4.1 物联网感知层技术
根据第1章中关于物联网的定义，按照物联网内数据的流向及处理方式将物联网分为三个层次。物联网三层结构如图4.1所示。
图4.1 物联网三层结构图
在本章的学习中，将按物联网的三个层次对物联网所涉及的技术作介绍。
4.1.1 自动识别技术
1.自动识别的概念
自动识别（Automatic Identification，Auto-ID）是先将定义的识别信息编码按特定的标准代码化，并存储于相关的载体中，借助特殊的设备，实现定义编码信息的自动采集，并输入信息处理系统从而完成基于代码的识别。
自动识别技术是以计算机技术和通信技术为基础的一门综合性技术，是数据编码、数据采集、数据标识、数据管理、数据传输、数据分析的标准化手段。
2.自动识别系统
自动识别系统是一个以信息处理为主的技术系统，它输入将被识别的信息，输出已识别的信息。
自动识别系统的输入信息分为特定格式信息和图像图形格式信息两大类。
（1）特定格式信息识别系统
特定格式信息就是采用规定的表现形式来表示规定的信息。如图4.2（a）为一维条形码，图4.2（b）为二维条形码。
条形码识别的过程是：通过条码读取设备（如条码枪）获取信息，译码识别信息，得到已识别商品的信息。
（2）图像图形格式信息识别系统
图像图形格式信息则是指二维图像与一维波形等信息，如二维图像包括的文字、地图、照片、指纹、语音等，其识别技术在目前仍然处于快速发展过程中，在通讯、安全、娱乐等领域应用广泛。如图4.3所示为一幅指纹图片。
图4.2 条码形式
（a）EAN-13一维条形码 （b）二维条形码
图4.3 指纹图片
图像图形识别流程为：通过数据采集获取被识别信息，先预处理，再进行特征提取与选择，再进行分类决策，从而识别信息。
3.主要自动识别技术
（1）条码（Bar Code）技术
对条码最早的记载出现在1949年，而最早生产的条码是美国20世纪70年代的UPC码（通用商品条码）。EAN（European Article Number）原为欧洲编码协会，后来成为国际物品编码委员会，于2005年改名为GS1，中国于1988年成立物品编码中心，1991年加入EAN，2002年美国加入EAN。20世纪90年代出现了二维条码。
①条码的概念
条码是由一组规则排列的条、空以及对应的字符组成的标记。“条”指对光线反射率较低的部分，“空”指对光线反射率较高的部分，这些条和空组成的数据表达一定的信息，并能够用特定的设备识读，转换成与计算机兼容的二进制和十进制信息。条码分为一维码和二维码，其具体形式参考图4.2，更多形式的条码将在后续课程学习。
②条码的编码方法
条码编码方法有两种：
●宽度调节法：组成条码的条或空只由两种宽度的单元构成，尺寸较小的单元称为窄单元，尺寸较大的单元称为宽单元，通常宽单元是窄单元的2～3倍。窄单元表示数字“0”，宽单元表示数字“1”，而不管它是条还是空，如图4.4（a）所示。采用这种方法编码的条码有25码、39码、93码、库德巴码等。
●模块组配法：组成条码的每一个模块具有相同的宽度，而一个条或一个空是由若干个模块构成的，每一个条的模块表示一个数字“1”，每一个空的模块表示一个数字“0”，如图4.4（b）所示。第一个条是由三个模块组成的，表示“111”；第二个空是由两个模块组成的，表示“00”；而第一个空和第二个条则只有一个模块，分别表示“0”和“1”。采用这种方法编码的条码有商品条码、CODE-128码等。
图4.4 条码的编码方法
注意：判断条码码制的一个基本方法是看组成条码的条空，如果所有的条空都只有两种宽度，那无疑是采用宽度调节法的条码，如果条空只有1种或具有两种以上宽窄不等的宽度，那就肯定是模块组配法的条码。
③条码识别系统
条码识别系统是由光学阅读系统、放大电路、整形电路、译码电路和计算机系统等部分组成。条码识别系统如图4.5（a）所示。通常，条码识别过程如下：
图4.5 条码识别
当打开条码扫描器开关，条码扫描器光源发出的光照射到条码上时，反射光经凸透镜聚焦后，照射到光电转换器上。光电转换器接收到与空和条相对应的强弱不同的反射光信号，并将光信号转换成相应的电信号输出到放大电路进行放大。
放大后的电信号仍然是一个模拟信号，为了避免条码中的疵点和污点产生错误条码信息，在放大电路后加一放大整形电路，把模拟信号转换成数字信号，以便计算机系统能准确判断。
条码扫描识别的处理过程中信号的变化如图4.5（b）所示。整形电路的脉冲数字信号经译码器译成数字、字符信息，它通过识别起始、终止字符来判断出条码符号的码制及扫描方向，通过测量脉冲数字电信号1、0的数目来判断条和空的数目，通过测量1、0信号持续的时间来判别条和空的宽度，这样便得到了被识读的条码的条和空的数目及相应的宽度和所用的码制，根据码制所对应的编码规则，便可将条形符号转换成相应的数字、字符信息。通过接口电路，将所得的数字和字符信息送入计算机系统进行数据处理与管理，完成条码识读的全过程。
④各类条码阅读设备
光笔：是最先出现的一种手持接触式条码阅读器，也是最为经济的一种条码阅读器，如图4.6（a）所示。使用时，将光笔接触到条码表面，光笔的镜头发出光点，当这个光点从左到右划过条码时，在“空”部分光线被反射，“条”的部分光线被吸收，使光笔内部产生一个变化的电压，这个电压通过放大、整形后用于译码。
CCD阅读器：为电子耦合器件（Charg Couple Device），比较适合近距离和接触阅读，它的价格没有激光阅读器贵，而且内部没有移动部件，如图4.6（b）所示。
图4.6 条码阅读设备
激光扫描仪：是各种扫描器中价格相对较高的，但它所能提供的各项功能指标最高。激光扫描仪分为手持与固定两种形式：手持激光扫描仪连接方便简单、使用灵活；固定式激光扫描仪适用于阅读量较大、条码较小的场合，有效解放双手工作，如图4.6（c）所示。
固定式扫描器：又称固体式扫描仪，用在超市的收银台等，如图4.6（d）所示。
数据采集器：是一种集掌上电脑和条形码扫描技术于一体的条形码数据采集设备，它具有体积小、质量轻、可移动使用、可编程定制业务流程等优点，如图4.6（e）所示。
数据采集器有线阵和面阵两种：线阵图像采集器可以识读一维条码符号和堆积式的条码符号。面阵图像采集器类似“数字摄像机”拍摄静止图像，它通过激光束对识读区域进行扫描，采集照亮区域的反射信号进行识别，其可以识读二维条码，当然也可以在多个方向识读一维条码。
（2）射频识别技术
射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）技术将在4.1.2小节中进行介绍。
小知识
条码阅读器连接
每种阅读器阅读条码的方式虽然不同，但最终结果都是将信息转换为数字信号从而被计算机识读，这要通过阅读器自带的或阅读器和主机之间的一个单独设备中的译码软件来完成，译码器将条码进行识别并加以区分，然后上传到主计算机。将数据上传到需要与主机进行连接或接口，每一接口要有两个不同的层：一个是物理的层（硬件），另一个是逻辑的层，即指通信协议。
常用的接口方式有：键盘口、串口或者直接连接；新型的也采用USB接口。
在使用键盘接口方式时，阅读器所传出的条码符号的数据被PC或终端认为是自身的键盘所发出的数据，同时，它们的键盘也能够发挥所有功能。
在键盘接口的速度太慢，或者其他接口方式不可用时，可以采用串口连接的方式，用RS232接口进行连接。
直接连接有两种意思：一种指阅读器不需要外加译码设备直接向主机输出数据；另一种指译码后的数据不通过键盘直接连到主机。
（3）生物特征识别技术
生物特征识别技术（Biometric Identification Technology）即通过计算机与传感器等科技手段和生物统计学原理密切结合，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。
生理特征与生俱来，多为先天性的；行为特征则是习惯使然，多为后天性的。将生理和行为特征统称为生物特征。常用的生理特征有脸相、指纹、虹膜等；常用的行为特征有步态、签名等。声纹兼具生理和行为的特点，介于两者之间。
并非所有的生物特征都可用于个人的身份鉴别。身份鉴别可利用的生物特征必须满足以下几个条件：
●普遍性，即必须每个人都具备这种特征。
●唯一性，即任何两个人的特征是不一样的。
●可测量性，即特征可测量。
●稳定性，即特征在一段时间内不改变。
当然，在应用过程中，还要考虑其他的实际因素，比如：识别精度、识别速度、对人体无伤害、被识别者的接受性等。
生物特征识别技术实现识别的过程：生物样本采集→采集信息预处理→特征抽取→特征匹配。
