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1、衢州市专业技术人员继续教育公需课讲义物联网技术衢州市人力资源开发服务中心目 录第一章：绪论1第二章：射频识别技术5第三章：传感器及检测技术12第四章：物联网通信与网络技术17第五章：无线传感网24第六章：物联网数据融合及管理30第七章：云计算34第八章：物联网规划设计与构建39第一章 绪论一、物联网的基本概念1物联网概念的提出物联网概念最早出现于比尔盖茨1995年出版的未来之路一书，当时并未引起世人的重视。1998年，美国麻省理工学院（MIT）创造性地提出了EPC系统的“物联网”构想。1999年，美国Auto-ID首先提出“物联网”的概念。2005年，国际电信联盟（ITU）正式提出了物联网的概
2、念。2008年在苏黎世举行了全球首个国际物联网会议“物联网2008”。IBM首席执行官彭明盛首次提出“智慧地球”的概念。2009年8月温家宝总理在无锡提出“感知中国”的理念，标志着中国政府对物联网产业的关注已提升到国家战略层面。2009年9月，“传感器网络标准工作组成立大会”在北京举行，11月中国移动与无锡市人民政府签署“共同推进TD-SCDMA与物联网融合”的战略合作协议，成立中国移动物联网研究院。2010年，我国正式成立传感（物联）网技术产业联盟。2物联网的定义物联网通过各种信息传感设备及系统（传感网，射频识别系统，红外感应器，激光扫描器）、条码与二维码、全球定位系统，按约定的通信协议，将
3、物与物、人与物、人与人连接起来，通过各种接入网、互联网进行信息交换，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种信息网络。该定义的核心是物联网的主要特征是每个物件都可以寻址，每个物件都可以控制，每个物件都可以通信。3物联网的基本属性物联网的核心要素可归纳为“感知、传输、智能、控制”，具体有四个基本属性： （1） 全面感知：利用RFID、传感器、二维码等智能感知设施，可随时随地感知、获取物体的信息； （2）可靠传输：通过各种信息网络与计算机网络的融合，将物体的信 息实时准确地传送到目的地； （3）智能处理：利用数据融合及处理、云计算等各种计算技术，对海量的分布式数据信息进行分析、融合和处理，向
4、用户提供信息服务； （4）自动控制：利用模糊识别等智能控制技术对物体实施智能化控制和利用。 4.物联网的主要类型按物联网的用户范围分，可分为公用物联网和专用物联网；按接入网络的复杂程度分，可分为简单接入和多跳接入网络；按应用类型分，可分为数据采集应用、自动化控制应用、日常便利性应用及定位类型应用等。二、物联网的体系结构1. 物联网的自主体系结构一种采用自主通信技术的物联网自主体系，所谓自主通信是指以自主件为核心的通信。物联网自主体系结构由四个部分组成：数据面、控制面、知识面和管理面。数据面主要用于数据分组的传送；控制面通过向数据面发送配置信息，优化数据面的吞吐量，提高可靠性；知识面是最重要的一
5、个面，它提供整个网络信息的完整视图，并且提炼成为网络系统的知识，用于指导控制面的适应性控制；管理面用于协调数据面、控制面和知识面的交互，提供物联网的自主能力。其自主特征主要是由STP/SP 协议栈和智能层取代了传统的TCP/IP协议栈。2物联网的EPC体系结构EPC即电子产品代码，物联网的EPC体系结构主要由EPC 编码体系、射频识别系统及信息网络系统三个部分组成。EPC物联网系统是在计算机互联网基础之上，通过中间件系统、对象名解析服务和EPC信息服务来实现物物互联。3物联网的UID体系UID体系是一个开放性的技术体系，目的是为了建立和普及自动识别物品所需的基础性技术，实现计算无处不在。三、物
6、联网体系结构构架1一种实用的层次结构性物联网体系结构：如下图所示，根据物联网服务类型和节点等情况，物联网由感知层、接入层、网络层和应用层组成。2物联网体系结构架构原则物联网的主要目的是从应用出发，利用互联网、无线通信技术等进行业务数据的传送，是互联网、移动通信、自动化控制等技术的综合应用，设计物联网体系结构时应遵循以下原则：多样性、时空性、互联性、扩展性、安全性、健壮性原则。 四、物联网系统基本组成从物联网系统组成来看，可分为硬件平台和软件平台两大部分。1物联网硬件平台组成物联网是以数据为中心的面向应用的网络，主要完成信息感知、数据处理、数据回传，以及决策支持等功能。 如下图所示：其硬件平台由
