物聯網技術導論 1 27 2020 1 第3章感知層技術 通常我們將物聯網大致分為三層 感知層 網絡層和應用層 如圖3 1所示 感知層相當于人體的皮膚和五官 網絡層相當于人體的神經中樞和大腦 應用層相當于人的社會分工 3 1條碼技術3 2電子標簽 RFID3 3傳感器及檢測技術3 4智能檢測系統3 5MEMS技術 1 27 2020 2 公共感知層 1 27 2020 3 中間件部分 云計算處理 物聯網應用系統拓撲圖 1 27 2020 4 感知是指對客觀事物的信息直接獲取并進行認知和理解的過程 感知層 承擔信息的采集 可以應用的技術包括條碼和掃描器 智能卡 RFID電子標簽和讀寫器 攝像頭 GPS 傳感器 傳感器網絡等 其中條碼和RFID標簽顯示身份 傳感器捕捉信息狀態 攝像頭記錄圖像 GPS進行跟蹤定位 最終實現識別物體 采集信息的目標 人類對事物的信息需求主要是對事物的識別與辨別 定位及狀態和環境變化的動態信息 感知信息的獲取需要技術的支撐 人們對于信息獲取的需求促使其不斷研發新的技術來獲取感知信息 目前這些技術應用社會實踐活動中的主要有以下幾種 1 27 2020 5 3 1條碼技術 物聯網的第一代身份證一 條碼產生的背景20世紀20年代 為了實現信件自動分揀想出在信封上做條碼標記 條碼中的信息是收件人的地址 如現在的郵政編碼 使用一個條表示 1 兩個條表示 2 而條碼識別設備 一個能夠發射光并接收反射光的掃描期 一個測定反射信號 條 和 空 的方法 掃描器利用光電采集器來收集發射光 空 發射回來的是強信號 條 反射回來的是弱信號 1 27 2020 6 1949年10月20日提出了今日條碼雛形的專利 該條碼最大的特點是將豎直的條碼彎曲呈環形 就像是箭靶或是公牛眼一樣 公牛眼代碼的好處在于無論什么地方都可以掃描出來 缺點是太浪費空間 如圖3 2所示 1959年提出能夠描述數字0 9中每個數字可由7段平行條碼組成的條碼 1 27 2020 7 20世紀初 伍德蘭教授致力于條碼的開發 其研究成果成為現代通用產品代碼 UPC UniformProductCode 的碼規基礎 60年代末 條碼的讀取開始與計算機互聯 1970年 條碼識別用在了有軌電車和北美鐵路系統 第一次在倉庫管理系統中得到應用 1973年 美國統一代碼委員會 UCC UniformCodeCommittee 建立了UPC條碼系統 并全面實現了該條碼編碼以及其所標識的商品的標準化 UPC條碼一般包括12個數字 每個字符由兩個黑線條和兩個白線條組成 代碼由左右兩個半截線條組成 便于實現雙掃描識別 1 27 2020 8 UPC條碼有四大優點 利用商店結賬機可快速加以識別 從各種角度都能識別 印刷成本比較便宜 不需多余的費用 1974年 Intermec公司推出39碼 很快被美國國防部所采納 1975年歐洲共同體在UPC條碼基礎上 開發了歐洲物品編碼系統 EANS EuropeanArticleNumberingSystem 簡稱EAN碼 正式成立歐洲物品編碼協會 EAN EuropeanArticleNumberingAssociation 直到1981年該組織發展為國際性組織 稱為 國際物品編碼協會 IAN InternationalArticleNumberingAssociation 并推出EAN128碼和93碼 其密度均比39碼高出近30 1981年 建立行業標準和本業內的條碼應用系統 1 27 2020 9 2005年1月 EAN正式更名為全球第一標準化組織 GSI Globalstandard1st 2005年6月 UCC正式更名為GS1US 目前 EPCglobal就是GS1和GS1US兩大標準聯合成立 1970年IterfaceMechanisms公司開發出 二維碼 組合成高密度信息圖案 隨著LED 微處理器和激光二極管的不斷發展 迎來了新的標識符號 象征學 和其應用的大爆炸 被稱之為 條碼工業 1 27 2020 10 3 1 2條碼的構成與工作原理 條形碼是一種信息的圖形化表示方法 可以把信息制作成條形碼 然后用相應的掃描設備把其中的信息輸入到計算機中 條形碼分為一維條碼和二維條碼 一維碼比較常見 如日常商品外包裝上的條碼就是一維碼 它的信息存儲量小 僅能存儲一個代號 使用時通過這個代號調取計算機網中的數據 二維碼是近幾年發展起來的 它能在有限的空間內存儲更多的信息 包括文字 圖像 指紋 簽名等 并可脫離計算機使用 條碼是由一組寬度不同 平行相鄰的黑色條紋和空白 按預設的格式與間距組合組合起來的符號 是一種供光電掃描器識讀 由計算機自動識別的特殊代碼 深色為條 淺色為空 條空代表的13位數字是直觀的代表特定商品相關信息 這是人與計算機 溝通 的一種特定語言 1 27 2020 11 條碼是一種信息采集的新技術 當光電掃描器發出的光束掃過條碼時 掃描光線照在淺色的空上容易發射 而找到深色的條上則不反射 這樣被調取能夠發射回來的強弱 長短不同的光信號即輪換成相應的電信號 經過處理后變成計算機可接收的數據 從而讀出商品上條碼的信息 商品信息輸入電子收款機的計算機中后 計算機自動查閱商品數據庫中的價格數據 再反饋給電子收款機 隨即打印出售款清單和金額 其速度幾乎與掃描條碼同步完成 印刷在商品包裝袋上的條碼 像一條條商品信息的紐帶 