物联网工程开发与实践(txt+pdf+epub+mobi电子书下载)

作者：俞建峰

出版社：人民邮电出版社

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物联网工程开发与实践试读：

前言

物联网是继计算机、互联网与移动通信网之后的世界信息产业第三次浪潮的产物，是我国“十二五”规划大力发展的战略性新兴产业之一。美、欧、日、韩、新加坡等主要发达国家和地区纷纷把发展物联网等新兴产业作为应对金融危机和占领未来制高点的重要举措。我国大力支持物联网产业，在技术创新、产业集聚、典型示范、推广应用、人才队伍建设、物联网标准等方面设立目标，推进产业发展。作者结合物联网工程研发和质量控制方面的经验，编写了这本系统介绍物联网主体框架、关键技术、工程实践问题的专题著作，力图在传感器、网络传输、智能处理、系统控制等关键环节以及物联网典型工程等方面进行系统介绍。本书还详细介绍了开发物联网工程所必须注意的电气安全、电磁兼容、信息安全、环境适应性等影响物联网工程应用的关键问题。相信本书的出版将满足物联网市场的需求，适应物联网产业快速发展的新形势。

本书涉及物联网总体框架理论、物联网的3个主要层面、物联网工程的关键问题、物联网工程典型应用等关键技术、工程质量、典型示范等重要领域，包括物联网国内外现状、物联网关键技术、传感器、通信技术、软件算法、电气安全、电磁兼容、信息安全、环境可靠性、典型工程应用，其中很多内容在同类书籍中尚不多见。本书将物联网工程的开发、应用、质量评估标准、工程认证有机联系起来，以物联网工程的电气安全性、电磁兼容、信息安全、可靠性等质量要求为核心，系统化分析物联网工程质量评估的技术要求，凸显了本书的特色所在。

本书适合从事物联网工程技术研发设计、生产制造、质量检测和应用的工程技术人员阅读，也可作为物联网工程教学人员、进出口国际贸易人员、政府科技管理人员、认证与检测机构技术人员的参考书，还可作为高等院校物联网专业、计算机专业、通信专业、软件工程、信息安全、自动控制、仪器仪表专业学生的参考用书。

本书的顺利出版得益于上海交通大学、同济大学、北京邮电大学、江南大学、南京工业学院、南京壹进制公司、杭州森动公司、江苏出入境检验检疫局、无锡出入境检验检疫局、法国必维国际检验集团等单位的专家学者和领导的大力支持。作者的部分研究工作得到国家自然科学基金课题（30971688、51107120、61174167 ）、国家质检总局科研基金（2012IK092、2013IK080）、江苏省“六大人才高峰”项目的资助。

希望通过本书的出版能够进一步理清物联网工程技术架构、物联网工程应用实践、物联网工程质量评估等问题，向物联网工程研发企业、物联网工程应用单位全方位介绍物联网工程应用所遇到的实际问题、国际国内技术要求，促进物联网工程符合国际和国内质量标准的要求，为推动物联网新兴产业的发展，保证物联网工程朝着安全、可靠、实用的方向发展起到一定的促进作用。尽管本书力图比较全面地介绍物联网工程的技术理论以及工程实践的现状，但物联网技术尚在不断发展之中，加之作者水平有限，书中缺点和错误在所难免，恳请广大读者批评指正。本书编辑邮箱：liuyang@ptpress.com.cn。作者2013年4月于太湖之滨

第1章 物联网技术概述

物联网是继计算机、互联网之后的第三次信息化浪潮。从发展趋势看，物联网将成为万亿级的巨型产业。如果说人们今天生活在信息化时代，其实一点也不为过。今天，全球已经有45亿部手机，到2015年，将有50亿人连接互联网，预计到2017年，将有7万亿无线装置为70亿人提供服务。许多领域产生了大量物联网的创新性需求，物联网第一次实现了古人“天人合一”的哲学思想，能使物与物、人与物、人与人产生互联互通。物联天地宽，物联网无时不在、无处不在。物联网可以扩展人类社会的内涵和外延，让人类生活变得更加美好。

传感器微型化和低功耗化，RFID成本下降，传感网络、近距离通信、移动通信等技术的进步，使得物联网能够逐步深入到人类社会中。物联网通过传感器感知物体状态信息，收集和处理物理信息，并且对控制对象作出即时的反应。这种完全交互和反应式的网络对百姓、消费者和业务都将产生巨大创新，使人类在信息与通信世界里达到新的、更高的沟通维度。

1.1 世界物联网发展

1.1.1 物联网是信息技术发展的新阶段

道，寻找天道，就是达到“天人合一”的境界，人类世界要实现天、地、人合一的哲学理想，“天、地”就是自然界，“人”指的是人类社会。物联网是信息技术发展的产物，标志着社会生产力到了新的高度。物联网一方面提高了社会生产力，另一方面使人类社会更加和谐、更加舒适、更加节能、更加环保、更加安全。

物联网就是“天人合一”的综合技术体，物联网技术正是朝着这个思想前进的理想阶梯。物联网技术是应用射频识别技术、GPS技术、传感器技术等方法进行数据采集，并通过通信网络进行数据传输、数据存储、数据控制和管理的新一代信息技术。通过物联网连接自然界，并将人类智慧赋予物联网，使物联网具备智能，因此，物联网本身就体现了“天地人合一”的哲学思想。物与物、人与物、人与人实现完美感知和完美融合，从这点上讲，物联网是否可以称之为“天人合一网”呢？IBM预测，到2015年，将有1万亿个物体与物联网相连！

20世纪80年代人们预测过这样的生活场景：将来自动认路的汽车能够在早上自动送我们上班，而当我们下班回家后，像人一样笨重的机器人会为我们调好鸡尾酒。当时许多人对诸如此类的预测嗤之以鼻，认为是异想天开、天方夜谭。然而根本性的技术突破已经在眼前呈现：家里的智能电冰箱会通过手机告知你冰箱中的鸡柳即将过期；你的电动汽车在电能耗尽前能自动到充电站充电；如果你有心脏病，通过无线传感系统能得到良好的医疗监控和护理。图1-1生动描绘的是6个不同的人在日常生活中应用物联网的情形。图1-1 物联网应用情景（2）物联网是信息化技术的第三次浪潮

从图1-2中大家可以发现很有意思的规律，那就是几乎每10年电子信息产业领域都会产生阶段性的创新成果改变人类社会的生活。每个阶段都会崛起一家有代表性的公司成为技术引领者和财富创造者。基于超大规模集成电路应用、个人计算机开放体系结构和计算机操作系统，互联网带来了信息的聚合、整理和查询，个人移动通信的全面覆盖，个人移动终端的智能化。物联网应用进一步改变了社会的生活方式。图1-2 信息产业领域阶段性创新成果

计算机的发明，改变了信息处理的模式。以计算机为核心的第一次信息产业浪潮推动了信息技术进入数字化时代，计算机帮助人们脱离烦琐的计算和数据处理，实现计算机的自动运算，帮助人们提高办公效率。计算机更是在工业领域大显身手，使工业控制走向了自动化。互联网的诞生，改变了信息传输的模式。以互联网为核心的第二次信息产业浪潮推动了信息技术进入网络化时代，网络改变人类的工作方式和通信方式，产生了异地协同工作，人与人之间联系更为便捷容易。传感网络的出现，改变了信息获取的模式。以物联网为核心的第三次信息产业浪潮推动信息技术进入感知时代，人与物、物与物之间的通信以感知为特征，感知的触角更为宽泛，控制的对象更为广泛，控制的手段更为多样，控制的模式更为智慧，使得信息的获取、传递、处理整个过程有机联系在一起。据预测，在未来几十年，物联网将依托传统网络、移动网络与网络化物体形成无缝架构，以内容和服务为核心为各行各业提供新的应用模式、新的工作方式；为人类提供新的交互方式、新的娱乐方式、新的生活方式、新的生产力方式。

物联网能够应时而生，是与信息技术提供的条件分不开的，通信基础设施、云计算、传感器技术发展迅猛，为物联网技术的推广提供了必要条件。从世界范围来看，物联网技术从1995年物联网概念的提出到现实的应用，已经走过了10多个年头，物联网发展史如图1-3所示。物联网从提出之初的射频识别技术应用于物流，然后扩展到无线传感网，如今，物联网已经成为一个宽泛的概念，智能终端不再限于 RFID 标签，而是可以包括传感器在内的各种智能终端；通信网络不再局限于短距离局部传感网络，而是可以扩展到传统互联网、移动通信网络或者卫星通信。物联网概念的演变如图1-4所示。图1-3 物联网发展史

1995年：比尔·盖茨在《未来之路》中提及物联网概念。比尔·盖茨把物联网定义为：把所有物品通过各种信息传感设备，如射频识别装置、红外传感器、GPS、激光扫描器等种种装置与互联网连接起来，并形成一个可实现智能识别和管理的网络。

1999年：麻省理工（MIT）的Kevin Ashton提出把RFID技术与传感器技术应用于日常物品中形成一个“物联网”，这个概念起源于物流行业的需求。MIT Auto-ID中心是RFID系统标准化的主要推动者，发明了“物联网”一词，主要是建立在物品编码、RFID技术和互联网的基础上，物联网是成千上万的物品采用无线方式接入了Internet的网络。他们主要着眼于供应链和货物可追溯性，易于查询具体产品的信息，实现智能化的识别和管理。

2005年：ITU报告中指出物联网是通过RFID和智能计算等技术实现全世界设备互联的网络。描绘了未来社会是“泛网络社会”，网络和网络化设备无处不在。

2008年：美国 IBM公司提出“智慧地球”（Smart Planet）的物联网发展战略，设想把传感器设备安装到电网、铁路、桥梁、隧道、供水系统、大坝、油气管道等各种物体中，并且普遍连接形图1-4 物联网概念的演变成网络。认为未来社会通过物联网的建设将会发生巨大改变，人类社会的变化体现在“3I”——仪器化（Instrumented）、互联化（Interconnected）、智能化（Intelligent）。“智慧地球”把实现物联网的方法划分为4个层次，即采集、分析、执行和升级改造。2009年2月17日，奥巴马总统签署生效的《2009年美国恢复与再投资法案》中提出在智能电网、卫生医疗信息技术应用和教育信息技术进行大量投资，这些投资建设与物联网技术直接相关。物联网成为美国摆脱金融危机、振兴经济的核心武器。

2009年：国家有关领导人视察无锡，提出把“感知中国”的中心定在无锡，物联网在中国得到重视和发展。物联网成为创新创业的热点，受到全国各地的关注。物联网作为战略性新兴产业写入了2010年国务院政府工作报告，列入了国家“十二五”发展规划。物联网从概念走向现实应用，一大批物联网示范工程得到建设，一大批物联网专利诞生，一大批物联网标准得到制定，一大批物联网企业涌现。（3）物联网与互联网的显著区别是“感知”

物联网与传统互联网最大的区别是“感知”。感知是通过人类生活空间日益部署的大规模多种类传感设备来实现的，“感知”能够获取社会个体的行为的数据信息，仅仅接收到感知信息是远远不够的，还要对数据进行分析、挖掘、处理，做出判断，最后进行系统内部的协调，在系统外部实现交互、控制、协作。物联网能够感知现实世界，然后觉察并作出响应。物联网或者说传感网，在行业中的应用，就如一个人那样，有触觉、味觉、力觉、视觉、听觉，这些感觉通过器官感知，通过神经网络传输，再到大脑综合处理，大脑发出指令，作出反应动作。物联网的创新形式是通过嵌入传感设备到日常物理对象，使得它们具备感知能力，让它们在全球范围内无缝集成，形成具有智能的神经网络化。物联网赋予信息通信技术（ICT）领域新的机遇，开发出新的服务和应用，扩大了物理和虚拟领域的交互。（4）物联网离不开互联网和移动通信网络

1969年，出现了Internet的雏形——Arpanet。Arpanet连接UCLA和Stanford。传统的Internet作为网络通信设施来连接计算机终端，实现人与人之间的通信。在物联网背景下，Internet非但不会消失，其作用将更为突出，它将连接各种各样的“智能”物体，形成遍布世界的感知环境。Internet作为全球信息共享和融合的全球化骨干网络与移动通信网络共同构成物联网信息传输的基石。（5）物联网离不开感知数据的分析

人类信息的聚合呈现高速的增长态势。信息的收集从点到线再到面，在不远的将来，立体化数据（数据的时间标记，空间位置标记）的收集会为信息的深度分析、挖掘应用提供可能。我们预测未来10年人类将从信息的简单收集整理，开始尝试行为分析的工作。

通过大量收集各类数据，从量变到质变使得分析人和物的行为过程和行为结果成为可能。依据行为分析的结果判断行为的影响，并逐渐通过行为分析和行为规律的积淀，构建行为规律模型。例如，在大城市中为出租汽车安装车载导航定位设备，经过统计分析可以得出不同时段、不同路段的拥塞程度，为城市交通的智能化管理提供了一手实时数据，使车辆的智能化的导航成为可能。当行为分析成熟之后，在下一个阶段，信息产业的核心将指向行为预测的领域，并逐渐在人工智能上有所突破。信息技术的终极目标是人工智能（简单环境行为预测），从初级人工智能逐渐迈向高级人工智能（复杂环境行为预测），直至可以实现人造信息系统具备联想、认知、情感能力。这个过程值得人们为之持续奋斗下去。（6）传感网、物联网、泛在网3者之间的区别与联系

传感网、物联网、泛在网概念来源不同，内涵有所重叠但强调的侧重点不同。物联网与传感网、泛在网的包容关系如图1-5所示。图1-5 物联网与传感网、泛在网的关系

传感网（Sensor Network）：传感网是利用（光、电、温度、湿度、压力等）各种传感器加上中低速的近距离无线通信技术构成一个独立的网络，是由多个具有有线或无线通信与计算能力的低功耗、小体积的微小传感器节点构成的网络系统，它一般提供局域或小范围物与物之间的信息交换功能。

