物联网技术及应用02 感知与识别技术课件.ppt

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1、第2章 感知与识别技术,在物联网体系中，感知与识别技术是物联网的底层基础技术，是负责感知和获取“物”的各种特征信息，和对“物”进行识别的前端技术，它是物联网的末端神经和触角，在物联网体系中占有重要地位。本章主要学习感知和识别物体信息的4种核心技术的原理、特点及应用。,2.1 传感器及检测技术,2.1 传感器,定义：传感器一般由敏感元件、转换元件和变换电路3部分组成 。,2.1.1 传感器,应用：,2.1.1 几种现代传感器（1）微型传感器,微型传感器不是传统传感器简单的物理缩小，而是以新的工作机制和物化效应，使用标准半导体工艺兼容的材料，通过MEMS（Micro-Electro-Mechani

2、cal Systems）加工技术产生的新一代传感器件，具有小型化、集成化、成本低的特点，可以极大地提高传感器性能。,微型传感器的面积大多在1mm2以下，体积只有传统传感器的几十分之一乃至几百分之一，质量从千克级下降到几十克乃至几克。在许多领域得到了越来越广泛的应用，如医疗、汽车、生物等行业已普遍使用。许多常规传感器不能胜任的工作，通过使用微传感器就可以很好地完成。微传感器已经成为21世纪传感器的重要发展方向。,2.1.1 几种现代传感器（2）智能传感器,智能传感器(美国人称为Smart Sensor，英国人称为Intelligent Sensor)是传感器集成化与微处理机相结合的产物，具有信息

3、采集、处理和交换的能力。感器设备巨头美国Honeywell公司给出的定义是：“一个良好的智能传感器是由微处理器驱动的传感器与仪表套装，并且具有通信与自诊断等功能，为监控系统和操作员提供相关信息，以提高工作效率及减少维护成本。”因此，智能传感器是将传感器的敏感元件、信号调理电路、微处理器MPU(MicroProcessor Unit)及数字信号接口电路集成在一块芯片上构成。,3大优点：通过软件技术可实现高精度的信息采集，而且成本低；具有一定的自动化编程能力；功能多样化。,2.1.1 几种现代传感器（3）数字传感器,数字传感器是基于传统的模拟传感器基础上，集成了A/D转换模块、CPU处理模块等相关

4、功能模块，使其输出信号为数字量(或数字编码)的传感器。主要由模拟传感器、放大器、A/D转换器、计算机芯片（CPU）、存储器、通信接口电路等组成。,优点：稳定性及抗干扰能力强。适合于电磁干扰强和喜好距离远的工作场所。采用软件实现传感器的线性、零点、额定输出温漂、蠕变等性能参数的综合补偿，提高了传感器的可靠性和精度。数字传感器能自动采集数据并可预处理、存储和记忆，具有唯一标记，便于故障诊断。传感器采用标准的数字通讯接口，可直接连入计算机，也可与标准工业控制总线连接，使用方便灵活。,2.1.1 几种现代传感器（4）一体化传感器,一体化传感器是将若干种敏感元件组装在同一种材料或单独一块芯片上的一体化多

5、功能传感器。例如，温、湿度传感器、多功能气体传感器以及可测量脉搏、心电、血氧饱和度（SpO2）等人体不同生理信号的健康传感器等。,网络化传感器是利用TCP/IP协议，使现场测控数据就近接入网络，并与网络上有通信能力的节点直接进行通信，实现数据的实时发布与共享。传感器网络化的目的是采用标准的网络和通信协议，同时采用模块化结构将传感器和网络技术有机的结合起来，形成传感器网络，简称传感网，其典型代表就是无线传感网WSN。,（5）网络传感器,2.1.3 智能检测系统,定义：是以微处理器为核心的信号检测系统。组成：5个部分传感器信号的提取；调理电路信号的预处理，即整形、放大、滤波等； A/D、D/A及其

6、它转换元件信号的转换；微处理器信号的处理，如单片机、微控制器MCU（Micro Control Unit）、数字信号处理器DSP（Digital Signal Processor）等；通信信号的传输，如串行或并行标准通信接口、现场总线或Ethernet/Internet等。,2.1.3 智能检测系统,类型：在硬件结构上分为集中式和分布式两种,2.2 自动识别技术,所谓自动识别技术就是应用一定的识别装置，通过识别装置与物品的接近，自动地获取被识别物品的相关信息，并提供给后台的计算机处理系统来完成相关后续处理的一种技术。完整的自动识别管理系统包括3部分：自动识别系统AIDS（Auto Identi

