整套教学课件《物联网技术》

,单击此处编辑母版标题样式,编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,绪论,1,物流及物联网的基本概念，包括物流概念的产生与发展、物流创造的价值、物流的七大功能以及我国物流业在发展过程中存在的问题等；物联网的概念及其发展历程、物联网的主要特点、发展趋势及前景，以及物联网涉及到的关键技术。,绪论,2,物联网（,The Internet of Things,，,IOT,）的定义有多种，普遍认可的一种是：通过射频识别技术、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按规定协议，将任何物品通过有线与无线方式与互联网连接，进行通信和信息交换，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。,绪论,3,对,“,The Internet of Things,”,可理解为,“,物物相连的互联网,”,，但互联网原义是指计算机网络，所以,“,物联网,”,有两层含义：第一，物联网的基础和支撑仍是功能强大的计算机系统，它是以计算机网络为核心进行延伸和扩展而成的网络；第二，其用户端已延伸和扩展到了众多物品与物品之间，进行数据交换和通信，以实现许多全新的系统功能。,绪论,4,物联网的特征,全面感知,互联互通,智能处理（自动控制）,1. 1,现代物流概述,5,现代物流,(Modern Logistics),是相对于传统物流而言的。它是在传统物流的基础上，引入高科技手段，即运用计算机进行信息联网，并对物流信息进行科学管理，从而使物流速度加快，准确率提高，减少库存、降低成本，以此延伸和放大传统物流的功能。,物流与储运的主要差别：,物流比储运所包含的内容更广泛，一般认为物流包括运输、保管、配送、包装、装卸、流通加工及相关信息处理活动；而储运仅指储存和运输两个环节，虽然其中也涉及包装、装卸、流通加工及信息处理活动，但这些活动并不包含在储运概念之中。,6,物流强调诸活动的系统化，从而达到整个物流活动的整体最优化，储运概念则不涉及存储与运输及其他活动整体的系统化和最优化问题。,物流是一个现代的概念，在二战后才在各国兴起；而在我国，储运是一个十分古老、传统的概念。,7,物流定义,8,美国物流管理协会（,2000,年,):,物流是供应链管理的一部分，它是为满足客户需要对商品、服务及相关信息在源头到消费点之间的高效（高效率、高效益）、正向及反向流动和存储进行计划计划、实施和控制的过程。,物流定义,9,国家标准,物流术语,（,2001,年,):,物品从供应地向接收地的实体流动过程。根据实际需要，将运输、储存、装卸、搬运、包装、流通加工、配送、信息处理等基本功能实施的有机结合。,物流价值,10,物流活动克服了供给方和需求方在时间维度和空间维度的距离，创造了时间价值和空间价值，由此在社会经济活动中起着不可或缺的作用，这也是物流活动的价值所在。同时，物流通过包装、流通加工等活动还创造了加工附加价值。,物流功能,11,（,1,）运输功能,（,2,）,仓储功能,（,3,）,装卸搬运功能,（,4,）,包装功能,（,5,）,物流加工功能,（,6,）,配送功能,（,7,）,物流信息服务功能,1.2,物联网技术的基本概念,12,物联网概念最早出现于比尔盖茨,1995,年,未来之路,一书，在,未来之路,中，比尔,盖茨提及物联网概念，只是当时受限于无线网络、计算机硬件及传感设备的发展，并未引起世人的重视。,物联网的起源及发展,13,2005,年,11,月，在突尼斯举行的信息社会世界峰会（,WSIS,）上，国际电信联盟（,ITU,）发布了,ITU,互联网报告,2005,：物联网，正式提出了“物联网”的概念。报告指出，无所不在的“物联网”通信时代即将来临，世界上所有的物体从轮胎到牙刷、从房屋到纸巾都可以通过因特网主动进行交换，,RFID,、传感器技术、纳米技术、智能嵌入技术将到更加广泛的应用。,物联网的起源及发展,14,根据,ITU,的描述，在物联网时代，通过在各种各样的日常用品上嵌入一种短距离的移动收发器，人类在信息与通信世界里将获得一个新的沟通维度，从任何时间任何地点的人与人之间的沟通连接扩展到“人与物”和“物与物”之间的沟通连接。,物联网的起源及发展,15,我国中科院早在,1999,年就启动了传感网的研究，建立了一些适用的传感网。随后，我国高校和政府加大了物联网技术研究的投入，并取得丰硕的科研成果。,2009,年,8,月,7,日温家宝总理到无锡微纳传感网工程技术研发中心视察，提出“感知中国”的战略构想。,物联网的主要特点,16,全面感知、可靠传输、智能处理与自动控制是物联网的四个显著特点。物联网与互联网、通信网相比有所不同，虽然都是能够按照特定的协议建立连接的应用网络，但物联网的应用范围、网络传输以及实现功能方面都要比现有的网络要明显增强，其中最显著的特点是感知范围扩大以及应用的智能化。,物联网的发展趋势及前景,17,信息技术从起源开始，经历了从烽火台到电报电话，再到计算机互联网的发展阶段。每一次技术进步，都是一次信息技术的飞跃发展，而每一次信息技术的飞跃发展又都将给人类社会带来新的信息革命，物联网技术也不例外。,物联网被称为是下一个万亿级的信息产业。,物联网体系结构,18,从系统角度看，物联网可划分为一个由感知互动层、网络传输层和应用服务层组成的三层体系。,感知互动层（感知层）由大量具有感知和识别功能的设备组成，可以部署于世界上任何位置、任何环境之中，被感知和识别的对象也不受限制，感知互动层的主要作用是感知和识别物体，采集并捕获信息。,物联网体系结构,19,网络传输层（网络层）包括各种通信网络与互联网形成的融合网络，既可以依托公众电信网和互联网，也可以依托行业专业通信网络，网络层是物联网成为普遍服务的基础设施。