《物聯(lián)網(wǎng)導論》課件第2章 物聯(lián)網(wǎng)感知與識別技術(shù)

我們知道物聯(lián)網(wǎng)作為一項綜合性的技術(shù)，目前普遍接受的是三層物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)，從下到上依次是感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應用層，其中信息感知作為物聯(lián)網(wǎng)最基本的功能，是物聯(lián)網(wǎng)信息“全面感知，無處不在”的手段，主要完成對物體的識別和對數(shù)據(jù)的采集。在信息系統(tǒng)發(fā)展早期，大多數(shù)物體識別或數(shù)據(jù)采集都是采用手工錄入的方式，這樣不僅勞動量巨大，錯誤率也非常高。之后自動識別技術(shù)出現(xiàn)并在全球范圍內(nèi)得到迅速發(fā)展，出現(xiàn)了條碼識別技術(shù)、光符號識別技術(shù)、語音識別技術(shù)、生物識別技術(shù)、卡識別技術(shù)以及射頻識別技術(shù)、傳感技術(shù)、定位技術(shù)等。這些技術(shù)的出現(xiàn)和應用極大的解決了手工錄入所帶來的缺陷，為生產(chǎn)和生活帶來了便利。導讀（1）掌握自動識別技術(shù)的概念、分類。（2）掌握射頻識別技術(shù)RFID概念、特點、系統(tǒng)組成、分類。（3）了解RFID工作原理和典型應用。（4）了解EPC產(chǎn)品電子代碼。（5）掌握傳感器的定義、分類、主要性能指標。（6）掌握無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)、特性、應用領(lǐng)域。（7）了解二維碼技術(shù)、紅外感應技術(shù)、定位技術(shù)等的基本知識。學習目標2.1自動識別技術(shù)概述

2.2射頻識別技術(shù)2.3傳感器技術(shù)2.4無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)2.5其他感知與識別技術(shù)目錄自動識別技術(shù)是構(gòu)造物品信息實時共享的重要組成部分，是物聯(lián)網(wǎng)的基石。2.1自動識別技術(shù)概述自動識別技術(shù)將計算機、光、電、通信和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)融為一體，與互聯(lián)網(wǎng)、移動通信等技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)了全球范圍內(nèi)物品的跟蹤與信息的共享，從而給物體賦予智能，實現(xiàn)人與物體以及物體與物體之間的溝通和對話。2.1.1自動識別技術(shù)的概念自動識別技術(shù)就是應用一定的識別裝置，通過被識別物品和識別裝置之間的接近活動，自動地獲取被識別物品的相關(guān)信息，并提供給后臺的計算機處理系統(tǒng)來完成相關(guān)后續(xù)處理的一種技術(shù)。自動識別技術(shù)近幾十年在全球范圍內(nèi)得到了迅猛發(fā)展，初步形成了一個包括條碼技術(shù)、磁條磁卡技術(shù)、IC卡技術(shù)、光學字符識別、射頻技術(shù)、聲音識別及視覺識別等集計算機、光、磁、物理、機電、通信技術(shù)為一體的高新技術(shù)學科。1.什么是自動識別技術(shù)物聯(lián)網(wǎng)中非常重要的技術(shù)就是自動識別技術(shù)，自動識別技術(shù)融合了物理世界和信息世界，是物聯(lián)網(wǎng)區(qū)別于其他網(wǎng)絡(luò)（如電信網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)）最獨特的部分。自動識別技術(shù)可以對每個物品進行標識和識別，并可以將數(shù)據(jù)實時更新，是構(gòu)造全球物品信息實時共享的重要組成部分，是物聯(lián)網(wǎng)的基石。自動識別技術(shù)是以計算機技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展為基礎(chǔ)的綜合性科學技術(shù)，它是信息數(shù)據(jù)自動識讀、自動輸入計算機的重要方法和手段。歸根到底，自動識別技術(shù)是一種高度自動化的信息或者數(shù)據(jù)采集技術(shù)。2.自動識別技術(shù)的作用完整的自動識別計算機管理系統(tǒng)包括自動識別系統(tǒng)（AutoIdentificationSystem，簡稱AIDS），應用程序接口（ApplicationInterface，簡稱API）或者中間件（Middleware）和應用系統(tǒng)軟件（ApplicationSoftware）。