2-4、物联网技术及其应用.ppt
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1、2-4、物联网技术及其应用参考书籍:参考书籍:1、射频识别(射频识别(RFID)原理与应用)原理与应用单承赣等编著,电子工业出版社,单承赣等编著,电子工业出版社,2008年年7月月2、ZigBee技术及其应用技术及其应用瞿瞿 雷等编著,北京航空航天大学出版社,雷等编著,北京航空航天大学出版社,2007年年9月月2023/4/1722023/4/172什么是物联网?什么是物联网?传感网是以感知为目的,实现人与人、传感网是以感知为目的,实现人与人、人与物、物与物全面互联的网络。传感网突人与物、物与物全面互联的网络。传感网突出的特征是通过传感器等方式获得物理世界出的特征是通过传感器等方式获得物理世界
2、的多种信息,结合互联网、移动通信网络进的多种信息,结合互联网、移动通信网络进行信息的传送与交互,采用智能计算技术对行信息的传送与交互,采用智能计算技术对信息进行分析与处理,从而提升对物质世界信息进行分析与处理,从而提升对物质世界的感知能力,实现智能化的决策和控制。的感知能力,实现智能化的决策和控制。物联网应该有更规范的内涵,例如物联物联网应该有更规范的内涵,例如物联网也包括网络控制为目的,而传感网更强调网也包括网络控制为目的,而传感网更强调以感知为目的;以感知为目的;2023/4/176什么是物联网?什么是物联网?v物联网将各种信息传感设备、控制设备,例如射频物联网将各种信息传感设备、控制设备
3、,例如射频识别装置(识别装置(RFIDRFID)、红外感应装置、全球定位系统)、红外感应装置、全球定位系统(GPSGPS)、激光扫描器等与互联网结合起来形成一)、激光扫描器等与互联网结合起来形成一个不仅仅是人在使用,也可以把各种其它信息(不个不仅仅是人在使用,也可以把各种其它信息(不仅仅是文字、语言、数字、图像)通过互联网进行仅仅是文字、语言、数字、图像)通过互联网进行传递、处理、存储、检测等。以提高人类社会的信传递、处理、存储、检测等。以提高人类社会的信息化、自动化水平。物联网的用途广泛,遍及智能息化、自动化水平。物联网的用途广泛,遍及智能交通、环境保护、政府政务、公共安全、平安家居、交通、
4、环境保护、政府政务、公共安全、平安家居、智能消防、工业检测、病老护理、个人健康等多个智能消防、工业检测、病老护理、个人健康等多个领域。领域。v业界普遍认为物联网是继计算机、互联网、移动通业界普遍认为物联网是继计算机、互联网、移动通信网之后的又一次信息产业浪潮。信网之后的又一次信息产业浪潮。2023/4/177什么是物联网?什么是物联网?v物联网的要素,首先是要把物体连接到网上;物联网的要素,首先是要把物体连接到网上;v其次是要把这个物体的信息传到互联网上;其次是要把这个物体的信息传到互联网上;v物联网的工作,就是获取信息、传送信息、物联网的工作,就是获取信息、传送信息、处理信息、存储信息、显示
5、信息;处理信息、存储信息、显示信息;v美国的研究机构美国的研究机构Forrester预测,物联网的产预测,物联网的产业价值和规模,要比互联网大业价值和规模,要比互联网大30倍,将会形倍,将会形成下一个万亿元级别的产业;成下一个万亿元级别的产业;2023/4/178传感网与无线通信传感网与无线通信传感网中使用的几种通信技术:传感网中使用的几种通信技术:1、移动通信:、移动通信:2G、3G、B3G、LTE;2、无线局域网:、无线局域网:WiFi:无线局域网,:无线局域网,802.11,校园网;,校园网;WiMAX:无线城域网,:无线城域网,802.16,已成为,已成为 3G标准标准3、超宽带、超宽
6、带UWB:特征是利用纳秒级的非正弦波窄:特征是利用纳秒级的非正弦波窄脉冲传输数据。工作频率脉冲传输数据。工作频率3.1G-10.6GMHz,低,低功耗,如射频标签功耗,如射频标签RFID(Radio Frequency Identification 也称电子标签、无线电频率识别)。也称电子标签、无线电频率识别)。2023/4/179传感网与无线通信传感网与无线通信4、ZigBee:低功耗、近距离的无线组网:低功耗、近距离的无线组网通信技术;通信技术;802.15.4(s);5、NFC(近场通信),双向(近场通信),双向RFID,可实,可实现设备之间的近距离通信(现设备之间的近距离通信(20cm