7、fication System）应用程序接口API (Application Interface)或者中间件应用系统软件AS（Application Software）。,1. 磁卡识别技术,磁卡识别技术是最早使用的卡类信息识别技术，是以具有信息存储功能的特殊材料，如液体磁性材料或磁条为信息载体，将液体磁性材料涂印在基片上（如存折），或将宽约614mm的磁条压贴在基片上（如常见的银联卡）通过高温热压缩形成的一种卡片状的磁性记录介质，与各种读卡器配合使用。优点及应用：磁卡可以方便地写入、储存、改写信息内容，具有可靠性强、记录数据密度大、误读率低，信息输入、读出速度快、信息读写相对简单容易，使用方

8、便，成本低，从而较早地获得了发展，并进入了多个应用领域，遍布人类生活的方方面面。如可用于制作信用卡、银行卡、社保卡、证券交易卡、地铁卡、公交卡、门票卡、电话卡、电子游戏卡、车票、机票以及各种交通收费卡等。今天在许多场合我们仍然会用到磁卡，如在食堂就餐，在商场购物，乘公交、地铁等等。缺点：需不定期充磁激活。,2. IC卡识别技术,IC卡(Integrated Circuit ，简称IC卡)，即集成电路卡，是将集成电路芯片镶嵌于塑料基片的指定位置上，以存储、读取和修改信息。特点及应用：便于携带、存储量大、保密性好、无法被破译及仿造。40年来，已被广泛应用于金融、交通、通讯、医疗、身份证明等众多领域

9、。3种类型：存储器卡、逻辑加密卡和CPU卡（智能卡）。存储器卡：适合于仅以IC 卡作为数据的转存介质或有软件加密而不担心被篡改的系统，价格较低；逻辑加密卡：通过设置卡上的密码区域来控制卡的读写，价格适中，目前应用数量最大；智能卡 ( Smart Card) ：集成电路中带有微处理器，自身就可以进行数据计算和信息处理，同时能够利用随机数和密钥进行卡与设备的相互验证，安全性高。,3. 光学字符识别技术,光学字符识别OCR：(Optical Character Recognition)是指通过电子设备，如扫描仪或数码相机等，对文本资料进行扫描，然后对图像文件进行分析处理，获取文字及版面信息的过程。如

10、扫描仪、摄像机、录像机、刻录机、光电传感器等。识别过程：图像输入1预处理2版面分析3字符切割4特征提取5识别对比6后处理7人工校正8输出结果9。,4. 生物识别技术,生物识别技术是指依靠人的身体特征来进行身份验证的一种人物识别技术。 用于识别的身体特征：生物特征和行为特征 生物特征：指纹、声音、面部、骨架、视网膜、虹膜、DNA等；行为特征：签名的动作、行走的步态、击打键盘的力度等。 技术核心：如何获取这些特征，并将其转换为数字信息，存储于计算机中，再利用可靠的匹配算法来完成验证与识别过程。生物识别系统识别的对象是人，因此要求能实时、迅速、有效地完成其识别过程。 识别过程：主要包括采集、解码、比

11、对和匹配4个处理过程。 类型：主要有语音识别、指纹识别、面部识别、视觉识别等技术。,（1）语音识别技术 定义：语音识别是一种将人讲话发出的语音信号，识别（转换）成为一种能够表达通信消息的符号序列。 核心：由于每个人的说话声音不同，语音识别重在识别或确认发出语音的说话人本身，而非其中所包含的词汇内容。 类型：从说话者与识别系统的相关性来说，可以将识别系统分为3类： 特定人语音识别系统：仅考虑对于专人的话音进行识别； 非特定人语音识别系统：识别的语音与人无关，通常要用大量不同人的语音数据库对识别系统进行学习； 多人的识别系统：通常能识别一组人的语音，或者成为特定组语音识别系统，该系统仅要求对要识别

