第三章物联网技术基础.

物联网概论2010年9月第三章物联网技术基础2目录3.1传感器技术3.2MEMS技术3.3无线传感器网络3.4无线网络技术3.5自动识别技术3.6条形码技术3.7定位技术33.1传感器技术计算机的普及和应用把人类带到了信息时代，各种电器设备充满了人们生产和生活的各个领域，相当大一部分的电器设备都应用到了传感器件。人们为了从外界获取信息，必须借助于感觉器官。传感器是人类五官的延长。43.1传感器技术传感器的定义传感器的分类传感器的应用53.1.1传感器的定义传感器--能感知外界信息并能按一定规律将这些信息转换成可用信号的装置。它由敏感元器件（感知元件）和转换器件两部分组成，有的半导体敏感元器件可以直接输出电信号，本身就构成传感器。6敏感元器件品种①物理类，基于力、热、光、电、磁和声等物理效应。②化学类，基于化学反应的原理。③生物类，基于酶、抗体和激素等分子识别功能。73.1.2传感器的分类根据传感器工作原理，可分为物理传感器和化学传感器二大类。物理传感器应用的是物理效应，诸如压电效应，磁致伸缩现象，离化、极化、热电、光电、磁电等效应。被测信号量的微小变化都将转换成电信号。化学传感器包括那些以化学吸附、电化学反应等现象为因果关系的传感器，被测信号量的微小变化也将转换成电信号。83.1.2传感器的分类按照用途，传感器可分为：压敏和力敏传感器、位置传感器、液面传感器、能耗传感器、速度传感器、加速度传感器、辐射传感器、热敏传感器等。按照原理，传感器可分为：振动传感器、湿敏传感器、磁敏传感器、气敏传感器、真空度传感器、生物传感器等。93.1.2传感器的分类按输出信号可将传感器分为以下4类：①模拟传感器——将被测量的非电学量转换成模拟电信号。②数字传感器——将被测量的非电学量转换成数字输出信号（包括直接和间接转换）。③膺数字传感器——将被测量的信号量转换成频率信号或短周期信号的输出（包括直接或间接转换）。④开关传感器——当一个被测量的信号达到某个特定的阈值时，传感器相应地输出一个设定的低电平或高电平信号。103.1.3传感器的应用在现代工业生产尤其是自动化生产过程中，要用各种传感器来监视和控制生产过程中的各种参数，使设备工作在最佳或正常状态，并使产品达到质量要求。在家用电器领域，如全自动洗衣机、电饭煲和微波炉等都离不开传感器。医疗卫生领域，电子脉博仪、体温计、医用呼吸机、超声波诊断仪、断层扫描（CT）及核磁共振诊断设备等，都大量地使用了各种各样的传感技术。113.1.3传感器的应用在军事国防领域，各种侦测设备，红外夜视探测，雷达跟踪、武器精确制导等，没有传感器是难以实现的。在航空航天领域，空中管制、导航、飞机的飞行管理和自动驾驶着陆系统等，都需要大量的传感器。人造卫星的遥感遥测等都与传感器紧密相关。123.1.3传感器的应用以现代飞行器为例，它装备着各种各样的显示和控制系统，以保证飞行任务的完成。反映飞行器的飞行参数和姿态、发动机工作状态的各种物理参数，都要用传感器予以检测，一方面显示出来提供给驾驶人员去控制与操纵飞行器，另一方面传输给各种自动控制系统，进行飞行器的自动驾驶和自动调节。“阿波罗10”的运载火箭部分，检测加速度、声学、温度、压力、振动、流量、应变等参数的传感器共有2077个，宇宙飞船部分共有各种传感器1218个。133.2MEMS技术MEMS的基本概念MEMS技术的特点MEMS的分类MEMS的发展前景143.2.1MEMS的基本概念MEMS（MicroElectromechanicalSystem，微机电系统）是指集微型传感器、执行器以及信号处理和控制电路、接口电路、通信和电源于一体的微型机电系统。这种微电子机械系统不仅能采集、处理与发送信息或指令，还能按照所获取的信息自主地或根据外部的指令采取行动。