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1、第第2 2章章 感知层感知层 感知层是物联网的基础，有大量的具有感知、通信、识感知层是物联网的基础，有大量的具有感知、通信、识别能力的智能物体（即各种传感器、别能力的智能物体（即各种传感器、RFIDRFID芯片、芯片、GPSGPS终端设备、终端设备、智能家电等，也称为感知节点）组成。智能家电等，也称为感知节点）组成。感知层含义感知层含义1 1、传感器传感器传感器结构传感器结构传感器定义：传感器定义：一种能感受规定的被测量件，并按照一定的规律转换成可一种能感受规定的被测量件，并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成
2、。传感器类型及其功能传感器类型及其功能力传感器力传感器温湿度传感器温湿度传感器光电传感器光电传感器2 2、RFIDRFID与自动识别技术与自动识别技术1 1）磁卡识别技术）磁卡识别技术 磁卡是一种卡片状的磁性记录介质，利用磁性载体记录字符磁卡是一种卡片状的磁性记录介质，利用磁性载体记录字符和数字信息，与各种磁卡读写器配合，用来标识身份或其他用途。和数字信息，与各种磁卡读写器配合，用来标识身份或其他用途。特点及应用：特点及应用：磁卡可方便地写入、储存、改写信息内容，使用方便，成本低。磁卡可方便地写入、储存、改写信息内容，使用方便，成本低。可用于信用卡、银行卡、社保卡、证券交易卡、地铁卡。可用于信
3、用卡、银行卡、社保卡、证券交易卡、地铁卡。磁卡工作原理磁卡工作原理 磁条是由一些微小的磁粒（铁磁材料）附着于类似塑料胶带磁条是由一些微小的磁粒（铁磁材料）附着于类似塑料胶带上形成的，铁磁材料是一种在外部磁场移走以后仍然可以保留磁上形成的，铁磁材料是一种在外部磁场移走以后仍然可以保留磁性的物质。性的物质。磁粒极性磁粒极性N-SN-S，S-NS-N磁头磁通量变化磁头磁通量变化线圈等效电感抗变化线圈等效电感抗变化检测电压变化检测电压变化2)IC2)IC卡识别技术卡识别技术ICIC卡卡(Integrated Circuit(Integrated Circuit，简称，简称ICIC卡卡)，即集成电路卡，
4、是将，即集成电路卡，是将集成电路芯片镶嵌于塑料基片的指定位置上，以存储、读取和修集成电路芯片镶嵌于塑料基片的指定位置上，以存储、读取和修改信息。改信息。便于携带、存储量大、保密性好、无法被破译及仿造。便于携带、存储量大、保密性好、无法被破译及仿造。已被广泛应用于金融、交通、通讯、医疗、身份证明等众多领域。已被广泛应用于金融、交通、通讯、医疗、身份证明等众多领域。特点及应用：特点及应用：ICIC卡内部结构卡内部结构串行串行E2PROM E2PROM 芯片芯片AT24C02AT24C02ICIC卡触点位置卡触点位置ICIC卡触点位置卡触点位置ICIC卡触点功能定义卡触点功能定义IC卡工作原理卡工作
5、原理读卡器读卡器ICIC卡卡通过通过I2CI2C总线协议，实现读卡器与总线协议，实现读卡器与ICIC卡实现数据传输。卡实现数据传输。3)RFID 3)RFID 射频识别技术射频识别技术4部分部分：电子标签电子标签阅读器阅读器射频天线射频天线后台计算机后台计算机RFID系统的组成系统的组成 定义定义：电子标签电子标签，也称，也称射频卡射频卡（Radio Frequency，简称，简称RF卡卡）或）或应答器应答器，装设在被识别的物体对象上装设在被识别的物体对象上。组成组成：“耦合元件耦合元件+芯片芯片”，其中包含，其中包含带加密逻辑带加密逻辑、电可电可擦除擦除、可编程只读存储器可编程只读存储器EE
