第二章感知技術

第二章授課教師：季順寧感知技術2感知技術2.1嵌入式系統(tǒng)2.2傳感器技術2.3無線傳感器網(wǎng)絡2.4RFID2.5條形碼技術

2.1嵌入式系統(tǒng)2.1.1嵌入式系統(tǒng)的概念2.1.2嵌入式系統(tǒng)的組成2.1.3嵌入式系統(tǒng)的應用2.1.1嵌入式系統(tǒng)的概念定義：

以應用為中心、以計算機技術為基礎、軟件硬件可裁剪、適應應用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)?；疽?①嵌入性：嵌入到對象體系中，有對象環(huán)境要求。嵌入式系統(tǒng)是面向用戶、面向產(chǎn)品、面向應用的。②計算機：實現(xiàn)對象的智能化功能。嵌入式系統(tǒng)是將先進的計算機技術、半導體技術和電子技術和各個行業(yè)的具體應用相結合后的產(chǎn)物，這一點就決定了它必然是一個技術密集、資金密集、高度分散、不斷創(chuàng)新的知識集成系統(tǒng)。。③專用性：軟、硬件按對象要求裁減。嵌入式系統(tǒng)必須根據(jù)應用需求對軟硬件進行裁剪，滿足應用系統(tǒng)的功能、可靠性、成本、體積等要求。物聯(lián)網(wǎng)對嵌入式系統(tǒng)的要求:①嵌入式系統(tǒng)要協(xié)助滿足物聯(lián)網(wǎng)三要素，即信息采集、信息傳遞、信息處理。②嵌入式系統(tǒng)要滿足智慧地球提出的“3I”，即儀器化、互聯(lián)化、智能化（Instrumented、Interconnected、Intelligent）。③嵌入式系統(tǒng)要滿足信息融合物理系統(tǒng)CPS中的”3C”，即計算、通信和控制（Computation、Communication、Control）。嵌入式系統(tǒng)的特點:①系統(tǒng)內(nèi)核小。②專用性強。③系統(tǒng)精簡。④高實時性的系統(tǒng)軟件(OS)是嵌入式軟件的基本要求。⑤嵌入式軟件開發(fā)要想走向標準化，就必須使用多任務的操作系統(tǒng)。⑥嵌入式系統(tǒng)開發(fā)需要開發(fā)工具和環(huán)境。2.1.1嵌入式系統(tǒng)的概念2.1.2嵌入式系統(tǒng)的組成嵌入式系統(tǒng)一般都由嵌入式計算機系統(tǒng)和執(zhí)行裝置組成，如圖所示。

2.1.3嵌入式系統(tǒng)的應用嵌入式系統(tǒng)技術應用領域可以包括：

1）工業(yè)控制2）交通管理3）信息家電4）家庭智能管理系統(tǒng)5）POS網(wǎng)絡及電子商務6）環(huán)境工程與自然7）機器人2.2傳感器技術

2.2.1傳感器的概念2.2.2傳感器的組成2.2.3傳感器的分類2.2.4常用傳感器2.2.1傳感器的概念定義：能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉換成可用輸出信號的器件和裝置，通常由敏感元件和轉換元件組成。①傳感器是測量裝置，能完成檢測任務。②它的輸出量是某一被測量，可能是物理量，也可能是化學量、生物量等。③它的輸出量是某種物理量，這種量要便于傳輸、轉換、處理、顯示等等，這種量可以是氣、光、電量，但主要是電量。④輸出輸入有對應關系，且應有一定的精確程度。