泛在网（Ubiquitous Network）：泛在网是指基于个人和社会的需求，利用现有的网络技术和新的网络技术，实现人与人、人与物、物与物之间按需进行的信息获取、传递、存储、认知、决策、使用等服务，网络超强的环境感知、内容感知及其智能性，为个人和社会提供泛在的、无所不含的信息服务和应用。

未来泛在网、物联网、传感网各有定位，传感网是泛在/物联网的组成部分，物联网是泛在网发展的物联阶段，通信网、互联网、物联网之间相互协同融合是泛在网发展的目标。传感网最主要的特征是利用各种各样的传感器加上中低速的近距离无线通信技术。

物联网将解决广域或大范围的人与物、物与物之间信息交换需求的联网问题，物联网采用各种不同的技术把物理世界的各种智能物体、传感器接入网络。物联网通过接入延伸技术，实现末端网络（个域网、汽车网、家庭网络、社区网络、小物体网络等）的互联来实现人与物、物与物之间的通信，在这个网络中，机器、物体和环境都将被纳入人类感知的范畴，利用传感器技术、智能技术，所有的物体都将获得生命的迹象，从而变得更加聪明，实现了数字虚拟世界与物理真实世界的对应或映射。

虽然不同概念的起源不一样，侧重点也不一致，但是从发展的视角来看，未来的网络发展看重的更多的是无处不在的网络基础设施的发展，帮助人类实现“4A”化通信，即在任何时间（Anytime）、任何地点（Anywhere），任何人（Anyone）、任何物（Anything）都能顺畅地通信。通过新的信息通信技术改变人们传统的生产方式、工作方式、生活方式，并深入人们生活、工作的方方面面，包括知识结构、社会关系、经济和商业生活、政治、媒体、教育、医疗和娱乐等，由此解决社会与经济问题，实现由ICT所能达到的信息化发展的蓝图。因此，要实现上述的蓝图，物联网将从最初一个个单独的网络应用，发展融入一个大的网络环境，而这个大的网络环境就是泛在网。泛在网需要这些信息基础设施实现互联互通，需要资源共享、协同工作，需要进行信息收集、决策分析，因此很自然地就提出了对海量数据的存储、计算的需求。通过云计算、超级计算机技术来实现存储资源、计算资源、软件资源的整合与共享，可以像水和电一样，为用户提供一种统一的简便的资源利用方式。因此超级计算机和云计算将是泛在网信息基础设施中重要的技术。泛在网络目标是向个人和社会提供泛在的、无所不含的信息服务和应用。从网络技术上讲，泛在网是通信网、互联网、物联网高度融合的目标，它将实现多网络、多行业、多应用、异构多技术的融合和协同。如果说通信网、互联网发展到今天，解决了人与人信息通信的问题，物联网则实现网络连接、接入、延伸到物理世界的泛在物联，解决人与物、物与物的通信，通信网、互联网、物联网各自发展是泛在网发展的初级阶段，最终泛在网将是通信网、互联网、物联网高度融合和协同的目标。

1.1.2 美国物联网现状

美国非常重视物联网的战略地位，在国家情报委员会（NIC）2008年7月发表的《2025对美国利益潜在影响的6种关键技术》报告中，将物联网列为6种关键技术之一。美国国防部在2005年将“智能微尘”（Smart Dust）列为重点研发项目。国家科学基金会的“全球网络环境研究”（GENI）把在下一代互联网上组建传感器子网作为其中重要一项内容。

美国在物联网的发展方面取得优势地位，EPCglobal标准已经在国际上取得主动地位，许多国家采纳了这一标准架构。并且，美国在物联网技术研究开发和应用方面一直居世界领先地位，RFID 技术最早在美国军方使用，无线传感网络也首先用在作战时的单兵联络。新一代物联网、网格计算技术等也首先在美国开展研究，新近开发的各种无线传感技术标准主要由美国企业所掌控。在智能微机电系统（MEMS）传感器开发方面，美国也领先一步。例如，佛罗里达大学和飞思卡尔半导体公司开发的低功耗、低成本的MEMS运动传感器、Rutgers大学开发的多模无线传感器（MUSE）多芯片模块、伊利诺伊州Urbaba Champaign大学开发的热红外（IR）无线MEMS传感器等，这些技术将为物联网发展奠定良好的基础。

在国家层面上，美国在更大方位地进行信息化战略部署，推进信息技术领域的企业重组，巩固信息技术领域的垄断地位；在争取继续完全控制下一代互联网（IPv6）的根服务器的同时，在全球推行 EPC 标准体系，力图主导全球物联网的发展，确保美国在国际上的信息控制地位。“智慧地球”概念一经提出，立即得到美国各界的高度关注，提升至美国的国家战略，并在世界范围内引起轰动。“物联网”与现有的互联网整合起来，实现人类社会与物理系统的整合，在这个整合的网络中，存在能力超级强大的中心计算机群，能够对整合网络内的人员、机器、设备和基础设施实施实时的图1-6 物联网在智慧地球中所处的位置管理和控制。在此基础上，人类可以以更加精细和动态的方式管理生产和生活，达到“智慧”状态，提高资源利用率和生产力水平，改善人与自然间的关系。物联网在“智慧地球”中所处的位置如图1-6所示。

1.1.3 日本物联网现状

日本对信息技术的重视程度有目共睹。日本政府于2000年首先提出了“IT基本法”，其后又提出了“e-Japan战略”。2000年公布的5年信息技术计划“e-Japan”就为日后物联网的发展做好了准备，之后又相继颁布了“u-Japan”国家物联网战略以及“ICT 维新愿景2.0”计划，这些政策都大大促进了物联网的发展。（1）e-Japan战略（2001～2005年）

2001年1月开始实施的e-Japan计划主要包括以下5个方面内容：自2001年起，互联网应用价格合理化；在2002年前创建良好的电子商务法律环境；在2003年前建设好电子政府的基础环境；在2005年前培养出与美国相当的信息化人才；在2005年前建设完成超高速互联网。

到 2005年底，e-Japan战略圆满落幕。日本互联网用户数量是 2001年的20倍，达 1 690万；月入网费降低为原来的1/3，仅 2 500日元（约合人民币 205元）；宽带互联网用户家庭数激增，ADSL用户达 4 630万，光纤用户达 3 590万。e-Japan战略迅速推进了日本信息化社会的建设，为日后物联网的发展奠定了良好的基础。（2）u-Japan战略（2006～2010年）

从2005年开始，“物联网”的概念开始在ICT科研界流行起来，2004年，日本信息通信产业的主管机关总务省（MIC）提出 u-Japan 战略。日本总务省决定大力发展该技术。“u-Japan”中的“u”来自英文单词ubiquitous（无所不在的），这就是当时“泛在网”的概念。

日本政府主要希望通过u-Japan解决以下几大问题。

① 减少交通事故及拥堵问题。

② 通过信息化降低政务成本。

③ 防御自然灾害，减少社会犯罪。

④ 加强理工科教育，增强大学教育竞争力。

⑤ 远程医疗及电子病历建设。

⑥ 加强可再生能源和生物技术。

⑦ 通过ICT应用增强日本工业的竞争力，推动日本文化和艺术的发展。

⑧ 提高日本的国际影响力。

⑨ 解决老年人、学生和妇女的就业问题，保证就业市场的公平。

战略公布初期，日本建立了 uID中心（主导日本 RFID 标准研究与应用）和 Auto-ID实验室（RFID技术开发研究），日本民众对该战略抱以极大期望。因u-Japan代表着“泛在”的概念，所以宽带的发展成为重中之重。日本总务省首先想到了发展无线网络，2008年日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）为此发射了一颗卫星，将该战略的发展推向顶峰。但2008年出现的金融危机使得u-Japan战略无疾而终，默默收场。

u-Japan的成果可总结成3大部分：一是90％的人口可接入宽带或超高速宽带，但未达到战略设定的100％目标；二是82％的人口开始了解ICT在解决社会问题中的重要性，基本达到预期目标。但老年人仍对ICT了解甚微，这对日本ICT的发展可能是一大障碍，因为日本目前30％的人口超过50岁；三是日本人在日常生活中使用ICT的比率已有显著提高。（3）ICT维新愿景2.0（2010～2020年）

2009年7月日本IT战略本部提出“I-Japan战略2015”，目标是实现以国民为中心的数字安心、活力社会。在I-Japan战略中，强化了物联网在交通、医疗、教育和环境监测等领域的应用。

2009年12月，日本总务省隆重推出“ICT维新愿景”计划。该计划对日本ICT未来的发展提供了一个新的“愿景”，摒弃了以前以“物联网”发展为重点的战略目标，将ICT发展目标定位于解决日本目前面临的社会问题。

尽管这份战略与物联网并没有太多直接的关系，但是战略中制定的一些目标是有利于推动日本物联网发展的。比如根据日本总务省的预测，ICT 领域未来年平均投资总量将以9.3％的速度增长（目前为3％），直至达到2010年的2倍。2020年，投资总额将达40万亿日元（约合人民币2.58万亿元）。同时，战略中关于能源和绿色IT的规划也相当引人注目：日本预计将比1990年减少10％的二氧化碳排放量，即每年减少1.25亿吨。而超过半数以上二氧化碳排放量的减少将要依靠“物联网”技术。从这些例子上可以看出日本“物联网”战略的新方向：物联网将根据具体问题来研究和开发解决方案，而不是在解决方案开发出来后才去寻找相应的问题。“ICT维新愿景2.0”与当年的e-Japan相呼应，e-Japan是要让日本民众享受宽带接入，现在的目标是让所有的日本家庭在2015年前接入光纤，并将此计划命名为“光之道”。因此，有人认为“ICT维新愿景2.0”是e-Japan战略的回归。

1.1.4 欧盟物联网现状

2003年，世界上第一本直接以物联网为名称的书籍——德语版的“Das Internet der Dinge”由Springer出版社正式出版。2005年4月，欧盟执委会正式公布了未来5年欧盟信息通信政策框架“i2010”，该规则提出，为迎接数字融合时代的来临，必须整合不同的通信网络、内容服务、终端设备，以提供一致性的管理架构来适应全球化的数字经济，发展更具市场导向、弹性及面向未来的技术。

2006年9月，当值欧盟理事会主席国芬兰和欧盟委员会共同发起举办了欧洲信息社会大会，主题为“i2010-创建一个无处不在的欧洲信息社会”。

自2007年至2013年，欧盟预计投入研发经费共计505.21亿欧元，推动欧洲最重要的第七框架计划（EU-FP7）研究补助计划。在此计划中，信息通信技术研发是最大的一个领域，其中包括：（1）普遍深入和可信赖的网络，以及基础网络服务；（2）有感知的系统，交互作用和机器人技术；（3）元件、系统和工程；（4）数字图书馆和目录；（5）可持续的和个人的卫生保健；（6）灵活性，环境的可持续性和节能；（7）独立的生活和包含物；（8）将来和即将形成的技术（FET）。

为了推动物联网的发展，欧盟电信标准化协会下的欧洲 RFID 研究项目组的名称也变更为欧洲物联网研究项目组，致力于物联网标准化相关的研究。

欧盟是世界范围内第一个系统提出物联网发展和管理计划的机构。2009年6月，欧盟委员会向欧盟议会、理事会、欧洲经济和社会委员会及地区委员会递交了《欧盟物联网行动计划》（Internet of Things-An action plan for Europe），以确保欧洲在构建物联网的过程中起主导作用。2009年 10 月，欧盟委员会以政策文件的形式对外发布了物联网战略，提出要让欧洲在基于互联网的智能基础设施发展上领先全球，除了通过ICT研发计划投资4亿欧元，启动90多个研发项目提高网络智能化水平外，欧盟委员会还于2011～2013年间每年新增2亿欧元进一步加强研发力度，同时拿出3亿欧元专款，支持物联网相关公司合作短期项目建设。欧盟认为，此项行动计划将会帮助欧洲在互联网的变革中获益，同时它也提出了将会面临的挑战，如隐私问题、安全问题以及个人的数据保护问题。公告列举了行动计划所包含的14项行动，内容如下。（1）管理：定义一系列“物联网”管理原则，并设计具有足够级别的无中心管理的架构。（2）隐私及数据保护：严格执行对“物联网”的数据保护立法。（3）“芯片沉默”的权利：开展是否允许个人在任何时候从网络分离的辩论。公民应该能够读取基本的RFID（射频识别设备）标签，并且可以销毁它们以保护他们的隐私。当RFID及其他无线通信技术使设备小到不易觉察时，这些权利将变得更加重要。（4）潜在危险：采取有效措施使“物联网”能够应对信用、承诺及安全方面的问题。（5）关键资源：为了保护关键的信息基础设施，把“物联网”发展成为欧洲的关键资源。（6）标准化：在必要的情况下，发布专门的“物联网”标准化强制条例。（7）公私合作：在正在筹备的4个公私研发合作项目中整合物联网。（8）创新：启动试点项目，以促进欧盟有效地部署市场化的、互操作性的、安全的、具有隐私意识的“物联网”应用。（9）管理机制：定期向欧洲议会和理事会汇报“物联网”的进展。（10）国际对话：加强国际合作，共享信息和成功经验，并在相关的联合行动中达成一致。（11）环境问题：评估回收RFID标签的难度，以及这些标签对回收物品带来的好处。（12）统计数据：欧盟统计局将在2009年12月开始发布RFID技术统计数据。（13）进展监督：组建欧洲利益相关者的代表团，监督“物联网”的最新进展。

