物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)概論（第2版）課件 第3章 物聯(lián)網(wǎng)感知層關(guān)鍵技術(shù)

第3章物聯(lián)網(wǎng)感知層關(guān)鍵技術(shù)《物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用》3.1本章的學(xué)習(xí)目標(biāo)1條形碼技術(shù)2RFID射頻技術(shù)3傳感器技術(shù)4無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)目錄CONTENTS5生物識(shí)別技術(shù)6物聯(lián)網(wǎng)定位技術(shù)7智能終端技術(shù)PART013.2自動(dòng)識(shí)別技術(shù)按照應(yīng)用領(lǐng)域和具體特征的分類標(biāo)準(zhǔn)，自動(dòng)識(shí)別技術(shù)一般可以分為以下幾類：（1）條碼識(shí)別技術(shù)；（2）射頻識(shí)別技術(shù)；（3）圖像識(shí)別技術(shù)；（4）磁卡及IC卡識(shí)別技術(shù)；（5）光學(xué)字符識(shí)別技術(shù)；（6）語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)。3.2.1自動(dòng)識(shí)別技術(shù)分類條形碼的發(fā)展歷史條形碼的研究始于美國(guó)。20世紀(jì)20年代，發(fā)明家JohnKermode想對(duì)郵政單據(jù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)分揀，發(fā)明了一個(gè)“條”表示數(shù)字“1”，兩個(gè)“條”表示數(shù)字“2”，并發(fā)明了由基本的元件組成的條碼識(shí)讀設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)信件的自動(dòng)分揀。20世紀(jì)40年代，美國(guó)的兩位工程師開始研究用代碼表示食品項(xiàng)目和相應(yīng)的自動(dòng)識(shí)別設(shè)備，并于1949年獲得了美國(guó)專利。20世紀(jì)70年代初，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展，條碼首先在美國(guó)的食品零售業(yè)應(yīng)用并取得成功。同時(shí)，InterfaceMechanisms公司開發(fā)出“二維碼”。1970年，美國(guó)統(tǒng)一編碼委員會(huì)成立（UCC,UniformCodeCouncil)。1972年，UCC推薦了由IBM公司提出的通用產(chǎn)品代碼UPC(UniversalProductionCode)，隨之而來的是使用UPC碼標(biāo)識(shí)商品和使用條碼掃描器的銷售點(diǎn)迅速增多。1977年，成立了“歐洲物品編碼協(xié)會(huì)”，推出了與UPC碼兼容的EAN碼（EuropeanArticleNumberingAssociation）。1981年，“歐洲物品編碼協(xié)會(huì)”更名為“國(guó)際物品編碼協(xié)會(huì)”IAN(InternationalArticleNumberingAssociation)。20世紀(jì)90年代，相繼出現(xiàn)了多種高容量條形碼——CODE49，PDF417等。1991年4月，“中國(guó)物品編碼中心”代表中國(guó)加入“國(guó)際物品編碼協(xié)會(huì)”。3.2.2條形碼技術(shù)條形碼的概念條形碼簡(jiǎn)稱條碼(Barcode)，它是“由一組規(guī)則排列的條、空及其對(duì)應(yīng)字符組成的標(biāo)記，用以表示一定的信息”?！皸l”指對(duì)光線反射率較低的部分（一般表現(xiàn)為深色，多用黑色），“空”指對(duì)光線反射率較高的部分（一般表現(xiàn)為淺色，多用白色）。條形碼識(shí)別是對(duì)紅外光或可見光進(jìn)行識(shí)別，由掃描器發(fā)出的紅外光或可見光照射條形碼標(biāo)記，深色的“條”吸收光多、反射光少，淺色的“空”吸收光少、反射光多，反射光進(jìn)入掃描器后，掃描器根據(jù)反射光的強(qiáng)弱將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電子脈沖，再由譯碼器將電子脈沖轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)，最后送入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與管理。3.2.2條形碼技術(shù)

條碼的分類按碼制分類可以把條碼分為UPC碼、EAN碼、25碼、交插25碼、ITF-14碼、ITF-6碼、39碼(Code3of9)、庫(kù)德巴碼(Codebar)、128碼、93碼等。按維數(shù)分類可以把條碼分為一維條碼、二維條碼、多維條形碼。3.2.2條形碼技術(shù)