,应用服务层（应用层）是指将物联网技术与行业专业技术相结合，实现广泛智能化应用的解决方案集。,感知技术,20,感知技术是实现物联网的基础，它包括用于感知识别的射频识别技术（,RFID,）、传感器技术、智能化传感网节点技术等。,RFID,21,RFID,（,Radio Frequency Identification,，射频识别）射频识别是一种非接触式的自动识别技术。,是代替条形码走进“物联网”时代的关键技术之一。,RFID,是一种把天线和,IC,封装到塑料基片上的新型无源电子卡片，阅读器和电子标签之间通过电磁场感应进行能量、时序和数据的无线传输。,RFID,22,RFID,基本上是由三部分组成：标签,(Tag),：由耦合元件及芯片组成，每个标签具有唯一的电子编码，附着在物体上标识目标对象；阅读器,(Reader),：读取（有时还可以写入）标签信息的设备，可设计为手持式或固定式；天线,(Antenna),：在标签和读取器间传递射频信号。,RFID,应用,23,传感器技术,24,传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测和感受到的信息按照一定的规律变换为所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储等控制要求。,传感器网络,25,传感器网络是由一组传感器按照一定方式构成的有线或无线网络，目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖地理区域中感知对象的信息，对其进行处理并传输给观察者。它综合了传感技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和通信,(,有线,/,无线,),技术。,网络通信技术,26,有多种通信技术可供物联网作为核心承载网络选择使用，可以是公共通信网，如,2G,、,3G,4G,移动通信网，互联网,(Internet),，无线局域网,(Wireless Local Area Network,，,WLAN),，无线高保真,(Wireless Fidelity,，,WiFi),、移动宽带无线接人,(Mobile Broadband Wireless Access,，,MBWA),通信技术,，等。,云计算,27,云计算是通过网络将庞大的计算处理程序自动分拆成无数个较小的子程序，再交由多个服务器所组成的庞大系统，经搜寻、计算分析之后将处理结果回传给用户。通过云计算技术，网络服务提供者可以在数秒之内处理数以千万计甚至数以亿计的数据，达到与超级计算机具有同样强大效能的网络服务。,1.3,现代物流与物联网的关系,28,物联网是现代物流的神经系统，是现代物流的智慧大脑。现代物流是物联网，尤其是,RFID,技术的典型和主要应用领域，物联网对物流信息化有着深刻、广泛的影响，是物流信息化的发展方向。,物流与物联网,29,1,、物流业支持物联网的运作,2,、,物联网产业扩大物流的服务市场,（,1,）物联网产业本身的发展需要物流服务,（,2,）,物联网应用带来的物流服务需求,（,3,）,基于物联网应用带来的新的物流服务需求,3,、,物联网与物流网络结合，实现物的智能化管理,2.1 EPC,概述,30,EPC,（,Electronic Product Code,，电子产品代码）的核心思想是为每一个产品提供唯一的电子标识符,EPC,；通过射频识别技术完成数据的自动采集；电子标签上只存储,EPC,码，而对应于,EPC,码的解析通过与互联网相连的服务器来完成。,EPC,系统,31,EPC,系统,的,目标是为每一个产品建立全球的、开放的标识标准,，它,由全球产品电子代码（,EPC,）体系、射频识别系统及信息网络系统三部分组成，主要包括六个方面，即：,EPC,编码标准；,EPC,标签；识读器；神经网络软件系统（,Savant,）；对象名解析服务（,ONS,）；实体标记语言（,PML,）,。,EPC,系统的构成,32,系统构成,名称,注释,全球产品电子代码的编码体系,EPC,编码标准,识别目标的特定代码,射频识别系统,EPC,标签,贴在物品之上或者内嵌在物品之中,识读器,识读,EPC,标签,信息网络系统,Savant,（神经网络软件）,EPC,系统的软件支持系统,对象名解析服务（,Object Naming Service,：,ONS,）,类似于,DNS,的网络服务系统,物理标记语言（,Physical Markup Language,：,PML,）,用于书写产品信息的一种新的标准计算机语言,EPC,编码标准,33,EPC,编码，是新一代的与,EANUCC,码,（,European Article Numbering,，欧洲商品编码；,UCC,，美国统一代码委员会）,兼容的新的编码标准，是,EPC,系统的重要组成部分，它是对实体及实体的相关信息进行代码化，通过统一并规范化的编码建立全球通用的信息交换语言。,EPC,编码组成,34,EPC,码是由一个版本号加上另外三段数据（依次为域名管理者、对象分类、序列号）组成的一组数字。其中版本号标识,EPC,的版本号，它使得,EPC,随后的码段可以有不同的长度；域名管理是描述与此,EPC,相关的生产厂商的信息；对象分类记录产品精确类型的信息；序列号则唯一标识货品。,EPC,编码类型,35,EPC,编码有,3,类,7,种类型，分别为,EPC-64-I,、,EPC-64-II,、,EPC-64-III,，,EPC- 96-I,，,EPC-256-I,、,EPC-256-II,、,EPC-256-III,。