12、的那组人的语音进行训练。,（2）指纹识别技术 关键：每个人包括指纹在内的皮肤纹路在图案、断点和交叉点上各不相同，呈现唯一性且终生不变的特点。这种唯一性和稳定性是指纹识别技术的关键。,图2-16 人体指纹形状典型图例,（2）指纹识别技术 识别过程：主要包括对指纹图像的采集、图象处理（包括极值滤波、二值化、细化等）、特征提取、特征值的比对与匹配等过程。,（3）面像识别技术（人脸识别） 定义：是以人的脸型识别为核心，通过分析面部特征的唯一形状、模式和位置来辩识人，也叫人脸识别技术或脸谱识别。 技术特征：利用计算机图像处理技术从视频中提取面像特征，通过生物统计学原理进行分析建立数学模型，采用区域特征分

13、析算法完成计算识别 。 人脸图像采集方法：主要有标准视频和热成像技术。 标准视频技术是通过一个标准的摄像头摄取面部图像；热成像技术是通过分析由面部毛细血管的血液产生的热线来产生脸谱图像。热成像技术并不需要在较好的光源条件下，因此即使在黑暗情况下也可以使用。 应用：目前常用的是高质量摄像机，判断速度相当快，只需要0.01秒左右，而且具有存储功能。只要把一些具有潜在危险性的“重点人物”的“脸部特写”输入系统，一旦发现其擅自闯关，就会在0.01秒之内被捕获，同时，系统还会向安保中心“报警”。,（4）视觉识别技术 类型：是通过分析眼睛独特特征的一种生物识别技术，主要包括虹膜识别技术和视网膜识别技术。

14、人眼结构：人眼睛的外观图由巩膜、虹膜、瞳孔三部分构成，如图2-19所示。,图2-19 眼睛的结构,虹膜：是位于眼睛白色巩膜和黑色瞳孔之间的圆环状部分，每一个虹膜都包含独一无二的纹理信息，优势：唯一性、非接触、稳定性、便于信号处理、防伪性好等。 视网膜：是眼睛底部的血液细胞层，具有极其固定和隐秘的生物特征，比虹膜更具唯一性。缺点：是激光照射眼球的背面可能会影响使用者健康。 特征：虹膜和视网膜的特征由遗传基因决定，具有唯一性、高度稳定性和非接触性，是视觉识别技术用以身份鉴别的基础。缺点：是很难将图像获取设备的尺寸小型化，因聚焦而需要昴贵的摄像头，一个这样的摄像头最低价为7000美元。黑眼睛极难读取

15、，镜头可能产生图像畸变而使可靠性降低；需要一个比较好的光源，所以目前难以普及使用。,（4）视觉识别技术,2.3 条码识别技术（略）,2.4 射频识别技术,RFID系统的组成,4部分：电子标签阅读器射频天线后台计算机,（1）电子标签 定义：电子标签，也称射频卡（Radio Frequency ，简称RF卡）或应答器，装设在被识别的物体对象上。 组成： “耦合元件+芯片”，其中包含带加密逻辑、电可擦除、可编程只读存储器EEPROM、微处理器CPU、射频收发及相关电路。 功能：电子标签具有智能读写和加密通信的功能。通过无线电波与读写设备进行数据交换，工作的能量是由阅读器发出的射频脉冲提供。 特点：每

16、个电子标签具有唯一的EPC标识，利用阅读器，可以方便、精确的了解物品信息。,RFID系统的组成,4部分：电子标签+阅读器+射频天线+后台计算机,RFID系统的组成,4部分：电子标签+阅读器+射频天线+后台计算机,（2）阅读器(Reader) 定义：阅读器，也称为读写器、查询器、读卡器等 功能：主要负责将主机的读写命令加密后传送到电子标签，将电子标签返回的数据初始化、解密后送到主机。 组成：主要由收发模块+控制模块（微处理器）+接口电路+天线等4部分组成。见图2-36所示。,RFID系统的组成,4部分：电子标签+阅读器+射频天线+后台计算机,（3）天线(Antenna) 定义：是一种以电磁波的形

