第3章-物联网感知技术.ppt

单击此处编辑母版标题样式,*,*,/74,第,3,章 物联网感知技术,Click to edit Master title style,主编,:,刘丽军,物联网技术与应用,配套电子课件,主编,:,刘丽军,第,3,章 物联网感知技术,2025/1/7 周二,【,本章知识要点,】,学习完本章后，应当掌握如下知识：,（,1,）掌握,RFID,技术的原理、分类和组成。,（,2,）掌握传感器技术的作用和组成。,（,3,）掌握嵌入式系统的组成和应用领域。,（,4,）了解,RFID,、传感器、嵌入式系统的发展趋势。,3.1 RFID,技术,3.1.1,常见自动识别技术,自动识别技术就是应用一定的识别装置，通过被识别物品和识别装置之间的接近活动，自动地获取被识别物品的相关信息，并提供给后台的计算机处理系统来完成相关后续处理的一种技术。,3.1.1,常见自动识别技术,1.,条码技术,(Barcode),条形码是日常生活中经常会看到的一种自动识别技术，也是迄今为止最经济、实用的一种自动识别技术。,条码可分为一维条码和二维条码。一维条码按照应用可分为商品条码和物流条码。商品条码包括,EAN,码和,UPC,码，物流条码包括,128,码、,ITF,码、,39,码、库德巴码等。,二维条码根据构成原理、结构形状的差异，可分为行排式二维条码,(2D stacked bar code),和矩阵式二维条码,(2D matrix bar code),。,3.1.1,常见自动识别技术,一维条形码,二维条形码,资料密度与容量,密度低，容量小,密度高，容量大,错误侦测及自我纠正能力,可以进行错误侦测，但没有错误纠正能力,有错误检验及错误纠正能力，并可根据实际应用设置不同的安全等级,垂直方向的资料,不储存资料，垂直方向的高度是为了识读方便，并弥补印刷缺陷或局部损坏,携带资料，可以纠正印刷缺陷或局部损坏等，并能恢复资料,主要用途,主要用于对物品的标识,用于对物品的描述,资料库与网络依赖性,多数场合需依赖资料库及通讯网络,可不依赖资料库及通讯网络而单独使用,识读设备,可用线型扫描器识读，如光笔、线型,CCD,等,对于堆叠式可用线型扫描器，或图像扫描仪识读，对于矩阵式则只能用图像扫描仪识读,一维条码和二维条码的比较,3.1.1,常见自动识别技术,2.,光学字符识别,(OCR),光学字符识别,(Optical Character Recognition,，,OCR),是指对文本资料进行扫描，然后对图像文件进行分析处理，获取文字及版面信息的过程。,3.1.1,常见自动识别技术,3.,卡识别技术,磁条,(,卡,),技术,IC,卡识别技术,3.1.1,常见自动识别技术,4.,生物特征识别,生物识别技术,(Biometric Identification Technology),是指利用人体生物特征进行身份认证的一种技术。,3.1.1,常见自动识别技术,3.1.2 RFID,技术概述,RFID,是,Radio Frequency Identification,的缩写，即无线射频识别，俗称电子标签。是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无须人工干预，可工作于各种恶劣环境。,RFID,技术可识别高速运动物体并可同时识别多个标签，操作快捷方便。,3.1.2 RFID,技术概述,3.1.2 RFID,技术概述,1940,1950,1960,1970,1980,1990,2000,出现,探索,丰富,发展,商用,提速,广泛,RFID,发展历程,3.1.2 RFID,技术概述,与其他自动识别技术相比，,RFID,的主要特性包括以下,4,个方面。,(1),数据的读写,(Read Write),机能,;,(2),小型化和多样化的形状,;,(3),耐环境性,;,(4),可重复使用,3.1.3 RFID,分类,1.,按供电方式不同的分类,(1),有源电子标签,(2),无源电子标签,(3),半无源电子标签,3.1.3 RFID,分类,2.,按使用频率不同的分类,低频,(Low Frequency,，,LF),(2),高频,(High Frequency,，,HF),(3),超高频,(Ultra High Frequency,，,UHF),(4),微波,(Microwave,，,uW,),3.1.3 RFID,分类,高频（HF）,超高频,（UHF）,低频（LF）,低频,135KHz,以下,高频13.56MHz,超高频,860M960MHz,微波,2.4G,微波（,MW,）,3.1.4 RFID,的组成和工作原理,RFID,系统的工作原理,3.1.4 RFID,的组成和工作原理,RFID,系统可分为硬件和软件两大部分，硬件组件包括,电子标签,、,读写器,、,天线,。