桂小林主编《物联网技术导论》课件V1.

陕西省计算机网络重点实验室西安交通大学网络技术与工程研究所2013.2桂小林主编21世纪高等学校规划教材IBM大学合作项目书籍出版资助物联网技术导论第一章绪论1.1物联网的概念1.3物联网的应用1.4本章小结1.2物联网的起源与发展1.1物联网的概念1.1.1物联网的定义定义：物联网是通过使用射频识别（RadioFrequencyIdentification，RFID）、传感器、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息采集设备，按约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。1.1物联网的概念1.1.2物联网的特征全面感知可靠传递智能处理1.1.3“物”的含义1.1物联网的概念1.1.4物联网概念辨析EPC系统信息物理系统传感器网络M2M技术1.2物联网的起源与发展1.2.1物联网的起源国际发展现状国内发展现状1.2.2物联网的发展物联网发展面临的问题1.3物联网的应用智能交通智能物流环境监测智能电网医疗健康智能家居1.4小结第二章物联网体系结构2.1物联网体系结构概述2.3物联网关键技术2.4已有物联网相关应用架构2.2物联网体系结构2.5物联网的反馈与控制2.6本章小结2.1物联网体系结构概述2.1.1意义和功能物联网的最终目的是建立一个满足人们生产、生活以及对资源、信息更高需求的综合平台，管理跨组织、跨管理域的各种资源和异构设备，为上层应用提供全面的资源共享接口，实现分布式资源的有效集成，提供各种数据的智能计算、信息的及时共享以及决策的辅助分析等。图物联网2.1物联网体系结构概述2.1.1意义和功能无线传感网无线传感器网络的相关技术可以作为物联网开发的基础互联网互联网连接的是虚拟世界，而物联网则是实现物理世界的互联互通2.1物联网体系结构概述2.1.1意义和功能图物联网的三层结构异构屏蔽性互联互通安全性2.1物联网体系结构概述2.1.2设计原则以“用户为中心”时空性互联互通开放性可管理性安全性鲁棒性2.1物联网体系结构2.1.1组成模块图USN结构2.1物联网体系结构2.1.1组成模块图物联网体系结构2.2物联网体系结构2.2.1组成模块感知控制层数据传输层数据的动态组织与管理层应用决策层数据的实时采集信息的有效传递信息的智能化处理2.2物联网体系结构2.2.2感知控制层传感技术传感器是将能感受到的及规定的被测量按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。标识技术标识技术是通过RFID、条形码等设备所感知到的目标外在特征信息来证实和判断目标本质的技术来。定位技术定位技术是测量目标的位置参数、时间参数、运动参数等时空信息的技术，它利用信息化手段来得知某一用户或者物体的具体位置。2.2物联网体系结构2.2.2感知控制层图定位技术2.2物联网体系结构2.2.3数据传输层图数据传输技术短距离通信技术广域网通信技术2.2物联网体系结构2.2.3数据的动态组织与管理图云计算架构2.2物联网体系结构2.2.4数据的动态组织与管理智能计算技术海量数据的存储服务计算2.2物联网体系结构2.2.5应用决策监控型应用图基于RFID的物流跟踪2.2物联网体系结构2.2.5应用决策控制型应用图智能交通2.2物联网体系结构2.2.5应用决策扫描型应用图手机钱包2.3物联网关键技术图物联网关键技术2.3物联网关键技术2.3.1感知标识技术图感知设备2.3物联网关键技术2.3.1感知标识技术传感器无线传感网标识技术定位技术2.3物联网关键技术2.3.2网络与通信技术接入网技术通信技术三网融合技术2.3物联网关键技术2.3.3云计算技术PaaSIaaSSaaS2.3物联网关键技术2.3.4安全技术从安全技术角度来看，相关技术包括以确保使用者身份安全为核心的认证技术，确保安全传输的密钥建立及分发机制，以及确保数据自身安全的数据加密、数据安全协议等数据安全技术。