第三章 感知層

第三章感知層張光河Email:guanghezhang@163.comWebsite:1大綱自動(dòng)識(shí)別技術(shù)傳感器技術(shù)定位系統(tǒng)智能信息設(shè)備2自動(dòng)識(shí)別技術(shù)OCR技術(shù)生物特征識(shí)別卡類識(shí)別條形碼技術(shù)RFID3OCR技術(shù)自動(dòng)識(shí)別技術(shù)是模式識(shí)別理論的典型應(yīng)用，選取不同的特征產(chǎn)生了多樣的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)。4光學(xué)字符識(shí)別OpticalCharacterRecognition，OCR光學(xué)字符識(shí)別是模式識(shí)別（PatternRecognition，PR）的一種技術(shù)，目的是要使計(jì)算機(jī)知道它到底看到了什么，尤其是文字資料。OCR技術(shù)能使設(shè)備通過光學(xué)機(jī)制識(shí)別字符。5生物特征識(shí)別語音識(shí)別虹膜識(shí)別指紋識(shí)別6語音識(shí)別采用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)自動(dòng)提取及決定語言信號(hào)中最基本有意義的信息，同時(shí)也包括利用音律特征等個(gè)人特征識(shí)別說話人。7語音識(shí)別框架8虹膜識(shí)別是當(dāng)前應(yīng)用最方便精確的生物識(shí)別技術(shù)。虹膜的高度獨(dú)特性和穩(wěn)定性是其用于身份鑒別的基礎(chǔ)。9虹膜識(shí)別的特點(diǎn)生物活性:虹膜處在鞏膜的保護(hù)下，生物活性強(qiáng)。非接觸性:從無需用戶接觸設(shè)備,對(duì)人身沒有侵犯。唯一性:形態(tài)完全相同虹膜的可能性低于其他組織。穩(wěn)定性:虹膜定型后終身不變，一般疾病不會(huì)對(duì)虹膜組織造成損傷。防偽性:不可能在對(duì)視覺無嚴(yán)重影響的情況下用外科手術(shù)改變虹膜特征。10指紋識(shí)別技術(shù)從實(shí)用角度看，指紋識(shí)別是優(yōu)于其他生物識(shí)別技術(shù)的身份鑒別方法。因?yàn)橹讣y具有各不相同、終生基本不變的特點(diǎn)，且目前的指紋識(shí)別系統(tǒng)已達(dá)到操作方便、準(zhǔn)確可靠、價(jià)格適中的階段，正逐步應(yīng)用于民用市場(chǎng)。11指紋識(shí)別的處理流程通過特殊的光電轉(zhuǎn)換設(shè)備和計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)，對(duì)活體指紋進(jìn)行采集、分析和比對(duì)，可以迅速、準(zhǔn)確地鑒別出個(gè)人身份。系統(tǒng)一般主要包括對(duì)指紋圖像采集、指紋圖像處理、特征提取、特征值的比對(duì)與匹配等過程。12指紋總體特征（一）模式區(qū)：指紋上包含總體特征的區(qū)域，即從模式區(qū)就能夠分辨出指紋是屬于那一種類型的13指紋總體特征（二）紋型：三種基本紋型包括：環(huán)型、弓型和螺旋型14指紋總體特征（三）紋數(shù)：模式區(qū)內(nèi)指紋紋路的數(shù)量。15指紋總體特征（四）三角點(diǎn)：位于從核心點(diǎn)開始的第一個(gè)分叉點(diǎn)或斷點(diǎn)、或者兩條紋路會(huì)聚處、孤立點(diǎn)、轉(zhuǎn)折點(diǎn)、或者指向這些奇異點(diǎn)。16指紋總體特征（五）終結(jié)點(diǎn)：一條紋路在此終結(jié)17指紋總體特征（六）分叉點(diǎn)：一條紋路在此分開成為兩條或更多的紋路。18指紋總體特征（七）分歧點(diǎn)：兩條平行的紋路在此分開。19指紋總體特征（八）孤立點(diǎn):一條特別短的紋路，以至成為一點(diǎn)。20指紋總體特征（九）環(huán)點(diǎn)：一條紋路分開成為兩條之后，立即有合并成為一條，這樣形成的一個(gè)小環(huán)稱為環(huán)點(diǎn)。21指紋總體特征（十）短紋：一端較短但不至于成為一點(diǎn)的紋路。22卡類識(shí)別IC卡CPU卡23IC卡（IntegratedCircuitCard），即“集成電路卡”在日常生活中已隨處可見。實(shí)際上是一種數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)，如有必要還可附加計(jì)算能力。24IC卡基本組成IC卡IC卡接口設(shè)備（IC卡讀寫器）PC通信網(wǎng)絡(luò)和主計(jì)算機(jī)25IC卡由持卡人掌管，記錄持卡人特征代碼、文件資料的便攜式信息載體。26接口設(shè)備即IC卡讀寫器，是卡與PC信息交換的橋梁，且常是IC卡的能量來源。核心為可靠的工業(yè)控制單片機(jī)，如Intel的51系列等。27PC系統(tǒng)的核心，完成信息處理、報(bào)表生成輸出和指令發(fā)放、系統(tǒng)監(jiān)控管理以及卡的發(fā)行與掛失、黑名單的建立等。28網(wǎng)絡(luò)與計(jì)算機(jī)通常用于金融服務(wù)等較大的系統(tǒng)。29IC卡分類30存儲(chǔ)器卡存儲(chǔ)器卡卡內(nèi)嵌入的芯片為存儲(chǔ)器芯片，這些芯片多為通用E2PROM（或FlashMemory）；無安全邏輯，可對(duì)片內(nèi)信息不受限制地任意存取；卡片制造中也很少采取安全保護(hù)措施；不完全符合或支持ISO/IEC7816國際標(biāo)準(zhǔn)，而多采用兩線串行通信協(xié)議（I2C總線協(xié)議）或3線串行通信協(xié)議。