物联网的技术组成RFID技术课件

物联网的技术组成物联网的技术组成RFID技术技术12021/2/22物联网的技术组成物联网的技术组成_RFID_RFID技术技术 物联网的支撑技术则融合了传感器技术、物联网的支撑技术则融合了传感器技术、RFIDRFID、ZigBeeZigBee技术、传技术、传感器技术、智能服务等多种技术。感器技术、智能服务等多种技术。一、一、RFIDRFID技术简介技术简介RFIDRFID技术是技术是2020世纪世纪9090年代开始兴起并逐渐走向成熟的一种自动识别年代开始兴起并逐渐走向成熟的一种自动识别技术，是一项利用射频信号通过空间耦合（交变磁场或电磁场）实现技术，是一项利用射频信号通过空间耦合（交变磁场或电磁场）实现无接触信息传递并通过所传递的信息达到识别目的的技术。电子标签无接触信息传递并通过所传递的信息达到识别目的的技术。电子标签是是RFIDRFID的通俗叫法。的通俗叫法。（1 1）非接触操作。）非接触操作。（2 2）无机械磨损，寿命长。）无机械磨损，寿命长。（3 3）可识别高速运动物体，多个电子标签。）可识别高速运动物体，多个电子标签。（4 4）读写器具有自身的安全性。）读写器具有自身的安全性。（5 5）数据安全方面除电子标签的密码保护外，数据部分可用一些算法）数据安全方面除电子标签的密码保护外，数据部分可用一些算法实现安全管理。实现安全管理。（6 6）读写器与标签之间存在相互认证的过程，实现安全通信和存储。）读写器与标签之间存在相互认证的过程，实现安全通信和存储。RFIDRFID的技术优点。的技术优点。22021/2/22RFIDRFID技术在工业自动化、物体跟踪、交通运输控制管理、防伪和军技术在工业自动化、物体跟踪、交通运输控制管理、防伪和军事方面已经有着广泛的应用。事方面已经有着广泛的应用。RFIDRFID系统（见图系统（见图4-14-1）由三部分组成：）由三部分组成：（1 1）电子标签。）电子标签。（3 3）读写器。）读写器。（2 2）天线。）天线。图图4-1 RFID4-1 RFID工作原理工作原理 第一节第一节 RFIDRFID技术技术 32021/2/22二、二、RFIDRFID的特征的特征 1 1）数据的读写（）数据的读写（Read-WriteRead-Write）机能）机能2 2）容易小型化和多样化的形状）容易小型化和多样化的形状3 3）耐环境性）耐环境性4 4）可重复使用）可重复使用5 5）穿透性）穿透性6 6）数据的记忆容量大）数据的记忆容量大7 7）系统安全）系统安全8 8）数据安全）数据安全三、三、RFIDRFID的工作原理的工作原理 RFIDRFID的应用系统主要由的应用系统主要由电子标签读写器电子标签读写器和和RFIDRFID卡卡两部分组成。两部分组成。表表4-1 RFID4-1 RFID同其他识别系统的比较同其他识别系统的比较 第一节第一节 RFIDRFID技术技术 42021/2/22RFIDRFID应用系统的应用系统的工作原理工作原理是是RFIDRFID卡进入读写器的射频场后，由其天卡进入读写器的射频场后，由其天线获得的感应电流经升压电路作为芯片的电源，同时将带信息的感应线获得的感应电流经升压电路作为芯片的电源，同时将带信息的感应电流通过射频前端电路检得的数字信号送入逻辑控制电路进行信息处电流通过射频前端电路检得的数字信号送入逻辑控制电路进行信息处理；所需回复的信息则从存储器中获取经由逻辑控制电路送回射频前理；所需回复的信息则从存储器中获取经由逻辑控制电路送回射频前端电路，最后通过天线发回给读写器。端电路，最后通过天线发回给读写器。四、四、RFIDRFID的技术分类的技术分类 （1 1）工作频率的不同，可工作频率的不同，可分为分为低频低频（3030300kHz300kHz）、）、中频中频（3 330MHz30MHz）和）和高频高频系系统（统（300MHz300MHz3GHz3GHz）。）。图图4-2 RFID4-2 RFID的内部结构的内部结构 第一节第一节 RFIDRFID技术技术 52021/2/22（2 2）根据）根据RFIDRFID的不同，可分为可读写（的不同，可分为可读写（RWRW）卡、一次写入多次读出）卡、一次写入多次读出（WORMWORM）卡和只读（）卡和只读（RORO）卡。）卡。（3 3）根据）根据RFIDRFID的有源和无源，分为有源的有源和无源，分为有源RFIDRFID标签和无源标签和无源RFIDRFID标签。标签。（4 4）调制方式的不同，分为主动式）调制方式的不同，分为主动式RFIDRFID标签和被动式标签和被动式RFIDRFID标签。标签。