第2讲_物联网感知层技术

物联网概论第二讲物联网感知层技术传感器是各种信息处理系统获取信息的一个重要途径。在物联网中传感器的作用尤为突出，是物联网中获得信息的主要设备。作为物联网中的信息采集设备，传感器利用各种机制把被观测量转换为一定形式的电信号，然后由相应的信号处理装置来处理，并产生响应的动作。2.1常见传感器简介常见的传感器包括温度，压力，湿度，光电，霍尔磁性传感器，等等。2.1.1温度传感器常见的温度传感器包括热敏电阻，半导体温度传感器，以及温差电偶。热敏电阻主要是利用各种材料电阻率的温度敏感性，根据材料的不同，热敏电阻可以用于设备的过热保护，以及温控报警等等。半导体温度传感器利用半导体器件的温度敏感性来测量温度，具有成本低廉，线性度好等优点。温差电偶则是利用温差电现象，把被测端的温度转化为电压和电流的变化；由不同金属材料构成的温差电偶，能够在比较大的范围内测量温度，例如-200℃~2000℃。温差电偶热敏电阻半导体温度传感器下面介绍铂电阻温度传感器的原理与特性铂电阻温度传感器是一种用途广泛的高精度温度传感器具有温度敏感性，其外观以及典型电阻-温度特性如下图所示如上图中的电阻-温度特性曲线所示，铂电阻在很宽的温度范围内，其电阻与温度具有良好的线性特性，非常适合作为温度传感器来使用。对于PT100系列铂电阻温度传感器，在0~850℃范围内，电阻阻值与温度的关系为20()1RtRAtBt其中370100,3.908310C,5.77510CRAB2.1.2压力传感器常见的压力传感器在受到外部压力时会产生一定的内部结构的变形或位移，进而转化为电特性的改变，产生相应的电信号。一种车用电容式压力传感器Honeywell24PC压力传感器及其内部结构2.1.3湿度传感器湿度传感器主要包括电阻式和电容式两个类别。电阻式湿度传感器也成为湿敏电阻，利用氯化锂，碳，陶瓷等材料的电阻率的湿度敏感性来探测湿度。电容式湿度传感器也称为湿敏电容，利用材料的介电系数的湿度敏感性来探测湿度。一种电容式湿敏传感器结构图一种电阻式陶瓷湿敏传感器结构图几种湿度传感器2.1.4光传感器光传感器可以分为光敏电阻以及光电传感器两个大类。光敏电阻主要利用各种材料的电阻率的光敏感性来进行光探测。光电传感器主要包括光敏二极管和光敏三极管，这两种器件都是利用半导体器件对光照的敏感性。光敏二极管的反向饱和电流在光照的作用下会显著变大，而光敏三极管在光照时其集电极、发射极导通，类似于受光照控制的开关。此外，为方便使用，市场上出现了把光敏二极管和光敏三极管与后续信号处理电路制作成一个芯片的集成光传感器。光传感器的不同种类可以覆盖可见光，红外线（热辐射），以及紫外线等波长范围的传感应用。光敏电阻结构图与实物光敏三极管集成光传感器2.1.5霍尔（磁性）传感器霍尔传感器是利用霍尔效应制成的一种磁性传感器。霍尔效应是指：把一个金属或者半导体材料薄片置于磁场中，当有电流流过时，由于形成电流的电子在磁场中运动而收到磁场的作用力，会使得材料中产生与电流方向垂直的电压差。可以通过测量霍尔传感器所产生的电压的大小来计算磁场的强度。霍尔效应霍尔传感器霍尔传感器结合不同的结构，能够间接测量电流，振动，位移，速度，加速度，转速等等，具有广泛的应用价值。基于霍尔器件的精密电流传感器霍尔转速传感器霍尔液位传感器霍尔流速传感器2.2微机电（MEMS）传感器微机电系统的英文名称是Micro-Electro-MechanicalSystems，简称MEMS，是一种由微电子、微机械部件构成的微型器件，多采用半导体工艺加工。目前已经出现的微机电器件包括压力传感器、加速度计、微陀螺仪、墨水喷咀和硬盘驱动头等等。微机电系统的出现体现了当前的器件微型化发展趋势。2.2.1微机电压力传感器某轮胎压力传感器的内部结构以及外观如下图所示。该压力传感器利用了传感器中的硅应变电阻在压力作用下发生形变而改变了电阻来测量压力；测试时使用了传感器内部集成的测量电桥。