目錄

• 物聯網技術
  • 概念
  • 傳感器技術
  • 射頻識別技術(RFID)
  • 無線網絡技術

物聯網技術

概念

• 把所有物品通過射頻識別（RFID）、紅外感應器、全球定位系統、激光掃描儀等信息傳感設備與互聯網連接起來，進行信息交換和通訊，實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理。
• 基本特點：
  • 全面感知 隨時隨地采集各種動態對象
  • 可靠的傳送 實時傳送
  • 智能控制
    
  • 感知層：
    • 主要用於采集物理世界中發生的物理事件和數據，包括各類物理量、標識、音頻、視頻數據。物聯網的數據采集涉及傳感器、RFID、多媒體信息采集、二維碼和實時定位等技術。如溫度感應器、聲音感應器、圖像采集卡、震動感應器、壓力感應器、RFID讀寫器、二維碼識讀器等，都是用於完成物聯網應用的數據采集和設備控制。
  • 傳輸層：
    • 傳輸層主要功能是直接通過現有互聯網（IPv4/IPv6 網絡）、移動通信網（如：GSM、TD-SCDMA、WCDMA、CDMA、無線接入網、無線局域網等）、衛星通信網等基礎網絡設施，對來自感知層的信息進行接入和傳輸。網絡層主要利用了現有的各種網絡通信技術，實現對信息的傳輸功能。
  • 支撐層：
    • 支撐層主要是在高性能網絡計算環境下，將網絡內大量或海量信息資源通過計算整合成一個可互聯互通的大型智能網絡，為上層的服務管理和大規模行業應用建立一個高效、可靠和可信的網絡計算超級平臺。支撐層利用了各種智能處理技術、高性能分布式並行計算技術、海量存儲與數據挖掘技術、數據管理與控制等多種現代計算機技術。
  • 應用層：
    • 應用層中包括各類用戶界面顯示設備以及其它管理設備等，這也是物聯網系統結構的最高層。應用層根據用戶的需求可以面向各類行業實際應用的管理平臺和運行平臺，並根據各種應用的特點集成相關的內容服務，如：智能交通系統、環境監測系統、遠程醫療系統、智能工業系統、智能農業系統、智能校園等。
• 物聯網技術的四個層次：感知技術、傳輸技術、支撐技術、應用技術
  • 感知技術
    • 能夠用於物聯網底層感知信息的技術。它包括射頻識別（RFID）技術、傳感器技術、GPS定位技術、多媒體信息采集技術及二維碼技術等。
      • 射頻識別技術：標簽、閱讀器、天線
      • 傳感器技術：從自然信源獲取信息
      • GPS技術：移動感知，采集移動物體信息
      • 多媒體信息采集技術：利用攝像頭、麥克風等采集視頻、音頻、圖像等信息，並對信息進行抽取、挖掘和處理，將非結構化信息從采集到的信息中抽取並保存到結構化數據庫中。
      • 二維碼技術：小面積表達大量信息
  • 傳輸技術
    • 能夠匯聚感知數據，並實現物聯網數據傳輸的技術， 它包括互聯網、移動通信網、無線網絡、衛星通信、短距離無線通信等。
  • 支撐技術
    • 用於物聯網數據處理和利用的技術，它包括嵌入式系統、雲計算技術、人工智能技術、大數據庫與機器學習技術、分布式並行計算和多媒體與虛擬現實等
      • 嵌入式系統：嵌入到目標體系中的專用計算機系統，它以應用為中心，以計算機技術為基礎，並且軟硬件可裁剪，適用於應用系統對功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴格要求的專用計算機系統 ，與物聯網關系密切，物聯網的各種智能終端大部分表現為嵌入式系統
      • 雲計算技術：物聯網中的終端的計算和存儲能力有限,雲計算平臺可以作為物聯網的“大腦”,實現對海量數據的存儲、計算。 是分布式計算技術的一種，透過網絡將龐大的計算處理程序自動分拆成無數個較小的子程序，再交由多部服務器所組成的龐大系統經搜尋、計算分析之後將處理結果回傳給用戶。
      • 人工智能技術：研究使計算機來模擬人的某些思維過程和智能行為的技術，借鑒仿生學思想,用數學語言抽象描述知識,用以模仿生物體系和人類的智能機制,目前主要的方法有神經網絡、進化計算和粒度計算三種
      • 大數據技術：大數據指在互聯網和以大規模分布式計算為代表的平臺支持下被采集、存儲、分析和應用的具有產生更高決策價值的巨量、高增長率和多樣化的信息資產 。大數據系統總是由數據采集、數據存儲、數據分析（或數據處理與服務）和數據應用四個部分構成。在物聯網中，大數據技術扮演海量數據存儲與分析處理的重要角色
      • 分布式並行計算：時間上的並行就是指流水線技術，而空間上的並行則是指用多個處理器並發的執行計算。
  • 應用技術
    • 用於直接支持物聯網應用系統運行的技術
    • 專家系統、系統集成技術、編解碼技術