153.2.2MEMS技术的基本特点微型化以硅为主要材料能耗低、灵敏度和工作效率高可批量生产集成化学科上的交叉综合；应用上的高度广泛163.2.3MEMS的分类传感MEMS技术生物MEMS技术光学MEMS技术射频MEMS技术17传感MEMS技术传感MEMS技术是指用微电子微机械加工出来的、用敏感元件如电容、压电、压阻、热电耦、谐振、隧道电流等来感受转换电信号的器件和系统。18生物MEMS技术生物MEMS技术是用MEMS技术制造的化学或生物微型分析和检测芯片或仪器，将在衬底上制造出的微型驱动泵、微控制阀、通道网络、样品处理器、混合池、计量器、增扩器、反应器、分离器以及检测器等元器件并集成为多功能芯片。可以实现样品的进样、稀释、加试剂、混合、增扩、反应、分离、检测和后处理等分析全过程。它把传统的分析实验室功能微缩在一个芯片上。19光学MEMS技术MEMS发展的又一领域是与光学相结合，即综合微电子、微机械、光电子技术等基础技术，开发新型光器件，称为微光机电系统(MOEMS)。它能把各种MEMS结构件与微光学器件、光波导器件、半导体激光器件、光电检测器件等完整地集成在一起，形成一种全新的功能系统。20射频MEMS技术射频MEMS技术传统上分为固定的和可动的两类。固定的MEMS器件包括本体微机械加工传输线、滤波器和耦合器。可动的MEMS器件包括开关、调谐器和可变电容。213.2.4MEMS的发展前景相对于传统机械，它们的尺寸更小，最大的不超过1CM，甚至仅仅为几个微米，厚度就更小。采用以硅为主的材料，电气性能优良，硅材料的强度、硬度和杨氏模量与铁相当，密度与铝类似，热传导率接近钼和钨。采用与集成电路（IC）类似的生成技术，可大量利用IC生产中的成熟技术、工艺，进行大批量、低成本生产，使性价比相对于传统“机械”制造技术大幅度提高。22MEMS的发展前景MEMS技术的发展开辟了一个全新的技术领域和产业，采用MEMS技术制作的微传感器、微执行器、微型构件、微机械光学器件、真空微电子器件、电力电子器件等在航空、航天、汽车、生物医学、环境监控、军事以及几乎人们所接触到的所有领域中都有着十分广阔的应用前景。23MEMS的发展前景MEMS技术也正发展成为一个巨大的产业，多数工业观察家预测，未来5年MEMS器件的销售额将呈迅速增长之势，年平均增长率约为18%，因此对机械电子工程、精密机械及仪器、半导体物理等学科的发展提供了极好的机遇和严峻的挑战。243.3无线传感器网络无线传感器网络概述无线传感器网络的应用领域253.3.1无线传感器网络概述无线传感器网络(WirelessSensorNetworks，WSN)是信息科学领域中一个全新的发展方向，同时也是新兴学科与传统学科进行领域间交叉的结果。263.3.1无线传感器网络概述三个阶段智能传感器无线智能传感器无线传感器网27无线传感器网络概述智能传感器将计算能力嵌入到传感器中，使得传感器节点不仅具有数据采集能力，而且具有信息处理能力。无线智能传感器在智能传感器的基础上增加了无线通信能力，大大延长了传感器的感知触角，降低了传感器的工程实施成本。28无线传感器网络概述无线传感器网络将网络技术引入到无线智能传感器中，使得传感器不再是单个的感知单元，而是能够交换信息、协调控制的有机体，实现物与物的互联，把感知触角深入世界各个角落，成为下一代互联网及物联网的重要组成部分。29无线传感器网络技术发展背景1996年，美国UCLA大学的WilliamJKaiser教授向DARPA提交的“低能耗无线集成微型传感器”揭开了现代WSN网络的序幕。在其后的10余年里，WSN网络技术得到学术界、工业界乃至政府的广泛关注，成为在国防军事、环境监测和预报、健康护理、智能家居、建筑物结构监控、复杂机械监控、城市交通、空间探索、大型车间和仓库管理以及机场、大型工业园区的安全监测等众多领域中最有竞争力的应用技术之一。30无线传感器网络的产生无线传感器网络就是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳自组织网络。31自组织网络移动自组织网络是一种移动通信和计算机网络相结合的网络，是移动计算机网络的一种，用户终端可以在网内随意移动而保持通信。