17、式把前端射频功率信号接收进来或辐射出去的装置，是电路与空间的界面器件。 功能：实现行波与自由空间波能量的转化。 类型：电子标签天线和读写器天线。电子标签天线和电子标签集成为一体，负责接收能量；读写器天线既可内置于读写器中，也可以通过同轴电缆与读写器的射频输出端口相连，用来发射能量。,（4）后台处理机(Processor) 后台处理机即主计算机系统。RFID通过阅读器的RS232或RS485标准接口与后台处理机连接，进行数据交换。 功能：主要完成数据信息的存储及管理、对电子标签进行读写和控制和管理等功能。,2. RFID系统的工作原理,安装在固定位置的阅读器通过发射天线发送一定频率的射频信号，当

18、装设有电子标签的设备进入发射天线工作区域时，电子标签内产生感应电流，获得能量被激活； 电子标签将自身编码等信息通过卡内置发送天线发送出去； 系统接收天线接收到电子标签发送来的载波信号，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，送到后台主系统进行相关处理； 主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。,2. RFID的中间件,定义：RFID中间件（Middleware）是指连接RFID阅读器和用户应用程序的一组通用的应用程序接口API（Application Programming Interface）。 特点：中间件是

19、API定义的一个软件层，是一组独立的系统软件或服务程序，在硬件(RFID Reader)和软件（用户应用程序）之间起中间桥梁的作用，完成与上层复杂应用的信息交换，相当于RFID技术的神经中枢。 任务：主要是对读写器传来的数据进行过滤、汇总、计算、分组，减少从读写器传往应用系统的大量原始数据、生成加入了语义解释的事件数据。具体分3个方面，即隔离应用层与设备接口，处理读写器与传感器捕获的原始数据，提供应用层接口用于管理读写器、查询RFID观测数据。,组成：由读写适配器+事件管理器+应用程序接口3个组件组成。如图2-38所示。,3. RFID的中间件,读写适配器：提供一种通用标准的读写器应用接口，消

20、除不同读写器与API之间的差别； 事件管理器：进行数据预处理，按照规则取得制定的数据。 应用程序接口：提供一个基于标准的服务接口，为RFID数据的收集提供应用程序层语义，以满足大量应用的需要。,4. RFID的技术标准,定义：RFID的硬件、软件技术和应用的全球通用规范。 类型（4类）：技术标准（软、硬件技术标准）；数据内容与编码标准（电子标签数据编码格式、语法标准等）；性能与一致性标准（测试规范等）；应用标准（船运标签、产品包装标准等）。 3个主要国际标准体系：ISO/IEC国际标准体系、美国麻省理工学院Auto-ID Center的EPC global标准体系和日本泛在中心（Ubiquit

21、ous ID Center，简称UIC）的UIC标准体系。 ISO/IEC 标准体系：ISO/IEC是信息技术领域内最重要的标准化组织。根据ISO/IEC JTC31 RFID技术的标准化工作计划，将RFID的国际标准分为空中接口标准、数据结构标准、一致性测试标准和应用标准4个方面。,4. RFID的技术标准,EPC global标准体系：EPC global是由美国统一代码委员会(UCC)和国际物品编码协会(EAN)于2003年联合发起成立的一个独立的非盈利性机构，以推广RFID电子标签的网络化应用为宗旨，发布了EPC电子标签和读写器方面的技术标准，负责EPC global号码注册管理组织。

22、 EPC global研究范围：RFID技术特性(含电子标签和阅读器的技术特性)、EPC编码体系、目标命名业务ONS（Object Name Service）、描述物品信息的标准化语言4个方面。,UIC标准体系：日本UIC成立于2003年3月，制定RFID标准的思路类似于EPC global，目标也是构建一个完整的标准体系。但每部分的具体内容有所不同：在编码方面制定了UCode，兼容日本现有编码体系和国际其它编码体系；在空中接口方面也尽量考虑与ISO/IEC标准兼容；在信息共享方面，主要依耐日本的泛在网络，可独立于因特网实现信息共享。,4. RFID的技术标准,中国的标准化情况,必要性：RFI