7、传感网、核心承载网和信息服务系统等几个大的部分组成。其中传感网包括感知节点（数据采集、控制）和末稍网络（汇聚节点、接入网关等）；核心承载网为物联网业务的基础通信网络；信息服务系统主要负责信息的处理和决策支持。物联网硬件平台示意图（1）感知节点感知节点由各种类型的采集和控制模块组成，如温度传感器、声音传感器、振动传感器、压力传感器、RFID读写器、二维码识读器等，完成物联网应用的数据采集和设备控制等功能。（2）末稍网络末稍网络即接入网络，包括汇聚节点、接入网关等，完成应用末稍感知节点的组网控制和数据汇聚，或完成向感知节点发送数据的转发等功能。（3）核心承载网核心承载网络可以有很多种，主要承担接入
8、网与信息服务系统之间的数据通信任务。根据具体应用需要，承载网络可以是公共通信网，譬如2G、3G、4G移动通信网、WiFi、WiMAX、互联网，以及企业专用网，甚至是新建的专用于物联网的通信网。（4）信息服务系统硬件设施物联网信息服务系统硬件设施由各种应用服务器（包括数据库服务器）组成，还包括用户设备（如PC、手机）、客户端等。2物联网软件平台组成一般来说，物联网软件平台建立在分层的通信协议体系上，通常包括数据感知系统软件、中间件系统软件、网络操作系统（嵌入式系统）以及物联网管理和信息中心的管理信息系统等。（1）数据感知系统软件数据感知系统软件主要完成物品的识别和物品EPC 码的采集和处理，主要
9、由企业生产的物品、物品电子标签、传感器、读写器、控制器、物品代码（EPC）等部分组成。（2）物联网中间件系统软件中间件是位于数据感知设施（读写器）与在后台应用软件之间的一种应用系统软件。中间件具有两个关键特征：一是为系统应用提供平台服务，这是基本条件；二是需要连接到网络操作系统，并保持运行工作状态。（3）网络操作系统物联网通过互联网实现物理世界中的任何物品的互联，在任何地方、任何时间可识别任何物品，使物品成为附有动态信息的“智能产品”，并使物品信息流和物流完全同步，从而为物品信息共享提供一个高效、快捷的网络通信及云计算平台。（4）物联网信息管理系统物联网也要管理，类似于互联网上网络管理。五、物
10、联网的关键技术物联网关键技术可分为感知技术、网络通信技术、数据融合与智能技术、云计算等。1节点感知技术节点感知技术是实现物联网的基础。它包括用于对物质世界进行感知识别的电子标签、新型传感器、智能化传感网节点技术等。（1） 电子标签在感知技术中，电子标签用于对采集点信息进行标准化标识，通过射频识别读写器、二维码识读器等实现物联网应用的数据采集和设备控制。RFID（射频识别）通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据， 识别过程无须人工干预， 可工作于各种恶劣环境。RFID技术可识别高速运动物体并可同时识别多个标签，操作快捷方便。RFID与条形码相比，优势是1）阅读器可以同时识读多个RFID标签2
11、）阅读时不需要光线，不受非金属覆盖的影响，恶劣条件下可读取3）存储容量大，可反复读写4）可以在高速运动中读取。RFID主要存在的技术难点有1）反碰撞、防冲突问题2）天线研究3）工作频率的选择4）安全与隐私问题。（2）新型传感器传统传感器正向微型化、智能化、信息化、网络化发展。六、节点组网及通信网络技术1.传感网技术传感网（WSN）是集分布式数据采集、传输和处理技术于一体的网络系统，以低成本、微型化、低功耗和灵活的组网方式、铺设方式和适合移动目标等特点受重视。目前，面向物联网的传感网主要涉及以下几个关键技术：（1）传感网体系结构及底层协议（2）协同感知技术（3）对传感网自身的监测与自组织（4）传
12、感网安全（5）Zigbee技术2.核心承载网通信技术核心承载网有多种，可以是公共通信网，如2G、3G移动通信网、互联网、无线局域网、企业专用网等。3.互联网技术; 若将物联网建立在数据分组交换技术基础之上，则将采用数据分组网（即IP 网）作为核心承载网。七、数据融合与智能技术1数据融合与处理所谓数据融合是指将多种数据或信息进行处理，组合出高效、符合用户要求的信息的过程。2海量数据智能分析与控制海量数据智能分析与控制是指依托先进的软件工程技术，对物联网的各种数据进行海量存储与快速处理，并将处理结果实时反馈给网络中的各种“控制”部件。智能分析与控制技术主要包括人工智能理论、先进的人-机交互技术、智