31存儲(chǔ)器卡的特點(diǎn)存儲(chǔ)器卡功能簡單，沒有（或很少有）安全保護(hù)邏輯，但價(jià)格低廉，開發(fā)使用簡便，存儲(chǔ)容量增長迅猛，因此多用于某些內(nèi)部信息無須保密或不允許加密（如急救卡）的場(chǎng)合。32邏輯加密卡邏輯加密卡由非易失性存儲(chǔ)器和硬件加密邏輯構(gòu)成，一般是專門為IC卡設(shè)計(jì)的芯片，具有安全控制邏輯，安全性能較好；同時(shí)采用ROM、PROM、E2PROM等存儲(chǔ)技術(shù)；從芯片制造到交貨，均采取較好的安全保護(hù)措施，如運(yùn)輸密碼TC（TransportCard）的取用；支持ISO/IEC7816國際標(biāo)準(zhǔn)。33邏輯加密卡的特點(diǎn)邏輯加密卡有一定的安全保證，多用于有一定安全要求的場(chǎng)合，如保險(xiǎn)卡、加油卡、駕駛卡、借書卡、IC卡電話和小額電子錢包等。34CPU卡CPU卡也稱智能卡。CPU卡的硬件構(gòu)成包括CPU、存儲(chǔ)器（含RAM、ROM、E2PROM等）、卡與讀寫終端通信的I/O接口及加密運(yùn)算協(xié)處理器CAU，ROM中則存放有COS（ChipOperationSystem，片內(nèi)操作系統(tǒng)）。35CPU卡的特點(diǎn)計(jì)算能力高，存儲(chǔ)容量大，應(yīng)用靈活，適應(yīng)性較強(qiáng)。安全防偽能力強(qiáng)。不僅可驗(yàn)證卡和持卡人的合法性，且可鑒別讀寫終端，已成為一卡多用及對(duì)數(shù)據(jù)安全保密性，特別敏感場(chǎng)合的最佳選擇，如手機(jī)SIM卡等。真正意義上的“智能卡”。36按交換界面分類接觸式IC卡非接觸式IC卡37接觸式IC卡接觸式IC卡的多個(gè)金屬觸點(diǎn)為卡芯片與外界的信息傳輸媒介，成本低，實(shí)施相對(duì)簡便。38非接觸式IC卡非接觸式IC卡則不用觸點(diǎn)，而是借助無線收發(fā)傳送信息，因此在前者難以勝任的交通運(yùn)輸?shù)戎T多場(chǎng)合有較多應(yīng)用。39按應(yīng)用領(lǐng)域分類金融卡非金融卡即銀行卡和非銀行卡40金融卡信用卡現(xiàn)金卡信用卡用于消費(fèi)支付時(shí)，可按預(yù)先設(shè)定額度透支資金現(xiàn)金卡可用做電子錢包和電子存折，但不得透支41非金融卡非金融卡的涉及范圍極廣，實(shí)質(zhì)上囊括了金融卡之外的所有領(lǐng)域。門禁卡組織代碼卡醫(yī)療卡保險(xiǎn)卡IC卡身份證電子標(biāo)簽42按數(shù)據(jù)傳輸形式分類串行通信卡并行通信卡43串行通信卡目前最常用的卡，也是目前國際標(biāo)準(zhǔn)中所規(guī)定的接口方式采用串行方式與外界交換信息，卡芯片引腳較少，易于封裝和接口。隨著芯片存儲(chǔ)容量的增大，引發(fā)了兩個(gè)問題：一是芯片面積急劇增長，給卡的封裝帶來困難；二是讀寫時(shí)間過長，讀寫1MB的容量需要12分鐘44并行通信卡采用并行通信時(shí)無串行通信卡問題，但國際標(biāo)準(zhǔn)中尚無此類接口標(biāo)準(zhǔn)。例如某種P型IC卡的引腳數(shù)多達(dá)32個(gè)，不僅速度極快，而且容量增大。與串行通信卡一樣，它也有存儲(chǔ)型、邏輯加密型和CPU型，并已在納稅申報(bào)等系統(tǒng)中得以應(yīng)用。45條碼技術(shù)條碼技術(shù)是在計(jì)算機(jī)應(yīng)用發(fā)展過程中，為消除數(shù)據(jù)錄入的“瓶頸”問題而產(chǎn)生的，可以說是最“古老”的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)。條形碼是由一組規(guī)則排列的條、空以及對(duì)應(yīng)的字符組成的標(biāo)記。當(dāng)使用專門的條形碼識(shí)別設(shè)備如手持式條碼掃描器掃描這些條碼時(shí)，條碼中包含的信息就轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)可識(shí)別的數(shù)據(jù)。目前市場(chǎng)上常見的是一維條形碼，信息量約幾十位數(shù)據(jù)和字符；二維條形碼相對(duì)復(fù)雜，但信息量可達(dá)幾千字符。46條形碼技術(shù)一維條形碼二維條形碼47一維條形碼由一組規(guī)則排列的條、空以及對(duì)應(yīng)的字符組成的標(biāo)記。普通的一維條碼在使用過程中僅作為識(shí)別信息，它的意義是通過在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫中提取相應(yīng)的信息而實(shí)現(xiàn)的。48條碼的組成一個(gè)完整的條碼的組成次序依次為：靜區(qū)（前）、起始符、數(shù)據(jù)符、（中間分割符，主要用于EAN碼）、(校驗(yàn)符)、終止符、靜區(qū)（后）。49幾個(gè)基本概念模塊密度（Density）寬窄比對(duì)比度（PCS）條碼長度條碼密度雙向條碼中間分隔符連續(xù)性條碼非連續(xù)性條碼50模塊構(gòu)成條碼的基本單位是模塊，模塊是指條碼中最窄的條或空，模塊的寬度通常以mm或mil（千分之一英寸）為單位。