物联网技术及应用02-感知与识别技术课件.ppt
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1、第第2章章 感知与识别技术感知与识别技术在物联网体系中,感知与识别技术是物联网的底层基础技在物联网体系中,感知与识别技术是物联网的底层基础技术,是负责感知和获取术,是负责感知和获取“物物”的各种特征信息,和对的各种特征信息,和对“物物”进进行识别的前端技术,它是物联网的末端神经和触角,在物联网行识别的前端技术,它是物联网的末端神经和触角,在物联网体系中占有重要地位。本章主要学习感知和识别物体信息的体系中占有重要地位。本章主要学习感知和识别物体信息的4种核心技术的原理、特点及应用种核心技术的原理、特点及应用。2.1 传感器及检测技术传感器及检测技术 2.1 传感器传感器定义定义:传感器一般由敏感
2、元件、转换元件和变换电路:传感器一般由敏感元件、转换元件和变换电路3部分部分组成组成。2.1.1 传感器传感器应用应用:2.1.1 几种现代传感器几种现代传感器(1)微型传感器)微型传感器 微型传感器不是传统传感器简单的物理缩小,而是以新的微型传感器不是传统传感器简单的物理缩小,而是以新的工作机制和物化效应,使用标准半导体工艺兼容的材料,通过工作机制和物化效应,使用标准半导体工艺兼容的材料,通过MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems)加工技术产生的加工技术产生的新一代传感器件新一代传感器件,具有,具有小型化、集成化、成本低小型化、集成化、成本低的特点,可以的
3、特点,可以极大地提高传感器性能。极大地提高传感器性能。微型传感器的微型传感器的面积面积大多在大多在1mm2以下以下,体积体积只有传统传感器只有传统传感器的几十分之一乃至几百分之一的几十分之一乃至几百分之一,质量质量从千克级下降到几十克乃从千克级下降到几十克乃至几克至几克。在许多领域得到了越来越广泛的应用,如医疗、汽车、。在许多领域得到了越来越广泛的应用,如医疗、汽车、生物等行业已普遍使用。许多常规传感器不能胜任的工作,通生物等行业已普遍使用。许多常规传感器不能胜任的工作,通过使用微传感器就可以很好地完成。过使用微传感器就可以很好地完成。微传感器已经成为微传感器已经成为21世纪世纪传感器的重要发
4、展方向传感器的重要发展方向。2.1.1 几种现代传感器几种现代传感器(2)智能传感器)智能传感器智能传感器智能传感器(美国人称为美国人称为Smart Sensor,英国人称为,英国人称为Intelligent Sensor)是是传感器集成化与微处理机相结合的产物传感器集成化与微处理机相结合的产物,具有信息采集、处理和交换的能力。感器设备巨头美国具有信息采集、处理和交换的能力。感器设备巨头美国Honeywell公司给出的定义是:公司给出的定义是:“一个良好的一个良好的智能传感器智能传感器是由微处理器驱动的传感器与仪表套装,并且具有通信与自诊是由微处理器驱动的传感器与仪表套装,并且具有通信与自诊断
5、等功能,为监控系统和操作员提供相关信息,以提高工作效断等功能,为监控系统和操作员提供相关信息,以提高工作效率及减少维护成本。率及减少维护成本。”因此,因此,智能传感器是将传感器的敏感元智能传感器是将传感器的敏感元件、信号调理电路、微处理器件、信号调理电路、微处理器MPU(MicroProcessor Unit)及数及数字信号接口电路集成在一块芯片上构成字信号接口电路集成在一块芯片上构成。3大优点大优点:通过软件技术可实现:通过软件技术可实现高精度高精度的信息采集,而且的信息采集,而且成成本低本低;具有一定的;具有一定的自动化编程能力自动化编程能力;功能多样化功能多样化。2.1.1 几种现代传感