下面将介绍几种热门的生物特征识别技术：
①指纹识别技术
指纹识别技术是通过取像设备读取指纹图像，然后用计算机识别软件分析指纹的全局特征和局部特征，特征点如嵴、谷、终点、分叉点和分歧点等，从指纹中抽取特征值，可以非常可靠地确认一个人的身份。
指纹识别的优点表现在：研究历史较长，技术相对成熟；指纹图像提取设备小巧；同类产品中，指纹识别的成本较低。其缺点表现在：指纹识别是物理接触式的，具有侵犯性；指纹易磨损，手指太干或太湿都不易提取图像。如图4.7所示为各种基于指纹识别的应用。
图4.7 指纹识别设备
②虹膜识别技术
虹膜是指眼球中瞳孔和眼白之间充满了丰富纹理信息的环形区域，每个虹膜都包含一个独一无二的基于水晶体、细丝、斑点、凹点、皱纹和条纹等特征的结构。虹膜识别技术就是利用虹膜这种终生不变性和差异性的特点来识别身份的，过程如图4.8所示。
图4.8 虹膜识别技术
目前世界上还没有发现虹膜特征重复的案例，虹膜识别技术与相应的算法结合后，可以达到十分优异的准确度，即使全人类的虹膜信息都录入到一个数据库中，出现认假和拒假的可能性也相当小。和常用的指纹识别相比，虹膜识别技术操作更简便，检验的精确度也更高。现有的计算机和CCD摄像机即可满足其对硬件的需求，在可以预见的未来，安全控制、海关进出口检验、电子商务等多种领域的应用，必然会以虹膜识别技术为重点。
③基因（DNA）识别技术
DNA（脱氧核糖核酸）存在于一切有核的动（植）物中，生物的全部遗传信息都贮存在DNA分子里。DNA识别技术是利用不同人体的细胞中具有不同的DNA分子结构。人体内的DNA在整个人类范围内具有唯一性和永久性。因此，除了对双胞胎个体的鉴别可能失去它应有的功能外，这种方法具有绝对的权威性和准确性。不像指纹必须从手指上提取，DNA模式在身体的每一个细胞和组织都一样，这种方法的达准确性优于其他任何生物特征识别方法，它广泛应用于识别罪犯。其主要问题是被识者的伦理问题和实际可接受性，另外DNA模式识别必须在实验室中进行，不能实现实时以及抗干扰，耗时长也是一个问题。这些都限制了DNA识别技术的使用。另外，某些特殊疾病可能改变人体DNA的结构，系统无法对这类人群进行识别。
图4.9 步态识别
④步态识别技术
步态是指人们行走时的方式，这是一种复杂的行为特征。步态识别主要提取的特征是人体每个关节的运动。尽管步态不是每个人都不相同的，但是它也提供了充足的信息来识别人的身份。步态识别的输入是一段行走的视频图像序列，因此其数据采集与脸相识别类似，具有非侵犯性和可接受性。如图4.9所示为步态识别图像序列。
但是，由于序列图像数据量较大，因此步态识别的计算复杂性比较高，处理起来也比较困难。尽管生物力学中对于步态进行了大量的研究工作，基于步态的身份鉴别的研究工作却是刚刚开始。
⑤签名识别技术
签名作为身份认证的手段已经沿用了几百年，我们都很熟悉在银行的格式表单中签名作为我们身份的标志。将签名进行数字化的过程为：测量图像本身以及整个签名的动作——在每个字以及字之间的不同速度、顺序和压力。签名识别易被大众接受，是一种公认的身份识别技术。但事实表明人们的签名在不同的时期和不同的精神状态下是不一样的，这降低了签名识别系统的可靠性。
⑥语音识别技术
让机器听懂人类的语音，这是人们长期以来梦寐以求的事情。伴随着计算机技术的发展，语音识别已成为信息产业领域的标志性技术，在人机交互应用中逐渐进入人们日常的生活，并迅速发展成为改变未来人类生活方式的关键技术之一。
语音识别技术以语音信号为研究对象，是语音信号处理的一个重要研究方向。其最终目标是实现人与机器进行自然语言通信。
生物特征识别技术随着计算机技术、传感器技术的发展逐步成熟，在诸多领域会被更多地采用。目前，生物特征识别技术主要应用在以下方面：
●高端门禁：国家机关、企事业单位、科研机构、高档住宅楼、银行金库、保险柜、枪械库、档案库、核电站、机场、军事基地、保密部门、计算机房等的出入控制。
●公安刑侦：流动人口管理、出入境管理、身份证管理、驾驶执照管理、嫌疑犯排查、抓逃、寻找失踪儿童、作为司法证据等。
●医疗社保：献血人员身份确认、社会福利领取人员、劳保人员身份确认等。
●网络安全：电子商务、网络访问、电脑登录等。
●其他应用：考勤、考试人员身份确认、信息安全等。
（4）图像识别技术
图像识别技术是利用计算机对图像进行处理、分析和理解，以识别各种不同模式的目标和对象的技术。随着计算机技术与信息技术的发展，图像识别技术获得了越来越广泛的应用。如医疗诊断中各种医学图片的分析与识别、天气预报中卫星云图识别、遥感图片识别、指纹识别、脸谱识别等，图像识别技术越来越多地渗透到人们的日常生活中。
（5）光学字符识别技术
光学字符识别（Optical Character Recognition，OCR），也可简单地称为文字识别，是文字自动输入的一种方法。OCR识别技术可分为印刷体识别技术和手写体识别技术，而后者又分为联机手写识别和脱机手写识别技术。在智能手机和计算机上手写技术都得到了广泛应用，受到用户的欢迎。印刷体识别通过扫描和摄像等光学输入方式获取纸张上的文字图像信息，利用各种模式识别算法分析文字形态特征，判断出汉字的标准编码，并按通用格式存储在文本文件中，从根本上改变了人们对计算机汉字人工编码录入的概念。使人们从繁重的键盘录入汉字的劳动中解脱出来。只要用扫描仪将整页文本图像输入到计算机，就能通过OCR软件自动产生汉字文本文件，速度比手工录入快几十倍。
4.自动识别技术的发展
自动识别技术随着计算机技术、传感器技术、通信技术、物联网技术的发展日新月异，它已成为集计算机、传感器、机电、通信技术为一体的高新技术学科。自动识别技术可以帮助人们快速、准确地进行数据的自动采集和输入，解决计算机应用中的数据输入速度慢、出错率高等问题。目前在商业、工业、交通运输业、邮电通信业、物流、仓储、医疗卫生、安全检查、餐饮、旅游、票证管理以及军事装备管理等国民经济各行各业和人们的日常生活中得到广泛应用。
自动识别技术在20世纪70年代初步形成规模，在近40年的发展中，逐步形成了一门包括条码技术、磁卡（条）技术、智能卡技术、射频技术、光学字符识别、生物识别和系统集成在内的高技术学科。其中应用最早、发展最快的条码识别技术已得到广泛的应用。射频识别技术、生物特征识别技术的发展和应用带来了物联网技术革命。
从目前的情况来看，自动识别技术会朝着以下方向发展：
●多种识别技术的集成化、智能化应用。
●自动识别技术的应用领域将更加广泛和深入。
●新的自动识别技术标准不断涌现，标准体系日趋完善。
●自动识别技术将与数据库技术、管理技术融合，为智能管理决策提供支持。
案例分析
条码在电器生产流水线上的应用
（1）项目需求
生产过程管理是一个企业的灵魂，企业产品的好坏主要取决于生产过程的管理和控制。条码技术在生产线管理上应用广泛，优势如下：
产品的生产工艺在生产线上能即时、有效地反映出来，省却了人工跟踪的劳动；产品（订单）的生产过程能在计算机上显现出来，找到生产中的瓶颈；可以快速统计和查询生产数据，为生产调度、排单等提供依据；发现不合格产品，能查出是人为问题或是零件问题，并提供实用的分析报告。
（2）生产流水线条码系统的主要需求分析
电器生产企业在生产过程中利用条码来监控生产情况，需要完成以下功能：
①质量跟踪：能跟踪整机及主要基板（PCB板）的型号（主板、电源或其他主要配件）、生产场地、生产日期、班组生产线、PCB板版本号、工程变更（ECO）、批量和序号等信息。
②生产实时动态跟踪：能随时从计算机中得知实际生产的情况。
③客户跟踪：能从计算机中随时得到客户的姓名、地址和发货数量。
④报表功能：提供各类管理报表供管理层复审。
（3）解决方案
①条码应用流程
条码在生产线上的应用流程如图4.10所示。
图4.10 条码生产线应用流程图
②条码编制
该系统可包含4个主要的数据库：系统设计库、用户库、PCB库和整机库。条码标签必须包含的信息：型号／标志、生产场地、生产日期、生产班组／生产线、批号和序号，并且条码跟踪系统软件能够接受不同的条码格式及尺寸的要求。条码标签分别用于PCB板、整机、包装箱和保修卡上。
③生产线条码系统框图
生产线条码系统由硬件系统和软件系统组成。硬件系统是基础，软件系统完成条码信息的采集、存储和查询，从而实现基于条码的产品质量监督管理系统。系统硬件如图4.11所示，主要由数据库服务器、监控计算机、条码阅读器、条码扫描网络仪、条码打印机等组成，条码扫描仪和条码网络仪之间采用RS485／422总线进行通信，成本低、速度快。数据库服务器和监控计算机之间采用工业以太网进行通信。图4.12为软件系统框图，主要由条码数据采集、数据库和生产调度、监视、作业计划、任务管理和统计分析等模块组成。
