第一章走進物聯網《物聯網應用基礎》本章要點1物聯網的基本概念2物聯網的發展過程3物聯網的發展過程4物聯網的發展過程5物聯網的發展過程1.1.1什么是物聯網1.1.1什么是物聯網

定義1.把所有物品通過射頻識別（RadioFrequencyIdentification,RFID）和條碼等信息傳感設備與互聯網連接起來，實現智能化識別和管理。定義2.由具有標識、虛擬個性的物體或對象所組成的網絡，這些標識和個性信息在智能空間使用智能的接口與用戶、社會和環境進行通信。定義3.物聯網是以感知為目的，實現人與人、人與物、物與物全面互聯的網絡。其突出特征是通過各種感知方式來獲取物理世界的各種信息，結合互聯網、移動通信網等進行信息的傳遞與交互，再采用智能計算技術對信息進行分析處理，從而提升人們對物質世界的感知能力，實現智能化的決策和控制。定義4.物聯網是一個動態的全球網絡基礎設施，它具有基于標準和互操作通信協議的自組織能力，其中物理的和虛擬的“物”具有身份標識、物理屬性、虛擬的特性和智能的接口，并與信息網絡無縫整合。

傳感網又稱無線傳感器網絡（WirelessSensorNetworks,WSN），它是由一組傳感器以自組織方式構成的無線網絡，其目的是協作地感知、采集和處理網絡覆蓋地理區域中感知對象的信息，并發布給觀察者。

互聯網是由多個網絡遵循一定的通信協議（Protocol）互聯而成的網絡，現在特指由美國國防部高級研究計劃署資助的ARPANET分組交換網演變而來的、采用TCP/IP協議的一種互聯網絡。

泛在網是指基于個人和社會的需求，實現人與人、人與物、物與物之間按需進行的信息獲取、傳遞、存儲、認知、決策、使用等服務，網絡具有超強的環境感知、內容感知及智能性，為個人和社會提供泛在的、無所不包的信息服務和應用。1.1.2物聯網概念關系

從20世紀40年代開始，科學界就開始普遍認同這個觀點，即世界是由物質、能量、信息三大要素組成的，而不僅僅是由物質組成的、或者是由物質與能量兩種要素組成的。今天，人們已把信息看做一種重要的資源，甚至把當今時代視為信息革命的時代。因為如果沒有信息和信息傳遞，就不會形成有組織的系統，也不會具備有序的能量轉化和物質交換。物聯網被稱為繼計算機、互聯網之后，世界信息產業的第三次革命，它體現了信息通信技術在人類生活領域不斷拓展和深化的需求。與前兩次信息革命停留在信息世界不同，物聯網強調建立依托物質的信息生命形態的信息虛擬世界，把虛擬世界和物理世界結合起來，并采用智能計算的技術對信息進行分析和處理，通過對虛擬世界的管理來實現對物理世界的管理、協調和控制，從而實現人類社會與物理世界的有機結合。

1.1.3物聯網與信息化革命

感知是物聯網的核心特征之一，傳感器是感知物理世界的重要手段，人類社會使用傳感器的歷史可以追溯到很久以前。漢時期，張衡就發明了地動儀，這是世界上可考證的最早利用慣性原理發明的地震傳感器；而王充在《論衡》中所載的“司南勺”可能是最早的磁性方向指示器（方向傳感器）。隨著通信和網絡技術的進步發展，人們在生產生活實踐過程中開始通過網絡將傳感器互聯起來，甚至實現了對物體進行控制。2009年1月，在美國總統與工商業領袖舉行的圓桌會議上，IBM總裁提出了“智慧地球”的構想。指出“物聯網”與“互聯網”的全面融合，將把商業系統和社會系統與物理系統融合起來，形成一個新的智慧基礎設施。2009年8月，溫家寶總理在考察中科院無錫高新微納傳感網工程技術研發中心時提出，要盡快建立中國的“感知中國”中心。中美兩國領導人相繼對物聯網的戰略定位，使得物聯網概念一舉成為炙手可熱的高科技明星。

1.2.1溯源物聯網2004年：

韓國提出為期10年的U-Korea戰略，目標是在全球最優的泛在基礎設施上，將韓國建設成全球第一個泛在社會；

日本政府提出了以發展泛在網絡社會為目標的U-Japan計劃，將傳感網列為4項重點戰略之一。2006年：

韓國推出U-IT839計劃，提出將泛在的傳感器網（UniversalSensorNetworks,USN）列入發展重點，并在此后推出一系列相關實施計劃。2009年：

歐盟委員會發布《歐盟物聯網行動計劃》。

韓國頒布了《物聯網基礎設施構建基本規劃》。1.2.1溯源物聯網

2009年是中國的“物聯網元年”溫家寶總理首次提出要建立中國的傳感信息中心。

2010年3月的政府工作報告中，明確提出將加快物聯網的研發應用納入重點產業振興計劃，將物聯網的發展真正提升到了國家戰略高度。

2010年9月11日成立了傳感器網絡標準化工作組，加快制定符合我國發展需求的傳感網技術標準，并開始統籌部署寬帶普及、三網融合、物聯網及下一代互聯網的發展，并將物聯網列為我國信息產業三大發展目標之一。1.2.3物聯網在中國——感知中國

“感知中國”成為國家的信息產業發展戰略的原因：132國家希望在這一輪新的信息技術革命中，通過發展物聯網產業躋身世界信息技術前列。在這一輪物聯網革命中，物聯網連接的是實實在在的物理空間，涉及的是國家公共安全，關系到國家的經濟命脈。物聯網包括物物連接、人與物連接，與現有人與人的通信業務比例，預計會逐年增大，可能涉及幾萬億的產業。1.2.3物聯網在中國——感知中國

1.3.1物聯網的層次結構1.3.1物聯網的層次結構物聯網應該具備三個特征：（1）全面感知：利用RFID、傳感器、二維碼等隨時隨地獲取物體的信息。（2）可靠傳遞：通過各種電信網絡與互聯網的融合，將物體的信息實時準確地傳速出去。（3）智能處理：利用云計算、模糊識別等各種智能計算技術，對海量數據信息進行分析和處理，對物體實施智能化的控制。1.3.2感知層

感知層包括傳感器等數據采集設備，包括數據接入到網關之前的傳感器網絡。它是物聯網發展和應用的基礎，RFID技術、傳感和控制技術、短距離無線通信技術是感知層涉及的主要技術。感知層又包括芯片研發、通信協議研究、RFID材料、智能節點供電等細分技術。

對于目前關注和應用較多的RFID網絡來說，張貼安裝在設備上的RFID標簽和用來識別RFID信息的掃描儀、感應器屬于物聯網的感知層。

無線射頻識別系統由電子標簽（Tag）、讀寫器（Reader）和天線（Antenna）三部分組成。具體的工作原理如圖1-4所示：上位機發送指令使讀寫器工作，天線發送射頻信號，電子標簽接收到射頻信號后，轉化為電流，供芯片工作，讀出內部所儲存的數據，經調制后發送出去；天線接收標簽反饋的信息后送至讀寫器，經解調后還原出標簽數據，發送給上位機進行處理。1.3.2感知層

射頻識別系統最重要的優點是非接觸識別，它能穿透雪、霧、冰、涂料、塵垢和條形碼無法使用的惡劣環境閱讀標簽，并且閱讀速度極快，大多數情況下不到100ms。有源式射頻識別系統的速寫能力也是重要的優點，可用于流程跟蹤和維修跟蹤等交互式業務。1.3.2感知層

用于戰場環境信息收集的智能微塵（SmartDust）網絡，感知層由智能傳感節點和接入網關組成，智能傳感節點感知信息（溫度、濕度、圖像等），并自行組網傳遞到上層網關接入點，由網關將收集到的感應信息通過網絡層提交到后臺處理，如圖1-6所示。環境監控、污染監控等應用是基于這一類結構的物聯網。1.3.2感知層網絡層中應有的功能包括信息存儲查詢、網絡管理等。但是，數據感知與處理技術是實現以數據為中心的物聯網的核心技術。數據感知與處理技術包括本網絡層數據的存儲、查詢、挖掘、理解以及基于感知數據的決策和行為的理論和技術。1.3.4網絡層