自動識別系統(tǒng)完成系統(tǒng)的采集和存儲工作，應用系統(tǒng)軟件對自動識別系統(tǒng)所采集的數(shù)據(jù)進行應用處理，而應用程序接口軟件則提供自動識別系統(tǒng)和應用系統(tǒng)軟件之間的通訊接口包括數(shù)據(jù)格式，將自動識別系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)換成應用軟件系統(tǒng)可以識別和利用的信息并進行數(shù)據(jù)傳遞。3.自動識別系統(tǒng)的構(gòu)成中國物聯(lián)網(wǎng)校企聯(lián)盟認為自動識別技術(shù)可以分為：光符號識別技術(shù)、語音識別技術(shù)、生物計量識別技術(shù)、IC卡技術(shù)、條形碼技術(shù)、射頻識別技術(shù)（RFID）。按照應用領(lǐng)域和具體特征的分類標準，自動識別技術(shù)可以分為如下7種。2.1.2自動識別技術(shù)分類一維條碼是由平行排列的寬窄不同的線條和間隔組成的二進制編碼。這些線條和間隔根據(jù)預定的模式進行排列，并且表達相應記號系統(tǒng)的數(shù)據(jù)項。寬窄不同的線條和間隔的排列次序可以解釋成數(shù)字或者字母，可以通過光學掃描對一維條碼進行閱讀，即根據(jù)黑色線條和白色間隔對激光的不同反射來識別。二維條碼技術(shù)是在一維條碼無法滿足實際應用需求的前提下產(chǎn)生的。由于受信息容量的限制，一維條碼通常對物品的標示，而不是對物品的描述。二維條碼能夠在橫向和縱向兩個方向同時表達信息，因此能在很小的面積內(nèi)表達大量的信息。1.條碼識別技術(shù)

生物識別技術(shù)指通過獲取和分析人體的身體和行為特征來實現(xiàn)人的身份的自動鑒別。生物特征分為物理特征和行為特征兩類。（1）物理特征包括指紋、掌形、眼睛（視網(wǎng)膜和虹膜）、人體氣味、臉型、皮膚毛孔、手腕、手的血管紋理和DNA等。2.生物識別技術(shù)

1）聲音識別技術(shù)聲音識別是一種非接觸的識別技術(shù)，用戶可以很自然地接受。這種技術(shù)可以用聲音指令實現(xiàn)“不用手”的數(shù)據(jù)采集，其最大特點就是不用手和眼睛，這對那些采集數(shù)據(jù)同時還要完成手腳并用的工作場合尤為適用。目前由于聲音識別技術(shù)的迅速發(fā)展以及高效可靠的應用軟件的開發(fā)，使聲音識別系統(tǒng)在很多方面得到了應用。2）人臉識別技術(shù)人臉識別指利用分析比較人臉視覺特征信息進行身份鑒別的計算機技術(shù)。人臉識別是一項熱門的計算機技術(shù)研究領(lǐng)域，是對生物體（一般特指人）本身的生物特征來區(qū)分生物體個體。3）指紋識別技術(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。指紋識別即指通過比較不同指紋的細節(jié)特征點來進行自動識別。由于每個人的指紋不同，就是同一人的十指之間，指紋也有明顯區(qū)別，因此指紋可用于身份的自動識別。在人類認知的過程中，圖形識別指圖形刺激作用于感覺器官，人們進而辨認出該圖像是什么的過程，也叫圖像再認。在信息化領(lǐng)域，圖像識別是利用計算機對圖像進行處理、分析和理解，以識別各種不同模式的目標和對象的技術(shù)。例如，地理學中指將遙感圖像進行分類的技術(shù)。圖像識別技術(shù)的關(guān)鍵信息，既要有當時進入感官（即輸入計算機系統(tǒng)）的信息，也要有系統(tǒng)中存儲的信息。只有通過存儲的信息與當前的信息進行比較的加工過程，才能實現(xiàn)對圖像的再認。3.圖像識別技術(shù)磁卡是一種磁記錄介質(zhì)卡片，由高強度、高耐溫的塑料或紙質(zhì)涂覆塑料制成，能防潮、耐磨且有一定的柔韌性，攜帶方便、使用較為穩(wěn)定可靠。磁條記錄信息的方法是變化磁的極性，在磁性氧化的地方具有相反的極性，識別器才能夠在磁條內(nèi)分辨到這種磁性變化，這個過程被稱作磁變。一部解碼器可以識讀到磁性變化，并將它們轉(zhuǎn)換回字母或數(shù)字的形式，以便由一部計算機來處理。磁卡技術(shù)能夠在小范圍內(nèi)存儲較大數(shù)量的信息，在磁條上的信息可以被重寫或更改。4.磁卡識別技術(shù)

IC卡即集成電路卡，是繼磁卡之后出現(xiàn)的又一種信息載體。IC卡通過卡里的集成電路存儲信息，采用射頻技術(shù)與支持IC卡的讀卡器進行通訊。如圖2-5所示。IC卡的外形與磁卡相似，它與磁卡的區(qū)別在于數(shù)據(jù)存儲的媒體不同。磁卡是通過卡上磁條的磁場變化來存儲信息。5.IC卡識別技術(shù)