传感器外形MEMS压力传感器结构传感器中集成的测量电桥2.2.2微机电加速度传感器微机电加速度传感器主要通过半导体工艺在硅片中加工出可以在加速运动中发生形变的结构，并且能够引起电特性的改变，如变化的电阻和电容。应变电阻式MEMS加速度传感器的平面与刨面结构图电容式MEMS加速度传感器的结构图2.2.3微机电气体流速传感器以下图片中的气体流速传感器可以用于空调等设备的监测与控制。气体流速传感器显微照片气体流速传感器结构图无气流时的温度分布有气流时的温度分布2.3智能传感器智能传感器（smartsensor）是一种具有一定信息处理能力的传感器，目前多采用把传统的传感器与微处理器结合的方式来制造。如下图所示，在传统的传感器构成的应用系统中，传感器所采集的信号通常要传输到系统中的主机中进行分析处理；而由智能传感器构成的应用系统中，其包含的微处理器能够对采集的信号进行分析处理，然后把处理结果发送给系统中的主机。主机传感器传感器传感器传感器原始数据传感器原始数据传感器原始数据主机传感器数据分析结果传感器数据分析结果传感器MCU智能传感器传感器MCU智能传感器传感器MCU智能传感器传感器数据分析结果智能传感器能够显著减小传感器与主机之间的通信量，并简化了主机软件的复杂程度，使得包含多种不同类别的传感器应用系统易于实现；此外，智能传感器常常还能进行自检、诊断和校正。2.3.1智能压力传感器下图显示的是Honeywell公司开发的PPT系列智能压力传感器的外形以及内部结构。传感器内部结构PPT系列智能压力传感器下面是一种车用智能压力传感器的芯片布局图。该芯片中把微机电压力传感器，模拟接口、8位模-数转换器、微处理器（摩托罗拉69HC08）、存储器、以及串行接口（SPI）等集成在一个芯片上，主要用于汽车的各种压力传感。CPU2.3.2智能温湿度传感器下面显示的是Sensirion公司推出的SHT11/15温湿度智能传感器的外形，引脚，以及内部框图。2.3.3智能液体浑浊度传感器下面显示的是Honeywell公司推出的AMPS-10G型智能液体浑浊度传感器的外形，测量原理，以及内部框图。数据采集方式的发展过程数据采集方法数据自动采集数据手工采集IC卡射频标签RFID磁卡条形码二维条形码一维条形码2.5一维与二维条码条形码是一种信息的图形化表示方法，可以把信息制作成条形码，然后用相应的扫描设备把其中的信息输入到计算机中。条形码分为一维条码和二维条码，下面分别介绍。1.一维条形码条形码或者条码（barcode）是将宽度不等的多个黑条和空白，按一定的编码规则排列，用以表达一组信息的图形标识符。常见的一维条形码是由黑条（简称条）和白条（简称空）排成平行线图案。条形码可以标出物品的生产国、制造厂家、商品名称、生产日期以及图书分类号、邮件起止地点、类别、日期等信息，因此在商品流通、图书管理、邮政管理、银行系统等很多领域得到了广泛的应用。一维条形码条形码扫描器2.二维条形码通常一维条形码所能表示的字符集不过10个数字、26个英文字母及一些特殊字符，条码字符集最大所能表示的字符个数为128个ASCII字符，信息量非常有限，因此二维条形码诞生了。二维条形码是在二维空间水平和竖直方向存储信息的条形码。它的优点是信息容量大，译码可靠性高，纠错能力强，制作成本低，保密与防伪性能好。以常用的二维条形码PDF417码为例，可以表示字母、数字、ASCII字符与二进制数；该编码可以表示1850个字符/数字，1108个字节的二进制数，2710个压缩的数字；PDF417码还具有纠错能力，即使条形码的某个部分遭到一定程度的损坏，也可以通过存在于其他位置的纠错码将损失的信息还原出来。2009年12月10日，我国铁道部对火车票进行了升级改版。新版火车票明显的变化是车票下方的一维条码编程二维防伪条码，火车票的防伪能力增强。进站口检票时，检票人员通过二维条码识读设备对车票上的二维条形码进行识读，系统自动辨别车票的真伪并将相应信息存入系统中。