欧盟信息社会和媒体司2009年5月公布的《未来互联网2020：一个业界专家组的愿景》报告指出“欧洲正面临经济衰退、全球竞争、气候变化、人口老龄化等诸多方面的挑战，未来互联网不会是万能灵药，但我们坚信，未来互联网将会是这些方面以及其他方面解决方案的一部分甚至是主要部分。”报告谈及未来物联网的4个特征是：未来互联网基础设施将需要不同的架构，依靠物联网的新Web服务经济将会融合数字和物理世界从而带来产生价值的新途径，未来互联网将会包括物品，技术空间和监管空间将会分离。该报告强调：“我们呼吁决策者、制造商、实业家、技术专家、企业家、发明家和研究人员为创造一个欧盟式的互联网经济制定一个具体计划，以满足欧盟公众的需求和宏愿。欧洲现在必须采取行动，必须共同采取行动来引领新的互联网时代。”

欧盟第七框架计划“物联网——体系结构”项目负责人Alessandro Bassi指出：欧盟在交通、医疗、食品、家居、零售业、智慧城市都有成功的应用。根据欧洲EPOSS的《Internet of Things in 2020》报告预测，未来物联网的发展将经历 4个阶段（见表 1-1）：2010年应用试点，主要是建立行业标准和实现协议，降低传感器成本和能耗；2010～2015年应用整合，将局部应用的传感器形成传感网络；2015～2020年形成智能异质网络互联，对所有传感对象进行编码和认识；2020年之后实现智能化泛在网络，全面挖掘物联网潜能，传感网络得到规模化应用。表1-1 欧洲EPOSS对IoT发展阶段的划分

1.1.5 我国物联网现状

我国是世界第二大经济体，具备较为雄厚的实力积极扶持物联网产业的发展。2011年1月19日CNNIC发布的《第27次中国互联网络发展状况统计报告》显示，中国拥有世界上最大的互联网用户，目前我国网民总数为4.57亿人，互联网普及率34.3％，国内巨大的互联网市场，为物联网产业化提供了基础条件。此外，我国的无线通信网络已经覆盖了城乡，我国无线通信网络和宽带覆盖率高，为物联网的发展提供了坚实的基础。中国紧紧抓住物联网产业的发展机遇，在物联网发展战略上与世界发达国家同步，2009年开始把物联网作为我国新兴战略型产业未来发展的方向之一。2010年，十一届全国人大第三次会议政府工作报告中将“加快物联网的研发应用”明确列入要大力培育的战略新兴产业。工业和信息化部2012年2月14日发布《“十二五”物联网发展规划》，规划提出，到2015年，我国要在物联网核心技术研发与产业化、关键标准研究与制定、产业链条建立与完善、重大应用示范与推广等方面取得显著成效，初步形成创新驱动、应用牵引、协同发展、安全可控的物联网发展格局。在感知、传输、处理、应用等技术领域取得500项以上重要研究成果；研究制定200项以上国家和行业标准；推动建设一批示范企业、重点实验室、工程中心等创新载体，为形成持续创新能力奠定基础。规划提出，将在9个重点领域完成一批应用示范工程，力争实现规模化应用。这9个重点领域包括在经济运行中的重点行业和重点领域，如工业、农业、物流等；面向基础设施和安全保障的重点领域，如交通、电力、环保等；面向社会管理和民生服务的领域，如公共安全、医疗卫生、智能家居等。

从总体上讲，物联网发展还处于初级阶段，物联网产业还处于政府引导、产业培育阶段。物联网产业要得到提升，在技术、应用、推广等方面仍需要加大力度。物联网在我国呈现“中间大，两头小”的局面，核心技术和应用水平较低，产业小而散，缺乏龙头骨干企业，信息安全存在隐患，面临行业壁垒与资源共享的体制困境等问题。物联网的中间层通信运营能力强大；底层的传感器，特别是高端的传感器仍然需要进口；上游的数据挖掘、数据分析和应用仍然是弱项。无锡国家传感网创新示范区建设有力推动了我国物联网产业发展。

刘海涛提出了“感知社会论”，核心是“网络社会化”、“协同社会化”、“服务社会化”。“感知社会论”的组成如图1-7所示。图1-7 感知社会论的组成

网络社会化包括组织架构网络、目标驱动网络、任务驱动网络、环境驱动网络。协同社会化包括社会化的协同分工、社会化的协同处理、社会化的自学习机制。服务社会化包括协同有序的组织形式、社会化的发布模式、社会化的服务管理。物联网的感知社会论正是从网络、协同和服务等多个层面来探讨物联网的机理作为支撑开发实际应用系统的一整套基础理论。

1.2 物联网架构

1.2.1 物联网一般架构

在谈及物联网时，不少专家都给出了应用层、网络层、感知层这3个层次概念。由于物联网应用的千差万别，这种分层概念很难具体化成应用中的概念。在物联网的具体应用中，可以在众多的物联网系统中，抽象出应用层、网络层与物理层的3个层次结构。

应用层确定物联网系统的功能、服务要求，是物联网系统构建时确定的任务与目标；网络层是实现物联网系统的网络基础，包括局域网、互联网的分工、布局、协调与链接设计；物理层则是与物理对象连接、交互的底层环境，实现系统中所有物理对象（包括服务对象在内）的感知、控制与信息交互。

物联网中，有无限多个物联网系统。物联网系统中还有子系统，如城市交管系统中的车辆违章管理、道路交通管理、车辆交易管理子系统，它们各不相同，但都有相应的3个层次结构。

物联网泛指“物物相联之网”，指利用二维码标签、射频识别标签、各类传感器/敏感器件等技术和设备，通过互联网、电信网实现物与物、物与人之间的信息交互，支持智能的信息化应用，实现信息基础设施与物理基础设施的全面融合，最终形成全社会统一的智能基础设施。物联网涉及4个层次：信息的采集、信息的传输、信息的处理、信息的展现。物联网架构分为感知层、网络层、应用层。

关于物联网的体系架构，学术界有诸多不同观点。有学者提出物联网体系架构应包括4个层次：感知层、传输层、处理层和应用层。也有学者认为物联网体系架构可简化为 3层结构：感知层、网络层和应用层。物联网的一般架构如图1-8所示。图1-8 物联网一般架构（1）感知层就像人的眼睛、耳朵、鼻子，人通过眼睛看、耳朵听、鼻子闻来感知外部世界、接收外部信息，物联网则通过感知层来识别物体、采集信息，即利用射频识别（RFID）、传感器、二维码、摄像头、GPS 等设备随时地获取物体的信息。（2）网络层将感知层的数据信息通过各种通信网络，如互联网、卫星网等多种有线和无线网络进行传输，网络的选择主要根据物联网的不同需求。网络层的作用相当于人的神经中枢，负责传递感知层获取的信息。（3）应用层面向物联网终端用户，相当于人的大脑，进行判断和决策，为用户提供服务。

1.2.2 EPC物联网架构

EPC物联网是一个综合和复杂的系统，涉及的技术较多。一般来说，主要由6个方面组成，即EPC编码体系、EPC标签、阅读器、EPC中间件、对象名解析服务、实体标记语言。其中EPC标签和阅读器属于EPC射频识别子系统，EPC中间件、对象名解析服务和实体标记语言属于EPC信息系统。EPC物联网系统构成见表1-2。表1-2 EPC物联网系统构成

EPC编码体系是新一代的编码标准，且与GTIN兼容，是全球统一标识系统的延伸和拓展，是全球统一标识系统的重要组成部分，是EPC物联网的核心与关键。EPC编码是由标头、厂商识别代码、对象分类代码、序列号等数据字段组成的一组数字。EPC编码具有以下特点。（1）科学性：结构明确，易于使用、维护。（2）兼容性：EPC 编码标准与目前广泛应用的EAN·UCC 编码标准是兼容的，目前广泛使用的编码GTIN、SSCC、GLN等都可以方便地转换成EPC编码。（3）全面性：可在生产、流通、存储、结算、跟踪、召回等供应链的各个环节全面应用。（4）合理性：由EPCglobal、各国 EPC 管理机构（在中国，管理机构为 EPCglobalChina）、被识别物品的管理者分层管理、共同维护、统一应用。（5）国际性：不以具体国家、企业为核心，编码标准全球协商一致，具有国际性。（6）无歧视性：编码采用全数字形式，不受地方色彩、语言、经济水平、政治观点的限制。

EPC编码有3种：EPC-64、EPC-96和EPC-256。其中，EPC-96编码为96位，EPC-256编码为256位。EPC-96编码组成见表1-3。表1-3 96位EPC编码

EPC物联网框架结构如图1-9所示。EPC物联网运作流程如下。图1-9 EPC物联网框架结构（1）从EPC标签中读取物品的EPC编码。（2）阅读器通过EPC中间件将EPC编码发送到本地对象名解析服务（ONS）。（3）本地对象名解析服务根据EPC编码，将其转换成URI的形式，并将URI发送给本地ONS解析器。（4）本地ONS解析器将此URI转换成域名的形式，并发出对这个域名的NAPTR查询。（5）ONS基础架构返回一系列NAPTR记录结果，其中包含指向一个或多个相关服务的URI（PML服务器IP地址）。（6）本地ONS解析器将IP地址返回给本地服务器。（7）本地ONS再根据IP地址连接上PML服务器。

1.2.3 物联网的特征

物联网包含了实质的技术创新，作者认为，物联网的创新至少体现在以下四个方面。

第一，物联网首次提出信息技术社会化的全景式框架。信息化产业被列为工业、农业、服务业之后的第四产业。物联网激发了社会各行各业应用信息化技术改变生产方式和生活方式的热情。我国物联网专家刘海涛提出了“感知社会论”，信息技术社会化将引发物联网技术进入社会生产和生活的各个层面。

第二，物联网以“感知”为显著特征。通信网络加上传感器，让网络的触角向物体延伸。物联网与传统互联网最大的区别是“感知”。感知是通过人类生活空间日益部署的大规模多种类传感器来实现的，通过“感知”来获取社会个体行为的数据信息。可以预见，“感知”的范围是全球化的，感知的信息将在全球范围内无缝集成，形成智能化网络。

第三，物联网将形成海量数据。各种传感器产生的数据将形成数据的海洋。物联网时代是“大数据”降临的时代。面对海量数据，如何存储、传输、分析数据将是一个新的课题。

第四，物联网以“智慧”为根本。微处理器是一个归一化的智力内核。它以通用计算机与嵌入式系统方式赋予物联网所有节点、终端、服务器以无限的智慧能力。微处理器的无限数量与无限智慧，突出了物联网的智慧特征。

物联网的特征主要体现在以下几点。（1）智慧性

智慧性体现的是自动化和自主性。物联网系统的自动化是服务行为的自动化。当服务对象启动了服务内容后，便会出现一个个完整的自动服务行为进程。物联网具有高度自治和协调的特征，可以根据运营者或用户配置的规则而自动地获取和处理数据，业务的自动提供依赖于自动数据聚合和数据挖掘的技术。（2）实时性

实时性是嵌入式系统物联应用的基本要求。嵌入式系统与物理对象相连，在许多情况下，物理参数的感知、物理对象的控制、人物交互、物物交互，都是有实时性要求的任务进程。实时性是物联状态下物理对象的实时交互要求。物联网家居中出现火灾必须立即报警；智能交管中高速公路收费必须在车辆移动瞬间完成；物联网超市中顾客确认选购货品结束时，应立即结算货款并告知顾客。（3）广域性

互联网的无限时空与多种接入形式，使物联网具有广域性的应用特点。物联网可以在无限时空状态下使用，也可以与不同介质状态的网络互联，如电信网、计算机网、电视网、智能电网等。物联网系统的进入只受“权力身份”认证的限制。物联网系统的无限性打破了服务业的时空障碍，以及服务岗位的地理障碍。发展中国家的百姓，可以在本国从事发达国家中的服务岗位工作。（4）虚实交互性

虚实交互性是物联网二元化世界的空间交互特性。互联网构建了一个无限时空的虚拟世界，嵌入式系统则将互联网延伸到真实世界的物理对象上。物联网时代，原先虚拟世界中的许多交易行为都可以无缝地延伸到真实世界，实现虚拟世界与真实世界的交互。（5）信息的海量化

物联网连接了物体、人类、社会，将产生巨量数据。物联网时代与大数据紧密结合，传感器将采集大量数据；同时物联网应用终端也可以输入大量数据。（6）设备接入异构化

物联网需要支持建立基于标识的物与物之间的连接，并支持用统一的方式处理异构的标识。各种不同的物体通过不同的通信手段接入物联网。（7）数据储存网络化

云计算的出现，将突破数据存储的物理边界。物联网数据通过云计算服务，可以实现云端存储。（8）网络管理高度自治化

为了在不同的应用中适配不同的通信环境和不同类型的传感器/执行器，物联网需支持自动组网功能，包括自我配置、自我修复、自我优化和自我保护的技术和机制。（9）物物互联

物与物的互联，包括两层含义：一是多传感器互联，便于信息融合；二是执行器进入物联网，能够执行应用层的指令，实时完成指令动作。（10）安全隐私更为重要

隐私极易泄露。感知终端有其拥有者和使用者，所感知的数据可能包含与他们的拥有者和使用者相关的私人信息。物联网需在传送、汇集、存储、挖掘和处理数据过程中支持隐私保护，但隐私保护不能为数据源鉴权设置障碍。（11）传感器微型化