6、器几种现代传感器(3)数字传感器)数字传感器数字传感器是数字传感器是基于传统的模拟传感器基础上,集成了基于传统的模拟传感器基础上,集成了A/D转转换模块、换模块、CPU处理模块等相关功能模块,使其输出信号为数字量处理模块等相关功能模块,使其输出信号为数字量(或数字编码或数字编码)的传感器的传感器。主要由模拟传感器、放大器、。主要由模拟传感器、放大器、A/D转换转换器、计算机芯片(器、计算机芯片(CPU)、存储器、通信接口电路等组成。)、存储器、通信接口电路等组成。优点优点:l稳定性及抗干扰能力强。适合于电磁干扰强和喜好距离远的工稳定性及抗干扰能力强。适合于电磁干扰强和喜好距离远的工作场所。作场
7、所。l采用软件实现传感器的线性、零点、额定输出温漂、蠕变等性采用软件实现传感器的线性、零点、额定输出温漂、蠕变等性能参数的综合补偿,能参数的综合补偿,提高了传感器的可靠性和精度提高了传感器的可靠性和精度。l数字传感器能自动采集数据并可预处理、存储和记忆,具有唯数字传感器能自动采集数据并可预处理、存储和记忆,具有唯一标记,便于故障诊断。一标记,便于故障诊断。l传感器采用传感器采用标准的数字通讯接口标准的数字通讯接口,可直接连入计算机,也可与可直接连入计算机,也可与标准工业控制总线连接,使用方便灵活。标准工业控制总线连接,使用方便灵活。2.1.1 几种现代传感器几种现代传感器(4)一体化传感器)一
8、体化传感器一体化传感器是将若干种敏感元件组装在同一种材料或单一体化传感器是将若干种敏感元件组装在同一种材料或单独一块芯片上的一体化多功能传感器独一块芯片上的一体化多功能传感器。例如,温、湿度传感器、。例如,温、湿度传感器、多功能气体传感器以及可测量脉搏、心电、血氧饱和度多功能气体传感器以及可测量脉搏、心电、血氧饱和度(SpO2)等人体不同生理信号的健康传感器等。等人体不同生理信号的健康传感器等。网络化传感器是利用网络化传感器是利用TCP/IP协议,使现场测控数据就近接协议,使现场测控数据就近接入网络,并与网络上有通信能力的节点直接进行通信,实现数入网络,并与网络上有通信能力的节点直接进行通信,
9、实现数据的实时发布与共享据的实时发布与共享。传感器网络化的目的是采用标准的网络。传感器网络化的目的是采用标准的网络和通信协议,同时采用模块化结构将传感器和网络技术有机的和通信协议,同时采用模块化结构将传感器和网络技术有机的结合起来,形成传感器网络,简称传感网,其结合起来,形成传感器网络,简称传感网,其典型代表就是无典型代表就是无线传感网线传感网WSN。(5)网络传感器)网络传感器2.1.3 智能检测系统智能检测系统定义:定义:是是以微处理器为核心以微处理器为核心的信号检测系统的信号检测系统。组成组成:5个部分个部分传感器传感器信号的提取;信号的提取;调理电路调理电路信号的预处理,信号的预处理,
10、即整形、放大、滤波等;即整形、放大、滤波等;A/D、D/A及其它转换元件及其它转换元件信号信号的转换;的转换;微处理器微处理器信号的处理,如单片机、微控制器信号的处理,如单片机、微控制器MCU(Micro Control Unit)、数字信号处理器)、数字信号处理器DSP(Digital Signal Processor)等;)等;通信通信信号的传输,如串行或并行信号的传输,如串行或并行标准通信接口、现场总线或标准通信接口、现场总线或Ethernet/Internet等。等。2.1.3 智能检测系统智能检测系统类型类型:在硬件结构上分为:在硬件结构上分为集中式集中式和和分布式分布式两种两种 2