2.2.2傳感器的組成傳感器是能感受規(guī)定的被測量，并按一定的規(guī)律性換成可用輸出信號的器件或裝置，通常由敏感元件、轉換元件和轉換電路組成，如圖所示。敏感元件：直接感受被測量，并輸出與被測量成確定關系的物理量。能敏銳地感受某種物理、化學、生物的信息并將其轉變?yōu)殡娦畔⒌奶胤N電子元件。轉換元件：敏感元件的輸出就是它的輸入，摶換成電路參量。轉換電路：上述電路參數(shù)接入基本轉換電路，便可轉換成電量輸出。2.2.3傳感器的分類根據(jù)傳感器應用原理分：為物理傳感器和化學傳感器。按照傳感器的作用分：壓力敏和力敏傳感器、位置傳感器、液面?zhèn)鞲衅鳌⒛芎膫鞲衅?、速度傳感器、加速度傳感器、射線輻射傳感器、熱敏傳感器等

按照傳感器的工作原理分：振動傳感器、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。按輸出信號標準可以將傳感器分：模擬傳感器、數(shù)字傳感器、膺數(shù)字傳感器、開關傳感器。從所應用的材料傳感器分為：①按照其所用材料類別來分：金屬、聚合物、陶瓷、混合物；②按材料物理性質(zhì)來分：導體、絕緣體、半導體、磁性材料；③按材料的晶體結構來分：單晶、多晶、非晶材料。按傳感器制造工藝可以分為：集成傳感器、薄膜傳感器、厚膜傳感器、陶瓷傳感器等。

2.2.4常用傳感器1）電阻應變式傳感器

電阻應變式傳感器利用電阻應變片將應變轉換為電阻值變化的傳感器。應變式傳感器的組成：彈性元件、應變片、附件（補償元件、保護罩等），其原理如圖所示。

2.2.4常用傳感器2）電容式傳感器

c=εs/d電容式傳感器可分為變極距型、變面積型和變介電常數(shù)型三種

變介質(zhì)式電容式傳感器

變面積式電容傳感器

變間隙型電容傳感器

2.2.4常用傳感器3）電感式傳感器電感式傳感器是基于電磁感應原理，它把被測量轉化為電感量變化的一種裝置。按照轉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（差動變壓器式）兩種。

自感式電感傳感器主要有變間隙型、變面積型和螺管型。由線圈、鐵芯和銜鐵三部分組成。鐵芯和銜鐵由導磁材料制成。

互感式傳感器

2.2.4常用傳感器4）熱電式傳感器①熱電偶熱電偶作為溫度傳感器，測得與溫度相應的熱電動勢，由儀表顯示出溫度值。它廣泛用來測量-200℃~1300℃范圍內(nèi)的溫度，特殊情況下，可測至2800℃的高溫或4K的低溫。它具有結構簡單，價格便宜，準確度高，測溫范圍廣等特點。由于熱電偶將溫度轉化成電量進行檢測，使溫度的測量、控制、以及對溫度信號的放大，變換都很方便，適用于遠距離測量和自動控制。2.2.4常用傳感器②熱電阻式傳感器電阻溫度計是利用導體或半導體的電阻值隨溫度的變化來測量溫度的元件，它由熱電阻體（感溫元件），連接導線和顯示或紀錄儀表構成。習慣上將用作標準的熱電阻體稱為標準溫度計，而將工作用的熱電阻體直接稱為熱電阻。他們廣泛用來測量-200~850℃范圍內(nèi)的溫度，少數(shù)情況下，低溫可至1K，高溫可達1000℃。在常用的電阻溫度計中，標準鉑電阻溫度計的準確度最高，并作為國際溫標中961.78℃以下內(nèi)插用標準溫度計。同熱電偶相比，具有準確度高，輸出信號大，靈敏度高，測溫范圍廣，穩(wěn)定性好，輸出線性好等特性；但結構復雜，尺寸較大，因此熱相應時間長，不適于測量體積狹小和溫度瞬變區(qū)域。2.2.4常用傳感器5）霍爾傳感器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原理而將被測量轉換成電動勢輸出的一種傳感器。由于霍爾元件在靜止狀態(tài)下，具有感受磁場的獨特能力，并且具有結構簡單、體積小、噪聲小、頻率范圍寬(從直流到微波)、動態(tài)范圍大(輸出電勢變化范圍可達1000:1)、壽命長等特點，因此獲得了廣泛應用。例如，在測量技術中用于將位移、力、加速度等量轉換為電量的傳感器；在計算技術中用于作加、減、乘、除、開方、乘方以及微積分等運算的運算器等。2.2.4常用傳感器6）壓電式傳感器由壓電元件的工作原理可知，壓電式傳感器可以看作一個電荷發(fā)生器。同時，它也是一個電容器，晶體上聚集正負電荷的兩表面相當于電容的兩個極板，極板間物質(zhì)等效于一種介質(zhì)，則其電容量為。