,RFID,系统的软件组件可分,RFID,系统软件、,RFID,中间件和主机应用程序。,3.1.4 RFID,的组成和工作原理,1.RFID,的硬件组成,1),电子标签,电子标签也称应答器，是一个微型的无线收发装置，主要由内置天线和芯片组成。芯片中存储能够识别目标的信息，当读写器查询时它会发射数据给读写器。,3.1.4 RFID,的组成和工作原理,2),读写器,读写器是一个捕捉和处理,RFID,标签数据的设备，它可以是单独的个体，也可以嵌入到其他系统之中。读写器也是构成,RFID,系统的重要部件之一，由于它能够将数据写到,RFID,标签中，因此称为读写器。,3.1.4 RFID,的组成和工作原理,3),天线,天线是一种以电磁波形式把前端射频信号功率接收或辐射出去的设备，是电路与空间的界面器件，用来实现导行波与自由空间波能量的转化。在,RFID,系统中，天线分为电子标签天线和读写器天线两大类，分别承担接收能量和发射能量的作用。,3.1.4 RFID,的组成和工作原理,2.RFID,的软件组成,RFID,系统中的软件组件主要完成数据信息的存储、管理以及对,RFID,标签的读写控制，是独立于,RFID,硬件之上的部分。主要包括：,(1),边沿接口系统,(2)RFID,中间件,(3),企业应用接口,(4),应用软件,3.1.5 RFID,技术的应用,RFID,发展面临的难题,(1),成本的下降；,(2),国际标准的制定与推行；,(3),可能引起隐私权的问题。,3.1.5 RFID,技术的应用,人通过五官（视、听、嗅、味、触）接受外界的信息，经过大脑的思维（信息处理），作出相应的动作。,而用计算机控制的自动化装置来代替人的劳动，则可以说电子计算机相当于人的大脑（一般俗称电脑），而传感器则相当于人的五官部分（“电五官”）。,3.2,传感器引入,身体与机器人的对应关系,传感器是获取自然领域中信息的主要途径与手段。,3.2,传感器引入,一、传感器的作用,传感器实际上是一种功能块，其作用是将来自外界的各种信号转换成电信号。,3.2.1,传感器的作用和重要性,传感器所检测的信号进来显著地增加，因而其品种也极其繁多。为了对各种各样的信号进行检测、控制，就必须获得尽量简单易于处理的信号，这样的要求只有电信号能够满足。电信号能较容易地进行放大、反馈、滤波、微分、存贮、远距离操作等。,3.2.1,传感器的作用和重要性,因此可将传感器的作用狭义的定义为：“,将外界的输入信号变换为电信号的一类元件,。”如下图所示：,传感器,来自外界的信号,电信号,3.2.1,传感器的作用和重要性,二、传感器的重要性,作为人脑的一种模拟的电子计算机的发展极为迅速，可是起五种感觉模拟作用的传感器却发展很慢，因而如果不进行传感器的开发，现在的电子计算机将不能适应实际需要。现代社会要求传感器、电子计算机和执行器三者都能相互协调才行。,这样，传感器就成了现代科学的中枢神经系统，它日益受到人们的普遍重视，这已成为现代传感器技术的必然趋势。,3.2.1,传感器的作用和重要性,一、传感器的定义,定义：,能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的,器件,或,装置,。,3.2.2,传感器的定义和组成,传感器是一种以一定的精确度把被测量转换为与之有确定对应关系的、便于应用的某种物理量的测量装置。,其包含一下几个方面的意思：,传感器是测量装置，能完成检测任务,它的输入量是某一被测量，可能是物理量，也可能是化学量、生物量等,3.2.2,传感器的定义和组成,输出量是某种物理量，这种量要便于传输、转换、处理、显示等，这种量可以是气、光、电，但主要是电量。,输入输出有对应关系，且应有一定的精确度。,3.2.2,传感器的定义和组成,二、传感器的组成,传感器一般由,敏感元件、转换元件、转换电路,三部分组成：,电路,被测量,敏感元件,转化元件,转换电路,注：有的书上不包括虚线后部分,3.2.2,传感器的定义和组成,敏感元件（,Sensitive element,）,：,直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。