物聯網應用層利用經過分析處理的感知數據，為用戶提供豐富的特定服務。物聯網的應用可分為監控型（物流監控、污染監控）、查詢型（智能檢索、遠程抄表）、控制型（智慧交通、智能家居、路燈控制）、掃描型（手機錢包、高速公路不停車收費）等。

應用層是物聯網發展的目的，軟件開發、智能控制技術將會為用戶提供豐富多彩的物聯網應用。各種行業和家庭應用的開發將會推動物聯網的普及，也給整個物聯網產業鏈帶來利潤。1.3.2應用層

從系統角度看，物聯網可劃分為一個由感知互動層、網絡傳輸層和應用服務層組成的三層體系，即上節提及的感知層、網絡層和應用層。1.4物聯網的關鍵技術1.4.1感知與識別技術

1.感知技術：

感知技術主要是指傳感器，它是攝取物理信息的關鍵器件，是構成物聯網的基礎單元。傳感器技術是半導體技術、測量技術、計算機技術、信息處理技術、微電子學、光學、聲學、精密機械、仿生學和材料科學等眾多學科相互交叉的綜合性和高新技術密集型的前沿研究課題之一，是現代新技術革命和信息社會的重要基礎，它與通信技術、計算機技術構信息產業的三大支柱。

2.識別技術：

識別技術涵蓋物體識別、位置識別和地理識別。

物體識別技術以RFID技術為代表；

位置識別技術比較成熟，它以全球定位系統（GPS）技術為代表；

地理識別技術以地理信息系統（GIS）為代表，以空間數據庫為基礎，運用系統工程信息科學的理論，對空間數據進行科學管理和綜合分析。1.4.1感知與識別技術

物聯網中的處理結點主要包括兩類，一類是感知結點，一類是網關結點。感知結點是感知層設備，負責采集物理信息并傳輸到應用層，不僅具有感知和識別能力，而且還具有一定的通信和計算能力。網關結點是連接感知層和網絡層的關鍵設備，負責實現異種異構網絡的互聯互通。1.4.2節點軟硬件設計技術

物聯網接入技術包括有線（雙絞線、光纖、同軸電纜等）接入和無線（2G、3G、4G、衛星通信以及WiMAX、Wi-Fi、Zigbee、藍牙等）接入兩大類型。而接入網及其后的核心網與現有的末梢網絡完全不同，它并不是為承載物聯網應用設計的。為了實現異構信息之間的互聯、互通與互操作，未來的物聯網需要以一個開放的、分層的、可擴展的網絡體系結構為框架，來實現異種異構網絡能夠與骨干網絡實現無縫連接，并提供相應的服務質量保證。1.4.3組網與泛在接入技術

物聯網是一個智能的網絡，傳感器僅僅提供了對物理變量、狀態及其變化的探測和測量所必需的手段，而對物理世界由“感”而“知”的過程則由智能分析和信息處理技術來實現。信息處理技術貫穿由“感”而“知”的全過程，它基于多個物聯網感知層節點或設備所采集的傳感數據，實現對物理世界及其變化的全面、透徹感知，以及智能反饋、決策的過程，是實現物聯網應用系統物物互聯、物人互聯的關鍵技術之一。1.4.4大規模的感知信息處理技術

1.智能電網：將物聯網技術應用于智能電網，是信息通信技術發展到一定階段的必然結果，它將有效整合通信基礎設施資源和電力系統基礎設施資源，為電網發電、輸電、變電、配電、用電等環節提供重要技術支撐，使信息通信基礎設施資源服務于電力系統運行，提高電力系統信息化水平，改善現有電力系統基礎設施的利用效率。電網智能化將成為拉動物聯網產業，甚至整個信息通信產業發展的強大驅動力，并有力影響和推動其他行業的物聯網應用和部署進度，進而提高我國工業生產、行業運作和公眾生活等各個方面的信息化水平。1.5.1物聯網的應用領域

2.智能交通：智能交通是交通管理理念與物聯網系統相結合的產物，它將先進的傳感、通信和數據處理等物聯網技術，應用于交通運輸領域，以構建一個安全、暢通和環保的交通運輸系統。其中包括智能化交通管理、交通誘導和出行信息服務、智能道路收費、公共交通管理和智能汽車等多個方面的應用。我國政府已將智能交通系統作為中國未來交通發展的重要方向，加大了對智能交通系統的投資力度。1.5.1物聯網的應用領域

3.現代物流：由于物流管理的基礎是物流信息，是用信息流來控制實物流的，這就使得物流信息化成為現代物流業的靈魂。物流企業紛紛將物流信息化作為提高物流效率的重要途徑。物流領域越來越成為現代信息技術應用比較普遍和成熟的領域，物流企業正在轉變為信息密集型企業。物聯網技術是物流信息化最重要的技術手段，借助物聯網的智能采集、傳輸與處理等技術手段，物流企業的信息化水平得以顯著提升，實現了目達耳通的智慧物流管理，降低了物流成本，提升了物流效率。1.5.1物聯網的應用領域

4.智能農業：智能農業在農業環境監測、農業生產、農產品流通等領域有大量的應用空間，如快速氣象監測、智能大田溫室種植、工業化養殖、生鮮農產品運輸等。借助“綠色農業”的提倡與政府對農業科技有力地扶持投入，大力推廣智能農業有著良好的經濟效益和社會效益，市場前景廣闊。1.5.1物聯網的應用領域

5.公共安全：公共安全防護泛指對人們日常生活中的食品安全、生產安全、重大災害及疫情、社會安方面進行的全方位防護。視頻監控系統是最為常見的一類安防系統，用于區域監視并將監視畫面呈現給安防監護人員。智能安防系統則嘗試使現有安防系統具備更多更復雜的功能。智能安防將多種功能互異的安防檢測設備連接在一起，使它們各自獨立地捕獲危險信號與異常信號，并基于物聯網平臺進行交互，從而實現局部智能決策，判斷與定位危險源，并實施初級救援工作。1.5.1物聯網的應用領域

6.智慧醫療：智慧醫療利用物聯網技術實時感知各種醫療信息，實現全面互聯互通的信息化醫療系統。此系統可以方便醫生準確地掌握病人病情，提高診斷的準確性；可以方便醫生對病人的情況進行有效跟蹤，提升醫療服務質量；可以有效提高醫院包括藥品和醫療器械在內的醫療資源管理，通過傳感器終端的延伸，加強醫院服務的效能，從而達到有效整合資源的目的。1.5.1物聯網的應用領域

7.環境監測：環境監測是環境保護和預防控制災害的基礎性工作之一。傳統的監測手段只能解決局部監測問題，而及時準確全面的監測結果必須依賴現代信息網絡技術。物聯網技術憑借其低成本、低能耗、適合快速靈活大規模部署及自動智能化處理方面的優勢，應用于環境監測將大大提升環境保護和災害預防的監控能力。1.5.1物聯網的應用領域

8.智能家居：智能家居將物聯聯網技術應用于家居環境之中，為住戶提供以住宅為平臺，融消防報警、智能家電和綜合布線等系統為一體的，高效、舒適、安全、環保的居住環境。1.5.1物聯網的應用領域

物聯網技術是支撐“網絡強國”和“中國制造2025”等國家戰略的重要基礎，在推動國家產業結構升級和優化過程中發揮重要作用。物聯網是新一代信息技術的高度集成和綜合運用，對新一輪產業變革和經濟社會綠色、智能、可持續發展具有重要意義。全球各國尤其是美國、歐盟、日韓等發達國家高度重視物聯網發展，積極進行戰略布局，以期把握未來國際經濟科技競爭主動權。1.5.1物聯網的產業規模

從產業鏈來看，中國已形成包括芯片、元器件、設備、軟件、系統集成、運營、應用服務在內的較為完整的物聯網產業鏈，各關鍵環節的發展也取得重大進展。M2M服務、中高頻RFID、二維碼等環節產業鏈業已成熟，國內市場份額不斷擴大，具備一定領先優勢；基礎芯片設計、高端傳感器制造、智能信息處理等相對薄弱環節與國外差距不斷縮小，尤其光纖傳感器在高溫傳感器和光纖光柵傳感器方面取得重大突破；物聯網第三方運營平臺不斷整合各種要素形成有序發展局面，平臺化、服務化的發展模式逐漸明朗，成為中國物聯網產業發展的一大亮點。1.5.2物聯網的產業規模1.5.1物聯網的應用領域 本章完結第一章