OCR（OpticalCharacterRecognition）屬于圖形識別的一項技術(shù)。其目的就是要讓計算機知道它到底看到了什么，尤其是文字資料。OCR主要針對印刷體字符（比如一本紙質(zhì)的書），采用光學的方式將文檔資料轉(zhuǎn)換成為原始資料黑白點陣的圖像文件，然后通過識別軟件將圖像中的文字轉(zhuǎn)換成文本格式，以便文字處理軟件進一步編輯加工。一個OCR識別系統(tǒng)，從影像到結(jié)果輸出，必須經(jīng)過影像輸入、影像預處理、文字特征抽取、比對識別，然后經(jīng)人工校正將認錯的文字更正，最后將結(jié)果輸出。6.光學字符識別技術(shù)（OCR）射頻識別技術(shù)是通過無線電波進行數(shù)據(jù)傳遞的自動識別技術(shù)，是一種非接觸式的自動識別技術(shù)。它通過射頻信號自動識別目標對象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，識別工作無需人工干預，可工作于各種惡劣環(huán)境。與條碼識別、磁卡識別技術(shù)和IC卡識別技術(shù)等相比，它以特有的無接觸、抗干擾能力強、可同時識別多個物品等優(yōu)點，逐漸成為自動識別中最優(yōu)秀和應用領(lǐng)域最廣泛的技術(shù)之一，是目前最重要的自動識別技術(shù)。7.射頻識別技術(shù)（RFID）射頻識別技術(shù)（RadioFrequencyIdentification，RFID）在物聯(lián)網(wǎng)感知技術(shù)中占有重要地位，是物聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)之一。2.2射頻識別技術(shù)射頻識別技術(shù)（RFID）是一種無線自動識別技術(shù)，它可以通過無線電訊號識別特定目標并讀寫相關(guān)數(shù)據(jù)，而無需識別系統(tǒng)與特定目標之間建立機械或者光學接觸。它利用射頻方式進行非接觸雙向通信，以達到自動識別目標對象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)的目的，并具有精度高、適應環(huán)境能力強、抗干擾強、操作快捷等許多優(yōu)點。2.2.1RFID系統(tǒng)組成1.RFID系統(tǒng)電子標簽是RFID系統(tǒng)真正的數(shù)據(jù)載體，它由標簽芯片和標簽天線構(gòu)成。標簽天線接收閱讀器發(fā)出的射頻信息，標簽芯片對接收的信息進行解調(diào)、解碼，并把內(nèi)部保存的數(shù)據(jù)信息編碼、調(diào)制，再由標簽天線將已調(diào)的信息發(fā)射出去。（1）電子標簽

閱讀器主要完成與電子標簽之間的通信，與計算機之間的通信，對閱讀器與電子標簽之間傳送的數(shù)據(jù)進行編碼、解碼、加密、解密，并且具有防碰撞功能，能夠?qū)崿F(xiàn)同時與多個標簽通信。（2）閱讀器隨著RFID的廣泛應用，不同硬件接口的RFID硬件設(shè)備越來越多。軟件上，應用程序的規(guī)模越來越大，出現(xiàn)了各式各樣適合不同行業(yè)的系統(tǒng)軟件及用戶數(shù)據(jù)庫。如果每個技術(shù)細節(jié)的改變都要求銜接RFID系統(tǒng)各部分的接口改變，那么RFID的發(fā)展將會受到嚴重制約，后期維護、管理工作量也會大大增加。RFID中間件不僅屏蔽了RFID設(shè)備的多樣性和復雜性，還可以支持各種標準的協(xié)議和接口，將不同操作系統(tǒng)或不同應用系統(tǒng)的應用軟件集成起來。當用戶改變數(shù)據(jù)庫或增加RFID數(shù)據(jù)時，只需改變中間件的部分設(shè)置就可以使整個RFID系統(tǒng)仍然繼續(xù)運行，省去了重新編寫源代碼的麻煩，也為用戶節(jié)省了費用。（3）中間件應用軟件是直接面向RFID應用的最終用戶的人機交互界面。它以可視化的界面協(xié)助使用者完成對閱讀器的指令操作以及對中間件的邏輯設(shè)置，逐級將RFID技術(shù)事件轉(zhuǎn)化為使用者可以理解的業(yè)務(wù)事件。在不同的應用領(lǐng)域，應用軟件各不相同，因此需要根據(jù)不同應用領(lǐng)域的不同企業(yè)專門制定，很難具有通用性。（4）應用軟件RFID系統(tǒng)的基本工作原理：閱讀器將要發(fā)送的信號，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，射頻識別標簽被激活，將自身信息經(jīng)由天線發(fā)射出去。接收天線接收射頻識別標簽發(fā)出的載波信號，閱讀器對收到的信號進行解調(diào)解碼，送給后臺的電腦控制器。控制器根據(jù)判斷該標簽的合法性，針對不同的設(shè)定做出相應的處理和控制，發(fā)出指令信號控制執(zhí)行機構(gòu)做出相應動作，最后執(zhí)行機構(gòu)按照電腦的指令動作。2.工作原理到目前為止，RFID沒有形成統(tǒng)一的分類方式，較常見的分類方式有以下幾種。2.2.2RFID分類根據(jù)電子標簽的供電形式，可分為無源標簽、有源標簽、半有源標簽。1.根據(jù)電子標簽的供電形式分類（1）可讀寫標簽可以修改存儲在其中的數(shù)據(jù)，一般比一次寫入多次讀出標簽和只讀標簽貴得多，如電話卡、信用卡等一般均為可讀寫卡。（2）一次寫入多次讀出標簽是用戶可以一次性寫入的標簽，寫入后數(shù)據(jù)不能改變，價格也比可讀寫標簽要便宜。