11、.2 自动识别技术自动识别技术所谓所谓自动识别技术自动识别技术就是应用一定的识别装置,通过识别装就是应用一定的识别装置,通过识别装置与物品的接近,自动地获取被识别物品的相关信息,并提供置与物品的接近,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。完整的完整的自动识别管理系统包括自动识别管理系统包括3部分部分:自动识别系统自动识别系统AIDS(Auto Identification System)应用程序接口应用程序接口API(Application Interface)或者中间件或者中间件应用系统软件
12、应用系统软件AS(Application Software)。)。1.磁卡识别技术磁卡识别技术 磁卡识别技术磁卡识别技术是最早使用的卡类信息识别技术,是是最早使用的卡类信息识别技术,是以具有信以具有信息存储功能的特殊材料息存储功能的特殊材料,如,如液体磁性材料液体磁性材料或或磁条磁条为信息载体,将为信息载体,将液体磁性材料涂印在基片上(如存折),或将宽约液体磁性材料涂印在基片上(如存折),或将宽约614mm的磁的磁条压贴在基片上(如常见的银联卡)条压贴在基片上(如常见的银联卡)通过高温热压缩形成的一种通过高温热压缩形成的一种卡片状的磁性记录介质,与各种读卡器配合使用卡片状的磁性记录介质,与各种
13、读卡器配合使用。优点及应用优点及应用:磁卡可以方便地写入、储存、改写信息内容,磁卡可以方便地写入、储存、改写信息内容,具有可靠性强、记录数据密度大、误读率低,信息输入、读出速具有可靠性强、记录数据密度大、误读率低,信息输入、读出速度快、信息读写相对简单容易,使用方便,成本低度快、信息读写相对简单容易,使用方便,成本低,从而较早地,从而较早地获得了发展,并进入了多个应用领域,遍布人类生活的方方面面。获得了发展,并进入了多个应用领域,遍布人类生活的方方面面。如可用于制作信用卡、银行卡、社保卡、证券交易卡、地铁卡、如可用于制作信用卡、银行卡、社保卡、证券交易卡、地铁卡、公交卡、门票卡、电话卡、电子游
14、戏卡、车票、机票以及各种交公交卡、门票卡、电话卡、电子游戏卡、车票、机票以及各种交通收费卡等。今天在许多场合我们仍然会用到磁卡,如在食堂就通收费卡等。今天在许多场合我们仍然会用到磁卡,如在食堂就餐,在商场购物,乘公交、地铁等等。餐,在商场购物,乘公交、地铁等等。缺点缺点:需不定期充磁激活。:需不定期充磁激活。2.IC卡识别技术卡识别技术 IC卡卡(Integrated Circuit,简称,简称IC卡卡),即,即集成电路卡集成电路卡,是将,是将集成电路芯片镶嵌于塑料基片的指定位置上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,以存储、读取和修改信息。修改信息。特点及应用特点及应用:便
15、于携带、存储量大、保密性好、无法被破译:便于携带、存储量大、保密性好、无法被破译及仿造。及仿造。40年来,已被广泛应用于金融、交通、通讯、医疗、年来,已被广泛应用于金融、交通、通讯、医疗、身份证明等众多领域。身份证明等众多领域。3种类型:种类型:存储器卡、逻辑加密卡和存储器卡、逻辑加密卡和CPU卡(智能卡)卡(智能卡)。存储器卡:存储器卡:适合于仅以适合于仅以IC 卡作为数据的转存介质或有软件卡作为数据的转存介质或有软件加密而不担心被篡改的系统,价格较低;加密而不担心被篡改的系统,价格较低;逻辑加密卡:逻辑加密卡:通过设置卡上的密码区域来控制卡的读写,价通过设置卡上的密码区域来控制卡的读写,价