13、能控制技术与系统等。八、云计算云计算是一个美好的网络应用模式，由Google首先提出。云计算最基本的概念是透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，再交由多部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。云计算是分布式计算技术的一种，可以从狭义和广义两个角度理解。狭义的云计算是指IT基础设施的交付和使用模式，指通过网络以按需、易扩展的方式获得所需的资源；广义云计算是指服务的交付和使用模式，指通过网络以按需、易扩展的方式获得所需的服务。这种服务可以是IT与软件、互联网相关的，也可以是任意其它的服务，它具有超大规模、虚拟化、可靠安全等独特功效。云计算的核心是要提供
14、服务。如Microsoft的云计算有三个典型特点：即软件+服务、平台战略和自由选择。未来的互联网世界将会是“云+端”的组合，用户可以便捷地使用各种终端设备访问云端中的数据和应用，这些设备可以是便携式计算机和手机，甚至是电视等大家熟悉的各种电子产品，同时用户在使用各种设备访问云中服务时，得到的是完全相同的无缝体验。 物联网的发展需要“软件即服务”、“平台即服务”、按需计算等云计算模式的支撑，云计算是物联网应用发展的基石。 云计算以下面几种方式支撑物联网的应用发展：1单中心、多终端应用模式2多中心、多终端应用模式3信息与应用分层处理，海量终端应用模式云计算的关键技术是虚拟化技术。通过虚拟化技术，单
15、个服务器可以支持多个虚拟机运行多个操作系统和应用，从而提高服务器的利用率。虚拟机的核心技术是虚拟机监控程序。第二章 射频识别技术传感网技术是物联网技术中一项格外重要的技术。物联网正是通过遍布在各个角落和物体上的形形色色的传感器节点以及由他们组成的传感网，来感知整个物质世界的。物联网与互联网的业务是不同的，互联网是全球化的，只要计算机接入互联网就与全球相连。物联网是区域性的，它建设在互联网之上，但并不是任何人、任何物品都能接入的。一、射频识别技术概述1射频识别技术定义射频识别（RFID）是非接触式的自动识别技术，利用射频信号及其空间耦合的传输特性实现对静止或移动物品的自动识别。射频识别常称为感应
16、式电子芯片或近接卡、感应卡、非接触卡、电子标签、电子条码等。一个简单的RFID由阅读器、应答器、和电子标签组成。其原理是由读写器发射一特定频率的无线电波能量给应答器，用以驱动应答器电路，读取应答器内部的ID码。应答器其形式有卡、钮扣、标签等多种类型，电子标签具有免用电池、免接触、不怕脏污，且芯片密码为世界惟一无法复制，安全性高、长寿命等特点。所以，RFID标签可以贴在或安装不同物品上，由安装在不同地理位置的读写器读取存储于标签中的数据，实现对物品的自动识别。RFID的应用非常广泛，目前典型应用有动物芯片、汽车芯片防盜器、门禁管制、停车场管制、生产线自动化、物料管理、校园一卡通等。射频识别的主要
17、特点是通过电磁耦合方式来传送识别信息，不受空间限制，可快速地进行物体跟踪和数据交换。除此之外还具有如下特点：数据的读写功能、电子标签的小型化和多样化、耐环境性、可重复使用、穿透性、数据的记忆容量大、系统安全性等。2RFID技术分类对RFID技术，可依据标签的供电形式工、工作频率、可读性和工作方式进行分类。（1）根据标签的供电形式分：有源式电子标签、无源式电子标签、半有源式电子标签 1）有源电子标签有源式电子标签通过标签自带的内部电池进行供电，它的电能充足，工作可靠性高，信号传送的距离远。有源式标签的缺点主要是价格高，体积大，标签的使用寿命受到限制，而且随着标签内电池电力的消耗，数据传输的距离会