7、,比,比兰牙短,但是不需要加密);兰牙短,但是不需要加密);6、兰牙(、兰牙(Bluetooth)、红外()、红外(IiRD););2023/4/1710传感器的种类传感器的种类v信息(例如信息(例如RFID中的各种读卡器)中的各种读卡器)v温度、温限压力温度、温限压力v测力、压力、重力;测力、压力、重力;v液位、水位测量、流体、流量液位、水位测量、流体、流量v电机保护电机保护v光敏光敏v荷重、称重传感器荷重、称重传感器v闸门开度(高度)闸门开度(高度)2023/4/1711传感器的种类传感器的种类v气体、气味、口臭、室内空气、风速气体、气味、口臭、室内空气、风速v湿度湿度v灰尘灰尘v红外红外
8、v漏电、电导漏电、电导vPH值值2023/4/1712传感器的种类传感器的种类v酒精酒精vAQS环境控制环境控制v卤素浓度卤素浓度v生物传感器生物传感器v热学量热学量v位置、安防位置、安防v光纤光栅光纤光栅v指纹、触摸指纹、触摸2023/4/1713传感器的种类传感器的种类v磁阻倾角磁阻倾角v视觉、图像视觉、图像v压电、静电、电流、电压压电、静电、电流、电压v加速度加速度v霍尔位置霍尔位置v微波微波2023/4/1714物联网的工作模式物联网的工作模式v物联网的工作模式较多,但是目前主要分为物联网的工作模式较多,但是目前主要分为射频识别(射频标签)射频识别(射频标签)RFID和和ZigBee,
9、因为,因为国际标准化组织目前主要在这两种应用中制国际标准化组织目前主要在这两种应用中制定了一系列的标准;定了一系列的标准;v射频识别(射频标签)射频识别(射频标签)RFID主要是应用读卡主要是应用读卡器和应答器之间的信息传输完成工作;器和应答器之间的信息传输完成工作;vZigBee则主要是工作于网络系统;则主要是工作于网络系统;2023/4/1715RFIDv射频识别是无线电频率识别的简称,即通过无射频识别是无线电频率识别的简称,即通过无线电波进行识别。线电波进行识别。vRFID系统中,识别信息存放在电子数据载体中,系统中,识别信息存放在电子数据载体中,电子数据载体称为应答器。电子数据载体称为
10、应答器。v应答器中存放的识别信息由阅读器读出。应答器中存放的识别信息由阅读器读出。v阅读器不仅可以读出存放的信息,而且可以对阅读器不仅可以读出存放的信息,而且可以对其进行写入,读写过程是通过双方之间的无线其进行写入,读写过程是通过双方之间的无线通信来实现的。通信来实现的。2023/4/1716RFIDv应答器(射频卡或标签)应答器(射频卡或标签)射频卡射频卡 2023/4/1717RFIDv应答器应答器(射频卡或(射频卡或 标签)标签)标签2023/4/1718RFIDv阅读器阅读器(读写器或基站)(读写器或基站)2023/4/1719RFIDRFID的基本原理框图的基本原理框图 射频卡或射频
11、卡或电子标签电子标签读写器读写器或基站或基站2023/4/1720RFID的工作频率的工作频率RFID的工作频率可划分为:的工作频率可划分为:1、LF:低频低频30300KHz,常用,常用125KHz;2、HF:高频高频330MHz,工作频率为工作频率为13.56MHz;3、UHF:特高频:特高频300MHz3GHz,工作频率:,工作频率:433MHz,866 960MHz,2.45GHz;4、SHF:超高频:超高频330GHz,工作频率:工作频率:5.8GHz、24GHz;0f(Hz)30k 300k3M 30M 300M3G30G125k13.56M常用:常用:433M866960M5.8
12、G工作频率分布图工作频率分布图 LF1MHFUHF1G1K2023/4/1721电感耦合方式电感耦合方式RFID的工作原理的工作原理vRIFD工作方式工作方式电感耦合电感耦合 阅读器阅读器应答器应答器电感耦合方式的电路结构电感耦合方式的电路结构信息信息2023/4/1722电感耦合方式电感耦合方式RFID的工作原理的工作原理1、阅读器为有源工作,应答器无源工作;、阅读器为有源工作,应答器无源工作;2、L1、C1;L2、C2 均工作在射频源均工作在射频源VS的谐振频率;的谐振频率;3、阅读器、阅读器L2的磁场变化产生电压整流后供阅读器的磁场变化产生电压整流后供阅读器使用;使用;4、阅读器向阅读器
13、的数据传输采用内部的二进制、阅读器向阅读器的数据传输采用内部的二进制数据编码信号控制开关数据编码信号控制开关S,使得负载电阻,使得负载电阻R2被接被接通或者断开,通过耦合使通或者断开,通过耦合使L1产生变化的电压,经产生变化的电压,经调制、解码即可;调制、解码即可;5、阅读器向阅读器的数据传输,是通过数字调制、阅读器向阅读器的数据传输,是通过数字调制的方式实现的,多采用的方式实现的,多采用ASK(幅频监控)的方式;(幅频监控)的方式;2023/4/1723电感耦合方式电感耦合方式RFID的工作原理的工作原理vRIFD工作方式工作方式负载调制负载调制 负载调制的原理示意图负载调制的原理示意图20