五、五、RFIDRFID的技术标准的技术标准 1 1）动物识别）动物识别ISO 11784ISO 11784和和ISO 11785ISO 11785技术标准技术标准位序号位序号信息信息说明明1 1动物物应用用1/1/非非动物物应用用0 0应答器是否答器是否应用用动物物识别2 21515保留保留未来未来应用用1616后面有数据后面有数据1/1/没有数据没有数据0 0识别代代码后是否有数据后是否有数据17172626国家代国家代码说明使用国家，明使用国家，999999表明是表明是测试应答器答器27276464国内定国内定义唯一的国内唯一的国内专有的登有的登记号号表表4-2 ISO 117844-2 ISO 11784和和ISO 11785ISO 11785标准代码结构标准代码结构 第一节第一节 RFIDRFID技术技术 62021/2/222 2）非接触智能卡）非接触智能卡 ISO 10536ISO 10536、ISO 15693ISO 15693和和ISO 14443ISO 14443技术标准技术标准 3 3）集装箱识别）集装箱识别ISO 10374 ISO 10374 六、六、RFIDRFID的应用及发展趋势的应用及发展趋势 目前国际制定目前国际制定RFIDRFID标准的组织比较著名的有标准的组织比较著名的有ISOISO、以美国为首的、以美国为首的EPC globalEPC global以及日本的以及日本的Ubiquitous ID CenterUbiquitous ID Center三个三个 （1 1）物流：）物流：（2 2）零售：）零售：（3 3）制造业：）制造业：（4 4）服装业：）服装业：（5 5）医疗：）医疗：（6 6）身份识别：）身份识别：（7 7）防伪：）防伪：（8 8）资产管理：）资产管理：（9 9）交通：）交通：（1010）食品：）食品：（1111）动物识别：）动物识别：（1212）图书馆：）图书馆：（1313）汽车：）汽车：（1414）航空：）航空：（1515）军事：）军事：七、七、RFIDRFID面临的问题面临的问题1 1标准化标准化2 2价格问题价格问题3 3技术上需突破技术上需突破4 4涉及人员失业、隐私保护及安全问题涉及人员失业、隐私保护及安全问题第一节第一节 RFIDRFID技术技术 72021/2/22第二节第二节 ZigBeeZigBee技术技术一、一、ZigBeeZigBee概述概述 ZigbeeZigbee是是IEEE 802.15.4IEEE 802.15.4协议的代名词，根据这个协议规定的技术是协议的代名词，根据这个协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。一种短距离、低功耗的无线通信技术。ZigBeeZigBee联盟是一个高速增长的非盈利业界组织联盟是一个高速增长的非盈利业界组织 ZigBeeZigBee联盟的主要目标是通过加入无线网络功能，为消费者提供更联盟的主要目标是通过加入无线网络功能，为消费者提供更富弹性、更易用的电子产品。富弹性、更易用的电子产品。二、二、ZigBeeZigBee无线数据传输网络描述无线数据传输网络描述 ZigBeeZigBee是一种高可靠的无线数据传输网络，类似于是一种高可靠的无线数据传输网络，类似于CDMACDMA和和GSMGSM网络。网络。ZigBeeZigBee数据传输模块类似于移动网络基站。通信距离从标准的数据传输模块类似于移动网络基站。通信距离从标准的75m75m到几到几百米、几千米，并且支持无限扩展。百米、几千米，并且支持无限扩展。包装结构比较简单，主要由同步序言、数据、循环冗余校验包装结构比较简单，主要由同步序言、数据、循环冗余校验（CRCCRC）等组成。）等组成。82021/2/22第二节第二节 ZigBeeZigBee技术技术ZigBeeZigBee定义了两种物理设备类型：定义了两种物理设备类型：全功能设备（全功能设备（FFDFFD）和和精简功能设备（精简功能设备（RFDRFD）。交换数据的网络中的设备类型：交换数据的网络中的设备类型：协调器、路由器协调器、路由器和和终端设备终端设备。与移动通信的与移动通信的CDMACDMA或或GSMGSM网网络不同的是，络不同的是，ZigBeeZigBee网络主网络主要是为工业现场自动化控制要是为工业现场自动化控制数据传输而建立的，因此它数据传输而建立的，因此它必须具有简单、使用方便、必须具有简单、使用方便、工作可靠、价格低的特点。工作可靠、价格低的特点。图图4-3 ZigBee4-3 ZigBee模块模块 92021/2/22第二节第二节 ZigBeeZigBee技术技术三、三、ZigBeeZigBee采用的自组织网通信方式采用的自组织网通信方式 举一个简单的举一个简单的例子例子就可以说明这个问题，当一队伞兵空降后，每人就可以说明这个问题，当一队伞兵空降后，每人持有一个持有一个ZigBeeZigBee网络模块终端，降落到地面后，只要他们彼此间在网网络模块终端，降落到地面后，只要他们彼此间在网络模块的通信范围内，通过彼此自动寻找，很快就可以形成一个互联络模块的通信范围内，通过彼此自动寻找，很快就可以形成一个互联互通的互通的ZigBeeZigBee网络。而且，由于人员的移动，彼此间的联络还会发生网络。而且，由于人员的移动，彼此间的联络还会发生变化。因而，模块还可以通过重新寻找通信对象，确定彼此间的联络，变化。因而，模块还可以通过重新寻找通信对象，确定彼此间的联络，对原有网络进行刷新。这就是自组织网。对原有网络进行刷新。这就是自组织网。所谓动态路由所谓动态路由是指网络中数据传输的路径并不是预先设定的，而是是指网络中数据传输的路径并不是预先设定的，而是传输数据前，通过对网络当时可利用的所有路径进行搜索，分析它们传输数据前，通过对网络当时可利用的所有路径进行搜索，分析它们的位置关系以及远近，然后选择其中的一条路径进行数据传输。