下面给出了我国使用的一维条形码与二维条形码火车票的比较。作为一种比较廉价实用的技术，一维条码和二维条码在今后一段还会在各个行业中得到一定的应用。然而，条形码表示的信息依然很有限，而且在使用过程中需要用扫描器以一定的方向近距离地进行扫描，这对于未来物联网中动态、快读、大数据量以及有一定距离要求的数据采集，自动身份识别等有很大的限制，因此需要采用基于无线技术的射频标签（RFID）。磁卡（magneticcard）：一种卡片状的磁性记录介质，利用磁性载体记录字符与数字信息，用来识别身份或其他用途。•IC卡（integratedcircuitcard）：也叫做智能卡（smartcard），它是通过在集成电路芯片上写的数据来进行识别的。IC卡与IC卡读写器，以及后台计算机管理系统组成了IC卡应用系统。2.6RFIDRFID的全称为RadioFrequencyIdentification，即射频识别，俗称电子标签。RFID射频识别是一种非接触式的自动识别技术，主要用来为各种物品建立唯一的身份标识，是物联网的重要支持技术。2.6.1系统组成RFID的系统组成包括：电子标签，读写器（阅读器），以及作为服务器的计算机。其中，电子标签中包含RFID芯片和天线，如下图所示。RFID系统组成电子标签外观电子标签的结构天线RFID芯片2.6.2RFID系统原理每个RFID芯片中都有一个全球唯一的编码；在为物品贴上RFID标签后，需要在系统服务器中建立该物品的相关描述信息，与RFID编码相对应。当用户使用RFID阅读器对物品上的标签进行操作时，阅读器天线向标签发出电磁信号，与标签进行通信对话，标签中的RFID编码被传输回阅读器，阅读器再与系统服务器进行对话，根据编码查询该物品的描述信息。RFID标签分为有源和无源标签，有源标签采用电池供电，工作时与阅读器的距离可以达到10m以上，但成本较高，应用教少；目前实际应用中多采用无源标签，依靠从阅读器发射的电磁场中提取能量来供电，工作时与阅读器的距离大约在1m左右。各种形状RFID与其他方式的比较信息载体信息量读/写性读取方式保密性智能化抗干扰能力寿命成本条码/二维码纸、塑料薄膜、金属表面小只读CCD或激光束扫描差无差较短最低磁卡磁条中读/写扫描中等无中长低IC卡EEPROM大读写接触好有好长高RFID卡EEPROM大读/写无线通信最好有很好最长较高RFID标准之争•目前，世界一些知名公司各自推出了自己的很多标准，这些标准互不兼容，表现在频段和数据格式上的差异，这也给RFID的大范围应用带来了困难。•目前全球有两大RFID标准阵营：欧美的Auto-IDCenter与日本的UbiquitousIDCenter（UID）。•欧美的EPC标准采用UHF频段，为860MHz～930MHz，日本RFID标准采用的频段为2.45GHz和13.56MHz；日本标准电子标签的信息位数为128位，EPC标准的位数则为96位。•ISO18000系列含括了有源和无源RFID技术标准，主要是基于物品管理的RFID空中接口参数。••ISO17363至17364是一系列物流容器识别的规范，它们还未被认定为标准。•ISO14443和ISO15693标准在1995年开始操作，其完成则是在2000年之后，二者皆以13.56MHz交变信号为载波频率。ISO15693读写距离较远，而ISO14443读写距离稍近，但应用较广泛。目前的第二代电子身份证采用的标准是ISO14443TYPEB协议。ISO14443定义了TYPEA、TYPEB两种类型协议，通信速率为106kbit/s。•ISO14443-3规定了TYPEA和TYPEB的防冲撞机制。•ISO15693采用轮寻机制、分时查询的方式完成防冲撞机制。••ISO技术委员会及联合工作组TC104/SC4主要处理有关ISO/IEC贸易应用方面，如货运集装箱及包装，制定了RFID电子封条(ISO18185)、集装箱标签(ISO10374)和供应链标签(ISO17363