將世界各國制造廠商的和形形色色的商品有機地聯系起來 清清楚楚地加以識別 它使商品在世界迅速流通 解除了各國文字語言的障礙 給計算機信息采集帶來很多方便 為建立起全球性的商品交易網絡 發揮著很大作用 1 27 2020 12 常用的條碼和條碼掃描器 當光電掃描器發出的光束掃過條碼時 掃描光線照在淺色的空上容易發射 而找到深色的條上則不反射 這樣被調取過的條碼能夠發射回來的強弱 長短不同的光信號即轉換成相應的電信號 經過處理后變成計算機可接收的數據 從而讀出商品上條碼的信息 1 27 2020 13 常見的大概有二十多種碼制 Code39碼 標準39碼 codabar碼 庫德巴碼 code25碼 標準25碼 ITF25碼 交叉25碼 Matrix25碼 矩陣25碼 UPC A碼 EAN 13碼 EAN 13國際商品條碼 EAN 8碼 EAN 8國家商品條碼 中國郵政碼 矩陣25碼的一種變體 code B碼 MIS碼 code93碼 ISBN碼 ISSN碼 Code128碼 Code128 包括EAN128碼 code39EMS EMS專用的39碼 等一維條碼和PDF417等二維條碼 1 27 2020 14 國際廣泛使用的條碼種類有 EAN UPC碼 商品條碼 用于在世界范圍內唯一標識一種商品 我們在超市中最常見的就是EAN和UPC條碼 1 27 2020 15 3 1 3一維符號結構與代碼結構 1 商品編碼原則 1 唯一性 唯一性是指商品項目與其標識代碼一一對應 即一個商品項目只有一個代碼 一個代碼只標識同一商品項目 商品項目代碼一旦確定 永不改變 即使該商品停止生產 停止供應了 在一段時間內 有些國家規定為3年 也不得將該代碼分配給其他商品項目 2 無含義 無含義代碼是指代碼數字本身及其位置不表示商品的任何特定信息 在EAN及UPC系統中 商品編碼僅僅是一種識別商品的手段 而不是商品分類的手段 無含義使商品編碼具有簡單 靈活 可靠 充分利用代碼容量 生命力強等優點 這種編碼方法尤其適合于較大的商品系統 3 全數字型 在EAN及UPC系統中 商品編碼全部采用阿拉伯數字 1 27 2020 16 2 一維符號結構表3 1EAN UCC 13代碼結構分配 1 27 2020 17 商品上的條碼 標準條碼是由廠商識別代碼 商品項目代碼 校驗碼三部分組成的13位數字代碼 分為四種結構 廠商識別代碼由7 10位數字組成 中國物品編碼中心負責分配和管理 廠商識別代碼是由前綴碼和廠商代碼構成的 前3位代碼為前綴碼 國際物品編碼協會已分配給中國大陸的前綴碼為690 695 分配給中國臺灣的前綴碼為471 分配給中國香港特別行政區的前綴碼為489 1 27 2020 18 表3 1為商品標識代碼之一 EAN UCC 13代碼結構分配 例如 1 27 2020 19 圖3 5所示 前3位數字代表的是國家或地區的代碼 690代表產地為中國大陸 中間4位數是廠商代碼 它是由商品的廠商自行編碼的 代表這這個商品的廠商編號 后5位是商品項目代碼 由各廠自行確定產品號碼 代表商品的類別 如日期 年份等 最后一個數字則是校驗碼 圖右所示中 這兩件商品都是同一廠家出產的 其條碼只是位數相差了一位數 一個代表香辣味的 一個代表麻辣味的 13位代碼結構 1 27 2020 20 3 條碼的符號特征 條與空是由標準寬度的模塊組合而成 一個標準寬度的條模塊表示二進制的 1 而一個標準寬度的空模塊表示二進制的 0 1 條和空分別由1 4個同一寬度的深或淺顏色的模塊組成 深色模塊用 1 表示 淺色模塊用 0 表示 2 數字條碼字符 2條2空 共7個模塊 3 輔助條碼字符 起始 終止符 中間分隔符 1 27 2020 21 A子集與C子集互為反相 B子集與C子集互為鏡像 A子集中條碼字符包含的條模塊的個數為奇數 稱奇排列 B C子集為偶數 稱偶排列 商品條碼的條碼字符集 0 9 條碼字符 2條2空 共7個模塊 每個條或空由1 4個模塊組成 條碼字符集 A子集 B子集 C子集 A子集B子集C子集 1 27 2020 22 EAN 13條碼構成及符號構成 1 27 2020 23 4 EAN 13商品條碼字符集的選用左側數據符右側數據符A子集和B子集C子集EAN 13商品條碼中的前置碼不用條碼字符表示 不包括在左側數據符內 起始符 終止符為101 中間分隔符為01010 1 27 2020 24 表3 2左側數據符字符集的選用規則 選用A子集還是B子集表示左側數據符取決于前置碼的數值 1 27 2020 25 譬如 圖3 8中EAN 13商品條碼確定13位數字代碼6901234567892的左側數據符的二進制表示 第一步 根據前表 前置碼為6的左側數據符所選用的字符集依次排列為ABBBAA 第二步 查表 左側數據符901234的二進制表示 如表3 3所示 1 27 2020 26 5 店內條碼 在購買散裝食品時 會使用一種獨特的條碼 店內條碼 這種條碼是工作人員現將商品的名稱和保質期輸入計算機備案數據庫 消費者只要將所過食品放在稱重器上 然后輸入商品相關的信息后 就可以進行打印了 在商品條碼的盲區里 主要是一些散裝的商品 店內條碼就成為超市唯一的選擇 所以店內條碼會一定范圍內和商品條碼長期共存 圖3 9店內條碼店內條碼并不是超市或企業自己隨意制定的 也必須遵循相應的國家標準 GB