的位置关系以及远近，然后选择其中的一条路径进行数据传输。ZigBeeZigBee网络层支持三种网络层支持三种网络拓扑结构网络拓扑结构：星状（：星状（starstar）结构、簇状）结构、簇状（cluster treecluster tree）结构和网状（）结构和网状（meshmesh）结构。）结构。102021/2/22第二节第二节 ZigBeeZigBee技术技术（a a）星状结构）星状结构 （b b）簇状结构）簇状结构 （c c）网状结构）网状结构 图图4-4 ZigBee4-4 ZigBee的组网拓扑结构的组网拓扑结构 四、四、ZigBeeZigBee的频带的频带 （1 1）868MHz868MHz，传输速率为，传输速率为20kbit/s20kbit/s，适用于欧洲。，适用于欧洲。（2 2）915MHz915MHz，传输速率为，传输速率为40kbit/s40kbit/s，适用于北美。，适用于北美。（3 3）2.4GHz2.4GHz，传输速率为，传输速率为250kbit/s250kbit/s，全球通用。，全球通用。112021/2/22第二节第二节 ZigBeeZigBee技术技术五、五、ZigBeeZigBee性能分析性能分析 1 1）数据传输速率）数据传输速率 ZigBeeZigBee数据传输率比较低数据传输率比较低 2 2）可靠性）可靠性ZigBeeZigBee有很多方面进行保证，物理层采用了扩频技术，能够在有很多方面进行保证，物理层采用了扩频技术，能够在一定程度上抵抗干扰；介质访问控制（一定程度上抵抗干扰；介质访问控制（MACMAC）层（）层（APSAPS部分）有应部分）有应答重传功能，答重传功能，MACMAC层的载波监听多路访问（层的载波监听多路访问（CSMACSMA）机制使节点发）机制使节点发送前先监听信道，可以起到避开干扰的作用。送前先监听信道，可以起到避开干扰的作用。3 3）时延）时延 由于由于ZigBeeZigBee采用随机接入采用随机接入MACMAC层，且不支持时分复用的信道接入层，且不支持时分复用的信道接入方式，因此不能很好地支持一些实时的业务。方式，因此不能很好地支持一些实时的业务。4 4）能耗特性（技术优势）能耗特性（技术优势 ）122021/2/22第二节第二节 ZigBeeZigBee技术技术5 5）组网和路由性（即网络层特性）组网和路由性（即网络层特性）ZigBeeZigBee具备大规模的组网能力，每个网络有具备大规模的组网能力，每个网络有60 00060 000个节点；而个节点；而蓝牙为每个网络蓝牙为每个网络8 8个节点。个节点。六、六、ZigBeeZigBee自身的技术优势自身的技术优势 1 1）低功耗）低功耗2 2）低成本）低成本3 3）低速率）低速率4 4）近距离）近距离5 5）短时延）短时延6 6）高容量）高容量7 7）高安全）高安全8 8）免执照频段）免执照频段七、七、ZigBeeZigBee应用领域应用领域 （1 1）监控照明、）监控照明、HVACHVAC和写字楼安全。和写字楼安全。（2 2）配合传感器和激励器对制造、过程控制、农田耕作、环境及其）配合传感器和激励器对制造、过程控制、农田耕作、环境及其他区域进行工业监控。他区域进行工业监控。132021/2/22第二节第二节 ZigBeeZigBee技术技术（3 3）带负载管理功能的自动抄表（）带负载管理功能的自动抄表（AMRAMR），这可使得地产管理公司削减），这可使得地产管理公司削减成本和节省电气能源。成本和节省电气能源。（4 4）对油气等生产、运输和勘测进行管理。）对油气等生产、运输和勘测进行管理。（5 5）家庭监控照明、安全和其他系统。）家庭监控照明、安全和其他系统。（6 6）对病患、设备及设施进行医疗和健康监控。）对病患、设备及设施进行医疗和健康监控。（7 7）军事应用，包括战场监视和军事机器人控制。）军事应用，包括战场监视和军事机器人控制。（8 8）汽车应用，即配合传感器网络报告汽车的所有的系统状态。）汽车应用，即配合传感器网络报告汽车的所有的系统状态。（9 9）消费电子应用，包括对玩具、游戏机、电视、立体音响、）消费电子应用，包括对玩具、游戏机、电视、立体音响、DVDDVD播放播放机和其他家电设备进行遥控。机和其他家电设备进行遥控。（1010）用于计算机外设，如键盘、鼠标、游戏控制器及打印机。）用于计算机外设，如键盘、鼠标、游戏控制器及打印机。（1111）有源）有源RFIDRFID应用，如电池供电标签，可用于产品运输、产品跟踪、应用，如电池供电标签，可用于产品运输、产品跟踪、存储较大物品和财务管理。存储较大物品和财务管理。（1212）基于互联网的设备之间的机器到机器（）基于互联网的设备之间的机器到机器（M2MM2M）的通信。）的通信。142021/2/22第二节第二节 ZigBeeZigBee技术技术八、八、ZigBee ZigBee 技术的趋势发展技术的趋势发展ZigBeeZigBee联盟将在未来的进一步改进中，注重下列关键问题：联盟将在未来的进一步改进中，注重下列关键问题：（1 1）自动频率适应，因为自动频率适应，因为2.4GHz2.4GHz的频段越来越拥挤，需要自动检测并的频段越来越拥挤，需要自动检测并在遇到相关频率干扰的情况下，自动进行通信频率偏移。