18、越来越小，影响系统的正常工作。 2）无源电子标签无源式标签的内部不带电池，需靠外界提供能量才能正常工作。无源式标签具有永久的使用期，常常用在标签信息需要每天读写或频繁读写多次的地方，而且无源式标签支持长时间的数据传输和永久性的数据存储。无源式标签的缺点主要是数据传输的距离要比有源式标签短，但它的价格、体积、易用性决定了它是电子标签的主流。 3）半有源标签半有源标签内的电池供电仅对标签内要求供电维持数据的电路或者标签芯片工作所需电压的辅助支持，为本身耗电很少的标签电路供电。 （2）根据标签的工作频率分：低频段电子标签、中高频段电子标签、超高频与微波标签 1）低频段电子标签 低频段电子标签，简称为
19、低频标签，其工作频率范围为30kHz300kHz。典型工作频率有：125KHz、133KHz（也有接近的其它频率的，如TI公司使用134.2KHz）。低频标签一般为无源标签，其工作能量通过电感耦合方式从读写器耦合线圈的辐射近场中获得。低频标签的阅读距离一般情况下小于1m。低频标签的典型应用有：动物识别、容器识别、工具识别、电子闭锁防盗（带有内置应答器的汽车钥匙）等。低频标签的主要优势体现在标签芯片一般采用普通的CMOS工艺，具有省电、廉价的特点；工作频率不受无线电频率管制约束；可以穿透水、有机组织、木材等；非常适合近距离、低速度、数据量要求较少的识别应用等。低频标签的劣势主要体现在：标签存贮数
20、据量较少；只能适合低速、近距离识别应用。 2）中高频段电子标签 中高频段电子标签的工作频率一般为330MHz。典型工作频率为13.56MHz。高频电子标签一般也采用无源方式，其工作能量通过电感耦合方式从读写器耦合线圈的辐射近场中获得。中频标签的阅读距离一般情况下也小于1m（最大读取距离为1.5m）。高频标签由于可方便地做成卡状，典型应用包括：电子车票、电子身份证、电子闭锁防盗（电子遥控门锁控制器）等。相关的国际标准有：ISO 14443、ISO 15693、ISO 18000-3（13.56MHz）等。 3）超高频与微波标签超高频与微波频段的电子标签，简称为微波电子标签，其典型工作频率为433
21、.92MHz、862(902)928MHz、2.45GHz、5.8GHz。微波电子标签可分为有源标签与无源标签两类。工作时通过电磁耦合方式从读写器耦合线圈的辐射近场中获得。阅读距离一般大于1m，典型情况为47m，最大可达10m以上。微波电子标签的典型特点主要集中在是否无源、无线读写距离、是否支持多标签读写、是否适合高速识别应用，读写器的发射功率容限，电子标签及读写器的价格等方面。 微波电子标签的典型应用包括移动车辆识别、电子身份证、仓储物流应用、电子闭锁防盗（电子遥控门锁控制器）等。相关的国际标准有ISO10374、ISO 18000-4（2.45GHz）、-5（5.8GHz）、-6（8609
22、30 MHz）、-7（433.92 MHz），ANSI NCITS 256-1999等。（3）根据标签的可读性分：只读（RO）标签、可读可写（RW）标签、一次写入多次读出（WORM）标签。1)只读标签只读标签内部只有只读存储器（Read Only Memory，ROM）。ROM中存储有标签的标识信息。电子标签一般具有只读功能。只读标签一般容量较小，可以用作标识标签。2)可读可写标签可读可写标签内部的存储器，除了ROM、缓冲存储器之外，还有非活动可编程记忆存储器。具有在适当的条件下允许多次对原有数据的擦除以及重新写入数据的功能。可读写标签一般存储的数据比较大，一般电子标签的ROM区存放有产商代码
23、和无重复的序列码，每个产商的代码是固定和不同的，每个产商的每个产品的序列码也是肯定不同的。所以每个电子标签都有惟一码，这个惟一码又是存放在ROM中，所以标签就没有可仿制性，是防伪的基础点。3）一次写入和多次读出标签应用中，还广泛存在着一次写入多次读出（Write Once Read Many，WORM）的电子标签。这种WORM概念即有接触式改写的电子标签存在，也有无接触式改写的电子标签存在。这类WORM标签一般大量用在一次性使用的场合，如航空行李标签，特殊身份证件标签等。RW卡一般比WORM卡和RO卡价格高得多，如电话卡、信用卡等：WORM卡是用户可以一次性写入的卡，写入后数据不能改变，比RW