走進物聯網《物聯網應用基礎》 第二章智能家居系統中的關鍵技術《物聯網應用基礎》本章要點《智慧城市：物聯網應用基礎》1背景概述2生物識別技術3傳感器技術本章要點《智慧城市：物聯網應用基礎》4WiFi技術與網絡5ZigBee技術與網絡6智能家居中的物聯網應用案例2.1

背景概述2.1.1當前家居環境亟待改善

不斷改善居住條件、創建宜居生活環境是人們對美好生活的堅韌追求。早在石器時代人類祖先便開始使用石頭和泥土堆砌房屋遮風避雨，并用泥土燒制陶器制作各類生活用品；進入農業文明后，人們又發明了磚瓦結構的房屋，并學會制作青銅制品作為家用器皿；工業文明的發展和電氣技術的出現帶來了諸如微波爐冰箱、空調等各類家用電器和自動化生活設施。家居設施的更新一直追隨著科學技術的發展，永遠跟隨人類文明的進步。

然而，隨著環保意識的增強和可持續發展理念的深入，發展“低碳經濟”正在成為世界各國邁向生態文明的必由之路。另一方面，人們對家居環境的追求，也從早期的環境、位置、戶型等方面上升到了對整個家居安全、智能、健康、舒適等更高層面的要求。這使得當前的家居環境存在的一些問題逐漸凸顯出來。

當前家居環境中存在的一些問題：1家居能耗過高2家庭安防手段落后3家用電器使用不便2.1.1

當前家具環境亟待改善

智能家居的發展目前還處于物聯網應用的雛形階段，目前已經出現了部分“智能”的家居設備，如遠程抄表系統、自動窗簾等，實現了初步的“家庭自動化”，但離真正的智能家居還有不少的距離。建造全球首棟智能家居的比爾蓋茨說，獨立的智能家居設備和軟件早晚會被取代，未來的智能家居最大的特色是“整合”：將各種家居設施包括燈光、安防、多媒體、采暖等通過網絡和服務整合在一起，這正是物聯網技術應用在智能家居中需要解決的問題。2.1.2

物聯網技術與智能家具

使用物聯網技術連接與管理家居設施，在易用性與智能化等方面，對于現有的家居系統有著革命性的意義。具體來說，它包括如下優勢：

（1）高效節能:各種家用電器、照明燈具等能源消耗設施可以在不需要時自動關閉，或以最低能耗運行。（2）使用方便:智能家居將所有家居設施通過公眾通信網絡互聯，用戶可以通過遠程和更加靈活的交互方式控制家居設施的運行，既可以通過廣泛普及的移動手機，也可以直接在互聯網上操作。（3）安全性高:智能家居中的安防系統可以有效防范非法入侵，或在意外事故等緊急情況下報警，而且用戶可以隨時隨地監控家庭安全狀況。2.1.2

物聯網技術與智能家具生物識別技術是通過計算機與光學、聲學、生物傳感器和生物統計學原理等高科技手段密切結合，利用人體固有的生理特性（如指紋、臉象、虹膜等）和行為特征（如筆跡、聲音、步態等）來進行個人身份鑒定的技術。生物識別技術是目前最為方便與安全的識別技術。

2.2.1概述2.2

生物識別技術

人臉與人體的其它生物特征（指紋、虹膜等）一樣與生俱來，它的唯一性和不易被復制的良好特性為身份鑒別提供了必要的前提，與其它類型的生物識別比較人臉識別具有如下特點：

（1）非強制性：用戶不需要專門配合人臉采集設備，幾乎可以在無意識的狀態下就可獲取人臉圖像，這樣的取樣方式沒有“強制性”。

（2）非接觸性：用戶不需要和設備直接接觸就能獲取人臉圖像。

（3）并發性：在實際應用場景下可以進行多個人臉的分揀、判斷及識別；

（4）符合視覺特性：“以貌識人”的特性，以及操作簡單、結果直觀、隱蔽性好等特點。2.2.2

人臉識別

指紋是指人的手指末端正面皮膚上凹凸不平的紋線。紋線有規律地排列成不同的形狀。由于每個人的指紋不盡相同，就算同一個人的十個指頭，指紋也存在明顯的區別，因此可以將指紋作為識別生物的技術之一。

雖然每個人的指紋識別都是獨一無二的，但并不適用于每一個行業、每一個人。例如，雙手長期徒手工作業的人們便會為指紋識別而煩惱，他們的手指若有絲毫破損或干濕環境里、沾有異物則指紋識別功能要失效了。另外對于在嚴寒區域或者嚴寒氣候下，亦或者人們需要長時間帶手套的環境當中，這也將使得指紋識別變得不那么便利。2.2.3

指紋識別

虹膜是位于眼睛的白色鞏膜和黑色瞳孔之間的圓環狀部分，總體上呈現一種由內向外的放射狀結構，由相當復雜的纖維組織構成。虹膜包含了最豐富的紋理信息，包括很多類似于冠狀、水晶體、細絲、斑點、凹點、射線、皺紋和條紋等細節特征結構，這些特征由遺傳基因決定，在出生之前就確定下來，并且終生不變。虹膜的高度獨特性和穩定性是其用于身份鑒別的基礎。在所有生物識別技術中，虹膜識別是當前應用最為方便和精確的一種。2.2.4

虹膜識別

靜脈識別具有高度防偽、簡便易用、快速識別及高度準確四大特點。最為重要的一點是，指靜脈識別的特征已被國際公認具有唯一性，且和視網膜相當，在其拒真率（相同結構圖，而被算法識別為不同）低于萬分之一的情況下，其識假率（不同結構圖，而被算法識別為相同）可低于10萬分之一。2.2.5

靜脈識別靜脈識別同樣有著難以規避的缺點：（1）手背靜脈仍可能隨著年齡和生理的變化而發生變化，永久性尚未得到證實。（2）仍然存在無法成功注冊登記的可能。（3）由于采集方式受自身特點的限制，產品難以小型化。（4）采集設備有特殊要求，設計相對復雜，制造成本高。2.2.5

靜脈識別優勢：（1）聲紋提取方便，可在不知不覺中完成，因此使用者的接受程度也高。（2）獲取語音的識別成本低廉，使用簡單，一個麥克風即可，在使用通訊設備時更無需額外的錄音設備。（3）適合遠程身份確認，只需要一個麥克風或電話、手機就可以通過網路（通訊網絡或互聯網絡）實現遠程登錄；（4）聲紋辨認和確認的算法復雜度低；（5）配合一些其他措施，如通過語音識別進行內容鑒別等，可以提高準確率。2.2.6

聲紋識別劣勢：（1）同一個人的聲音具有易變性，易受身體狀況、年齡、情緒等的影響；（2）不同的麥克風和信道對識別性能有影響；（3）環境噪音對識別有干擾；（4）混合說話人的情形下人的聲紋特征不易提取。2.2.6

聲紋識別

步態識別是一種非接觸的生物特征識別技術。因為它不需要人的行為配合；特別適合于遠距離的身份識別。這是任何生物特征識別所無法比擬的；不容易偽裝。是讓犯罪分子防不勝防的追捕手段，它不僅可以分析閉路電視捕捉到的嫌犯的行動情況，還能把它們同嫌犯走路的姿態進行比較。在一些兇殺案中，往往兇犯不讓你看到他們的臉，但卻能看到兇手走路的樣子。采集裝置簡單、經濟。2.2.7

步態識別

2.3.1概述

傳感器是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將檢測感受到的信息，按一定規律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。它是實現自動檢測和自動控制的首要環節。傳感器的輸出信號多為易于處理的電量，如電壓、電流和頻率等。2.3

傳感器技術

傳感器的定義包含了以下幾方面的意思：①傳感器是測量裝置，能完成檢測任務；②它的輸入量是某一被測量，可能是物理量，也可能是化學量或生物量等；③它的輸出量是某種物理量，這種量要便于傳輸、轉換、處理和顯示等，這種量可以是氣、光、電量，但主要是電量；④輸出輸入有對應關系，且應有一定的精確程度。2.3.2