（3）只讀標簽存有一個唯一的號碼，不能修改，因而也保證了一定的安全性。2.根據(jù)可讀寫性分類3.根據(jù)工作頻率分類（1）讀取方便快捷數(shù)據(jù)的讀取無需光源，甚至可以透過外包裝來進行。有效識別距離更大，采用自帶電池的主動標簽時，有效識別距離可達到30米以上。（2）識別速度快標簽一進入磁場，解讀器就可以即時讀取其中的信息，而且能夠同時處理多個標簽，實現(xiàn)批量識別。（3）數(shù)據(jù)容量大數(shù)據(jù)容量最大的二維條形碼（PDF417），最多也只能存儲2725個數(shù)字。若包含字母，存儲量則會更少。RFID標簽則可以根據(jù)用戶的需要擴充到數(shù)10K。（4）使用壽命長，應用范圍廣其無線電通信方式，使其可以應用于粉塵、油污等高污染環(huán)境和放射性環(huán)境，而且其封閉式包裝使得其壽命大大超過印刷的條形碼。（5）標簽數(shù)據(jù)可動態(tài)更改利用編程器可以向標簽寫入數(shù)據(jù)，從而賦予RFID標簽交互式便攜數(shù)據(jù)文件功能，而且寫入時間相比打印條形碼更少。（6）更好的安全性不僅可以嵌入或附著在不同形狀、類型的產(chǎn)品上，而且可以為標簽數(shù)據(jù)的讀寫設(shè)置密碼保護，從而具有更高的安全性。（7）動態(tài)實時通信標簽以與每秒50～100次的頻率與解讀器進行通信，所以只要RFID標簽所附著的物體出現(xiàn)在解讀器的有效識別范圍內(nèi)，就可以對其位置進行動態(tài)的追蹤和監(jiān)控。2.2.3RFID系統(tǒng)優(yōu)勢（1）身份證（2）病人識別及醫(yī)療器械追蹤（3）物流管理（4）行李分類（5）門禁系統(tǒng)（6）圖書館智能管理2.2.4RFID典型應用產(chǎn)品的唯一標識在很多情況下是十分必要的，而常見的條碼識別最大的缺點之一就是它只能識別一類產(chǎn)品。在這種情況下，目前找到的最好的解決方案就是給每一個商品提供唯一的號碼，電子產(chǎn)品碼應運而生。2.2.5EPC產(chǎn)品電子代碼1999年美國麻省理工學院的一位教授提出了EPC（ElectronicProductCode）開放網(wǎng)絡(luò)（物聯(lián)網(wǎng)）構(gòu)想，在國際條碼組織（EAN.UCC）、寶潔公司（P&G）、吉列公司、可口可樂、沃爾瑪、聯(lián)邦快遞、雀巢、IBM等全球83跨國公司的支持下，開始了這個發(fā)展計劃。并于2003年完成了技術(shù)體系的規(guī)模場地使用測試，于2003年10月國際上成立EPCGLOBLE全球組織推廣EPC和物聯(lián)網(wǎng)的應用。歐、美、日等發(fā)達國家在全力推動符合EPC技術(shù)電子標簽的應用，全球最大的零售商美國沃爾瑪宣布：從2005年1月份開始，前100名供應商必須在托盤中使用EPC電子標簽，2006年必須在產(chǎn)品包裝中使用EPC電子標簽。美國、歐洲、日本的生產(chǎn)企業(yè)和零售企業(yè)都在2004年到2005年開始陸續(xù)實施了電子標簽。1.EPC概念的提出電子產(chǎn)品碼（ElectronicProductCode，EPC）采用一組編號來代表制造商及用于確定是什么類別的產(chǎn)品，同時還有另一組編號可以唯一地標識一個特定的產(chǎn)品。有了電子產(chǎn)品碼，就可以通過射頻識別系統(tǒng)來唯一地識別每個產(chǎn)品，從而可以做到產(chǎn)品快速掃描、產(chǎn)品追蹤、精確物流等等。具有唯一性、簡單性、可擴展性以及保密性與安全性的特點。EPC編碼是國際條碼組織推出的新一代產(chǎn)品編碼體系。原來的產(chǎn)品條碼僅是對產(chǎn)品分類的編碼，而EPC碼是對每個單品都賦予一個全球唯一編碼，EPC編碼96位（二進制）方式的編碼體系。96位的EPC碼，可以為2.68億公司賦碼，每個公司可以有1600萬產(chǎn)品分類，每類產(chǎn)品有680億的獨立產(chǎn)品編碼，形象地說，可以為地球上的每一粒大米賦一個唯一的編碼。2.EPC編碼的概念電子產(chǎn)品碼是標簽中儲存的常見的數(shù)據(jù)類型，當由RFID標簽打印機寫入標簽時，標簽包含96位的數(shù)據(jù)串。前8位是一個標題，用于標識協(xié)議的版本。接下來的28位識別管理這個標簽的數(shù)據(jù)的組織，該組織的編號是由EPCglobal協(xié)會分配的。接下來的24位是對象分類，用于確定是什么類別的產(chǎn)品，最后36位是這個標簽唯一的序列號。3.EPC編碼結(jié)構(gòu)產(chǎn)品電子標簽（EPC標簽）是由一個比大米粒1/5還小的電子芯片和一個軟天線組成，電子標簽像紙一樣薄，可以做成郵票大小，或者更小。4.EPC標簽