图4.11 生产线条码监控系统硬件结构图
（4）项目总结
项目综合应用条码技术、计算机技术、数据库技术和通信技术解决了生产线质量监控问题。
4.1.2 RFID（射频识别）技术
1.RFID技术概述
（1）RFID技术的概念
RFID技术是一种非接触式的自动识别技术，它利用射频信号（一般指微波，即波长为0 1～100 cm或频率在1～100 GHz的电磁波）通过空间耦合实现非接触信息传递并通过所传递的信息实现识别的目的。识别过程无须人工干预，可工作于各种恶劣环境，可识别高速运动物体并可同时识别多个标签，操作快捷方便。
图4.12 生产线条码监控系统软件框图
（2）RFID技术的特点
RFID技术具有体积小、信息量大、寿命长、可读写、保密性好、抗恶劣环境、不受方向和位置影响、识读速度快、识读距离远、可识别高速运动物体、可重复使用等特点，支持快速读写、非可视识别、多目标识别、定位及长期跟踪管理。RFID技术与网络定位和通信技术相结合，可实现全球范围内物资的实时管理、跟踪与信息共享。如现在发快递的时候就可以在网络上输入快递单号，查看快递位置。图4.13为申通快递主页上的查询界面，只要输入快件号后单击查询就能获取自己的快递信息。
图4.13 快递查询
RFID技术是一种突破性的技术，和条码技术的区别见表4.1。
（3）RFID技术的应用现状
RFID技术应用于物流、制造、消费、军事、贸易、公共信息服务等行业，可大幅提高信息获取与系统效率、降低成本，从而提高应用行业的管理能力和运作效率，降低环节成本，拓展市场覆盖和盈利水平。同时，RFID本身也将成为一个新兴的高技术产业群，成为物联网产业的支柱性产业。RFID应用系统正在由单一识别向多功能方向发展，国家正在推行RFID示范性工程，推动RFID实现跨地区（如农产品溯源）、跨行业（如汽车生产行业、物流、消费行业）应用。研究RFID技术、应用RFID开发项目、发展RFID产业，对提升国家信息化整体水平、促进物联网产业高速发展、提高人民生活质量、增强公共安全等有深远的意义。
表4.1 条码和电子标签的区别
2.RFID系统的构成及工作原理
（1）RFID系统的定义
采用射频标签作为识别标志的应用系统称为RFID系统。
（2）RFID系统的构成
基本的射频识别系统通常由射频标签、读写器和计算机通信网络三部分组成，如图4.14所示。
图4.14 RFID系统基本模型图
●电子标签（Tag，或称射频标签、应答器）：由芯片及内置天线组成。芯片内保存有一定格式的电子数据，作为待识别物品的标识性信息，是射频识别系统真正的数据载体。内置天线用于和射频天线间进行通信。
●读写器：读取或写入电子标签信息的设备，主要任务是控制射频模块向标签发射读取信号，并接收标签的应答，对标签的对象标识信息进行解码，将对象标识信息连带标签上其他相关信息传输到主机以供处理。
●天线：标签与阅读器之间传输数据的发射／接收装置。
（3）RFID系统的工作原理
RFID的工作原理是：电子标签进入天线磁场后，如果接收到阅读器发出的特殊射频信号，就能凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息（无源标签），或者主动发送某一频率的信号（有源标签），阅读器读取信息并解码后，送至中央信息系统进行有关数据处理。发生在阅读器和电子标签之间的射频信号的耦合类型有电感耦合和电磁反向散射耦合两种，如图4.15所示。
图4.15 RFID耦合方式
①电感耦合
变压器模型，通过空间高频交变磁场实现耦合，依据的是电磁感应定律。
②电磁反向散射耦合
雷达原理模型，发射出去的电磁波，碰到目标后反射，同时携带回目标信息，依据的是电磁波的空间传播规律。
（4）RFID系统的分类
RFID系统中射频标签与读写器之间的作用距离是射频识别系统中的一个重要问题。根据RFID系统作用距离的远近情况，RFID系统可分为密耦合、遥耦合和远距离三类。
①密耦合系统
密耦合系统中射频标签一般是无源标签。密耦合系统的典型作用距离范围从0～10 cm。实际应用中，通常需要将电子标签插入阅读器中或将其放置到读写器天线的表面。密耦合系统利用的是电子标签与读写器天线无功近场区之间的电感耦合（闭合磁路）构成无接触的空间信息传输射频通道来工作的。密耦合系统的工作频率一般局限在30 MHz以下的任意频率。由于密耦合方式的电磁泄露很小、耦合获得的能量较大，因而可适合要求安全性较高，作用距离无要求的应用系统，如电子门锁等。
②遥耦合系统
遥耦合系统的典型作用距离可以达到1 m。遥耦合系统又可细分为近耦合系统（典型作用距离为10 cm）与疏耦合系统（典型作用距离为1m）两类。遥耦合系统利用的是电子标签与读写器天线无功近场区之间的电感耦合（闭合磁路）构成无接触的空间信息传输射频通道来工作的。遥耦合系统的典型工作频率为13.56 MHz，也有一些其他频率，如6.75 MHz，27.125 MHz等。遥耦合系统目前仍然是低成本RFID系统的主流。
③远距离系统
远距离系统的典型作用距离在1～10 m，个别的系统具有更远的作用距离。所有的远距离系统均是利用电子标签与读写器天线辐射远场区之间的电磁耦合（电磁波发射与反射）构成无接触的空间信息传输射频通道来工作的。远距离系统的典型工作频率为：915 MHz，2.45 GHz，5.8 GHz，此外，还有一些其他频率，如433 MHz等。远距离系统的电子标签根据其中是否包含电池分为有无源电子标签（不含电池）和半无源电子标签（内含电池）。一般情况下，包含有电池的电子标签的作用距离较无电池的电子标签的作用距离要远一些。半无源电子标签中的电池并不是为电子标签和读写器之间的数据传输提供能量，而是只给电子标签芯片提供能量，为读写存贮数据服务。
（5）RFID系统的能量传送
由于RFID卡卡内无电源，供芯片运行所需要的全部能量必须由阅读器传送。阅读器和RFID卡之间能量的传递基于耦合变压器原理，其工作原理如图4.16所示。
图4.16 电感耦合方式给RFID卡供电原理图
阅读器终端天线产生强大的高频磁场以便传送能量，最常用的频率有125 kHz和13.56 MHz。如果一个RFID卡被放到阅读器天线附近，阅读器天线的磁场的一部分就会穿过卡的线圈，在卡的线圈里感生电压U i。这个电压被整流后就用来对芯片供电。由于阅读器天线与卡片线圈的耦合非常弱，因此需要使天线线圈里的电流量增大，以便达到必要的磁场强度，这通过给线圈LT并联一个电容CT来实现。电容的值要经过选择，以使其和天线的并联谐振频率与所传递的信号频率相匹配。
（6）RFID系统的数据传送
RFID系统的数据传送如图4.17所示，包含编码、调制、解码等过程。其具体的内容将在后续课程中进行学习。
图4.17 RFID数据传送
3.RFID标签
射频标签（RFID TAG）是安装在被识别对象上，存储被识别对象相关信息的电子装置，常称为电子标签，如图4.18所示。它是射频识别系统的数据载体，是射频识别系统的核心。
图4.18 RFID标签实物
值得注意的是像公交卡、银行卡和二代身份证等都属于RFID标签。
（1）RFID标签的分类
①按标签的工作方式分类
●主动式标签：用自身的射频能量主动地发射数据给读写器的标签。主动标签含有电源。
●被动式标签：由读写器发出查询信号触发后进入通信状态的标签。被动标签可有源也可无源。
②按标签的读写方式分类
●只读型标签：只能读出不能写入的标签。可分为以下三类：
只读标签：内容出厂时已写入，识别时只可读出，不可改写。
一次性编程只读标签：标签内容只可在应用前一次性编程写入，识别过程中内容不可改写。
可重复编程只读标签：标签内容经擦除后可重新编程写入，识别过程中内容不可改写。
●读写型标签：标签内容既可被读写器读出，又可由读写器写入的标签。
③按标签有无能源分类
●无源标签：标签中不含电池的标签。工作能量来自阅读器射频能量。
●有源标签：标签中含有电池的标签。不需利用阅读器的射频能量。
●半有源标签：阅读器的射频能量起到唤醒标签转入工作状态的作用。
④按标签的工作频率分类
●低频标签：500 kHz以下。
●中高频标签：3～30 MHz。
●特高频标签：300～3 000 MHz。
●超高频标签：3 GHz以上。
⑤按标签的工作距离分类
●远程标签：工作距离1 m以上。
●近程标签：10～100 cm。
●超近程标签：0 2～10 cm。
（2）RFID标签的构成