6、PROM、微处理器微处理器CPU、射频收射频收发及相关电路发及相关电路。电子标签电子标签 功能功能：电子标签具有：电子标签具有智能读写智能读写和和加密通信加密通信的功能。通过无的功能。通过无线电波与读写设备进行数据交换，工作的能量是由阅读器发出线电波与读写设备进行数据交换，工作的能量是由阅读器发出的射频脉冲提供。的射频脉冲提供。特点特点：每个电子标签具有：每个电子标签具有唯一的唯一的EPC标识标识，利用阅读器，利用阅读器，可以方便、精确的了解物品信息。可以方便、精确的了解物品信息。RFID RFID 标签结构示意图标签结构示意图阅读器阅读器(Reader)(Reader)定义定义：阅读器阅读器
7、，也称为，也称为读写器读写器、查询器查询器、读卡器读卡器等等 功能功能：主要负责：主要负责将主机的读写命令将主机的读写命令加密加密后后传送传送到电子标签到电子标签，将电子标签返回的数据将电子标签返回的数据初始化初始化、解密后送到解密后送到主机主机。组成组成：主要由：主要由收发模块收发模块+控制模块（微处理器）控制模块（微处理器）+接口电路接口电路+天线天线等等4部分部分组成。组成。定义定义：是一种：是一种以电磁波的形式以电磁波的形式把前端把前端射频功率信号接收进来射频功率信号接收进来或或辐射出去辐射出去的装置的装置，是电路与空间的界面器件。，是电路与空间的界面器件。功能功能：实现：实现行波与自
8、由空间波能量的转化行波与自由空间波能量的转化。类型类型：电子标签天线和读写器天线。：电子标签天线和读写器天线。电子标签天线电子标签天线和电和电子标签集成为一体，负责子标签集成为一体，负责接收能量接收能量；读写器天线读写器天线既可内置于读既可内置于读写器中，也可以通过同轴电缆与读写器的射频输出端口相连，写器中，也可以通过同轴电缆与读写器的射频输出端口相连，用来用来发射能量发射能量。后台处理机即后台处理机即主计算机系统主计算机系统。RFID通过阅读器的通过阅读器的RS232或或RS485标准接口与后台处理机连接，进行数据交换。标准接口与后台处理机连接，进行数据交换。功能功能：主要完成数据信息的存储
9、及管理、对电子标签进行读：主要完成数据信息的存储及管理、对电子标签进行读写和控制和管理等功能。写和控制和管理等功能。天线天线(Antenna)(Antenna)后台处理机后台处理机(Processor)(Processor)RFID系统的工作原理系统的工作原理RFID工作原理示意图工作原理示意图u 安装在安装在固定位置的固定位置的阅读器阅读器通过发射天线通过发射天线发送发送一定频率的一定频率的射频射频信号信号，当装设有电子标签的设备进入发射天线工作区域时，当装设有电子标签的设备进入发射天线工作区域时，电电子标签子标签内产生感应电流，获得能量内产生感应电流，获得能量被激活被激活；u 电子标签将自
10、身电子标签将自身编码等编码等信息信息通过卡内置发送天线通过卡内置发送天线发送出去；发送出去；u 系统系统接收天线接收接收天线接收到电子标签发送来的到电子标签发送来的载波信号载波信号，经天线调，经天线调节器节器传送到阅读器传送到阅读器，阅读器对接收的信号进行，阅读器对接收的信号进行解调和解码解调和解码，送送到后台主系统进行相关处理到后台主系统进行相关处理；u 主系统根据逻辑运算判断该卡的合法性主系统根据逻辑运算判断该卡的合法性，针对不同的设定做，针对不同的设定做出相应的出相应的处理和控制处理和控制，发出指令信号控制执行机构动作发出指令信号控制执行机构动作。3 3、定位技术、定位技术 定义定义：是
11、指用来：是指用来判定判定移动用户移动用户位置的测量和计算方法位置的测量和计算方法，即，即定定位算法位算法。简单地说，就是通过对接收到的无线电波的一些参数进行。简单地说，就是通过对接收到的无线电波的一些参数进行测量，再利用定位算法计算出被测目标的具体位置。测量，再利用定位算法计算出被测目标的具体位置。类型类型：室外全球定位技术室外全球定位技术和和室内近距离定位技术室内近距离定位技术。（1）室外全球）室外全球GPS定位系统定位系统 定义定义：GPS（Global Position System）是以）是以人造卫星人造卫星为基础为基础的的无线电导航定位系统无线电导航定位系统，是目前世界上最常用的卫星