T18283 2008 商品條碼店內條碼 譬如超市店內條碼按國家標準必須是以 20 24 作為前綴 店內條碼的編碼分為兩種 不包含價格等信息的13位代碼和包含價格等信息的13位代碼 1 27 2020 27 6 EAN部分已分配的前綴碼 1 27 2020 28 3 1 4二維條碼組成與辨識 一維條碼只是在一個方向上 一般是水平方向 表達信息 使用時通過這個代號調取計算機網絡中的數據 因此一維條碼有一個明顯得缺點 即垂直方向不攜帶信息 故信息密度偏低 受信息容量的限制 一維條碼通常是對物品的標識 而不是對物品的描述 它對兩個助手 計算機和數據庫相當依賴 沒有兩個助手的鼎力相助 一維條碼很難派上用場 由于受信息容量的限制 一維條碼符號僅僅是對物品信息代碼的標識 而不是對物品的描述 所謂對物品的標識 就是給某物品分配一個代碼 代碼以條碼符號的形式印制在物品上 用來標識該物品以便自動掃描設備的識讀 代碼或一維條碼本身不表示該產品的描述性信息 更詳細的信息要通過訪問數據庫才可以了解 1 27 2020 29 1 二維條碼組成與優勢 二維條碼技術就是在一維條碼無法滿足實際應用需求的前提下產生的 二維條碼是用某種特定的幾何圖形按一定規律在平面 水平和垂直二維方向 上分布的條 空相間的圖形來記錄數據符號信息 作為一種全新的自動識別和信息載體技術 二維條碼能將圖像 聲音 文字等信息進行整合 從而增加搭載的信息量 二維碼的數據存儲量是一維碼的幾十倍到幾百倍 就像一個便攜式的數據庫 表3 5給出一維碼和二維碼的比較 1 27 2020 30 二維條碼的設計中有兩個目的 一是為了保證局部損壞的條碼仍可正確辨識 二是使掃描容易完成 1 27 2020 31 二維條碼的優點 1 可靠性強條形碼的讀取準確率遠遠超過人工記錄 平均每15000個字符才會出現一個錯誤 2 效率高條形碼的讀取速度很快 相當于每秒40個字符 3 成本低與其它自動化識別技術相比較 條形碼技術僅僅需要一小張貼紙和相對構造簡單的光學掃描儀 成本相當低廉 4 易于制作條形碼的編寫很簡單 制作也僅僅需要印刷 被稱作為 可印刷的計算機語言 5 構造簡單條形碼識別設備的構造簡單 使用方便 6 靈活實用條形碼符號可以手工鍵盤輸入 也可以和有關設備組成識別系統實現自動化識別 還可和其他控制設備聯系起來實現整個系統的自動化管理 1 27 2020 32 7 高密度二維條碼通過利用垂直方向的堆積來提高條碼的信息密度 而且采用高密度圖形表示 因此不需事先建立數據庫 真正實現了用條碼對信息的直接描述 8 糾錯功能二維條形碼不僅能防止錯誤 而且能糾正錯誤 即使條形碼部分損壞 也能將正確的信息還原出來 9 多語言形式 可表示圖像二維條碼具有字節表示模式 即提供了一種表示字節流的機制 不論何種語言文字它們在計算機中存儲時以機內碼的形式表現 而內部碼都是字節碼 可識別多種語言文字的條碼 10 具有加密機制可以先用一定的加密算法將信息加密 再用二維條碼表示 在識別二維條碼時 再加以一定的解密算法 便可以恢復所表示的信息 1 27 2020 33 2 常見的二維條碼分類 1 27 2020 34 堆疊式和矩陣式二維條碼的組成特點 堆疊式二維條碼的編碼原理是建立在一維條碼的基礎上 將一維條碼的高度變窄 再根據需要堆成多行 其編碼設計 檢查原理 識讀方式等方面都繼承了一維條碼的特點 但由于行數增加 對行的辨識 解碼算法及軟體則與一維條碼有所不同 49碼 16K碼 PDF417等為代表 其中PDF是取英文PortableDataFile的縮寫 意為 便攜數據文件 是目前應用最為廣泛的堆疊式二維條碼 矩陣式二維條碼是以矩陣的形式組成 在矩陣相應元素位置上 用點的出現表示二進制的 1 不出現表示二進制的 0 點的排列組合確定了矩陣碼所代表的意義 其點可以是方點 圓點或其他形狀的點 是建立在計算機圖像處理技術 組合編碼原理等基礎上的圖形符號自動辨識的碼制 DataMatrix碼 MaxiCode碼 快速響應 QR QuickResponse 碼為代表性 我國自主產權的國家標準二維碼有 GB T17172 1997四一七條碼 GB T18284 2000快速響應矩陣碼 緊密矩陣CM碼 網格矩陣GM碼 SJ T11349 2006網格矩陣碼 和 SJ T11350 2006緊密矩陣碼 1 27 2020 35 3 1 5二維條碼的應用1 二維條碼與手機 手機二維條碼的出現 為手機和網絡的聯運創造了無限可能 打開了一條跨媒體的通道 它輕松地連接起了人們日常生活和網絡世界 盡管它與商業的結合散發出來的魅力因為稚嫩還有所局限 但一個新興營銷國度的開啟已勢在必然 手機二維條碼的出現 為手機和網絡的聯運創造了無限可能 打開了一條跨媒體的通道 它輕松地連接起了人們日常生活和網絡世界 盡管它與商業的結合散發出來的魅力因為稚嫩還有所局限 但一個新興營銷國度的開啟已勢在必然 如 一鍵上網 移動商務 二維碼導游 二維碼導購 二維碼名片 等 1 27 2020 36 當二維條碼遇見手機 二維條碼是由黑白方格組成的馬賽克矩陣 它可以橫向和縱向兩個方位同時表達信息 因此能在很小的面積內表達大量的內容 且具有糾錯能力強 識別速度快 全方位識讀等特點 就是這樣一個神奇的圖案 配合已越來越高效的網絡 借助與手機的掃碼功能 即可輕而易舉的獲得豐富的信息 