壓電傳感器在實際使用時總要與測量儀器或測量電路相連接，2.2.4常用傳感器7）光纖傳感器

光導纖維簡稱光纖，它是一種特殊結構的光學纖維，由纖芯、包層和護層組成。光纖傳感器原理實際上是研究光在調(diào)制區(qū)內(nèi)，外界信號（溫度、壓力、應變、位移、振動、電場等）與光的相互作用，即研究光被外界參數(shù)的調(diào)制原理。外界信號可能引起光的強度、波長、頻率、相位、偏振態(tài)等光學性質(zhì)的變化，從而形成不同的調(diào)制。

光纖傳感器的主要特點有：抗電磁干擾，電絕緣，耐腐蝕。靈敏度高。重量輕、體積小、可彎曲。測量對象廣泛。對被測介質(zhì)影響小。

2.3無線傳感器網(wǎng)絡

2.3.1無線傳感器網(wǎng)絡的發(fā)展2.3.2無線傳感器網(wǎng)絡的結構2.3.3無線傳感器網(wǎng)絡的應用2.3.1無線傳感器網(wǎng)絡的發(fā)展傳感器網(wǎng)絡發(fā)展階段時間主要特點第一代20世紀70年代點對點傳輸，具有簡單信息獵、獲取能力第二代20世紀80年代獲取多種信息的綜合能力第三代20世紀90年代后期智能傳感器采用現(xiàn)場總線連接傳感器構成局域網(wǎng)絡第四代21世紀—至今以無線傳感器網(wǎng)絡為標志，處于理論研究和應用開發(fā)階段2.3.2無線傳感器網(wǎng)絡的結構

1）無線傳感器網(wǎng)絡的組成

無線傳感器網(wǎng)絡是由體積小、成本低、具有無線通信和數(shù)據(jù)處理能力的傳感器節(jié)點組成的。傳感器節(jié)點一般由傳感器、處理器、無線收發(fā)器和電源組成，有的還包括定位裝置和移動裝置。

無線傳感器網(wǎng)絡由許多密集分布的傳感器節(jié)點組成，每個節(jié)點的功能都是相同的，它們通過無線通訊的方式自適應地組成一個無線網(wǎng)絡。各個傳感器節(jié)點將自己所探測到的有用信息，通過多跳中轉的方式向指揮中心(主機)報告。傳感器節(jié)點配備有滿足不同應用需求的傳感器(如溫度傳感器、濕度傳感器、光照度傳感器、紅外線感應器、位移傳感器、壓力傳感器等)。其典型無線傳感器網(wǎng)絡結構如圖所示。2）節(jié)點單元硬件總體結構

無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點主要完成信息采集、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)點硬件系統(tǒng)框圖如圖所示。①微控制器單元是無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的核心部分，主要完成三部分的工作：第一是接收來自傳感器的監(jiān)測數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行處理和計算并通過通信模塊發(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，進行數(shù)據(jù)處理并對硬件平臺或控制目標進行控制。第三是通信協(xié)議處理，完成無線傳感器網(wǎng)絡通信過程中的MAC、路由協(xié)議處理等。

