物联网与短距离无线通信技术董健概述资料

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1、物联网与近距离通讯技术,主讲 金瓯 教授 董健 副教授,智慧引领未来,2,物联网专业是新开设的专业 物联网技术是应用技术 物联网技术涉及面相当广泛 近距离通信技术是新开设的课程 近距离通信技术是新的应用技术 近距离通信技术与新的商业模式密切结合 近距离通信技术是小技术大应用 强调来源概念系统和应用的范围 强调基本原理基本方法和使用,VeriFone Systems, Inc. Confidential Information,本 课 程 特 点,第一章 物联网介绍,物联网的产业,考核方式, 平时成绩占30%：包括平时上课考核、作业和实验；, 期终考试占70%：闭卷（或半开卷）考试，以笔试为主。

2、,目 录,通信网基本概念 3学时,物联网介绍 5学时,蓝牙技术 4学时,WIFI技术 4学时,目 录,NFC技术 4学时,Zigbee和UWB技术 2学时,WIFI实验 2学时,蓝牙实验,物联网工程实验 4学时,第一章 物联网介绍,一、物联网是什么 首先，它是各种感知技术的广泛应用。物联网上部署了海量的多种类型传感器，每个传感器都是一个信息源，不同类别的传感器所捕获的信息内容和信息格式不同。传感器获得的数据具有实时性，按一定的频率周期性的采集环境信息，不断更新数据。,第一章 物联网介绍,大量部署在作用区域内具有通信与计算能力的微小传感器节点通过自组织方式构成传感器网络，能根据环境以协作的方式自

3、主完成监控不同位置的物理或环境状况（比如温度、声音、振动、压力、运动、污染物等），可以实现对任意地点信息在任意时间的采集、处理和分析。通常情况下通信距离较短，一般采用多跳( multi-hop)的无线通信方式传输感知信息。 传感器网络可以在相对独立的环境下运行，也可以通过网关连接到互联网，使用户可以远程访问。传感器网络的特性使其有非常广泛的应用前景，其无处不在的特点在不远的未来将使之成为我们生活中不可缺少的一部分。,第一章 物联网介绍,第一章 物联网介绍,物联网是什么,物联网体系架构中，传感节点负责采集感知对象相关信息，并通过相应的通信模块将数据发送至网关节点，进而转发至远端服务中心。 传感节

4、点平台在硬件结构上基本相同，传感节点通常包括如下几个部分：传感器单元、处理器单元、存储器单元、射频单元和供电电源等。 传感节点单元负责对所监测的物理量进行测量并采集数据，将数据传给处理器单元；处理器单元负责数据处理，并控制整个节点的正常工作。存取单元负责对节点所采集或处理的数据进行保存，射频单元负责与其他节点进行无线通信，从而交换控制信息和相关数据，供电单元负责为节点提供运行所需的能量。,第一章 物联网介绍,第一章 物联网介绍,传感器网络的发展与微电子技术息息相关，而微电子技术的核心是超大规模集成电路设计与制造。 集成电路自1959年诞生以来，经历了小规模、大规模、超大规模到巨大规模集成电路的

5、发展，其特征尺寸不断缩小，集成密度不断提高，集成规模迅速增，然而传感器节点受到物理尺寸及制造成本限制，其处理能力、存储能力和通信能力相对较弱通信范围一般在10100m之间，缺乏将数据进行远程传输的手段。,第一章 物联网介绍,网关节点实现与互联网等外部网络的连接，将收到的数据转发到外部网络上。网关节点与外部网络的通信可采用多种方式，其中包括以太网、光纤、ADSL等有线媒介，以及WiFi、蜂窝通信网络等无线媒介，数据交互方式较为灵活。,第一章 物联网介绍,传感器分类方法：按被测物理量来分；按传感器工作原理来分。 物理量：温度传感器、压力传感器、位移传感器、流量传感器、液位传感器、力传感器、加速度传