,转换元件（,Transduction element,）：,以敏感元件的输出为输入，把输入转换成电路参数。,转换电路（,Transduction circuit,）：,将转换电路参数接入转换电路，便可转换成电量输出。,3.2.2,传感器的定义和组成,有些传感器很简单，仅由一个敏感元件（兼作转换元件）组成，它感受被测量时直接输出电量。如热电偶,。,有些传感器由敏感元件和转换元件组成，没有转换电路。,有些传感器，转换元件不止一个，要经过若干次转换。,3.2.2,传感器的定义和组成,一、传感器的分类,传感器种类繁多，目前常用的分类有,两种,：,以被测量来分,以传感器的原理来分,3.2.3,传感器的分类及要求,被测量类别,被 测 量,热工量,温度、热量、比热；压力、压差、真空度；流量、流速、风速,机械量,位移（线位移、角位移），尺寸、形状；力、力矩、应力；重量、质量；转速、线速度；振动幅度、频率、加速度、噪声,按被测量来分类,3.2.3,传感器的分类及要求,被测量类别,被 测 量,物性和成分量,气体化学成分、液体化学成分；酸碱度（,PH,值）、盐度、浓度、粘度；密度、比重,状态量,颜色、透明度、磨损量、材料内部裂缝或缺陷、气体泄漏、表面质量,续：,3.2.3,传感器的分类及要求,电阻式，光电式（红外式、光导纤维式），电感式，谐振式，电容式，霍尔式（磁式），阻抗式（电涡流式），超声式，磁电式，同位素式，热电式，电化学式，压电式，微波式,按传感器的原理来分类,3.2.3,传感器的分类及要求,三、传感器的一般要求,足够的容量,传感器的工作范围或量程足够大；具有一定的过载能力。,灵敏度高，精度适当,即要求其输出信号与被测信号成确定的关系（通常为线性），且比值要大；传感器的静态响应与动态响应的准确度能满足要求。,3.2.3,传感器的分类及要求,响应速度快，工作稳定，可靠性好。,使用性和适应性强,体积小，重量轻，动作能量小，对被测对象的状态影响小；内部噪声小而又不易受外界干扰的影响；其输出力求采用通用或标准形式，以便与系统对接。,使用经济,成本低，寿命长，且便于使用、维修和校准。,3.2.3,传感器的分类及要求,一、传感器需求的新动向,社会需求是传感器技术发展的强大动力。随着现代科学技术，特别是微电子技术和信息产业的飞速发展，以及“电脑”的普及，传感器在新的技术革命中的地位和作用将更为突出，一股竞相开发和应用传感器的热潮已在世界范围内掀起。,3.2.4,传感器发展新趋势,原因,:,电五官”落后于“电脑”的现状，已成为微型计算机进一步开发和应用的一大障碍,许多有竞争力的新产品开发和卓有成效的技术改造，都离不开传感器,传感器的应用直接带来了明显的经济效益和社会效益,传感器普及于社会各个领域，将造成良好的销售前景,3.2.4,传感器发展新趋势,第,0,章 绪 论,(Preface),三、,传感器技术的发展趋势,传感器的开发方向，大致分为如下,四个方面,：,集成化，多功能化。,智能化。,3.2.4,传感器发展新趋势,集成化，多功能化：,向敏感功能装置发展 传感器的集成化，最近积极地应用了半导体集成电路技术及其开发思想。,3.2.4,传感器发展新趋势,智能化：,传感器与微处理器相结合，使之不仅具有检测功能，还具有信息处理、逻辑判断、自诊断以及“思维”等人工智能，被称为传感器的智能化。,3.2.4,传感器发展新趋势,具有判断能力、学习能力的传感器 智能传感器大致分为如下三种：,具有判断力的敏感装置,具有学习能力的敏感装置,具有创造能力的敏感装置,3.2.4,传感器发展新趋势,从构成上看，智能式传感器是一个典型的以微处理器为核心的计算机检测系统。,3.2.4,传感器发展新趋势,智能式传感器特点：,同一般传感器相比，智能式传感器有以下几个显著特点：,精度高,稳定、可靠性好,检测与处理方便,功能广,性能价格比高,3.2.4,传感器发展新趋势,3.3,嵌入式系统,嵌入式技术无处不在,根据,IEEE（,国际电气和电子工程师协会）的定义：,嵌入式系统是“用于控制、监视或者辅助操作机器和设备的装置”（原文为,devices used to control,monitor,or assist the operation of equipment,machinery or plants）。