一維條碼一維條碼只是在一個(gè)方向（一般是水平方向）表達(dá)信息，而在垂直方向則不表達(dá)任何信息，其一定的高度通常是為了便于閱讀器的對(duì)準(zhǔn)。一維條碼的應(yīng)用可以提高信息錄入的速度，減少差錯(cuò)率，可直接顯示內(nèi)容為英文、數(shù)字、簡(jiǎn)單符號(hào)。但一維條碼的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)量不多，主要依靠計(jì)算機(jī)中的關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)庫(kù)，在沒有數(shù)據(jù)庫(kù)和不便聯(lián)網(wǎng)的地方使用受用較大限制；保密性能不高；損污后可讀性差。按照應(yīng)用，一維條碼又可分為：商品條碼（EAN碼和UPC碼）和物流條碼（128碼、39碼、庫(kù)德巴(Codebar)碼等）。3.2.2條形碼技術(shù)

二維條碼二維條碼（2-dimensionalbarcode）是在水平和垂直方向的二維空間中都存儲(chǔ)信息的條碼，可直接表示英文、中文、數(shù)字、符號(hào)、圖形等；存儲(chǔ)數(shù)據(jù)量大，可用掃描儀直接讀取內(nèi)容，無需另接數(shù)據(jù)庫(kù)；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。信息容量大、安全性高、讀取率高、錯(cuò)誤糾正能力強(qiáng)等特性是二維條碼的最主要特點(diǎn)。一維條碼通常只是對(duì)物品進(jìn)行標(biāo)識(shí)，而二維條碼則可以對(duì)物品進(jìn)行詳細(xì)描述。二維條碼通常分為以下兩種類型：行排式二維條碼（2DSTACKEDBARCODE），又稱：堆積式二維條碼或?qū)优攀蕉S條碼矩陣式二維條碼（2DMATRIXBARCODE），又稱：棋盤式二維條碼3.2.2條形碼技術(shù)3.2.2條形碼技術(shù)行排式二維碼矩陣式二維碼二維條碼與一維條碼的比較二維條碼除了左右（條寬）的粗細(xì)及黑白線條有意義外，上下的條高也有意義。與一維條碼相比，由于左右（條寬）上下（條高）的線條皆有意義，故可存放的信息量就比較大。

從符號(hào)學(xué)的角度講，二維條碼和一維條碼都是信息表示、攜帶和識(shí)讀的手段。但從應(yīng)用角度講，盡管在一些特定場(chǎng)合我們可以選擇其中的一種來滿足我們的需要，但他們的應(yīng)用側(cè)重點(diǎn)是不同的：一維條碼用于對(duì)“物品”進(jìn)行標(biāo)識(shí)，二維條碼用于對(duì)“物品”進(jìn)行描述。3.2.2條形碼技術(shù)RFID（RadioFrequencyIdentification），即射頻識(shí)別，俗稱電子標(biāo)簽。它是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，通過射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，識(shí)別工作無須人工干預(yù)，也無需識(shí)別系統(tǒng)與特定目標(biāo)之間建立機(jī)械或光學(xué)接觸，可工作于多種惡劣環(huán)境。RFID技術(shù)可識(shí)別高速運(yùn)動(dòng)物體并可同時(shí)識(shí)別多個(gè)對(duì)象，操作快捷方便。3.2.3射頻識(shí)別技術(shù)RFID系統(tǒng)的組成一個(gè)完整的RFID系統(tǒng)是由閱讀器（Reader）、應(yīng)答器（Transponder）即電子標(biāo)簽（Tag）及應(yīng)用管理系統(tǒng)三個(gè)部分組成。3.2.3射頻識(shí)別技術(shù)RFID系統(tǒng)的工作原理3.2.3射頻識(shí)別技術(shù)RFID系統(tǒng)的分類RFID按應(yīng)用頻率的不同分為低頻(LF)、高頻(HF)、超高頻(UHF)、微波(MW)，相對(duì)應(yīng)的代表性頻率分別為：低頻135KHz以下、高頻13.56MHz、超高頻860M-960MHz、微波2.4GHz、5.8GHz。RFID按照電子標(biāo)簽?zāi)茉吹墓┙o方式分為無源RFID、有源RFID以及半有源RFID。RFID依據(jù)封裝形式的不同可分為信用卡標(biāo)簽、線形標(biāo)簽、紙狀標(biāo)簽、玻璃管標(biāo)簽、圓形標(biāo)簽及特殊用途的異形標(biāo)簽等。3.2.3射頻識(shí)別技術(shù)RFID系統(tǒng)的應(yīng)用RFID系統(tǒng)比較常見的有以下幾種應(yīng)用：