1 27 2020 37 手機二維碼工作特點 手機二維碼就是一種內部存入了有關信息的特殊幾何圖案 它會隨著信息的改變而改變 手機二維碼是橫縱排列的 大大提高了它的信息容量 在讀取上 手機二維條碼可分為主動讀取和被動讀取兩種 主動讀取就是用手機作為拍攝體 去拍攝印刷品上的二維條碼 被動讀取是把二維條碼傳輸到手機上顯示出來 然后另外專用的設備去照射 也就是說 如果用手機去拍攝印有二維條碼的圖案就是主動讀取 當手機內已經存入一個二維條碼的圖案 用特殊設備來識別它 就是被動讀取 1 27 2020 38 二維碼的安全性很高 手機二維碼在開展應用的時候 都已經采用了非常高級別的安全加密 是對業務信息進行加密 這樣其他用戶就無法偽造這個二維碼了 譬如 電影票上的二維碼是經過高級加密 把這個二維碼用掃描設備識別一下 讀出來的信息是亂碼 在傳輸過程中 破解它的規律 偽造另一張合法電影票 基本上是無法實現的 只有傳輸到后臺系統 后臺系統在進行解密之后 才能還原到最初的業務信息 普通的消費者和玩家幾乎不可能破解密碼 從技術角度來看 手機二維碼用于一般商業用途 基本上不會出現安全隱患 而對于掌握各種二維碼生成源程序的廠家老說 都可以在生成手機條碼的過程中采用二維碼內部的加密 對二維碼進行防盜和防偽 在日本市場基于二維碼的適度應用上 手機二維碼占據了80 以上 1 27 2020 39 2 主要應用 1 物流管理 1 27 2020 40 2 優惠券 3 火車票實名制 4 超市商品信息管理 6 解析網址 1 27 2020 41 5 海報廣告 1 27 2020 42 7 購買產品8 防偽9 證照應用10 備援應用 1 27 2020 43 3 二維條碼的識讀設備 1 線性CCD和線性圖像式識讀器 LinearImager 可識讀一維條碼和行排式二維條碼 如PDF417 在閱讀二維條碼時需要沿條碼的垂直方向掃過整個條碼 又稱為 掃動式閱讀 這類產品的價格比較便宜 2 帶光柵的激光識讀器 可識讀一維條碼和行排式二維條碼 識讀二維碼時將掃描光線對準條碼 由光柵部件完成垂直掃描 不需要手工掃動 3 圖像式識讀器 ImageReader 采用面陣CCD攝像方式將條碼圖像攝取后進行分析和解碼 可識讀一維條碼和二維條碼 另外 二維條碼的識讀設備依工作方式的不同還可以分為 手持式 固定式和平版掃描式 二維條碼的識讀設備對于二維條碼的識讀會有一些限制 但是均能識別一維條碼 1 27 2020 44 4 二維碼的局限性 盡管二維碼作用很大 但還是無法承載圖像 視頻等超大的流媒體信息 按照二維碼編碼規范 其圖形的面積越大 它可以儲存的信息量也就越大 但是 由于手機屏幕是有一定大小限制的 尤其是咱中國的手機種類特別復雜 所以 現在的手機二維碼信息 能儲存的大概是100個漢字以內 不會太多 這個長度應付我們大部分的應用是綽綽有余 此時 我們所需要得到的是一個方便快捷的索引介質 二維碼作為一個人機交互的理想載體 是可以承擔這個功能的 它可以讓你很方便的找到你所需要的東西 而為必須要在二維碼本身里面 把所有完整的信息存進去 1 27 2020 45 3 2電子標簽 物聯網的第二代身份證 電子射頻標識 RFID 高技術含量的芯片 可視為包裝商品的 智能大腦 基于RFID技術的可用于單品識別的物聯網平臺給人們提供了無限的想象空間 隨著RFID的發展和普及 貼有電子標簽的商品隨處可見 與我們的一代居民身份證換發為二代身份證一樣 商品的身份證也在 升級 作為物聯網的第二代身份證 電子標簽將伴隨商品從倉庫到商店再到購買者 甚至一直到變成垃圾的整個生命過程 同時 顧客還可以通過這種智能標簽直接了解他們所需要的商品 并立刻得到帶有標簽的商品的有關信息 1 27 2020 46 1 27 2020 47 3 2 1RFID技術的理論基礎 RFID RadioFrequencyIdentification 射頻識別是一項利用射頻信號通過空間耦合實現無接觸信息傳遞并通過所傳遞的信息達到識別目的的技術 射頻識別系統通常由電子標簽和閱讀器組成 射頻識別系統的數據存儲在射頻標簽之中 其能量供應以及與識讀器之間的數據交換不是通過電流而是通過磁場或電磁場進行的 能量是RFID存在的基礎 電磁能是自然界存在的一種能量形式 1 27 2020 48 1 電磁波與頻道分配 1 27 2020 49 各國的無線管理部門也規定了有些頻帶為免費的 以滿足不同的需要 可供我們開發無線通信設備使用 這些頻帶通常包括ISM IndustrialScientificMedical 工業 科學和醫療 頻帶 各國的無線電管理不盡相同 譬如 在美國 免許可的頻道包括27MHz 260 470MHz 902 928MHz和2 4GHz 中國目前可具體使用的ISM頻率是315MHz 433MHz和2 4GHz ISM IndustrialScientificMedical Band 是由ITU R ITURadiocommunicationSector 國際通信聯盟無線電通信局 定義的 此頻段主要是開放給工業 科學 醫學三個主要機構使用 屬于FreeLicense 無需授權許可 只需要遵守一定的發射功率 一般低于1W 并且不要對其它頻段造成干擾即可 2 4GHz頻段為各國共同的ISM頻段 因此無線局域網 藍牙 ZigBee等無線網絡 