射频识别标签一般由天线、调制器、编码发生器、时钟及存储器构成，如图4.19所示。
图4.19 射频识别标签构成
（3）RFID标签的功能
●具有一定容量的存储器，用于存储被识别对象的信息。
●在一定工作环境及技术条件下标签数据能被读出或写入。
●维持对对象的识别及相关信息的完整性。
●数据信息编码后，工作时可传输给读写器。
●可编程，且一旦编程后，永久性数据不能再修改。
●具有确定的期限，使用期限内无须维修。
（4）RFID工作频率
RFID工作频率见表4.2。
表4.2 RFID工作频率
①低频（LF）标签
低频标签工作频率范围30～300 kHz，典型的工作频率有：125 kHz，133 kHz，低频标签一般为无源标签，工作能量通过电感耦合（近场）获得，阅读距离小于1 m。
典型应用：动物识别、容器识别、工具识别、自动化生产线、精密仪器、电子闭锁防盗等。国际标准有：ISO 11784／11785（用于动物识别）、ISO 18000-2（125～135 kHz）
低频标签的优势：具有省电、廉价的特点；工作频率不受无线电频率管制约束；可以穿透水、有机组织、木材等；非常适合近距离、低速度、数据量要求较少的识别应用。
低频标签的劣势：存储数据量少，只能适合低速、近距离的识别应用；与高频标签相比，天线匝数更多，成本更高一些。
②高频（HF）标签
高频标签工作频率范围为3～30 MHz，典型工作频率为13.56 MHz，中高频标签一般也采用无源设置，其工作能量和低频标签一样，也是通过电感耦合（近场）获得，其基本特点与低频标签相似，由于其工作频率的提高，可以选用较高的传输速度，天线设计相对简单，标签一般制成卡片形状。
典型的应用包括：无线IC卡、电子车票、电子身份证、电子闭锁防盗、自动化生产线等。相关的国际标准有ISO 14443、ISO 15693、ISO 18000-3（13.56 MHz）等。
③特高频（UHF）与超高频（SHF）标签
超高频与微波频段的射频标签，简称为微波射频标签。阅读距离一般大于1 m，典型情况为4～6 m，最大可达10 m以上。各工作频率的用途及特点：
●433 MHz左右：耦合方式为反向散射耦合（远场），主要用于货物管理及特定场合。该频段电磁波绕射能力强，工作距离较远，但天线尺寸较大，该频段的无线电业务繁杂，容易引起干扰问题。相关的国际标准有ISO 18000-7（433 92 MHz）
●800 MHz／900 MHz频段：我国于近期规划出840～845 MHz及920～925 MHz频段用于RFID技术，空间耦合方式为反向散射耦合，主要用于商品货物流通。该频段电磁波绕射能力强，最大工作距离可达8 m，背景电磁噪声小，天线尺寸适中，射频标签易于实现，是全球范围内货物流通领域大规模使用RFID技术的最合适频段。相关的国际标准有ISO 18000-6（860-930 MHz）
●2.45 GHz／5.8 GHz频段：空间偶合方式为反向散射耦合（远场），主要用途为车辆识别和货物流通。该频段电磁波为视距传播，绕射能力差，且相对来讲空间损耗大，因此工作范围小。由于频率高，相对而言制造成本大，同时该频段为ISM频段，电磁环境复杂，干扰问题在特定场合可能较为突出。相关的国际标准有ISO 18000-4（2.45 GHz）、ISO 18000-5（5.8 GHz）。
4.射频读写器
射频读写器（Reader and Writer）根据具体实现功能的特点有其他较为流行的别称：单纯读取标签信息的设备有阅读器（Reader）、读出装置（Reading Device）、扫描器（Scanner）等。单纯向标签内存写入信息的设备有编程器（Programmer）、写入器（Writer）等。综合具有读取与写入标签内存信息的设备有读写器、通信器（Communicator）等。
（1）射频读写器
射频读写器如图4.20所示。
（2）射频读写器的构成
读写器一般由天线、射频通信模块、控制处理模块和I／O接口模块组成，如图4.21所示。
①天线
天线是发射和接收射频载波的设备。不管何种射频读写设备均少不了天线或耦合线圈。在确定的工作频率和带宽条件下，天线发射由射频模块产生的射频载波，并接收从标签发射回来的射频载波。对RFID系统而言，天线是射频标签和读写器的空间接口。
②射频通信模块
射频通信模块是射频读写设备的前端，也是影响系统价格的关键，主要由射频振荡器、射频处理器、射频接收器及前置放大器组成。射频通信模块可分为发射通道和接收通道两部分，分别用于发射和接收射频载波。射频通信模块通常完成控制处理模块传送来的发送控制命令，其主要功能有两项，一是将读写器预发往射频标签的命令调制（装载）到射频信号上，经发射天线发送出去；二是对射频标签返回到读写器的回波信号的解调处理，并将处理后的回波基带信号送控制处理模块。
图4.20 射频读写器实物图
图4.21 RFID读写器构成
③控制处理模块
控制处理模块是射频读写设备的智能单元。其主要功能包括实现发送到射频标签命令的编码，回波信号的解码；差错控制，读写命令流程策略控制；发送命令缓存，接收数据缓存；与后端应用程序之间的接口协议实现，I／O控制等。其主要部件包括：CPU或MPU（单片机）：智能处理单元，内装嵌入程序；CPU或MPU外围接口电路：为CPU或MPU提供必要的存储区、中断控制器、I／O信号与I／O接口控制信号等；信号加工、缓存等处理电路：对发送命令、接收回波信号进行编码、解码、缓冲存储等；时钟电路、看门狗电路；为CPU或MPU提供工作时钟以及系统自恢复功能；其他控制与接口电路：根据系统的功能，实现相应的控制与接口预处理。
④I／O接口模块
I／O接口模块用于实现读写设备与外部传感器、控制器以及应用系统主机之间的输入与输出通信。常用的I／O接口类别有：
●RS232串行接口：计算机流行的标准串行通信接口，可实现双向数据传输。优点是标准接口、通用、流行；缺点是传输速度与传输距离受限。
●RS422／485串行接口：标准串行接口，支持远距离通信，标准传输距离1200 m。采用差分数据传输模式，抗干扰能力较强。通信速度范围与RS232相同。
●标准并行打印接口：通常用于为读写设备提供外接打印机，输出读写信息的功能。
●以太网接口：提供读写设备直接入网接入端口，一般均支持TCP／IP协议。
●红外线IR接口：提供红外线接口，近距离串行红外无线传输，传输速度与标准串口高速相当。
●USB接口：标准串行接口，短距离、高速传输接口。
（3）读写器的分类
①按通信方式分类，可分为读写器优先和标签优先两类。
②按传送方向分类，可分为全双工（FDX）和半双工（HDX）两类。
③按应用模式分类，可分为固定式、便携式、一体式和模块式。
（4）读写器的选择
根据读写器的功能多寡、频率频段、应用环境、电子标签协议进行选择。
5.通信协议
与通信协议相关的问题包括：时序系统问题、通信握手问题、数据帧问题、数据编码问题、数据的完整性问题、多标签读写防冲突问题、干扰与抗干扰问题、识读率与误码率的问题、数据的加密与安全性问题、读写器与应用系统之间的接口问题等。相关的内容将在后续课程中继续学习。
案例分析
RFID技术的应用
（1）在交通信息化方面
在智能交通领域的主要应用有电子不停车收费系统、铁路车号车次识别系统、智能停车场管理系统、公交“一卡通”乘车系统、地铁／轻轨收费系统。如图4.22为智能车库，由RFID、车辆检测器、摄像机、控制计算机软硬件系统组成。
（2）在工业自动化方面
在工业生产中用于产品质量追踪系统、设备状态监控系统。如图4.23为汽车发动机质量追踪系统工作原理示意图。生产线上安装RFID阅读器，发动机托盘上安装RFID卡，发动机上线即写入汽车发动机条码信息，每个岗位可根据读取的条码信息将对应的加工数据通过以太网传输到服务器，从而实现对汽车发动机生产过程的质量监控。
（3）在物资与供应链管理方面
在该行业用于航空、邮政包裹的识别、集装箱自动识别系统、智能托盘系统、仓储管理。如图4.24所示，在包裹上贴RFID标签，通过手持式的阅读器读取，即可在计算机上取得标签信息，再通过计算机网络查询资料中心数据库取得包裹的所有信息，从而实现对包裹的跟踪、管理。
图4.22 RFID智能车库
图4.23 RFID汽车发动机质量追踪系统
图4.24 RFID邮政包裹的识别
（4）在食品、药品安全及追溯方面
猪肉质量追踪系统如图4.25所示，在养殖场将每头猪戴上电子耳环，记载其相关信息，并将相关信息采集到计算机上，在屠宰场轨道挂钩上安装电子标签，记录屠宰信息，在分割加工场安装分割标签记录相关信息，所有的信息在分销零售计算机上均可查询。系统主要采用RFID技术、计算机网络技术、数据库技术以及相关的信息查询管理系统。
