物联网设备和标识课件.ppt

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,物联网设备和标识,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,点击此处结束放映,*,物联网设备和标识,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,*,物联网设备和标识,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,点击此处结束放映,*,物联网设备和标识,*,物联网设备和标识,3.1,嵌入式系统,3.1.1 嵌入式系统的概念,3.1.2 嵌入式系统的发展及应用,3.1.3 嵌入式系统的组成,2,物联网设备和标识,嵌入式系统被描述为：以应用为中心，软件硬件可裁剪的，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格综合性需要的计算机系统。它由嵌入式硬件和嵌入式软件两部分组成。,嵌入式操作系统位于硬件和应用软件之间，为上层应用提供基础服务，是嵌入式系统的核心和灵魂。,3,物联网设备和标识,3.1.1,嵌入式系统的概念,根据,IEEE,的定义，嵌入式系统是“控制、监视或者辅助装置、机器和设备运行的装置”。这主要是从应用上加以定义的，从中可以看出嵌入式系统是软件和硬件的综合体。,4,物联网设备和标识,不过上述定义并不能充分体现出嵌入式系统的精髓，目前国内一个普遍被认同的定义是：以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。,5,物联网设备和标识,简单地说，嵌入式系统集系统的应用软件与硬件于一体，类似于,PC,中,BIOS,的工作方式，具有软件代码小、高度自动化、响应速度快等特点，特别适合于要求实时和多任务的体系。嵌入式系统主要由嵌入式处理器、相关支撑硬件、嵌入式操作系统及应用软件系统等组成，它是可独立工作的“器件”。,我们可从下列几方面来理解上述嵌入式系统的定义。,6,物联网设备和标识,（,1,）嵌入式系统是面向用户、面向产品、面向应用的，嵌入式系统是与应用紧密结合的，它具有很强的专用性，必须结合实际系统需求进行合理的裁剪利用。嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，它的升级换代也是和具体产品同步进行，因此嵌入式系统产品一旦进入市场，具有较长的生命周期。,7,物联网设备和标识,（,2,）嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术、电子技术和各个行业的具体应用相结合后的产物。这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。,8,物联网设备和标识,（,3,）嵌入式系统必须根据应用需求对软硬件进行裁剪，满足应用系统的功能、可靠性、成本、体积等要求。为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器芯片或单片机本身中，而不是存储于磁盘等载体中。,9,物联网设备和标识,（,4,）嵌入式系统本身不具备自主开发能力，设计完成以后用户通常也是不能对其中的程序功能进行修改的，必须有一套开发工具和环境才能进行开发。,实际上，凡是与产品结合在一起的具有嵌入式特点的控制系统都可以叫嵌入式系统。现在人们讲嵌入式系统时，某种程度上指近些年比较热门的具有操作系统的嵌入式系统。,10,物联网设备和标识,3.1.2,嵌入式系统的发展及应用,嵌入式系统的出现至今已经有,30,多年的历史了，嵌入式技术也历经了几个发展阶段。进入,20,世纪,90,年代后，以计算机和软件为核心的数字化技术取得了迅猛发展，不仅广泛渗透到社会经济、军事、交通、通信等相关行业，而且深入到家电、娱乐、艺术、社会文化等各个领域，掀起了一场数字化技术革命。纵观嵌入式技术的发展，大致经历了如下,4,个阶段。,11,物联网设备和标识,（,1,）第一阶段是以单芯片为核心的可编程控制器形式的系统，同时具有与监测、伺服、指示设备相配合的功能。这种系统一般没有操作系统的支持，通过汇编语言编程对系统进行直接控制。,这一阶段系统的主要特点是：系统结构和功能都相对单一；处理效率较低；存储容量较小；几乎没有用户接口。