傳感器技術

• 組成：
  • 敏感元件
  • 轉換元件
  • 基本轉換電路
• 分類：
  • 按照工作原理：物理傳感器和化學傳感器
    • 物理傳感器：壓電、磁致伸縮位移、光電、熱點等，要求非常敏感，被測信號量的微小變化都能轉換為電信號
    • 化學傳感器：以化學吸附、電化學反應等
  • 按照用途：力敏、位移、速度、加速度、震動、熱敏、濕敏、磁敏、氣敏、生物、霍爾、核輻射、光纖、納米(MEMS)等14種
  • 按照輸出信號：
    • 模擬傳感器：將被測量的非電學量轉換成模擬電信號
    • 數字傳感器：將被測量的非電學量轉換成數字信號
    • 開關傳感器：當被測量的信號達到某個特定閾值，傳感器相應地輸出一個設定的低電平或高電平信號
• 應用
• 改善傳感器性能的技術途徑
  1. 差動技術：減少溫度變化、電源波動等的影響
  2. 平均技術：采用多個傳感單元同時測試，輸出平均值，減小誤差
  3. 補償與修正技術
  4. 屏蔽、隔離與幹擾抑制：消除或削弱外界因素的影響，一是減小傳感器對影響因素的靈敏度，二是降低外界因素對傳感器實際作用的烈度
  5. 穩定性處理：提高穩定性，防止材料老化
• 發展方向：

1. 運用新原理 1）采用新原理的 2）填補傳感器空白的 3）仿生傳感器
2. 開發新材料 1）單晶體到多晶體、非晶體 2）復合材料
3. 新工藝
4. 集成化和智能化

射頻識別技術(RFID)