構(gòu)成條碼的一個(gè)條或空稱為一個(gè)單元，一個(gè)單元包含的模塊數(shù)是由編碼方式?jīng)Q定的，有些碼制中，如EAN碼，所有單元由一個(gè)或多個(gè)模塊組成；而另一些碼制，如39碼中，所有單元只有兩種寬度，即寬單元和窄單元，其中的窄單元即為一個(gè)模塊。51密度（Density）條碼的密度指單位長度的條碼所表示的字符個(gè)數(shù)。模塊尺寸越小，密度越大，所以密度值通常以模塊尺寸的值來表示（如5mil）。通常7.5mil以下的條碼稱為高密度條碼，15mil以上的條碼稱為低密度條碼。52寬窄比對(duì)于只有兩種寬度單元的碼制，寬單元與窄單元的比值稱為寬窄比，一般為2‐3左右（常用的有2：1，3：1）。寬窄比較大時(shí)，閱讀設(shè)備更容易分辨寬單元和窄單元，因此比較容易閱讀。53對(duì)比度（PCS）條碼符號(hào)的光學(xué)指標(biāo)，PSC值越大則條碼的光學(xué)特性越好PCS=（RL‐RD）/RL×100%（RL：條的反射率RD：空的反射率）54條碼長度從條碼起始符前緣到終止符后緣的長度55條碼密度單位長度的條碼所表示的字符個(gè)數(shù)56雙向條碼條碼的兩段都可以作為掃描起點(diǎn)的。57中間分隔符在條碼符號(hào)中，位于兩個(gè)相鄰的條碼符號(hào)之間且不代表任何信息的空。58連續(xù)性條碼在條碼字符中，兩個(gè)相鄰的條碼字符之間沒有中間分隔符的條碼。59非連續(xù)性條碼在條碼字符中，兩個(gè)相鄰的條碼字符之間存在中間分隔符的條碼。60譯碼原理激光掃描儀通過一個(gè)激光二極管發(fā)出一束光線，照射到一個(gè)旋轉(zhuǎn)的棱鏡或來回?cái)[動(dòng)的鏡子上，反射后的光線穿過閱讀窗照射到條碼表面，光線經(jīng)過條或空的反射后返回閱讀器，由一個(gè)鏡子進(jìn)行采集、聚焦，通過光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，該信號(hào)將通過掃描期或終端上的譯碼軟件進(jìn)行譯碼。61譯碼過程圖62典型一維條形碼制比較63一維條形碼的特點(diǎn)可直接顯示內(nèi)容為英文、數(shù)字、簡單符號(hào)貯存數(shù)據(jù)不多，主要依靠計(jì)算機(jī)中的關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)庫保密性能不高損污后可讀性差64二維條形碼利用某種特定的幾何圖形按一定規(guī)律在平面（二維方向上）分布的黑白相間的圖形記錄數(shù)據(jù)符號(hào)信息的。在代碼編制上巧妙地利用構(gòu)成計(jì)算機(jī)內(nèi)部邏輯基礎(chǔ)的“0”、“1”比特流的概念，使用若干個(gè)與二進(jìn)制相對(duì)應(yīng)的幾何形體來表示文字?jǐn)?shù)值信息，通過圖象輸入設(shè)備或光電掃描設(shè)備自動(dòng)識(shí)讀以實(shí)現(xiàn)信息自動(dòng)處理。65二維碼的特點(diǎn)每種碼制有其特定的字符集每個(gè)字符占有一定的寬度具有一定的校驗(yàn)功能等具有對(duì)不同行的信息自動(dòng)識(shí)別功能、及處理圖形旋轉(zhuǎn)變化等特點(diǎn)66二維條碼符號(hào)AztecCodePDF147DataMatrixQRCodeCode16K67二維條形碼特點(diǎn)可直接顯示英文、中文、數(shù)字、符號(hào)、圖型貯存數(shù)據(jù)量大，可存放1K字符，可用掃描儀直接讀取內(nèi)容，無需另接數(shù)據(jù)庫保密性高（可加密）安全級(jí)別最高時(shí)，損污50%仍可讀取完整信息68RFID的定義RadioFrequencyIdentification（射頻識(shí)別技術(shù)）的英文縮寫,利用射頻信號(hào)通過空間耦合（交變磁場(chǎng)或電磁場(chǎng)）實(shí)現(xiàn)無接觸信息傳遞并通過所傳遞的信息達(dá)到識(shí)別目的。69RFID的優(yōu)點(diǎn)RFID是上世紀(jì)90年代興起的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，首先在歐洲市場(chǎng)上得以使用，隨后在世界范圍內(nèi)普及。RFID較其它技術(shù)明顯的優(yōu)點(diǎn)是電子標(biāo)簽和閱讀器無需接觸便可完成識(shí)別。射頻識(shí)別技術(shù)改變了條形碼依靠"有形"的一維或二維幾何圖案來提供信息的方式，通過芯片來提供存儲(chǔ)在其中的數(shù)量巨大的"無形"信息。70RFID的發(fā)展歷程71對(duì)RFID感興趣的公司IBMMotorolaPhilipsTIMicrosoftOracleSunBEASAP72應(yīng)用領(lǐng)域以Wal‐Mart，UPS，Gillette等為代表的眾多企業(yè)已經(jīng)開始全面使用RFID技術(shù)對(duì)業(yè)務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行改造，以提高企業(yè)的工作效率、管理水平并為客戶提供各種增值服務(wù)。73RFID的組成傳送器接收器微處理器天線標(biāo)簽74三大部件傳送器、接收器和微處理器通常都被封裝在一起，又統(tǒng)稱為閱讀器(Reader)。