24、卡要便宜。RO卡存有一个惟一的ID号码，不能修改，具有较高的安全性。（4）根据标签的工作方式分：主动式、被动式、半主动式。一般来讲，无源系统为被动式，有源系统为主动式。 3RFID技术应用如下表所示RFID在一些领域的具体应用应用领域应用说明物流物流仓储是RFID最有潜力的应用领域之一，UPS、DHL、Fedex等国际物流巨头都在积极试验RFID技术，以期在将来大规模应用提升其物流能力。 可应用的过程包括：物流过程中的货物追踪，信息自动采集，仓储管理应用，港口应用，邮政包裹，快递等交通高速不停车，出租车管理，公交车枢纽管理，铁路机车识别等。已有不少较为成功的案例。汽车制造、防盗、定位、车钥匙。
25、可以应用于汽车的自动化，个性化生产，汽车的防盗、汽车的定位，可以做为安全性极高的汽车钥匙。国际上有成功案例。零售由沃尔玛、麦德隆等大超市一手推动的RFID应用，可以为零售业带来包括降低劳动力成本、商品的可视度提高，降低因商品断货造成的损失，减少商品偷窃现象等等好处。可应用的过程包括商品的销售数据实时统计、补货、防盗等。身份识别RFID技术由于天生的快速读取与难伪造性，而被广泛应用于个人的身份识别证件。如现在开展的电子护照项目、我国的第二代身份证、学生证等其它各种电子证件。制造业应用于生产过程的生产数据实时监控、质量追踪、自动化生产、个性化生产等。在贵重及精密的货品生产领域应用更为迫切。服装业可
26、以应用于服装的自动化生产、仓储管理、品牌管理、单品管理、渠道管理等过程，随着标签价格的降低，这一领域将有很大的应用潜力。但在应用时，必须得仔细考虑如何保护个人隐私问题。医疗可以应用于医院的医疗器械管理、病人身份识别、婴儿防盗等领域。医疗行业对标签的成本比较不敏感，所以该行业将是RFID应用的先锋之一。防伪RFID技术具有很难伪造的特性，但是如何应用于防伪还需要政府和企业的积极推广。可以应用的领域包括贵重物品（烟、酒、药品）的防伪、票证的防伪等资产管理各类资产（贵重的或数量大相似性高的或危险品等）。随着标签价格的降低，几乎可以涉及到所有的物品。食品水果、蔬菜、生鲜、食品等保鲜度管理。由于食品、水
27、果、蔬菜、生鲜上含水份多，会影响正常的标签识别，所以该领域的应用将在标签的设计及应用模式上有所创新。动物识别训养动物、畜牧牲口、宠物等识别管理，动物的疾病追踪，畜牧牲口的个性化养殖等。在国际上已有不少较为成功的案例。图书馆书店、图书馆、出版社等应用。可以大大减少书籍的盘点、管理时间，可以实现自动租借、还书等功能。在美国、欧洲、新加坡等已有图书馆应用成功案例。在国内有图书馆正在测试中。航空制造、旅客机票、行李包裹追踪。可以应用于飞机的制造，飞机零部件的保养及质量追踪、旅客的机票、快速登机、旅客的包裹追踪。军事弹药、枪支、物资、人员、卡车等识别与追踪。美国在伊拉克战争中已有大量使用。美国国防部已与
28、其上万的供应商正在对军事物资进行电子标签标识与识别。其它门禁、考勤、电子巡更、一卡通、消费、电子停车场等。二、RFID系统的组成从端到端的角度来看，一个RFID系统由电子标签、读写器天线、读写器、传感器/执行器/报警器、控制器、主机和软件系统、通信设施等部分组成。如下图所示。若从功能实现的角度观察，可将RFID系统分成边沿系统和软件系统两大部分，如下图所示。1RFID系统的硬件组件RFID系统中硬件组件包括电子标签、读写器、控制器和读写天线、主机、应用软件程序等。 （1）电子标签电子标签也称应答器，是一个微型无线收发装置，由内置天线和芯片组成。具有持久性，信息接收传播穿透性强，存储信息容量大、
29、种类多等特点 。根据组成原理和工作种方式可分为：被动式、主动式、半主动式电子标签。1）被动式电子标签被动式电子标签无板载电源，其电源由读写器供给。被动式标签与读写器之间的通信，总是由读写器发起，标签响应，然后由读写器接收标签发出的数据，被动式标签的读写距离小于主动式和半主动式标签，一般在3cm9m。标签天线是电子标签与读写器的空中接口，不管是何种电子标签读写设备均少不了天线或耦合线圈。一个偶极子天线由直线电导体组成，总长度是半个波长。双偶极子天线是由两个偶极子组成，大大降低了标签的敏感性。因此，读写器可以在不同的标签环境下读标签。叠偶天线由两个或两个以上的直电导体并联在一起构成，每导体半个波长
