)的通信距離。讀器可以較小的能量發(fā)射取得較遠(yuǎn)的通信距離。移動(dòng)通信中
47、的基站與移動(dòng)臺(tái)之間的通信方式可歸移動(dòng)通信中的基站與移動(dòng)臺(tái)之間的通信方式可歸入該類(lèi)模式。入該類(lèi)模式。 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論2.4.3 RFIO系統(tǒng)的分類(lèi)系統(tǒng)的分類(lèi) 1)按載波頻率劃分)按載波頻率劃分 低頻段低頻段(3OKHz-300KHz)。 中高頻段中高頻段(3MHZ-30MHz) 超高頻段超高頻段 2)按電子標(biāo)簽供電形式劃分)按電子標(biāo)簽供電形式劃分 無(wú)源系統(tǒng)有源系統(tǒng)無(wú)源系統(tǒng)有源系統(tǒng) 半有源系統(tǒng)半有源系統(tǒng) 3)按電子標(biāo)簽的可讀寫(xiě)劃分)按電子標(biāo)簽的可讀寫(xiě)劃分 RO標(biāo)簽標(biāo)簽 RW標(biāo)簽標(biāo)簽 WORM標(biāo)簽標(biāo)簽 4)按數(shù)據(jù)通信方式劃分)按數(shù)據(jù)通信方式劃分 半雙工半雙工 (HDX)系統(tǒng)系統(tǒng) 全雙工
48、全雙工(FDX)系統(tǒng)系統(tǒng) 時(shí)序時(shí)序(SEQ)系統(tǒng)系統(tǒng) 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論2.4.4 RFID的應(yīng)用的應(yīng)用 1)安全管理)安全管理安全管理和個(gè)人身份識(shí)別是安全管理和個(gè)人身份識(shí)別是RFID的一個(gè)主的一個(gè)主要而廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。我們?nèi)粘I町?dāng)中最要而廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。我們?nèi)粘I町?dāng)中最常見(jiàn)的就是用來(lái)控制人員進(jìn)出建筑物的門(mén)禁常見(jiàn)的就是用來(lái)控制人員進(jìn)出建筑物的門(mén)禁卡。許多組織使用內(nèi)嵌卡。許多組織使用內(nèi)嵌RFID標(biāo)簽的個(gè)人身份標(biāo)簽的個(gè)人身份卡,可以在門(mén)禁處對(duì)個(gè)人身份進(jìn)行鑒別??ǎ梢栽陂T(mén)禁處對(duì)個(gè)人身份進(jìn)行鑒別。 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論2)RFID在供應(yīng)鏈管理當(dāng)中的應(yīng)用在供應(yīng)鏈管理當(dāng)中的應(yīng)用 在
49、供應(yīng)鏈管理中,在供應(yīng)鏈管理中,RFID標(biāo)簽用于在供應(yīng)鏈當(dāng)標(biāo)簽用于在供應(yīng)鏈當(dāng)中跟蹤產(chǎn)品,從原材料供貨商供貨到倉(cāng)庫(kù)儲(chǔ)存以中跟蹤產(chǎn)品,從原材料供貨商供貨到倉(cāng)庫(kù)儲(chǔ)存以及最終銷(xiāo)售。新的應(yīng)用主要是針對(duì)用戶(hù)訂單跟蹤及最終銷(xiāo)售。新的應(yīng)用主要是針對(duì)用戶(hù)訂單跟蹤管理,建立中央數(shù)據(jù)庫(kù)記錄產(chǎn)品的移動(dòng)。制造商、管理,建立中央數(shù)據(jù)庫(kù)記錄產(chǎn)品的移動(dòng)。制造商、零售商以及最終用戶(hù)都可以利用這個(gè)中央數(shù)據(jù)庫(kù)零售商以及最終用戶(hù)都可以利用這個(gè)中央數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)獲知產(chǎn)品的實(shí)時(shí)位置,交付確認(rèn)信息以及產(chǎn)品來(lái)獲知產(chǎn)品的實(shí)時(shí)位置,交付確認(rèn)信息以及產(chǎn)品損壞情況等信息。在供應(yīng)鏈的各個(gè)環(huán)節(jié)當(dāng)中,損壞情況等信息。在供應(yīng)鏈的各個(gè)環(huán)節(jié)當(dāng)中,RFID技術(shù)都可以通過(guò)增加信息傳輸?shù)乃俣群蜏?zhǔn)確技術(shù)都可以通過(guò)增加信息傳輸?shù)乃俣群蜏?zhǔn)確度來(lái)節(jié)省供應(yīng)鏈管理成本,依據(jù)可以節(jié)省成本的度來(lái)節(jié)省供應(yīng)鏈管理成本,依據(jù)可以節(jié)省成本的多少對(duì)一些行業(yè)進(jìn)行了排序,對(duì)多少對(duì)一些行業(yè)進(jìn)行了排序,對(duì)RFID可以節(jié)省成可以節(jié)省成本的多少進(jìn)行了排序。本的多少進(jìn)行了排序。 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論2.5 2.
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