均可工作在2 4GHz頻段上 除了ISM頻帶以外 在中國整個低于135kHz 在北美 南美和日本低于400kHz 也都是可以使用的免費頻段 1 27 2020 50 2 RFID技術的源頭 能量是RFID存在的基礎 電磁能是自然界存在的一種能量形式 RFID是無線電廣播技術和雷達技術的結合 雷達采用的是無線電波的反射和反向散射理論 而無線電廣播技術是關于如何使用無線電波發射 傳播和接受語音 圖像 數字 符號的技術 RFID是直接集成雷達的概念 并由此發展起來的一種新的自動識別技術 1948年哈利 斯托克曼發表論文 利用能量反射的方法進行通信 奠定了RFID的理論基礎 成為RFID理論發展的里程碑 1 27 2020 51 RFID由理論變為現實 60年代出現了RFID技術的第一個商業應用系統 商品電子防盜系統 EAS 1977年 美國開發了 機動車電子牌照 90年代RFID在美國的公路自動收費系統得到了廣泛應用 另外 RFID在動物追蹤 車輛追蹤 監獄囚犯管理 公路自動收費以及工廠自動化方面也得到了廣泛應用 其他應用還包括汽車門遙控快關 停車場管理 社區和校園大門控制系統等 21世紀 RFID標準已經初步形成 第二代標準已于2004年底公布 2003年11月4日 世界零售商巨頭沃爾瑪宣布 它將采用RFID技術追蹤其供應鏈系統中的商品 并要求其前100大供應商從2005年起將所有發運到沃爾瑪的貨盤和外包裝箱貼上電子標簽 這一重大舉動揭開了RFID在開放系統中應用的序幕 1 27 2020 52 1 27 2020 53 3 2 2RFID的技術優劣 經過實地檢驗 沃爾瑪的零售商場和配送中心應用RFID技術后 其貨物短缺率和產品脫銷率降低了16 商品庫存管理效率提高了10 左右 商品補貨速度較之前提高了3倍 商場補貨效率加快了63 平均庫存量降低了10 射頻技術與條碼分屬兩種不同的技術 有不同的適用范圍 有時會有重疊 兩者之間在有無寫入信息能力 能否實現遠距離識別的批量識別 運營成本等方面有著較大區別 1 27 2020 54 與傳統條碼識別技術相比 RFID的優勢 為每件物品分配唯一的標識 所有的產品都可以享受獨一無二的ID 這對于ERP EnterpriseResourcePlanning 企業資源計劃系統 和SCM Supplychainmanagement 供應鏈管理 系統來說是一種革命性的突破 即可以識別單個物體 1 27 2020 55 掃描速度快 一次性處理多個標簽 并將處理的狀態寫入標簽 RFID的讀卡器每250ms便可從電子標簽中讀出商品的相關數據 可識別高速運動物體并可同時識別多個標簽 操作快捷 即將傳統的單體處理方式變為 批處理 方式 體積小 易封裝 抗污染能力強 可實現穿透性識別 條碼適用于售價極低的商品 而RFID適用于價格較高或多目標同時識別的場合 可重復使用 電子標簽壽命可達10年以上 讀寫次數達10萬次之多 這點對于物流中的節點記載 貨物追蹤特別有用 1 27 2020 56 2020 1 27 57 穿透性和無屏障閱讀 可不斷地主動或被動發射電波 只要處于RFID讀寫器的接收范圍之內 就可以被 感應 并正確地識別出來 但不能穿透鐵質金屬 數據的存儲容量大 一維條碼的容量為50字節 二維條碼最大的容量可存儲2 3000字符 RFID的容量則有數百萬字節 安全性高 RFID技術是條碼技術的發展和完善 條碼及技術和RFID技術都是現代物流信息系統的重要組成部分 1 27 2020 58 3 2 3RFID的工作原理 1 系統組成 RFID的系統組成包括 電子標簽 Tag 讀寫器 Reader 閱讀器 以及作為服 務器的計算機數據管理系統三部分 其中 電子標簽中包含RFID芯片和天線 Antenna 一種利用無線射頻進行非接觸雙向通信的識別方式 如下圖3 21所示 1 27 2020 59 RFID電子標簽 Tag RFID電子標簽又稱電子標簽或數據載體 是系統主要核心部件 有耦合元件和芯片組成 用于存儲數據信息 1 27 2020 60 RFID天線 Antenna 在標簽和閱讀器之間傳遞射頻信號 1 27 2020 61 RFID閱讀器 Reader 用于讀取 寫入標簽信息的設備 分為手持和固定式 1 27 2020 62 2 工作過程 讀寫器通過發射天線發送一定頻率的射頻信號 當電子標簽進入讀寫器天線工作區時 電子標簽天線產生足夠的感應電流 電子標簽獲得能量被激活 電子標簽將自身信息通過內置天線發送出去 讀寫器天線接收載波信號 讀寫器調解 解碼 送至系統高層處理 系統高層根據邏輯判斷標簽的合法性 系統高層針對不同的設定做出相應處理 發出指令信號 控制執行機構動作 1 27 2020 63 RFID系統的工作原理 空間傳輸通道中發生的過程可歸結為三種事件模型 數據交換是目的 時序是數據交換的實現方式 能量是時序得以實現的基礎 兩種耦合方式 電感耦合 依據電磁感應定律 適用于中低頻 典型的工作頻率有 125kHz 225kHz和13 56MHz 作用距離10 20cm 電磁反向散射耦合 雷達原理模型 適用于高頻 微波頻率段 典型工作頻率 433MHz 915MHz 2 45GHz和5 8GHz 作用距離3 10m 1 27 2020 64 3 RFID讀寫器防沖撞 防碰撞 機理 