6、盛器、转矩传感器等。 工作原理：电容式、电阻式、电感式、三电式、热电式、光敏、光电传感器等。,第一章 物联网介绍,第一章 物联网介绍,第一章 物联网介绍,第一章 物联网介绍,卜,下,第一章 物联网介绍,物理传感器 物理传感器是检测物理量的传感器，它是利用某些物理效应，将被测的物理量转化为便于处理的能量信号的装置。 (1) 电学式传感器 电学式传感器是非电量电测技术中应用范围较广的一种传感器，常用的有电阻式传感器、电容式传感器、电感式传感器、磁电式传感器及电涡流式传感器等。 电阻式传感器主要用于位移、压力、力、应变、力矩、气流流速、液位和液体流量等参数的测量。,第一章 物联网介绍,电容式传感器主

7、要用于压力、位移、液位、厚度、水分含量等参数的测量。,电感式传感器主要用于位移、压力、力、振动、加速度等参数的测量。 磁电式传感器主要用于流量、转速和位移等参数的测量。,电涡流式传感器主要用于位移及厚度等参数的测量。,第一章 物联网介绍,(2) 磁学式传感器 磁学式传感器是利用铁磁物质的一些物理效应而制成的，主要用于位移、转矩等参数的测量。 (3) 光电式传感器 光电式传感器在非电量电测及自动控制技术中占有重要的地位。它是利用光电器件的光电效应和光学原理制成的，主要用于光强、光通量、位移、浓度等参数的测量。 (4) 电势型传感器 电势型传感器是利用热电效应、光电效应、霍尔效应等原理制成，主要用

8、于温度、磁通、电流、速度、光强、热辐射等参数的测量。 (5)电荷传感器 电荷传感器是利用压电效应原理制成的，主要用于力及加速度的测量。,第一章 物联网介绍,(6)半导体传感器 半导体传感器是利用半导体的压阻效应、内光电效应、磁电效应、半导体与气体接触产生物质变化等原理制成，主要用于温度、湿度、压力、加速度、磁场和有害气体的测量。 (7)谐振式传感器 谐振式传感器是利用改变电或机械的固有参数来改变谐振频率的原理制成，主要用来测量压力。 (8)光纤传感器 光纤传感器是20世纪70年代中期发展起来的一种基于光导纤维( Optical Fiber)的新型传感器。光纤传感器以光作为敏感信息的载体，将光纤

9、作为传递敏感信息的媒质，它与以电位为基础的传感器有本质区别。光纤传感器的主要优点包括电绝缘性能好、抗电磁干 扰能力强、非侵入性、高灵敏度和容易实现对被测信号的远距离监控等。,第一章 物联网介绍,化学传感器 化学传感器必须具有对被测化学物质的形状或分子结构进行俘获的功能，并且还能够将所获得的化学量有效地转换为电信号。 (1)湿度传感器 湿度传感器是指能将湿度转换成为与其成一定比例关系的电量输出的装置。常见的包括电解质、半导体、陶瓷系以及有机物和高分子聚合物系等。,(2)气体传感器 气体传感器是指能将被测气体浓度转换为与其成一定关系的电量输出的装置或器件。,第一章 物联网介绍,射频识别技术( Ra

10、dio Frequency Identification，RFID)是一种基于射频的通信技术，又称电子标签、无线射频识别，从20世纪90年代开始兴起，从本质上来说属于过无线电信号识别特定目标并读写相关数据，而无须识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触的自动识别技术。利用射频信号，RFID技术通过空间耦合（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。 从信息传递的基本原理来说，射频识别技术在低频段采用基于变压器耦合的方式（初级与次级之间的能量传递及信号传递），在高频段采用基于雷达探测目标的空间耦合模式（雷达发射的电磁波信号碰到目标后，携带目标信息返回雷达接收机）。19