,12,物联网设备和标识,（,2,）第二阶段是以嵌入式,CPU,为基础、以简单操作系统为核心的嵌入式系统。,这一阶段系统的主要特点是：,CPU,种类繁多，通用性比较弱；系统开销小，效率高；操作系统具有一定的兼容性和扩展性；应用软件较专业，用户界面不够友好；系统主要用来控制系统负载以及监控应用程序运行。,13,物联网设备和标识,（,3,）第三阶段是以嵌入式操作系统为标志的嵌入式系统。,这一阶段系统的主要特点是：嵌入式操作系统能运行于各种不同类型的微处理器上，兼容性好；操作系统内核精小、效率高，并且具有高度的模块化和扩展性；具备文件和目录管理、设备支持、多任务、网络支持、图形窗口以及用户界面等功能；具有大量的应用程序接口（,API,），开发应用程序简单；嵌入式应用软件丰富。,14,物联网设备和标识,（,4,）第四阶段是以基于,Internet,为标志的嵌入式系统，这是一个正在迅速发展的阶段。,目前大多数嵌入式系统还孤立于,Internet,之外，但随着,Internet,的发展以及,Internet,技术与信息家电、工业控制技术等结合日益密切，嵌入式设备与,Internet,的结合代表着嵌入式技术的真正未来，也为物联网发展奠定了基础。,15,物联网设备和标识,早期的嵌入式系统只是为了实现某些特定功能，使用一个循环控制程序对外界的请求进行处理。,不可否认，这对于简单的系统而言是足够的，但是当我们的系统变得日渐复杂庞大的时候，如果要增添一项功能的时候，很可能不得不重新进行系统的设计，这无疑会增加开发的成本和系统复杂度。使用这种方式开发规模较大、功能复杂的嵌入式系统是不可想象的。,16,物联网设备和标识,20,世纪,80,年代初期嵌入式操作系统的出现使得快速便捷地开发规模较大的嵌入式系统成为现实，自这一时期开始就出现了各种各样的商用嵌入式操作系统，从而形成了目前多种形式的商用嵌入式操作系统百家争鸣的局面。基于嵌入式操作系统之上的系统才能够真正符合嵌入式系统定义中的软件可裁剪、功能的可扩展、高可靠性等特征。,17,物联网设备和标识,后PC时代是一个真实的阶段，而且是一个可以预测的时代。嵌入式系统就是与这一时代紧密相关的产物，它将拉近人与计算机的距离，形成一个人机和谐的工作与生活环境。,嵌入式系统在应用数量上远远超过了各种通用计算机系统,18,物联网设备和标识,嵌入式系统是将计算机技术、半导体技术和电子技术和各个行业的具体应用相结合后的产物，这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。,19,物联网设备和标识,纵观嵌入式系统的发展过程，可以看出嵌入式系统由简单的无操作系统的循环控制程序向具有强大功能的基于操作系统的方向发展，从独立的系统向基于网络的系统发展。,在近期物联网发展中，智能传感器芯片技术和嵌入式软件技术是两个重点发展方向，这与嵌入式系统发展更是息息相关，面向应用的,SoC,芯片和嵌入式软件是未来嵌入式系统发展的重点。,20,物联网设备和标识,简单讲，物联网是物与物、人与物之间的信息传递与控制，可以理解为以嵌入式系统为基础的智能终端的网络化。有人认为，物联网就是基于互联网的嵌入式系统。,从另一个角度也可以说，物联网的产生是嵌入式系统高速发展的必然产物，更多的嵌入式智能终端产品有了联网的需求，催生了物联网这个概念。,21,物联网设备和标识,目前嵌入式系统已经在物联网中开始应用，例如,MSP430,单片机上开发实现的无线抄表模块、基于,ARM/Linux,的开发平台和各种家庭传感单元实现的物联网智能家居系统。未来物联网应用的层次更加丰富和复杂，物联网将成为嵌入式系统新的应用领域，嵌入式系统将成为基础性的物联网设备。,22,物联网设备和标识,3.1.3,嵌入式系统的组成,嵌入式系统是计算机软件和硬件的综合体，可涵盖机械或的附属装置，所以嵌入式系统可以笼统地分为硬件和软件两部分。从系统结构上分，嵌入式系统的构架可以分成,4,个部分：处理器、存储器、输入输出（,I/O,）和软件，如图,3-1,所示。,23,物联网设备和标识,图,3-1,嵌入式系统组成,24,物联网设备和标识,嵌入式系统的硬件部分包括处理器/微处理器、存储器及外设器件和I/O端口、图形控制器等。嵌入式系统有别于一般的计算机处理系统，它不具备像硬盘那样大容量的存储介质，而大多使用EPROM、EEPROM或闪存（Flash Memory）作为存储介质。,25,物联网设备和标识,嵌入式系统的软件部分包括操作系统和应用软件。