RFID分類的一個重要的看點在于是否需要同時讀取復數個標簽 為了實現這個功能在通信上所采取的技術是 防沖撞 防碰撞 同時讀取復數個標簽是常被人們談及的RFID比圖形碼遠為優越的地方 但是如果沒有防碰撞 防沖撞 的功能時 RFID系統只能讀寫一個標簽 在這種情況下如果有兩個以上的標簽同時處于可讀取的范圍內就會導致讀取的錯誤 我們簡單地說明防碰撞 防沖撞 功能的工作原理 即使是具有防碰撞 防沖撞 功能的RFID系統 實際上并非同時讀取所有標簽的內容 在同時查出有復數個標簽存在的情況下 檢索信號并防止沖突的功能開始動作 1 27 2020 65 為了進行檢索 首先要確定檢索條件 例如 13 56MHz頻帶的RFID系統里應用的ALOHA AdditiveLinkOn lineHawaiisystem 信道的動態分配系統 是使用無線電頻率的時分多路包交換系統 站可以在任意給定時間內傳輸數據 在給定時間之后仍未收到應答 就重新發一個包 因而減少碰撞 ALOHA協議方式的防碰撞功能的工作步驟如下圖3 23所示 1 27 2020 66 1 首先 閱讀器指定電子標簽內存的特定位數 1 4位左右 為次數批量 2 電子標簽根據次數批量 將響應的時機離散化 例如在兩位數的次數批量 00 01 10 11 時 讀寫器將以不同的時機對這四種可能性逐一進行響應 3 若在各個時隙里同時響應的電子標簽只有一個的場合下才能得到這個電子標簽的正常數據 信息讀取之后閱讀器對于這個電子標簽發送在一定的時間內不再響應的睡眠的指令 Sleep Mute 使之在休眠 避免再次向應 4 若在各個時隙內同時由幾個電子標簽響應 判別為 沖突 在這種情況下 內存內的另外兩位數所記錄的次數批量 重復以上從2 開始的處理 5 所有的電子標簽都完成響應之后 閱讀器向他們發送喚醒的指令 WakeUp 從而完成對所有電子標簽的信息讀取 在這種搭載有防碰撞 防沖撞 功能的RFID系統中 為了只讀一個標簽 幾經調整次數批量反復讀取進行檢索 所以 一次性讀取具有一定數量的標簽的情況下 所有的標簽都被讀到為止其速度是不同的 一次性讀取的標簽數目越多 完成讀取所需時間要比單純計算所需的時間越長 1 27 2020 67 4 RFID與其他方式的比較 1 27 2020 68 3 2 4電子標簽的分類與應用1 按供電形式 根據標簽的供電形式分為有源標簽 主動標簽 和無源標簽 被動標簽 有源標簽自帶電池 識別距離較長 可達到10m以上 而壽命有限 價格較高 體積較大 應用較少 無源標簽重量輕 體積小 壽命長 成本低 應用廣泛 但發射距離受限 大約在1m左右 依靠從閱讀器發射的電磁場中提取能量來供電 需要有較大的讀寫器發射功率 2 按工作方式分 射頻識別系統的基本工作方式分為全雙工 FullDuplex 和半雙工 HalfDuplex 系統以及時序 SEQ 系統 全雙工表示射頻標簽與讀寫器之間可在同一時刻互相傳送信息 半雙工表示射頻標簽與讀寫器之間可以雙向傳送信息 但在同一時刻只能向一個方向傳送信息 1 27 2020 69 3 按數據量分 射頻識別射頻標簽的數據量通常在幾個字節到幾千個字節之間 但是 有一個例外 這就是1比特射頻標簽 它有1比特的數據量就足夠了 使閱讀器能夠作出以下兩種狀態的判斷 在電磁場中有射頻標簽 或 在電磁場中無射頻標簽 這種要求對于實現簡單的監控或信號發送功能是完全足夠的 因為1比特的射頻標簽不需要電子芯片 所以射頻標簽的成本可以做得很低 由于這個原因 大量的1比特射頻標簽在百貨商場和商店中用于商品防盜系統 EAS 當帶著沒有付款的商品離開百貨商場時 安裝在出口的讀寫器就能識別出 在電磁場中有射頻標簽 的狀況 并引起相應的反應 對按規定已付款的商品來說 1比特射頻標簽在付款處被除掉或者去活化 4 按可編程分 能否給射頻標簽寫入數據是區分射頻識別系統的另外一個因素 對簡單的射頻識別系統來說 射頻標簽的數據大多是簡單的 序列 號碼 可在加工芯片時集成進去 以后不能再變 與此相反可寫入的射頻標簽通過讀寫器或專用的編程設備寫入數據 射頻標簽的數據寫入一般分為無線寫入與有線寫入兩種形式 目前鐵路應用的機車 貨車射頻標簽均采用有線寫入的工作方式 1 27 2020 70 5 RFID不同頻段的應用 工作在不同頻段或頻點上的電子標簽具有不同的特點 射頻識別應用占據的頻段貨品點在國際上公認的劃分 位于ISM IndustrialScientificMedical 波段中 此頻段主要是開放給工業 科學 醫學 三個主要機構使用 屬于沒有所謂使用授權的限制 ISM頻段在各國的規定并不統一 典型的工作頻率有 125kHz 133kHz 13 56MHz 27 12MHz 433MHz 860 930MHz 2 45GHz 5 8GHz等 1 27 2020 71 1 低頻段電子標簽 工作頻率范圍為30 300kHz 典型工作頻率有 125kHz和134kHz 無源標簽 電感耦合方式 讀寫距離小于1m 主要優勢 標簽芯片采用普通的互補金屬氧化物半導體元件 CMOS 工藝 省電 廉價 工作頻率不受無線電頻率管制和約束 可穿透水 有機組織和木材等 非常適合近距離的 低速率的 數據量要較少的識別應用 典型應用有 畜牧業管理系統 汽車防盜系統 無鑰匙開門系統 馬拉松賽跑系統 自動停車收費系統 車輛管理系統 