2-4、物联网技术及其应用课件

2020/2/121物联网技术及其应用南京邮电大学教授、博士生导师张顺颐2015，4，[e-mail]2020/2/122参考书籍：1、射频识别（RFID）原理与应用单承赣等编著，电子工业出版社，2008年7月2、ZigBee技术及其应用瞿雷等编著，北京航空航天大学出版社，2007年9月2020/2/1222020/2/123物联网及其发展几十年来互联网获得了极大的发展，已经成为人类社会和人类生活不可或缺的信息网络系统；互联网下一个发展方向，除了扩大覆盖、提高速度、加大容量、增加网民（包括地址）无线接入等，向物联网发展也是一个重要的动向；我们可以通过互联网了解世界（各地发生的事情）在物联网普及以后，我们就可以感知世界上发生的事情；物联网大体上就是技术界以往所说的传感网；其基本架构应该是互联网网络为主体，加上可以感知客观事物的有线、无线接入的传感器网络；2020/2/124什么是传感网（物联网）？物联网，基本上就是我们以前称为传感网的网络。IBM在前年提出，美国总统奥巴马上台以后，为了解决经济危机，接过这一事物，提出“智慧地球”的概念；温家宝总理2009，8视察江苏无锡时，提出把“智慧中国”的中心建在无锡。江苏省委和省政府非常重视。正在全力贯彻落实。近日，倾向于把物联网称为传感网。传感器网、传感网、物联网、互联网、因特网：关联和区别；2020/2/125什么是传感网（物联网）？传感器网：把各种传感器连接起来的网络，这种连接可以是无线，也可以是有线；目前学界对于传感器网、传感网、物联网尚无一个明确的定义；可以认为，传感网强调以感知为目的，物联网倾向于传感器的连接为特征；但是两者都是以互联网为基础的。但是对于互联网、因特网则有科学的定义；INTERNET；因特网Internet；互联网2020/2/126什么是物联网？传感网是以感知为目的，实现人与人、人与物、物与物全面互联的网络。传感网突出的特征是通过传感器等方式获得物理世界的多种信息，结合互联网、移动通信网络进行信息的传送与交互，采用智能计算技术对信息进行分析与处理，从而提升对物质世界的感知能力，实现智能化的决策和控制。物联网应该有更规范的内涵，例如物联网也包括网络控制为目的，而传感网更强调以感知为目的；2020/2/127什么是物联网？物联网将各种信息传感设备、控制设备，例如射频识别装置（RFID）、红外感应装置、全球定位系统（GPS）、激光扫描器等与互联网结合起来形成一个不仅仅是人在使用，也可以把各种其它信息（不仅仅是文字、语言、数字、图像）通过互联网进行传递、处理、存储、检测等。以提高人类社会的信息化、自动化水平。物联网的用途广泛，遍及智能交通、环境保护、政府政务、公共安全、平安家居、智能消防、工业检测、病老护理、个人健康等多个领域。业界普遍认为物联网是继计算机、互联网、移动通信网之后的又一次信息产业浪潮。2020/2/128什么是物联网？物联网的要素，首先是要把物体连接到网上；其次是要把这个物体的信息传到互联网上；物联网的工作，就是获取信息、传送信息、处理信息、存储信息、显示信息；美国的研究机构Forrester预测，物联网的产业价值和规模，要比互联网大30倍，将会形成下一个万亿元级别的产业；2020/2/129传感网与无线通信传感网中使用的几种通信技术：1、移动通信：2G、3G、B3G、LTE；2、无线局域网：WiFi：无线局域网，802.11，校园网；WiMAX：无线城域网，802.16，已成为3G标准3、超宽带UWB：特征是利用纳秒级的非正弦波窄脉冲传输数据。工作频率3.1G-10.6GMHz，低功耗，如射频标签RFID（RadioFrequencyIdentification也称电子标签、无线电频率识别）。