23、D标准的制定是促进产业发展的基础性工作，只有推出基于自主知识产权的标准和符合标准的产品，才能掌握RFID产业发展的主动权。 进展情况： “十一五”：国家“863”计划完成20-25项RFID标准的制定工作，主要是编码、空中接口协议、测试和应用标准。目前已经完成了13项国家标准的立项，10项草案也正在申请立项。 “十二五”：物联网标准化发展目标是，要研究制定200项以上国家和行业标准，包括： 标准体系框架：明确急需标准和重点标准。 共性和关键技术标准：包括物联网标识和解析、应用接口、数据格式、信息安全、网络管理等基础共性标准；智能传感器、超高频和微波RFID、传感网、M2M、服务支撑等关键技术标

24、准。 行业应用标准：形成一系列具有推广价值的行业应用标准。,5. 无线定位技术,定义：是指用来判定移动用户位置的测量和计算方法，即定位算法。简单地说，就是通过对接收到的无线电波的一些参数进行测量，再利用定位算法计算出被测目标的具体位置。 技术类型：主要有时差定位技术、信号到达角度测量技术、到达时间定位技术和到达时间差定位技术等。 方法：室外全球定位技术和室内近距离定位技术。,（1）室外全球GPS定位系统,定义：GPS（Global Position System）是以人造卫星为基础的无线电导航定位系统，是目前世界上最常用的卫星导航系统。 原理：GPS使用24颗人造卫星所形成的网络来三角定位接受

25、器的位置，并提供经纬度坐标，可以达到准确定位。但GPS定位的位置需要在可看见人造卫星或轨道所经过的地方，因此只用于室外定位。,（1）室外全球GPS定位系统,技术功能：是结合了GPS技术、图像处理技术、无线通信技术及GIS技术的定位技术，可实现跟踪定位、轨迹回放、地图制作、里程统计、车辆信息管理、监控和调度、短信通知、语音提示和报警等功能。 系统组成：完整的GPS系统由3个独立部分组成宇宙空间部分：由24颗人造卫星构成，其中21颗工作，3颗备用。24颗卫星均匀分布在6个轨道面上，使地球表面任何地方在任一时刻都有至少6颗卫星在视线之内，可达到准确定位和跟踪。 地面监控系统：由1个主控站、6个监测站

26、、4个地面天线组成。负责收集由卫星传回的信息，并计算卫星星历、相对距离，大气校正等数据。 用户设备部分：即用户GPS信号接收机，主要功能是接收GPS卫星发射的信号，以获得必要的导航和定位信息，经数据处理，完成导航和定位工作。,基本原理：GPS导航系统不断地发射导航电文，当用户接收机捕获到跟踪的卫星信号后，就可测量出接收天线至卫星的距离及其变化率，然后综合多颗卫星的数据解调出卫星轨道参数等数据；再由接收机中微处理机按定位解算方法进行定位计算，得出用户所在地的位置信息，包括经纬度、高度、速度、时间等，并根据周围环境和路线标志给予语音和图形提示。应用：随着物联网技术的发展和应用，GPS导航、跟踪和定

27、位系统已广泛应用于各行各业和人们的生活当中。现实生活中，GPS定位主要用于对移动的人、宠物、车及设备进行远程实时定位、跟踪和监控。如各种出租车、长途客车、货运车辆、物流车辆等的跟踪和监控调度指挥系统；小孩、老人、盲人、病人的定位系统；军队演习操控调度指挥监控系统；公安部门对罪犯的侦探、跟踪系统；运动员训练路线跟踪系统等等。,（1）室外全球GPS定位系统,（2）AGPS定位技术,定义：辅助全球卫星定位系统AGPS（Assisted GPS）是结合网络基站GSM/GPRS信息与GPS定位技术，利用基地台代送辅助卫星信息对移动目标进行定位。 AGPS技术是在传统的GPS技术上改用GPRS线路进行数据

28、传输，将原有GPS芯片直接找卫星改成找基站辅助，是一种更为先进的定位技术。可以在GSM/GPRS、WCDMA和CDMA2000网络中使用。该技术需要在手机内增加GPS接收机模块，并改造手机天线，同时要在移动网络上加建位置服务器、差分GPS基准站等设备。总之AGPS技术目前，AGPS的方案提供商主要是美国高通公司。 特点：AGPS能够缩减GPS芯片获取卫星信号的延迟时间，受遮盖的室内也能借基地台信号弥补，减轻GPS芯片对卫星的依赖度，能提供范围更广、更省电、速度更快的定位服务，理想误差范围在10m以内。日本和美国都已经成熟运用AGPS于LBS（Location Based Service，适地性