閱讀器天線標(biāo)簽75閱讀器RFID系統(tǒng)最重要也是最復(fù)雜的一個(gè)組件工作模式一般是主動(dòng)向標(biāo)簽詢問標(biāo)識(shí)信息，又被稱為詢問器（Interrogator）閱讀器可以通過標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)口、RS232串口或USB接口同主機(jī)相連，通過天線同RFID標(biāo)簽通信有時(shí)為了方便，閱讀器和天線以及智能終端設(shè)備會(huì)集成在一起形成可移動(dòng)的手持式閱讀器76天線天線同閱讀器相連，用于在標(biāo)簽和閱讀器之間傳遞射頻信號(hào)。閱讀器可以連接一個(gè)或多個(gè)天線，但每次使用時(shí)只能激活一個(gè)天線。RFID系統(tǒng)的工作頻率從低頻到微波，這使得天線與標(biāo)簽芯片之間的匹配問題變得很復(fù)雜。77標(biāo)簽標(biāo)簽（Tag）是由耦合元件、芯片及微型天線組成，每個(gè)標(biāo)簽內(nèi)部存有唯一的電子編碼，附著在物體上，用來標(biāo)識(shí)目標(biāo)對(duì)象。標(biāo)簽進(jìn)入RFID閱讀器掃描場(chǎng)以后，接收到閱讀器發(fā)出的射頻信號(hào)，憑借感應(yīng)電流獲得的能量發(fā)送出存儲(chǔ)在芯片中的電子編碼（被動(dòng)式標(biāo)簽），或者主動(dòng)發(fā)送某一頻率的信號(hào)（主動(dòng)式標(biāo)簽）。78三種存儲(chǔ)器電可擦可編程只讀存儲(chǔ)器（EEPROM）：一般射頻識(shí)別系統(tǒng)主要采用EEPROM方式。這種方式的缺點(diǎn)是寫入過程中的功耗消耗很大，使用壽命一般為100,000次鐵電隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（FRAM）:與EEPROM相比，F(xiàn)RAM的寫入功耗消耗減小100倍，寫入時(shí)間甚至縮短1000倍。FRAM屬于非易失類存儲(chǔ)器。然而，F(xiàn)RAM由于生產(chǎn)方面的問題至今未獲得廣泛應(yīng)用。靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（SRAM）:SRAM能快速寫入數(shù)據(jù)，適用于微波系統(tǒng)，但SRAM需要輔助電池不間斷供電，才能保存數(shù)據(jù)。79三類標(biāo)簽被動(dòng)式標(biāo)簽（PassiveTag）：因內(nèi)部沒有電源設(shè)備又被稱為無源標(biāo)簽。被動(dòng)式標(biāo)簽內(nèi)部的集成電路通過接收由閱讀器發(fā)出的電磁波進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，向閱讀器發(fā)送數(shù)據(jù)。主動(dòng)標(biāo)簽（ActiveTag）:因標(biāo)簽內(nèi)部攜帶電源又被稱為有源標(biāo)簽。電源設(shè)備和與其相關(guān)的電路決定了主動(dòng)式標(biāo)簽要比被動(dòng)式標(biāo)簽體積大、價(jià)格昂貴。但主動(dòng)標(biāo)簽通信距離更遠(yuǎn)，可達(dá)上百米遠(yuǎn)。半主動(dòng)標(biāo)簽（Semi‐activeTag）:這種標(biāo)簽兼有被動(dòng)標(biāo)簽和主動(dòng)標(biāo)簽的所有優(yōu)點(diǎn)，內(nèi)部攜帶電池，能夠?yàn)闃?biāo)簽內(nèi)部計(jì)算提供電源。這種標(biāo)簽可以攜帶傳感器，可用于檢測(cè)環(huán)境參數(shù)，如溫度、濕度、是否移動(dòng)等。然而和主動(dòng)式標(biāo)簽不同是它們的通信并不需要電池提供能量，而是像被動(dòng)式標(biāo)簽一樣通過閱讀器發(fā)射的電磁波獲取通信能量。80RFID的優(yōu)點(diǎn)體積小且形狀多樣：RFID標(biāo)簽在讀取上并不受尺寸大小與形狀限制，不需要為了讀取精度而配合紙張的固定尺寸和印刷品質(zhì)。耐環(huán)境性：紙張容易被污染而影響識(shí)別。但RFID對(duì)水、油等物質(zhì)卻有極強(qiáng)的抗污性。另外，即使在黑暗的環(huán)境中，RFID標(biāo)簽也能夠被讀取?？芍貜?fù)使用：標(biāo)簽具有讀寫功能，電子數(shù)據(jù)可被反復(fù)覆蓋，因此可以被回收而重復(fù)使用。穿透性強(qiáng)：標(biāo)簽在被紙張、木材和塑料等非金屬或非透明的材質(zhì)包裹的情況下也可以進(jìn)行穿透性通訊。數(shù)據(jù)安全性：標(biāo)簽內(nèi)的數(shù)據(jù)通過循環(huán)冗余校驗(yàn)的方法來保證標(biāo)簽發(fā)送的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。81RFID的頻率頻率是RFID系統(tǒng)的一個(gè)很重要的參數(shù)指標(biāo)它決定了工作原理、通信距離、設(shè)備成本、天線形狀和應(yīng)用領(lǐng)域等因素。RFID典型的工作頻率有125KHz、133KHz、13.56MHz、27.12MHz、433MHz、860‐960MHz、2.45GHz、5.8GHz等。按照工作頻率的不同，RFID系統(tǒng)集中在低頻、高頻和超高頻三個(gè)區(qū)域82RFID典型的工作頻率125KHz133KHz13.56MHz27.12MHz433MHz860~960MHz2.45GHz5.8GHz83頻率區(qū)域劃分低頻高頻超高頻84低頻低頻（LF）范圍為30kHz‐300kHz，RFID典型低頻工作頻率有125kHz和133kHz兩個(gè)，該頻段的波長大約為2500m。