自動加油系統 酒店門鎖系統 門禁和安全管理系統 貨物跟蹤系統 動物識別系統 容器識別系統 工具識別系統 電子閉鎖防盜 帶有內置標簽的汽車鑰匙 系統等 1 27 2020 72 2 高頻段電子標簽 工作頻率范圍為3 30MHz 典型工作頻率為13 56MHz 無源標簽 電感耦合方式 通過讀寫距離大于1m 主要優勢 標簽芯片不再須要線圈繞制 可通過腐蝕印刷方式制作天線 負載調制方式進行工作 省電 廉價 工作頻率不受無線電頻率管制和約束 可穿透水 有機組織和木材等 方便制作成卡狀 主要用于需傳送大量數據的場合 典型應用有 圖書管理系統 瓦斯鋼瓶管理系統 服裝生產線系統 物流管理系統 三表預收費系統 酒店門鎖系統 大型會議人員通道系統 固定資產管理系統 醫藥物流系統 智能貨架系統 電子車票系統 身份證系統 電子閉鎖防盜 電子遙控門鎖控制器 系統等 1 27 2020 73 3 特高頻電子標簽 工作頻率范圍為300 3GHz 典型工作頻率為433 92MHz和915MHz 無源標簽 電容耦合方式 通過讀寫距離約10m左右 主要特點 傳送數據速度快 傳送數據量大 讀寫距離遠 但耗能 穿透力差 作業區域不能有太多干擾 主要用于需要較長的讀寫距離和較高的讀寫速度的場合 典型應用有 供應鏈管理系統 生產線自動化管理系統 航空包裹管理系統 集裝箱管理系統 鐵路包裹管理系統 后勤管理系統 鐵路車輛識別系統 集裝箱識別 公路車輛識別系統 高速公路自動收費系統 自動公路系統等 1 27 2020 74 4 微波標簽 工作頻率范圍為微波段 典型工作頻率為2 45GHz和5 8GHz 可無源標簽 也可有源標簽 電磁耦合方式 讀寫距離4 6m 主要特點 讀寫天線一般為定向天線 數據存儲容量一般限定在2KB以內 主要在于標識物品并非接觸的識別過程 典型應用有 移動車輛識別 電子身份證 倉儲物流 電子閉鎖防盜 電子遙控門鎖控制器 系統等 1 27 2020 75 RFID應用領域 1 27 2020 76 RFID應用領域 1 27 2020 77 3 2 5RFID標準之爭 RFID技術五大標準化組織 制定標簽的數據內容和編碼標準 EPCglobal 歐美 泛在識別中心 日本 國際標準化組織 ISO 國際電工委員會 IEC AIM 自動識別與移動技術 global IP X 第三世界標準組織 南非等國家推行 1 27 2020 78 3 3傳感器及檢測技術 物聯網的神經元 傳感器是物聯網的基礎單元 在信息采集層面的關鍵器件 同時 MEMS 微電機系統 MOEMS 微光機電系統 將成為物聯網的技術核心 使無線傳感網 光網快速加入物聯網的應用系統 提供更明確的應用方向和更豐富的市場機會 物聯網也將成為傳感器市場的新引擎 實際生活中 傳感器無處不在 1 27 2020 79 3 3 1傳感器的概念 全自動洗衣機 濁度傳感器 自動沖水裝置 光電傳感器和電子系統 遙控器 紅外傳感器 汽車 是個傳感器俱樂部 溫度 空氣流量 壓力 轉速 位移 水位 曲軸 防抱死制動系統 ABS 爆震 里程表等多種傳感器 1 27 2020 80 話筒 在彈性膜片后面粘接一個輕小的金屬線圈 線圈處于永磁體的磁場中 構成一種動圈式的傳感器 聲控燈 壓電傳感器 手機的觸摸屏 點觸摸 面觸摸等 數碼產品 MP3 手機等聽歌時 用力一搖就換成了下一曲 這就用到了加速度傳感器 電飯鍋 溫度傳感器 電熨斗 另一種溫度傳感器 光電鼠標 光學傳感器 圖像分析芯片 DSP 1 27 2020 81 汽車稱重 壓力傳感器 電子天平 壓力傳感器 電子系統 電子溫度計 紅外傳感器 2003年 美國推出一種高科技馬桶傳感器 各種傳感器 2009年全球用量13億 2010年10多億用于手機 用于汽車市場420萬 2013年用量將達到1460萬顆 1 27 2020 82 傳感器是把非電學物理量 如位移 速度 壓力 溫度 濕度 流量 聲強 光照度等 轉換成易于測量 傳輸 處理的電學量 如電壓 電流 電容等 的一種元件 在實際應用中 傳感器一般由敏感元件 轉換元件和測量電路三部分組成 有時還加上輔助電源 如圖3 19 按國家標準 傳感器的通用術規定為 能夠感受被測量并按照一定的規律轉換成可用輸出信號的器件或裝置 通常由敏感元件和轉換元件組成 1 27 2020 83 3 3 2傳感器的基本組成及檢測原理 傳感器是把非電學物理量 如位移 速度 壓力 溫度 濕度 流量 聲強 光照度等 轉換成易于測量 傳輸 處理的電學量 如電壓 電流 電容等 的一種元件 在實際應用中 傳感器一般由敏感元件 轉換元件和測量電路三部分組成 有時還加上輔助電源 如圖3 24所示 1 27 2020 84 敏感元件是指傳感器中能直接感受或響應被測量的部分 它直接感受被測非電學量 輸出與被輸出有確定對應關系的 轉換元件所能接受的其他物理量 如膜片或膜盒把被測壓力變成位移量 敏感元件是傳感器的核心 需要指出 并不是所有的傳感器都能明顯的區分敏感元件和轉換元件兩部分 有些傳感器轉換元件不止一個 有些傳感器 如熱電偶 將敏感元件和轉換元件合為一體 測量電路是將轉換元件輸出的信號進行進一步的轉換和處理 如放大 濾波 線性化 補償等 以獲得更好的品質特性 電源是可選項 1 27 2020 85 傳感器小故事 電子傳感器敗走胡志明小道 1965年 