,EPC-64,编码格式：,EPC,系统特点,36,（,1,）开放的结构体系,（,2,）独立的平台与高度的互动性,（,3,）更大的信息量,（,4,）较强的识读能力,（,5,）实用的标准纳入,(6 ),灵活的可持续发展的体系,EPC,技术,37,EPC,技术由,EPC,编码体系、,RFID,空中接口协议、网络传递编码及存储和检索技术等现代信息技术组成，其中,EPC,编码体系是新一代的编码标准，它是全球统一标识系统的延伸和拓展，是全球统一标识系统的重要组成部分，也是,EPC,系统的核心与关键，旨在通过互联网平台，利用射频识别（,RFID,）、无线数据通信等技术，构造一个实现全球物品信息实时共享的网络平台。,EPC,技术应用,38, 生产领域, 运输与物流跟踪领域,仓储库存管理领域,商品零售领域,配送与分销领域,商品防伪领域,全球统一标识系统,39,“全球统一标识系统”，即,GS1,（,Globe standard 1,）系统，是一种开放的、多环节、多领域应用的全球统一商务语言，是以对贸易项目、物流单元、位置、资产、服务关系等进行编码为核心的集条码、射频等自动数据采集、电子数据交换、全球产品分类、全球数据同步、产品电子代码（,EPC,）等系统为一体的，服务于全球物流供应链的开放的标准体系。,全球统一标识系统,40,GS1,系统以商品条码系统为核心，包含编码体系、数据载体、电子数据交换和解决方案等内容。该系统为贸易项目、物流单元、资产、位置和服务提供全球唯一的标识，不仅克服了企业内部编码系统的闭环性特点，而且提高了全球贸易、供应链管理效率和透明度，提高对客户的反应能力，降低管理成本。,GS1,系统特点,41, 科学性,全球统一性,编码唯一性,信息共享性,可自动识别,系统性,编码体系结构,42,全球贸易项目代码（,GTIN,）,43,全球贸易项目代码（,GTIN,）是为全球贸易项目提供唯一标识的一种代码（或称编码结构），在编码系统中应用最为广泛。,GTIN,有四种不同的编码结构：,EAN/UCC-13,、,EAN/UCC-14,、,EAN/UCC-8,和,UCC-12,。,2.2 EPC,编码,44,条码已经成为识别产品的主要手段。缺点：,它们是可视传播技术。,如果印有条码的横条被撕裂、污损或脱落，就无法扫描这些商品。,条码只能识别制造商和产品名称，而不是唯一的商品。,e.g.,牛奶纸盒上的条码到处都一样，辨别哪盒牛奶先超过有效期将是不可能的。,EPC,编码,45,全球电子产品编码（,EPC,）体系是新一代的与,EANUCC,（,European Article Numbering,，欧洲商品编码；,UCC,，美国统一代码委员会）编码兼容的新编码标准，是全球统一标识系统的延伸和拓展，是全球统一标识系统的重要组成部分，也是物联网的核心与关键。,EPC,编码,46,EPC,编码是全球统一标识系统的拓展和延伸，是全球统一标识系统的重要组成部分，是,EPC,系统的核心与关键。它由分别代表版本号、域名管理者（通常为制造商）、物品种类以及序列号的编码组成。编码长度目前有,64,位，,96,位和,256,位三种。可以为物理世界的每个对象提供唯一标识。,EPC,编码,47,P38,EPC,编码,48,96,位,EPC,：,可以为,2.68,亿个公司提供唯一标识，每个生产厂商可以有,1600,万个对象分类并且每个对象分类可有,680,亿个序列号，这对未来世界所有产品已经十二分的够用了,。,EPC,编码结构,49,EPC,编码特点,50, 科学性：结构明确，易于使用、维护；, 兼容性：,EPC,编码标准与目前广泛应用的,EANUCC,编码标准是兼容的；, 全面性：可在供应链的各环节全面应用；, 合理性：由各国,EPC,管理机构分段管理、共同维护；, 国际性：不以具体国家、企业为核心，编码标准全球协商一致，具有国际性；, 无歧视性：全数字形式，是无歧视性的编码。,EPC,编码策略,51,生产商及其产品（,Manufactures and Product,）,集装箱（,Containers,）,组合装置（,Assemblies,，,Aggregates and Collections,）, 嵌入信息（,Embedded Information,）,分类（,Categorization,）, 参考信息（,Information Reference,）, 头字段（,HEADER,）,简单性（,Simplicity,）, 人机交互（,Human Interaction,）, 可扩展性（,Extensibility,）,EPC,编码与,GTIN,的整合分析,52,现行的,GTIN,编码体系在世界各国已经普遍应用，而且在产品识别与物流领域起到了重要作用，有鉴于此，新一代的,EPC,编码体系将在技术突破与结构创新的同时，将,GTIN,的编码结构有选择性的整合进来，使对,GTIN,编码的应用逐渐过渡到对,EPC,编码的应用，而不是将,EPC,编码立即完全取代,GTIN,编码，以实现技术上的兼容性与使用上的连续性。,EPC,编码与,GTIN,的整合分析,53,通用,UPC,编码向,EPC,编码的转换,EPC,编码与,GTIN,的整合分析,54,EAN-13,编码向,EPC,编码的转换,EPC,编码与,GTIN,的整合分析,55,EAN/UCC-14,向,EPC,编码的转换,2.3,物理标记语言（,PML,）,56,1998,年,2,月，万维网联盟（,World Wide Web Consortium,，,W3C,）推出了,XML,（,Extensible Markup Language,，可扩展标记语言），将其作为一种互联网进行数据表示和交换的标准。,XML,是一种简单的数据存储语言，它仅针对数据且极其简单，任何应用程序都可对其进行读写，这使得它成为计算机网络中数据交换的唯一公共语言。,物理标记语言（,PML,）,57,EPC,码识别单品，但是所有关于产品有用的信息都用一种新型的标准的计算机语言,物理标记语言（,PML,）所书写，,PML,是基于为人们广为接受的可扩展标识语言（,XML,）发展而来的，它是一种新型的标准的计算机语言，用于描述所有关于产品的有用信息，例如材料、分类、保存温度、生产日期等。