物联网需要传感器更加微型化，微型的传感器更适合携带、安装和使用，同时微型传感器在低功耗方面更具优点。（12）能源存储和能量自取

传感器的信息采集，传感网节点的信息传输都需要能量的提供。为了提高系统的使用寿命，一方面要开发大容量的能量存储单元，同时也要开发能源自取的技术。

1.3 物联网工程的提出

1.3.1 物联网示范应用

事实上，物联网的思想并不是今天出现的新生事物。1990年，钱学森认为“人加上互联网是一个开放的复杂大系统”，研究“开放的复杂大系统”的对策是人、机结合。路甬祥在1994年提出，人机一体化系统与技术是21世纪机械科学的重要发展方向。物联网是互联网和无线通信网络的延伸应用。不管是物与物联网还是人与物联网，最终都是实现人机一体化，让物体具有智能，成为网络的活性神经元，更好地为人类服务。

当前，广泛应用的无线射频识别技术使得物体对象能被唯一识别，大量涌现的便携式设备，如手机、无线传感节点，能够对物理对象进行更加深入的交流、计算、感知。互联网技术发展迅速，带宽加大，采用网络传递信息已经十分便捷。物联网发展的基础条件逐步成熟。但是物联网的发展是一个渐进的过程，需要长期努力。物联网给人们描绘了一个美好的蓝图，展示了一个趋势。随着物联网的充分发展，世界将变得更小、更平坦、更智慧。可以预见，物联网是人类发展的大成智慧工程。

目前，物联网在电力监控、公共安全、智能交通、环保监控、旅游、医疗卫生、食品安全等领域已有示范应用。2001年开始，上海交通大学等国内知名高校开展有关基于嵌入式网络的设备智能维护系统、基于传感器的精准农业远程智能测产系统的研究。物联网对经济社会的影响是无处不在的，物联网对改善民生的作用是显而易见的。举例来说，旅游爱好者可以足不出户，利用手机或者计算机就能够进行身临其境的“虚拟旅行”。IBM公司帮助故宫博物院开发的“虚拟紫禁城”，向全世界的人开放了一个网上的“紫禁城”，实现了人和文化遗产的互动。在制造工厂，物联网可以对机器进行“远程监控”、“预防性维修”。在公共安全领域，基于无线射频识别卡（RFID）的电子门禁系统得到普遍应用，射频卡与读卡器通过电磁波实现互联。应用无线射频识别技术建立的食品质量安全可追溯体系建设，能对食品生产、流通的各个环节的信息进行管理和监控。检验检疫“大通关”背景下应运而生的电子监管系统通过互联网实现了“两个远程监控”，一是对出口产品质量各环节检验检测数据的监控；二是对企业生产过程关键控制点的视频监控，这也是物联网在检验检疫的具体应用。2010年上海世博会采用RFID门票，只要参观者进入世博园，RFID门票能与遍布园区的传感器进行通信，实现“物物互联”。

1.3.2 物联网工程质量

在物联网发展的初级阶段，大部分人还没有意识到物联网工程的质量问题，然而，随着物联网工程不断推广应用，这个问题就现实地摆到了人们面前。要判定工程质量是否合格，就必须以技术标准或者技术规范为依据。物联网技术标准还处于制定的初级阶段，但是这里可以探讨物联网工程质量必须关注的几大方面，例如：终端感知设备的电磁兼容、电气安全、环境可靠性；感知层、网络层和应用系统的信息安全；应用层的功能结构等。后续各章会具体讨论物联网工程的质量问题。

举个例子，关于传感器的质量问题，关注内容之一的是传感器的环境可靠性、准确度和稳定性。传感器可靠性的本质问题是能够耐受各种可能遇到的环境条件作用，因此必须重视环境条件对传感器的影响，主要是温度、湿度、振动、冲击等环境条件。

传感器的故障主要体现在以下4个方面。（1）电桥电路故障。传感器电桥电路中每个元件都发挥功能作用，这些元器件的任何细微变化都会引起内部电路变化，造成测量误差。传感器绝缘失效、雷击浪涌会造成内部电路破坏。（2）转换元件的故障。例如电阻应变传感器，粘贴电阻应变计的应变胶黏剂是以环氧树脂和酚醛树脂为原料的无溶剂型胶黏剂。随着使用时间增加和环境变化，疲劳寿命降低，欠固化，出现蠕变。（3）技术性故障。传感器的零点输出不稳定，零点漂移较大，非线性超差故障，滞后故障等都会影响传感器的准确度。（4）传感器的防护故障。传感器由于密封材料的选择和配置不当，耐湿性、耐老化、耐腐蚀能力下降。

1.4 发展展望

高德纳咨询公司认为一项新的IT技术从产生到成熟应用大致经过这样5个阶段（见图 1-10）：技术萌芽期（Technology Trigger）、期望膨胀期（Peak of Inflated Expectations）、泡沫化的谷底期（Through of Disillusionment）、稳步爬升图1-10 技术成熟度曲线的光明期（Slope of Enlightement）、实质生产的高峰期（Plateau of Productivity）。

① 是技术萌芽期，新的概念被提出，有人开始对它感兴趣。

② 是期望膨胀期，新技术的产生被大家寄予了很高的期望，如果再有一个成功的案例，更是会热得不得了。典型的标志是“人人都在谈论它，但没人真正知道它”。

③ 是泡沫化的谷底期，期望越高失望就越大，现实中大家发现它失败的案例越来越多，于是一下子跌到了谷底。

④ 是稳步爬升的光明期，还是会有人研究它究竟适合什么、不适合什么，赋予其合理的使命并最终达到效果。当然有些技术没有复苏的机会，就此消失。

⑤ 是实质生产的高峰期，已经认识到其作用并被接受采纳，但这时候已经没有人再谈论它了。（2）全球物联网产业还处于发展的初级阶段

工业、农业、服务业分别为第一、第二、第三产业，信息产业被定义为第四产业。传统的信息产业，大致包括通信产业、计算机产业、网络产业等，包含信息生产、传输、加工、应用等环节。中科院副院长施尔畏认为：“物联网是新一代信息技术和信息产业发展的重要方向，是信息化发展新的阶段。”

目前全球物联网从概念走向应用，处于攻克关键核心技术、制定标准规范与研究应用的初级阶段，但已具备较好的基础。未来几年，全球物联网市场规模将出现快速增长，据相关分析报告，2007年全球市场规模达到700亿美元，2008年达到780亿美元，到2012年全球市场规模超过 1 700亿美元，2015年接近 3 500亿美元，年增长率接近 25％，未来10年物联网将实现大规模普及。其中，微加速度计、压力传感器、微镜、气体传感器、微陀螺等器件已在汽车、手机、电子游戏、生物、传感网络等消费领域得到广泛应用，大量成熟技术和产品为物联网大规模应用奠定了基础。

国际物联网知识产权的进展也从另一方面反映出物联网产业发展仍处于导入期。截止到2008年年底，根据国家知识产权专利数据库和德温特世界专利数据库资料的统计，国外关于传感网的专利数 1 126件。从专利分布情况来看，在申报的1 126项专利中，基础和核心专利分别只有15项和503项，分别占整个比重的1％和45％，而外围专利达到了608项，占整个比重的54％，基础专利和核心专利所占比重较小，其基本状况符合物联网是新兴的通信应用网络以及物联网产业化还处于刚刚兴起的阶段这一现状。（3）物联网发展趋势良好，影响巨大

计算机和互联网给人类生活方式带来巨大变化，物联网给人类生活带来的影响将更巨大。在物联网、M2M、RFID、智能仪表、传感网、智能建筑、工业控制系统和家庭自动化之间存在相当的重叠。物联网的局限因素在于微单元的成本、无线网络的带宽、商业策略、人类吸取更多信息的能力。物联网从概念提出、研发，到现在的逐步应用，并不是一种单一技术，而是整合传感器、网络传输、智能处理、云存储等一系列技术的下一代信息技术。当你穿上一双美国洛杉矶GTX公司生产的GPS定位鞋，你就能知道每天步行的距离，知道每天步行锻炼的运动量。这就是一个物联网的例子，任何具有智能的物体（包括机器、道路和建筑）将实现在线，产生的数据就能得到目前还无法想象的应用。物联网发展的目标就是物体将能够如人类一样，没有地理限制，能够自由交谈和分享信息，不仅能被动接收信息，而且也能主动发出信息。利用物联网这一高新技术在人类社会与物理世界之间建立起一套社会化的感知体系，使得人类文明进行一次新的升华与革新。人们期待物联网的迅速发展给人类社会带来的变革，推动人类社会与物理社会和谐交融那一个时代的到来。

物联网应用发展在改善民生、产业升级转型方面有重要作用，在多个行业取得了不菲的成绩。例如在电子商务领域，物联网可提升电子商务产品和服务质量，促进产品流通；在交通领域，基于物联网的智能交通在交通出行、智能监控系统等方面发挥重要作用，从交通运载、交通基础设施、交通运营环境三大方面着手构建的智能感知网络能为交通行业带来利国惠民的效益；在医疗卫生领域，基于物联网的居民健康卡能确定病人身份，进行信息存储，实现跨区域医疗和金融服务，还在健康感知、患者管理、药品管理、移动医疗、远程医疗、慢性病和急性病监测等方面具有广阔前景；在智能电网领域，物联网技术能在电气设备状态监测、输电变电配电管理与监测、电力系统现场作业管理、电力工程质量寿命监测管理等方面发挥作用；在广电领域，物联网技术的应用能在三网融合背景下，通过云平台实现快速内容传输、内容分享、消费者智能交互等。（4）物联网产业以点、线、面的方式逐步推开应用

物联网作为新一代信息技术的新兴业态，应用领域广、范围宽。为引导我国物联网健康有序发展，当务之急，必须加强顶层设计，统筹布局。政府引导作用初现，物联网可持续发展还需创新商业模式。现在基本是靠政府驱动，市场驱动因素占很小的比例。也就是说，如何把物联网发展引导到市场驱动这条轨道上来，这是人们现在更应关注的问题。

物联网是未来发展网络主要的模态。经过近几年的努力，物联网已经在典型示范项目的应用方面小有成绩。人们已经感受到智能家居、智能交通、智能医疗带来的全新感觉。下一步物联网将在行业领域开展推广应用。例如，在财税领域，开展财税物联网核心技术的研究和应用开发，推动财税社保票据数据交互技术及标准的建立，推进财税领域的物联网应用；在环保领域，设立国家环保物联网应用示范基地，承担或参与国家环保物联网标准体系建设；在水产养殖业，推动国家农业传感信息中心项目建设，推进水产养殖业的物联网应用；在医护领域，推进医疗物联网建设，推进医护领域的物联网应用；在公共安全领域，开展公共安全领域的物联网关键技术研发，推进物联网技术在公共安全领域的推广应用。

物联网产业将按照“创新驱动、应用牵引、重点突破、协同发展”的原则获得进一步发展。物联网要得到大规模的应用，还需要探索成熟的具有可持续发展潜力的商业模式。例如，在建设智慧社区时，物联网技术的建设费列入房价中，运行经费列入物业费中。

2011年，全国物联网产业规模超过 2 300亿元，M2M应用终端超过 2000万台。作为“感知中国”中心，无锡在物联网研究和应用方面走在全国前列。2012年，无锡物联网企业 794家，无锡物联产业营业额达到 629亿元，物联网相关产业营业额达到 1 050亿元，全国排名第一。目前，无锡已经启动100多项示范工程。

物联网能够应运而生，是与信息技术已有的基础条件分不开的。通信基础设施、云计算技术、传感器技术近年来发展迅猛，各方面条件的成熟催生了物联网技术。物联网要走过产业萌芽期，走上健康发展之道，还需要创新文化的培育。物联网要发展必须有良好的法律环境、政策环境、产业环境，而这些环境与创新文化有关。

第一，在法律层面，由于物联网技术的发展，信息安全被提到更为重要的层面，国家需要在信息安全方面加强立法，加强数据保护和隐私保护。信息时代，信息安全问题得到人们的极大关注。电子黑客、病毒、电子窃听和电子欺诈，使得安全性变得十分重要。如果信息安全得不到可靠保障，那么将严重影响物联网工程的推广应用。

第二，在政策方面，政府要加强对物联网产业的引导、支持和规范。物联网作为新一代信息技术的新兴业态，应用领域广、范围宽。为引导我国物联网健康有序发展，必须加强顶层设计，统筹布局。在物联网产业萌发期，需要政府在产业政策上进行倾斜，逐步探索成熟的商业模式。在物联网产业成长期，要引导创新要素向企业集聚。

第三，在技术层面，要鼓励物联网技术创新。研发出更多适合物联网应用环境的新型传感器、数据挖掘技术、信息安全技术。我国在物联网技术领域介入较早，但是仍有大量创新工作需要去完成。例如，我国90％的高端传感器仍然需要进口。在核心通信芯片、云计算技术等方面与欧美等发达国家存在一定差距。（5）物联网预期达到的目标

不管你是否意识到，我们已经进入到物联网时代！当前，我国面临经济结构调整和产业升级，物联网作为我国战略性新兴产业，必将在“科学发展，创新驱动”的大潮中得到发展和壮大。发展物联网产业是我国增强自主创新能力，提升国家综合竞争力的重要决策，也是转变发展方式，推动经济转型升级的战略举措。未来，物联网要实现3个层面的目标：更广泛的互联、更深入的信息感知、更全面的智能服务。在设备数量、种类、连接方式等方面，物联网改变了传统的单一靠传感器感知本地化信息的模式，采用多传感器协作的新模式，来获取整体环境信息。从单一传感器获取的信息存在不确定性。基于普通物理目标的互联，更深入的物理世界的感知，物联网能提供更全面的智能服务，物理目标更主动地在智能服务中起到作用。我们要创新思维，密切跟踪国际物联网产业发展动态，善用物联网技术，支持和服务物联网产业发展。