傳感器的定義

敏感元件是在傳感器中直接感受被測量的元件，即被測量通過傳感器的敏感元件轉換成一個與之有確定關系、更易于轉換的非電量。這一非電量通過轉換元件被轉換成電參量。轉換電路的作用是將轉換元件輸出的電參量轉換成易于處理的電壓、電流或頻率量。應該指出，有些傳感器將敏感元件與轉換元件合二為一了。2.3.2

傳感器的定義

氣體壓力傳感器：這里的膜盒就是敏感元件，其外部與大氣相通，當內部感受被測壓力變化時，引起膜盒上半部移動，即輸出相應的位移量。轉換元件：敏感元件的輸出就是它的輸入，它把輸入轉換成電路參量。在圖2-3中轉換元件是可變電感線圈3，它把輸入的位移量轉換成電感的變化。2.3.2

傳感器的定義

實際上，有些傳感器很簡單，有些則較復雜，大多數是開環系統，也有些是帶反饋的閉環系統。最簡單的傳感器由一個敏感元件（兼轉換元件）組成，它感受被測量時直接輸出電量，如熱電偶就是這樣：2.3.2

傳感器的定義

人們為了從外界獲取信息，必須借助于感覺器官。而在研究自然現象、規律以及生產活，單靠人們自身的感覺器官的功能就遠遠不夠了。為適應這種情況，就需要傳感器。因此可以說，傳感器是人類五官的延長，又稱之為“電五官”。傳感器是獲取自然和生產領域中信息的主要途徑與手段。2.3.3

傳感器的作用

傳感器早已滲透到諸如工業生產、宇宙開發、海洋探測、環境保護、資源調查、醫學診斷、生物工程甚至文物保護等極其廣泛的領域。可以毫不夸張地說，從茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各種復雜的工程系統，幾乎每一個現代化項目，都離不開各種各樣的傳感器。圖所示就是遙感衛星CCD視覺傳感器的外觀。2.3.3

傳感器的定義

（1）按傳感器的物理量分類，可分為位移、力、速度、溫度、濕度、流量和氣體成分等傳感器。（2）按傳感器工作原理分類，可分為電阻、電容、電感、電壓、霍爾、光電、光柵和熱電偶等傳感器。（3）按傳感器輸出信號的性質分類，可分為輸出為開關量（“1”和“0”或“開”和“關”）的開關型傳感器，模擬型傳感器，輸出為脈沖或代碼的數字型傳感器。

（4）根據傳感器的能量轉換情況，可分為能量控制型傳感器和能量轉換型傳感器。2.3.4

傳感器的分類

靜態數學模型是指在靜態信號作用下，傳感器輸出與輸入量之間的一種函數關系。表示為：

y=a0+a1x+a2x2+…+anxn式中，x為輸入量；y為輸出量；a0為零輸入時的輸出，也稱零位誤差；a1為傳感的線性靈敏度，用K表示；a2、…、an為非線性項系數。根據傳感器的數學模型一般把傳感器分為三種：（1）理想傳感器，靜態數學模型表現為y=a1x。（2）線性傳感器，靜態數學模型表現為y=a0+a1x。（3）非線性傳感器，靜態數學模型表現為y=a0+a1x+a2x2+…+anxn（a2、…、an中至少有一個不為零）。2.3.5

傳感器的數學模型與靜態特性

傳感器的靜態特性是指對靜態的輸入信號，傳感器的輸出量與輸入量之間的關系。因為輸入量和輸出量都和時間無關，它們之間的關系，即傳感器的靜態特性可用一個不含時間變量的代數方程，或以輸入量作橫坐標、把與其對應的輸出量作縱坐標而畫出的特性曲線來描述。表征傳感器靜態特性的主要參數有線性度、靈敏度、分辨力和遲滯等，傳感器的參數指標決定了傳感器的性能以及選用傳感器的原則。2.3.5

傳感器的數學模型與靜態特性

（1）傳感器的靈敏度：靈敏度是指傳感器在穩態工作情況下輸出量變化Δy對輸入量變化Δx的比值。它是輸出-輸入特性曲線的斜率：K=dy/dx如果傳感器的輸出和輸入之間顯線性關系，則靈敏度K是一個常數，即特性曲線的斜率。否則，它將隨輸入量的變化而變化。靈敏度的量綱是輸出量、輸入量的量綱之比。例如，某位移傳感器，在位移變化1mm時，輸出電壓變化為200mV，則其靈敏度應表示為200mV/mm。當傳感器的輸出量、輸人量的量綱相同時，靈敏度可理解為方大倍數。提高靈敏度，可得到較高的測量精度。但靈敏度越高，測量范圍越窄，穩定性也往往越差。2.3.5

傳感器的數學模型與靜態特性

（2）傳感器的線性度：通常情況下，傳感器的實際靜態特性輸出是條曲線而非直線。在實際工作中，為使儀表具有均勻刻度的讀數，常用一條擬合直線近似地代表實際的特性曲線，線性度（非線性誤差）就是這個近似程度的一個性能指標。擬合直線的選取有多種方法，如將零輸入和滿量程輸出點相連的理論直線作為擬合直線，或將與特性曲線上各點偏差的平方和為是小的理論直線作為擬合直線，此擬合直線稱為最小二乘法擬合直線。傳感器校準曲線與擬合直線間的最大偏差（△max）與滿量程輸出（Ym）的百分比，稱為線性度（又稱為“非線性誤差”），該值越小，表明線性特性越好。表示公式如下：E=△max/Ym×100%式中，△max是實際曲線和擬合直線之間的最大差值；Ym為量程。2.3.5

傳感器的數學模型與靜態特性

（3）傳感器的分辨力：

分辨力是指傳感器可能感受到的被測量的最小變化的能力。也就是說，如果輸入量從某一非零值緩慢地變化，當輸入變化值未超過某一數值時，傳感器的輸出不會發生變化，即傳感器對此輸入量的變化是分辨不出來的。只有當輸入量的變化超過最小變化時，其輸出才會發生變化。

通常傳感器在滿量程范圍內各點的分辨力并不相同，因此常用滿量程中能使輸出量產生階躍變化的輸入量中的最大變化值作為衡量分辨力的指標，上述指標若用滿量程的百分比表示，則稱為分辨力。（4）重復性:

傳感器在輸入量按同一方向做全量程多次測試時，所得特性曲線不一致的程度。2.3.5

傳感器的數學模型與靜態特性

（5）遲滯現象:

傳感器正向行程（輸人量增大）和區向行程（輸入量減小）期間，特性曲線不一致程度。（6）穩定性與漂移:

傳感器的穩定性有長期和短期之分。一般指一段時間以后，傳感器的輸出和初始航定時的輸出之間的差值。通常用不穩定度來表征其輸出穩定的程度。

傳感器的漂移是在外界干擾下，輸出量出現與輸人量無關的變化。漂移有很多種，如時間漂移和溫度漂移等。時間漂移指在規定的條件下，零點或靈敏度隨時間發生變化；溫度漂移指環境溫度變化而引起的零點或靈數度的變化。2.3.5

傳感器的數學模型與靜態特性

溫度傳感器的分類方法很多。按照用途可分為基準溫度計和工業溫度計；按照測量方法又可分為接觸式和非接觸式；按工作原理又可分為膨脹式、電阻式、熱電式、輻射式等；按輸出方式分有自發電型、非電測型等。2.3.6

溫度傳感器

熱敏電阻是利用半導體材料電阻率隨溫度變化而變化的性質制成的，按其溫度特性分成三類，適用于不同的使用場合。（1）電阻值隨溫度升高而升高的，稱為正溫度系數熱敏電阻（PTC）；（2）電阻值隨溫度升高而降低的，稱為負溫度系數熱敏電阻（NTC）；（3）具有正或負溫度系數特性，但在某一溫度范圍電阻值發生巨大變化的，稱為突變型溫度系數熱敏電阻（CTR）。2.3.6