,物理标记语言（,PML,）,58,PML,是一种用于描述物理对象、过程和环境的通用语言，提供了一个描述自然物体，过程和环境的标准，它将是一个广泛的层次结构，并可供工业和商业中的软件开发、数据存储和分析工具之用。,物理标记语言（,PML,）,59,PML,语言采用的方法是首先使用现有标准来规范语法和数据传输，比如可扩展标识语言（,XML,），超文本传输协议（,HTTP,） 以及传输控制协议和因特网协议（,TCP/IP,）。这就提供了一个功能集，并且可利用现有工具来设计和编制,PML,应用程序。,PML,设计方法与策略,60,（,1,）语法,PML,语言采用的方法是首先使用现有标准来规范语法和数据传输，比如可扩展标识语言（,XML,），超文本传输协议（,HTTP,）以及传输控制协议和因特网协议（,TCP/IP,）。这就提供了一个功能集并且可利用现有工具来设计和编制,PML,应用程序。,（,2,）语义,（,3,）数据存储和管理,（,4,）设计策略,(5) PML Server,（服务器）,PML,服务器设计与实现,61,为了降低电子标签的成本，促进物联网的发展，这就要求尽量减少电子标签的内存容量，,PML,服务器的设计为其提供了一个有效的解决方案：在电子标签内只存储电子产品码，余下的产品数据存贮在,PML,服务器并可以通过某个产品的电子产品码来访问其对应的,PML,服务器中。,PML,服务器工作原理,62,P58,EPC,物联网,63,（,1,）,EPC,物联网的延伸,（,2,）,EPC,超越商品条码,（,3,）,EPC,物联网离我们不远,导读,64,本章主要介绍在物联网中各种传感器的应用，首先是对物联网中传感器所引起的作用及智能传感器进行简单介绍；其次是介绍传感器技术，包括传感器的数学模型及数学特性；再介绍多种传感器，包括超声传感器、激光传感器、温度传感器、压力传感器、智能尘埃等。,通过根本章对传感器的介绍，能对传感器在物联网中的作用有所了解。,传感器,工业应用,在线检测：零件尺寸、产品缺陷、装配定位,.,现代工程装备中，检测环节的成本约占,5070%,日常应用,家用电器：,数码相机、数码摄像机：自动对焦,-,红外测距传感器,数字体温计：接触式,-,热敏电阻，非接触式,-,红外传感器,自动感应灯：亮度检测,-,光敏电阻,空调、冰箱、电饭煲：温度检测,-,热敏电阻、热电偶,电话、麦克风：话音转换,-,驻极电容传感器,遥控接收：红外检测,-,光敏二极管、光敏三极管,办公商务：,可视对讲、可视电话：图像获取,-,面阵,CCD,扫描仪：文档扫描,-,线阵,CCD,红外传输数据：红外检测,-,光敏二极管、光敏三极管,医疗卫生：,电子血压计：血压检测,-,压力传感器,血糖测试仪、胆固醇检测仪,-,离子传感器,3.1,物联网与传感技术,68,传感器是人类五官的延长，又称之物联网的“电五官”。,在物联网科研究中，传感器具有突出的地位。,要获取大量人类感官无法直接获取的信息，没有相适应的传感器是不可能的。,概述,69,传感器属于物联网的神经末梢，成为人类全面感知自然的最核心元件，各类传感器的大规模部署和应用是构成物联网不可或缺的基本条件。,对应不同的应用有着不同的传感器，覆盖范围包括智能工业、智能安保、智能家居、智能运输、智能医疗等。,传感器的特性,70,传感器技术包括传感器的研究、设计、试制、生产、检测与应用,，,已逐渐形成了一门相对独立的专门学科。,内容范围广且离散,知识密集程度甚高、边缘学科色彩极浓,技术复杂、工艺要求高,功能优、性能好,品种繁多、应用广泛,传感器在物联网中的应用,71,在物联网系统中，对各种参数进行信息采集和简单加工处理的设备，被称为物联网传感器，并通过固有协议，将数据信息传给物联网终端进行处理。,传感器属于物联网中的传感网络层，它作为物联网的最基本一层，具有十分重要的作用。,传感器可以独立存在，也可以与其他设备以一体化的方式呈现，都是物联网中的感知和输入部分。,传感器在物联网中的应用,72,军事应用,物流及安保领域,环境参数检测领域,设备状态检测领域,物流参量检测领域,智能家居,医疗健康,空间探索,其他商业应用,3.2,传感器技术,73,传感器技术是实现测试与自动控制的重要环节。,在测试系统中，被作为一次仪表定位，其主要特征是能准确传递和检测出某一形态的信息，并将其转换成另一形态的信息。,传感技术主要的主要功能实现都靠传感器。,传感器及其分类,74,传感器可以被称为换能器、变换器、变送器或探测器。其主要特征是能感知和检测某一形态的信息，并将其转换成另一形态的信息。具体地说传感器是指那些对被测对象的某一确定的信息具有感受（或响应）与检出功能，并使之按照一定规律转换成与之对应的可输出信号的元器件或装置。,传感器,75,传感器可以被称为换能器、变换器、变送器或探测器。其主要特征是能感知和检测某一形态的信息，并将其转换成另一形态的信息。具体地说传感器是指那些对被测对象的某一确定的信息具有感受（或响应）与检出功能，并使之按照一定规律转换成与之对应的可输出信号的元器件或装置。,传感器,76,传感器的组成的细节有较大差异，但是，总的来说，传感器应由敏感元件、转换元件和其他辅助部件组成，如图,3-1,所示。,传感器组成,77,敏感元件是指传感器中能直接感受,(,或响应,),与检出被测对象的待测信息,(,非电量,),的部分。,转换元件是指传感器中能将敏感元件所感受,(,或响应,),出的信息直接转换成电信号的部分。,信号调节电路是能把转换元件输出的电信号转换为便于显示、记录、处理和控制的有用电信号的电路。,辅助电路通常包括电源，即交、直流供电系统。,传感器组成,78,并不是所有的传感器都必须包括敏感元件和转换元件。