第2章 物联网工程关键技术

物联网工程涉及的技术领域较为宽泛，可以包括传感器技术、通信技术、控制技术、微电子技术、计算机技术、软件技术、云计算技术、信息安全等学科，涵盖了从信息获取、传输、存储、处理直至应用的全过程。物联网技术主要集中在感知、传输、处理、服务和控制这几个层面。

2.1 关键技术概述

物联网的核心技术是感、传、知、控。“感”——传感器技术、如压力、温度、力觉、视觉、速度、加速度等信号的采集。“传”——网络技术，包括有线和无线网络，将传感器采集到的信息进行传递。“知”——将获取的传感器信息进行综合分析和判断。“控”——根据分析的信息和控制策略发出控制指令。

物联网的关键任务是将物体对象社会化，让物体具有思维能力，形成对外交流的接口。物体对象的社会化过程中面临三大挑战，一是物体交流的语言的形成，即虚拟信息和物理对象特征的交互，使物体能够被识别；二是将环境中的物体网络化，物体信息能够被传输；三是将物体对象与以人类为中心的社会互联网有序连接，物体信息能够被应用。通俗地讲，面临的三大挑战也就是物联网的3个层次：感知层、网络层、应用层。

感知层：主要功能是辨别物体和收集信息。主要有传感器、执行器、监控装置（如手机、Tablet PC、PDA等）、微纳节点、射频标签、射频读写器。信息的采集指的是通过各种传感装置将被分析事物的各方面信息进行量化识别，这些量化的信息包括时间、位置、速度、体积、身份、重量、姿态、压力、温度、电压、电流、流量、流速、密度、含量、视频、气味，等等，不胜枚举。这些传感器分别或组合实现对被分析事物进行身份、位置、状态的识别。有了准确的信息输入才有行为分析的可靠数据基础，所以数据采集是行为分析的基础工作，物联网正是以构建数据采集基础工作为方向和目标的。信息采集的核心是传感器，而对于传感器技术的发展要求是“两高、两低、一微型”，即微型化、高灵敏度、高效率、低功耗、低成本，只有逐渐满足以上几点，才有可能构建实用的传感应用环境，比如现在比较通用的位置和时间传感器GPS，就还存在进一步提高灵敏度、提高精度、降低功耗等问题，否则在使用中依然有瓶颈的制约。

网络层：包括由无线、有线组成的内部网络以及因特网、移动网、有线电视网等外部网络。

应用层：应用物联网技术满足终端用户的各种需求的一组智能化解决方案。

物联网需要应用多种技术才能实现，物联网的关键技术包括以下9个方面。（1）物联网架构技术；（2）统一标识技术；（3）通信技术；（4）网络技术；（5）软件服务与算法；（6）硬件技术；（7）存储技术；（8）安全、隐私技术；（9）标准化。

2.2 物品编码技术

2.2.1 一维条形码技术

条形码起源于20世纪40年代，应用于70年代，普及于80年代。一维条形码是由一组规则排列的条、空以及对应的字符组成的标记，条指对光线反射率较低的部分，空指对光线反射率较高的部分，这些条和空组成的数据表达一定的信息，并能够用特定的设备识读，转换成与计算机兼容的二进制和十进制信息。其编码方法有两种：模块组合法和宽度调节法。在世界上大约有 20 多种一维条码系统在使用，例如：统一商品条码（UPC）、欧洲商品条码（EAN）、交错式二五码、三九码（Code 39）、ISBN码等。Code 39码，是目前用途最广泛的一种条形码，可表示数字、英文字母以及“−”、“.”、“/”、“+”、“％”、“$”、“”（空格）和“*”共44个符号，其中“*”仅作为起始符和终止符。既能用数字，也能用字母及有关符号表示信息。条形码的使用一般需要后台数据库的支持，如ACCESS数据库、SQL数据库等。一维条形码制作简单，编码码制较容易被不法分子获得并伪造。其次，一维条形码几乎不可能表示汉字和图像信息。

2.2.2 二维条形码技术

二维条形码是指在水平和垂直方向的二维空间存储信息的条形码。美国国防政策规定从2003年开始采用唯一识别码，到2010年前，国防产品供应商必须供应采用唯一识别码的零部件。唯一识别码采用二维数据矩阵码，能够储存 2000个数据特性。二维码是由一种2“点单元”组成的图形。这些点单元最小可以做到32.75mm，最大则2可以做到355.6mm，每一个二维码的储存量可高达2～3kB。用它来表示商品时，一个符号可以将商品的所有属性表示出来，如可以将货物的名称、尺寸、重量、发货地、发货人、收货地、收货人、运输方式等数据，全部存储在一个二维码中，在供应链的任何环节，只要用扫描器或摄像头扫描货物的二维码标签，这些信息就可以全部获得。二维条形码可分成两种主要的类型：堆叠式和矩阵式。在国外，二维条形码的标准化工作已开始。例如 PDF417、CodeOne、Codel6K、Code49、DataMatrix与Maxicode等二维条形码已成为国际自动识别设备制造商协会（AIMI）与美国标协（ANSI）符号标准。

如果说一维条形码是商品的身份证，二维码则是商品便携的数据库。二维码具有密度高、容量大、安全性强的特点。它实现对供应链中各种信息的采集和识别，真正实现物流与信息的同步。二维码已成为供应链管理中应用最有前途的技术之一。

移动二维码技术是建立在二维码、手机、移动网以及后台软件上的安全解决方案，其中包括：自定义二维码编码/解码模块、手机自动快速识别模块（3s 内完成识别工作）、移动通信防伪查询功能、短信预警功能、后台集成化管理模块等。一般情况下，大部分带有摄像功能（30万像素以上）的智能手机就可以安装手机识别软件对QR码、Data Matrix码等编码进行有效识别。我们还可以对用户进行有效控制：通过移动终端后台对用户进行限制，同时对信息进行加密（如MD5等方式）。该技术优越于RFID标签技术之处在于不受空间、时间、地点等的限制，同时运作成本也大大降低。识别内容可以根据用户需求进行更新。

二维码与一维码相比具有容量大、译码质量高、保密防伪性能强等特点。二维码所带的信息是一维码的几十倍，能够将一些信息如商品名、商品代码、订购用户信息、手机号码、交易序号等放在条码中，同时可进行码字压缩和加密处理，更有利于商家防伪。另外，二维码还有纠错能力，二维码撕掉一部分或者被污染了，所带的信息还可以还原，而一维码就做不到这一点。二维码技术与RFID技术相比，最大的优点在于二维码成本相当低；制作简便——通过打印机即可，并可以通过智能手机摄像头拍照识别其所含信息。一维码和二维码的区别见表2-1。表2-1 一维码和二维码的区别

2.2.3 射频识别技术

射频标签是产品电子代码（EPC）的物理载体，附着于可跟踪的物品上，可全球流通并对其进行识别和读写。RFID（Radio Frequency Identification）技术作为构建“物联网”的关键技术近年来受到人们的关注，RFID技术发展历程见表2-2。RFID技术最早起源于英国，应用于第二次世界大战中辨别敌我飞机身份，20世纪60年代开始商用。RFID技术是一种自动识别技术，美国国防部规定2005年1月1日以后，所有军需物资都要使用RFID标签；美国食品与药品管理局（FDA）建议制药商从2006年起利用RFID跟踪最常造假的药品。Walmart，Metro零售业应用RFID技术等一系列行动更是推动了RFID在全世界的应用热潮。2000年时，每个RFID标签的价格是1美元。许多研究者认为RFID标签非常昂贵，只有降低成本才能大规模应用。2005年时，每个RFID标签的价格是12美分左右，现在超高频RFID的价格是10美分左右。RFID要大规模应用，一方面是要降低RFID标签价格，另一方面要看应用 RFID 之后能否带来增值服务。欧盟统计办公室的统计数据表明，2010年，欧盟有3％的公司应用RFID技术，应用分布在身份证件和门禁控制、供应链和库存跟踪、汽车收费、防盗、生产控制、资产管理。表2-2 RFID技术发展历程

RFID系统是由电子标签（Tag）、读写器（Reader）及中间件（后台信息系统）3部分组成的一种短距离无线通信系统。射频识别中的标签是射频识别标签芯片和标签天线的结合体。RFID的成本已由1美元降低到8美分，应用潜力巨大。目前，国际上知名的超高频射频识别芯片的厂商有：NXP（原飞利浦半导体公司），STMicro-electronics，TI，WJ，Impinj，M4。全球五大RFID标准化组织分别为：EPCglobal，ISO，UID，AIM global，&IP-X。EPCglobal（全球产品电子代码管理中心）是目前全球实力最强的RFID标准组织。RFID的EPC编码可为64位、96位、256位。96位EPC编码如图2-1所示，每个X表示8位。目前，一般采用的是96位编码方式，这主要是因为96位的编码方式可以为2.68亿×1 600万×680亿个物品进行编码，其容量含义是：全球 2.68亿家公司，每个公司出产 1 600万种产品，每种产品生产680亿个；也就是说这样大的容量可以为全球范围内每年生产的谷物逐粒提供一个唯一的编码。图2-1 RFID 96位EPC编码规则

RFID应用系统一般由读写器、外置天线和标签3部分组成。其中读写器与外置天线相连，每个读写器一般可连接两个或4个天线。每个天线利用无线射频信号空间耦合的传输特性可同时与一个或多个标签进行通信，以达到非接触式识别目标对象的目的。当标签进入感应区时接收天线发出的射频信号，利用感应电流所产生的能量根据读写器的命令返回相应的信息，读写器接收到的信息经解码后转换为标准的数据格式通过串口或网口将信息传给计算机进一步做相应的上层逻辑处理，基本原理如图2-2所示。RFID系统需要经过一致性测试、互操作性测试、物理测试、静态测试、动态测试等一系列严格测试才能推广应用。

RFID系统的分类方法主要有基于标签供电方式、系统工作频率、可擦写方式、编码格式、空间信号传输方式，等等。RFID标签根据标签供电方式的不同图2-2 RFID系统工作示意图可分为以下3类。（1）无源被动标签（Passive Tags）。被动标签由读写器产生的磁场中获得工作所需的能量，比主动标签更小也更轻，读写距离则较近，也称为无源标签。被动标签没有内置电源，优点是寿命长、标签制作简单、成本低廉，缺点是标签的数据存储、计算能力、通信距离等受到约束。通常无线标签的通信距离在10m左右。（2）有源主动标签（Active Tags）。主动标签由于其自身有能量提供，因此无需读写器提供能量。主动标签自身带有电池供电，读/写距离较远，同时体积较大，与被动标签相比成本更高，也称为有源标签。（3）半有源标签（Semi-active Tags）。半有源射频标签内的电池对标签芯片工作所需电压做辅助支持，对标签内要求供电维持数据的电路或者本身耗电很少的标签电路供电。

RFID标签按照工作频段区分，可分为低频、高频、超高频、微波。低频为125～134.2kHz，高频为 13.56MHz，超高频为 860～915MHz，微波频率为 2.45～5.8GHz。RFID 模块如图2-3所示。RC632是飞利浦公司推出的适用于工作频率为13.56MHz的RFID标签。图2-3 RFID模块

工作在低频频段的RFID系统最先大量应用在短距离工业应用和汽车发动机防盗设备，在数据传输率不是很高的情况下很有吸引力。相比于低频系统，高频 RFID 系统能够处理高得多的数据传输率，具有更长的读取距离，标签的天线也小得多。与低频 RFID 系统相比，高频 RFID 系统遇到人体、金属或者在水底的情况下频率衰减很快，甚至不能正常工作。不同频段的RFID系统特性见表2-3。表2-3 不同频段的RFID系统特性

ISO 18000系列标准涉及系统的空中协议接口标准，该标准所包括的7种标准列举如下。

18000-1：全球接收频率上的空中接口通用参数协议。

18000-2：135 kHz空中接口协议。

18000-3：13.56 MHz空中接口协议。

18000-4：2.45 GHz空中接口协议。

18000-5：5.8 GHz空中接口协议。

18000-6：860～930MHz空中接口协议。

18000-7：433.92 MHz空中接口协议。

RFID标签根据存储类型的不同来划分，可以分为只读型电子标签（Read Only）、读写型电子标签（Read Write）、多次读一次写型电子标签（Write Once Read Many）。只读型电子标签是只能读取标签信息而不能写入标签信息；读写型电子标签是既可以读取标签信息又可以写入标签信息；多次读一次写型电子标签是只能对标签信息进行一次写操作，但是可以多次读取标签信息。

电子标签与读写器间通过耦合元件实现射频信号的空间（无接触）耦合，其中耦合类型有以下两种。（1）电感耦合，是变压器模型，即通过空间高频交变磁场实现耦合，依据的是电磁感应定律。电感耦合方式一般适用于中、低频工作的近距离射频识别系统。典型的工作频率有125kHz、225kHz和13.56MHz，识别作用距离小于1m。（2）电磁反向散射耦合，是雷达原理模型，即发射出去的电磁波碰到目标后反射，同时带回目标的相关信息，依据的是电磁波的空间传播定律。电磁反向散射耦合方式一般适合于高频、微波工作的远距离射频识别系统。典型的工作频率有433MHz、915MHz、2.45GHz和 5.8GHz，识别作用距离大于 1m。2007年 4月20日，信息产业部发布了《800 MHz/900 MHz 频段射频识别（RFID）技术应用规定（试行）》（信部无[2007]205 号），对我国 UHF频段RFID无线发射设备的工作频率、发射功率、占用带宽、频率容限、邻道功率泄漏比、工作模式、杂散发射限值以及传导骚扰发射等射频指标作了详细的规定，800 MHz/900 MHz频段RFID技术的具体使用频率为 840～845 MHz和 920～925 MHz。