因此，在物联网安全领域，数据安全协议、密钥建立及分发机制、数据加密算法设计以及认证技术是关键的部分。2.4已有架构2.4.1无线传感网图WSN2.4已有架构2.4.1无线传感网图WSN体系结构2.4已有架构2.4.2EPC/UID图EPC的组成系统构成名称注释EPC编码体系射频识别系统信息网格系统EPC代码EPC标签读写器EPC中间件对象名称解析服务（ObjectNamingService：ONS）EPC信息服务（EPICS）原来标识目标的特定代码贴在物品之上或者内嵌在物品中识别EPC标签EPC系统的软件支持系统2.4已有架构2.4.2EPC/UID图EPC2.4已有架构2.4.3CPS图CPS2.4已有架构2.4.4M2M图M2M2.5物联网的反馈与控制2.5.1自动控制的基本原理与方式自动控制的概念及应用反馈控制原理反馈控制系统的基本组成自动控制系统的基本控制方式自动控制是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（称控制装置或控制器），使机器、设备或生产过程（统称被控对象）的某个工作状态或参数（即被控量）自动地按照预定的程序运行。自动控制的概念及应用2.5物联网的反馈与控制自动控制的基本原理与方式反馈控制定义反馈——把取出输出量送回到输入端，并与输入信号相比较产生偏差信号的过程，称为反馈。分为负反馈和正反馈。反馈控制——就是采用负反馈并利用偏差进行控制的过程，而且，由于引入了被控量的反馈信息，整个控制过程成为闭合过程，因此反馈控制也称闭环控制。反馈控制原理反馈控制系统组成测量元件：检测被控制的物理量，并将其转换为电量。给定元件：给出与期望的被控量相对应的系统输入量。比较元件：把测量元件检测的被控量实际值与给定元件给出的参据量进行比较，求出它们之间的偏差。放大元件：将比较元件给出的偏差信号进行放大，用来推动执行元件去控制被控对象。执行元件：直接推动被控对象，使其被控量发生变化。校正元件：也叫补偿元件，用串联或反馈的方式连接在系统中，以改善系统性能。自动控制系统的基本控制方式——反馈控制方式方式：按偏差进行控制。特点：减小或消除这个偏差作用：具有抑制任何内、外扰动对被控量产生影响的能力，有较高的控制精度。问题：系统使用的元件多、结构复杂，设计麻烦。自动控制系统的基本控制方式——开环控制方式方式：是指控制装置与被控对象之间只有顺向作用而没有反向联系的控制过程。特点：是系统的输出量不会对系统的控制作用发生影响。设计简单。作用：可以按给定量控制，也可以按扰动控制。缺点：按扰动控制方式只适合扰动可测的场合，且一个补偿能力单一。自动控制系统的基本控制方式——复合控制方式方式：把两者结合起来，对主要扰动采用适当补偿的装置实现按扰动控制，同时再组成反馈控制系统实现按偏差控制，以消除其余扰动产生的偏差。特点：系统的主要扰动已被补偿，反馈控制系统就比较容易被设计，控制效果也会更好。2.5物联网的反馈与控制2.5.2物联网系统的控制论解析2.5.3物联网的控制特性2.5.4控制理论在物联网中的应用前景物联网系统的控制论解析物联网中的“感、智、控”分别构成了物联网控制系统的测量、比较、执行等三大部件，这三大部件又在“联”这种网络平台上得以相互作用，形成了“控制系统”，最终实现了“控”的目的。联物联网的控制特性鲁棒性保安性可信性时延性控制理论在物联网中的应用前景物联网的控制系统一定是一个计算机参与的离散控制系统，将离散控制理论的分析方法引入物联网系统的分析、研究和设计过程中，能够使这一过程更加科学、合理，对系统的各种性能将有一个更准确的判断，同时也便于进行仿真分析。