2020/2/1210传感网与无线通信4、ZigBee：低功耗、近距离的无线组网通信技术；802.15.4（s）;5、NFC（近场通信），双向RFID，可实现设备之间的近距离通信（20cm，比兰牙短，但是不需要加密）；6、兰牙（Bluetooth）、红外（IiRD）；2020/2/1211传感器的种类信息（例如RFID中的各种读卡器）温度、温限压力测力、压力、重力；液位、水位测量、流体、流量电机保护光敏荷重、称重传感器闸门开度（高度）2020/2/1212传感器的种类气体、气味、口臭、室内空气、风速湿度灰尘红外漏电、电导PH值2020/2/1213传感器的种类酒精AQS环境控制卤素浓度生物传感器热学量位置、安防光纤光栅指纹、触摸2020/2/1214传感器的种类磁阻倾角视觉、图像压电、静电、电流、电压加速度霍尔位置微波2020/2/1215物联网的工作模式物联网的工作模式较多，但是目前主要分为射频识别（射频标签）RFID和ZigBee，因为国际标准化组织目前主要在这两种应用中制定了一系列的标准；射频识别（射频标签）RFID主要是应用读卡器和应答器之间的信息传输完成工作；ZigBee则主要是工作于网络系统；2020/2/1216RFID射频识别是无线电频率识别的简称，即通过无线电波进行识别。RFID系统中，识别信息存放在电子数据载体中，电子数据载体称为应答器。应答器中存放的识别信息由阅读器读出。阅读器不仅可以读出存放的信息，而且可以对其进行写入，读写过程是通过双方之间的无线通信来实现的。标签阅读器天线2020/2/1217RFID应答器（射频卡或标签）（a）外形（b）内部结构射频卡2020/2/1218RFID应答器（射频卡或标签）标签智能标签UHF电子标签卡UHF电子标签锁UHF金属电子标签2020/2/1219RFID阅读器（读写器或基站）2020/2/1220RFID阅读器应答器数据通信接口时序能量RFID的基本原理框图射频卡或电子标签读写器或基站2020/2/1221RFID的工作频率RFID的工作频率可划分为：1、LF：低频30－300KHz，常用125KHz；2、HF：高频3－30MHz，工作频率为13.56MHz;3、UHF：特高频300MHz－3GHz，工作频率：433MHz，866－960MHz，2.45GHz；4、SHF：超高频3－30GHz，工作频率：5.8GHz、24GHz；0f(Hz)30k300k3M30M300M3G30G125k13.56M常用：433M866～960M5.8G工作频率分布图LF1MHFUHF1G1K2020/2/1222电感耦合方式RFID的工作原理RIFD工作方式阅读器存储及控制电路应答器C1RsvsR1L1L2VD应答器芯片磁场HC2C3v2i电感耦合阅读器应答器电感耦合方式的电路结构信息2020/2/1223电感耦合方式RFID的工作原理1、阅读器为有源工作，应答器无源工作；2、L1、C1；L2、C2均工作在射频源VS的谐振频率；3、阅读器L2的磁场变化产生电压整流后供阅读器使用；4、阅读器向阅读器的数据传输采用内部的二进制数据编码信号控制开关S，使得负载电阻R2被接通或者断开，通过耦合使L1产生变化的电压，经调制、解码即可；5、阅读器向阅读器的数据传输，是通过数字调制的方式实现的，多采用ASK（幅频监控）的方式；2020/2/1224电感耦合方式RFID的工作原理RIFD工作方式负载调制阅读器C1RsvsR1滤波放大解调和解码应答器VD二进制数据编码信号L1L2C2C3存储及控制电路SR2负载调制的原理示意图2020/2/1225反向散射耦合RFID工作方式目标的反向散射耦合RIFD工作方式反向散射耦合电源电路存储及控制电路负载调制阅读器收发耦合天线天线P1P2应答器电源电路用于吸收耦合的功率；2020/2/1226反向散射方式RFID的工作原理声表面波（SurfaceAcousticWave，SAW）器件是以压电效应和与表面弹性相关的低速传播的声波为依据。