低頻標(biāo)簽一般都為無源標(biāo)簽，其工作能量通過電感耦合的方式從閱讀器耦合線圈的輻射場(chǎng)中獲得，通信范圍一般小于1米。除金屬材料影響外，低頻信號(hào)一般能夠穿過任意材料的物品而不降低它的讀取距離。85高頻高頻（HF）范圍為3MHz‐30MHz，RFID典型工作頻率為13.56MHz,該頻率的波長大概為22米，通信距離一般也小于1米。該頻率的標(biāo)簽不再需要線圈繞制，可以通過腐蝕活著印刷的方式制作標(biāo)簽內(nèi)的天線，采用電感耦合的方式從閱讀器輻射場(chǎng)獲取能量。86超高頻超高頻（UHF）范圍為300MHz‐3GHz，3GHz以上為微波范圍。采用超高頻和微波的RFID系統(tǒng)一般統(tǒng)稱為超高頻RFID系統(tǒng)，典型的工作頻率為：433MHz，860‐960MHz，2.45GHz，5.8GHz，頻率波長大概在30厘米左右。嚴(yán)格意義上，2.45GHz和5.8GHz屬于微波范圍。超高頻標(biāo)簽可以是有源標(biāo)簽與無源標(biāo)簽兩種，通過電磁耦合方式同閱讀器通信。通信距離一般大于1米，典型情況為4~6米，最大可超過10米。87RFID標(biāo)簽沖突多個(gè)標(biāo)簽同時(shí)處于閱讀器識(shí)別范圍之內(nèi)或多個(gè)標(biāo)簽同時(shí)向閱讀器發(fā)送標(biāo)志信號(hào)時(shí)，將發(fā)生標(biāo)簽信號(hào)沖突。88沖突的由來隨著閱讀器通信距離的增加其識(shí)別區(qū)域的面積也逐漸增大，這常常會(huì)引發(fā)多個(gè)標(biāo)簽同時(shí)處于閱讀器的識(shí)別范圍之內(nèi)。但由于閱讀器與所有標(biāo)簽共用一個(gè)無線通道，當(dāng)兩個(gè)以上的標(biāo)簽同一時(shí)刻向閱讀器發(fā)送標(biāo)識(shí)信號(hào)時(shí)，信號(hào)將產(chǎn)生疊加而導(dǎo)致閱讀器不能正常解析標(biāo)簽發(fā)送的信號(hào)。這個(gè)問題通常被稱為標(biāo)簽信號(hào)沖突問題（或碰撞問題），解決沖突問題的方法被稱為防沖突算法（或防碰撞算法，反沖突算法）。89基于時(shí)分多址防沖突算法基于ALOHA機(jī)制的算法基于二進(jìn)制樹若干種變體90純ALOHA防沖突算法算法簡單，易于實(shí)現(xiàn)，但信道利用率僅為18.4%，性能非常不理想。91分時(shí)隙的ALOHA防沖突算法S‐ALOHA算法將純ALOHA算法的時(shí)間分為若干時(shí)隙，每個(gè)時(shí)隙大于或等于標(biāo)簽標(biāo)識(shí)符發(fā)送的時(shí)間長度，并且每個(gè)標(biāo)簽只能在時(shí)隙開始時(shí)刻發(fā)送標(biāo)識(shí)符。由于系統(tǒng)進(jìn)行了時(shí)間同步，S‐ALOHA協(xié)議的信道利用率達(dá)到36.8%，是純ALOHA的兩倍。92S‐ALOHA圖示93FSA基于幀的分時(shí)隙ALOHA防沖突算法在S‐ALOHA基礎(chǔ)上，將若干個(gè)時(shí)隙組織為一幀，閱讀器按照幀為單元進(jìn)行識(shí)別。優(yōu)點(diǎn)在于邏輯簡單，電路設(shè)計(jì)簡單，所需內(nèi)存少，且在幀內(nèi)只隨機(jī)發(fā)送一次能夠更進(jìn)一步降低了沖突的概率。FSA成為RFID系統(tǒng)中最常用的一種基于ALOHA的防沖突算法。94FSA圖示95Q算法動(dòng)態(tài)自適應(yīng)設(shè)置幀長度的算法可以解決FAS算法固定幀的局限性。目前流行的方法有兩種：一種根據(jù)前一幀通信獲取的空的時(shí)隙數(shù)目，發(fā)生碰撞的時(shí)隙數(shù)目和成功識(shí)別標(biāo)簽的時(shí)隙數(shù)目的數(shù)量估計(jì)當(dāng)前的標(biāo)簽數(shù)并設(shè)置下一幀的最優(yōu)的長度；另一種根據(jù)前一時(shí)隙的反饋動(dòng)態(tài)調(diào)整幀長為2的整數(shù)倍，這種方法最具代表性的是EPCglobalGen2標(biāo)準(zhǔn)中設(shè)計(jì)的Q算法。96隨機(jī)二進(jìn)制樹算法要求每個(gè)標(biāo)簽維持一個(gè)計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)器初始值設(shè)定為0。在每一個(gè)時(shí)隙開始時(shí)，如果標(biāo)簽的計(jì)數(shù)器為零則立即發(fā)送自己的標(biāo)識(shí)符號(hào)，否則該時(shí)隙不回復(fù)。凡是被成功識(shí)別的標(biāo)簽都處于沉默狀態(tài)，對(duì)以后時(shí)隙的閱讀器命令均不回復(fù)。如果該時(shí)隙有沖突發(fā)生，發(fā)送標(biāo)識(shí)符號(hào)的標(biāo)簽就會(huì)從0或1兩個(gè)數(shù)字中隨機(jī)選擇一個(gè)，并將其加到自己的計(jì)數(shù)器上。97隨機(jī)二進(jìn)制樹算法示意圖98查詢二進(jìn)制樹算法查詢二進(jìn)制樹算法是無狀態(tài)協(xié)議，不需標(biāo)簽內(nèi)部維持任何狀態(tài)，標(biāo)簽只需根據(jù)閱讀器廣播的標(biāo)識(shí)符前綴作比較即可。閱讀器內(nèi)部維持一個(gè)二進(jìn)制前綴，初始值為0。