在遇到相关频率干扰的情况下，自动进行通信频率偏移。（2 2）路由节点的低功耗（时间同步算法）。路由节点的低功耗（时间同步算法）。（3 3）将将900MHz900MHz频道通信速率由目前频道通信速率由目前40kbit/s40kbit/s提高到提高到250kbit/s250kbit/s，目前多，目前多家公司正在开发家公司正在开发900MHz ZigBee RF900MHz ZigBee RF系统级芯片（系统级芯片（SoCSoC）。）。（4 4）ZigBeeZigBee剖面已经有剖面已经有400400个剖面在开发，个剖面在开发，ZCPZCP全球认证也将陆续开展。全球认证也将陆续开展。（5 5）1616位或位或3232位高性能微控制器（位高性能微控制器（MCUMCU）有望成为）有望成为ZigBee SoCZigBee SoC的标准内的标准内核。核。整个短距离无线通信都在向高速率、低功耗、低价格、长距离发整个短距离无线通信都在向高速率、低功耗、低价格、长距离发展，展，ZigBeeZigBee只能在一个特定的技术领域有自己的位置，而绝不可能只能在一个特定的技术领域有自己的位置，而绝不可能会独霸天下。会独霸天下。152021/2/22第三节第三节 常见的组网技术常见的组网技术 一、现场总线技术一、现场总线技术 1 1现场总线技术概述现场总线技术概述 FCSFCS技术是技术是2020世纪世纪8080年代中期发展起来的一种崭新的工业控制技术。年代中期发展起来的一种崭新的工业控制技术。FCSFCS的出现引起了传统的可编程序控制器（的出现引起了传统的可编程序控制器（PLCPLC）和集散控制系统）和集散控制系统（DCSDCS）基本结构的革命性变化。）基本结构的革命性变化。现场总线是连接现场电器、现场仪表及现场设备与控制室主机系统现场总线是连接现场电器、现场仪表及现场设备与控制室主机系统之间的一种开放的、全数字化、双向、多站的通信系统。而现场总线之间的一种开放的、全数字化、双向、多站的通信系统。而现场总线标准规定某个控制系统中一定数量的现场设备之间如何交换数据。数标准规定某个控制系统中一定数量的现场设备之间如何交换数据。数据的传输介质可以是电线电缆、光缆、电话线、无线电波等。据的传输介质可以是电线电缆、光缆、电话线、无线电波等。2 2现场总线技术的特点现场总线技术的特点1 1）布线简单）布线简单2 2）开放性）开放性3 3）实时性）实时性4 4）可靠性）可靠性162021/2/22第三节第三节 常见的组网技术常见的组网技术3 3现场总线的应用领域现场总线的应用领域图图4-5 4-5 控制系统的金字塔结构控制系统的金字塔结构172021/2/22第三节第三节 常见的组网技术常见的组网技术图图4-6 4-6 现场总线的应用范围现场总线的应用范围 182021/2/22第三节第三节 常见的组网技术常见的组网技术目前现场总线技术的应用主要集中在冶金、电力、水处理、乳品目前现场总线技术的应用主要集中在冶金、电力、水处理、乳品饮料、烟草、水泥、石化、矿山以及原始设备制造商（饮料、烟草、水泥、石化、矿山以及原始设备制造商（OEMOEM）用户等）用户等各个行业，同时还有道路无人监控、楼宇自动化、智能家居等新技各个行业，同时还有道路无人监控、楼宇自动化、智能家居等新技术领域。术领域。二、二、WiFiWiFi技术技术 1 1WiFiWiFi概述概述 WiFiWiFi全称全称Wireless FidelityWireless Fidelity，又称，又称IEEE 802.11bIEEE 802.11b标准，它的最大标准，它的最大优点就是传输速率较高，最高带宽为优点就是传输速率较高，最高带宽为11Mbit/s11Mbit/s，带宽的自动调整有效，带宽的自动调整有效地保障了网络的稳定性和可靠性。地保障了网络的稳定性和可靠性。2 2WiFiWiFi无线网络结构无线网络结构 WiFiWiFi无线网络的拓扑结构主要有无线网络的拓扑结构主要有Ad-HocAd-Hoc和和InfrastructureInfrastructure两种。两种。192021/2/22第三节第三节 常见的组网技术常见的组网技术图图4-7 Ad-Hoc4-7 Ad-Hoc拓扑结构拓扑结构202021/2/22第三节第三节 常见的组网技术常见的组网技术图图4-8 Infrastructure拓扑结构拓扑结构 212021/2/22第三节第三节 常见的组网技术常见的组网技术3 3WiFiWiFi的优点的优点 （1 1）无线电波的覆盖范围广）无线电波的覆盖范围广 （2 2）传输速度非常快）传输速度非常快（3 3）成本低。）成本低。4 4WiFiWiFi的应用的应用 从覆盖区域来看，可重点应用于以下区域：从覆盖区域来看，可重点应用于以下区域：（1 1）有线资源成本太高或布线困难的区域。）有线资源成本太高或布线困难的区域。（2 2）酒店、机场、医院、茶楼等人员流动频繁的地方。）酒店、机场、医院、茶楼等人员流动频繁的地方。（3 3）校园、办公室、会议等人员聚集的地方。）校园、办公室、会议等人员聚集的地方。（4 4）展览馆、体育馆、新闻中心等信息需求量大的地方。）展览馆、体育馆、新闻中心等信息需求量大的地方。5 5WiFiWiFi的技术发展的技术发展 WiFiWiFi技术与技术与3G3G技术相结合将具有广阔的发展前景。