物联网笔记

1. 物联网概述

1.1 RFID技术

从信息传递的基本原理来说，射频识别技术在低频段基于变压器耦合模型，在高频段基于雷达探测目标的空间耦合模型。

1948 年哈里斯托克曼发表的《利用反射功率的通信》奠定了射频识别技术的理论基础。

RFID 即射频识别，又称电子标签、无线射频识别、电子条码等。

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得相关数据，识别工作无须人工干预，可识别高速运动物体并可同时识别多个标签，可工作于各种恶劣环境，操作快捷方便。

1.2 物联网大事纪

• 1995 年，微软创始人比尔盖茨在《未来之路》一书畅想微软及科技产业未来发展趋势。他提到了 “物联网” 构想。
• 2005 年 11 月 17 日，在突尼斯举行的信息社会世界峰会（WSIS）上，国际电信联盟（ITU）发布的《ITU互联网报告2005：物联网》中正式提出了物联网的概念。
• 2008 年 11 月初，IBM 董事长彭明盛提出了智慧地球的概念。
• 2009 年 8 月 7 日，温总理与感知中国。

1.3 物联网定义（简答）

物联网的英文名称为 “The Internet of Things”，简称 “IOT”。就是“物物相连的互联网”。

它包含了两层含义：

1. 物联网的核心和基础仍然是互联网，物联网就是互联网的延伸和扩展。
2. 其延伸和扩展到了任何人和人、人和物、物和物之间进行的信息交换和通信。

是通过 RFID 等信息传感设备，按照约定的协议，把任何物品与互联网连接起来进行信息交换、信息通信和信息处理，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。它是在互联网基础上延伸和扩展的网络。

1.4 物联网的特征（简答）

• 全面感知：它是各种感知技术的广泛应用。物联网上部署了数量巨大、类型繁多的传感器，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。传感器所获得的数据具有实时性，传感器按一定的频率周期性地采集环境信息，不断更新数据。
• 可靠传递：它是一种建立在互联网上的泛在网络。传感器采集的信息通过各种有线和无线网络与互联网融合，并通过互联网将信息实时而准确地传递出去。在物联网上的传感器定时采集的信息需要通过网络传输，由于其数量极其庞大，形成了海量信息，因此在传输过程中，为了保障数据的正确性和及时性，必须适应各种异构网络和协议。
• 智能处理：物联网不仅仅提供了传感器的连接，其本身也具有智能处理的能力，能够对物体实施智能控制。物联网将传感器和智能处理相结合，利用云计算、模式识别等各种智能技术，扩充其应用领域。从传感器获得的海量信息中分析、加工和处理出有意义的数据，以适应不同用户的不同需求，发现新的应用领域和应用模式。

1.5 物联网与各行各业

综合应用题 15分-需求分析/概要设计

2.物联网体系结构

2.1 物联网五层架构模型（简答：每一层基本功能、做什么）

从关键技术的角度来看，一个完整的物联网系统一般来说包含以下 5 个层面的功能：信息感知层、物联接入层、网络传输层、技术支撑层、应用接口层。

1. 信息感知层：它是物联网获取信息的来源，其主要功能是识别物体、采集信息。该层的主要任务是将现实世界的各种物体的信息通过各种手段实时并自动地转化为虚拟世界可处理的数字化信息或数据。
2. 物联接入层：主要任务是将信息感知层采集到的信息，通过各种网络技术进行汇总，将大范围内的信息整合到一起，以供处理。
3. 网络传输层：基本功能是利用互联网、移动通信网、传感器网络及其融合技术等，将感知到的信息无障碍、高可靠性、高安全性地进行传输。
4. 技术支撑层：主要任务是开展物联网基础信息运营与管理，是网络基础设施与架构地主体。用于支撑跨行业、跨应用、跨系统之间地信息协同、共享、互通地功能。
5. 应用接口层：应用接口是物联网和用户地接口，它与行业需求结合，实现物联网地智能应用。应用接口层主要完成服务发现和服务呈现地工作。

2.2 物联网、传感网与泛在网的关系（简答）

2.3 国外物联网标准机构

• ETSI（欧洲电信标准协会）
• ITU-T（国际电信联盟）
• ISO/IEC（国际标准化组织/国际电工技术委员会）

2.4 工作组802.15的五个任务组

• 802.15.1，即蓝牙无线通信。中等速率，近距离，适用于手机、PDA等设备的短距离通信。
• 802.15.2，研究802.5.1与802.11的共存。
• 802.15.3，研究UWB标准。高速率、近距离、适用于个域网中多媒体方面的应用。
• 802.15.4，研究低速无线个人局域网。低能量消耗、低速率传输、低成本。（三低）
• 802.15.5，研究无线个人局域网的无线网状网（Mesh）组网。

2.5 IEEE 802.15.4

IEEE 802.15.4 主要研究

• 超帧结构、数据传输模型、MAC 层帧结构、数据可靠传输机制、低功耗策略和数据的安全服务等。

IEEE 802.15.4 标准共27个信道：2450MHz 16 个，915MHz 10个，868MHz 1个。

**支持 250Kb/s、40Kb/s、20Kb/s **3种速率。

支持星状网络结构和点对点等网络结构。

分配 16 位短地址或16 位扩展地址。

支持时隙保证机制，通过预留保证时隙提供无竞争媒体访问，或实现 CSMA/CA 以避免竞争，确认握手保证传输的可靠性；低功耗，可以能量检测，有链路质量指标。

2.6 ZigBee 标准

• ZigBee 协议架构包括 IEEE 802.15.4 和 ZigBee 联盟。
• ZigBee 联盟主要研究网络层、应用层和安全服务规范。

3. 信息感知层

3.1 自动识别技术（选择）

常用的自动识别技术有生物识别技术、磁卡（条）识别技术、IC 卡技术、图像识别技术、光学字符识别（OCR）技术、

自动识别系统根据识别对象的特征可以分为两大类，分别是数据采集技术和特征提取技术。

3.2 生物识别技术（选择）

生物识别技术是指利用可以测量的人体生物学或行为学特征来识别、核实个人身份的一种自动识别技术。

生物识别大致可分为：虹膜识别技术、视网膜识别、签名识别、面部识别、指纹识别、声音识别技术。

各种识别技术的特征：

3.3 图像识别技术

3.4 光学字符识别技术（OCR）

3.5 条码技术(重点)