②通信功能是傳感器節(jié)點組網(wǎng)的必備功能，它使得獨立的傳感器節(jié)點之間可以相互連接，并能借助多跳將數(shù)據(jù)回傳到匯聚節(jié)點。在進行通信模塊硬件設計時應綜合考慮通信模塊的處理能力和數(shù)據(jù)傳輸時的能耗，在滿足通信功能的情況下盡可能地降低通信能耗，延長節(jié)點工作時間。傳感器網(wǎng)絡中常用的無線通信技術比較如表所示。無線技術頻率距離/m功耗傳輸速率/kbpsBluetooth2.4GHz10低10000802.1b2.4GHZ100高11000ZigBee2.4GHz10-75低250IrDA紅外1低16000UWB3.1-10.6GHz10低100000③傳感器模塊是無線傳感器網(wǎng)絡中負責采集監(jiān)測環(huán)境或?qū)ο蟮南嚓P信息的單元，與具體的應用需要緊密關聯(lián)，不同的應用所涉及到的監(jiān)測信息也不相同。常用的傳感器模塊有溫度傳感器、濕度傳感器、震動傳感器、磁場傳感器、光照度傳感器、氣壓傳感器等。④供電單元是無線傳感器網(wǎng)絡的能量來源，供電技術的好壞決定了網(wǎng)絡工作時間的長短和系統(tǒng)運行成本。在供電單元的選擇上主要有高能量電池、燃料電池和能量轉換電池等幾種。但是當傳感節(jié)點放置在室內(nèi)固定位置時，可以采用交流供電，此時節(jié)點功耗問題并不會影響系統(tǒng)成本和節(jié)點使用壽命。3）節(jié)點軟件程序設計

①TinyOS操作系統(tǒng)TinyOS是由加州大學伯克利分校專門針對無線傳感器網(wǎng)絡開發(fā)的專業(yè)嵌入式操作系統(tǒng)，它以其組件化編程，事件驅(qū)動的執(zhí)行模型，微型的內(nèi)核以及良好的可移植性等特點受到廣大WSN應用開發(fā)研究人員的歡迎，是目前WSN領域主流的操作系統(tǒng)。TinyOS的結構圖如圖所示:

TimyOS開發(fā)環(huán)境結構

2.3.3無線傳感器網(wǎng)絡的應用

1）軍事領域應用在軍事應用領域，利用無線傳感器網(wǎng)絡能夠?qū)崿F(xiàn)監(jiān)測敵軍區(qū)域內(nèi)的兵力和裝備、實時監(jiān)視戰(zhàn)場狀況、定位目標物、監(jiān)測核攻擊或者生物化學攻擊等。信息化戰(zhàn)爭中，戰(zhàn)場信息的及時獲取和反應對于整個戰(zhàn)局的影響至關重要。由于WSN具有生存能力強、探測精度高、成本低等特點，非常適合應用于惡劣的戰(zhàn)場環(huán)境中，執(zhí)行戰(zhàn)場偵查與監(jiān)控、目標定位、戰(zhàn)爭效能評估、核生化監(jiān)測以及國土安全保護、邊境監(jiān)視等任務。2）環(huán)境監(jiān)測應用無線傳感器網(wǎng)絡應用于環(huán)境監(jiān)測，能夠完成傳統(tǒng)系統(tǒng)無法完成的任務。環(huán)境監(jiān)測應用領域包括：植物生長環(huán)境、動物的活動環(huán)境、生化監(jiān)測、精準農(nóng)業(yè)監(jiān)測、森林火災監(jiān)測、洪水監(jiān)測等。3）建筑結構監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡用于監(jiān)測建筑物的健康狀況，不僅成本低廉，而且能解決傳統(tǒng)監(jiān)測布線復雜、線路老化、易受損壞等問題。4）醫(yī)療衛(wèi)生應用加利福尼亞大學提出了基于無線傳感器網(wǎng)絡的人體健康監(jiān)測平臺CustMed，采用可佩戴的傳感器節(jié)點，傳感器類型包括壓力、皮膚反應、伸縮、壓電薄膜傳感器、溫度傳感器等。節(jié)點采用加州大學伯克利分校研制、Crossbow公司生產(chǎn)的dot-mote節(jié)點，通過放在口袋里的PC機可以方便直觀地查看人體當前的情況。