射频识别系统中标签与读写器之间的作用距离是RFID系统在实际应用中一个很重要的指标。根据RFID系统作用距离，标签与读写器天线之间的耦合可以分为以下3类。（1）密耦合系统。典型作用距离是0～1cm，其是利用射频标签与读写器天线的无功近场区之间的电感耦合构成的无接触的空间信息传输射频通道来进行工作的。其工作频率一般在30MHz以下。由于密耦合方式的电磁泄露很小，耦合获得的能量较大，因而适合于要求安全性较高而对作用距离无要求的应用系统，如电子门锁等。（2）遥耦合系统。典型作用距离可达到1m，其又可细分为近耦合系统（典型的作用距离为15cm）与疏耦合系统（典型的作用距离为1m）两类。其利用的是射频标签与读写器天线的无功近场区之间的电感（磁）耦合构成的无接触空间信息传输射频通道。从电子标签到读写器的距离来说，通过电感耦合传输的能量很小，所以遥耦合系统中往往只是使用只读电子标签。其工作频率有≤135kHz、13.56MHz、6.75MHz、27.125MHz等。（3）远距离耦合系统。远距离耦合系统的典型工作范围是从1m 到 10m，某些系统可能有更远的作用距离。所有的远距离系统均是利用标签与读写器天线辐射远场区之间的电磁耦合（电磁波的发射与反射）所构成的无接触空间信息传输通道来进行工作。图2-4给出了RFID使用频率及用途。图2-4 RFID使用频率及用途

2.3 传感器技术

2.3.1 传感器在物联网中的地位

GB7665对传感器的定义是：“能够感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。”传感器的敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测量（输入量）的部分；转换元件是指传感器中能将敏感元件感受或响应的被测量转换成适合于传输和（或）测量的电信号的部分。

要获取真正有价值的信息，仅有射频识别技术是不够的，还需要传感技术。传感技术是物联网的基础技术之一，没有智能传感器就谈不上物联网。传感器产业对物联网的蓬勃发展至关重要。我国企业目前掌握了低端传感器的研发技术，但是高端传感器和新型传感器的部分核心技术仍未掌握。国外厂商传感器领先优势明显，几乎垄断了“高、精、尖”传感器和新型传感器市场。据 Intechno Consulting公司统计，2008年，美德日 3国占全球传感器份额的70％，比较著名的传感器厂商有美国霍尼韦尔、Endevco，英国Bell&Howell，Solartron，俄罗斯热工仪表所等，国内部分传感器市场的知名进口厂商见表2-4。表2-4 国内部分传感器市场的知名进口厂商“十二五”期间，我国在传感器件方面将加大开发力度，如开发精度在±0.02％以内的低成本压力/应力光电传感器、高灵敏度GMR/TMR磁性传感器、CCD/CMOS图像传感器、精度在±0.2℃以内的数字温度传感器、精度在±3％以内的数字湿度传感器、快速响应电化学气体传感器等通用传感器，以及粉尘传感器、PM2.5 细粒子传感器、磷化氢传感器、烟雾传感器等基于自主核心技术的专用传感器。我国传感器行业发展落后，高端传感器严重依赖进口，国产化缺口巨大，目前传感器进口占80％，传感器芯片进口占90％。2006年国内敏感元件及传感器进口额为23.72亿美元，占国内市场需求的80.9％。

2.3.2 传感器是物联网感知的基础

传感器的功能是实现信息的获取和采集，没有传感器就没有物联网。传感器作为一种感知终端，作为摄取信息的关键器件，应该具备两个方面的功能：一是其感受信息的能力，二是传感器自身的智能化和网络化。目前市场上出现了无线加速度传感器、无线力学传感器、无线位移传感器、无线温湿度传感器、无线扭矩传感器等各类具有无线功能的传感器，这为信息的获取和传输提供了极大的便利。

无线传感器可以构成无线自治网络，称为无线传感网。这种传感网络技术综合了传感器技术、纳米嵌入技术、分布式信息处理技术、无线通信技术等，使各类能够嵌入到任何物体的集成化微型传感器协作进行待测数据的实时监测、采集，并将这些信息以无线的方式发送给观测者，从而实现“泛在”传感。在传感网络中，传感节点具有端节点和路由的功能：首先是实现数据的采集和处理，其次是实现数据的融合和路由，综合本身采集的数据和收到的其他节点发送的数据，转发到其他网关节点。传感节点的好坏会直接影响到整个物联网网络的正常运转和功能健全。

2.3.3 我国“十二五”期间传感技术的研发重点

2.4 通信网络

无论物联网的概念如何扩展和延伸，其最基础的物物之间的信息通信是基础之基础。网络通信技术包括各种有线和无线传输技术、交换技术、组网技术、网关技术等。物联网的实现涉及近程通信技术和远程通信技术。近距离通信技术涉及RFID、蓝牙等，远距离通信技术涉及互联网的组网、网关等技术。

通信网络作为物联网提供信息传递和服务支撑的基础通道，通过增强现有网络通信技术的专业性与互联功能，以适应物联网低移动性、低数据率的业务需求，实现信息安全且可靠的传送，是当前物联网研究的一个重点。传感网络通信技术主要包括广域网络通信和近距离通信等两个方面，广域方面主要包括IP互联网、3G/4G移动通信、卫星通信等技术；在近距离方面，当前的主流则是以 IEEE 802.15.4为代表的近距离通信技术。M2M技术也是物联网实现的关键。与M2M可以实现技术结合的远距离连接技术有GSM、GPRS、UMTS等，Wi-Fi、蓝牙、ZigBee、RFID 和 UWB 等近距离连接技术也可以与之相结合，此外还有XML和Corba，以及基于GPS、无线终端和网络的位置服务技术等。M2M可用于安全监测、自动售货机、货物跟踪领域，应用广泛。“十二五”期间，我国重点支持适用于物联网的新型近距离无线通信技术和传感器节点的研发，支持自感知、自配置、自修复、自管理的传感网组网和管理技术的研究，推动适用于固定、移动、有线、无线的多层次物联网组网技术的开发，支持与物联网通信功能紧密相关的制造、运营等产业，推动近距离无线通信芯片与终端制造产业的发展，推动M2M终端、通信模块、网关等产品制造能力的提升，推动基于 M2M 等运营服务业发展，支持高带宽、大容量、超高速有线/无线通信网络设备制造业与物联网应用的融合。

2.4.1 近距离无线传输

近距离通信技术包括Wi-Fi（无线宽带接入）、WiMAX（全球微波互联接入）、WSN（无线传感网）、UWB（超宽带）、ZigBee（紫蜂）、Blue Tooth（蓝牙）、RFID（射频识别），等等。其特点是：红外传输是点对点的传输方式，无线，不能离得太远，要对准方向；不能穿墙与障碍物，几乎无法控制信息传输的进度。802.11 物理层标准中，除了使用 2.4GHz频率的射频外，还包括了红外的有关标准。IrDA（The Infrared Data Association，红外数据协会）1.0支持最高 115.2kbit/s的通信速率。IrDA 1.1支持到 4Mbit/s。该技术基本上已淘汰，被蓝牙和更新的技术代替。

2.4.2 远距离通信

1．传统互联网

互联网的雏形阶段为1969年，美国国防部开始建立一个名为ARPANET的网络。随着商业网络和大量商业公司进入互联网，互联网迅速普及和发展起来。基于TCP/IP的互联网是当今世界上应用范围最广的一种网络技术。

2．移动通信网络

据预计，按照每年1.2％的增长速度，到2020年，世界人口将达到76亿。今天，25％的全球人口在使用Internet，也就是20亿人在使用Internet。60％的全球人口，即50亿人口是移动通信的使用者。可见移动通信已超过传统互联网。GSM是我国现有覆盖范围广、网络设施健全、应用成熟的移动通信网络，能够提供语音、数据、短信、漫游等多项业务；GPRS（通用无线数据分组传输）业务，是在现有的GSM基础上叠加的一套分组数据传输系统，与互联网或局域网相连，向移动用户提供交换业务。在3G 网络下，几乎所有可以在互联网平台上实现的业务都可以在3G网络上运行。3G时代，移动增值业务朝多元化趋势发展，除了原有的2.5G业务（如短信、彩信、图铃下载、游戏、WAP和IVR等）之外，各种新的增值业务（视频点播、高速上网、在线游戏和行业 3G 应用等）也相继推出。运营商建设的以3G为主体、以WLAN为重要补充的无线宽带数据网将成为物联网的最佳承载平台。

3．卫星通信网络

卫星通信在物联网时代将发挥更大作用。卫星通信在物联网中的应用主要体现在两个方面：卫星导航定位——物联网的应用，作为感知层实现定位功能；卫星通信——通信网中的一部分，作为网络层实现信息传输。卫星通信的优势就在于具有覆盖范围广、不受地域限制的特点，可以广泛应用于交通运输，石油勘探，环境监控，农业、气象、水文监测等领域。

2.4.3 无线传感网

WSN（Wireless Sensor Network）的构想最初是由美国军方提出的，美国国防部于 1978年开始资助卡内基－梅隆大学进行分布式传感网络的研究，这被看成是无线传感网络的雏形。WSN是由大量传感器节点通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织网络系统，它能够实现数据的采集量化、处理融合和传输。它综合了微电子技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等先进技术，能够协同地实时监测、感知和采集网络覆盖区域中各种环境或监测对象的信息，并对其进行处理，处理后的信息通过无线方式发送，并以自组多跳的网络方式传送给观察者。传感网是指随机分布的集成有传感器、数据处理单元和通信单元的微小节点，通过自组织的方式构成的无线网络。现在谈到的传感网，一般指的是无线传感网络（WSN）。传感网实际上由传感器加短距离传输模块共同构成。

2.5 智能处理系统

物联网的难点在于“智慧”。底层数据通过传感器采集，经网络层传输到应用层，需要寻找到最优的策略来处理，发出指令。物联网以“智慧”为根本。智慧不是凭灵感产生，物联网的智慧需从数据的关联、分类、聚合、预测中产生。物联网仅仅接受到感知信息是远远不够的，还要对数据进行分析、挖掘、处理，做出判断，最后进行系统内部的协调，在系统外部实现交互、控制、协作。例如，在大城市中为出租汽车安装车载导航定位设备，经过统计分析可以得出不同时段、不同路段的拥塞程度，为城市交通的智能化管理提供了一手实时数据，使车辆的智能化的导航成为可能。

2.5.1 数据融合概念

数据融合一词始于20世纪70年代，在90年代以来得到较快发展。美国国防部实验室专家组在其1991年出版的数据融合字典中，对数据融合的定义如下：数据融合是将多传感器信息源的数据和信息加以联合、相关及组合，获得更为精确的位置估计及身份估计，从而实现对战场态势和威胁以及其重要程度实时、完整评价的处理过程。

从物联网的感知层到应用层，各种信息的种类和数量都成倍增加，需要分析的数据量也成级数增加，同时还涉及各种异构网络或多个系统之间数据的融合问题，如何从海量的数据中及时挖掘出隐藏信息和有效数据的问题，给数据处理带来了巨大的挑战，因此怎样合理、有效地整合、挖掘和智能处理海量的数据是物联网的难题。结合P2P、云计算等分布式计算技术，成为解决以上难题的一个途径。云计算为物联网提供了一种新的高效率计算模式，可通过网络按需提供动态伸缩的廉价计算，其具有相对可靠并且安全的数据中心，同时兼有互联网服务的便利、廉价和大型机的能力，可以轻松实现不同设备间的数据与应用共享，用户无需担心信息泄露、黑客入侵等棘手问题。云计算是信息化发展进程中的一个里程碑，它强调信息资源的聚集、优化和动态分配，节约信息化成本并大大提高了数据中心的效率。

2.5.2 多传感器数据融合技术

人类本能地具有将身体上的各种器官（眼、耳、鼻和四肢等）所探测的信息（景物、声音、气味和触觉等）与先验知识进行综合的能力，以便对其周围的环境和正在发生的事件做出评估。多传感器信息融合实际上是对人脑综合处理复杂问题的一种功能模拟。与单传感器相比，运用多传感器信息融合技术在解决探测、跟踪和目标识别等问题方面，能够增强系统生存能力，提高整个系统的可靠性和健壮性，增强数据的可信度，提高精度，扩展系统的时间、空间覆盖率，增加系统的实时性和信息利用率等。

作为多传感器融合的研究热点之一，融合方法一直受到人们的重视，这方面国外已经作了大量的研究，并且提出了许多融合方法。目前，多传感器数据融合的常用方法大致可分为两大类：随机和人工智能方法。信息融合的不同层次对应不同的算法，包括加权平均融合、卡尔曼滤波法、Bayes 估计、统计决策理论、概率论方法、模糊逻辑推理、人工神经网络、D-S证据理论等，如图2-5所示。图2-5 常见的信息融合方法

数据融合的融合层次分为：数据级、特征级、决策级。（1）数据级融合。针对传感器采集的数据，依赖于传感器类型，进行同类数据的融合。数据级的融合要处理的数据都是在相同类别的传感器下采集，所以数据融合不能处理异构数据。（2）特征级融合。特征级融合，指的是提取所采集数据包含的特征向量，用来体现所监测物理量的属性，这是面向监测对象特征的融合。如在图像数据的融合中，可以采用边沿的特征信息，来代替全部数据信息。（3）决策级融合。决策级融合，指的是根据特征级融合所得到的数据特征，进行一定的判别、分类，以及简单的逻辑运算，根据应用需求进行较高级的决策，是最高级的融合。决策级融合是面向应用的融合。比如在森林火灾的监测监控系统中，通过对于温度、湿度和风力等数据特征的融合，可以断定森林的干燥程度及发生火灾的可能性等。这样，需要发送的数据就不是温湿度的值以及风力的大小，而只是发送发生火灾的可能性及危害程度等。在传感网络的具体数据融合实现中，可以根据应用的特点来选择融合方式。