（5）在门票管理方面
用于风景区门票管理系统；大型会展中心门票管理系统。如图4.26所示为某风景区的门票管理服务系统，系统的组成主要由售票系统（门口售票、网络售票、自动售票、订票）、信息查询系统、检票系统等部分组成。感知层主要应用RFID技术实现检票功能；传输层采用局域网、因特网通信技术；应用层主要为基于数据库、网络技术开发的管理系统。
图4.25 RFID猪肉质量追踪系统
图4.26 RFID风景区门票管理系统
（6）在图书资料管理方面
如图4.27所示，图书馆采用了无线感应门、RFID书签、计算机软硬件技术等物联网技术，实现了自动借还书以及图书的盘点、寻找、顺架等管理。
（7）在门禁、考勤管理方面
如图4.28所示，门禁系统采用RFID、计算机软硬件技术、数据库技术等物联网技术，实现了门禁管理。
（8）在动物以及人员的追踪管理方面
如图4.29所示，新生儿管理系统采用RFID技术、传感器技术、计算机网络技术、计算机软硬件技术、数据库技术等物联网技术，实现了新生儿管理。
图4.27 RFID在图书馆中应用
图4.28 RFID在门禁系统中应用
图4.29 RFID新生儿管理系统
（9）在票证、卡管理方面
如图4.30所示，重要票证管理系统采用RFID技术、计算机网络技术、计算机软硬件技术、数据库技术等物联网技术，实现了重要票证（订单、发票等）管理。
图4.30 RFID重要票证管理系统
（10）在资产管理方面
如图4.31所示，产品生命周期管理系统采用RFID技术、计算机网络技术、计算机软硬件技术、数据库技术等物联网技术，实现了产品生命周期管理。
图4.31 RFID产品生命周期管理
4.1.3 物联网的传感器技术
1.传感器技术
（1）传感器的概念
传感器是一种能把特定的被测信号，按一定规律转换成某种可用信号输出的器件或装置，以满足信息的传输、处理、记录、显示和控制等要求。所谓的“可用信号”是指便于处理、传输的信号，一般为电信号，如电压、电流、电阻、电容、频率等。
由于电子技术、微电子技术、电子计算机技术的迅速发展，使电学量具有了易于处理、便于测量等特点，因此传感器一般由敏感元件、转换元件和变换电路三部分组成，有时还加上辅助电源和显示、记录装置，其典型组成如图4.32所示。
图4.32 传感器组成
敏感元件（Sensitive Element）是直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。
转换元件（Transduction Element）是传感器的核心元件，它以敏感元件的输出为输入，把感知的非电量转换为电信号输出。转换元件本身可作为一个独立的传感器使用。这样的传感器一般称为元件传感器。转换元件也可不直接感受被测量，而是感受与被测量成确定关系的其他非电量，再把这一“其他非电量”转换为电量。这时转换元件本身不作为一个独立的传感器使用，而作为传感器的一个转换环节。而在传感器中，尚需要一个非电量（同类或不同类）之间的转化环节。这一转换环节，需要由另外一些部件（敏感元件等）来完成，这样的传感器通常称为结构式传感器。传感器中的转换元件决定了传感器的工作原理，也决定了测试系统的中间变换环节。敏感元件等环节则大大扩展了转换元件的应用范围。在大多数测试系统中，应用的都是结构式传感器。
变换电路（Transduction Circuit）将上述电路参数接入转换电路，便可转换成电量输出。实际上，有些传感器很简单，仅由一个敏感元件（兼作转换元件）组成，它感受被测量时直接输出电量，如热电偶。有些传感器由敏感元件和转换元件组成，没有转换电路。有些传感器，转换元件不止一个，要经过若干次转换，较为复杂，大多数是开环系统，也有些是带反馈的闭环系统。
传感器技术是物联网的基础技术之一，处于物联网构架的感知层，主要包括传感器的研究、开发、生产以及应用等方面。
（2）传感器的作用和性能参数
传感器处于研究对象与检测系统的接口位置，是感知、获取与检测信息的窗口，它提供物联网系统赖以进行决策和处理所必需的原始数据。
传感器的优劣，一般通过若干性能指标来表示。除了在一般检测系统中所用的特征参数如灵敏度、线性度、分辨率、准确度、频率特性等特性外，还常用阀值、漂移、过载能力、稳定性、可靠性以及与环境相关的参数、使用条件等来表示。
（3）传感器的分类
传感器种类繁多，往往同一种被测量可以用不同类型的传感器来测量，而同一原理的传感器又可测量多种物理量，因此传感器有许多种分类方法。常用的分类方法有：
①按被测量分类
具体分类如表4.3所示。
表4.3 传感器按被测量分类
②按测量原理分类
按传感器的工作原理可分为电阻式、电感式、电容式、压电式、光电式、磁电式、光纤、激光、超声波等传感器。现有传感器的测量原理都是基于物理、化学和生物等各种效应和定律，这种分类方法便于从原理上认识输入与输出之间的变换关系，有利于专业人员从原理、设计及应用上作归纳性的分析与研究。
③其他分类方法
按信号变换特征分类、按能量关系分类、按工作原理分类等方法，在此不再介绍。
（4）传感器的应用
随着计算机、生产自动化、现代通信、军事、交通、化学、环保、能源、海洋开发、遥感、宇航等科学技术的发展，对传感器的需求量与日俱增，其应用已渗入到国民经济的各个部门以及人们的日常生活之中。可以说，从太空到海洋，从各种复杂的工程系统到人们日常生活的衣食住行，都离不开各种各样的传感器，传感技术对国民经济的发展起着巨大的作用。
①在工业检测和自动控制系统中的应用
在石油、化工、电力、钢铁、机械等加工工业中，传感器在各自的工作岗位上担负着相当于人体感觉器官的作用，它们每时每刻按需完成对各种信息的检测，再把大量测得的信息通过自动控制、计算机处理等进行反馈，用以进行生产过程、质量、工艺管理与安全方面的控制。
②在汽车上的应用
传感器在汽车上的应用已不只局限于对行驶速度、行驶距离、发动机旋转速度以及燃料剩余量等有关参数的测量。由于汽车交通事故的不断增多和汽车对环境的危害，传感器在一些新的设施，如汽车安全气囊系统、防盗装置、防滑控制系统、防抱死装置、电子变速控制装置、排气循环装置、电子燃料喷射装置及汽车“黑匣子”等都得到了实际应用。可以预测，随着汽车电子技术和汽车安全技术的发展，传感器在汽车领域的应用将会更为广泛。
③在家用电器中的应用
传感器已在现代家用电器中得到普遍应用，如在电子炉灶、自动电饭锅、吸尘器、空调器、电子热水器、电风扇、游戏机、洗衣机、电冰箱、电视机等方面都得到了广泛应用。
④传感器在机器人上的应用
在机器人开发过程中，如何让机器人“看”“听”，甚至具有一定的分析能力，都离不开各种传感器。
⑤在医疗及人体医学上的应用
医用传感器可以对人体的表面和内部温度、血压及腔内压力、血液及呼吸流量、脉波及心音、心脑电波等的测量起到作用。
⑥在环境保护上的应用
大气污染、水质污浊及噪声已严重地破坏了地球的生态平衡和人类赖以生存的环境，这一现状已引起了世界各国的重视。为保护环境，利用传感器制成的各种环境监测仪器正在发挥着积极的作用。
⑦在航空及航天上的应用
为了解飞机或火箭的飞行轨迹，并把它们控制在预定的轨道上，需要使用传感器测量速度、加速度和飞行距离。要了解飞行器飞行的方向，就必须掌握它的飞行姿态，飞行姿态可以使用红外水平线传感器陀螺仪、阳光传感器、星光传感器及地磁传感器等进行测量。
（5）传感器技术的发展
①采用高新技术设计开发新型传感器
●微电子机械系统（Micro Electro Mechanical Systems，MEMS）技术、纳米技术将高速发展，成为新一代微传感器、微系统的核心技术，是21世纪传感器技术领域中带有革命性变化的高新技术。
●发现与利用新效应，比如物理现象、化学反应和生物效应，发展新一代传感器。
●微电子、光电子、生物化学、信息处理等各种学科各种新技术的互相渗透和综合利用，可望研制出一批先进传感器。
●空间技术、海洋开发、环境保护以及地震预测等都要求检测技术满足观测研究宏观世界的要求。细胞生物学、遗传工程、光合作用、医学及微加工技术等又希望检测技术跟上研究微观世界的步伐。它们对传感器的研究开发提出许多新的要求，其中重要的一点就是扩展检测范围，不断突破检测参数的极限。
②传感器的微型化与微功耗