应用软件决定了系统的运作和行为；而操作系统控制着应用软件与系统硬件的交互。,多数嵌入式设备的应用软件和操作系统都是紧密结合的，这也是嵌入式系统和通用,PC,系统的主要区别之一。下面分别介绍嵌入式处理器与嵌入式操作系统。,26,物联网设备和标识,1,嵌入式处理器,嵌入式系统由软件和硬件两个部分构成，从硬件角度来说，嵌入式处理器是嵌入式硬件中最核心的部分。,27,物联网设备和标识,嵌入式处理器与通用型处理器最大的不同是嵌入式处理器大多工作在为特定用户群设计的系统中，它通常都具有功耗低、体积小、集成度高等特点，能够把通用处理器中许多由板卡完成的任务集成在芯片内部，从而有利于嵌入式系统设计趋于扁平化，增强了设备的可移动性能，和网络的耦合也越来越紧密。,28,物联网设备和标识,区分嵌入式处理器的一个重要指标就是“位数”，即处理器处理二进制数据的宽度。全世界嵌入式处理器的品种总量已经超过,1000,种，除了按位数来划分外，目前业界有关嵌入式处理器的分类主要有：嵌入式微控制器（,Microcontroller Unit,，,MCU,）、嵌入式微处理器（,MPU,）、嵌入式,DSP,处理器、嵌入式片上系统（,SoC,）几类。,29,物联网设备和标识,嵌入式微控制器的典型代表是单片机，单片机将整个计算机系统集成到一块芯片中。嵌入式微控制器一般以某一种微处理器内核为核心，芯片内部集成,ROM/EPROM/EEPROM,、,RAM,、总线、定时,/,计数器、,WatchDog,、,I/O,、脉宽调制输出、,A/D,、,D/A,、,Flash RAM,等各种必要功能和外设。,（,1,）嵌入式微控制器,30,物联网设备和标识,微控制器是目前嵌入式系统工业的主流之一。嵌入式微控制器目前的品种和数量最多，比较有代表性的包括8051、P51XA、MCS-251、MCS-96/196/296、C166/167、MC68HC05/11/12/16、68300等。另外还有如支持USB接口的MCU 8XC930/931、C540、C541，支持CAN-Bus等的众多专用MCU和兼容系列。,31,物联网设备和标识,嵌入式微处理器是由通用计算机中的,CPU,演变而来的。它的特征是具有,32,位或以上的位宽，具有较高的性能，当然其价格也相应较高。但与计算机处理器不同的是，在实际嵌入式应用中，只保留和嵌入式应用紧密相关的功能硬件，去除其他的冗余功能部分，这样就以最低的功耗和资源实现嵌入式应用的特殊要求。和工业控制计算机相比，嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高等优点。,（,2,）嵌入式微处理器（,Microprocessor Unit,，,MPU,）,32,物联网设备和标识,目前主要的嵌入式微处理器类型有如下几种。,ARM/StrongARM,MIPS,68K/Cold Fire,PowerPC,33,物联网设备和标识,DSP,处理器是专门用于信号处理方面的处理器，对系统结构和指令进行了特殊设计，使其适合于执行数字信号处理（,Digital Signal Processing,，,DSP,）算法，编译效率较高，指令执行速度也较高。在数字滤波、,FFT,、谱分析等方面数字信号处理算法正在大量进入嵌入式领域，,DSP,应用正从在通用单片机中以普通指令实现过渡到采用嵌入式,DSP,处理器来实现。,（,3,）嵌入式,DSP,处理器（,Embedded Digital Signal Processor,，,EDSP,）,34,物联网设备和标识,片上系统（,SoC,）最大优点是实现软硬件无缝结合，操作系统的代码模块可以直接嵌入到处理器芯片上。各种通用处理器内核将作为,SoC,设计公司的标准库，和许多其他嵌入式系统外设一样，成为,VLSI,设计中一种标准的器件，用标准的,VHDL,等语言描述，存储在器件库中。,（,4,）嵌入式片上系统（,System on Chip,，,SoC,）,35,物联网设备和标识,2,嵌入式操作系统,嵌入式操作系统是嵌入式系统中的软件部分的核心内容。其本质上也是一个操作系统，但又与一般的操作系统有着一定的差异。嵌入式操作系统一般都是根据客户需求来设计的，以实现专业特定功能，一般来说，嵌入式操作系统的功能是控制系统的负载和监控应用程序。到目前为止，各种各样的嵌入式操作系统可能有几百种，以下就简单列举最常用的几种。