2.5.3 数据挖掘

1989年在美国召开的第一届国际联合人工智能学术会议上，众多从事计算机理论研究的学者们，第一次提出从数据库中发现知识（Knowledge Discovery in Database，KDD），这标志着数据挖掘技术的诞生。美国计算机协会每年举办“国际知识发现和数据挖掘竞赛”，目前是数据挖掘领域最有影响力的赛事。数据挖掘是从存放在数据库、数据仓库或其他信息库中的大量数据中挖掘有趣知识的过程，是运用统计学、人工智能、机器学习、数据库技术等方法发现数据的模型和结构、发现有价值的关系或知识的一门交叉学科，实现“数据信息——知识——价值”的转变过程。数据挖掘不是用于验证某个假定的模式（模型）的正确性，而是在数据库中自己寻找模型。通过空间数据库，数据挖掘可以回答某一区域的居民分布特征，分析不同海拔高度山区的气候模式，分析气候、交通等因素对城市居民迁移的作用，根据城市离主要公路的距离描述贫困率的变化趋势。物联网环境下，数据规模不断扩大，从kB级发展到TB级甚至PB级海量数据；数据挖掘对象越来越复杂，从数据库到多媒体数据和复杂社会网络；数据挖掘的交互方式从单机的人机交互发展到现在社会网络群体的交互。

物联网技术中的数据流从传感器获得数据开始，到数据的传输、数据存储，再到数据的利用，形成一条数据链。物联网大量的数据，如果得不到梳理和挖掘，可以说是一堆无用的垃圾。数据挖掘，是从大量数据中获取有用数据并且可以被人们理解的模式的过程。智能农业中，通过数据挖掘的方法，可以知道：环境温度湿度和土壤各项参数等因素是如何影响农作物产量的，如何调节它们才能最大限度地提高农作物产量；智能交通中，综合分析城市高架路上外省市号牌车的比例（通过车牌自动拍摄识别装置），对交通限行、车牌拍卖政策的制定都有参考价值。交通数据的挖掘，对道路交通管理能有据可依，做好相关应对方案。

物联网特有的分布式特征，决定了物联网中的数据挖掘具有以下特征。（1）高效的数据挖掘算法：算法复杂度低、并行化程度高。（2）分布式数据挖掘算法：适合数据垂直划分、重视数据挖掘多任务调度算法。（3）并行数据挖掘算法：适合数据水平划分、基于任务内并行的挖掘算法。（4）保护隐私的数据挖掘算法：数据挖掘在物联网中一定要注意保护隐私。

2.6 云计算

2.6.1 云计算定义及服务模式

1．云计算的发展

云计算（Cloud Computing）是 2006年开始出现的一种新的计算模式，是由并行计算、分布式计算、网格计算发展而来，是网络化存储、虚拟化和负载均衡的产物。20世纪80年代谈数据库，90年代谈互联网数据中心，直到现在谈云计算，实际上更多的是云服务，云计算的发展如图2-6所示。正是由于互联网的普及和互联网技术的进步，以及虚拟化、硬件普及、标准化和开源软件，才使得云计算成了现实。云计算的思想可以追溯到20世纪60年代，麦卡锡（John McCarthy）曾提出“计算迟早有一天会变成一种公用基础设施”，即将计算能力作为一种像水和电一样的公用事业提供给用户。1999年Salesforce.com网站提出了通过一个网站向企业提供企业级应用的观点，成为云计算的第一个里程碑。2007年IBM和Google宣布在云计算领域进行战略合作，从此云计算开始深入人心，并引发了新一代互联网技术革命。据估计，2013年云计算的市场将达到81亿美元。图2-6 云计算的发展

最早的计算机是单处理器单存储器，为了提高计算机的处理速度，人们开始考虑并联更多的处理器和存储器，计算机逐渐走过了一条从单处理器单存储器到多处理器单存储器（SMP）、到多处理器多存储器（MPP）、到多机器并联的机群COW（Cluster Of Workstation）、再到通过互联网把海量计算机组成计算能力和存储规模可无限扩展的虚拟机群（网格计算）的发展演变过程。

为了能够给更多的用户同时提供服务，1959年科学家 Christopher提出了“分时”的概念，使多用户同时独占一台“虚拟”的大型计算机。随着计算机技术的发展，计算机机群提供了比大型机更为强大的计算能力，为了充分利用，人们开始重新审视“租用”服务模式的理念。在成熟的计算机并行编程技术、虚拟化技术和互联通信技术基础上，人们把计算资源集中为虚拟的资源池，通过互联网对外提供计算和存储服务，这就是所谓“云计算”。云计算是网格计算、并行计算、网络存储等传统计算机技术和网络技术发展融合的产物。它旨在通过网络把多个成本相对较低的计算实体整合成一个具有强大计算能力的完美系统。

2．云计算定义“云”，实际上是对互联网的一种隐喻。目前，人们对信息资源的使用，正在由计算机主机、个人计算机向“云计算”演进，一种标准的IT能力（包括服务、软件或者基础设施）通过网络传输，以付费使用和自助服务的方式进行。“云计算”的浪潮正在全球范围快速兴起。有了云计算，个人计算机将变得不再重要，网络就是计算机，所有的操作将在网络上完成，用户能够在云中安营扎寨。云计算是互联网时代信息基础设施与应用服务模式的重要形态，是新一代信息技术集约化发展的必然趋势。它以资源聚合和虚拟化、应用服务和专业化、按需供给和灵便使用的服务模式，提供高效能、低成本、低功耗的计算与数据服务，支撑各类信息化的应用。

云计算具有以下重要特征：资源、平台和应用专业服务，使用户摆脱对具体设备的依赖，专注于创造和体验业务价值；资源聚集与集中管理，实现规模效应与可控质量保障；按需扩展与弹性租赁，降低了信息化成本。

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。这种服务可以是和IT、互联网相关的，也可以是任意其他的服务。

狭义云计算是指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（硬件、平台、软件）。 提供资源的网络被称为“云”。“云”中的资源在使用者看来是可以无限扩展的，并且可以随时获取，按需使用，随时扩展，按使用付费。这种特性经常被称为像水电一样使用IT基础设施。

埃森哲将云计算定义为“通过互联网提供动态的IT 能力，包括软件、硬件和服务”。根据现在最常用，也是比较权威的NIST（National Institute of Standards and Technology，美国国家标准技术研究所）定义，云计算主要分为3种服务模式。这3种服务模式是SaaS，PaaS和IaaS。对普通用户而言，他们主要面对的是SaaS这种服务模式，而且几乎所有的云计算服务最终的呈现形式都是SaaS。

NIST于2009年7月提出并发布了被广泛接受的云计算定义，2011年9月NIST云计算定义被正式发布为（NIST）SP800-145 标准，给出了云计算定义、5个基本特征（按需服务、宽带访问、资源池化、快速扩展、服务度量）、3种服务模式（IaaS，PaaS，SaaS）、4种部署模式（私有云、公有云、社区云、混合云），如图2-7所示。图2-7 云计算的服务模式、部署模式和必要特征

3．云计算的应用

生活繁忙、信息海量，你可以将数据存储在自己的计算机里，但是你的计算机万一忘记带了，怎么办？如果你把信息放在云端，你想要时，挥手就来，这样不是更加方便吗？不为我所有，但为我所用，这就是云计算的最大好处。每天你都在不知不觉使用着云计算，你打开126邮箱，你在谷歌或者百度上搜索文件。不管怎样，云计算已经来到你我身边，渗透到我们的日常生活中。我们无需担心手机的通信录丢失，不用跑到办公室才能打印文件，甚至可以在手机、平板、PC等不同设备上处理同一个文件。又以观看电视剧和电影为例，在云计算技术普及之前人们只能买VCD和DVD，有的家庭还花上万元购买一套家庭影院。通过“云计算”，消费者只需要拿一台计算机或其他网络终端，就能够享受到相关的服务。

微软、谷歌、亚马逊、埃森哲和Salesforce.com则是云计算的先驱。很多跨国公司，比如星巴克和花旗集团，都已经在使用“云计算”来分析数据，为其员工提供帮助，并运行一些特别的项目。2012年2月，亚马逊网络服务公司宣布提供数据备份服务，主要面向大企业或者中小企业。用户只要在自己的计算机上安装亚马逊网络服务公司的网关，就能远程连接亚马逊“存储云”，将需备份的数据加密存储到亚马逊“存储云”上去。使用“存储云”，用户只需支付所需存储空间的费用，是一种数据备份节省费用的方法，而且尝试应用新软件时，也不需要在自己的计算机上安装该软件。

4．云计算的3种服务模式（1）基础设施即服务（IaaS）

IaaS（Infrastructure as a Service）：基础设施即服务，提供服务器、存储、网络等基础设施资源的“云”服务。企业正在寻求从外部按需采购原始的计算资源、处理能力、网络带宽和存储空间，这些资源也就是通常所说的“基础设施即服务”（IaaS）。消费者通过 Internet可以从完善的计算机基础设施获得服务，这类服务称为基础设施即服务。基于Internet的服务（如存储和数据库）是IaaS的一部分。IaaS的最大优势在于它允许用户动态申请或释放节点，按使用量计费。运行IaaS的服务器规模达到几十万台之多，用户因而可以认为能够申请的资源几乎是无限的。而IaaS是由公众共享的，因而具有更高的资源使用效率。亚马逊公司（Amazon.com）是最大的IaaS供应商，它的弹性计算云（EC2）允许订购者运行云应用程序。IBM，Vmware和HP也是IaaS供应商。（2）平台即服务（PaaS）

PaaS：平台即服务，除IaaS外，还提供数据库、操作系统、中间件等平台资源的“云”服务。云计算时代相应的服务器平台或者开发环境作为服务进行提供就成了PaaS（Platform as a Service）。在平台层面，基于云的（PaaS）服务为应用开发人员提供了与传统台式机相似的功能，包括开发、测试、部署、运行时间数据库和主机工具。所谓PaaS实际上是指将软件研发的平台作为一种服务，以SaaS的模式提交给用户。因此，PaaS也是SaaS模式的一种应用。从某种意义上说，PaaS 是 SaaS的源泉。在云计算应用的大环境下，PaaS具有开发、部署、维护简单的优势。一些知名的PaaS供应商包括Google，Salesforce，Microsoft。（3）软件即服务（SaaS）

SaaS：软件即服务，除IaaS和PaaS外，还提供应用软件等软件资源的“云”服务。SaaS是 Software as a Service的缩写，它是一种通过 Internet提供软件的模式，用户无需购买软件，而是向提供商租用基于 Web的软件，来管理企业经营活动。“相对于传统的软件，SaaS解决方案有明显的优势，包括较低的前期成本，便于维护，快速展开使用。这些优势导致SaaS在中国市场增长明显。”例如，云计算中的“软件即服务”（SaaS）就是通过标准的网络浏览器提供应用软件，也就是说，诸如通用的办公室桌面应用软件及相关数据并非在你的计算机里，而是储存在其他地方的主机里，使用网络浏览器通过网络可获得这些软件和数据。SaaS采用了完全不同的商业模式，无需购买软件和服务器硬件，只需租赁这些设备，并在使用设备或购买存储的大量数据时付费即可。

2.6.2 云计算的优点和存在的问题

1．云计算的优点（1）降低成本

如果使用云计算，在任何时候，任何地点，云计算都能提供所需的服务，不需要投资服务器，也不需要支付昂贵的数据中心运行费用。对服务商来说，用户越多就越能够降低数据中心的运行费用、能够最有效地使用商业服务器和存储硬件、能够最低成本地传递和支持各种应用。云服务的低廉价格自然也是它吸引人的一个地方。据称一家制药巨头向亚马逊网络服务仅仅支付了89美元，分析开发中的药品数据，这项工作原本需要购买25台服务器才能完成。其实，节约还包括服务器的成本、软件许可费用、维护费用、数据中心空间、电费和IT人员的开支。用低成本取代原先大笔的资本支出，按使用次数支付运营费用，云计算的经济优势显而易见。（2）配置灵活

因为其技术设计特点，云可以提供超乎寻常的灵活资源。用户能够动态和柔性分配资源给应用，而不需要额外的硬件和软件，当需求扩大时，用户能够缩减过渡时间，快速扩张。在云环境里，当需求缩小时，能够避免设施闲置。用户可以在需要的时候快速召唤云服务，云会迅速膨胀，将更多的服务器分配给需要的工作，然后在不需要的时候云会萎缩或者消失。正是这种特点，使得云非常适合间歇性、季节性或者暂时性的工作，快速完成任务处理海量数据。主要的应用包括软件开发和测试项目。

当需求超过计算能力的时候，云还可以作为传统系统的补充。由于传统系统是一项大额的运营开支，云服务通常可以作为备份存在，并且它的获取速度要比传统系统快很多。（3）速度更快

在速度方面，云计算有潜力让程序员使用免费或者价格极低的开发工具制作软件服务，并让其快速面世。这种功能可以让企业更加敏捷，反应速度更快，同时能够修改企业级的标准应用和流程。对于那些需要大量IT基础设施（服务器和存储）的应用，云可以显著地降低采购、交付和安装服务的时间。

2．云计算存在的问题

云计算也存在不尽如人意之处。如数据安全问题，有些客户不希望将自己的数据扔到云端，或者是法律法规原因导致数据必须存储在本地。如实时性问题，云端距离遥远，不适合实时应用的场合。对服务商来说，软件即服务，平台即服务，客户需要的每一项服务都是个性化的，这对服务商来说是一个挑战。