30、长。当两个导体折叠时称为2线折叠偶极子天线，由3个导体折叠的偶极子称为3线折叠偶极子天线。被动式电子标签具有构造简单、价格低、寿命长、抗恶劣环境等特点，应用于门禁、交通系统、安全系统、身份证、消费卡等。2）主动式电子标签主动式电子标签有一个板载电源为标签电子电路工作提供能量。主动式电子标签可以主动向读写器发送数据，它不需要读写器发射来激活数据传输。主动式电子标签能够连续发送数据，通常具有较长的生存时间，阅读距离一般可以在30m以上。3）半主动式电子标签半主动式电子标签也有板载电源和完成特殊任务的电子元件，板载电源仅仅为标签的运算操作提供能量；其发送信号由读写器提供电源。半主动式电子标签能对高速
31、移动目标读取数据，具有很好地可读性，其读写器距离大约在30m内。（2）读写器读写器是一个捕捉和处理RFID标签数据的设备，可以是单独的个体，也可以嵌入到其它系统之中。1） 读写器的组成结构读写器的硬件部分通常由收发机、微处理器、存储器、外部传感器/执行器/报警器的输入/输出接口、通信接口，以及电源等部件组成。2）读写器功能主要有三个功能：一是发送和接收功能，用来与标签和分离的单个物品进行通信；二是对接收信息进行初始化处理；三是连接主机网络将信息传送到数据交换与管理系统。 3）控制器控制器是读写器芯片有序工作的指挥中心。最重要的是对读写器芯片的控制操作。 4）读写器天线天线是一种以电磁波形式把前
32、端射频信号功率接收或辐射出去的设备，是电路与空间的界面器件，用来实现导行波与自由空间波能量的转化。在RFID系统中，天线分为电子标签天线和读写器天线，分别承担接收能量和发射能量的作用。RFID系统的天线主要有偶极子天线、微带贴片天线、线圈天线等。偶极子天线辐射能力强，制造工艺简单，成本低，具有全方向性，通常用于远距离RFID系统；微带贴片天线的方向是定向的，但工艺较复杂，成本较高；线圈天线用于电感耦合方式，用于近距离的RFID系统。2RFID系统中的软件组件RFID系统中的软件组件主要完成数据信息的存储、管理以及对RFID标签的读写控制，是独立于RFID硬件之上的部分。RFID系统归根结底是为
33、应用服务的，读写器与应用系统之间的接口通常软件组件来完成。一般，RFID软件组件包含有：边沿接口系统；中间件，为实现采集的信息的传递与分发而开发的中间件；企业应用接口，为企业前端软件，主要完成读写功能、防碰撞功能、安全功能、检测纠错功能，如设备供应商提供的系统演示软件、驱动软件、接口软件、集成商或者客户自行开发的RFID前端操作软件等；应用软件，主要指企业后端软件，如后台应用软件、管理信息系统（MIS)软件等。三、RFID系统的工作原理RFID系统的基本工作原理：由读写器通过发射天线发送特定频率的射频信号，当电子标签进入有效工作区域时产生感应电流，从而获得能量被激活，使得电子标签将自身编码信息
34、通过内置天线发射出去；读写器的接收天线接收到从标签发送来的调制信号，经天线的调制器传送到读写器信号处理模块，经解调和解码后将有效信息送到后台主机系统进行相关处理；主机系统根据逻辑运算识别该标签的身份，针对不同的设定做出相应的处理和控制，最终发出信号控制读写器完成不同的读写操作。从电子标签到读写器之间的通信和能量感应方式来看，RFID系统一般可以分为电感耦合（磁耦合）系统和电磁反向散射耦合（电磁场耦合）系统。电感耦合系统是通过空间高频交变磁场实现耦合，依据的是电磁感应定律；电磁反向散射耦合，即雷达原理模型，发射出去的电磁波碰到目标后反射，同时携带回目标信息，依据的是电磁波的空间传播规律。电感耦合
35、方式一般适合于中、低频率工作的近距离RFID系统；电磁反向散射耦合方式一般适合于高频、微波工作频率的远距离RFID系统。四、RFID中间件技术RFID中间件（Middleware）技术将企业级中间件技术延伸到RFID 领域，是RFID 产业链的关键共性技术。它是RFID 读写器和应用系统之间的中介。RFID 中间件屏蔽了RFID 设备的多样性和复杂性，能够为后台业务系统提供强大的支撑，从而驱动更广泛、更丰富的RFID 应用。1RFID中间件的组成与特点RFID中间件是介于前端读写器硬件模块与后端数据库、应用软件之间的一类软件，是RFID应用部署运作的中枢。中间件是一种独立的系统软件或服务程序，