溫度傳感器

濕度傳感器的主要特性有以下幾點：（1）感濕特性：濕度傳感器的特征量（如電阻、電容、頻率等）隨濕度變化的關系常用感濕特征量和相對濕度的關系曲線來表示。（2）濕度量程：它表示濕度傳感器技術規范規定的感濕范圍。全量程相對濕度為0-100%。（3）靈敏度：它表示濕度傳感器的感濕特征量（如電阻、電容等）隨環境濕度變化的程度，也是該傳感器感濕特性曲線的斜率。由于大多數濕度傳感器的感濕特性曲線是非線性的，因此常用不同環境下的感濕特征量之比來表示其靈敏度的大小。（5）響應時間：在一定環境溫度下，當相對濕度發生躍變時，濕度傳感器的感濕特征量達到穩定變化量的規定比例所需的時間，一般以相應的起始濕度和終止濕度這一變化區間的90%的相對濕度變化所需的時間來計算。2.3.7

濕度傳感器

濕度傳感器的主要特性有以下幾點：（6）感濕溫度系數：當環境濕度恒定時，溫度每變化1℃所引起的濕度傳感器感濕特征量的變化量。（7）老化特性：濕度傳感器在一定溫度、濕度氣氛下存放一定時間后，其感濕特性將發生變化的特性。2.3.7

濕度傳感器

濕度傳感器種類繁多。按輸出的電學量可分為電阻型電容型、頻率型等；按探測功能可分為絕對濕度型、相對濕度型、結露型等；按材料可分為陶瓷型、有機高分子型、半導體型、電解質型等。這里主要介紹應用最廣泛的陶瓷型濕度傳感器。陶瓷型濕度傳感器是利用其表面多孔性吸濕進行導電，從而改變元件的阻值。這種濕敏元件隨外界濕度變化而使電阻值變化的特性便是用來制造濕度傳感器的依據。陶瓷型濕度傳感器較成熟的產品有MgCr2O4-TiO2系、ZnO-Cr2O3系、ZrO2系厚膜型、Al2O3薄膜型、TiO2-V2O5薄膜型等品種。2.3.7

濕度傳感器

MgCr2O4-TiO2系濕度傳感器MgCr2O4-TiO2系濕度傳感器是一種典型的多孔陶瓷濕度測量器件。由于它具有靈敏度高、響應特性好測濕范圍寬和高溫清洗后性能穩定等優點，目前已商品化，并得到廣泛應用。以MgCr2O4為基礎材料，加入一定比例的TiO2（20~35mo/L）制成的。感濕材料被壓制成4mm×4mm×0.5mm的薄片，在1300℃左右燒成，在感濕片兩面涂布氧化釕（RuO2）多孔電極，并于800℃下燒結。在感濕片外附設有加熱清洗線圈，此清洗線圈主要是通過加熱排除附著在感濕片上的有害氣氛及油霧、灰塵，恢復對水汽的吸附能力。2.3.7

濕度傳感器

ZrO2系厚膜型濕度傳感器由于燒結法制成的體型陶瓷濕度傳感器結構復雜，工藝上一致性差，特性分散，近來，國外開發了厚膜陶瓷型濕度傳感器，這不僅降低了成本，也提高了傳感器的一致性。ZrO2系厚膜型濕度傳感器的感濕層是用一種多孔ZrO2系厚膜材料制成的，它可用堿金屬調節阻值的大小并提高其長期穩定性。2.3.7

濕度傳感器

氣體傳感器是一種把氣體（多數為空氣）中的特定成分檢測出來，并將它轉換為電信號的器件，以便提供有關待測氣體的存在及濃度大小的信息。2.3.8

氣體傳感器

氣體傳感器的主要檢測對象及應用場所2.3.8

氣體傳感器

氣體傳感器的性能必須滿足下列條件：（1）能夠檢測易爆氣體的允許濃度、有害氣體的允許濃度和其他基準設定濃度，并能及起時給出報警、顯示與控制信號；（2）對被測氣體以外的共存氣體或物質不敏感；（3）性能長期穩定性、重復性好；（4）動態特性好、響應迅速；（5）使用、維護方便，價格便宜等。2.3.8

氣體傳感器

氣體傳感器種類（1）半導體型氣體傳感器：2.3.8

氣體傳感器

（2）固體電解質式氣體傳感器：這類傳感器內部不是依賴電子傳導，而是靠陰離子或陽離子進行傳導，因此，把利用這種傳導性能好的材料制成的傳感器稱為固體電解質傳感器。（3）接觸燃燒式氣體傳感器：2.3.8

氣體傳感器

（4）電化學式氣體傳感器：

電化學式氣體傳感器包括離子電極型氣體傳感器、定位電解法氣體傳感器、加伐尼電池型氣體傳感器等種類。離子電極型氣體傳感器：CO2+H2O=H++HCO3-加伐尼電池型氣體傳感器。定位電解法氣體傳感器。2.3.8

氣體傳感器

（5）集成型氣體傳感器這種傳感器：一類是把敏感部分、加熱部分和控制部分集成在同一基底上，以提高器件的性能。另一類是把多個具有選擇性的元件，用厚膜或薄膜的方法制在一個襯底上，用微機處理和信號識別的方法對被測氣體進行選擇性的測定，既可對氣體進行識別又可提高檢測靈敏度。2.3.8

氣體傳感器

光敏元器件是指能將光信號轉變為電信號的元器件，有時候又會被稱為“光電傳感器”。光敏元器件與發光管配合，可以實現電→光、光→電的相互轉換。常見的光敏元器件有光敏電阻、光敏二極管、光敏晶體管等。2.3.9

光電傳感器

光敏電阻：由陶瓷基片上沉積一層光敏半導體，再接上兩根引線做電極制成。光敏電阻的主要參數有：（1）暗電阻（RD）：光敏電阻在無光照射時的電阻值稱為暗光敏電阻電阻。（2）亮電阻（RL）：光敏電阻在受到光照射時所具有的阻值稱為亮電阻。（3）峰值波長：光敏特性響應最佳時所對應的波長。2.3.9

光電傳感器

光敏二極管：它是由一PN結構成的半導體器件。光敏二極管的兩管腳有正、負極之分：靠近管鍵和色點的是正極，另一管腳為負極；較長的一腳為正極，較短的一腳為負極。光敏二極管的檢測方法：1）用萬用表R×100或R×1k檔，與測普通二極管一樣，其正向電阻應為10k左右。2)對調兩表筆，使光敏二極管工作在反向狀態。用一物體遮住光敏二極管的透明窗口，測得的電阻值應接近無窮大。3)去掉遮光物，表筆指針應向右偏轉至幾千歐處，光線越強，電阻值越小。若測得的正反向電阻都是無窮大或零，說明管子已損壞。2.3.9

光電傳感器

光敏晶體管：光敏二極管能實現光電轉換，但靈敏度低，使用光敏晶體管就大大提高了光電轉換的靈敏度。光敏晶體管為NPN型結構，基極即為光射窗口，因此大多數光敏晶體管只有集電極和發射極兩個管腳，也有基極有引出腳的，作為溫度補償用，不用時剪去。2.3.9

光電傳感器

光敏晶體管的檢測如圖所示：用遮光物遮住光敏晶體管的窗口，沒有光照，光敏晶體管沒有電流，測得的阻值應為無窮大。

去掉遮光物，使光敏晶體管的窗口朝向光源，晶體管導通，萬用表的指針向右偏轉至1k左右，指針偏轉角的大小反映了管子的靈敏度。2.3.9

光電傳感器

通過光敏晶體管做成的光電開關目前應用非常普遍，以紅外線光電開關為例，其所發射的紅外線屬于一種電磁射線，其特性等同于無線電或X射線。人眼可見的光波是380

~780nm，發射波長為780nm

~

1mm的長射線稱為紅外線，一般紅外線光電開關優先使用的是接近可見光波長的近紅外線。2.3.9

光電傳感器

光電開關內部振蕩回路產生的調制脈沖先經反射電路后，由發射管輻射出光脈沖；當被測物體進入受光器作用范圍時，被反射回來的光脈沖進入光敏晶體管，并在接收電路中將光脈沖解調為電脈沖信號，再經放大器放大和同步選通整形，然后用數字積分或RC積分方式排除干擾，最后經延時（或不延時）觸發驅動器輸出光電開關控制信號。2.3.9