陷入越戰的美軍戰亡人數攀升為7000多人 為了加快戰爭進程 美軍總部決定扼斷向越南南方輸送補給品和武器的胡志明小道 為此 美軍出動轟炸機云集小道上空狂轟濫炸 又朝小道兩旁的叢林噴灑脫葉毒劑 但這些手段后來收效漸小 而且代價昂貴 1 27 2020 86 不久 作為美國官方思想庫之一的賈森小組為美軍構思出了 麥克納馬拉防線 并為防線設計出各種偽裝成樹葉 樹枝和自然物的傳感器 1968年初 20多萬枚電子傳感器被投放到胡志明小道上 聲波傳感器可以記錄人和車輛的聲音 震動傳感器能探測到地下的挖掘聲 磁性傳感器能傳遞金屬目標的位置信息 賈森小組還研制了一種 人跡嗅探器 這是一種懸掛在直升機上的長鼻子雷達 能探測生物排出的氨 這些發明為美軍的B 52轟炸機提供了準確有效的信息 北越為此吃盡了苦頭 1 27 2020 87 從1968 1971年 美軍在胡志明小道上使用了大量傳感器 但小道上仍然充滿越南人奔波的身影 為什么會這樣 是美軍的傳感器不夠先進嗎 當然不是 客觀地講 傳感器結構簡單 便于埋伏偽裝 還可以不受地形和氣候的限制投放到其他偵察器材 視線 達不到的地段 然而它們也并非十全十美 美軍散布的傳感器種類繁多 卻各有弊端 第一種是震動傳感器 它設在地表層 能將目標引起的地面震動信號轉化為電信號 放大后發給監控中心 它的探測距離比很多傳感器都遠 但這一距離很受土質的影響 土質硬 探測距離就遠 土質軟 探測距離則近 此外 洼地 溝壕 水溪幾乎可以完全阻止它的探測 而對目標進行更準確的鑒別 如判斷是徒手人員還是武裝人員 判斷是履帶車輛還是輪式車輛 當時也還做不到 所以當越南人趕出大批的牛羊以假隱真 震動傳感器的探頭難免上當受騙 1 27 2020 88 第二種是聲響傳感器 這種傳感器就像常見的 話筒 可以把目標發出的聲音信號轉變為電信號發給監控中心 再還原為聲音信號以進行識別 聲響傳感器分辨力強 探測范圍大 但同時耗電量也較大 通常只能受人工指令信號控制探測 或者與耗電少的震動傳感器聯用 平時震動傳感器工作時 聲響傳感器則關機 等震動傳感器探測到目標后再啟動聲響傳感器 這樣雖能取長補短 但兩種傳感器只要被破壞一種 探測能力就會大大降低 因此 當越南人的猩猩 猴子在樹上躥上跳下時 聲響傳感器起到的警示作用實在有限 1 27 2020 89 第三種是磁性傳感器 它能連續發出無線電信號形成一個靜磁場 當鐵磁金屬制成的物體進入其中 會感應產生一個新磁場 擾動原來的靜磁場并產生電信號 從而實現對攜帶武器的人和車輛的探測 磁性傳感器鑒別目標性質的能力較強 反應速度也較快 但是它受到設備體積和重量的限制 使得探測距離較近 此外如果敵方采用磁屏障 也能有效限制其探測功能的發揮 另外 美軍還布撒了靠發出紅外光或捕捉熱輻射來探測目標的紅外傳感器以及在地面埋設應變電纜 通過受到的壓力來報警的壓力傳感器 但它們的探測范圍都有限 在胡志明小道上 越南人用智慧戰勝了美軍看似不可一世的高技術 1 27 2020 90 3 3 3常用傳感器的工作特點和應用1 溫度傳感器 熱敏電阻主要是利用各種材料電阻率的溫度敏感性 根據材料的不同 熱敏電阻可以用于設備的過熱保護 以及溫控報警等等 半導體溫度傳感器利用半導體器件的溫度敏感性來測量溫度 具有成本低廉 線性度好等優點 溫差電偶則是利用溫差電現象 把被測端的溫度轉化為電壓和電流的變化 由不同金屬材料構成的溫差電偶 能夠在比較大的范圍內測量溫度 例如 200 2000 1 27 2020 91 2 光傳感器 光傳感器可以分為光敏電阻以及光電傳感器兩個大類 如圖3 26所示 光敏電阻主要利用各種材料的電阻率的光敏感性來進行光探測 光電傳感器主要包括光敏二極管和光敏三極管 這兩種器件都是利用半導體器件對光照的敏感性 光敏二極管的反向飽和電流在光照的作用下會顯著變大 而光敏三極管在光照時其集電極 發射極導通 類似于受光照控制的開關 此外 為方便使用 市場上出現了把光敏二極管和光敏三極管與后續信號處理電路制作成一個芯片的集成光傳感器 光敏電阻結構圖與實物 光敏三極管 集成光傳感器 1 27 2020 92 壓力傳感器是通過測量目標沿地面所產生的壓力變化來發現和測定目標的偵察設備 其種類有 應變鋼絲傳感器 平衡壓力傳感器 振動 磁性電纜傳感器 駐極體電纜和光釬壓力傳感器等 常見的壓力傳感器在受到外部壓力時會產生一定的內部結構的變形或位移 進而轉化為電特性的改變 產生相應的電信號 如圖3 27所示 3 壓力傳感器 一種車用電容式壓力傳感器 Honeywell24PC壓力傳感器及其內部結構 1 27 2020 93 4 濕度傳感器 一種電阻式陶瓷濕敏傳感器結構圖 一種電容式濕敏傳感器結構圖 幾種濕度傳感器 1 27 2020 94 5 霍爾 磁性 傳感器 霍爾傳感器是利用霍爾效應制成的一種磁性傳感器 霍爾效應是指 把一個金屬或者半導體材料薄片置于磁場中 當有電流流過時 由于形成電流的電子在磁場中運動而受到磁場的作用力 會使得材料中產生與電流方向垂直的電壓差 可以通過測量霍爾傳感器所產生的電壓的大小來計算磁場的強度 如圖3 29所示 1 27 2020 95 霍爾傳感器結合不同的結構 能夠間接測量電流 振動 位移 速度 加速度 轉速等等 具有廣泛的應用價值 如圖3 30所示 1 27 2020 96 6 圖像傳感器 CCD電荷耦合器件工作特