第二章感知技術(shù)

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

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(yīng)用2.1.1嵌入式系統(tǒng)的概念定義：

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)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)?；疽?①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、面向產(chǎn)品、面向應(yīng)用的。②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、高度分散、不斷創(chuàng)新的知識(shí)集成系統(tǒng)。。③專用性：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，滿足應(yīng)用系統(tǒng)的功能、可靠性、成本、體積等要求。物聯(lián)網(wǎng)對(duì)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(jì)算、通信和控制（Computation、Communication、Control）。嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn):①系統(tǒng)內(nèi)核小。②專用性強(qiáng)。③系統(tǒng)精簡(jiǎn)。④高實(shí)時(shí)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(biāo)準(zhǔn)化，就必須使用多任務(wù)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(jì)算機(jī)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(yīng)用嵌入式系統(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(luò)及電子商務(wù)6）環(huán)境工程與自然7）機(jī)器人2.2傳感器技術(shù)

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(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，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。①傳感器是測(cè)量裝置，能完成檢測(cè)任務(wù)。②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。③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、光、電量，但主要是電量。④輸出輸入有對(duì)應(yīng)關(guān)系，且應(yīng)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(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)換元件和轉(zhuǎn)換電路組成，如圖所示。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)換元件：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：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。2.2.3傳感器的分類根據(jù)傳感器應(yīng)用原理分：為物理傳感器和化學(xué)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?、能耗傳感器、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(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。按輸出信號(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、開關(guān)傳感器。從所應(yīng)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(dǎo)體、絕緣體、半導(dǎo)體、磁性材料；③按材料的晶體結(jié)構(gòu)來分：?jiǎn)尉А⒍嗑?、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?/p>

2.2.4常用傳感器1）電阻應(yīng)變式傳感器

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、附件（補(bǔ)償元件、保護(hù)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(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(dǎo)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(cè)得與溫度相應(yīng)的熱電動(dòng)勢(shì)，由儀表顯示出溫度值。它廣泛用來測(cè)量-200℃~1300℃范圍內(nèi)的溫度，特殊情況下，可測(cè)至2800℃的高溫或4K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)距離測(cè)量和自動(dòng)控制。2.2.4常用傳感器②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來測(cè)量溫度的元件，它由熱電阻體（感溫元件），連接導(dǎo)線和顯示或紀(jì)錄儀表構(gòu)成。習(xí)慣上將用作標(biāo)準(zhǔn)的熱電阻體稱為標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)，而將工作用的熱電阻體直接稱為熱電阻。他們廣泛用來測(cè)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(dá)1000℃。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961.78℃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，輸出信號(hào)大，靈敏度高，測(cè)溫范圍廣，穩(wěn)定性好，輸出線性好等特性；但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，尺寸較大，因此熱相應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，不適于測(cè)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(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，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(從直流到微波)、動(dòng)態(tài)范圍大(輸出電勢(shì)變化范圍可達(dá)1000:1)、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、開方、乘方以及微積分等運(yùn)算的運(yùn)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(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)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。

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，2.2.4常用傳感器7）光纖傳感器

光導(dǎo)纖維簡(jiǎn)稱光纖，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、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。外界信號(hào)可能引起光的強(qiáng)度、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。

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、可彎曲。測(cè)量對(duì)象廣泛。對(duì)被測(cè)介質(zhì)影響小。

2.3無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

2.3.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展2.3.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)2.3.3無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用2.3.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)展階段時(shí)間主要特點(diǎn)第一代20世紀(jì)70年代點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸，具有簡(jiǎn)單信息獵、獲取能力第二代20世紀(jì)80年代獲取多種信息的綜合能力第三代20世紀(jì)90年代后期智能傳感器采用現(xiàn)場(chǎng)總線連接傳感器構(gòu)成局域網(wǎng)絡(luò)第四代21世紀(jì)—至今以無線傳感器網(wǎng)絡(luò)為標(biāo)志，處于理論研究和應(yīng)用開發(fā)階段2.3.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)

1）無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的組成

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(diǎn)組成的。傳感器節(jié)點(diǎn)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(dòng)裝置。

無線傳感器網(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，它們通過無線通訊的方式自適應(yīng)地組成一個(gè)無線網(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，通過多跳中轉(zhuǎn)的方式向指揮中心(主機(jī))報(bào)告。傳感器節(jié)點(diǎn)配備有滿足不同應(yīng)用需求的傳感器(如溫度傳感器、濕度傳感器、光照度傳感器、紅外線感應(yīng)器、位移傳感器、壓力傳感器等)。其典型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖所示。2）節(jié)點(diǎn)單元硬件總體結(jié)構(gòu)

無線傳感器網(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、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。①微控制器單元是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的核心部分，主要完成三部分的工作：第一是接收來自傳感器的監(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)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，完成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(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)中常用的無線通信技術(shù)比較如表所示。無線技術(shù)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(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、氣壓傳感器等。④供電單元是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量來源，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)固定位置時(shí)，可以采用交流供電，此時(shí)節(jié)點(diǎn)功耗問題并不會(huì)影響系統(tǒng)成本和節(jié)點(diǎn)使用壽命。3）節(jié)點(diǎn)軟件程序設(shè)計(jì)

①TinyOS操作系統(tǒng)TinyOS是由加州大學(xué)伯克利分校專門針對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(dòng)的執(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WSN應(yīng)用開發(fā)研究人員的歡迎，是目前WSN領(lǐng)域主流的操作系統(tǒng)。TinyOS的結(jié)構(gòu)圖如圖所示:

TimyOS開發(fā)環(huán)境結(jié)構(gòu)

2.3.3無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用

1）軍事領(lǐng)域應(yīng)用在軍事應(yīng)用領(lǐng)域，利用無線傳感器網(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)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)獲取和反應(yīng)對(duì)于整個(gè)戰(zhàn)局的影響至關(guān)重要。由于WSN具有生存能力強(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)。2）環(huán)境監(jiān)測(cè)應(yīng)用無線傳感器網(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。3）建筑結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)無線傳感器網(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)監(jiān)測(cè)布線復(fù)雜、線路老化、易受損壞等問題。4）醫(yī)療衛(wèi)生應(yīng)用加利福尼亞大學(xué)提出了基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的人體健康監(jiān)測(cè)平臺(tái)CustMed，采用可佩戴的傳感器節(jié)點(diǎn)，傳感器類型包括壓力、皮膚反應(yīng)、伸縮、壓電薄膜傳感器、溫度傳感器等。節(jié)點(diǎn)采用加州大學(xué)伯克利分校研制、Crossbow公司生產(chǎn)的dot-mote節(jié)點(diǎn)，通過放在口袋里的PC機(jī)可以方便直觀地查看人體當(dāng)前的情況。

5）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、圖像、視頻、溫度、濕度等傳感器，節(jié)點(diǎn)部署