EPC電子標簽具有無接觸讀取、遠距離讀取、動態(tài)讀取、多數(shù)量、品種讀取、標簽無源、海量存儲量等優(yōu)勢。這些都是條碼無法比擬的，因此采用EPC電子標簽技術(shù)，可以實現(xiàn)數(shù)字化庫房管理，并配合使用EPC編碼，使得庫存貨品真正實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化管理。5.EPC標簽的應用優(yōu)勢人們?yōu)榱藦耐饨绔@取信息，必須借助于感覺器官。而單靠人們自身的感覺器官，在研究自然現(xiàn)象和規(guī)律以及生產(chǎn)活動中它們的功能就遠遠不夠了。為適應這種情況，就需要傳感器。因此可以說，傳感器是人類五官的延長，有人形象地稱之為“電五官”。傳感器是連接現(xiàn)實世界與電子世界的紐帶，是物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，對精準感知現(xiàn)實世界的性質(zhì)與現(xiàn)象有著至關(guān)重要的作用。隨著當今信息化的不斷發(fā)展，實際上傳感器早已滲透到了人們的日常生活當中，例如，聲控與光感的燈光、電視機的遙控、熱水器的控溫器等等。2.3傳感器技術(shù)就像動物使用自身的感知能力（視覺、聽覺、嗅覺、觸覺）來獲得外界的信息，如果需要使用邏輯電路處理外界信息，那么就需要把物理世界的這些信息轉(zhuǎn)化為電信號，而做到這些的就是傳感器。2.3.1傳感器的作用和組成傳感器是利用一定的物性（物理、化學、生物）法則、定理、定律、效應等把物理量或化學量轉(zhuǎn)變成便于利用的電信號的器件。電信號的高精準度、高靈敏度、可測量的范圍寬、便于傳遞等優(yōu)點，使其被廣泛地應用于感知現(xiàn)實信息的傳感器設(shè)備中。傳感器技術(shù)是現(xiàn)代信息技術(shù)的重要內(nèi)容之一，已經(jīng)涉及到工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、軍事國防、航天航空、海洋探測、環(huán)境保護、醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域，隨著傳感器技術(shù)的不斷發(fā)展，其應用的領(lǐng)域也會不斷擴大。傳感器應用場合（領(lǐng)域）不同，叫法也不同。例如，在過程控制中成為變送器，（標準化的傳感器）在射線檢測中則稱為發(fā)送器、接收器或探頭。1.傳感器的定義在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)，尤其是自動化生產(chǎn)過程中，要用各種傳感器來監(jiān)視和控制生產(chǎn)過程中的各個參數(shù)，使設(shè)備工作在正常狀態(tài)或最佳狀態(tài)，并使產(chǎn)品達到最好的質(zhì)量。因此可以說，沒有眾多優(yōu)良的傳感器，現(xiàn)代化生產(chǎn)也就失去了基礎(chǔ)。在基礎(chǔ)學科研究中，傳感器更具有突出的地位。例如，對深化物質(zhì)認識、開拓新能源、新材料等具有重要作用的各種極端技術(shù)研究，如超高溫、超低溫、超高壓、超高真空、超強磁場、超弱磁場等，要獲取大量人類感官無法直接獲取的信息，沒有相適應的傳感器是不可能的。許多基礎(chǔ)科學研究的障礙，首先就在于對信息的獲取存在困難，而一些新機理和高靈敏度的檢測傳感器的出現(xiàn)，往往會導致該領(lǐng)域內(nèi)的突破。一些傳感器的發(fā)展，往往是一些邊緣學科開發(fā)的先驅(qū)。傳感器早已滲透到工業(yè)生產(chǎn)、海洋探測、環(huán)境保護、資源調(diào)查、醫(yī)學診斷、生物工程等極其之泛的領(lǐng)域?？梢哉f，從茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各種復雜的工程系統(tǒng)，幾乎每一個現(xiàn)代化項目，都離不開各種各樣的傳感器。2.傳感器的作用3.傳感器的組成被測量電量敏感元件轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換電路輔助電源傳感器根據(jù)不同的方面也有多種不同的分類方法，一般可以按以下幾種方法進行分類：2.3.2傳感器的分類按傳感器的用途，可以分為壓力敏和力敏傳感器、位置傳感器、液位傳感器、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。1.按用途分類根據(jù)工作原理分類，可以分為電阻式傳感器、電容式傳感器、電勢式傳感器、電感式傳感器、壓電式傳感器、熱電式傳感器、磁電式傳感器、光電式傳感器、應變式傳感器、電化學式傳感器、同位素式傳感器等等。比如，應變片式傳感器的工作原理是基于電阻應變效應，即在導體產(chǎn)生機械變形時，它的電阻值相應發(fā)生變化。而電感式傳感器則是利用鐵芯位移線圈自感或互感的變化來實現(xiàn)測量。2.按工作原理分類模擬傳感器：將被測量的非電學量轉(zhuǎn)換成模擬電信號。數(shù)字傳感器：將被測量的非電學量轉(zhuǎn)換成數(shù)字輸出信號（包括直接和間接轉(zhuǎn)換）。膺數(shù)字傳感器：將被測量的信號量轉(zhuǎn)換成頻率信號或短周期信號的輸出（包括直接或間接轉(zhuǎn)換）。