如果敏感元件直接输出的是电量，它就同时兼为转换元件，因此，敏感元件和转换元件两者合一的传感器很多的。例如，压电晶体、热电偶、热敏电阻、光电器件等都是这种形式的传感器。,传感器分类,79,（,1,）按工作机理分类,按传感器的工作机理的不同，可以分为结构型、物性型和复合型三大类。,（,2,）按被测量对象分类,按被测量对象的不同，可以分为物理量传感器、化学量传感器和生物量传感器三大类。各类传感器又分为若干族，每一族又可分为若干组。而物理量传感器又可向下分为机械量传感器、热学量传感器、光学量传感器等。,传感器分类,80,（,3,）按敏感材料分类,按制造传感器的材料分类，如：如半导体传感器、陶瓷传感器、光导纤维传感器、高分子材料传感器、金属传感器。,（,4,）按能量的关系分类,根据能量关系分类，可分为有源传感器和无源传感器两大类。有源传感器一般是将非电能量转换为电能量，无源传感器,不是一个换能装置，被测非电量仅对传感器中的能量起控制或调节作用。,传感器分类,81,（,5,）按用途划分,按用途分为压力敏传感器、位置传感器、能耗传感器、速度传感器、热敏传感器、震动传感器、气敏传感器和视频传感器等。,（,6,）按输出信号划分,按输出信号可分为模拟量传感器和数字传感器。,传感器的数学模型及数学特性,82,（,1,）传感器静态数学模型,静态模型是指在静态信号,(,输入信号不随时间变化的量,),情况下，描述传感器输出与输入量间的一种函数关系。如果不考虑蠕动效应和迟滞特性，传感器的静态模型一般可用多项式来表示：,P74,传感器的数学模型,83,（,2,）传感器动态数学模型,动态模型是指传感器在准动态信号或动态信号,(,输入信号随时间而变化的量,),作用下，描述其输出和输入信号的一种数学关系。动态模型通常采用微分方程和传递函数等来描述。, 微分方程, 传递函数,P75,传感器的数学特性,84,（,1,）传感器的静态特性,传感器所测量的非电量一般有两种形式：一种是稳定的，即不随时间变化或变化极其缓慢，称为静态信号；另一种是随时间变化而变化，称为动态信号。,由于输入量的状态不同，传感器所呈现出来的输入,-,输出特性也不同，因此存在所谓的静态特性和动态特性。,传感器的数学特性,85, 线性度,所谓传感器的线性度就是其输出量与输入量之间的实际关系曲线偏离直线的程度，又称为非线性误差。,可用下式表示：,P76,传感器的数学特性,86,传感器的非线性度表示,（,a,）,(b) (c) (d),传感器的数学特性,87, 灵敏度,传感器的灵敏度是其在稳态下输出增量,y,与输入增量,x,的比值，常用,Sn,来表示。即,传感器的数学特性,88,对于线性传感器，其灵敏度就是它的静态特性的斜率。即,传感器的数学特性,89, 重复性,重复性表示传感器在输入量按同一方向作全量程多次测试时，所得其输出特性曲线不一致性的程度。,P77,传感器的数学特性,90, 迟滞,(,回差滞环,),现象,迟滞特性能表明传感器在正向,(,输入量增大,),行程和反向,(,输入量减小,),行程期间，输出,-,输入特性曲线不重合的程度。,P78,传感器的数学特性,91, 分辨率, 稳定性, 漂移,传感器的数学特性,92,（,2,）传感器的动态特性,传感器的动态特性是传感器对输入激励的输出响应特性。一个动态特性好的传感器，随时间变化的输出曲线能同时再现输入随时间变化的曲线，即输出,-,输入具有相同类型的时间函数。,传感器的数学特性,93,传感器的动态误差,在动态的输入信号情况下，输出信号一般来说不会与输入信号具有完全相同的时间函数，这种输出与输入间的差异就是所谓的动态误差。,有良好的静态特性的传感器，未必有良好的动态特性。,传感器的数学特性,94,阶跃响应,特性,当给静止的传感器输入一个单位阶跃函数信号,时：,P79,传感器的数学特性,95,频率响应特性,P81,3.3,几种典型的传感器,96,视频传感器,视频传感器是整个机器视频系统信息的直接来源，主要由一个或者两个图形传感器组成，有时还要配以光投射器及其他辅助设备。,视频传感器的主要功能是获取足够的机器视频系统要处理的最原始图像。图像传感器可以使用激光扫描器、线阵和面阵,CCD,摄像机或者,TV,摄像机，也可以是最新出现的数字摄像机等。,视频传感器的的基本原理：视频传感器具有从一整幅图像捕获光线的数以千计的像素。图像的清晰和细腻程度通常用分辨率来衡量，以像素数量表示，目前，有的视觉传感器能够捕获数千万像素。,在捕获图像之后，视频传感器将其与内存中存储的基准图像进行比较，以做出分析。,97,音频传感器,音频技术主要包括：音频的采集、音频处理和音频的传输等方面的技术。,在模拟音频技术中，通常以磁介质来记录声音。,数字音频是通过声波波形转换成一个串连续的二进制数据，通过它来保存声音的。数字音频主要依靠,A/D,转换器，在每一个时间间隔，不间断地在模拟音频的波形上采取一个幅度值，将这种过程称为采样。,98,将时间和幅度都连续的模拟声音信号变为数字信号，就要对其进行离散化处理。采样就是实现模拟信号在时间上的离散化过程，即完成抽取离散时间点上的信号值（常称为样值）的任务。,音频传感器是一种将声音转换成电信号的换能器件。,传感器的主要技术指标有灵敏度、频率特性、输出阻抗和方向性几个方面。,99,（,1,）灵敏度,灵敏度是指传声器在一定强度的声音作用下输出电信号的大小。灵敏度高，表示传声器的声,-,电转换效率高，对微弱的声音信号反应灵敏，习惯上也常用分贝表示传声器的灵敏度。,100,（,2,）频率特性,传声器在不同频率的声波作用下，其灵敏度是不同的。一般在中音频（,1Hz,）时灵敏度最高，而在低音频（几十赫兹）或者高音频（十几千赫兹）灵敏度最低。理想的传声器频率特性应为,20Hz20kHz,。