通道管理

數(shù)據(jù)采集與身份確認(rèn)系統(tǒng)

定位系統(tǒng)3.2.3射頻識(shí)別技術(shù)3.2.4圖像識(shí)別技術(shù)圖像識(shí)別技術(shù)是信息時(shí)代的一門重要的技術(shù)，是人工智能的一個(gè)重要領(lǐng)域。其產(chǎn)生目的是為了讓計(jì)算機(jī)代替人類去處理大量的物理信息。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，人類對(duì)圖像識(shí)別技術(shù)的認(rèn)識(shí)越來越深刻。圖像識(shí)別技術(shù)是一種立體視覺、運(yùn)動(dòng)分析、數(shù)據(jù)融合等實(shí)用技術(shù)的綜合應(yīng)用3.2.5磁卡及IC卡識(shí)別技術(shù)一、磁卡磁識(shí)別技術(shù)系列產(chǎn)品是集譯碼技術(shù)、數(shù)據(jù)存貯技術(shù)和通訊技術(shù)為一體的高新技術(shù)產(chǎn)品，使用磁卡作為信息錄入手段。二、IC卡IC卡(IntegratedCircuitCard，集成電路卡)，也稱智能卡、智慧卡、微電路卡或微芯片卡等。它是將一個(gè)微電子芯片嵌入標(biāo)準(zhǔn)的卡基中，做成卡片形式。。3.2.6光學(xué)字符識(shí)別技術(shù)光學(xué)字符識(shí)別技術(shù)，英文簡(jiǎn)稱OCR（opticalcharacterrecognition）。它是利用光學(xué)技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)把印在或者寫在紙上的文字讀取出來，并轉(zhuǎn)換成一種計(jì)算機(jī)能夠接受、人又可以理解的格式。3.2.7語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)，也被稱為自動(dòng)語(yǔ)音識(shí)別（AutomaticSpeechRecognition，ASR)，其目標(biāo)是將人類的語(yǔ)音中的詞匯內(nèi)容轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)可讀的輸入，如按鍵、二進(jìn)制編碼或者字符序列等。目前，很多手機(jī)客戶端、PC客戶端都可以來進(jìn)行語(yǔ)音的錄入（如訊飛語(yǔ)音輸入法）、語(yǔ)音身份識(shí)別（如建行手機(jī)APP語(yǔ)音認(rèn)證）等。PART033.3感知技術(shù)傳感器技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)中感知層的核心技術(shù)之一，作為物聯(lián)網(wǎng)中信息獲取的重要手段。傳感器技術(shù)與通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)一起構(gòu)成信息技術(shù)的三大支柱。3.3.1傳感器的感念傳感器的概念傳感器在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB7665-87中的定義是：“能感受規(guī)定的被測(cè)量件并按照一定的規(guī)律（數(shù)學(xué)函數(shù)法則）轉(zhuǎn)換成可用信號(hào)的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成”。國(guó)際電工委員會(huì)(IEC:InternationalElectrotechnicalCommittee)對(duì)傳感器的定義為：“傳感器是測(cè)量系統(tǒng)中的一種前置部件，它將輸入變量轉(zhuǎn)換成可供測(cè)量的信號(hào)”。傳感器在新韋式大詞典中定義為：“從一個(gè)系統(tǒng)接受功率，通常以另一種形式將功率送到第二個(gè)系統(tǒng)中的器件”。傳感器是一種把特定的被測(cè)信息（包括物理量、化學(xué)量等）按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成某種可用信號(hào)輸出的器件或裝置，其實(shí)質(zhì)是信號(hào)在不同能量形式之間的轉(zhuǎn)換。傳感器的基本特性包括靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性。3.3.1傳感器的感念3.3.1傳感器的感念人們?yōu)榱藦耐饨绔@取信息，必須借助于感覺器官，相應(yīng)的，物聯(lián)網(wǎng)為了收集各種信息，也需要借助于各種傳感器，兩者在功能上存在著一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系：視覺——光敏傳感器聽覺——聲敏傳感器嗅覺——?dú)饷魝鞲衅魑队X——化學(xué)傳感器觸覺——壓敏、溫敏、流體傳感器此外，傳感器在一些方面比人的感覺功能優(yōu)越。傳感器的組成傳感器一般由四個(gè)部分組成：敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、信號(hào)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換電路和輔助電源。在上述四個(gè)部分中，敏感元件和轉(zhuǎn)換元件是傳感器的核心部分。不同的傳感器其組成往往并不相同，并非所有傳感器都包括這四個(gè)部分。3.3.2傳感器的組成3.3.3傳感器的分類傳感器的分類按測(cè)量對(duì)象分類，如被測(cè)對(duì)象分別為：溫度、壓力時(shí)，則相應(yīng)的傳感器稱為溫度傳感器、壓力傳感器。按工作原理分類，可分為電阻式、電容式、電感式、壓電式、電磁式、磁阻式、光電式、壓阻式、熱電式、核輻射式、半導(dǎo)體式傳感器等。按傳感器的結(jié)構(gòu)參數(shù)在信號(hào)變換過程中是否發(fā)生變化，可分為物性型傳感器和結(jié)構(gòu)型傳感器。按輸出信號(hào)的性質(zhì)分類，可分為模擬傳感器、數(shù)字傳感器、膺數(shù)字傳感器和開關(guān)傳感器。按傳感器與被測(cè)對(duì)象是否接觸，可分為接觸式傳感器和非接觸式傳感器。按是否需要外接能源，可分為能量轉(zhuǎn)換型傳感器和能量控制型傳感器。按傳感器構(gòu)成分類，可分為基本型傳感器、組合型傳感器和應(yīng)用型傳感器。按作用形式可分為主動(dòng)型和被動(dòng)型傳感器。常用傳感器溫度傳感器脈搏傳感器煙霧傳感器距離傳感器角速度傳感器氣壓傳感器3.3.4常用的傳感器指紋技術(shù)