開關(guān)傳感器：當一個被測量的信號達到某個特定的閾值時，傳感器相應地輸出一個設(shè)定的低電平或高電平信號。3.按輸出信號分類（1）集成傳感器：用標準的生產(chǎn)硅基半導體集成電路的工藝技術(shù)制造。通常還將用于初步處理被測信號的部分電路也集成在同一芯片上。（2）薄膜傳感器：通過沉積在介質(zhì)襯底（基板）上的相應敏感材料的薄膜形成。使用混合工藝時，同樣可將部分電路制造在此基板上。（3）厚膜傳感器：利用相應材料的漿料，涂覆在陶瓷基片上制成。（4）陶瓷傳感器：采用標準的陶瓷工藝或其某種變種工藝（溶膠、凝膠等）生產(chǎn)。完成適當?shù)念A備性操作之后，已成形的元件在高溫中進行燒結(jié)。厚膜和陶瓷傳感器這二種工藝之間有許多共同特性，在某些方面，可以認為厚膜工藝是陶瓷工藝的一種變型。4.按制造工藝分類基本型傳感器：是一種最基本的單個變換裝置。組合型傳感器：是由不同單個變換裝置組合而構(gòu)成的傳感器。應用型傳感器：是基本型傳感器或組合型傳感器與其他機構(gòu)組合而構(gòu)成的傳感器。5.按構(gòu)成分類（1）主動型傳感器：又有作用型和反作用型，此種傳感器對被測對象能發(fā)出一定探測信號，能檢測探測信號在被測對象中所產(chǎn)生的變化，或者由探測信號在被測對象中產(chǎn)生某種效應而形成信號。檢測探測信號變化方式的稱為作用型，例如，雷達與無線電頻率范圍探測器。檢測產(chǎn)生響應而形成信號方式的稱為反作用型，例如，光聲效應分析裝置與激光分析器。（2）被動型傳感器：只是接收被測對象本身產(chǎn)生的信號，如紅外輻射溫度計、紅外攝像裝置等。6.按作用形式分類根據(jù)被測物理量分類，可以分為溫度傳感器、熱量傳感器、壓力傳感器、流量傳感器、位移傳感器、質(zhì)量傳感器、加速度傳感器、角速度傳感器、酸堿度傳感器、電流傳感器、氣敏傳感器等。7.按被測物理量分類傳感器的存在和發(fā)展，讓物體有了觸覺、味覺和嗅覺等感官，讓物體慢慢變得活了起來。隨著信息化的發(fā)展，傳感器早已滲透了生活的方方面面，傳感器種類繁多，應用廣泛，下面選取幾種傳感器類型做簡單介紹。2.3.3常見傳感器簡介日常生活中最常見的傳感器之一就是聲音傳感器，聲音傳感器內(nèi)置一個對聲音敏感的電容式駐極體話筒。聲波使話筒內(nèi)的駐極體薄膜振動，導致電容的變化，而產(chǎn)生與之對應變化的微小電壓。這一電壓隨后被轉(zhuǎn)化成0-5V的電壓，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換被數(shù)據(jù)采集器接受。例如，我們平時使用的話筒就是聲音傳感器的應用，話筒的作用就是將由聲音產(chǎn)生的空氣波動和壓力轉(zhuǎn)換成適合電子器件使用的波動電平信號。1.聲音傳感器光敏傳感器就是利用光敏電阻受光線強度影響而阻值發(fā)生變化的原理，從而將光信號轉(zhuǎn)換為電信號的傳感器，同樣有著很多種類。它的敏感波長在可見光波長附近，包括紅外線波長和紫外線波長。光敏傳感器不只局限于對光的探測，它還可以作為探測元件組成其他傳感器，對許多非電量進行檢測，只要將這些非電量轉(zhuǎn)換為光信號的變化即可。很多情況下，都需要將不同的傳感器結(jié)合使用。比如，大多數(shù)聲控燈都同時有著聲音傳感器和光敏傳感器。當周圍光線強烈的時候并不會因為聲音而啟動照明，只有同時滿足光線暗淡以及有一定分貝的聲響才會啟動。2.光敏傳感器分類方式種類說明運動方式直線位移傳感器把直線機械位移量轉(zhuǎn)換成電信號，通常將可變電阻滑軌定置在傳感器的固定部位，通過滑片在滑軌上的位移來測量不同的阻值。通過阻值的變化引起輸出量的變化。角度位移傳感器把對角度測量轉(zhuǎn)換成電信號。有幾種不同的實現(xiàn)方式，有將角度變化量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮枳兓淖冏杵魇浇俏灰苽鞲衅鳎袑⒔嵌茸兓哭D(zhuǎn)變?yōu)殡娙葑兓拿娣e變化型電容角位移傳感器，還有將角度變化量轉(zhuǎn)變?yōu)楦袘妱觿葑兓康拇抛枋浇俏灰苽鞲衅鞯取９ぷ鞣绞交魻柺轿灰苽鞲衅骶S持工作電流不變而使位移帶來磁場強度變化，從而造成霍爾電勢改變，引起輸出量的變化。光電式位移傳感器通過對光的阻擋量來測量對象的位移，這種傳感器的特點是在非接觸的情況下測量。電位器式位移傳感器電位器式位移傳感器的可動電刷與被測物體相連。物體的位移引起電位器移動端的電阻變化，阻值的變化量反映了位移的量值。3.位移傳感器（1）線性度指傳感器輸出量與輸入量之間的實際關(guān)系曲線偏離擬合直線的程度。（2）靈敏度靈敏度是其在穩(wěn)態(tài)下輸出增量與輸入增量的比值。（3）遲滯傳感器在正向（輸入量增大）和反向（輸入量減小）行程過程中，其輸出輸入特性曲線不重合的程度。（4）重復性重復性是指傳感器在按同一方向作全量程多次測試時，所得特性曲線不一致的程度。（5）漂移在一定時間間隔內(nèi)，傳感器在外界干擾下，輸出量發(fā)生與輸入量無關(guān)的、不需要的變化。漂移包括零點漂移和靈敏度漂移。