各种控制仪器设备的功能越来越多，要求各个部件体积越小越好，因而传感器本身体积也是越小越好。微传感器的特征之一就是体积小，其敏感元件的尺寸一般为微米级，是由微机械加工技术制作而成，包括光刻、腐蚀、淀积、键合和封装等工艺。利用各向异性腐蚀、牺牲层技术和LIGA工艺，可以制造出层与层之间有很大差别的三维微结构。这些微结构与特殊用途的薄膜和高性能的集成电路相结合，已成功地用于制造各种微传感器乃至多功能的敏感元件阵列（如光电探测器等），实现了诸如压力、力、加速度、角速率、应力、应变、温度、流量、成像、磁场、温度、pH值、气体成分、离子和分子浓度以及生物等的传感器。目前形成产品的主要是微型压力传感器和微型加速度传感器等，它们的体积只有传统传感器的几十乃至几百分之一，质量从千克级下降到几十克级乃至几克级。
③传感器的集成化与多功能化
传感器的集成化一般包含两方面含义。其一是将传感器与其后级的放大电路、运算电路、温度补偿电路等制成一个组件，实现一体化。与一般传感器相比，它具有体积小、反应快、抗干扰、稳定性好等优点。其二是将同一类传感器集成于同一芯片上构成二维阵列式传感器，或称面型固态图像传感器，可用于测量物体的表面状况。传感器的多功能化是与“集成化”相对应的一个概念，是指传感器能感知与转换两种以上的不同物理量。例如，使用特殊的陶瓷把温度和湿度敏感元件集成在一起制成温、湿度传感器；将检测几种不同气体的敏感元件用厚膜制造工艺制作在同一基片上，制成检测氧、氨、乙醇、乙烯4种气体的多功能传感器；在同一硅片上安置应变计和温度敏感元件，制成同时测量压力和温度的多功能传感器，该传感器还可以实现温度补偿。
④传感器的智能化
智能传感器技术是测量技术、半导体技术、计算技术、信息处理技术、微电子学和材料科学互相结合的综合密集型技术。智能传感器与一般传感器相比具有自补偿能力、自校准功能、自诊断功能、数值处理功能、双向通信功能、信息存储记忆和数字量输出功能。随着科学技术的发展，智能传感器的功能将逐步增强，它利用人工神经网、人工智能和信息处理技术（如传感器信息融合技术、模糊理论等）使传感器具有更高级的智能，具有分析、判断、自适应、自学习的功能，可以完成图像识别、特征检测、多维检测等复杂任务。它可充分利用计算机的计算和存储能力，对传感器的数据进行处理，并对内部行为进行调节，使采集的数据最佳。智能化传感器的研究与开发，美国处于领先地位。美国宇航局在开发宇宙飞船时称这种传感器为灵巧传感器（Smart Sensor），在宇宙飞船上这种传感器是非常重要的。
⑤传感器的数字化
随着现代化的发展，传感器的功能已突破传统的功能，其输出不再是单一的模拟信号，而是经过微电脑处理好的数字信号，有的甚至带有控制功能，这就是所说的数字传感器。
数字传感器的特点：
●数字传感器将模拟信号转换成数字信号输出，提高了传感器输出信号抗干扰能力，特别适用于电磁干扰强、信号距离远的工作现场；
●软件对传感器线性修正及性能补偿，减少系统误差；
●一致性与互换性好。
图4.33为数字化传感器的结构框图。模拟传感器产生的信号经过放大、转换、线性化及量纲处理后变成纯粹的数字信号，该数字信号可根据要求以各种标准的接口形式（如232、422、485、USB等）与中央处理机相连，可以线性无漂移地再现模拟信号，按照给定程序去控制某个对象（如电动机等）。
图4.33 数字化传感器的结构框图
⑥传感器的网络化
传感器网络化是传感器领域发展的一项新兴技术。传感器网络化是利用TCP／IP协议，使现场测控数据就近接入网络，并与网络上有通信能力的节点直接进行通信，实现数据的实时发布和共享。由于传感器的自动化、智能化水平的提高，多台传感器联网已推广应用，虚拟仪器、三维多媒体等新技术开始实用化，因此，通过Internet，传感器与用户之间可异地交换信息和浏览，厂商能直接与异地用户交流，能及时完成如传感器故障诊断、软件升级等工作，传感器操作过程更加简化，功能更换和扩展更加方便。传感器网络化的目标是采用标准的网络协议，同时采用模块化结构将传感器和网络技术有机地结合起来。
网络化传感器的基本结构如图4.34所示。敏感元件输出的模拟信号经A／D转换及数据处理后，由网络处理装置根据程序的设定和网络协议（TCP／IP）将其封装成数据帧，并加以目的地址，通过网络接口传输到网络上。反过来，网络处理器又能接收网络上其他节点传给自己的数据和命令，实现对本节点的操作，这样传感器就成为测控网中的一个独立节点，可以更加方便地在物联网中使用。
图4.34 网络化传感器的基本结构
图4.35为智能水表系统，每个水表均安装流量传感器，通过单片机处理后采用无线方式传送到主机，主机根据采集的用水量完成收费后遥控水表开关。系统实施后20人可以管理50万户水表，极大提高了管理效率，取得了良好的经济效益。此系统中的智能水表就是传感器智能化和网络化的典型案例。
图4.35 智能水表系统
2.物联网传感器技术
（1）物联网传感器
①物联网传感器的概念
在物联网系统中，对各种参量进行信息采集和简单加工处理的设备，被称为物联网传感器。传感器可以独立存在，也可以与其他设备以一体方式呈现，但无论哪种方式，它都是物联网中的感知和输入部分。
②物联网传感器的作用
在物联网中，传感器用来进行各种数据信息的采集和简单的加工处理，并通过固有协议，将数据信息传送给物联网终端处理。如通过RFID进行标签号码的读取，通过GPS得到物体位置信息，通过图像感知器得到图片或图像，通过环境传感器取得环境温湿度等参数。传感器属于物联网中的传感网络层，它作为物联网最基本的感知层，具有十分重要的作用，它好比人的眼睛和耳朵，去看去听需要被监测的信息。因此，传感网络层中传感器的精度、自动识别、安全可靠及可以动态跟踪是应用中重点考虑的实际参数。
③物联网传感器的特点
物联网传感器和通用的传感器应用相比，主要有两个特点：一是智能化；二是网络化。关于传感器智能化和网络化在上一小节已经有所介绍，在此不再重复。而通用的传感器技术将在后续课程专门学习。
（2）无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）
Internet改变了人与人的交互方式，传感器网络将改变未来人与自然的交互方式。传感器网络分为有线传感器网络和无线传感器网络两种。
①无线传感器网络的概念
无线传感器网络是在一定范围内大量部署的微型传感器节点，由这些节点通过无线通信方式形成一个多跳的自组织网络系统，实时采集、相互联系处理、传递信息，并将结果发送给观察者。
无线传感器网络技术是传感器技术、嵌入式系统、无线通信技术、信息分布处理技术的综合。无线传感器网络将逻辑上的信息世界和客观上的物理世界融合起来，成为当今活跃的研究领域和应用领域。
②无线传感器网络的体系结构
无线传感器网络体系结构如图4.36所示，由传感器节点构成传感器区域，再和汇聚节点通信，汇聚节点通过因特网及卫星通信网和用户之间通信，从而完成人和物之间信息的传递。
图4.36 无线传感器网络体系结构
无线传感器节点由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块4部分组成，典型的节点结构如图4.37所示。
●传感器模块负责监测区域内信息的采集和数据转换（传感器、A／D转换器）。
●处理器模块（处理器、存储器）负责整个传感器节点的操作、存储和处理本身采集的数据以及其他节点发来的数据，微处理器负责协调节点各部分的工作，通常选用嵌入式。
●无线通信模块（无线收发器）负责与其他传感器节点进行无线通信、交换控制消息和收发采集数据。
能量供应模块为传感器节点提供运行所需的能量，通常采用微型电池。
③无线传感器网络的特点
硬件资源、电源容量有限，多跳路由，大规模、自组织、动态拓扑、可靠、以数据为中心、与应用相关的网络。
图4.37 无线传感器节点
④无线传感器网络的关键技术
●无线传感网路由协议（见图4.38）。在平面路由协议中，所有网络节点的地位是平等的，不存在等级和层次差异。它们通过相互之间的局部操作和信息反馈来生成路由。在这类协议中，目的节点（sink）向监测区域的节点（source）发出查询命令，监测区域内的节点收到查询命令后，向目的节点发送监测数据。平面路由的优点是简单、易扩展，无须进行任何结构维护工作，所有网络节点的地位平等，不易产生瓶颈效应，因此具有较好的健壮性。典型的平面路由算法有DD（Directed Diffusion）、SAR（Sequential Assignment Routing）、SPIN（Sensor Protocols for Information Via Negotiation）等。平面路由的最大缺点在于网络中无管理节点，缺乏对通信资源的优化管理，自组织协同工作算法复杂，对网络动态变化的反应速度较慢等。