5）智能交通應用如圖為某市重點科技研發(fā)計劃中的智能交通監(jiān)測系統(tǒng)，采用聲音、圖像、視頻、溫度、濕度等傳感器，節(jié)點部署于十字路口周圍，部署于車輛上的節(jié)點還包括GPS全球定位設備。重點強調(diào)了系統(tǒng)的安全性問題，包括耗能、網(wǎng)絡動態(tài)安全、網(wǎng)絡規(guī)模、數(shù)據(jù)管理融合、數(shù)據(jù)傳輸模式等。2.4RFID

2.4.1RFID系統(tǒng)組成2.4.2RFID工作原理2.4.3RFIO系統(tǒng)的分類2.4.4RFID的應用2.4.1RFID系統(tǒng)組成

最基本的RFID系統(tǒng)由三部分組成：電子標簽(Tag)、閱讀器、天線。1)電子標簽

在RFID系統(tǒng)中，電子標簽相當于條碼技術中的條碼符號，用來存儲需要識別傳輸?shù)男畔?，是射頻識別系統(tǒng)真正的數(shù)據(jù)載體。

①天線：用來接收由閱讀器送來的信號，并把所要求的數(shù)據(jù)送回閱讀器。電壓調(diào)節(jié)器：把由閱讀器送來的射頻信號轉換成直流電壓，并經(jīng)大電容儲存能量，再經(jīng)穩(wěn)壓電路以提供穩(wěn)定的電源。②射頻收發(fā)模塊：包括調(diào)制器和解調(diào)器。調(diào)制器:邏輯控制模塊送出的數(shù)據(jù)經(jīng)調(diào)制電路調(diào)制后，加載到天線送給閱讀器：解調(diào)器:把載波去除以取出真正的調(diào)制信號。③邏輯控制模塊：用來譯碼閱讀器送來的信號，并依其要求送回數(shù)據(jù)給閱讀器。④存儲器：包括E2PROM和ROM，作為系統(tǒng)運行及存放識別數(shù)據(jù)的空間。RFID系統(tǒng)中，電子標簽的工作流程圖如圖所示2）閱讀器(Reader)

閱讀器即對應于電子標簽讀寫設備，在RFID系統(tǒng)中扮演著重要的角色，主要負責與電子標簽的雙向通信，同時接受來自主機系統(tǒng)的控制命令。RFID系統(tǒng)中，閱讀器的工作流程圖如圖所示。3）天線

天線在標簽和閱讀器間傳遞射頻信號，是標簽與閱讀器之間傳輸數(shù)據(jù)的發(fā)射、接收裝置。天線的目標就是傳輸最大的能量進出標簽芯片。在實際應用中，除了系統(tǒng)功率，天線的形狀和相對位置也會影響數(shù)據(jù)的發(fā)射和接收，需要專業(yè)人員對系統(tǒng)的天線進行設計、安裝。

2.4.2RFID工作原理

RFID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上經(jīng)天線向外發(fā)送，進入閱讀器工作區(qū)域的電子標簽接收此脈沖信號，卡內(nèi)芯片中的有關電路對此信號進行調(diào)制、解碼、解密，然后對命令請求、密碼、權限等進行判斷。若為讀命令，邏輯控制模塊則從存儲器中讀取有關信息，經(jīng)加密、編碼、調(diào)制后通過卡內(nèi)天線再發(fā)送給閱讀器，閱讀器對接收到的信號進行解調(diào)、解碼、解密后送至中央信息系統(tǒng)進行有關數(shù)據(jù)處理，若為修改信息的寫命令，有關邏輯控制引起的內(nèi)部電荷泵提升工作電壓，提供擦寫EEPROM中的內(nèi)容進行改寫，若經(jīng)判斷其對應的密碼和權限不符，則返回出錯信息。1）電感耦合系統(tǒng)工作原理