（6）精度傳感器的精度是指測量結(jié)果的可靠程度，是測量中各類誤差的綜合反映，測量誤差越小，傳感器的精度越高。（7）穩(wěn)定性穩(wěn)定性表示傳感器在一個較長的時間內(nèi)保持其性能參數(shù)的能力。理想上是不論什么時候，傳感器的特性參數(shù)都不隨時間變化。但實際上，隨著時間的推移，大多數(shù)傳感器的特性會發(fā)生改變。這是因為敏感元件或構(gòu)成傳感器的部件，其特性會隨時間發(fā)生變化，從而影響了傳感器的穩(wěn)定性。2.3.4傳感器性能指標2.4.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)概述1.傳感器網(wǎng)絡(luò)20世紀90年代末，隨著現(xiàn)代傳感器、無線通信、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)、嵌入式計算、集成電路、分布式信息處理與人工智能等新興技術(shù)的發(fā)展與融合，以及新材料、新工藝的出現(xiàn)，傳感器技術(shù)向微型化、無線化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化方向迅速發(fā)展，由此研制出了各種具有感知、通信與計算功能的智能微型傳感器。而傳感器網(wǎng)絡(luò)就是大量部署的集成有傳感器、數(shù)據(jù)處理單元和通信模塊的微小節(jié)點在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)。借助于節(jié)點中內(nèi)置的形式多樣的傳感器測量所在周邊環(huán)境中的熱、紅外、聲納、雷達和地震波信號，傳感器網(wǎng)絡(luò)探測包括溫度、濕度、噪聲、光強度、壓力、土壤成分、移動物體的大小、速度和方向等眾多我們感興趣的物質(zhì)現(xiàn)象。2.4無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)傳感器網(wǎng)絡(luò)在通信方式上，雖然可以采用有線、無線、紅外和光等多種形式，但一般認為短距離的無線低功率通信技術(shù)最適合傳感器網(wǎng)絡(luò)使用，為明確起見，一般稱作無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wirelesssensornetwork，WSN）。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）通過無線通信方式形成一個自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，具有信號采集、實時監(jiān)測、信息傳輸、協(xié)同處理、信息服務(wù)等功能，能感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)所覆蓋區(qū)域中感知對象的各種信息，并將處理后的信息傳遞給用戶。2.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)2.4.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)（1）網(wǎng)絡(luò)通信部分1）物理層（PhysicalLayer）2）數(shù)據(jù)鏈路層（DataLinkLayer）3）網(wǎng)絡(luò)層（NetworkLayer）4）傳輸層（TransportLayer）5）應用層（ApplicationLayer）（2）傳感器管理部分1）能源管理（EnergyManagement）2）移動管理（MobilityManagement）3）協(xié)同管理（SynchronizationManagement）1.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議結(jié)構(gòu)（1）星形拓撲結(jié)構(gòu)（2）樹形拓撲結(jié)構(gòu)（3）網(wǎng)狀拓撲結(jié)構(gòu)2.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)