,（,3,）方向性,方向性表示传声器的灵敏度随声波入射方向而变化的特性,.,101,3.,环境监测传感器,（,1,）超声波传感器,超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。超声波是指频率高于,20kHz,的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。,超声波传感器由发送传感器（又称波发送器）、接收传感器（又称波接收器）、控制部分与电源部分组成。,102,（,2,）激光传感器,激光传感器是利用激光技术进行测量的传感器。它由激光器、激光检测器和测量电路组成。激光传感器是能实现无接触远距离测量，速度快，精度高，量程大，抗光、电干扰能力强等。,激光传感器工作时，先由激光发射二极管对准目标发射激光脉冲。经目标反射后激光向各方向散射。部分散射光返回到传感器接收器，被光学系统接收。,103,（,3,）温度传感器,包括半导体热电偶传感器、,PN,结温度传感器和集成温度传感器声学温度传感器、红外传感器和微波传感器。,原理：两种不同材质的导体，如在某点互相连接在一起，对这个连接点加热，在它们不加热的部位就会出现电位差。精确测量这个电位差，再测出不加热部位的环境温度，就可以准确知道加热点的温度。,104,（,4,）压力传感器,一般普通压力传感器的输出为模拟信号，模拟信号是指信息参数在给定范围内表现为连续的信号，或在一段连续的时间间隔内，其代表信息的特征量可以在任意瞬间呈现为任意数值的信号。通常使用的压力传感器主要是利用压电效应制造而成的，这样的传感器也称为压电传感器。,105,4.,智能尘埃,（又名智能微尘（,Smart Dust,），是一个具有电脑功能的超微型传感器，它由微处理器、双向无线电接收装置和使它们能够组成一个无线网络的软件共同组成。将一些微尘散放在一个场地中，它们就能够相互定位，收集数据并向基站传递信息。如果一个微尘功能失常，其他微尘会对其进行修复。,106,平面结构的传感器网络图,传感器系统就自动组成了一个网络，每个传感器系统统称为一个节点（,node,），这些节点之间能够互相通讯，同时也能够与基站（,Base Station,）进行通讯。,107,导读,108,理解自动识别的概念，了解条码识别技术、生物特征识别技术、语音识别技术、图像识别技术和光字符识别技术的发展现状和趋势；掌握自动识别技术在物联网中的应用；掌握条码的编码规则和种类；掌握一维条码的优缺点；掌握二维条码的优点；了解条码自动识别技术的应用；掌握几个常见的生物特征识别技术，图像识别技术的原理和应用，光字符识别技术的过程和应用，介绍自动识别技术与物联网的关系。,4.1,自动识别技术概述,109,自动识别技术是对信息数据进行自动采取和传输的重要方法和手段，它是以计算机和通信技术为基础的综合性科学技术。,自动识别技术的发展和完善，为物联网技术的发展和应用提供了重要的技术支撑。,自动识别技术的产生,110,自动识别是将信息编码进行定义、代码化，并装载于相关的载体中，借助特殊的设备，实现定义信息的自动识别、采集，并输入信息处理系统的识别。,随着计算机、信息及通信技术的发展，信息的处理能力、存储能力和传输通信能力日益强大，全面、有效的信息采集和输入几乎成为所有信息系统的关键。,自动识别技术在经济发展中的作用,111,自动识别技术是国民经济信息化的重要基础和技术支撑,自动识别技术已成为我国信息产业的有机组成部分,自动识别技术可提升企业供应链的整体效率,自动识别技术的发展趋势,112,多种识别技术的集成化应用,与无线通信相结合是未来自动识别产业发展的重要趋势,自动识别技术将越来越多地应用于控制，智能化水平提高,自动识别技术的应用领域将继续拓宽，并向纵深发展,新的自动识别技术标准不断涌现，标准体系日趋完善,4.2,几种典型的自动识别技术,113,自动识别技术的任务和目的是提供关于个人、动物、货物的信息。通常，自动识别技术主要包括条码自动识别技术、生物特征识别技术、语音识别技术、图像识别技术、光字符识别技术和射频识别技术等，其分类如图,4-2,所示。,自动识别技术分类,114,条码自动识别技术,115,条码（也称条形码）识别技术主要研究如何将信息用条码表示，以及如何将条码所表示的数据转换为计算机可识别的数据。,条码（,Bar Code,）是由一组规则排列的条、空以及对应的字符组成的标记，“条”指对光线反射率较低的部分，“空”指对光线反射率较高的部分，这些条和空组成的数据表达一定的信息。,条码自动识别技术,116,条码（也称条形码）识别技术主要研究如何将信息用条码表示，以及如何将条码所表示的数据转换为计算机可识别的数据。,条码（,Bar Code,）是由一组规则排列的条、空以及对应的字符组成的标记，“条”指对光线反射率较低的部分，“空”指对光线反射率较高的部分，这些条和空组成的数据表达一定的信息。,条码的编码规则,117,唯一性,永久性,无含义,条码的种类,118,条码按照不同的分类方法、不同的编码规则可以分成许多种，现在已知的世界上正在使用的条码就有大概,250,多种。,条码可分为一维条码和二维条码。,一维条码按照应用可分为商品条码和物流条码。,二维条码可分为线性堆叠式二维条码和矩阵式二维条码。,一维条码,119,A. EAN,条码,EAN,条码是国际物品编码协会（,International Article Numbering Association,）在全球推广应用的商品条码，是定长的纯数字型条码，它表示的字符集为数字,0-9,。,EAN-13,码,EAN-8,码,EAN-13,码符号结构,120,一维条码,121,一个,EAN-13,条码被划分成了,4,个区域：,数制,厂商码,商品码,校验码,P105,一维条码,122,B. UPC,条码,UPC,码是美国统一代码委员会,UCC,制定的商品条码，它是世界上最早出现并投入应用的商品条码，在北美地区得以广泛应用。