29、服务）服务。,组成：GPS手机+网络基站+位置服务器+GPS 工作原理： AGPS手机将其的基站地址通过网络传输到位置服务器； 位置服务器将与该位置相关的GPS辅助信息（包含GPS的星历和方位俯仰角等）传输到手机； 手机的AGPS模块根据辅助信息（以提升GPS信号的第一锁定时间能力）接收GPS原始信号； 手机解调GPS原始信号并计算手机到卫星的距离，通过网络传输到位置服务器； 位置服务器据此完成对GPS信息的处理，估算手机的位置，并通过网络传输到定位网关或应用平台，完成手机用户的定位。,（2）AGPS定位技术,（3）室内定位技术,红外线/超声波测距定位技术,GPS和AGPS只能用于室外定位，室

30、内定位技术主要有红外线/超声波定位技术、ZigBee/UWB定位技术、RFID定位技术、Wi-Fi/蓝牙定位技术等。,红外线IR (Infrared Ray)定位原理：红外线发射器发射的红外射线，通过安装在室内的光电传感器接收进行定位。 特点：定位精度高，但光线受障碍物影响，只能短距离定位。 超声波UW(Ultrasonic Wave)的定位原理：与GPS基本相同，但采用反射法测距。即发射超声波并接收由被测物反射的回波，根据回波与发射波的时间差计算出待测距离。 特点：整体定位精度较高，结构简单，但超声波受多径效应和非视距传播影响很大，同时需要大量的底层硬件设施投资，成本太高。,红外线/超声波测

31、距定位技术,红外线-超声波(IR-UW)结合定位：是一种新的定位技术，会使定位距离扩大一倍，系统功耗大大减小。原理如图所示。,ZigBee/UWB定位技术,ZiBee定位原理：通过收集基于链路信号强度的RSSI（Received Signal Strength Indicator）技术和基于链路信号质量的LQI（Link Quality Indicator）实现定位。 由于距离不同所收到信号的强度和质量也不同，在随机移动的过程中，通过对链路信号强度和质量的对比，可以确定接收到最近节点的位置，即可通过参数计算出待测点的位置坐标。 典型代表：CC2431和CC2430片上系统，可实现35米的短距离

32、定位。 UWB(Ultra Wide Band)定位：通过发送和接收具有纳秒或纳秒级以下的极窄脉冲来传输数据，和比较流行的到达时间差定位(TDOA)算法，可实现室内精确定位。,RFID定位技术,原理：利用射频方式进行非接触式、双向通信交换数据实现识别和定位。类似于在关键位置安排众多看守人员对过往物品进行登记，需要寻找特定物体的时候只要查询一下看守人员的登记信息就可以了。 特点：作用距离短，一般最长为几十米。但它可以在几毫秒内得到厘米级定位精度的信息，且传输范围很大，成本较低。同时由于其非接触和非视距等优点，是一种优选的室内定位技术。缺点是作用距离近，不具有通信能力，而且不便于整合到其他系统之中

33、。 研究热点：RFID研究的热点和难点在于理论传播模型的建立、用户的安全隐私和国际标准化等问题。 应用：它可以由用户自己布置在特定区域进行定位，例如停车场、滑雪场等。在这些区域的特定地点（例如关键出入口）安放射频标签识读器之后，系统可以实时检测到带有RFID装置的物体处于什么位置。,Wi-Fi/蓝牙定位技术,原理：Wi-Fi(IEEE802.11)和蓝牙是目前较为常用的两种无线网络协议（详见3.2），主要是根据信号强度来实现定位的。 Wi-Fi特点：收发器只能覆盖半径90米以内的区域，因此，只适用于小范围的定位，成本较低。但很容易受到其他信号的干扰，从而影响其精度，定位器的能耗也较高。 蓝牙特点：设备体积小、易于集成在PDA、PC以及手机中，因此很容易推广普及。其不足在于蓝牙器件和设备的价格比较昂贵，而且对于复杂的空间环境，蓝牙系统的稳定性稍差，受噪声信号干扰大。 除了以上提及的定位技术，还有基于计算机视觉定位、光跟踪定位、基于图像分析的定位技术、信标定位、三角定位技术等。,