光電傳感器

常用光電開關的分類是按檢測方式來劃分的，其可分為反射式、對射式和面反射式等幾種類型。對射式檢測距離遠，可檢測半透明物體的密度（透光度）。反射式的工作距離被限定在光束的交點附近，以避免背景影響。鏡面反射式的反射距離較遠，適宜作遠距離檢測，也可檢測透明或半透明物體。2.3.9

光電傳感器

直接反射光電開關，它是一種集發射器和接收器于一體的傳感器，當有被檢測物體經過時，將光電開關發射器發射的足夠量的光線反射到接收器，于是光電開關就產生了開關信號。當被檢測物體的表面光亮或其反光率極高時，直接反射式的光電開關是首選的檢測模式。2.3.9

光電傳感器2.4WiFi技術與網絡2.4.1概述

WiFi是一種可以將個人計算機、手持設備（如PAD、手機）等終端以無線方式互相連接的技術。無線保真是一個無線網絡通信技術的品牌，由WiFi聯盟所持有。目的是改善基于IEE802.11標準的無線網絡產品之間的互通性。有人把使用IEEE802.11系列協議的局域網就稱為無線保真，甚至把無線保真等同于無線網際網絡（WiFi是WLAN的重要組成部分）。2.4.1概述2.4.1概述

無線網絡在無線局域網的范疇是指“無線相容性認證”，實質上是一種商業認證，同時也是一種無線聯網技術，以前通過網線連接計算機，而無線保真則是通過無線電波來聯網。常見的就是一個無線路由器，那么在這個無線路由器的電波覆蓋的有效范圍都可以采用無線保真連接方式進行聯網，如果無線路由器連接了一條ADSL線路或者別的上網線路，則又被稱為熱點。

WiFi第一個版本發表于1997年，其中定義了介質訪問接入控制層（MAC層）和物理層。物理層定義了工作在2.4GHz的ISM頻段上的兩種無線調頻方式和一種紅外傳輸的方式，總數據傳輸速率設計為2Mbit/s兩個設備之間的通信可以自由直接的方式進行，也可以在基站（BaseStation，B）或者訪問點（AccessPoint，AP）的協調下進行。2.4.2WiFi協議的基本內容協議棧WiFi網絡結構2.4.2WiFi協議的基本內容2.4.3WiFi網絡的組成元件（1）站點STA（Station）：所謂的站點，是指具有WiFi通信功能的，并且連接到無線網絡中的終端設備，如手機、平板電腦、筆記本計算機等；（2）接入點AP（AccessPoint）：AP也可稱為基站，就是我們平常所說的WiFi熱點，更通俗一點，就是我們家里的無線路由器。當我們需要從互聯網上獲取數據到手機上顯示時，那么接入點就相當于一個轉發器，將互聯網上其他服務器上的數據轉發給我們的手機上。同時，接入點也屬于站點的一種。（3）基本服務集BSS（BasicServiceSet）：①由一個接入點和若干個站點組成；②由若干個站點組成，最少兩個。有接入點的，稱為基礎結構型基本服務集（InfrastructureBSS）；無接入點的，稱為獨立型基本服務（IndependentBSS，IBSS），BS也有其他的叫法，稱為AdHocNetwork。2.4.3WiFi網絡的組成元件（4）服務集識別碼SSID（ServiceSetIdentifier）：WiFi賬號就是SSID。SSID通過接入點廣播出來。同時，我們在設置無線路由器時，可修改SSID的名稱。（5）分布式系統DS（DistributionSystem）：稱為傳輸系統，通過基站將多個基本服務集連接起來。分布式系統是基站間傳送幀的骨干網絡，通常被骨干網絡（BackboneNetwork）。（6）擴展服務集ESS（ExtendedServiceSet）：由一個或者多個基本服務集通過分布式統串聯在一起就構成了ESS。通過ESS，我們可以擴展無線網絡的覆蓋范圍。（7）門橋（Portal）:用于將無線局域網有線局域網或者其他網絡聯系起來。門橋可以使這兩種類型的網絡實現邏輯上的綜合。2.4.3WiFi網絡的組成元件網絡類型主要是在BSS中進行分類，有獨立型基本服務集（IndependentBSS）和基礎構型基本服務集（InfrastructureBSS）兩種。（1）獨立型基本服務集：通常，IBSS是由少數幾部工作站針對特定目的而組成的臨時性網絡最低限度的IBSS是由兩個站點組成的。IBSS有時被稱為特設網絡（Ad

Hoc

Network）。2.4.4WiFi網絡類型（2）基礎結構型基本服務集：判斷是否為基礎結構型網絡，只要檢查是否有基站參與其中。基站負責基礎結構型網絡所有的傳輸，包括同一服務區域中所有行動節點之間的通信。網絡類型主要是在BSS中進行分類，有獨立型基本服務集（IndependentBSS）和基礎構型基本服務集（InfrastructureBSS）兩種。2.4.4WiFi網絡類型

位于基礎結構型基本服務集的移動式站點，如有必要跟其他移動式站點通信，必須經過兩個步驟：（

首先，由開始對話的站點將幀傳遞給基站。

其次，由基站將此幀傳送至目的站點。既然所有通信都必須通過基站，基礎結構型網絡所對應的基本服務區域就相當于基站的傳送范圍。）2.4.4WiFi網絡類型雖然這種做法比直接傳送耗費較多的資源，不過它有兩個主要的優點：（1）基礎結構型基本服務集被界定在基站的傳輸范圍。（2）基站在基礎結構型網絡里的作用是協助站點節省電力。2.4.4WiFi網絡類型

WiFi網絡具有移動性，同時WiFi以無線電波作為傳輸媒介，這種媒介本質上是開放的，且容易被攔截，任何人都可以通過抓包工具截取無線網絡的數據包。因此，在設計WiFi協議時，需要提供一些傳輸數據和管理的服務：（1）分布式（2）整合（3）關聯（4）重新關聯（5）解除關聯（6）身份認證（7）解除認證（8）機密性（9）MSDU傳遞（10）傳輸功率控制（11）動態頻率選擇2.4.5WiFi網絡的數據傳輸與管理2.5ZigBee技術與網絡2.5.1概述

ZigBee技術是一種便宜、低功耗、高可靠性的近距離無線組網通信技術是一個由可多達65000個無線數傳模塊組成的網絡平臺。ZigBee是一種開放式的基于EEE802.15.4協議的無線個人局域網（WirelessPersonalAreaNetworks）標準。ZigBee是一種新興的短距離、低數據速率、低成本低復雜度的雙向無線網絡通信技術。ZigBee可使用的無線頻段有3個，分別是2.4GHz的ISM頻段、歐洲的868MHz頻段以及美國的915MHz頻段。

ZigBee和E802.15.4標準都適合于低速率數據傳輸，最大速率為250kbit/s，與其他無線技術比較，適合傳輸距離相對較近。

ZigBee采取了IEEE802.15.4強有力的無線物理層所規定的全部優點：省電、簡單、成本低。ZigBee增加了邏輯網絡、網絡安全和應用層。2.5.1概述ZigBee作為一種無線通信技術，具有如下特點：（1）低功耗：ZigBee的傳輸速率低，發射功率僅為1mW，而且采用了休眠模式。（2）成本低：ZigBee模塊的初始成本較低，并且ZigBee協議是免專利費的。（3）時延短：通信時延和從休眠狀態到激活的時延都非常短，典型的搜索設備時延為30ms，眠激活的時延為15ms，活動設備信道接入的時延為15ms。（4）網絡容量大：一個星形結構的ZigBee絡最多可以容納254個從設備和1個主設備，一個區域內可以同時存在最多100個ZigBee網絡，而且組網靈活。（5）可靠性高：采取了碰撞避免策略，同時為需要固定帶寬的通信業務預留了專用時隙，避開了發送數據的競爭和沖突。（6）安全：ZigBee提供了基于循環冗余校驗（CRC）的數據包完整性檢查功能，支持鑒權和認證，采用了AES-128的加密算法，各個應用可以靈活確定其安全屬性。