技术相结合将具有广阔的发展前景。222021/2/22第三节第三节 常见的组网技术常见的组网技术三、蓝牙技术三、蓝牙技术 1 1蓝牙技术概述蓝牙技术概述 利用利用“蓝牙蓝牙”技术，能够有效地技术，能够有效地简化移动通信终端设备之间的通信，简化移动通信终端设备之间的通信，也能够成功地简化设备与也能够成功地简化设备与InternetInternet之间的通信，从而数据传输变得更之间的通信，从而数据传输变得更加迅速高效，为无线通信拓宽道路。加迅速高效，为无线通信拓宽道路。蓝牙采用分散式网络结构以及快跳蓝牙采用分散式网络结构以及快跳频和短包技术，支持点对点及点对频和短包技术，支持点对点及点对多点通信，工作在全球通用的多点通信，工作在全球通用的2.4GHz ISM2.4GHz ISM（即工业、科学、医学）（即工业、科学、医学）频段，数据传输速率为频段，数据传输速率为1Mbit/s1Mbit/s，采，采用时分双工传输方案实现全双工传用时分双工传输方案实现全双工传输。输。图图4-9 4-9 蓝牙标志蓝牙标志 232021/2/22第三节第三节 常见的组网技术常见的组网技术图图4-10 4-10 蓝牙耳机蓝牙耳机 242021/2/22第三节第三节 常见的组网技术常见的组网技术2 2蓝牙技术的系统参数和技术指标蓝牙技术的系统参数和技术指标 蓝牙技术的系统参数和技术指标见蓝牙技术的系统参数和技术指标见P87P87表表4-34-3。3 3蓝牙协议分析蓝牙协议分析蓝牙协议体系中的协议按特性兴趣小组的关注程度分为四层：核心蓝牙协议体系中的协议按特性兴趣小组的关注程度分为四层：核心协议，串口仿真协议协议，串口仿真协议 ，电话控制协议，电话控制协议 ，选用协议，选用协议 。除上述协议层外，规范还定义了主机控制接口。除上述协议层外，规范还定义了主机控制接口。4 4蓝牙技术的特点蓝牙技术的特点 （1 1）能传送语音和数据。）能传送语音和数据。（2 2）使用频段、连接性、抗干扰和稳定性。）使用频段、连接性、抗干扰和稳定性。（3 3）低成本、低功耗和低辐射。）低成本、低功耗和低辐射。（4 4）安全性。）安全性。（5 5）网络特性。）网络特性。252021/2/22第三节第三节 常见的组网技术常见的组网技术5 5蓝牙技术的应用蓝牙技术的应用 蓝牙蓝牙SIGSIG定义了几种基本的定义了几种基本的应用模型应用模型，主要包括文件传输、，主要包括文件传输、InternetInternet网桥、局域网接入、三合一电话（网桥、局域网接入、三合一电话（Three in One PhoneThree in One Phone）和）和终端耳机等。终端耳机等。应用：应用：手机、手机、PDAPDA、耳机、数字相机、数字摄像机、汽车套件等上。、耳机、数字相机、数字摄像机、汽车套件等上。另外，蓝牙系统还可以嵌入微波炉、洗衣机、电冰箱、空调机等传统另外，蓝牙系统还可以嵌入微波炉、洗衣机、电冰箱、空调机等传统家用电器。随着蓝牙技术的成熟，它也得到越来越广泛的应用。家用电器。随着蓝牙技术的成熟，它也得到越来越广泛的应用。四、四、GPSGPS技术技术 1 1GPSGPS概述概述 全球定位系统（全球定位系统（Global Positioning SystemGlobal Positioning System，GPSGPS），简称），简称“球球位系位系”。GPSGPS是是2020世纪世纪7070年代由美国陆、海、空三军联合研制的新一年代由美国陆、海、空三军联合研制的新一代空间卫星导航定位系统。代空间卫星导航定位系统。262021/2/22第三节第三节 常见的组网技术常见的组网技术2 2GPSGPS组成组成 图图4-11 4-11 全球定位系统示意图全球定位系统示意图 272021/2/22第三节第三节 常见的组网技术常见的组网技术3 3GPSGPS特点特点 高精度、全天候、高效率、多功能、操作简便、应用广泛等。高精度、全天候、高效率、多功能、操作简便、应用广泛等。4 4GPSGPS的应用的应用 GPSGPS应用范围广泛，在导航、跟踪、精确测量等方面都有很重要的应用范围广泛，在导航、跟踪、精确测量等方面都有很重要的应用。应用。5 5GPSGPS发展前景发展前景 由于具有全天候、高精度和自动测量的特点，由于具有全天候、高精度和自动测量的特点，GPSGPS技术作为先进的技术作为先进的测量手段和新的生产力，已经融入了国民经济建设、国防建设和社测量手段和新的生产力，已经融入了国民经济建设、国防建设和社会发展的各个应用领域。会发展的各个应用领域。五、五、PLCPLC技术技术 1 1PLCPLC概述概述 电力线通信（电力线通信（Power Line CommunicationPower Line Communication，PLCPLC）技术是指利用电力）技术是指利用电力线传输数据和语音信号的一种通信方式。线传输数据和语音信号的一种通信方式。