,36,物联网设备和标识,（,1,）,VxWorks,嵌入式操作系统,（,2,）,CLinux,（,3,）红旗嵌入式,Linux,（,4,）,RT-Linux,（,5,）,Symbian,（,6,）,Windows CE,（,7,）,Palm,37,物联网设备和标识,3.2 传感器,3.2.1 传感器概述,3.2.2 传感器的分类,3.2.3 传感器在物联网中的应用,38,物联网设备和标识,3.2.1 传感器概述,国家标准传感器通用术语中定义传感器为：“能感受（或响应）规定的被测量并按照一定规律转换成可用信号的输出器件或装置”。,作为一种检测装置，传感器能感受到各种物理量、化学量、生物量或状态量等被测量的信息，并能将检测到的信息按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。,39,物联网设备和标识,传感器组成,主要组成部分,敏感元件：,直接感受被测量对象（一般为非电量），并输出与被测量对象成确定关系的其他量（一般为电量）的元件,转换元件：,又称传感元件，一般情况下，它不直接感受被测量，而是将敏感元件的输出量转换为电量输出,信号调节与转换电路：,把传感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,40,物联网设备和标识,传感器的组成图如下：,图,3-2,传感器的组成,传感器广泛应用于工业领域与国防领域。目前传感器正在向高精度、小型化、集成化、数字化、智能化方向发展，并随着物联网的发展和应用将受到进一步重视。,41,物联网设备和标识,（1）按工作原理分类，如表3-1所示,3.2.2 传感器的分类,变,换,原,理,传感器举例,变电阻,电位器式、应变式、压阻式、光敏式、热敏式,变磁阻,电感式、差动变压器式、涡流式,变电容,电容式、湿敏式,变谐振频率,振动膜式,变电荷,压电式,变电势,霍尔式、感应式、热电偶式,表,3-1,传感器按工作原理分类表,42,物联网设备和标识,（2）按被测量对象分类，如表3-2所示,基本被测量,派生的被测量,基本被测量,派生的被测量,热工量,温度，热量，比热，压力，压差，真空度，流量，流速，风速,物理量,粘度，温度，密度,化学量,气体（液体）化学成分，浓度，盐度,机械量,位移，尺寸，形状，力，应力，力矩，振动，加速度，噪声，角度，表面粗糙度,生物量,心音，血压，体温，气流量，心电流，眼压，脑电波,光学量,光强、光通量,传感器按被测量对象分类表,表,3-2,43,物联网设备和标识,（3）其他分类方法,按工作效应分类,按输出量分类,按能量关系分类,物理传感器,化学传感器,生物传感器,模拟式,传感器,数字式,传感器,能量转换型传感器,能量控制型,传感器,44,物联网设备和标识,1,电阻应变式传感器,电阻式传感器的基本原理是将被测的非电量转换成电阻值的变化，再经过转换电路变成电量输出。将电阻应变片粘贴在弹性元件特定表面上，当力、扭矩、速度、加速度及流量等物理量作用于弹性元件时，会导致元件应力和应变的变化，进而引起电阻应变片电阻的变化,。,典型的传感器的工作原理介绍：,45,物联网设备和标识,电阻应变片的工作原理如下,：,当金属丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值将发生变化，这种现象称为金属的电阻应变效应。,金属丝的电阻相对变化与轴向应变成正比关系，并且满足下式：,是金属丝的应变灵敏系数，理论上在1.83.6；,为金属丝的轴向应变，式左边是电阻值的相对变化。,（2）应变片的结构,（,1,）应变效应,46,物联网设备和标识,（2）应变片的结构,1,敏感栅，它是应变片的转换原件,2,基底，是将传感器弹性体的应变传递到敏感栅,1,的中间介质,3,盖片，用于保护敏感栅、引线的形状和相对位置,4,引线，由用来连接测量的导线和粘结剂等组成。,图,3-3,应变片的结构,47,物联网设备和标识,2热电式传感器,热电式传感器是一种将温度的变化转换为电量变化的装置。它利用敏感元件的电参数随温度变化的特性，对温度和与温度有关的参量进行测量，是众多传感器中应用最广泛、发展最快的传感器之一,。,48,物联网设备和标识,根据热电式传感器所基于的热电效应、热阻效应、热辐射、导磁率随温度变化的特性等主要物理原理，按照工作原理将热电式传感器划分为热电偶、热敏电阻、PN结型测温传感器、辐射高温计等几种类型,。,热电式传感器分类,49,物联网设备和标识,（,1,）热电偶,图,3-4,热电偶工作原理图,50,物联网设备和标识,上述两种不同导体组成的回路称为热电偶，其中导体,A,、,B,为热电极，一个为工作端或热端（,T,）；另一个叫自由端或冷端（,T,0,）。