16、格适中,目前应用数量最大;格适中,目前应用数量最大;智能卡智能卡(Smart Card):集成电路中带有:集成电路中带有微处理器微处理器,自身就,自身就可以进行数据计算和信息处理,同时能够利用随机数和密钥进可以进行数据计算和信息处理,同时能够利用随机数和密钥进行卡与设备的相互验证,安全性高。行卡与设备的相互验证,安全性高。3.光学字符识别技术光学字符识别技术 光学字符识别光学字符识别OCR:(Optical Character Recognition)是指是指通通过电子设备,如扫描仪或数码相机等,对文本资料进行过电子设备,如扫描仪或数码相机等,对文本资料进行扫描扫描,然,然后对图像文件进行分析
17、处理,获取文字及版面信息的过程后对图像文件进行分析处理,获取文字及版面信息的过程。如扫如扫描仪、摄像机、录像机、刻录机、光电传感器等。描仪、摄像机、录像机、刻录机、光电传感器等。识别过程识别过程:图像输入:图像输入1预处理预处理2版面分析版面分析3字符切割字符切割4特征提取特征提取5识别对比识别对比6后处理后处理7人工校正人工校正8输出结果输出结果9。4.生物识别技术生物识别技术 生物识别技术生物识别技术是指是指依靠人的身体特征来进行身份验证的一依靠人的身体特征来进行身份验证的一种种人物识别人物识别技术技术。用于识别的身体特征用于识别的身体特征:生物特征和行为特征:生物特征和行为特征 生物特征
18、生物特征:指纹、声音、面部、骨架、视网膜、虹膜、:指纹、声音、面部、骨架、视网膜、虹膜、DNA等;等;行为特征行为特征:签名的动作、行走的步态、击打键盘的力度:签名的动作、行走的步态、击打键盘的力度等。等。技术核心:技术核心:如何获取如何获取这些特征,并将其这些特征,并将其转换转换为数字信息,为数字信息,存储于计算机中,再利用可靠的存储于计算机中,再利用可靠的匹配算法匹配算法来完成验证与识别过程。来完成验证与识别过程。生物识别系统识别的对象是人,因此要求能实时、迅速、有生物识别系统识别的对象是人,因此要求能实时、迅速、有效地完成其识别过程。效地完成其识别过程。识别过程:识别过程:主要包括主要包
19、括采集、解码、比对和匹配采集、解码、比对和匹配4个处理过个处理过程程。类型:主要有类型:主要有语音识别语音识别、指纹识别、面部识别、视觉识别指纹识别、面部识别、视觉识别等技术。等技术。(1)语音识别技术)语音识别技术 定义定义:语音识别是一种将人讲话发出的语音信号,识别语音识别是一种将人讲话发出的语音信号,识别(转换)成为一种能够表达通信消息的符号序列(转换)成为一种能够表达通信消息的符号序列。核心核心:由于每个人的说话声音不同,语音识别:由于每个人的说话声音不同,语音识别重在识别或重在识别或确认发出语音的说话人本身确认发出语音的说话人本身,而非其中所包含的词汇内容。,而非其中所包含的词汇内容
20、。类型类型:从说话者与识别系统的相关性来说,可以将识别系:从说话者与识别系统的相关性来说,可以将识别系统分为统分为3类类:特定人特定人语音识别系统:仅考虑对于专人的话音进行识别;语音识别系统:仅考虑对于专人的话音进行识别;非特定人非特定人语音识别系统:识别的语音与人无关,通常要语音识别系统:识别的语音与人无关,通常要用大量不同人的语音数据库对识别系统进行学习;用大量不同人的语音数据库对识别系统进行学习;多人的识别多人的识别系统:通常能识别一组人的语音,或者成为系统:通常能识别一组人的语音,或者成为特定组语音识别系统,该系统仅要求对要识别的那组人的语音进特定组语音识别系统,该系统仅要求对要识别的