36、使用中间件主要有3个目的：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。 （1）组成：3个组件读写适配器、事件管理器、应用程序接口。 （2）功能：RFID中间件的主要任务是对读写器传来的与标签相关的数据行过滤、汇总、计算等，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，主要有四大功能：数据实时采集、数据处理、数据共享、安全服务。 （3）特点：RFID中间件的特点有1）标准的协议和接口，具备通用性、易用性 2）分布式计算，提供网络、硬件、操作系统透明性3）满足大量应用需要4）能运行于多种硬件和操作系统平台。五、
37、RFID系统的安全首先，RFID系统中的传输是基于无线通信方式，使得传送的数据容易被“偷听”；其次，在RFID系统中，特别是在电子标签上，计算能力和可编程能力都被标签本身的成本要求所约束。更准确地讲，在一个特定的应用中，标签的成本越低，它的计算能力也就越弱，可防止安全被威胁的可编程能力也越弱。一般，常见的安全攻击有以下四种类型：电子标签数据的获取攻击、电子标标签和读写器之间的通信侵入、侵犯读写器内部的数据、主机系统侵入。第三章 传感器及检测技术一、传感器概述1传感器定义传感器是一种能把特定的被测量信息按一定规律转换成某种可用信号输出的器件或装置，以满足信息的传输、处理、记录、显示和控制等要求。
38、其中有两个含义一是检测信号；二是能把检测的信息变换成一种与被测量有确定函数关系的而且便于传输和处理的量。2传感器性能参数 （1）阈值：即零位附近的分辨力，也就是指能使传感器输出端产生可测变化量的最小被测输入量值。 （2）漂移：指一定时间间隔内传感器输出量存在着与被测输入量无关的、不需要的变化，包括零点漂移与灵敏度漂移。 （3）过载能力：指传感器在不致引起规定性能指标永久改变的条件下，允许超过测量范围的能力。 （4）稳定性：指传感器在具体时间内仍保持其性能的能力。 （5）重复性：指传感器输入量在同一方向做全量程内连续重复测量所得输出/输入特性曲线不一致的程度。产生不一致的主要原因是传感器的机械部
39、分不可避免地存在着间隔、摩擦及松动等。 （6）可靠性：通常包括工作寿命、平均无故障时间、保险期、疲劳性能、绝缘电阻、耐压等指标。传感器工作主要要求：高精度、低成本、高灵敏度、稳定性好、工作可靠、抗干扰能力强、动态特性好、结构简单、使用维护方便、功耗低等。二、传感器的分类1按被测量分类（按用途分类）：被测量的类型主要有：机械量，如位移、力、速度、加速度等；热工量，如温度、热量、流量（速）、压力（差）、液位等；物性参量，如浓度、粘度、比重、酸碱度等；状态参量，如裂纹、缺陷、泄露、磨损等。2按测量原理分类：电阻式、电感式、电容式、压电式、光电式、磁电式、光纤、激光、超声波等传感器；3按信号变换特征分
40、类：结构型（主要通过传感器结构参量的变化实现信号的变换）、物性型（利用敏感元件材料本身物理属性的变化来实现信号的变换）；4按能量关系分类：能量转换型（传感器直接由被测对象输入能量使其工作）和能量控制型（传感器从外部获得能量使其工作，由被测量的变化控制外部供给能量的变化，如电阻式、电感式）；5按工作原理分类：电学式传感器（常用的有电阻式、电容式、电感式、磁电式、电涡流式传感器）、磁学式传感器（利用铁磁物质的一些物理效应制成的，主要用于位移、转矩等参数的测量）、光电式传感器、电势型传感器、电荷传感器、半导体传感器、谐振式传感器、电化学式传感器。三、传感器的应用工业检测和自动控制系统、汽车、家用电器
41、、机器人、医疗用人体医学、环境保护、航空及航天、遥感技术。四、传感器的发展现状与趋势1现状传感器技术是一项新兴的高技术，是电子信息产业中的基础行业。传感器是新技术革命和信息化社会的重要技术基础，美国早在20世纪80年代就声称世界已进入传感器时代，成立了国家技术小组，帮助政府组织和领导各大公司与研究部门的传感器技术开发工作。日本则把传感器技术列为十大技术之一，我国从20世纪60年代开始传感技术。2.趋势（1）将采用系列高新技术设计开发新型传感器（2）微型化与微功耗（3）集成化与多功能化（4）智能化（5）数字化（6）网络化五、传感器组成与结构1传感器的组成传感器一般由敏感元件、转换元件和变换电路三