将导体的两端分别置于不同的温度场中，在导体的内部，由于热端的自由电子具有较大的动能，所以导体内部的自由电子的运动在总体上是由热端向冷端移动，这样在导体两端产生了一个由热端指向冷端的静电场。该电场阻止电子从热端向冷端的继续移动，直到达到动态平衡，形成恒定的电位差，称此电位差为温差电动势。,当两接点温度不等（假设,T,T,0,）时，回路中就会产生电动势，从而形成热电流，这一现象称为热电效应,。,51,物联网设备和标识,热电偶是工业上最常用的温度检测元件之一。其优点是：测量精度高，因热电偶直接与被测对象接触，不受中间介质的影响；测量范围广，常用的热电偶从50至+1600均可测量，某些特殊热电偶最低可测到-269（如金、铁、镍、铬），最高可达+2800（如钨、铼）；构造简单，使用方便。热电偶通常是由两种不同的金属丝组成，而且不受大小限制，外有保护套管，用起来非常方便,。,52,物联网设备和标识,（,1,）热敏电阻,热敏电阻是利用半导体的电阻值随温度变化这一特性制成的一种热敏元件。热敏电阻的导电性能主要是由内部的载流子（电子和空穴）密度和迁移率所决定，当温度升高时外层电子在热激发下，大量成为载流子，使载流子的密度大大增加，活动能力加强，从而导致其阻值的急剧下降,热敏电阻主要用作检测元件和电路元件,。,53,物联网设备和标识,3,光电式传感器,光电式传感器是利用光电器件把光信号转换成电信号的装置。光电式传感器工作时，先将被测量的变化转换成为光量的变化，然后通过光电器件再把光量的变化转换为相应的电量变化，从而实现非电量的测量。光电式传感器的核心（敏感元件）是光电器件。,54,物联网设备和标识,外光电效应,:,内光电效应,:,当光照射在物体上，物体的电阻率发生变化，或产生光生电动势的现象称为内光电效应（光导效应），它多发生于半导体内,在光线作用下能使电子逸出物体表面的现象，称为外光电效应。著名的爱因斯坦光电效应方程就描述了这一物理现象,55,物联网设备和标识,光电效应器件光敏电阻,光敏电阻是一种利用光敏感材料的内光电效应制成的光电元件。它具有精度高、体积小、性能稳定、价格低等特点，被广泛应用在自动化技术中作为开关式光电信号传感器。,光敏电阻对光线十分敏感，它在无光照时，电阻值（暗电阻）很大，电路中电流（暗电流）很小。当光敏电阻受到一定波长范围的光照时，它的阻值（亮电阻）急剧减小，电路中电流迅速增大。,56,物联网设备和标识,光敏电阻的原理结构图,如，,图3-5,图,3-5,光敏电阻的原理结构图,57,物联网设备和标识,光电式传感器的应用,光电式传感器的一个应用是烟尘浊度监测仪。烟道里的烟尘浊度是通过光在烟道里传输过程中的变化大小来检测的,，,如果烟道浊度增加，光源发出的光被烟尘颗粒的吸收和折射增加，到达光检测器的光减少，因而光检测器输出信号的强弱便可反映烟道浊度的变化。另外光电式传感器也应用于无触点式路灯控制电路、光电式转速传感器、光电式液位传感器等,。,58,物联网设备和标识,4,磁敏传感器,磁敏传感器是对磁场参量敏感的元器件或装置，具有把磁物理量转换成电信号的功能。,在磁敏传感器中，主要利用的是霍尔效应和磁阻效应。,59,物联网设备和标识,磁敏传感器主要分为三类：,霍尔元件,(生产量最大),磁敏电阻,(应用范围很广泛),磁敏二极管和三极管,(迅速发展起来的新型半导体磁敏元件),60,物联网设备和标识,（,1,）霍尔元件,所谓霍尔效应，是指磁场作用于载流金,属,导体、半导体中的载流子时，产生横向电位差的物理现象。,霍尔效应的本质是：固体材料中的载流子在外加磁场中运动时，因为受到洛仑兹力的作用而使轨迹发生偏移，并在材料两侧产生电荷积累，形成垂直于电流方向的电场，最终使载流子受到的洛仑兹力与电场斥力相平衡，从而在两侧建立起一个稳定的电势差即霍尔电压。,61,物联网设备和标识,沿,Z,方向加以磁场,B,沿,X,方向通以工作电流,I,则在,Y,方向产生出电动势,VH,这现象称为霍尔效应。,VH,称为霍尔电压。,62,物联网设备和标识,将一载流导体置于外磁场中，其电阻会随磁场的变化而变化，这种现象称磁电阻效应，简称磁阻效应。,磁敏电阻是基于磁阻效应的磁敏元件。,（,2,）磁敏电阻,63,物联网设备和标识,磁场探测仪,位移和角速度检测器,安培计以及磁敏交流放大器,磁敏电阻的应用：,64,物联网设备和标识,PN,结型的磁电转换元件,在磁场强度的变化下电流也发生变化,输出信号大,灵敏度高,工作电流小,体积小,（,3,）磁敏二极管,65,物联网设备和标识,PN结型的磁电转换元件,在正、反向磁场作用下，其集电极电流出现明显变化。