图4.38 无线传感器网络路由协议
在无线传感器网络体系结构中，网络层的路由技术至关重要。集群（分簇）路由具有拓扑管理方便、能量利用高效、数据融合简单等优点，成为当前重点研究的路由技术。层次路由协议的基本思想是选取一些节点负责某个区域的路由，相对于其他节点具有更大的责任，而节点之间不是完全平等的关系。簇类协议具有良好的节能效果和可扩展性。具有代表性的、成熟的路由协议主要有：LEACH（Low-Energy Adaptive Clustering Hierar-chy）、TEEN（Threshold sensitive Energy Efficientsensor Network protocol）、PE-GASIS（Power-Efficient Gathering in Sensor Information Systems），以及在此基础上改进的协议。
●网络拓扑控制。目前，拓扑控制方面的主要研究问题是在满足网络覆盖度和连通度的前提下，一般以延长网络的生命期为主要目标，兼顾通信干扰、网络延迟、负载均衡、简单性、可靠性、可扩展性等其他性能，通过功率控制和骨干网节点选择，剔除节点之间不必要的无线通信链路，生成一个高效的、数据转发的、优化的网络拓扑结构。
除了传统的功率控制和层次型拓扑结构，启发式的节点唤醒和休眠机制也开始引起人们的关注。
这种机制重点在于解决节点在休眠状态和活动状态之间的转换问题，不能独立作为一种拓扑结构控制机制，需要与其web拓扑控制算法结合使用。
●节点定位。节点定位是指确定传感器节点的相对位置或绝对位置。根据定位过程中是否实际测量节点间的距离或角度。节点定位可分为基于距离的定位和与距离无关的定位。为了克服基于距离定位机制存在的问题，近年来相关学者提出了距离无关定位机制，该技术比较适合于传感器网络。常见的距离无关定位算法有：质心算法、DV Hop算法、Amorphous算法和APIT算法。这4种算法是完全分布式的，仅需要相对少量的通信和简单的计算，具有良好的扩展性。
●数据融合。以数据为中心和面向特定应用的特点，要求无线传感网络能够脱离传统网络的寻址过程，快速有效地组织起各个节点的信息，并融合提取出有用信息直接传送给用户。由于网络存在能量约束，减少数据传输量可以有效节省能量，故可以在传感节点收集数据的过程中，利用节点的计算和存储能力处理数据的冗余信息，以达到节省能量及提高信息准确度的目的。目前用于数据融合的方法很多，常用的有贝叶斯方法、神经网络法和D-S证据理论等。数据融合技术可以结合网络中多个协议层次进行，只有面向应用需求设计针对性强的数据融合方法，才能最大限度地获益。
●无线通信技术。无线传感网络是以无线的方式进行通信的，需要低功耗、短距离的无线通信技术来实现。由于IEEE 802.15.4标准的网络特征与无线传感网络存在很多相似之处，目前很多机构将IEEE 802.15.4作为无线传感网络的无线通信平台。
超宽带技术（UWB）是一种极具潜力的无线通信技术。超宽带技术具有对信道衰落不敏感、发射信号功率谱密度低、低截获能力、系统复杂度低以及能提供数厘米的定位精度等优点，非常适合应用在无线传感器网络中。迄今为止，关于UWB有两种技术方案，一种是以Freescale公司为代表的DS-CDMA单频带方式；另一种是由英特尔、德州仪器等公司共同提出的多频带OFDM方案。
针对无线传感器网络的技术特点，由IEEE 802.15.4和ZigBee联盟共同制定完成的ZigBee技术，拥有一套非常完整的协议层次结构（在4.2节中有较详细的描述），具有低功耗、低成本、延时短、网络容量大和安全可靠等特点，目前已经成为一个研发的重点。
●网络安全。为了保证任务的机密布置和任务执行结果的安全传递和融合，无线传感器网络需要实现一些最基本的安全机制：机密性、点到点的消息认证、完整性鉴别、新鲜性、认证广播以及安全管理。除此之外，为了确保数据融合后数据源信息的保留，水印技术也成为无线传感器网络安全的研究内容。
⑤无线传感器网络的应用
由于无线传感器网络可以在任何时间、任何地点和任何环境条件下获取大量翔实可靠的信息，因此，无线传感器网络作为一种新型的信息获取系统，可被广泛应用于国防军事、环境监测、设施农业、医疗卫生、智能家居、交通管理、制造业、反恐抗灾等领域。
案例分析
智能楼宇中的传感器——LoCal
美国每年的用电报告显示至少有30%的电量是浪费的。这些电能浪费在何处？其中哪些是可以节省的？
图4.39 楼宇中的传感器
由美国加州大学伯克利分校大学发起的LoCal项目试图通过在智能楼宇中部署无线传感器网络来解决这些问题，传感器如图4.39所示。
应用特点：
●传感器能实现空间和时间上的细粒度感知，可实时跟踪到单个电器。
●传感器能实现“多功能”的感知，能推测用户的行为。
●传感器能够互联互通，通过大量连续的数据有助于分析得出更多有用的信息。
医疗监控中的传感器——Mercury
传感器的另一个重要应用是医疗监控，哈佛大学研究组改进了传统传感器，使得其外形更小，适合穿戴在身上，如图4.40所示。
图4.40 医疗监控中的传感器
应用特点：
●传感器的设计十分人性化。
●传感器具有高精度的感知能力，医用的数据需要较高的采样精度供医生分析诊断。
●传感器能连续长期地采集数据。
●传感器使用无线通信方式，其数据传输是机会性的。
需要说明的是，无线传感器网络技术需要在后续的课程中继续学习。
4.1.4 物联网的定位技术
随着物联网时代的到来，越来越多的应用都需要自动定位服务。下面介绍几种常见的定位方式，如GPS定位、蜂窝基站定位、无线室内环境定位以及新兴的定位方式。
1.GPS定位
（1）卫星定位系统介绍
GPS是目前世界上最常用的卫星导航系统。GPS计划开始于1973年，由美国国防部领导下的卫星导航定位联合技术局（JPO）主导进行研究。1989年正式开始发射GPS工作卫星，1994年GPS卫星星座组网完成，GPS投入使用，并逐步对民用工业开放。
目前全世界有4套卫星导航系统：中国北斗、美国GPS、俄罗斯“格洛纳斯”、欧洲“伽利略”。卫星导航系统是重要的空间基础设施，为人类带来了巨大的社会经济效益。中国正在建设的北斗卫星导航系统空间段由5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星组成，提供两种服务方式，即开放服务和授权服务（属于第二代系统）。开放服务是在服务区免费提供定位、测速和授时服务，定位精度为10m，授时精度为50 ns，测速精度0 2m／s。授权服务是向授权用户提供更安全的定位、测速、授时和通信服务以及系统完好性信息。截至2012年，“北斗”系统已有在轨卫星12颗，已覆盖亚太地区，初步具备区域导航、定位和授时能力，定位精度优于20 m，授时精度优于100 ns，计划在2020年左右覆盖全球。北斗卫星导航系统如图4.41所示。
（2）GPS定位系统的组成
①宇宙空间部分：GPS系统的宇宙空间部分由24颗工作卫星组成，最初设计将24颗卫星均匀分布到3个轨道平面上，每个平面8颗卫星，后改为采用6轨道平面，每平面4颗星的设计。这保证了任何时刻都有至少6颗卫星在视线之内，可以进行定位。
②地面监测部分：GPS系统的地面监控部分包括1个位于美国科罗拉多州Schriever空军基地的主控中心，4个专用的地面天线和6个专用的监视站。此外还有一个紧急状况下备用的主控中心，位于马里兰州盖茨堡。
③用户设备部分：要使用GPS系统，用户必须具备一个GPS专用接收机。接收机通常包括一个同卫星通信的专用天线、用于位置计算的处理器，以及一个高精度的时钟。
（3）GPS定位方法
目前，卫星导航系统定位都是采用的三球交汇定位原理，其原理如图4.42所示，具体流程如下：
①用户测量出自身到3颗卫星的距离。
②卫星的位置精确已知，通过电文播发给用户。
③以卫星为球心，距离为半径画球面。
④3个球面相交得2个点，根据地理常识排除一个不合理点即得用户位置。
图4..4.1 北斗卫星导航系统
图4.42 三球交汇定位技术示意图
（4）接收机与GPS卫星间距离测定
每颗卫星都在不断地向外发送信息，每条信息中都包含信息发出的时刻，以及卫星在该时刻的坐标。接收机会接收到这些信息，同时根据自己的时钟记录下接收到信息的时刻。用接收到信息的时刻减去信息发出的时刻，得到信息在空间中传播的时间。用这个时间乘上信息传播的速度，就得到了接收机到信息发出时的卫星坐标之间的距离。
（5）GPS定位缺点
①对时钟的精确度要求极高，造成成本过高，受限于成本，接收机上的时钟精确度低于卫星时钟，影响了定位精度。