電感藕合RFID系統(tǒng)屬于近距離識別系統(tǒng)，識別距離一般在1米以下。

2）電磁反向散射系統(tǒng)工作原理

電磁反向散射RFID系統(tǒng)屬于遠距離識別系統(tǒng)，識別距離一般在1米以上。

3）數(shù)據(jù)傳輸

射頻識別系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)傳輸包含兩個方面的含義：一是從閱讀器向電子標簽方向的數(shù)據(jù)傳輸；二是從電子標簽到閱讀器方向的數(shù)據(jù)傳輸。3）全雙工和半雙工閱讀器和電子標簽之間進行數(shù)據(jù)傳輸，通常有全雙工和半雙工兩種方法。

(a)全雙工法(FDX)：數(shù)據(jù)在電子標簽與閱讀器之間的雙向傳輸是同時進行的，其中電子標簽發(fā)送數(shù)據(jù)采用“分諧法”，即發(fā)送頻率是閱讀器的幾分之一，或是用一種完全獨立的“非諧波”頻率。(b)半雙工法(HDX)：從閱讀簽到電子標簽的數(shù)據(jù)傳輸和從電子標簽到閱讀器的數(shù)據(jù)傳輸是交替進行的，當工作頻率低于300KHz時，常采用這種方法，有沒有副載波也無所謂，電路一般也很簡單。4）時序

時序是數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崿F(xiàn)方式。對于雙向系統(tǒng)(閱讀器向電子標簽發(fā)送命令與數(shù)據(jù)、電子標簽向閱讀器返回所存貯的數(shù)據(jù))來說，閱讀器一般處于主動狀態(tài)，即閱讀器發(fā)出詢問后，電子標簽予以應答，稱這種方式為閱讀器先講方式。另外一種情況是電子標簽先講方式，即電子標簽滿足工作條件后，首先自報家門，閱讀器根據(jù)電子標簽的自報家門，進行記錄或進一步發(fā)出一些詢問信息與電子標簽構成一個完整對話達成閱讀器對電子標簽進行識別的目的。5）能量能量是時序得以實現(xiàn)的基礎。閱讀器向電子標簽供給射頻能量。對于無源標簽來說，其工作所需的能量即由該射頻能量中取得(一般由整流方法將射頻能量轉變?yōu)橹绷麟娫创嬖跇撕炛须娙萜骼?：對于(半)有源標簽來說，該射頻能量的到來起到了喚醒標簽轉入工作狀態(tài)的作用。完全有源標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)射取得較遠的通信距離。移動通信中的基站與移動臺之間的通信方式可歸入該類模式。2.4.3RFIO系統(tǒng)的分類

1）按載波頻率劃分

①低頻段(3OKHz-300KHz)。②中高頻段(3MHZ-30MHz)③超高頻段2）按電子標簽供電形式劃分

①無源系統(tǒng)②有源系統(tǒng)③半有源系統(tǒng)3）按電子標簽的可讀寫劃分

①RO標簽②RW標簽③WORM標簽4）按數(shù)據(jù)通信方式劃分

①半雙工(HDX)系統(tǒng)②全雙工(FDX)系統(tǒng)③時序(SEQ)系統(tǒng)2.4.4RFID的應用

1）安全管理安全管理和個人身份識別是RFID的一個主要而廣泛的應用領域。我們?nèi)粘Ｉ町斨凶畛Ｒ姷木褪怯脕砜刂迫藛T進出建筑物的門禁卡。許多組織使用內(nèi)嵌RFID標簽的個人身份卡，可以在門禁處對個人身份進行鑒別。2）RFID在供應鏈管理當中的應用

在供應鏈管理中，RFID標簽用于在供應鏈當中跟蹤產(chǎn)品，從原材料供貨商供貨到倉庫儲存以及最終銷售。新的應用主要是針對用戶訂單跟蹤管理，建立中央數(shù)據(jù)庫記錄產(chǎn)品的移動。制造商、零售商以及最終用戶都可以利用這個中央數(shù)據(jù)庫來獲知產(chǎn)品的實時位置，交付確認信息以及產(chǎn)品損壞情況等信息。在供應鏈的各個環(huán)節(jié)當中，RFID技術都可以通過