42、部分组成。如下图所示：敏感元件：直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。转换元件：传感器的核心元件，以敏感元件的输出为输入，反感知的非电量转换成电信号输出。变换电路：将电路参数接入转换电路，可转换成电量输出。2传感器的结构传感器的结构形式取决于传感器的设计思想，设计的一个重要特点是选择信号的方式，把选择出来的信号的某个方面性能在结构上给予具体化，以满足传感器的技术要求。可分为选择固定信号方式、选择补偿信号方式、选择差动信号方式、选择平均信号方式、选择平衡信号方式传感器。六、现代检测技术1现代检测系统特点检测技术是多学科知识的综合应用，现代检测系统应包含测量、检验、故障诊断、
43、信息处理和决策输出等内容。检测是借助专用的手段和技术工具，通过实验的方法，把被测量与同性质的标准量进行比较，求出两的比值，从而得到被测量数值的大小的过程。测量是以确定量值为目的的一系列操作。一般有以下特点：（1）测量过程软件控制（2）智能化数据处理、（3）高度的灵活性（4）实现多参数检测与信息融合（5）测量速度快（6）智能化功能强。2测量技术的分类按测量过程的特点分类：直接测量法（偏差法、零位法、微差法）、间接测量法、组合测量法；按测量的精度因素分：等精度测量法、非等精度测量法；按测量仪表特点分：接触测量法、非接触测量法；按测量对象的特点分：静态测量法、动态测量法。3检测系统组成如下图所示，检
44、测系统是传感器与测量仪表、变换装置等的有机结合。七、典型传感器的工作原理及特点1电阻式传感器是一种把被测量参量转换为电阻变化的传感器。常用的有：电位器式、电阻应变式、热敏效应式等。其核心元件是电阻应变片（敏感元件），根据材料与结构不同，可分为金属电阻应变片和半导体应变片。2压电式传感器（1）压电效应：当沿着一定方向受到压力或者拉力作用而发生形变时，其两个表面会产生符号相反的电荷；当外力去掉时，它们又重新回到不带电的状态；当受力方向变化时，电荷的极性也随着变化。压电式传感器是以具有压电效应的元件作为转换元件的有源传感器，可以把机械能转化为电能，也可以把电能转化机械能。具有体积小、重量轻、工作频带
45、宽、灵敏度和精确度高的优点，常用于力、加速度、机械冲击、振动等测量。（2）原理：当压电晶体片受力时，在晶体片的两表面出现等量的正负电荷，晶体片的两表面相当于一个电容的两个极板，两极板之间的物质相当于电容极板间的介质，因而压电晶体片在工作时就等效一只平行板介质电容。C=A.表示压电材料的介电常数，A表示压电晶体片工作面的面积，表示极板间距（晶片厚度m）U=q/C（P89-P90）两片压电晶片:串联时（电荷不变，电压为单片的2倍，电容为单片的1/2倍）；并联时（电荷为单片的2倍，电压不变，电容为单片的2倍）3磁电式传感器利用电磁感应原理将被测量转换成电信号，分为动圈式和磁阻式两大类。动圈式传感器：
46、e=-knbsw（w表示角速度s表示单匝线圈的零度截面积k表示与结构有关的系数k1）；磁阻式传感器：f=n/60=w/2（f表示感应电动势频率w表示圆轮的角速度N表示圆轮的转速）4光纤式传感器 （1）工作原理：将来自光源的光经过光纤送入调制器，使待测参数与进入调制区的光相互作用后，导致光的光学性质发生变化，成为调制的信号光，再经过光纤送入光探测器，经解调器解调后，获得被测参数。由于光纤既是一种电光材料，又是一种磁光材料，即同电和磁存在着某些相互作用的效应，可以说光纤兼具“传”和“感”两种功能。 （2）分类：导光型（简称NFF，使用多模光纤）和传感型（多使用单模光纤）。在导光型光纤传感器中，光纤
47、仅作为传播光的介质，不是敏感元件，即只“传”不“感”，对外界信息的“感觉”功能是依靠其他物理性质的功能元件来完成的。传感器中的光纤是不连续的，其间有中断，中断的部分要接上其他介质的敏感元件，调制器可能是光谱变化的敏感元件或其他敏感元件。 （3）主要特点1）光纤传感器不受电磁场的干扰。光信息在光纤中传输时，不会与电磁场发生作用，所以信息在传输过程中抗电磁干扰能力很强，特别适用于电力系统。 2）光纤传感器的绝缘性能高。光纤是不导电的非金属材料，其外层的涂敷材料硅胶也不导电，因而光纤绝缘性能高，很方便测量带高压设备的各种参量。 3）光纤传感器防爆性能好，体积很小、重量轻、耐高压、耐腐蚀。在光纤内部传输的信号能量很小，不会产生火花、高温、漏电等不安全因素，适用于恶劣条件下的非接触式、非破坏性、远距离测量。 4）光纤传感器信息传输量大、导光性能好、灵敏度高，对