1.大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)2.動態(tài)性網(wǎng)絡(luò)3.通信能力有限4.計算和存儲能力受限5.以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò)6.應用相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)2.4.3無線傳感器網(wǎng)絡(luò)特性1.環(huán)境監(jiān)測2.醫(yī)療護理3.軍事領(lǐng)域4.目標跟蹤5.其他用途2.4.4無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應用領(lǐng)域常用的感知與識別技術(shù)除了前面介紹的之外，還有二維碼技術(shù)、紅外感應技術(shù)、GPS定位技術(shù)、聲音及視覺識別技術(shù)、生物特征識別技術(shù)等。2.5其他感知與識別技術(shù)二維碼是一種比一維碼更高級的條碼格式。一維碼只能在一個方向（一般是水平方向）上表達信息，而二維碼在水平和垂直方向都可以存儲信息。一維碼只能由數(shù)字和字母組成，而二維碼能存儲漢字、數(shù)字和圖片等信息，因此二維碼的應用領(lǐng)域要廣得多。2.5.1二維碼技術(shù)實際上，二維碼的編碼和解碼與一維碼沒有本質(zhì)區(qū)別，只是在信息量和實現(xiàn)方式上發(fā)生了一些變化，從而引起了其他方面的一些變化，如碼的容量、精度和數(shù)據(jù)安全性等。二維碼是在條形碼的基礎(chǔ)上，在兩個方向上進行的編碼和解碼。二維條碼是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)符號信息，這極大地增大編碼的容量，很好地解決一維碼容量不足和編碼加密機制過于簡單的問題，從而增強了條碼的容量和加密功能并拓展了它的應用范圍。一維條碼的寬度記載著數(shù)據(jù)，而其長度沒有記載數(shù)據(jù)。二維條碼的長度、寬度均記載著數(shù)據(jù)。二維碼有一維條碼沒有的“定位點”和“容錯機制”。定位點使其能夠識別旋轉(zhuǎn)過的圖形，容錯機制在即使沒有辨識到全部的條碼、或是說條碼有污損時，也可以正確地還原條碼上的信息。1.什么是二維碼國外對二維碼技術(shù)的研究始于20世紀80年代末，在二維碼符號表示技術(shù)研究方面已研制出多種碼制，常見的有PDF417、QRCode、Code49、Code16K、CodeOne等。這些二維碼的信息密度都比傳統(tǒng)的一維碼有了較大提高。在二維碼設(shè)備開發(fā)研制、生產(chǎn)方面，美國、日本等國的設(shè)備制造商生產(chǎn)的識讀設(shè)備、符號生成設(shè)備，已廣泛應用于各類二維碼應用系統(tǒng)。二維碼作為一種全新的信息存儲、傳遞和識別技術(shù)，自誕生之日起就得到了世界上許多國家的關(guān)注。美國、德國、日本等國家，不僅已將二維碼技術(shù)應用于公安、外交、軍事等部門對各類證件的管理，而且也將二維碼應用于海關(guān)、稅務(wù)等部門對各類報表和票據(jù)的管理，商業(yè)、交通運輸?shù)炔块T對商品及貨物運輸?shù)墓芾?、郵政部門對郵政包裹的管理、工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域?qū)I(yè)生產(chǎn)線的自動化管理。我國對二維碼技術(shù)的研究開始于1993年。中國物品編碼中心對幾種常用的二維碼PDF417、QRCCode、DataMatrix、MaxiCode、Code49、Code16K、CodeOne的技術(shù)規(guī)范進行了翻譯和跟蹤研究。隨著我國市場經(jīng)濟的不斷完善和信息技術(shù)的迅速發(fā)展，國內(nèi)對二維碼這一新技術(shù)的需求與日俱增。2.發(fā)展歷程3.常見的二維碼種類（1）宣傳推廣1）平面宣傳物料2）視頻廣告宣傳3）線上推廣（2）表單應用（3）保密應用（4）電子商務(wù)應用（5）證照應用（6）網(wǎng)絡(luò)資源下載（7）產(chǎn)品溯源應用（8）景點門票應用（9）車輛管理應用（10）追蹤應用4.二維碼的應用實例紅外感應技術(shù)是基于紅外線技術(shù)的自動控制產(chǎn)品。通過能夠感知紅外線的感應器，當有人進入感應范圍時，傳感器能偵測到人體的紅外光譜，從而自動接通開關(guān)，只要人不離開感應范圍，將持續(xù)接通；人離開后，延時自動關(guān)閉。既方便又節(jié)能環(huán)保。2.5.2紅外感應技術(shù)紅外線（Infrared）是波長在760nm至1mm之間的電磁波，是一種非可見光。由于其波長比紅光長，所以被稱為紅外線。其波長介乎微波與可見光之間，對應頻率約是在430THz到300GHz的范圍內(nèi)。室溫下物體所發(fā)出的熱輻射大多都在此波段。紅外線按照輻射源可區(qū)分為四部分：（1）白熾發(fā)光區(qū)：或稱“光化反應區(qū)”，由白熾物體產(chǎn)生的射線，射線波長自可見光域到紅外域均存在。如燈泡（白熾燈便是以此命名）、太陽。一只點亮的白熾燈的燈絲溫度會高達3000℃。（2）熱體輻射區(qū)：由非白熾物體產(chǎn)生的熱射線，如電熨斗及其它的電熱器等，平均溫度約在400℃左右。（3）發(fā)熱傳導區(qū)：由滾沸的熱水或熱蒸汽管產(chǎn)生的熱射線。平均溫度低于200℃，此區(qū)域又稱為非光化反應區(qū)。（4）溫體輻射區(qū)：由人體、動物或地熱等所產(chǎn)生的熱射線，平均溫度約為40℃左右。紅外感應技術(shù)的應用很多就是對這個區(qū)域輻射的偵測。1.紅外線（1）