指紋是指人的手指末端正面皮膚上凸凹不平產(chǎn)生的紋線。紋線有規(guī)律的排列形成不同的紋型。紋線的起點(diǎn)、終點(diǎn)、結(jié)合點(diǎn)和分叉點(diǎn)，稱為指紋的細(xì)節(jié)特征點(diǎn)（minutiae）。由于其具有個(gè)體差異性、終身不變性，在當(dāng)前很多物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中指紋技術(shù)被用來進(jìn)行身份識(shí)別等功能。指紋識(shí)別系統(tǒng)的工作過程如下：3.3.5生物識(shí)別技術(shù)人臉識(shí)別技術(shù)

人臉識(shí)別技術(shù)是指利用分析比較的計(jì)算機(jī)技術(shù)識(shí)別人臉。它基于人的臉部特征，對(duì)輸入的人臉圖像或者視頻流進(jìn)行判斷。

人臉識(shí)別技術(shù)包含三個(gè)部分：

人臉檢測(cè)

人臉跟蹤

人臉比對(duì)

人臉識(shí)別系統(tǒng)主要包括四個(gè)組成部分，分別為：人臉圖像采集及

檢測(cè)、人臉圖像預(yù)處理、人臉圖像特征提取以及匹配與識(shí)別。3.3.5生物識(shí)別技術(shù)視網(wǎng)膜識(shí)別技術(shù)