21、那组人的语音进行训练。行训练。(2)指纹识别技术)指纹识别技术 关键关键:每个人包括每个人包括指纹指纹在内的皮肤纹路在图案、断点和交叉在内的皮肤纹路在图案、断点和交叉点上各不相同,呈现点上各不相同,呈现唯一性且终生不变唯一性且终生不变的特点。的特点。这种这种唯一性和稳唯一性和稳定性定性是是指纹识别指纹识别技术的关键。技术的关键。图图2-16 人体指纹形状典型图例人体指纹形状典型图例(2)指纹识别技术)指纹识别技术 识别过程识别过程:主要包括对:主要包括对指纹图像的采集、图象处理(包括指纹图像的采集、图象处理(包括极值滤波、二值化、细化等)、特征提取、特征值的比对与匹极值滤波、二值化、细化等)、
22、特征提取、特征值的比对与匹配等配等过程过程。(3)面像识别技术(人脸识别)面像识别技术(人脸识别)定义定义:是以人的脸型识别为核心,通过是以人的脸型识别为核心,通过分析面部特征的唯分析面部特征的唯一形状、模式和位置来辩识人一形状、模式和位置来辩识人,也叫,也叫人脸识别人脸识别技术或技术或脸谱识别脸谱识别。技术特征技术特征:利用:利用计算机图像处理技术从视频中提取面像特计算机图像处理技术从视频中提取面像特征征,通过,通过生物统计学原理进行分析建立数学模型生物统计学原理进行分析建立数学模型,采用,采用区域特征区域特征分析算法完成计算识别分析算法完成计算识别。人脸图像采集方法人脸图像采集方法:主要有
23、标准视频和热成像技术。:主要有标准视频和热成像技术。标准视频技术标准视频技术是通过一个标准的摄像头摄取面部图像;热是通过一个标准的摄像头摄取面部图像;热成像技术成像技术是通过分析由面部毛细血管的血液产生的热线来产生脸是通过分析由面部毛细血管的血液产生的热线来产生脸谱图像。热成像技术并不需要在较好的光源条件下,因此即使在谱图像。热成像技术并不需要在较好的光源条件下,因此即使在黑暗情况下也可以使用。黑暗情况下也可以使用。应用应用:目前常用的是:目前常用的是高质量摄像机高质量摄像机,判断速度相当快,只,判断速度相当快,只需需要要0.01秒左右秒左右,而且具有存储功能。只要把一些具有潜在危险,而且具有
24、存储功能。只要把一些具有潜在危险性的性的“重点人物重点人物”的的“脸部特写脸部特写”输入输入系统系统,一旦发现其擅自闯,一旦发现其擅自闯关,就会在关,就会在0.01秒之内被捕获,同时,系统还会向安保中心秒之内被捕获,同时,系统还会向安保中心“报报警警”。(4)视觉识别技术)视觉识别技术 类型类型:是通过分析:是通过分析眼睛独特特征眼睛独特特征的一种生物识别技术,主要的一种生物识别技术,主要包括包括虹膜识别虹膜识别技术和技术和视网膜识别视网膜识别技术技术。人眼结构人眼结构:人眼睛的外观图由:人眼睛的外观图由巩膜巩膜、虹膜虹膜、瞳孔瞳孔三部分构成,三部分构成,如图如图2-19所示。所示。图图2-1
25、9 眼睛的结构眼睛的结构 虹膜:虹膜:是位于眼睛白色巩膜和黑色瞳孔之间的圆环状部是位于眼睛白色巩膜和黑色瞳孔之间的圆环状部分分,每一个虹膜都包含独一无二的纹理信息每一个虹膜都包含独一无二的纹理信息,优势优势:唯一性、:唯一性、非接触、稳定性、便于信号处理、防伪性好等。非接触、稳定性、便于信号处理、防伪性好等。视网膜视网膜:是眼睛底部的血液细胞层是眼睛底部的血液细胞层,具有极其固定和隐,具有极其固定和隐秘的生物特征,比虹膜更具唯一性。秘的生物特征,比虹膜更具唯一性。缺点:缺点:是激光照射眼球的是激光照射眼球的背面可能会影响使用者健康。背面可能会影响使用者健康。特征特征:虹膜和视网膜的特征由遗传基
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- 联网 技术 应用 02 感知 识别 课件
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