14、23/4/1724反向散射耦合反向散射耦合RFID工作方式工作方式v目标的反向散射耦合目标的反向散射耦合RIFD工作方式工作方式反向散射耦合反向散射耦合电源电路用于吸收耦合的功率;电源电路用于吸收耦合的功率;2023/4/1725反向散射方式反向散射方式RFID的工作原理的工作原理v声表面波(声表面波(Surface Acoustic Wave,SAW)器件是以压电效应和与表面弹性)器件是以压电效应和与表面弹性相关的低速传播的声波为依据。相关的低速传播的声波为依据。2023/4/1726反向散射方式反向散射方式RFID的工作原理的工作原理 声表面波应答器以压电效应和避免弹性相关的声表面波应答器
15、以压电效应和避免弹性相关的低速传播的声波为依据,加以体积小、重量轻、工低速传播的声波为依据,加以体积小、重量轻、工作频率高、相对带宽较高,并且可采用与集成电路作频率高、相对带宽较高,并且可采用与集成电路芯片工艺相同的平面加工工艺,制造简单,工艺的芯片工艺相同的平面加工工艺,制造简单,工艺的一致性好,灵活性高;一致性好,灵活性高;2023/4/1727反向散射方式反向散射方式RFID的工作原理的工作原理v换能器的作用是将电信号转换为声波。它利换能器的作用是将电信号转换为声波。它利用压电衬底在电场作用下的膨胀和收缩效应。用压电衬底在电场作用下的膨胀和收缩效应。v指状电极上的电位差形成电场。射频信号
16、引指状电极上的电位差形成电场。射频信号引起压电衬底的振动,从而沿其表面产生声波,起压电衬底的振动,从而沿其表面产生声波,经反射返回换能器在转换成射频脉冲的序列经反射返回换能器在转换成射频脉冲的序列的电信号,经偶极子天线回传至阅读器;的电信号,经偶极子天线回传至阅读器;v声表面波声表面波RFID系统的作用距离主要取决于阅系统的作用距离主要取决于阅读器所能允许的发射功率,在读器所能允许的发射功率,在2.45GHz下,下,作用距离可达作用距离可达1-2m。2023/4/1728RFIDv谐波检测法的工作原理:基于反向散射耦合谐波检测法的工作原理:基于反向散射耦合方式,它可用于电子防盗系统方式,它可用
17、于电子防盗系统 谐波法原理谐波法原理 2023/4/1729RFIDv射频识别的应用系统构架射频识别的应用系统构架1、最简单的应用系统只、最简单的应用系统只有单个阅读器,它一次有单个阅读器,它一次对一个应答器进行操作,对一个应答器进行操作,如公交汽车上的票务操如公交汽车上的票务操作。作。2、较复杂的应用需要一、较复杂的应用需要一个阅读器可同时对多个个阅读器可同时对多个应答器进行操作,即要应答器进行操作,即要具有防碰撞(亦称防冲具有防碰撞(亦称防冲突)的能力。突)的能力。3、更复杂的应用系统要、更复杂的应用系统要解决阅读器的高层处理解决阅读器的高层处理问题,包括多阅读器的问题,包括多阅读器的网络
18、连接。网络连接。2023/4/1730RFIDv应答器的主要性能参数应答器的主要性能参数工作频率工作频率读读/写能力写能力编码调制方式编码调制方式数据传输速率数据传输速率信息数据存储容量信息数据存储容量工作距离工作距离多应答器识读能力(亦称防碰撞或防冲突能力)多应答器识读能力(亦称防碰撞或防冲突能力)安全性能(密钥、认证)等。安全性能(密钥、认证)等。2023/4/1731RFIDv无源、半无源与有源应答器无源、半无源与有源应答器 无源应答器:无源应答器:不附有电池不附有电池,从阅读器发出射频能量中,从阅读器发出射频能量中提取工作所需的电能。采用电感耦合方式的应答器多为提取工作所需的电能。采用
19、电感耦合方式的应答器多为无源应答器。无源应答器。v半无源应答器半无源应答器:内装有电池,起辅助作用,对维内装有电池,起辅助作用,对维持数据的电路供电或对应答器芯片工作所需的电压持数据的电路供电或对应答器芯片工作所需的电压作辅助支持,用于传输通信的射频能量源自阅读器。作辅助支持,用于传输通信的射频能量源自阅读器。有源应答器:有源应答器:工作电源完全由内部电池供给,同时内工作电源完全由内部电池供给,同时内部电池能量也部分地转换为应答器与阅读器通信所需的部电池能量也部分地转换为应答器与阅读器通信所需的射频能量。射频能量。2023/4/1732RFIDv应答器电路的基本结构应答器电路的基本结构 202