第三章传感器技术3.1传感器概述3.3传感器技术原理3.4常见传感器介绍3.2传感器分类3.5本章小结3.1传感器概述3.1.1传感器的功能物理世界的“感觉器官”从狭义角度来看，传感器是一种将测量信号转换成电信号的变换器从广义角度来看，传感器是指在电子检测控制设备输入部分中起检测信号作用的器件3.1传感器概述3.1.1传感器的功能3.1传感器概述3.1.2传感器的特性线性度传感器的线性度是指传感器的输出与输入之间数量关系的线性程度2012nnyaaxaxaxmaxLFS100%LY3.1传感器概述3.1.2传感器的特性灵敏度灵敏度是传感器静态特性的一个重要指标，其定义是输出量增量Δy与引起输出量增量Δy的相应输入量的增量Δx之比。用S表示灵敏度，即：ySx3.1传感器概述3.1.2传感器的特性迟滞传感器在正（输入量增大）反（输入量减小）行程期间其输出/输入特性曲线不重合的现象称为迟滞maxHFS100%HY3.1传感器概述3.1.2传感器的特性重复性重复性是指传感器在输入量按同一方向作全量程连续多次变化时，所得特性曲线不一致的程度(2~3)100%RFSY3.1传感器概述3.1.3传感器的发展趋势微型化智能化多样化网络化集成化新型材料高精度、高可靠3.1传感器概述3.1.3传感器的发展趋势3.1传感器概述3.1.3传感器的应用领域工业检测和自动化控制系统智能家居环境保护医疗航空航天智能机器人3.2传感器的分类3.2.1根据测试对象温度传感器湿度传感器压力传感器位移传感器加速度传感器3.2传感器的分类3.2.2根据原理电学式传感器磁性式传感器电势型传感器光电式传感器电荷传感器半导体传感器谐振式传感器电化学式传感器3.2传感器的分类3.2.3根据输出信号模拟式传感器数字式式传感器3.2传感器的分类3.2.4根据能量有源传感器无源传感器3.2传感器的分类传感器分类转换原理传感器名称典型应用转换形式中间参量电参数电阻移动电位器角点改变电阻电位器传感器位移改变电阻丝或片尺寸电阻丝应变传感器、半导体应变传感器微应变、力、负荷利用电阻的温度效应热丝传感器气流速度、液体流量电阻温度传感器温度、辐射热热敏电阻传感器温度电容改变电容的几何尺寸电容传感器力、压力、负荷、位移改变电容的介电常数液位、厚度、含水量电感改变磁路几何尺寸、导磁体位置电感传感器位移涡流去磁效应涡流传感器位移、厚度、含水量利用压磁效应压磁传感器力、压力改变互感差动变压器位移自整角机旋转变压器频率改变谐振回路中的固有参数振弦式传感器压力、力振筒式传感器气压石英谐振传感器力、温度等计数利用莫尔条纹光栅大角位移、大直线位移改变互感感应同步器利用拾磁信号磁栅数字利用数字编号角度编码器大角位移电能量电动势温差电动势热电偶温度、电流霍尔效应霍尔传感器磁通、电流电磁感应磁电传感器速度、加速度光电效应光电池光照度电荷辐射电离电离室离子计数、放射性强度压电效应压电传感器动态力、加速度3.3传感器的技术原理3.3.1电阻应变式传感器压力、位移等弹性敏感元件电阻应变片电桥电路RU3.3传感器的技术原理3.3.1电阻应变式传感器lRSdRdldsdRls12SdRdKR3.3传感器的技术原理3.3.1电阻应变式传感器应变片电阻值绝缘电阻应变片的灵敏系数机械滞后零漂和蠕变极限横向效应3.3传感器的技术原理3.3.1电阻应变式传感器3.3传感器的技术原理3.3.2电感式传感器自感传感器的基本工作原理演示☞气隙变小，电感变大，电流变小A1l1LW1线圈2定铁芯3衔铁(动铁芯)A2l23.3传感器的技术原理3.3.2电感式传感器mRNL2线圈自感线圈匝数磁路总磁阻3.3传感器的技术原理3.3.2电感式传感器mRNL2线圈自感线圈匝数磁路总磁阻70对于变隙式传感器,因为气隙δ很小,所以可以认为气隙中的磁场是均匀的。若忽略磁路磁损,则磁路总磁阻：02imiiLRSS