目前市面上設計ZigBee的應用方案，主要有兩種方式：（1）使用現成的無線ZigBee模塊（2）直接用廠家的ZigBee芯片來完成自己所需的ZigBee應用設計采用ZigBee的無線傳輸系統應用領域主要包括：1）家庭和樓宇網絡2）工業控制3）商業4）公共場所5）農業控制6）醫療

通過以上分析可知，未來的物聯網系統是把RFID技術、ZigBee技術、GPS技術、3G/4G寬帶技術和行業應用融合起來的一個集成產品。于以上應用范圍廣且大都涉及個人家庭，因此低成本、低功耗和高可靠性是市場對物聯網中無線通信技術最強烈的需求，而ZigBee產品的優勢正好非常符合這種市場需求。2.5.1概述ZigBee技術組建的是一種低數據傳輸速率的無線個域網，網絡的基本成員稱為“設備”（Device）。另外網絡中的設備按照具備功能的不同分為兩類，具備完整功能的全功能設備（FullFunctionDevice,FFD）和只具備部分功能的精簡功能設備（ReducedFunctionDevice,RFD）。RFD功能非常簡單，可以用較低端的微控制器實現，FFD可以作為全域網的協調器、路由器，功能較全，當然也可以作為終端設備使用。一般在一個網絡里至少需要一個主協調器。2.5.2ZigBee技術原理按照OSI模型，ZigBee網絡分為4層，從下向上分別為物理層（PHILayer）、媒體訪問層（MACLayer）、網絡層或安全層（NWKLayer）、應用層（APLLayer）。2.5.3ZigBee網絡體系

ZigBee支持包含有主從設備的星形、樹形和對等拓撲結構。雖然每一個ZigBee設備都有一個唯一的64位IEEE地址，并可以用這個地址在PAN（個域網）中進行通信，但在從設備和網絡協調器建立連接后會為它分配一個16位的短地址，此后可以用這個短地址在PAN內進行通信。2.5.4ZigBee網絡拓撲

由于ZigBee廣闊的應用前景，世界各大半導體生產廠商紛紛推出了支持EEE802.15.4標準的無線收發芯片。這些芯片集成了ZigBee物理層功能，并且所需外圍元件少，使用起來非常方便，大大降低了射頻電路設計、制作的難度，即使沒有昂貴的射頻儀器也能完成射頻電路的設計制作。2.5.5幾種常用的ZigBee射頻芯片介紹1.MC13192射頻芯片：MC13192是飛思卡爾公司推出的一種短距離、低功耗，工作于2.4GHz的ISM波段，包含ZigBee物理層（802.15.4）協議的收發芯片。它支持點對點、星形和網形結構的網絡。2.CC2430/CC2431片上系統：CC2430是挪威Chipcon威公司（2006年被德州儀器（TI）公司收購）推出的用來實現嵌入式ZigBee應用的片上系統。2.5.5幾種常用的ZigBee射頻芯片介紹（1）廈門四信通信科技有限公司ZigBee模塊：F8913ZigBee模塊、F8914ZigBee終端其產品共同特點是：●支持ZigBee無線短距離數據傳輸功能。●具備中繼路由和終端設備功能。●支持點對點、點對多點、對等和MESH網絡。●網絡容量大●節點類型靈活●發送模式靈活●通信距離大●提供5路●使用方便、靈活，可多種工作模式選擇●具有方便的系統配置和維護接口●支持串口軟件升級●為智能型數據終端2.5.6ZigBee模塊生產廠家介紹（2）深圳市中鼎泰克電子有限公司ZigBee模塊：該公司DRF系列ZigBee模塊目前包括DRF1605、DRF605、DRF2617A、DRF2618-ZUSB、DRF2619A及相關配套底板。產品主要特點：●DRF系列ZigBee模塊可以形象地理解為“無線的串口連接”●簡單易用●自動組網●實現簡單數據傳輸●有唯一IEEE地址●用戶可更改節點類型●用戶可更改無線電頻道●用戶可自定義Router地址2.5.6ZigBee模塊生產廠家介紹（3）上海順舟智能科技股份有限公司ZigBee模塊：公司致力于ZigBee、PRS/GM、WiFi、1GHz以下頻段（433MHz/470MHz）的研發和應用。性能特點：通信距離遠抗干擾能力強串口應用靈活發送模式靈活節點類型靈活組網能力強網絡容量大最大數據包工業級應用設備2.5.6ZigBee模塊生產廠家介紹若采用ZigBee模塊組網，問題就簡單多了，只要學習一下模塊的使用方法，掌握模塊參數的設置方法，就像配置PC網卡那樣簡單就把無線網絡組建完成了。2.5.6ZigBee無線組網策略分析2.6智能家居中的物聯網應用案例2.6.1智能家電2.6智能家居中的物聯網應用案例

從產業鏈來看，中國已形成包括芯片、元器件、設備、軟件、系統集成、運營、應用服務在內的較為完整的物聯網產業鏈，各關鍵環節的發展也取得重大進展。M2M服務、中高頻RFID、二維碼等環節產業鏈業已成熟，國內市場份額不斷擴大，具備一定領先優勢；基礎芯片設計、高端傳感器制造、智能信息處理等相對薄弱環節與國外差距不斷縮小，尤其光纖傳感器在高溫傳感器和光纖光柵傳感器方面取得重大突破；物聯網第三方運營平臺不斷整合各種要素形成有序發展局面，平臺化、服務化的發展模式逐漸明朗，成為中國物聯網產業發展的一大亮點。2.6.1智能家電

1.家庭智能溫控系統:基于物聯網技術的家庭溫控系統能將調溫、調濕、通風等多項功能集成在同一系統上，根據當前環境調節各項系統參數，以使家居環境舒適宜人。2.6.1智能家電

2.智能冰箱:基于物聯網技術的智能冰箱引入了RFD技術，能夠準確識別當前庫存、顯示庫存、為主人提醒食品過期信息，還能根據各類食材的庫存量從互聯網上下載健康食譜供用戶參考。2.6.1智能家電

3.物聯之家:海爾“物聯之家”是一套完整的智能家電解決方案，具備了上述家庭智能溫控系統和智能冰箱的多項基本功能，并在家庭照明、家居娛樂等方面加以擴展，包括智能家電智能窗簾、智能燈光、故障反饋、網絡監控等多個應用子系統。2.6.1智能家電近年來，人們對家居便利性和舒適度的要求越來越高，家庭能耗顯著增加。在我國開展建筑節能尤其是住宅節能，對我國實現節能減排的具體目標具有重要的意義。建筑所必需的電梯動力、照明、空調、消防、通風、高低壓配電等用能信息的傳遞是建筑節能和工業節能的基礎，高效實現建筑節能信息化的關鍵問題之一是解決這些信息的傳輸問題。在基于無線傳感網技術開發的建筑能耗監測系統中一般利用無線傳感網技術來進行信息的采集和傳輸。適用于各種既有建筑和新建建筑，組網方便，不占空間，無需綜合布線施工，項目實施快速簡捷。2.6.2節能環保

（1）智能抄表:指在數字表（水、點、煤氣表）中嵌入具有無線通信能力的抄表器。將數字表的讀數變化情況發送給控制中心服務器。控制中心存儲和分析數字表數據，供用戶查詢。用戶可以通過控制中心網站及時了解家中能源消耗具體情況并進行對比分析。2.6.2節能環保

在北美地區，谷歌的PowerMeter軟件能夠讓用戶了解家庭的用電情況。其工作需要特殊的電表配合完成，如TED5000。安裝有TED5000的家庭可通過互聯網查看自己家中設備耗電情況。用戶還可以配備一個無線終端，通過ZigBee協議與能耗監測模塊通信，了解到更加及時的家庭能耗情況。2.6.2節能環保

與美國的獨戶式居住格局不同，我國的城市居住格局通常是“單元樓+小區”的模式，因此在智能抄表系統的設計上，更多的是采用小區總線與通信網絡相結合的模式，這樣可以降低系統布設成本，節省無線通信帶寬資源，也更加便于管理。2.6.2節能環保

（2）智能供暖:在家庭能量消耗中，除去各類家用電器的電能消耗用于家庭供暖的熱能消耗也是家庭能耗的重要組成部分。智能供暖系統能夠根據當前家居環境自動調節供暖系統的供熱強度。2.6.2節能環保