• 系統組成：
  • 狹義：電子標簽、閱讀器
  • 廣義：電子標簽、閱讀器、RFID中間件、應用程序
• 耦合方式：
  • 電磁耦合：以電磁波形式進行耦合，距離遠
    -
    • 下行傳輸：閱讀器→電子標簽
      • 閱讀器發射電磁波，電子標簽接收電磁波
    • 上行傳輸：電子標簽→閱讀器
      • 電子標簽發射電磁波，閱讀器接收電磁波
      • 閱讀器發射電磁波，電子標簽反射電磁波
    • 應用：應用在433M、900M、2.4G等較高頻率的RFID系統
  • 電感耦合：以電磁感應的方式進行耦合，距離近
    • 
    • 下行傳輸：閱讀器→電子標簽
      • 閱讀器產生變化磁場，電子標簽感生電動勢
    • 上行傳輸：電子標簽→閱讀器
      • 閱讀器產生變化磁場，電子標簽反向耦合
    • 應用：應用在40M、13.56M、135K或更低頻率RFID系統
• 頻率分布：根據IEEE頻譜劃分，常用的RFID頻率包括“
  • 低頻(LF)：門禁卡
  • 高頻(HF)：身份證，公家卡
  • 特高頻(UHF)：高速公路ETC
• 信息編碼：
  • 不歸零碼(NRZ)：用高低電平分別代表1和0，高電平代表“1”，低電平代表“0”
    • 優點：編碼簡單
    • 缺點：位同步困難，能量供給不連續（低電平不提供能量）
  • 曼徹斯特碼：半個比特周期內，下降沿代表“1”，上升沿代表“0”
    • 優點：位同步簡單
    • 缺點：能量供給不充分（低電平時不提供能量）
  • 差分雙向碼：半個比特周期中，任意邊沿代表"0"，無邊沿代表"1"，每比特開始時，電平跳變
    • 優點：位同步簡單
    • 缺點：能量供給不充分
  • 密勒碼：“1”碼要求碼元起點電平不變，間隙電平跳變。單個“0”碼要求電平不變，連續“0”碼要求碼元邊界處電平跳變
    • 優點：位同步比較簡單
    • 缺點：能量供給不充分
  • 變形密勒碼：將密勒碼中每個電平跳變都用負脈沖取代
    • 優點：位同步簡單，能量供給充分，因為低電平的時間很短
  • 脈沖-間隙碼：下一脈沖前暫停時間t表示“1”，下一脈沖前暫停時間2t表示“0”
    • 優點：位同步簡單，能量供給連續
• 調制與解調：
  • 按照信號的變化規律去改變載波的某些參數的過程
  • 分類：
    • 線性調控：幅移鍵控
      • 幅移鍵控：使用基帶信號改變載波信號的幅度
      • 
    • 非線性調控：頻移鍵控、相移鍵控
      • 頻移鍵控：使用基帶信號改變載波信號的頻率
      • 
      • 相移鍵控：使用基帶信號改變載波信號的相位
      • 
• 電子標簽
  • 組成：天線、芯片、電源（可能有，分為無源標簽和有源標簽）
  • 供電：
    • 有源標簽：距離遠，壽命有限
    • 無源標簽：距離近，壽命長
  • 根據作用距離分類：
    • 密耦合 小於1cm
    • 近耦合 小於15cm
    • 疏耦合 小於1m
    • 遠耦合 大於1m
  • 根據抗金屬性
    • 自有環境標簽 不能貼於金屬表面
    • 抗金屬標簽 貼在金屬表面工作
  • 天線
    • 電感耦合天線 線圈
    • 電磁耦合天線 微帶天線、偶極子天線
  • 芯片
    • 類型：
      • 邏輯加密卡：由邏輯電路組成標簽業務流，有保密性，價格便宜，但保密性不高
      • CPU卡：內置CPU完成業務處理，保密性高，價格偏高
• 閱讀器：
  • 分類：
    • 固定式閱讀器
    • 臺式閱讀器
    • 手持式閱讀器
    • 專用閱讀器
    • 閱讀器模塊
  • 組成：天線、高頻接口模塊、信號處理與控制模塊
  • 天線：單天線（同時用來發送和接收數據），雙天線（一根用於發送，一根用於接收）
    • 電感耦合天線
    • 電磁耦合天線
  • 高頻接口模塊：
    • 主要功能：供能、調制、解調
  • 信號處理與控制模塊：
    • 主要功能：應用接口、控制通信、編解碼、防碰撞、加解密、身份認證
• RFID技術的特點：
  1. 讀取方便快捷：數據讀取無需光源，甚至可以透過外包裝來進行。有效識別距離更大，采用自帶電池的主動標簽時，有效識別距離可達30米以上
  2. 識別速度快：標簽一進入磁場，解讀器就可以即時讀取其中的信息，且能夠同時處理多個標簽，實現批量識別
  3. 數據容量大：可以根據用戶需求擴充到幾十K
  4. 使用壽命長，應用範圍廣：無線電通訊方式使其可以用於粉塵、油汙等高汙染環境和放射性環境，而且其封閉式包裝使得其壽命大大超過印刷的條形碼
  5. 標簽數據可以動態更改：編程器可以寫入數據
  6. 更好的安全性
  7. 動態實時通信
• RFID技術標準：EPC規範、UID規範等

無線網絡技術

• 藍牙、ZigBee、Z-wave、RFID、NFC、UWB、WI-FI等

• 藍牙：短距離通訊，簡化移動通信終端設備之間的通信

  • 將設備網狀鏈接
  • 距離等級 1:100m，2:10m，3:2-3m，一般在10米之內
  • 通訊前需要先匹配，設備分為主設備和從設備
  • 藍牙手機只能匹配7個藍牙設備，PC可以匹配十多個或數十個藍牙設備，同一時間只支持點對點通訊

• ZigBee（紫峰）：近距離、低復雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通訊技術

  • 數傳模塊類似於移動網絡基站

  • 通信距離從75m可以無限擴展

  • 由可多到65000個無線數傳模塊組成的一個無線網絡平臺，每個網絡模塊間可以相互通信

  • 低功耗、成本低、延時短、容量大、可靠安全

  • 應用於：

    • 智能家居
    • 電子設備
    • 工業控制
    • 醫療設備控制

物聯網技術簡介(科普)