,可以用来测量弱磁场、电流、转速、位移等物理量,（,4,）磁敏三极管,66,物联网设备和标识,5,压电式传感器,利用某些物质的压电效应制作,当被测量物因为受力而产生变化时，传感器能够产生静电电荷或电压变化。,67,物联网设备和标识,某些介质，当沿着一定方向施加力，使之变形，内部产生极化现象，同时在表面上产生符号相反的电荷；外力去掉，恢复不带电状态，这种现象称为压电效应。,大多数晶体都具有压电效应，其中石英晶体是性能比较好的材料,（,1,）工作原理,压电效应,68,物联网设备和标识,压电式加速度传感器,：,它是利用某些物质如石英晶体的压电效应，在加速度计受振动力作用时，加在压电元件上的力也随之变化。当被测物振动频率远低于加速度计的固有频率时，则力的变化与被测加速度成正比,（,2,）压电式传感器的应用,69,物联网设备和标识,压电式力传感器：,它是利用压电元件直接实现力电转换的传感器，在拉、压场合，通常较多采用双片或多片石英晶片作压电元件,70,物联网设备和标识,6,光纤传感器,与传统传感器相比，光纤传感器有着一系列独特的优点,它可以在强电磁干扰、高温高压、原子辐射、易爆化学腐蚀等恶劣条件下使用,高灵敏度及低损耗,71,物联网设备和标识,（,1,）工作原理,72,物联网设备和标识,光源发出的光经光导纤维进入光传感元件在光传感元件中受到周围环境场的影响而发生变化的光再进入光调制机构，由其将传感元件测量检测的参数调制成幅度、相位、偏振等信息，这一过程也称为光电转换过程最后利用微处理器如频谱仪等进行信号处理。,73,物联网设备和标识,（,2,）光纤传感器的应用,光纤传感器具有强抗干扰性，所以它的应用范围很广，尤其适用于恶劣环境,在石油化工系统、矿井、大型电厂等需要检测氧气、碳氢化合物、一氧化碳等气体的场所,在环境监测、临床医学检测、食品安全检测等方面。,74,物联网设备和标识,3.2.3,传感器在物联网中的应用,物联网的目标首先是检测和连接所有事物，其次才是确保所有这些事物都有智能。,传感器正是实现物联网对事物的感知和检测功能的设备。,75,物联网设备和标识,在物联网的典型应用中，有很多基于传感器技术的例子,利用传感器、计算机以及现代无线通信等技术，对交通动态信息的采集，从而实现对交通的实时控制与指挥管理,通过部署传感器节点，实时对农作物进行检测和管理,76,物联网设备和标识,第,3,章 物联网设备与标识,RFID,技术原理与分类,3.3.1,RFID,电子标签,3.3.2,RFID,读写器,3.3.3,77,物联网设备和标识,3.3.1 RFID,技术原理与分类,1.RFID,系统组成,2.,RFID,系统基本工作原理,3.RFID,系统的特点,4.RFID,系统分类,78,物联网设备和标识,1.RFID,系统组成,RFID系统是指利用,RFID,技术并集识别、传输、共享信息等功能于一体的智能系统。,RFID,读写器,RFID系统,RFID,电子标签,中央系统,79,物联网设备和标识,RFID,系统组成,图,3-8 RFID,系统组成框图,80,物联网设备和标识,RFID,电子标签,RFID,电子标签是,RFID,系统中必备的一部分，标签中存储着被识别物体的相关信息，通常被安置在被识别的物体表面上。,当,RFID,电子标签被,RFID,读写器识别到或者电子标签主动向读写器发送消息时，标签内的物体信息将被读取或改写。,81,物联网设备和标识,RFID,电子标签,RFID,电子标签可分为有源标签和无源标签两类，通过标签中是否有电池来区分。,RFID,电子标签包括射频模块和控制模块两部分,:,82,物联网设备和标识,RFID,电子标签,(1),射频模块通过内置的天线来完成与,RFID,读写器之间的射频通信。,(2),控制模块内有一个存储器，它存储着标签内的所有信息，并且部分信息可以通过与,RFID,读写器间的数据交换来进行实时的修改。,83,物联网设备和标识,RFID,读写器,RFID,读写器是,RFID,系统的中间部分，它可以利用射频技术读取或者改写,RFID,电子标签中的数据信息，并且可以,把这些读出的数据信息通过有线或者无线方式传输到中央信息系统进行管理和分析。,84,物联网设备和标识,RFID,读写器,RFID,读写器的主要功能是读写,RFID,电子标签中的物体信息，它主要包括射频模块和读写模块以及其他一些基本功能单元。