282021/2/22第三节第三节 常见的组网技术常见的组网技术图图4-12 4-12 典型的典型的PLCPLC系统应用示意图系统应用示意图 292021/2/22第三节第三节 常见的组网技术常见的组网技术2 2PLCPLC的关键技术的关键技术 国际上高速国际上高速PLCPLC采用的调制技术主要有扩展频谱技术和正交频复用采用的调制技术主要有扩展频谱技术和正交频复用（Orthogonal Frequency Division MultiplexingOrthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDMOFDM）技术。）技术。3 3PLCPLC的特点的特点 1 1）高压载波路由合理，通道建设投资相对较低）高压载波路由合理，通道建设投资相对较低2 2）传输频带受限，传输容量相对较小）传输频带受限，传输容量相对较小3 3）可靠性要求高）可靠性要求高4 4）线路噪声大）线路噪声大5 5）对外界的干扰）对外界的干扰6 6）网络应用要求更高）网络应用要求更高302021/2/22第三节第三节 常见的组网技术常见的组网技术目前，目前，PLCPLC存在的问题存在的问题:1 1）硬件平台）硬件平台2 2）软件平台）软件平台3 3）网络管理问题（四网合一）网络管理问题（四网合一）4 4PLCPLC的发展展望的发展展望 目前目前PLCPLC正在向大容量、高速率方向发展，同时转向采用低压配正在向大容量、高速率方向发展，同时转向采用低压配电网进行载波通信，实现家庭用户利用电力线打电话、上网等多种电网进行载波通信，实现家庭用户利用电力线打电话、上网等多种业务。业务。312021/2/22第四节第四节 MEMSMEMS技术技术微机电系统（微机电系统（Micro-Electro-Mechanical SystemsMicro-Electro-Mechanical Systems，MEMSMEMS）是美国）是美国的叫法，在日本被称为微机械，在欧洲被为微系统。的叫法，在日本被称为微机械，在欧洲被为微系统。MEMSMEMS称为电子产品设计中的称为电子产品设计中的“明星明星”。MEMSMEMS包括微型机构、微传感器、微执行器和相应的处理电路等。包括微型机构、微传感器、微执行器和相应的处理电路等。一、一、MEMSMEMS技术简介技术简介 MEMSMEMS尺寸最大的不超过尺寸最大的不超过1cm1cm甚至仅仅为几个微米，采用以硅为主的甚至仅仅为几个微米，采用以硅为主的材料，电气性能优良。材料，电气性能优良。完整的完整的MEMSMEMS由微传感器、微执行器、信号处理和控制电路、通信接由微传感器、微执行器、信号处理和控制电路、通信接口和电源灯部件组成的一体化微型系统，其目标是把信息的获取、处口和电源灯部件组成的一体化微型系统，其目标是把信息的获取、处理和执行集成在一起，组成具有多功能的微型系统，集成于大尺寸系理和执行集成在一起，组成具有多功能的微型系统，集成于大尺寸系统中，从而大幅度地提高系统的自动化、智能化和可靠性水平。统中，从而大幅度地提高系统的自动化、智能化和可靠性水平。322021/2/22第四节第四节 MEMSMEMS技术技术二、二、MEMSMEMS技术发展历史技术发展历史 MEMS MEMS 第一轮商业化第一轮商业化2020世纪世纪7070年代末年代末8080年代初年代初,采用的是大型蚀刻硅采用的是大型蚀刻硅片结构和背蚀刻膜片传感器。片结构和背蚀刻膜片传感器。第二轮商业化出现在第二轮商业化出现在2020世纪世纪9090年代，主要围绕着年代，主要围绕着PCPC和信息技术的兴和信息技术的兴起。起。第三轮商业化可以说出现于世纪之交，微光学器件通过全光开关及第三轮商业化可以说出现于世纪之交，微光学器件通过全光开关及相关机器而成为光纤通信的补充。相关机器而成为光纤通信的补充。目前目前MEMSMEMS产业呈现的新趋势是产品应用的扩展，其开始向工业、医产业呈现的新趋势是产品应用的扩展，其开始向工业、医疗、测试仪器等新领域扩张。推动第四轮商业化的其他应用包括一些疗、测试仪器等新领域扩张。推动第四轮商业化的其他应用包括一些面向射频无源元件、在硅片上制作的音频、生物和神经元探针，以及面向射频无源元件、在硅片上制作的音频、生物和神经元探针，以及所谓的所谓的“片上实验室片上实验室”，生化药品开发系统和微型药品输送系统的静，生化药品开发系统和微型药品输送系统的静态和移动器件。态和移动器件。332021/2/22第四节第四节 MEMSMEMS技术技术三、三、MEMSMEMS微传感器的研究现状与发展方向微传感器的研究现状与发展方向 MEMSMEMS未来的发展趋势为微细化、集成化、多元化与产业化四方面。未来的发展趋势为微细化、集成化、多元化与产业化四方面。1 1微机械压力传感器微机械压力传感器 分类：分类：压阻式和电容式两类。压阻式和电容式两类。结构结构：圆形、方形、矩形、：圆形、方形、矩形、E E形等多种结构。形等多种结构。发展方向发展方向:1 1）智能化）智能化2 2）低量程）低量程3 3）拓宽温度范围）拓宽温度范围4 4）开发谐振式微机械压力传感器）开发谐振式微机械压力传感器 2 2微加速度传感器微加速度传感器 分类分类：压阻式、电容式、力平衡式和谐振式。：压阻式、电容式、力平衡式和谐振式。最具有吸引力的是最具有吸引力的是力平衡式微加速度传感器力平衡式微加速度传感器。342021/2/22第四节第四节 MEMSMEMS技术技术3 3微机械陀螺仪微机械陀螺仪 角速度一般是用陀螺仪来进行测量的。传统的陀螺仪是利用高速转角速度一般是用陀螺仪来进行测量的。