20、3/4/1733RFIDv阅读器的功能阅读器的功能1、以射频方式向应答器传输能量;、以射频方式向应答器传输能量;2、从应答器中读出数据或向应答器写入数据;、从应答器中读出数据或向应答器写入数据;3、完成对读取数据的信息处理并实现应用操作;、完成对读取数据的信息处理并实现应用操作;4、若有需要,应能和高层处理交互信息。若有需要,应能和高层处理交互信息。2023/4/1734RFIDv阅读器的电路组成阅读器的电路组成 2023/4/1735RFIDv天线天线天线的目标是取得最大的能量传输效果。天线的目标是取得最大的能量传输效果。RFID系统所用的天线类型主要有偶极子天线、系统所用的天线类型主要有偶
21、极子天线、微带贴片天线、线圈天线等。微带贴片天线、线圈天线等。在应答器中,天线和应答器芯片封装在一起。在应答器中,天线和应答器芯片封装在一起。2023/4/1736RFIDv相关的自动识别技术相关的自动识别技术 自动识别技术:包括条形码、接触式自动识别技术:包括条形码、接触式IC卡、卡、生物特征识别、光学字符识别(生物特征识别、光学字符识别(OCR)以及)以及射频识别(射频识别(RFID)等。)等。条形码(条形码(Bar Code)技术:最早产生在)技术:最早产生在20世纪世纪20年代,由一组规则排列的条和空、相年代,由一组规则排列的条和空、相应的数字组成应的数字组成。其它.2023/4/17
22、37RFID的差错检测的差错检测vRFID相同中产生差错的原因:相同中产生差错的原因:v信道中有干扰;信道中有干扰;v相同特性不理想;相同特性不理想;v信号的波形产生失真;信号的波形产生失真;v有以上的原因导致数据在接收时发生误判造有以上的原因导致数据在接收时发生误判造成误码;成误码;2023/4/1738RFID的差错检测的差错检测v差错的性质:差错的性质:v随机错误:信道中随机噪声干扰引起,信号的错误随机错误:信道中随机噪声干扰引起,信号的错误情况往往无规律情况往往无规律v突发错误:由突发干扰引起,前后之间的误码往往突发错误:由突发干扰引起,前后之间的误码往往呈现相关性;其误码影响可用突发
23、误码长度来表示,呈现相关性;其误码影响可用突发误码长度来表示,即突发错误中最前面的即突发错误中最前面的1和最后面的和最后面的1之间间隔的长之间间隔的长度。例:度。例:v 正确比特流:正确比特流:0011 1011v 接收比特流:接收比特流:0110 0100 异或异或v 错误图样错误图样 0101 1111 突发错误长度为突发错误长度为b5v混合错误:混合错误:随机错误和突发错误的混合;随机错误和突发错误的混合;2023/4/1739RFID的差错检测的差错检测v差错的控制:差错的控制:v反馈重发反馈重发ARQ:发送端需要得到接收端已经:发送端需要得到接收端已经收到分组的确认信息后才能确认发生
24、成功;收到分组的确认信息后才能确认发生成功;分为:停止等待方式和连续工作方式;分为:停止等待方式和连续工作方式;v前向纠错前向纠错FEC:接收端通过纠错解码自动纠:接收端通过纠错解码自动纠正产生中的误差,不再需要重传;正产生中的误差,不再需要重传;v混合纠错混合纠错HEC:ARQ和和FEC的组合;对呈现的组合;对呈现的错误尽量纠正,无法纠正时可通过重发来的错误尽量纠正,无法纠正时可通过重发来消除差错;消除差错;2023/4/1740RFID的防碰撞算法的防碰撞算法vRFID系统如果有多个阅读器同时处在阅读器的系统如果有多个阅读器同时处在阅读器的作用范围时,两个以上的应答器同时发送数据,作用范围
25、时,两个以上的应答器同时发送数据,就会产生通信冲突,形成数据的干扰,即发生就会产生通信冲突,形成数据的干扰,即发生了碰撞;了碰撞;v防碰撞协议由方碰撞算法和相关的协议、命令防碰撞协议由方碰撞算法和相关的协议、命令来解决;来解决;2023/4/1741RFIDv射频识别的应用系统构架射频识别的应用系统构架1、最简单的应用系统只、最简单的应用系统只有单个阅读器,它一次有单个阅读器,它一次对一个应答器进行操作,对一个应答器进行操作,如公交汽车上的票务操如公交汽车上的票务操作。作。2、较复杂的应用需要一、较复杂的应用需要一个阅读器可同时对多个个阅读器可同时对多个应答器进行操作,即要应答器进行操作,即要
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- 联网 技术 及其 应用
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