32无线传感器网络的特点无线传感器网络是一种全新的信息获取平台，能够实时监测和采集网络分布区域内的各种检测对象的信息，并将这些信息发送到网关节点，以实现复杂的指定范围内目标检测与跟踪，具有快速展开、抗毁性强等特点。333.3.2无线传感器网络的应用领域环境的监测和保护医疗护理军事领域生产作业34环境的监测和保护英特尔研究实验室研究人员曾经将32个小型传感器接入互联网，以读出缅因州“大鸭岛”上的气候，用来评价一种海燕巢的条件。无线传感器网络还可以跟踪候鸟和昆虫的迁移，研究环境变化对农作物的影响，监测海洋、大气和土壤的成分等。它也可以应用在精致农业中，监测农作物中的害虫、土壤的酸碱度和施肥状况等。35医疗护理彻斯特大学的科学家使用无线传感器创建了一个智能医疗房间，使用微尘来测量居住者的生理征兆（血压、脉搏和呼吸）、睡觉姿势以及每天24小时的活动状况。36医疗护理英特尔公司也推出了无线传感器网络的家庭护理技术。该技术是作为探讨应对老龄化社会的技术项目CAST（CenterforAgingServicesTechnologies）的一个环节开发的。该系统通过在鞋、家具以家用电器等家具和设备中嵌入半导体传感器，帮助老龄人士、阿尔茨海默病患者以及残障人士的家庭生活。利用无线通信将各传感器联网可高效传递必要的信息从而方便护理。37军事领域由于无线传感器网络具有密集型、随机分布的特点，非常适用于恶劣的战场环境中，包括侦察敌情、监控兵力、装备和物资，判断生物化学攻击等多方面用途。美国国防部远景计划研究局已投资几千万美元，帮助大学进行“智能灰尘”（SmartDust）传感器技术的研发。38生产作业英特尔正在对工厂中的一个无线网络进行测试，该网络由40台机器上的210个传感器组成，这样组成的监控系统将可以大大改善工厂的运作条件。它可以大幅降低检查设备的成本，同时由于可以提前发现问题，因此将能够缩短停机时间，提高效率，并延长设备的使用寿命。393.4无线网络技术无线网络技术涵盖的范围很广，既包括允许用户建立远距离无线连接的全球语音和数据网络，也包括为近距离无线连接进行优化的红外线技术及射频技术等。403.4.1无线网络的类型无线广域网无线城域网无线局域网无线个人网41无线广域网无线广域网（WWAN）技术可使用户通过远程公用网络或专用网络建立无线网络连接。通过无线服务提供商负责维护的若干天线基站或卫星系统，这些连接可以覆盖广大的地理区域，例如若干城市或者国家和地区。目前的WWAN技术被称为第二代移动通信技术（2G）系统。2G系统主要包括移动通信全球系统（GSM）、蜂窝式数字分组数据（CDPD）和码分多址（CDMA）。现在正努力从2G网络向第三代移动通信技术（3G）过渡。42无线城域网无线城域网（WMAN）技术使用户可以在城区的多个场所之间创建无线连接（如在一个城市或大学校园的多个办公楼之间），而不必花费高昂的费用铺设光缆、铜质电缆和租用线路。WMAN使用无线电波或红外光波传送数据。43无线局域网无线局域网（WLAN）技术可以使用户在本地创建无线连接（例如，在公司或校园的大楼里，或在某个公共场所，如机场、宾馆、酒店、候车室等）。4445无线个人网无线个人网（WPAN）技术使用户能够为个人操作空间（POS）设备（如PDA、移动电话和笔记本电脑等）创建临时无线通讯。POS指的是以个人为中心，最大距离为10米的一个空间范围。主要的WPAN技术是蓝牙“Bluetooth”和红外线。463.4.2无线网络常用设备类型无线网卡无线网桥无线天线47无线网卡无线网卡的作用类似于以太网中的网卡，作为无线局域网的接口，实现与无线局域网的连接。无线网卡根据接口类型不同，分为PCMCIA无线网卡、PCI无线网卡和USB无线网卡。48无线网桥无线网桥用于连接两个或多个独立的网络段，这些独立的网络段通常位于不同的建筑内，相距几百米到几十公里,用于不同建筑物间的互联。特点：功率大，传输距离远，抗干扰性强，频段为2.