,UPC,码在技术上与,EAN,码完全一致，它的编码方法也是模块组合法，也是定长、纯数字型条码。,UPC-A,码,UPC-E,码,一维条码,123,C. 25,条码,25,条码是根据宽度调节法进行编码，并且只有条表示信息的非连续型条码。每一个条码字符由规则的,5,个条组成，其中有两个宽单元，三个窄单元，故称为“,25,条码”。它的字符集为数字字符,0-9,。,一维条码,124,D.,交叉,25,条码,人们在,25,条码的启迪下，将条表示信息，扩展到用空也表示信息，就产生了交叉,25,条码。这种识读率高，可适用于固定扫描器可靠扫描，在所有一维条码中的密度最高。,一维条码的优点,125,输入速度快,可靠性高,信息采集量大,使用灵活,制作简单,P107,一维条码的缺点,126,数据容量较小,存储数据类型比较单一,空间利用率低,安全性能低，使用寿命短,二维条码,127,线性堆叠式二维码,它是在一维条码编码原理的基础上，将多个一维码在纵向堆叠而产生的。典型的编码方法如,Code 16k,、,Code 49,、,PDF417,等。其中，,PDF417,是便携式数据文件（,Portable Data File,）的英文缩写，它由多行组成，具有连续性、可变长、包含大量数据的符号标识。,二维条码,128,矩阵式二维码,它是在一个矩形空间通过黑、白像素在矩阵中的不同分布进行编码，典型的编码方法如,Aetec,、,Maxi Code,、,QR Code,、,Data Matrix,等。,Aetec,是由美国韦林公司推出的，最多可容纳,3832,个数字，或,3067,个字母字符。,二维条码的优势,129,数据容量更大,数据类型增加，超越了字母和数字的限制,空间利用率高,具有抗损毁能力,RFID,130,射频识别（,Radio Frequency Identification,，缩写,RFID,）技术是,20,世纪,90,年代开始兴起的一种自动识别技术，,RFID,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。,射频就是射频电流，是一种高频交流变化电磁波的简称，根据交流变化电磁波每秒变化的交流电次数的不同可以分为低频电流和高频电流两种。,RFID,131,从信息传递的基本原理来说，,RFID,技术在低频段基于变压器耦合模型（初级与次级之间的能量传递及信号传递），在高频段基于雷达探测目标的空间耦合模型（雷达发射电磁波信号碰到目标后携带目标信息返回雷达接收机）。,RFID,技术特点,132,RFID,技术是一种易于操控、简单实用且特别适用于自动化控制的灵活性的应用技术，识别工作无需人干预，可自由工作在各种恶劣环境下，识别距离可达到几十米。其所具备的独特优越性是其他识别技术无法比拟的。,RFID,技术特点,133,RFID,技术特点,134,1,）读取方便快捷,2,）识别速度快、可多目标识别,3,）标签数据可以动态更改,4,）动态实时通信,5,）抗恶劣环境能力强,6,）更好的安全性,7,）使用寿命长、应用范围广,RFID,技术分类,135,1,）,按,RFID,标签调制方式的不同分类,根据,RFID,标签调制方式的不同可以分为主动式和被动式两种。,2,）,按,RFID,标签工作频率的不同分类,根据,RFID,标签工作频率的不同可以分为低频（,30 kHz,500 kHz,）、高频（主要是,13.56 MHz,）、超高频（,433/869/915 MHz,）、微波（,2.45/5.8 GHz,）系统。,RFID,技术分类,136,3,）按,RFID,标签有无电池分类,根据,RFID,标签的有无电池又可分为有源的和无源的。,4,）按,RFID,标签读写能力的不同分类,根据,RFID,标签的读写能力不同可分为可读写卡（,RW,）、一次写入多次读出卡（,WORM,）和只读卡（,RO,）。,5,）根据电子标签内保存的信息输入的方式分类,根据电子标签内保存的信息输入的方式，分为集成电路固化式、现场无线改写式和现场有线改写式。,RFID,产品分类,137,RFID,技术中所衍生的产品大概有三大类：无源,RFID,产品、有源,RFID,产品、半有源,RFID,产品。,无源,RFID,产品产品的主要工作频率有低频,125KHZ,、高频,13.56MHZ,、超高频,433MHZ,，超高频,915MHZ,。,有源,RFID,产品主要工作频率有超高频,433MHZ,，微波,2.45GHZ,和,5.8GMHZ,。,RFID,产品分类,138,半有源,RFID,产品，结合有源,RFID,产品及无源,RFID,产品的优势，在低频,125KHZ,频率的触发下，让微波,2.45G,发挥优势。,半有源,RFID,技术，也可以叫做低频激活触发技术，利用低频近距离精确定位，微波远距离识别和上传数据，来解决单纯的有源,RFID,和无源,RFID,没有办法实现的功能。简单的说，就是近距离激活定位，远距离识别及上传数据。,RFID,的组成,139,一个典型的可应用,RFID,系统一般由电子标签、天线、读写器和应用系统几部分组成。,RFID,的组成,140,电子标签（,Tag,）,电子标签由耦合元件及芯片组成，每个标签具有唯一的电子编码，当受无线射频信号照射时，能反射回携带有数字字母编码信息，供阅读器处理识别。,按照标签有无电源，,RFID,标签分为主动标签（,Active Tags,）和被动标签（,Passive Tags,）两种。按照存储的信息是否被改写，标签也被分为只读式标签（,Read Only Tags,）和可读写标签（,Read And Write Tags,）。,RFID,的组成,141, 阅读器,在,RFID,系统中，阅读器一般也称为信号接收机。,阅读器的基本功能就是提供与标签进行数据传输的途径。另外，阅读器还提供相当复杂的信号状态控制、奇偶数据校检与更正功能等。