偶极子天线换能器反射带压电晶体基片反射器2020/2/1227反向散射方式RFID的工作原理声表面波应答器以压电效应和避免弹性相关的低速传播的声波为依据，加以体积小、重量轻、工作频率高、相对带宽较高，并且可采用与集成电路芯片工艺相同的平面加工工艺，制造简单，工艺的一致性好，灵活性高；2020/2/1228反向散射方式RFID的工作原理换能器的作用是将电信号转换为声波。它利用压电衬底在电场作用下的膨胀和收缩效应。指状电极上的电位差形成电场。射频信号引起压电衬底的振动，从而沿其表面产生声波，经反射返回换能器在转换成射频脉冲的序列的电信号，经偶极子天线回传至阅读器；声表面波RFID系统的作用距离主要取决于阅读器所能允许的发射功率，在2.45GHz下，作用距离可达1-2m。2020/2/1229RFID谐波检测法的工作原理：基于反向散射耦合方式，它可用于电子防盗系统1kHz方波微波源发送频率fc处理检波接收频率2fc发送器接收器阅读器偶极子天线变容二极管应答器谐波法原理2020/2/1230RFID射频识别的应用系统构架高层阅读器1阅读器2阅读器N应答器1-1应答器1-N…应答器2-1应答器2-N…应答器N-1应答器N-N……1、最简单的应用系统只有单个阅读器，它一次对一个应答器进行操作，如公交汽车上的票务操作。2、较复杂的应用需要一个阅读器可同时对多个应答器进行操作，即要具有防碰撞（亦称防冲突）的能力。3、更复杂的应用系统要解决阅读器的高层处理问题，包括多阅读器的网络连接。2020/2/1231RFID应答器的主要性能参数工作频率读/写能力编码调制方式数据传输速率信息数据存储容量工作距离多应答器识读能力（亦称防碰撞或防冲突能力）安全性能（密钥、认证）等。2020/2/1232RFID无源、半无源与有源应答器无源应答器：不附有电池，从阅读器发出射频能量中提取工作所需的电能。采用电感耦合方式的应答器多为无源应答器。半无源应答器：内装有电池，起辅助作用，对维持数据的电路供电或对应答器芯片工作所需的电压作辅助支持，用于传输通信的射频能量源自阅读器。有源应答器：工作电源完全由内部电池供给，同时内部电池能量也部分地转换为应答器与阅读器通信所需的射频能量。2020/2/1233RFID应答器电路的基本结构解调解码电源电路负载调制控制器编码器存储器射频前端时钟2020/2/1234RFID阅读器的功能1、以射频方式向应答器传输能量；2、从应答器中读出数据或向应答器写入数据；3、完成对读取数据的信息处理并实现应用操作；4、若有需要，应能和高层处理交互信息。2020/2/1235RFID阅读器的电路组成发送通道接收通道时钟电路振荡器载波形成天线MCU动作控制通信接口2020/2/1236RFID天线天线的目标是取得最大的能量传输效果。RFID系统所用的天线类型主要有偶极子天线、微带贴片天线、线圈天线等。在应答器中，天线和应答器芯片封装在一起。2020/2/1237RFID相关的自动识别技术自动识别技术：包括条形码、接触式IC卡、生物特征识别、光学字符识别（OCR）以及射频识别（RFID）等。条形码（BarCode）技术：最早产生在20世纪20年代，由一组规则排列的条和空、相应的数字组成。其它......左空白区起始左层指示符号字符右层指示符号字符数据区右空白区终止空白区空白区横列0横列1横列2横列3横列4横列52020/2/1238RFID的差错检测RFID相同中产生差错的原因：信道中有干扰；相同特性不理想；信号的波形产生失真；有以上的原因导致数据在接收时发生误判造成误码；2020/2/1239RFID的差错检测差错的性质：随机错误：信道中随机噪声干扰引起，信号的错误情况往往无规律突发错误：由突发干扰引起，前后之间的误码往往呈现相关性；其误码影响可用突发误码长度来表示，即突发错误中最前面的1和最后面的1之间间隔的长度。例：正确比特流：00111