12、导航系统。，是目前世界上最常用的卫星导航系统。全球全球4 4大定位系统：大定位系统：GNSS(GNSS(全星球导航定位系统全星球导航定位系统)：美国：美国19941994年建成，耗资年建成，耗资300300亿美元。亿美元。GLONASSGLONASS（格洛纳斯）：俄罗斯（格洛纳斯）：俄罗斯20072007建成，耗资建成，耗资3030多亿美元。多亿美元。“伽利略计划伽利略计划”：欧盟：欧盟20082008年运营，耗资年运营，耗资3030多亿美元。多亿美元。北斗卫星导航系统：中国，北斗卫星导航系统：中国，20122012年末，自主研发。年末，自主研发。GPS系统由系统由3个独立部分个独立部分组成：
13、组成：卫星空间卫星空间部分部分、地面监控部分和地面监控部分和 用户用户GPSGPS接收机三部分组成。接收机三部分组成。l卫星空间部分卫星空间部分：由由24颗人造卫星颗人造卫星构成，构成，其中其中21颗工作颗工作，3颗备用颗备用。24颗卫星均匀分布在颗卫星均匀分布在6个轨道个轨道面上，使地球表面任何地方在任面上，使地球表面任何地方在任一时刻都有至少一时刻都有至少6颗卫星在视线之内，可达到准确定位和跟踪。颗卫星在视线之内，可达到准确定位和跟踪。l 地面监控部分地面监控部分：由由1 1个主控站个主控站、5 5个监测站个监测站、4 4个地面天线个地面天线组成。组成。负责收集由卫星传回的信息，并计算卫星
14、星历、相对距离，负责收集由卫星传回的信息，并计算卫星星历、相对距离，大气校正等数据。大气校正等数据。l用户设备部分用户设备部分：即即用户用户GPS信号接收机信号接收机，主要功能是接收，主要功能是接收GPS卫星发射的卫星发射的信号，以获得必要的导航和定位信息，经数据处理，完成导航信号，以获得必要的导航和定位信息，经数据处理，完成导航和定位工作。和定位工作。GPS使用使用24颗颗人造卫星人造卫星所形成的所形成的网络网络来来三角定位三角定位接收器的位置，接收器的位置，并并提供经纬度坐标提供经纬度坐标，可以达到准确定位。，可以达到准确定位。但但GPS定位的位置需要定位的位置需要在可看见人造卫星或轨道所
15、经过的地方，因此在可看见人造卫星或轨道所经过的地方，因此只用于室外定位只用于室外定位。定位原理：定位原理：定位点的观测方程定位点的观测方程232323232222222221212121)()()()()()()()()(zzyyxxdzzyyxxdzzyyyxd(x,y,z)为待求的接收机位置，为待求的接收机位置，di 为卫星到接收机的距离，为卫星到接收机的距离，(xi,yi,zi)为卫星瞬时位置（由星历计算得到）。为卫星瞬时位置（由星历计算得到）。x x 公里？公里？t t 秒？秒？卫星信号是电磁波，以光速传播。卫星信号是电磁波，以光速传播。卫星距地面很远，轨道高度为卫星距地面很远，轨道高
16、度为20200km20200km。如何求算电磁波信号传播时间？如何求算电磁波信号传播时间？t0:卫星发出码信号t0:接收机同步产生相同的码信号t1:接收机接收到卫星信号t=？GPS信号时间延迟t=码元宽度tu 移位数星站距离=光速 码元宽度tu 移位数传输一个bit所需要的时间。tu=1/f f是信号传输频率，已知数。（2）室内定位技术）室内定位技术 红外线和超声波测距定位技术红外线和超声波测距定位技术 室内定位技术主要有室内定位技术主要有红外线红外线/超声波定位技术超声波定位技术、ZigBee/UWB定位技术定位技术、RFID定位技术定位技术、Wi-Fi/蓝牙定位技术蓝牙定位技术等。等。超声波超声波UW(Ultrasonic Wave)的定位原理的定位原理：与：与GPS基本相同，基本相同，但采用但采用反射法测距反射法测距。即发射超声波并接收由被测物反射的回波，。即发射超声波并接收由被测物反射的回波，根据回波与发射波的时间差计算出待测距离。根据回波与发射波的时间差计算出待测距离。特点特点：整体定位精度较高，结构简单，但超声波受多径效应：整体定位精度较高，结构简单，但超声波受多径效应和非