（1）家庭智能照明系統:控制家庭光照強度是改善家居環境的重要手段之一。基于物聯網技術的智能照明系統能夠通過感知室內光強與光照色度來自動調節家中照明設備的工作狀態，并且控制窗簾閉合，達到舒適、節能、個性化的效果。2.6.3智能照明

（2）辦公樓智能照明系統:辦公樓智能照明特指高層建筑等工作場所的照明因為高層建筑照明比家庭照明功能更加復雜，系統更加龐大，節能是其最重要的設計目，同時還需要系統有良好的擴展性。該系統能將大樓內部所有照明回路和電動設備集中監控，智能調節。2.6.3智能照明

將物聯網技術應用于家庭安防，能夠使小區安防和家居安防結為一體，具有快速響應、判斷精確的優勢，是未來家庭安防的重要發展方向。按照前端探測對象的不同，智能家居系統還包括意外事故預防系統、防盜系統、遠程監控系統3個子系統。2.6.4家庭安防

（1）意外事故預防系統:家庭意外事故預防主要是防火與防煤氣泄漏。如有煤氣泄漏，家庭服務器會發報警信號并通知相關人員。同時，家庭服務器還會自動關閉燃氣管道電磁閥。2.6.4家庭安防

（2）家庭防盜系統:在家庭防盜系統中，首先需要通過門禁手段控制進入大樓的人員身份，其次還需要使用入侵檢測技術確保房間安全。智能家庭門禁系統由前端的身份認證模塊、自動門鎖、家庭網絡和家庭控制中心4個部分組成。入侵檢測系統使用多種安防類傳感器監視防護區域，實現對非法入侵者的檢測、識別與報警。2.6.4家庭安防

（3）遠程監控系統:通過遠程監控系統，用戶可以通過互聯網實時查看家中狀況。家庭的視頻監控系統一般由攝像頭、家庭監控服務器和小區監控中心服務器組成。家庭監控服務器連接一個或多個攝像頭，分別對準特定場景，如門鎖、窗口、家庭內的某個房間，采集現場視頻信號，同時對視頻進行數字化處理，并能夠通過網絡將實時監控視頻發送給用戶；利用運動檢測技術，可以準確地判斷是否有異常事件發生。2.6.4家庭安防 本章完結第一章

智能家居系統中的關鍵技術《物聯網應用基礎》第三章智慧物流系統中的關鍵技術《物聯網應用基礎》本章要點1背景概述2二維碼識別技術3RFID技術本章要點4移動通信網絡5智慧物流的應用案例3.1背景概述

物流是以滿足客戶需求為目的，以高效和經濟的手段來組織原料、在制品、制成品以及相關信息從供應到消費的運動和儲存的計劃、執行和控制的過程。

物流過程一般是指貨物從原材料到形成消費者購買的產品的整個流程，其中可分為至少5個部分，分別是：采購物流、生產物流、銷售物流、退貨物流和廢棄物流。

進入21世紀以來，隨著經濟規模的飛速增長，我國的物流產業總體規模日新月異，服務水平也在顯著提高，物流產業的產業環境和軟硬條件也在不斷得到改善。但我國當前物流產業的總體水平仍然偏低，還存在些制約其進步發展的因素，如物流運行效率偏低、社會化物流需求不足和專業化物流供給能力不足、物流基礎設施能力以及物流服務的組織化和集約化程度低等，可以說，我國的物流產業還是較低端的服務業。

總體上看，我國物流業還比較粗放，科技水平還較為落后，還沒有形成完整的物流信息網絡和綜合的物流服務理念，與發達國家有很大差距。物流業信息化水平還是很低，缺少統一的管理和規劃效應，信息流通不暢。3.1.1我國物流系統面臨的挑戰（1）物聯網應用能夠提升物流行業的整體效率：

物流業具有很強的時效性，而其效率在很大程度上決定著物流行業的水平。將物聯網技術融人到具體物流運作中，以實現高度的物流信息化、自動化、網絡化及智能化，大大提升物流業的整體效率。（2）物聯網應用可以推進物流行業專業化規模化發展：

企業通過接入物流信息網絡系統能夠即時建立企業內部、供應商、消費者、政府部門等相關單位的聯系、協調和合作，實現整體聯動的社會化物流。3.1.2

智慧物流與物聯網技術（3）物聯網行業可以推動物流行業集成化精細化發展：隨著現代經濟的快速發展，企業之間物流信息的交換關系和依賴程度也愈來愈錯綜復雜。在當今市場瞬息萬變和競爭環境日益激烈的情況下，企業在物流方面要求是：響應快速、協同配合、個性化需要。而物聯網技術的應用不僅能夠使物流過程充分滿足企業的上述要求，甚至能夠通過物流環節及時的信息反饋，改變企業生產滯后市場需求的被動局面，打造企業利用物流信息主動推動市場形成的新局面。3.1.2

智慧物流與物聯網技術在發展智慧物流的進程中，僅從技術層面就存在許多困難，這在采集信息、網絡傳輸、智能應用三個環節中都有所體現。（1）在采集信息的環節中，一般認為技術標準和投資成本是主要矛盾，要想將識別系統深入到物流貨物單件上，其成本對于大部分產品來說是難以承受的，這是目前討論最多的部分。（2）物流信息在骨干網絡的互聯互通環節中也具有很多挑戰性。在信息的整合中既要滿足開放性要求，實現各種信息很方便、成本很低地互聯互通，又要滿足安全性要求，這樣才能用于商務、管理、控制，也就是要解決好物流專網與公網的關系。3.1.2

智慧物流與物聯網技術（3）智能應用環節的情況最為復雜，用戶的需求跨度大，應用及服務復雜多樣而且各種物流信息集中交匯，需要基于海量物流信息的物流服務，并提供可按照用戶需求進行定制的物流服務產品，應用服務環節在所有環節中均處在核心的位置。物聯網時代的“智能”物流應該是基于強大的骨干網絡，智慧物流應該依托整個物流信息網絡的海量數據處理和服務中心。3.1.2

智慧物流與物聯網技術（1）加快信息標準建設，實現信息互融互通：

將供應鏈上所有成員的各個物流環節都緊密聯系在一起，以此實現供應鏈一體化運作，這就需要建立統一的信息標準，才能消除跨部門、跨行業、跨企業之間的信息溝通障礙，為智慧物流的發展提供堅實的基礎。（2）建立智慧物流云平臺，提高信息集約化水平：

使生產、流通和消費實現無縫對接，從整體上有效降低物流成本，最大限度的進行了物流資源整合和優化，達到供應鏈一體化高效運作的目標，提高了物流專業服務能力。3.1.3我國智慧物流發展路徑分析（3）構建智能末端體系，提升末端智能服務能力：借助智慧物流信息化平臺，通過共同配送、無人機配送等智慧物流模式，達到末端物流配送集約化目的，解決最后一公里難題。（4）注重信息技術開發，提高企業競爭力：要充分利用GPS、GIS等先進物流技術準確快速及時的采集路況信息，并與道路交通系統有效對接，根據交通路況的實時變化，搭建合理的配送路線模型，為供應鏈上各環節的企業和用戶，提供配送路徑優化的高水平物流服務，進一步提高企業競爭力。3.1.3我國智慧物流發展路徑分析（5）打造共享合作模式，優化社會物流資源：

與資源共享形式聯系在一起的供應鏈上所有企業，不僅盤活了整個供應鏈條的物流資源，也增強了企業供應鏈的整體競爭能力。（6）多方協同培養人才，共筑智慧物流力量：

為了更好的培養智慧物流專業人才，國內各大專院校要積極與政府、企業、物流協會、社會培訓機構共同協作，研究制定出適合我國現代物流發展的智慧物流人才培養模式，使高校能盡快培養出社會所需的真正物流人才，讓物流教育與行業發展在人才建設上無縫對接。3.1.3我國智慧物流發展路徑分析3.2二維碼識別技術與RFID技術3.2.1概述

二維碼是指在一維條碼的基礎上擴展出另一維具有可讀性的條碼，使用黑白矩形圖案表示二進制數據，被設備掃描后可獲取其中所包含的信息。一維條碼的寬度記載著數據，而