每一個(gè)時(shí)隙開始時(shí)，閱讀器廣播該二進(jìn)制前綴，電子標(biāo)簽將自己的標(biāo)識(shí)符號(hào)前幾位與此二進(jìn)制前綴進(jìn)行比較，若相同則立即發(fā)送標(biāo)識(shí)符號(hào)。如果閱讀器探測(cè)到?jīng)_突發(fā)生，則在下次查詢中在原來的二進(jìn)制前綴后面增加0或1，重新查詢，如此循環(huán)直到識(shí)別完所有的標(biāo)簽。99查詢二進(jìn)制樹算法示意圖100大綱自動(dòng)識(shí)別技術(shù)傳感器技術(shù)定位系統(tǒng)智能信息設(shè)備101傳感器定義我國國家標(biāo)準(zhǔn)（GB7665‐2005）對(duì)傳感器的定義是：“能感受被測(cè)量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置”。102傳統(tǒng)傳感器的局限性網(wǎng)絡(luò)化、智能化的程度十分有限，缺少有效的數(shù)據(jù)處理與信息共享能力。103現(xiàn)代傳感器微型化智能化網(wǎng)絡(luò)化典型代表：無線傳感節(jié)點(diǎn)104無線傳感節(jié)點(diǎn)的組成傳感器微處理器無線通信芯片電池105傳感器技術(shù)發(fā)展史106無線傳感器節(jié)點(diǎn)的發(fā)展速度無線傳感器節(jié)點(diǎn)的發(fā)展并沒有像摩爾定律預(yù)測(cè)的速度發(fā)展！107傳感器性能指標(biāo)成本功耗體積108軍事監(jiān)測(cè)中的傳感器：VigilNetVigilNet是由美國弗吉尼亞大學(xué)研制的用于軍事監(jiān)測(cè)的無線傳感系統(tǒng)，該系統(tǒng)由XSM，Mica2和Mica2Dot節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，其規(guī)模最大達(dá)200個(gè)節(jié)點(diǎn)；節(jié)點(diǎn)通過電池供電，鋪設(shè)在道路旁邊，用于檢測(cè)與收集移動(dòng)目標(biāo)的情況。109智能樓宇中的傳感器：LoCal每年美國用電報(bào)告顯示至少有30%的電量是浪費(fèi)的。這些電能浪費(fèi)在何處？其中哪些是可以節(jié)省的？由美國加州大學(xué)伯克利分校大學(xué)發(fā)起的LoCal項(xiàng)目試圖通過在智能樓宇中部署無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來解決這些問題。110醫(yī)療監(jiān)控中的傳感器：Mercury傳感器的另一個(gè)重要應(yīng)用是醫(yī)療監(jiān)控，哈佛大學(xué)研究組改進(jìn)了傳統(tǒng)傳感器，使得其外形更小，適合穿戴在身上。111傳感器結(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)需求低成本低功耗微型化魯棒性靈活性擴(kuò)展性112常用傳感器113微處理器微處理器是無線傳感節(jié)點(diǎn)中負(fù)責(zé)計(jì)算的核心，目前的微處理器芯片同時(shí)也集成了內(nèi)存、閃存、模數(shù)轉(zhuǎn)化器、數(shù)字IO等，這種深度集成的特征使得它們非常適合在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中使用。影響節(jié)點(diǎn)工作整體性能的微處理器關(guān)鍵性能包括功耗特性，喚醒時(shí)間（在睡眠/工作狀態(tài)間快速切換），供電電壓（長時(shí)間工作），運(yùn)算速度和內(nèi)存大小。114通信芯片的能量消耗通信芯片是無線傳感節(jié)點(diǎn)中重要的組成部分，在一個(gè)無線傳感節(jié)點(diǎn)的能量消耗中，通信芯片通常消耗能量最多，在目前常用的TelosB節(jié)點(diǎn)上，CPU在工作狀態(tài)電流僅500uA，而通信芯片在工作狀態(tài)電流近20mA。低功耗的通信芯片在發(fā)送狀態(tài)和接收狀態(tài)時(shí)消耗的能量差別不大，這意味著只要通信芯片開著，都在消耗差不多的能量115通信芯片的傳輸距離通信芯片的傳輸距離是選擇傳感節(jié)點(diǎn)的重要指標(biāo)。發(fā)射功率越大，接受靈敏度越高，信號(hào)傳輸距離越遠(yuǎn)。116常用通信芯片CC1000：可工作在433MHz，868MHz和915MHz；采用串口通信模式時(shí)速率只能達(dá)到19.2KbpsCC2420：工作頻率2.4GHz，是一款完全符合IEEE802.15.4協(xié)議規(guī)范的芯片；傳輸率250Kbps117常用通信芯片118節(jié)點(diǎn)操作系統(tǒng)發(fā)展史119節(jié)點(diǎn)操作系統(tǒng)的特點(diǎn)120TinyOSTinyOS由加州伯克萊分校開發(fā),是目前無線傳感網(wǎng)絡(luò)研究領(lǐng)域使用最為廣泛的OS(http://)121TinyOS開發(fā)語言：nesCnesC語言是專門為資源極其受限、硬件平臺(tái)多樣化的傳感節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的開發(fā)語言使用nesC編寫的應(yīng)用程序是基于組件的組件之間的交互必須通過使用接口用nesC編寫的應(yīng)用程序一般有一個(gè)最頂層的配置文件122大綱自動(dòng)識(shí)別技術(shù)傳感器技術(shù)定位系統(tǒng)智能信息設(shè)備123定位系統(tǒng)位置信息定位系統(tǒng)定位技術(shù)124為什么需要定位？