传统的陀螺仪是利用高速转动的物体具有保持其角动量的特性来测量角速度的。动的物体具有保持其角动量的特性来测量角速度的。目前常见的微机械角速度传感器有双平衡环结构、悬臂梁结构、音目前常见的微机械角速度传感器有双平衡环结构、悬臂梁结构、音叉结构、振动环结构等。但是，目前实现的微机械陀螺仪的精度还不叉结构、振动环结构等。但是，目前实现的微机械陀螺仪的精度还不到到1010/h/h，离惯性导航系统所需的，离惯性导航系统所需的0.10.1/h/h相差尚远。相差尚远。4 4微流量传感器微流量传感器 目前国内外研究的微流量传感器根据工作原理可分为热式（包括热目前国内外研究的微流量传感器根据工作原理可分为热式（包括热传导式和热飞行时间式）、机械式和谐振式三种。传导式和热飞行时间式）、机械式和谐振式三种。荷兰荷兰TwenteTwente大学的大学的Pob.LegtenBergPob.LegtenBerg等人利用薄膜技术和微机械加工等人利用薄膜技术和微机械加工技术制作了一对具有相对技术制作了一对具有相对V V形槽的谐振器芯片和顶盖芯片，利用低温形槽的谐振器芯片和顶盖芯片，利用低温玻璃键合在一起，形成质量流量传感器（见玻璃键合在一起，形成质量流量传感器（见图图4-134-13），相对的），相对的V V形槽形槽形成流体通过流管。形成流体通过流管。352021/2/22第四节第四节 MEMSMEMS技术技术图图4-13 4-13 质量流量传感器质量流量传感器 362021/2/22第四节第四节 MEMSMEMS技术技术5 5微气敏传感器微气敏传感器 气敏传感器的工作原理气敏传感器的工作原理是声表面波器件的波速和频率会随外界是声表面波器件的波速和频率会随外界环境的变化而发生漂移。气敏传感器就是利用这种性能在压电晶体环境的变化而发生漂移。气敏传感器就是利用这种性能在压电晶体表面涂覆一层选择性吸附某气体的气敏薄膜，当该气敏薄膜与待测表面涂覆一层选择性吸附某气体的气敏薄膜，当该气敏薄膜与待测气体相互作用（化学作用、生物作用或物理吸附），使得气敏薄膜气体相互作用（化学作用、生物作用或物理吸附），使得气敏薄膜的膜层质量和导电率发生变化，引起的膜层质量和导电率发生变化，引起压电晶体的声表面波频发生压电晶体的声表面波频发生漂移；气体浓度不同，膜层漂移；气体浓度不同，膜层质量和导电率变化程度亦质量和导电率变化程度亦不同，即引起声表面不同，即引起声表面波频率的变化也不波频率的变化也不同。通过测量声表同。通过测量声表面波频率的变化就面波频率的变化就可以准确地反映气可以准确地反映气体浓度的变化。体浓度的变化。图图4-14 4-14 微气敏传感器微气敏传感器 372021/2/22第四节第四节 MEMSMEMS技术技术6 6微机械温度传感器微机械温度传感器 微机械传感器与传统的传感器相比，具有体积小、重量轻的特微机械传感器与传统的传感器相比，具有体积小、重量轻的特点，其固有热容量仅为点，其固有热容量仅为1010-8-81010-15-15J/KJ/K，使其在温度测量方面具有，使其在温度测量方面具有传统温度传感器不可比拟的优势。传统温度传感器不可比拟的优势。382021/2/22第五节第五节 智能技术智能技术 物联网工作的基本原理可以简单表述为：传感设备自动感应物品属物联网工作的基本原理可以简单表述为：传感设备自动感应物品属性信息，再通过无线数据通信网络采集到中央信息处理系统，实现对性信息，再通过无线数据通信网络采集到中央信息处理系统，实现对物品的物品的“透明透明”和和“智能智能”管理。管理。物联网中的智能总体上分为两个层次：物联网中的智能总体上分为两个层次：个体智能个体智能和和空间智能空间智能。一、嵌入式智能平台技术一、嵌入式智能平台技术 EIPEIP行业是二战后在全世界工业界流行开来的，当时是美国用于战行业是二战后在全世界工业界流行开来的，当时是美国用于战争中的军用技术，战后整个中心转到了工业，后来才推广到民用。争中的军用技术，战后整个中心转到了工业，后来才推广到民用。EIPEIP的出现是微处理器技术、超大规模集成电路（的出现是微处理器技术、超大规模集成电路（VLSIVLSI）技术、）技术、嵌入式软件技术相结合的结果。嵌入式软件技术相结合的结果。未来几年内，未来几年内，EIPEIP将信息化、智能化、网络化三者完美结合的特将信息化、智能化、网络化三者完美结合的特性优势必将更加明显，发展空间必将逐步拓宽，应用领域必将逐步性优势必将更加明显，发展空间必将逐步拓宽，应用领域必将逐步扩大。扩大。392021/2/22第五节第五节 智能技术智能技术二、智能空间技术二、智能空间技术 美国国家标准和技术学会（美国国家标准和技术学会（NISTNIST）给出的定义，智能空间是）给出的定义，智能空间是“一个一个嵌入了计算、信息设备和多模态的传感器的工作空间，其目的是使用嵌入了计算、信息设备和多模态的传感器的工作空间，其目的是使用户能非常方便地在其中访问信息和获得计算机的服务来高效地进行单户能非常方便地在其中访问信息和获得计算机的服务来高效地进行单独工作和与他人的协同工作独工作和与他人的协同工作”。智能空间可以看成是物流世界和信息。智能空间可以看成是物流世界和信息空间的融合，具备感知空间的融合，具备感知/观察、分析观察、分析/推理、决策推理、决策/执行三大基本功能。