,RFID,的组成,142, 天线,天线是标签与阅读器之间传输数据的发射、接受装置。在实际应用中，除了系统功率外，天线的形状和相对位置也会影响数据的发射和接收，需要专业人员对系统的天线进行设计和安装。,RFID,的组成,143, 应用系统,应用系统包括数据库服务器和其他信息系统。数据库服务器负责处理读写器传送过来的信息，并进行信息处理，将重要信息存储在数据库中。其他信息系统根据需要向读写器发送指令，对标签进行相应操作。,RFID,工作原理,144,1,）阅读器通过发送天线发送一定的频率的射频信号，当射频卡进入发射天线工作区域时产生感应电流，射频卡获得能量被激活。,2,）射频卡将自身编码等信息通过卡内置发送天线发送出去。,RFID,工作原理,145,3,）系统接收天线接收到从射频卡发送来的载波信号，经天线调节器传送到阅读器，阅读器对接收的信号进行解调和解码，然后送到后台主机系统进行相关处理。,4,）主机系统根据逻辑运算判断该卡的合法性。针对不同的设定做出相应的处理和控制，发出指令信号，控制执行机构动作。,生物特征识别技术,146,生物特征识别技术（,Biometric Identification Technology,）是利用人体生物特征进行身份认证的一种技术，它以生物技术为基础，以信息技术为手段，将生物和信息这两大热门技术融于一体。生物特征识别技术主要是利用人体生物特征的惟一性，从而用于身份鉴别。,生物特征识别技术,147,生物特征具有惟一性和稳定性等特点，可分为生理特征和行为特征。其中，生理特征包括手形、指纹、手指、手掌、虹膜、视网膜、面孔、耳廓、,DNA,、体味、脉搏、足迹等。行为特征有签字、声音、按键力度、步态、红外温谱图等。,语音识别技术,148,语音识别技术将人类语音转换为电子信号，然后将这些信号输入进具有规定含义的编码模式中。,它并不是将说出的词汇转变为字典式的拼法，而是转换为一种计算机可以识别的形式，这种形式通常可触发某个指令，例如，打开某个文件、发出某个信号或开始对某一活动录音。,语音识别技术原理,149,语音信号中的语言信息是按照短时幅度谱的时间变化模式来编码的；,语音是可以阅读的，即它的声学信号可以在不考虑说话人试图传达的信息内容的情况下用数十个具有区别性的、离散的符号来表示；,语音交互是一个认知过程，因而不能与语言的语法、语义和结构割裂开来。,语音识别系统原理,150,语音识别技术特点,151,语音识别技术的优点：系统的成本非常低廉。,语音识别技术的缺点：准确性较差。,指纹识别技术,152,指纹是指人的手指末端正面皮肤上凸凹不平产生的纹线。纹线有规律的排列形成不同的纹型。纹线的起点、终点、结合点和分叉点，称为指纹的细节特征点。据此，我们就可以把一个人同他的指纹对应起来，通过将他的指纹和预先保存的指纹数据进行比较，就可以验证其身份的真实性，这就是指纹识别技术。,指纹识别技术,153,指纹识别技术主要涉及指纹图像采集、指纹图像处理、特征提取、数据存储、特征值的比对与匹配等过程。,虹膜识别技术,154,虹膜是位于眼睛黑色瞳孔和白色巩膜之间的圆环状部分，具有终生不变性和差异性。虹膜由相当复杂的纤维组织构成，总体上呈现一种由里到外的反射状结构，包含有很多相互交错的类似于斑点、细丝、冠状、条纹、隐窝等细节特征，这些特征在出生之前就以随机组合的方式确定下来了，一旦形成终生不变。,虹膜识别技术,155,虹膜识别技术的系统实现包含虹膜图像获取装置和虹膜识别算法两大模块，它们分别对应于虹膜图像的获取和虹膜的识别这两个问题。虹膜图像的获取取决于图像获取装置的合理设计，以方便地获得清晰的虹膜图像序列。而虹膜识别的另一方面是虹膜的检测算法。,视网膜识别技术,156,视网膜也是一种被用于生物识别的特征，它是一些位于眼球后部十分细小的神经（,1,50,英寸），它是人眼感受光线并将信息通过视神经传给大脑的重要器官。它同胶片的功能有些类似，用于生物特征识别的血管分布在神经视网膜周围，即视网膜四层细胞的最远处。,图像识别技术,157,图像识别，是利用计算机对图像进行处理、分析和理解，以识别各种不同模式的目标和对象的技术。图像识别技术在近,20,年的时间里，已经迅速发展成为一门独立的有强大生命力的学科。,图像识别技术,158,图像是用各种观测系统以不同形式和手段观测客观世界而获得的，可以直接或间接作用于人眼并进而产生视知觉的实体。,图像识别技术,159,图像理解是一个总称，属于人工智能的范畴。图像处理及图像识别的最终目的就在于对图像作描述和解释，以便最终理解它是什么图像，因而图像理解包括图像处理、图像识别和结构分析。,对理解部分来说，输入的是图像，输出的则是图像的描述与解释。,光字符识别技术,160,光字符识别（,Optical Character Recognition,，,OCR,），通俗点讲就是让计算机“认字”，具体说来是指通过扫描等光学输入方式将各种票据、报刊、书籍、文稿及其它印刷品的文字转化为图像信息，再利用文字识别技术将图像信息转化为可以使用的计算机输入技术。,4.3,自动识别技术与物联网的关系,161,广义物联网的概念：在信息网络的基础上，通过物品编码和标识系统，利用数据采集技术和传感技术，按照标准化的协议，进行物品与网络连接，以实现对物品的识别、定位、跟踪、监控和管理等智能化的网络系统。,自动识别技术是物联网的重要支撑技术，通过一维条码、二维条码、射频识别、生物识别、传感器等连接技术，实现将各种实体物品与虚拟的物（环境）链入网络的功能，构建万事万物相互连接的物联网。,4.3,自动识别技术与物联网的关系,162,1.,自动识别技术是物联网的技术基础,物联网的组成：,物品编码标识系统，它是物联网的基础；,自动信息获取和感知系统，它解决信息的来源问题；,网络系统，它解决信息的交互问题,应用和服务系统，它是建设物联网的目的。,4.3,自动识别技术与