自動(dòng)導(dǎo)航搜索周邊服務(wù)信息基于位置的社交網(wǎng)絡(luò)：Foursquare125位置信息地理位置（空間坐標(biāo)）處在該位置的時(shí)刻（時(shí)間坐標(biāo)）處在該位置的對(duì)象（身份信息）126主流定位系統(tǒng)衛(wèi)星定位蜂窩基站定位無線室內(nèi)環(huán)境定位新興定位系統(tǒng)127衛(wèi)星定位美國：GPS俄羅斯：GLONASS歐盟：伽利略中國：北斗一號(hào)（區(qū)域）、北斗二號(hào)（全球）128GPS的發(fā)展簡史1973年，美國國防部開始GPS計(jì)劃1983年，里根承諾將來對(duì)民間開放使用1989年，正式開始發(fā)射GPS工作衛(wèi)星1994年，衛(wèi)星星座組網(wǎng)完成，投入使用2000年，克林頓下令取消軍用/民用信號(hào)的精度差別對(duì)待129GPS的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)宇宙空間部分24顆工作衛(wèi)星地面監(jiān)控部分（全部在美國境內(nèi)）1個(gè)主控中心（另有1個(gè)備用）4個(gè)專用地面天線6個(gè)專用監(jiān)視站用戶設(shè)備部分GPS接收機(jī)130GPS的定位原理131GPS的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)精度高全球覆蓋，可用于險(xiǎn)惡環(huán)境缺點(diǎn)啟動(dòng)時(shí)間長室內(nèi)信號(hào)差需要GPS接收機(jī)132傳統(tǒng)的汽車導(dǎo)航能提供位置和周邊地圖可根據(jù)目的地自動(dòng)計(jì)算“最短”路線可從交管部門取得路況咨詢，優(yōu)化路線，找出“最快”路線133物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代汽車導(dǎo)航綜合道路狀況，污染指數(shù)，天氣狀況，加油站的分布，駕駛員的身體狀況等各種因素找出“最佳”路線。134定位方法GSM蜂窩網(wǎng)絡(luò)COO定位（CellofOrigin）ToA/TDoA定位法AoA定位法135GSM蜂窩網(wǎng)絡(luò)通訊區(qū)域被分割成蜂窩小區(qū)每個(gè)小區(qū)對(duì)應(yīng)一個(gè)通訊基站通訊設(shè)備連接小區(qū)對(duì)應(yīng)基站進(jìn)行通訊利用基站位置已知的條件，可對(duì)通訊設(shè)備進(jìn)行定位136COO定位（CellofOrigin）將移動(dòng)設(shè)備所屬基站的位置視為移動(dòng)設(shè)備的位置精度直接取決于基站覆蓋的范圍基站分布疏松地區(qū)，一個(gè)基站覆蓋范圍半徑可達(dá)數(shù)公里，誤差巨大優(yōu)點(diǎn)：簡單、快速，適用緊急情況137ToA/TDoA定位法需要三個(gè)基站才能定位稀疏地區(qū)可能只能收到兩個(gè)基站的信號(hào)，不適用AoA定位法138蜂窩基站定位的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)不需要GPS接收機(jī)，可通訊即可定位啟動(dòng)速度慢信號(hào)穿透能力強(qiáng)，室內(nèi)亦可接收到缺點(diǎn)定位精度相對(duì)較低基站需要有專門硬件，造價(jià)昂貴139緊急電話定位：美國E‐911系統(tǒng)撥打報(bào)警電話時(shí)，根據(jù)基站定位出手機(jī)位置，自動(dòng)接到最近警局綜合了各種定位系統(tǒng)，包括ToA，TDoA，AoA，RSS，A‐GPS使用時(shí)嘗試各種定位方法，擇優(yōu)而用140室內(nèi)環(huán)境的復(fù)雜性多徑效應(yīng)原因：障礙物反射電磁波，反射波和原始波在接收端混疊室內(nèi)障礙物眾多，多徑效應(yīng)明顯對(duì)電磁波的阻礙作用長波信號(hào)（GPS）傳播能力強(qiáng)，穿透能力弱室內(nèi)應(yīng)選用短波信號(hào)來進(jìn)行定位141RSSI定位技術(shù)ReceiveSignalStrengthIndicator,使用信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行定位利用已有的無線網(wǎng)絡(luò)（藍(lán)牙、Wi‐Fi、ZigBee）紅外線、超聲波、藍(lán)牙、RFID、超寬帶……142基于RFID的資產(chǎn)管理在設(shè)備上貼上RFID標(biāo)簽需要使用時(shí)通過RFID定位找到標(biāo)簽的位置，從而定位設(shè)備的位置結(jié)合感知技術(shù)，還可以監(jiān)控設(shè)備的狀況是否空閑是否故障是否老化143新興定位系統(tǒng)A-GPS無線AP定位網(wǎng)絡(luò)定位144A-GPSGPS定位和蜂窩基站定位的結(jié)合體利用基站定位確定大致范圍連接網(wǎng)絡(luò)查詢當(dāng)前位置可見衛(wèi)星大大縮短搜索衛(wèi)星的時(shí)間145無線AP定位利用可見Wi‐Fi接入點(diǎn)來定位在大城市中，無線AP數(shù)目多，定位非常精確在iPhone中成熟應(yīng)用146網(wǎng)絡(luò)定位用于無線傳感網(wǎng)、自組織網(wǎng)絡(luò)通過少量位置已知節(jié)點(diǎn)，定位出全網