,RFID,读写器通过射频模块发送射频信号，读写模块连接射频模块，把射频模块中得到的数据信息进行读取或改写。,85,物联网设备和标识,RFID,读写器,RFID,读写器还有其他的硬件设备，包括电源和时钟等。电源用来给,RFID,读写器供电，并且通过电磁感应可以给无源,RFID,电子标签进行供电；时钟在进行射频通信时用于确定同步信息。,86,物联网设备和标识,中央信息系统,中央信息系统是对识别到的信息进行管理、分析及传输的计算机平台。它一般包含一个数据库，存储着所有,RFID,电子标签的数据信息，用户可以通过中央信息系统查询相关的,RFID,电子标签信息。,87,物联网设备和标识,中央信息系统,中央信息系统与,RFID,读写器相连，通过读写器对电子标签中数据信息的读取或改写，数据库内的数据信息也进行实时的更新。,中央信息系统一般和互联网或专网相连接，,RFID,电子标签中的数据信息可以得到大范围的共享，用户也可以实现远程操作功能。,88,物联网设备和标识,2.,RFID,系统基本工作原理,1,RFID,系统的工作流程,即,RFID,系统内三个部分依次连接起来，完成一次信息的传输、交换及管理。,89,物联网设备和标识,1,RFID,系统的工作流程,首先,RFID,读写器通过射频模块中的天线将无线电载波信号发射出去，形成读写器的一个有效识别范围，当,RFID,电子标签（无源标签）进入到这个识别范围时，,90,物联网设备和标识,1,RFID,系统的工作流程,电子标签被激活，通过读写器天线发出的电磁场提取工作能量，并通过电子标签内的射频模块将标签中存储的数据信息发射出去；,91,物联网设备和标识,1,RFID,系统的工作流程,然后读写器的天线接收到射频信号，射频模块对信号进行解调解码，通过中央信息系统或读写器自身判断其合法性后，针对不同的设定发出不同的指令，如读取信息或者改写信息；,92,物联网设备和标识,1,RFID,系统的工作流程,最后,RFID,读写器将经过读写模块处理后的数据信息传输至中央信息系统，中央信息系统对这些信息进行实时更新，然后将这些信息共享给用户,93,物联网设备和标识,2,RFID,系统中的三种事件类型,在,RFID,系统中，始终以能量作为基础，通过一定的时序方式来实现数据交换。,在,RFID,系统工作的信道中存在,3,种事件模型：以能量提供为基础的事件模型、以时序方式实现数据交换的事件模型、以数据交换为目的的事件模型。,94,物联网设备和标识,（,1,）能量提供,对于无源标签来说，,RFID,读写器向其提供工作能量。当电子标签进入读写器的工作范围之内以后，读写器发出的能量激活电子标签，电子标签通过整流的方法将接收到的能量转换并存储在电子标签中的电容里，从而为电子标签提供工作能量；当电子标签离开读写器的工作范围以后，电子标签由于没有获得读写器的能量激活而处于休眠状态。,95,物联网设备和标识,（,1,）能量提供,对于有源标签来说，有源标签一般不利用读写器发出的射频能量，它在进入读写器工作范围后处于激活状态，和读写器发出的电磁波相互作用，因而读写器能够以较小的发射能量取得较远的通信距离。,96,物联网设备和标识,（,2,）时序,时序指的是RFID读写器和RFID电子标签的工作顺序。,RFID系统是一个双向系统，读写器可以向电子标签发送命令与数据，电子标签也可以向读写器发送存储的数据。对于这样的双向系统来说，就需要确定一种工作顺序，用来防止通信时产生冲突。,97,物联网设备和标识,（,2,）时序,在RFID系统中，RFID读写器一般处于主动状态，即读写器发出询问后，电子标签给予回答，称这种方式为读写器先讲（RTF，Reader Talks First）方式；,98,物联网设备和标识,（,2,）时序,另一种情况是RFID电子标签进入读写器工作范围以后，首先发送信息，读写器根据电子标签发送来的信息，进行记录或者进一步发出询问信息，这样与电子标签构成一次完整的通信，来达到读写器对电子标签进行识别的目的，这种情况叫作RFID电子标签先讲（TTF，Tag Talks First）方式。,99,物联网设备和标识,（,2,）时序,当RFID读写器工作范围内存在多个RFID电子标签时，读写器可以对这些电子标签分别来进行识别，在这种工作方式下时序显得更为重要。,一般情况下，RFID读写器处于主动状态，即采用RTF。,100,物联网设备和标识,（,2,）时序,读写器首先发出一系列的隔离指令，使得在读写器识读范围内的多个电子标签逐一或逐批的被隔离出去，最后只剩下一个处于活动状态的电子标签与读写器建立通信。