11、48年，哈里斯托克曼发表的“利用反射功率的通信”研究成果奠定了射频识别技术的理论基础。,第一章 物联网介绍,第一章 物联网介绍,RFID(RadioFrequencyIdentification)是一种无线射频识别技术，它是自动识别技术的一种。从概念上来讲，RFID类似于条码扫描，对于条码技术而言，它是将已编码的条形码附着于目标物并使用专用的扫描读写器利用光信号将信息由条形磁传送到扫描读写器；而RFID则使用专用的RFID读写器及专门的可附着于目标物的RFID标签，利用频率信号将信息由RFID标签传送至RFID读写器。,第一章 物联网介绍,1940-1950年：雷达的应用催生了射频识别技术。

12、1950-1960年：射频识别技术实验室理论研究阶段。 1960-1970年：射频识别技术的理论开始应用尝试。 1970-1980年：射频识别产品研发大发展时期，出现 一些最早的射频识别应用。 1980-1990年：射频识别产品进入商业应用阶段，各种规模应用开始出现。 1990-2000年：射频识别技术标准化问题得到重视，射频识别产品得到广泛采用。 2000年后：射频识别产品种类更加丰富，有源电子标签、无源电子标签及半无源电子标签均得到快速发展，同时，电子标签的成本不断降低，规模化应用呈现逐渐扩大的趋势。,第一章 物联网介绍,最初在技术领域，应答器是指能够传输信息回复信息的电子模块，近些年，由

13、于射频技术发展迅猛，应答器有了新的说法和含义，又被叫做智能标签或标签。RFID电子电梯合格证的阅读器（读写器）通过天线与RFID电子标签进行无线通信，可以实现对标签识别码和内存数据的读出或写入操作。典型的阅读器包含有高频模块（发送器和接收器）、控制单元以及阅读器天线。 RFID射频识别是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无需人工干预，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。,第一章 物联网介绍,RFID的基本组成 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

14、标对象。 阅读器（Reader）：读取（有时可写入）标签信息的设备，可设计为手持式或固定式读写器； 天线（Antenna）：在标签和读取器间传递射频信号。,第一章 物联网介绍,RFID 能量感应方式分成： 感应耦合（Inductive Coupling) 后向散射耦合（BackscatterCoupling） 一般低频的RFID大都采用第一种式，而较高频大多采用第二种方式。,RFID基本工作原理： 无源标签或被动标签（Passive Tag）: 接收解读器发出的射频信号，凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息 有源标签或主动标签（Active Tag）: 由标签主动发送某一频率的

15、信号,解读器读取信息并解码后，送至中央信息系统进行有关数据处理。,第一章 物联网介绍,RFID技术的典型应用 物流和供应管理 生产制造和装配 航空行李处理 邮件/快运包裹处理 文档追踪/图书馆管理 动物身份标识 运动计时 门禁控制/电子门票 道路自动收费 城市一卡通的应用 高校手机一卡通的应用。 仓储中塑料托盘、周转筐中的应用,第一章 物联网介绍,低频RFID（125KHz到135KHz)特性： 该频率主要是通过电感耦合的方式进行工作。 1 工作在低频的感应器的一般工作频率从120KHz到134KHz。该频段的波长大约为2500m. 2 除了金属材料影响外，一般低频能够穿过任意材料的物品而不降

16、低它的读取距离。 3 工作在低频的读写器在全球没有任何特殊的许可限制。 4低频产品有不同的封装形式。 5虽然该频率的磁场区域下降很快，但是能够产生相对均匀的读写区域。 6相对于其他频段的RFID产品，该频段数据传输速率比较慢。 7感应器的价格相对与其他频段来说要贵。,第一章 物联网介绍,低频 RFID（125KHz到135KHz) 主要应用： 1 畜牧业的管理系统。 2 汽车防盗和无钥匙开门系统的应用。 3 马拉松赛跑系统的应用。 4 自动停车场收费和车辆管理系统。 5 自动加油系统的应用。 6 酒店门锁系统的应用。 7 门禁和安全管理系统。,第一章 物联网介绍,高频（工作频率为13.56MHz) 在该频率的感应器不再需要线圈进行绕制，可以通过腐蚀或者印刷的方式制作天线。感应器一般通过负载调制的方式进行工作。也就是通过感应器上的负载电阻的接通和断开促使读写器天线上的电