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的位置147定位技術(shù)定位技術(shù)的關(guān)鍵定位技術(shù)的兩個(gè)步驟常見定位技術(shù)148定位技術(shù)的關(guān)鍵有一個(gè)或多個(gè)已知坐標(biāo)的參考點(diǎn)得到待定物體與已知參考點(diǎn)的空間關(guān)系149定位技術(shù)的兩個(gè)步驟測(cè)量物理量→根據(jù)物理量確定目標(biāo)位置150常見定位技術(shù)基于距離的定位（ToA）基于距離差的定位（TDoA）基于信號(hào)特征的定位（RSS）151基于距離的定位（ToA）距離測(cè)量方法距離d=波速v*傳播時(shí)間Δt傳播時(shí)間Δt=收到時(shí)刻t–發(fā)出時(shí)刻t0問題：接受端如何得知t0？152利用波速差153測(cè)量波的往返時(shí)間154位置計(jì)算方法多邊測(cè)量（也稱多點(diǎn)測(cè)量）平面上定位，取三個(gè)參考點(diǎn)以每個(gè)參考點(diǎn)為圓心，到該參考點(diǎn)的距離為半徑畫圓，目標(biāo)必在圓上平面上三個(gè)圓交于一點(diǎn)實(shí)際中取用超過三個(gè)參考點(diǎn)，用最小二乘法減少誤差155基于距離差的定位（TDoA）ToA的局限需要參考點(diǎn)和測(cè)量目標(biāo)時(shí)鐘同步TDoA不需要參考點(diǎn)和測(cè)量目標(biāo)時(shí)鐘同步參考點(diǎn)之間仍然需要時(shí)鐘同步156距離差測(cè)距方法157位置計(jì)算方法158基于信號(hào)特征定位存在的問題159解決方法將信號(hào)強(qiáng)度看做“特征”預(yù)先布置N個(gè)參考節(jié)點(diǎn)測(cè)出N個(gè)參考節(jié)點(diǎn)信號(hào)的強(qiáng)度，得到一個(gè)N維向量事先測(cè)出區(qū)域中每個(gè)位置的特征向量將目標(biāo)測(cè)出的特征向量和事先測(cè)量值比對(duì)，找出位置缺點(diǎn)：不能應(yīng)對(duì)動(dòng)態(tài)變化160基于信號(hào)特征的動(dòng)態(tài)定位方法除了信號(hào)發(fā)送源，再布置一系列RFID標(biāo)簽作為參考標(biāo)志每個(gè)標(biāo)志隨時(shí)記錄自己收到的RSS信號(hào)強(qiáng)度特征向量將目標(biāo)測(cè)得的信號(hào)特征向量與參考標(biāo)志此時(shí)的特征向量進(jìn)行比對(duì)，確定位置，誤差在1m范圍以內(nèi)161大綱自動(dòng)識(shí)別技術(shù)傳感器技術(shù)定位系統(tǒng)智能信息設(shè)備162智能信息設(shè)備產(chǎn)生背景典型設(shè)備運(yùn)行平臺(tái)163產(chǎn)生背景信息技術(shù)的高速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，改變了傳統(tǒng)的生產(chǎn)、生活方式，給人類社會(huì)的發(fā)展帶來了深刻影響。普適計(jì)算與分布式網(wǎng)絡(luò)技術(shù)把計(jì)算嵌入到環(huán)境中，實(shí)現(xiàn)了自然的人機(jī)交互，營造了以人為本的信息服務(wù)新環(huán)境，是信息技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)。164電腦計(jì)算機(jī)是一種能夠按照指令對(duì)各種數(shù)據(jù)和信息進(jìn)行自動(dòng)加工和處理的電子設(shè)備它是誕生最早的智能設(shè)備165個(gè)人數(shù)字助理PersonalDigitalAssistant，PDA，掌上電腦；具有體積小，重量輕，便攜等特點(diǎn)。原先設(shè)計(jì)的用途是為輔助個(gè)人生活瑣事，故早期的PDA類似電子記事本，內(nèi)建行事歷、聯(lián)系人、工作、記事等基本軟件，所以只要內(nèi)建這四種功能體積又小(差不多手掌大小)，就可稱為PDA。PDA可細(xì)分為電子詞典、掌上計(jì)算機(jī)、手持計(jì)算機(jī)設(shè)備和個(gè)人通訊、助理機(jī)四大類。166個(gè)人數(shù)字助理的未來PDA的尺寸會(huì)變得更小，同時(shí)會(huì)將多種產(chǎn)品功能全部加以整合，更可個(gè)性化設(shè)定功能PDA是最有潛力的智能設(shè)備之一167新時(shí)代智能設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了信息空間和物理空間的融合，營造了以人為本的信息服務(wù)新環(huán)境。智能車載設(shè)備智能數(shù)字標(biāo)牌智能醫(yī)療設(shè)備智能家電智能手機(jī)168智能車載設(shè)備汽車電子占轎車成本30%，在高檔車還達(dá)到60%！提前3秒預(yù)警能有效避免交通事故發(fā)生；提前1.5秒提醒駕駛員能防止90%事故；提前0.5秒剎車能減少50%的碰撞能量。智能車載設(shè)備配合和智能流量管理系統(tǒng)可以大幅度提高交通效率。169遠(yuǎn)程車載信息服務(wù)系統(tǒng)170未來智能車載設(shè)備輔助駕駛員駕駛汽車準(zhǔn)確地判斷車與障礙物之間的距離及時(shí)發(fā)出警報(bào)或自動(dòng)剎車避讓提供人性化服務(wù)識(shí)別駕駛員駕駛的情緒和疲勞程度根