,通信结束后，读写器将当前活动状态的电子标签置为休眠状态。,101,物联网设备和标识,（,2,）时序,然后对刚才被隔离的电子标签进行唤醒命令，激活全部的被隔离标签，使得它们进入活动状态，再进一步逐次隔离，只选出一个电子标签进行无碰撞通信。如此重复，RFID读写器即可实现对工作范围内多个RFID电子标签的识别功能。,102,物联网设备和标识,（,2,）时序,RFID,系统的两种时序工作方式,RTF,和,TTF,各有优缺点，,TTF,方式因为不需要等待,RFID,读写器而主动发送数据，所以具有识别速度快等特点，适用于需要高速识别的场合；,而,RTF,方式是,RFID,读写器处于主动状态，能够无碰撞地识读多个,RFID,电子标签，可靠性能较好，适用于一些重要数据识别的场合。,103,物联网设备和标识,（,3,）数据交换,RFID系统最终要完成的功能是对数据的获取，这种在系统内的数据交换有两个方面的内容：RFID读写器向RFID电子标签方向的数据传输和RFID电子标签向RFID读写器方向的数据传输。,104,物联网设备和标识,（,3,）数据交换,第一个方面是从读写器向电子标签方向的数据传输。在RFID系统的工作流程中，首先RFID读写器通过天线向外发射射频信号，形成一个读写器的有效识别区域，然后读写器可以对在识别区域内的RFID电子标签发送命令信息或者写入数据。这就是从读写器向电子标签方向的数据传输包含的内容。,105,物联网设备和标识,（,3,）数据交换,首先，考虑RFID读写器是否向RFID电子标签发送命令信息方面，可以分为两种情况：电子标签只接受能量激励和既接受能量激励又接受读写器的命令信息。,106,物联网设备和标识,（,3,）数据交换,1.一些简单的RFID系统中，RFID电子标签在其工作频带内的射频能量激励下，成为激活状态，同时将标签中存储的信息反射回去。这种RFID系统中电子标签只接受能量激励而不接受读写器的命令信息，它一般不具有多标签的识别能力，目前主要应用于铁路车号识别系统中。,107,物联网设备和标识,（,3,）数据交换,2.在一些复杂的RFID系统中，RFID读写器不但能够激活其工作范围内的RFID电子标签，还能够将命令信息发送到RFID电子标签中去，然后电子标签依据命令信息做出相应的动作。电子标签接受读写器的命令信息有两个目的，即进行改写操作和实现多标签读取。,108,物联网设备和标识,（,3,）数据交换,其次，考虑RFID读写器是否对RFID电子标签进行改写方面，也可以分为两种情况：,1.只读而不改写的RFID系统,2.另一些RFID系统,109,物联网设备和标识,（,3,）数据交换,1.在只读而不改写的RFID系统中RFID读写器在得到了RFID电子标签的数据信息后，就直接将此信息上传给中央信息系统，而不再对电子标签进行任何操作。,110,物联网设备和标识,（,3,）数据交换,2.对于另一些RFID系统，RFID读写器在读取完RFID电子标签中的数据信息后，读写器再把改写的命令信息发送给电子标签，将电子标签中的存储信息进行改写。,111,物联网设备和标识,（,3,）数据交换,第二个方面是从电子标签向读写器方向的数据传输。RFID电子标签的工作目的是实现电子标签向RFID读写器方向的数据传输。,112,物联网设备和标识,（,3,）数据交换,从电子标签向读写器方向的数据传输的工作方式包含以下两种：,电子标签激活以后，直接向读写器发送电子标签中存储的数据信息；,电子标签激活以后，根据读写器的命令信息，进入数据发送状态或者休眠状态。,113,物联网设备和标识,3.,RFID,系统的特点,RFID,技术具有很多突出的优点：,（,1,）非接触操作，长距离识别（几厘米至几十米），因此完成识别工作时无须人工干预，应用便利。,（,2,）无机械磨损，寿命长，并可工作于各种油渍、灰尘污染等恶劣的环境。,114,物联网设备和标识,3.,RFID,系统的特点,（,3,）形状和大小多样化。,RFID,电子标签基本不受尺寸大小与形状之限制，此外，,RFID,电子标签更加小型化。因此,RFID,的应用范围更加广泛。,（,4,）可识别高速运动物体并可同时识别多个电子标签。,115,物联网设备和标识,3.,RFID,系统的特点,（,5,）数据的记忆容量大。,数据容量会随着存储器容量的发展而扩大，未来物品所需携带的信息量越来越大，对扩充容量的需求也增加，对此,RFID,不会受到限制。,（,6,）读写