执行三大基本功能。这种融合表现为两个方面：这种融合表现为两个方面：（1 1）物理世界中的物体将与信息空间中的对象互相关联。）物理世界中的物体将与信息空间中的对象互相关联。（2 2）物理世界中物体状态的变化会引发信息空间中相关联的对象状）物理世界中物体状态的变化会引发信息空间中相关联的对象状态的改变，反之亦然。态的改变，反之亦然。智能空间应具备的基本要求智能空间应具备的基本要求:（1 1）用户及其携带的移动设备能方便地与智能空间进行交互，从而）用户及其携带的移动设备能方便地与智能空间进行交互，从而为用户的日常活动提供方便。为用户的日常活动提供方便。（2 2）能自动捕获和动态监测智能空间中发生的活动，提供信息显示）能自动捕获和动态监测智能空间中发生的活动，提供信息显示和活动记录。和活动记录。402021/2/22第五节第五节 智能技术智能技术（3 3）能对发生的特定事件做出合理反应并采取相应措施。）能对发生的特定事件做出合理反应并采取相应措施。（4 4）对空间中的各种动态变化具有鲁棒性和适应性。）对空间中的各种动态变化具有鲁棒性和适应性。智能空间包括如下特点：智能空间包括如下特点：（1 1）研究领域甚广，需要解决的问题繁多。）研究领域甚广，需要解决的问题繁多。（2 2）是一个嵌入性和移动性都很高的计算环境。）是一个嵌入性和移动性都很高的计算环境。（3 3）用普适网络联系物理世界，是物理世界和信息空间的融合。）用普适网络联系物理世界，是物理世界和信息空间的融合。（4 4）可做出实时的、上下文敏感的决策。）可做出实时的、上下文敏感的决策。（5 5）系统具有适应性，能提供便捷性的应用。）系统具有适应性，能提供便捷性的应用。（6 6）“广域智能空间广域智能空间”。智能空间中包含有大量作为智能空间中包含有大量作为“接口接口”的硬件设备，根据用途分为两的硬件设备，根据用途分为两大类：大类：（1 1）用来维持正常运行的系统设备。）用来维持正常运行的系统设备。（2 2）用来提供日常服务的用户设备。）用来提供日常服务的用户设备。412021/2/22第五节第五节 智能技术智能技术对硬件设备的更高要求：对硬件设备的更高要求：（1 1）具有更强的硬件通信、信息处理、存储能力。）具有更强的硬件通信、信息处理、存储能力。（2 2）要求设备尺寸多样化、重量轻型化、功耗微小化、成本廉价化。）要求设备尺寸多样化、重量轻型化、功耗微小化、成本廉价化。（3 3）为设备提供充足的能量，同样要求芯片节能。）为设备提供充足的能量，同样要求芯片节能。（4 4）要求用户界面富于表达情感、能与用户方便地交流。）要求用户界面富于表达情感、能与用户方便地交流。要在智能空间中构建一个安全、保密、可信任的普适网络，应具备如要在智能空间中构建一个安全、保密、可信任的普适网络，应具备如下要求：下要求：（1 1）能自动构建合作区域，产生可适应流动和变化的拓扑结构。）能自动构建合作区域，产生可适应流动和变化的拓扑结构。（2 2）在没有手动配置和管理的情况下，提供自动的资源和位置发现。）在没有手动配置和管理的情况下，提供自动的资源和位置发现。（3 3）为访问网络资源提供安全、专用、可鉴别的机制。）为访问网络资源提供安全、专用、可鉴别的机制。（4 4）对网络状况（如网络拥塞、无线传输误差等）和环境的动态变化）对网络状况（如网络拥塞、无线传输误差等）和环境的动态变化具有适应性。具有适应性。422021/2/22第五节第五节 智能技术智能技术智能空间中的系统软件主要有两个基本特点：物理集成（智能空间中的系统软件主要有两个基本特点：物理集成（Physical Integration）和自发互操作（）和自发互操作（Spontaneous Interoperation）。）。智能空间环境具有任务动态性、资源有限性、设备异质性等特点，从智能空间环境具有任务动态性、资源有限性、设备异质性等特点，从而要求系统软件具有很强的适应性和自适应性，这表现为：一方面，在而要求系统软件具有很强的适应性和自适应性，这表现为：一方面，在不中断服务和最小限度的人为干预情况下，要求系统软件具备可修改性，不中断服务和最小限度的人为干预情况下，要求系统软件具备可修改性，能被更新升级以满足用户需要；另一方面，系统软件还需要解决设备与能被更新升级以满足用户需要；另一方面，系统软件还需要解决设备与服务的要求、协助计算、有限资源下通信等问题，从而建立有效的模块服务的要求、协助计算、有限资源下通信等问题，从而建立有效的模块间协调机制（间协调机制（Inter-Module Coordi nation），实现对物理实体的管理，），实现对物理实体的管理，保证系统的鲁棒性和安全性。保证系统的鲁棒性和安全性。系统软件（系统软件（Software InfrastuctureSoftware Infrastucture）的作用是对智能空间中大量）的作用是对智能空间中大量的物体、信息设备、计算实体进行管理，为它们之间的数据交换、消息的物体、信息设备、计算实体进行管理，为它们之间的数据交换、消息交互、服务发现、任务协调、任务迁移等提供系统的支持。交互、服务发现、任务协调、任务迁移等提供系统的支持。432021/2/22谢谢观赏谢谢观赏谢谢观赏谢谢观赏44442021/2/22