• 什么是条形码
  • 条形码是将宽度不等的多个黑条和空白，按照一定的编码规则排序，用以表达一组信息的图形标识符。常见的条形码是由反射率相差很大的黑条（简称条）和白条（简称空）排成的平行线图案。条码技术的应用解决了数据录入和数据采集的瓶颈问题。
• 发展历史
  • 1973 年美国统一代码协会（UCC）建立了UPC条码系统，实现了该码制的标准化。
  • 欧洲共同体制定了欧洲物品编码 EAN-13 和 EAN-8 码，正式形成了欧洲物品编码协会EAN。
• 条码的分类
  • 码制不同
    • UPC码
    • EAN码
    • 交叉25码
    • 39码
    • 库德巴码
    • 128码
    • 93码
    • 49码
  • 维数不同
    • 一维条码
      • 定义：仅在一维集合空间表示信息的条形码为一维条形码，其码的高度不表示信息，一维条形码对物品的标识只给出物品的识别信息。
      • 常用码制：EAN, UPC, 39 码, 交叉 29 码和 EAN128 码。
    • 二维条码
      • 定义：在一维条形码的基础上发展而来的信息存储和解读技术。除具有一维条形码的优点外，还具有信息容量大，可靠性高、保密防伪性强、易于制作、成本低等优点。被称为“便携式数据文件”。
      • 矩阵代码和点代码构成。
      • 包含重叠的或多行条码符号，数据以成串的数据行显示。
      • 世界上应用最多的二维条码符号有 PDF417、Maxicode、QR Xode、Code 49、Code One等。
• 条形码识别原理
  • 条形码的识读系统构成
    • 扫描系统：光学系统及探测器即光电转换器件组成，它完成对条码符号的光学扫描，并通过光电探测器将条码条空图案的光信号转换为电信号。
    • 信号整形系统：由信号放大、滤波、波形整形组成，功能在于将条码的光电扫描信号处理成为标准电位的矩形波信号，其高低电平的宽度和条码符号的条空尺寸相对应。
    • 译码部分：一般由嵌入式微处理器组成，功能是对条码的矩形波信号进行译码，群殴结果通过接口电路输出到条码应用系统中的数据终端。
• 条形码的结构：静区、起始字符、数据字符、校验字符、终止字符、静区
• 条码扫描器有哪些
  • 光笔、CCD 条码扫描器、激光手持式扫描器、全角度扫描器/条码扫描枪、条码数据采集器、便携式数据采集器
• 条形码的编码规则
  • 宽度调节法：条形码符号由宽窄的条单元和空单元以及字符符号间隔组成，宽的条单元和空单元逻辑上表示1，窄的表示0。Code-11码、Code-B码、Code 39码、2/5Code码采用宽度调节编码法。
  • 色度调节法：利用条和空的反差。条逻辑表示1，空逻辑表示0。ENA、UPC码采用8种编码元素。
• 条形码的制作
  • 商品条码：一般由前缀部分、制造厂商代码、商品代码和校验码组成。
• 商品条码数字的含义
  • 以条形码 6936983800013 为例，此条形码分为 4 个部分，从左到右分别为：
  • 1~3位：共3位，对应该条码的693是中国的国家代码之一。
  • 4~8位：共5位，对应该条吗的69838，代表着生产厂商代码，由厂商申请、国家分配。
  • 9~12位：共4位，对应该条码的0001，代表着厂内商品代码，由厂商自行确定。
  • 第13位：共1位，对应该条码的3，是依据一定的算法，由前面的12位数字计算而得到的校验码。

3.6 射频识别技术（重点）

3.7 传感器技术（重点）

• 传感器的定义（必考）
  • 国家标准对传感器定义：能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。
  • 定义：传感器是一种能把特定的信息（物理、化学、生物）按一定规律变换成某种可用信号输出的器件和装置。
  • 通俗理解：能把外界非电量信息量转换成电量输出的器件。
• 传感器的组成（必考）
  • 传感器一般由敏感元件与转换元件两个基本元件组成。在完成非电量到电量的变换过程中，并非所有的非电量参数都能依次直接变换为电量，往往是先变换成一种易于变换成电量的非电量（如位移、应变等），然后再通过适当的方法变换成电量。所以，把能够完成预变换的器件成为敏感元件。
    • 敏感元件：能直接感受被测量并输出与被测量成确定关系的其他物理量的元件。
    • 转换元件：直接或不直接感受被测量，并将敏感元件的输出量转换成电量后再输出。
    • 转换电路：将转换元件输出的电参量转换成电压、电流或频率量的电路。
    • 辅助电源：需要电源才能工作的转换电路与转换元件提供正常工作电源。
• 传感器的作用
  • 对被测信号产生敏感并能把它提取出来。
  • 在信号提取的同时能把它转换成所需要的信号。
• MEMS 微机电系统概念
  • 微机电系统（Micro-Electro-Mechanical System,MEMS）专指外形轮廓尺寸在毫米级以下，构成它的机械零件和半导体元器件尺寸在微米至纳米级，可对声、光、热、磁、压力、运动等自然信息进行感知、识别、控制和处理的微型机电装置。