②理论上3颗卫星就可以定位，但在实际中用GPS定位至少要4颗卫星，这极大地制约了GPS的使用范围；当处室内时，由于电磁屏蔽效应，往往难以接收到GPS信号，因此GPS这种定位方式主要在室外运用。
③GPS接收机启动较慢，往往需要3～5分钟，因此定位速度也较慢。
④由于信号要经过大气层传播，容易受天气状况影响，定位不稳定。
2.蜂窝基站定位
蜂窝基站定位主要应用于移动通信中广泛采用的蜂窝网络，目前大部分的GSM、CDMA、3G等通信网络均采用蜂窝网络架构。在通信网络中，通信区域被划分为一个个蜂窝小区，通常每个小区有一个对应的基站。以GSM网络为例，当移动设备要进行通信时，先连接在蜂窝小区的基站，然后通过该基站接GSM网络进行通信。也就是说，在进行移动通信时，移动设备始终是和一个蜂窝基站联系起来，蜂窝基站定位就是利用这些基站来定位移动设备。
（1）CoO定位
CoO定位（Cell of Origin）是最简单的一种定位方法，它是一种单基站定位。这种方法非常原始，就是将移动设备所属基站的坐标视为移动设备的坐标。这种定位方法的精度极低，其精度直接取决于基站覆盖的范围。如果基站覆盖范围半径为50 m，其误差就是50 m。
（2）ToA／TDoA定位
要想得到更精确的定位，就必须使用多个基站同时测得的数据。多基站定位方法中，最常用的就是ToA／TDoA定位。
ToA（Time of Arrival）基站定位与GPS定位方法相似，不同之处是把卫星换成了基站。这种方法对时钟同步精度要求很高，而基站时钟精度远比不上GPS卫星的水平，此外，多径效应也会对测量结果产生误差。
基于以上原因，人们在实际中用得更多的是TDoA（Time Difference of Arrival）定位方法，不是直接用信号的发送和到达时间来确定位置，而是用信号到达不同基站的时间差来建立方程组求解位置，通过时间差抵消掉了大部分因时钟不同步带来的误差。
（3）AoA定位
ToA和TDoA测量法都至少需要3个基站才能进行定位，如果人们所在区域基站分布较稀疏，周围收到的基站信号只有2个，就无法定位。这种情况下，可以使用AoA（Angle of Arrival）定位法。只要用天线阵列测得定位目标和两个基站间连线的方位，就可以利用两条射线的焦点确定出目标的位置，如图4.43所示。
图4.43 AoA定位示意图
（4）蜂窝基站定位的应用
蜂窝基站定位的优势在于定位速度快，在数秒之内便可以完成定位。其典型应用就是紧急电话定位，在刑事案件中发挥了巨大作用。北美地区的E-911系统（Enhanced 911）是目前比较成熟的紧急电话定位系统（911是北美地区的紧急电话号码，相当于我国的110）。
3.无线室内环境定位
在无线通信领域，室内和室外的环境可以说是天壤之别。定位也一样，在室外露天环境，只需要用GPS就可以得到很高的定位精度，基站定位的精度也不错。但是在室内环境中，GPS由于受到屏蔽，很难运用，而基站定位的信号受到多径效应（波的反射和叠加原理）的影响，定位效果也会大打折扣。
现在大多数室内定位系统都是基于信号强度（Radio Signal Strength，RSS），其优点在于不需要专门的定位设备，可以就地取材，利用已有的铺设好的网络如蓝牙网络、WiFi网络、ZigBee传感网络等来进行定位，非常经济实惠。目前室内环境进行短波定位的方法主要有红外线定位、超声波定位、蓝牙定位、射频识别定位（RFID）、超宽带定位（UWB）、Zig-Bee定位等。下面仅就ZigBee定位作详细叙述。
ZigBee是IEEE 802.15.4协议的代名词。根据这个协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。ZigBee在中国被译为“紫蜂”，它与蓝牙相类似，是一种新兴的短距离无线通信技术。
①ZigBee定位原理
ZigBee定位就是通过在待定位区域布设大量的廉价参考节点，这些参考节点间通过无线通信的方式形成了一个大型的自组织网络系统，当需要对待定位区的节点进行定位时，在通信距离内的参考节点能快速地采集到这些节点信息，同时利用路由广播的方式把信息传递给其他参考节点，最终形成了一个信息传递链并经过信息的多级跳跃回传给终端电脑加以处理，从而实现对一定区域的长时间监控和定位。其原理如图4.44所示。
图4.44 ZigBee定位原理
②ZigBee定位算法
●典型的数据密集型计算方法：节点首先读取计算节点位置的参数，然后将相关信息传送到中央数据采集点，对节点位置进行计算，最后，再将节点位置的相关参数传回至该节点。这种计算节点位置的方法只适用于小型的网络和有限的节点数量，因为进行相关计算所需的流量将随着节点数量的增加而呈指数级速度增加。因此，高流量负载加上带宽的不足限制了这种方法在电池供电网络中的应用。
●分布式定位计算方法：根据从距离最近的参考节点（其位置是已知的）接收到的信息，对节点进行本地计算，确定相关节点的位置。因此，网络流量的多少将由待测节点范围中节点的数量决定。另外，由于网络流量会随着待测节点数量的增加而成比例递增，因此，分布式定位计算方法还允许同一网络中存在大量的待测节点。
4.新型定位技术
除了上面几种定位系统外，近来随着技术的发展，又诞生了很多新的定位系统。这里介绍其中具有代表性的两个系统：A-GPS定位和无线AP定位。
（1）A-GPS定位
A-GPS（Assisted Global Positioning System）网络辅助GPS定位，这种定位方法可以看作是GPS定位和蜂窝基站定位的结合体。GPS定位较慢，初次定位还要花几分钟来搜索当前可用的卫星信号。而基站定位虽然速度快，但其精确度不如GPS高。A-GPS取长补短，利用基站定位法，快速搜索当前所处的大致位置，然后通过基站连入网络，通过网络服务器查询到当前上方可见的卫星，极大地缩短了搜索卫星的速度。知道哪几颗卫星可用之后，只需用这几颗卫星定位，就可以得到非常精确的结果。使用A-GPS定位，全过程只需要数十秒，还可以享受GPS的定位精度，可以说是两全其美。
（2）无线AP定位
无线AP（Access Point，接入点）定位是一种WiFi定位技术，它与蜂窝基站的COO定位技术相似，通过WiFi接入点来确定目标的位置。
每个AP都在不断向外广播信息，以便各种WiFi设备寻找接入点，信息中包含有自己在全球唯一的MAC地址。如果用一个数据库记录下全世界所有无线AP的MAC地址，以及该AP所在的位置，就可以通过查询数据库来得到附近AP的位置，再通过信号强度来估算出比较精确的位置。
该技术和GPS合用，就是前面提到的A-GPS的一种，iPhone就是采用了这种技术。
5.物联网的定位技术
值得注意的是，要对物联网中的一个物体做出准确定位，关键有两点：其一就是要知道一个或多个已知坐标的参考点，其二是必须要得到待定位物体与已知参考点的空间关系。除了距离这一空间关系，角度、区域也可以作为定位的参考，在网络中，节点之间的跳数也可以作为参考。
案例分析
校车GPS监控系统
当前，校车安全隐患比较突出，交通事故时有发生，给社会、家庭造成恶劣影响。为了家长安心，学校放心，共建和谐社会，有必要实施校车GPS监控系统来监督校车作业。校车GPS监控系统框图如图4.45所示，系统由卫星、GPS接收器、摄像头、控制中心和监控中心等部分组成。该系统具有以下功能：
①对校车实时监控。
②规划行驶线路，车辆超车，规定线路报警。
③车辆的轨迹查询回放。
④车辆点火地点时间、熄火地点时间记录、存储、历史查询。
⑤车速限制，超速即报警设置电子栅栏，同时具有报警按钮，在紧急情况可按报警按钮，系统将立刻发送SOS信息到中心号码，为学生的安全保驾护航。
⑥可供多用户同时登录查看车辆，家长与老师都可以随时查看车辆情况。
图4.45 校车GPS监控系统
技能练习
1.使用条码枪扫描3种不同商品的条码，填写以下表格。
2.下载一个二维码识别软件“快拍二维码”，并在手机上安装试用，该软件可以把你的手机变成一台专业的多功能条码扫描仪，可方便快捷地识别商品条形码和二维码（QR code），购物时对准商品条码，商品相关信息即刻显示在手机屏幕上，同时还可以查看该商品在当当、一号店、京东商城、淘宝上的价格。
3.调查食堂饭卡系统或者小区门禁系统，画出其系统框图。
4.使用智能手机或者汽车导航仪的GPS定位功能。
5.查找资料，分析自己手机上使用了哪些传感器，有何用途。
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