,3.3.1,何谓嵌入式系统,嵌入性,：嵌入到对象体系中，有对象环境要求,专用性,：软、硬件按对象要求裁减,计算机,：实现对象的智能化功能,简单讲，就是嵌入到对象体中的专用计算机系统,三要素：,嵌入、专用、计算机,嵌入式系统的特点:由三要素引出,3.3.1,何谓嵌入式系统,广义地说，一个嵌入式系统就是一个具有特定功能或用途的计算机软硬件集合体。,即以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。,嵌入式系统发展的最高形式,片上系统（,SoC,）,3.3.1,何谓嵌入式系统,3.3.2,嵌入式系统的组成,典型嵌入式系统组成,3.3.2,嵌入式系统的组成,1.,嵌入式系统硬件,(1),嵌入式处理器,从硬件方面来讲，嵌入式系统的核心部件是嵌入式处理器。,3.3.2,嵌入式系统的组成,嵌入式微处理器,嵌入式微处理器的基础是通用计算机中的,CPU,。在应用中，将微处理器装配在专门设计的电路板上，电路板只保留和嵌入式应用有关的母板功能，这样可以大幅度减小系统体积和功耗。,3.3.2,嵌入式系统的组成,嵌入式微控制器,嵌入式微控制器又称单片机，它将整个计算机系统集成到一块芯片中。嵌入式微控制器一般以某一种微处理器内核为核心，其功能部件组成如图所示。,3.3.2,嵌入式系统的组成,嵌入式,DSP,处理器,DSP,处理器对系统结构和指令进行了特殊设计，使其适合于执行,DSP,算法，编译效率较高，指令执行速度也较高。,嵌入式,DSP,处理器比较有代表性的产品是,Texas Instruments,的,TMS320,系列和,Motorola,的,DSP56000,系列。,3.3.2,嵌入式系统的组成,嵌入式片上系统,随着,EDA(,电子设计自动化,),的推广和,VLSI(,超大规模集成电路,),设计的普及化及半导体工艺的迅速发展，在一个硅片上实现一个更为复杂的系统的时代已来临，这就是,System on Chip(SoC),。,3.3.2,嵌入式系统的组成,(2),存储器,嵌入式系统需要存储器来存放和执行代码，嵌入式系统的存储器包含,Cache,、,主存,和,辅助存储器,。,3.3.2,嵌入式系统的组成,(2),通用设备接口和,I/O,接口,嵌入式系统和外界交互需要一定形式的通用设备接口，如,A/D,、,D/A,、,I/O,等，外设通过和片外其他设备或传感器的连接来实现微处理器的输入,/,输出功能。,3.3.2,嵌入式系统的组成,2,、嵌入式系统软件,嵌入式系统软件主要有两大类，即实时系统和分时系统，如图所示。,嵌入式系统软件分类,3.3.2,嵌入式系统的组成,嵌入式操作系统,(Embedded Operation System,，,EOS),是一种用途广泛的系统软件，,EOS,负责嵌入系统的全部软、硬件资源的分配、任务调度，控制、协调并发活动。过去它主要应用于工业控制和国防系统领域。,比较常见的嵌入式操作系统有：,uC/OS II,、,uCLinux,、,FreeRTOS,、,Arm-Linux,、,VxWorks,、,Nucleus,、,Windows CE,、,OSE,、,ECOS,、,Symbian,、,Android,等。,3.3.3,嵌入式系统的应用领域,嵌入式系统在很多产业中得到了广泛的应用并逐步改变着这些产业，如工业自动化、国防、运输和航天领域。例如神舟飞船和长征火箭中就有很多嵌入式系统，导弹的制导系统也是嵌入式系统，高档汽车中也有多达几十个嵌入式系统。,在日常生活中，人们使用各种嵌入式系统，但未必知道它们。事实上，几乎所有带有一点“智能”的家电,(,全自动洗衣机、电脑电饭煲等等,),都有嵌入式系统。,3.3.3,嵌入式系统的应用领域,1,、工业控制,3.3.3,嵌入式系统的应用领域,2,、交通管理,3.3.3,嵌入式系统的应用领域,3,、信息家电,3.3.3,嵌入式系统的应用领域,4,、军事国防,3.3.3,嵌入式系统的应用领域,5,、环境工程,3.3.3,嵌入式系统的应用领域,6,、机器人,3.3.4,嵌入式系统的发展趋势,(1),嵌入式开发是一项系统工程，因此要求嵌入式系统厂商不仅要提供嵌入式软硬件系统本身，同时还需要提供强大的硬件开发工具和软件包。,(2),网络化、信息化的要求随着因特网技术的成熟、带宽的提高日益提高，使以往单一功能的设备如电话、手机、冰箱、微波炉等功能不再单一，结构更加复杂。,(3),网络互联成为必然趋势。,(4),精简系统内核、算法，降低功耗和软硬件成本。,(5),提供友好的多媒体人机界面。,1,10:ADDDBBCDC11,20:ACCABBCBDA21,28:BDABBCAA,课后练习参考答案,