視網(wǎng)膜是一些位于眼球后部十分細(xì)小的神經(jīng)（1英寸的1/50），它是人眼感受光線并將信息通過視神經(jīng)傳給大腦的重要器官，它同膠片的功能有些類似，用于生物識(shí)別的血管分布在神經(jīng)視網(wǎng)膜周圍，即視網(wǎng)膜四層細(xì)胞的最遠(yuǎn)處。視網(wǎng)膜掃描是采用低密度的紅外線去捕捉視網(wǎng)膜的獨(dú)特特征，血液細(xì)胞的唯一模式就因此被捕捉下來。視網(wǎng)膜掃描設(shè)備要獲得視網(wǎng)膜圖像，使用者的眼睛與錄入設(shè)備的距離應(yīng)在半英寸之內(nèi)，并且在錄入設(shè)備讀取圖象時(shí)，眼睛必須處于靜止?fàn)顟B(tài)。

雖然視網(wǎng)膜掃描的技術(shù)含量較高，但視網(wǎng)膜掃描技術(shù)可能是最古老的生物識(shí)別技術(shù)，在20世紀(jì)30年代，通過研究就得出了人類眼球后部血管分布唯一性的理論，進(jìn)一步的研究表明，即使是孿生子，這種血管分布也是具有唯一性的，除了患有眼疾或者嚴(yán)重的腦外傷外，視網(wǎng)膜的結(jié)構(gòu)形式在人的一生當(dāng)中都相當(dāng)穩(wěn)定。3.3.5生物識(shí)別技術(shù)虹膜識(shí)別技術(shù)

人的眼睛結(jié)構(gòu)由鞏膜、虹膜、瞳孔晶狀體、視網(wǎng)膜等部分組成。虹膜是位于黑色瞳孔和白色鞏膜之間的圓環(huán)狀部分，其包含有很多相互交錯(cuò)的斑點(diǎn)、細(xì)絲、冠狀、條紋、隱窩等的細(xì)節(jié)特征。而且虹膜在胎兒發(fā)育階段形成后，在整個(gè)生命歷程中將是保持不變的。這些特征決定了虹膜特征的唯一性，同時(shí)也決定了身份識(shí)別的唯一性。因此，可以將眼睛的虹膜特征作為每個(gè)人的身份識(shí)別對(duì)象。

虹膜識(shí)別就是通過對(duì)比虹膜圖像特征之間的相似性來確定人們的身份。虹膜識(shí)別技術(shù)的過程一般來說包含如下四個(gè)步驟：虹膜圖像獲取

圖像預(yù)處理

特征提取

特征匹配3.3.5生物識(shí)別技術(shù)定位技術(shù)概述隨著物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的不斷普及，定位技術(shù)的應(yīng)用如雨后春筍般的出現(xiàn)在人們的生活中，特別是隨著智能手機(jī)應(yīng)用的普及，手機(jī)APP的定位給我們的學(xué)習(xí)生活都帶來了很多的便利，當(dāng)然，我們也看到，定位技術(shù)也給人們的隱私帶來了很大挑戰(zhàn)。目前基于位置的服務(wù)主要有：（1）自動(dòng)導(dǎo)航，該服務(wù)可以給用戶提供到達(dá)目的地的最優(yōu)路徑。（2）搜索周邊服務(wù)信息，該服務(wù)可以提供指定位置的服務(wù)信息。（3）基于位置的社交網(wǎng)絡(luò)，該服務(wù)可以提供在指定位置附近使用相同社交網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的用戶信息。位置的信息與我們的生活息息相關(guān)，位置信息不是單純的“位置”，它包含地理位置（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）等三個(gè)方面。3.3.6物聯(lián)網(wǎng)定位技術(shù)衛(wèi)星定位技術(shù)衛(wèi)星定位是指通過利用衛(wèi)星和接收機(jī)的雙向通信來確定接收機(jī)的位置，可以實(shí)現(xiàn)全球范圍內(nèi)實(shí)時(shí)為用戶提供準(zhǔn)確的位置坐標(biāo)及相關(guān)的屬性特征。如果采用差分技術(shù)，其精度甚至可以達(dá)到米級(jí)。目前各國(guó)的衛(wèi)星定位系統(tǒng)如下：（1）美國(guó)：GPS定位系統(tǒng)；（2）俄羅斯：GLONASS定位系統(tǒng)；（3）歐盟：伽利略定位系統(tǒng)；