人们将数据存储到第三方空间，首先关心的是隐私和数据安全问题。人们不完全知道他们的数据存储在哪里，谁有权力进入到云设施。一些云计算提供商将他们的数据中心分设到不同的国家，每个国家有不同的法规，因此数据的保护就得根据当地政府的要求。英国在个人数据、个人隐私方面保护得很好，有整个体系的数据保护，只要贩卖个人数据就会受到相应处罚。但国内目前在数据保护方面的法律法规仍相对欠缺，很多人都不愿意把个人数据放到云上，因为云是租的，个人数据可能不安全。赵淦森认为，在个人数据安全方面，要看国家的立法步伐有没有相应跟进。“目前的环境下，企业要么就做不敏感的数据服务，要么就依靠大运营商、有公信力的服务商来做服务，以规避用户的这种担忧。”

我国云计算发展面临众多挑战，主要表现为：在大规模资源管理与调度、大规模数据管理与处理、运行监控与安全保障、支持虚拟化的核心芯片等一些制约发展的关键产品和技术方面仍亟需突破；云计算服务能力和水平与发达国家相比差距较大，云计算服务业的规模相对较小，业务较为单一；云计算标准体系不健全；与云计算安全相关的数据及隐私保护、安全管理等方面技术和法规尚不完备；云计算产业链和生态环境尚未形成，对传统行业信息化支撑不足。

2.6.3 物联网和云计算

物联网的规模发展到一定程度后，与云计算结合起来是必然趋势，如智能电网等。而对于规模小的局域的物联网应用，则不一定需要结合云计算技术。云计算与物联网的结合应用势在必行。物联网的大规模发展离不开云计算平台的支撑，而云计算平台的完善与大规模应用需要物联网的发展为其提供最大的用户。

构建物联网基础和共性标准体系，突破低成本、低功耗、高可靠性传感器技术，组织新型RFID、智能仪表、微纳器件、核心芯片、软件和智能信息处理等关键技术研发和产业链建设。在典型领域开展基于创新产品和解决方案的物联网示范应用，培育和壮大物联网新兴服务业，加强物联网安全保障能力建设。开展云计算服务创新发展试点示范。整合现有各类计算资源，推动各领域信息共享和业务协同，突破虚拟化、云计算应用支撑平台、云安全、云存储等核心技术，大力加强高性能计算等领域应用软件的开发，推进高性能服务器、海量数据存储、智能终端等设备产业化，加强对云计算基础设施的统筹部署和创新发展，构建云计算标准体系，支持建设一批绿色云计算服务中心、公共云计算服务平台，促进软件即服务（SaaS）、平台即服务（PaaS）、基础设施即服务（IaaS）等业务模式的创新发展。到2015年，初步形成符合国情的应用模式、标准规范和安全可靠的产业体系。

总的来说，云计算将应用推向云端，将用户和数据中心进行位置解耦，软件就是服务的商业模式，如Google，Yahoo，Amazon，Facebook等。云计算成为IT成长最快的部分。公有云对某些应用的作用非常巨大，私有云有益于提供内部应用，公有云和私有云可以混合使用。云服务容易获得并且易于伸缩。美国技术和市场调研公司Forrester Research发布的《商业和技术2020年展望》中指出：云计算将比你想象的更飞速地来到，并且将被很少的一些公司控制，如亚马逊、思科、谷歌、IBM、微软以及甲骨文公司。

2.6.4 “十二五”期间中国云计算发展的重点任务

2.7 物联网标准制定

2.7.1 物联网标准体系的构建

1．物联网标准的组成

物联网是跨行业、跨领域、具有明显交叉学科特征、面向应用的信息基础设施，因此构建物联网的标准体系时，不仅要考虑已有行业制订的标准，而且要兼顾物联网服务体系的发展需要；要避免不同行业标准组织的重复制订，还要做好各行业和部门间的协调合作，保证各自标准相互衔接，满足跨行业、跨地区的应用需求。物联网标准化体系应由物联网总体标准、物联网共性技术标准以及行业物联网标准构成。

物联网总体标准包括如下几类。基本类标准将包括物联网基本术语、物联网的总体参考模型、物联网标准指南等；物联网需求类标准包括物联网的总体技术要求、物联网安全的总体技术要求、物联网服务质量总体要求、物联网标识和解析总体需求；物联网架构类标准包括物联网系统的总体架构、物联网安全的总体架构、物联网标识和解析的总体架构、智慧城市总体架构等；物联网评估和测试类标准包括物联网应用评估、物联网公共测试等。

物联网共性技术标准包括信息感知技术类标准、信息传输技术类标准、信息开放技术类标准和信息处理技术类标准，这些标准是用于不同行业物联网的共性技术标准。物联网共性标准基于可重用于物联网应用的现有各类信息通信技术标准，同时各类ICT技术标准也面向物联网应用发展增强。

行业物联网标准由公共服务和智能电网、智能交通、智能医疗等垂直行业物联网标准构成。物联网的纵向模型分为感知层、网络层、应用层，因此行业物联网标准包括行业应用和公共服务特定的感知标准、网络标准和行业应用标准。行业物联网标准将遵循物联网总体性标准和共性技术标准的要求，面向行业应用需求，研制开发行业特有的技术、产品和应用类标准。

2．物联网标准的发展时间节点

物联网的标准体系构建需要经历以下3个阶段。

阶段一，着重行业应用和公共服务标准的制订，每一类应用自成体系，其中包括行业本身的标准和本行业对通信技术的要求；阶段二，对阶段一各类应用的标准进行收集、分析，从而提取出共性标准，尤其是共性的通信类要求和接口标准；阶段三，用阶段二的共性标准指导行业应用和公共服务的实施，并不断完善阶段二的共性标准。其中物联网的总体标准将贯穿这3个阶段，并不断深化和完善。目前全球的物联网标准处于阶段二，即尚处于收集应用实例，分析现有需求和架构，提取共性需求、能力和架构的阶段。物联网标准建设与应用结合力度有待加强，标准体系的建设过程，要坚持从应用中来，到应用中去的原则。同时，标准的制定需要作到两个围绕，即示范应用围绕标准，应用标准围绕基础标准。另外，还需制订中间件相关标准，通过统一转换，实现标准应用同已建应用项目兼容。

2.7.2 物联网标准化工作现状

1．物联网国际标准化组织

由于物联网涵盖的内容和涉及到的技术广泛，目前国际参与物联网标准制定的组织众多，尚无一个组织制定出完整的物联网标准体系。目前，与物联网相关的国际标准化组织主要有 ISO，ITU-T，ISA（International Society of Automation），EPCglobal，IEEE，EnOcean，IETF（Internet Engineering Task Force），FCC（Federal Communications Commission），CENELEC（European Committee for Electrotechnical Standardization）等。各国际标准组织物联网标准制定重点各不相同，见表2-5。ISO/IEC（国际标准化组织及国际电工委员会）在传感网络、ITU-T（国际电信联盟电信标准化部分）在泛在网络、ETSI（欧洲电信标准化学会）在物联网M2M、IEEE（美国电气和电子工程师学会）在近距离无线、EPCglobal在RFID、GS1在条形码、IETF（互联网工程任务组）在IPv 6（下一代互联网协议）的应用、3GPP（第三代合作伙伴计划）在M2M等方面开展物联网相关标准研究工作。表2-5 各国际标准组织物联网标准制定重点

下面介绍几个主要的标准化组织的研究进展情况。

ITU-T专门成立了物联网全球标准化工作组（IoT-GSI），正在研究“物联网定义”和“物联网概述”两个国际建议，并在2012年2月份通过。在“物联网概述”建议草案中给出了物联网的体系架构。

IEEE主要研究 IEEE 802.15 低速近距离无线通信技术标准，并针对智能电网开展了大量工作。IEEE P2030技术委员会成立于 2009年5月，分为电力、信息和通信 3个工作组，旨在为理解和定义智能电网互操作性提供技术基础和指南，针对NIST智能电网应用各个环节，帮助电力系统与应用和设备协同工作，确定模块和接口，为智能电网相关的标准制订奠定基础。IEEE 2010年 4月发布了P2030草案。

ETSI成立了M2M技术委员会，对M2M需求、网络架构、智能电网、智能医疗、城市自动化等方面进行了研究，并陆续出台了多个技术规范。

IETF制订了以IP 协议为基础的，适应感知延伸层特点的组网协议。目前IETF的工作主要集中于 6LoWPAN和ROLL协议两个方面，6LoWPAN以 IEEE 802.15.4为基础，针对传感器节点低开销、低复杂度、低功耗的要求，对现有IPv6系统进行改造，压缩包头信息，提高对感知延伸层应用的使用能力。而ROLL的目标是使公共的、可互操作的第3层路由能够穿越任何数量的基本链路层协议和物理媒体，例如，一个公共路由协议能够工作在各种网络，如 802.15.4无线传感网络、蓝牙个人区域网络以及未来低功耗 802.11 Wi-Fi网络之内和之间。

目前6LoWPAN 已进入标准化的中期阶段，而ROLL仍处于草案阶段。

3GPP 结合移动通信网研究 M2M的需求、架构以及对无线接入的优化技术，其 SA和 RAN 分别针对网络架构、核心网以及无线接入网开展了工作，目前网络架构的增强已经进入实质性工作阶段，而无线接入网的增强仍处于研究阶段。

ZigBee联盟的ZigBee协议基于 IEEE 802.15.4的物理层和媒体访问控制（MAC）层技术，重点制订了网络层和应用层协议，支持 Mesh 和簇状动态路由网络，在目前的无线传感网络中得到广泛应用。

2．物联网标准

按照物联网的层次结构，可将物联网标准分为物理设备标准（如RFID标准、IEEE 1451）、网络标准（如 IEEE 802.15.4）、公共服务及框架结构标准、中间件、领域应用标准几类（如 IEEE P2030）。在现有工作中，关于物联网安全及隐私保护的标准相对薄弱。尽管可以用到物联网中的公共的互联网安全标准已有不少，但满足物联网特有需求的标准（如针对RFID标签及智能卡安全的标准）却并不完善。目前 ISO/IEC 18000-6对RFID标签的数据保护仅停留在部分数据加锁及简单的密码防护水平上。正在制定中的ISO/IEC 29167将增强RFID标签的安全性。目前，欧盟也正在开展RFID隐私数据的保护工作。已出台的物联网国际标准见表2-6。表2-6 已出台的物联网国际标准

按照物联网层次划分物联网现有国际标准，见表2-7。表2-7 按物联网层次划分物联网标准分类

2.7.3 我国物联网标准化进展

我国研究物联网的标准组织主要有全国信息技术标准化技术委员会、传感网络标准工作组（WGSN）、中国通信标准化协会（CCSA）、发改委联合牵头引导成立的国家物联网基础标准工作组。WGSN 是由国家标准化管理委员会批准筹建，全国信息技术标准化技术委员会批准成立并领导，从事传感网络标准化工作的全国性技术组织。目前 WGSN已经建立了若干的标准制定项目组，其中，协同信息处理支撑服务及接口在国际标准化组织中推动了目前一个新的工作项目，2010年3月，这项标准已经通过了新工作项目的投票，即将启动国际标准化的制定工作。CCSA于2010年成立了泛在网技术工作委员会（TC10），下设4个工作组，对物联网的共性总体标准、应用标准、网络标准和感知延伸等标准进行了全面的研究和行业标准的制订，专门从事物联网相关的研究工作，先后启动了《无线泛在网络体系架构》、《无线传感网络与电信网络相结合的网关设备技术要求》等标准的研究与制定，但尚没有发布标准文稿。CCSA TC10的组织结构及工作范围见表2-8。表2-8 CCSA TC10的组织结构及工作范围

总体工作组（WG1）：通过对标准体系的研究，重点负责泛在网络所涉及的名词术语、总体需求、框架以及码号寻址和解析、频谱资源、安全、服务质量、管理等方面的研究和标准化

自成立以来，TC10已完成行标、技术报告和研究课题立项31项，内容涵盖了物联网标准体系中的3个层次以及相关的总体架构和公共技术。其中，涉及总体架构和公共技术的立项6项，涉及物联网应用层的立项16项，涉及物联网网络层的立项4项，涉及物联网感知延伸层的立项5项。同时CCSA与智能交通标准工作组签订了合作协议，对智能交通的标准进行合作。

物联网基础标准工作组包括3个项目组（总体项目组、标识项目组、安全项目组）。物联网基础标准工作组有3类成员，第一类是各个行业的标委会，比如安标委会、信标委、安标协，等等；第二类成员是行业用户，比如公安部、交通部、环保部、林业局、农业部等这些部门的科技司参与进来；第三类是龙头重点企业。这3大类共同组成了国家物联网基础标准工作组来制订国家物联网的标准体系、体系标准、共性标准等。

比如目前已成立的农业物联网行业应用标准工作组、林业物联网行业应用标准工作组、交通物联网行业应用标准工作组、环保物联网行业应用标准工作组和公安物联网行业标准工作组，最近又要增加7个物联网行业应用标准工作组，这就形成了国家物联网行业体系的大的架构。

我国在物联网标准国际化组织中起到重要作用，积极参加了 ISO WG7、IEEE等组织的活动。2008年，首届 ISO/IEC JTC1国际传感网标准化大会（SGSN）在上海召开，我国作为主要发起国，推动成立了直属JTC1的传感网工作组WG7，负责制订和协调传感网标准。2010年 3 月，无锡物联网研究院提交的《智能传感网络协同信息处理支撑服务和接口》（ISO/IEC JTC1 N9940）提案成为我国第一个在国际标准化组织取得立项的传感网络领域的国际提案。2012年3月，无锡物联网研究院承办的ISO/IEC JTC1 WG7第五次全会在无锡召开。我国专家是 IEEE 802.15.4e标准的主要贡献者。总的来说，物联网标准化制定，中国部分领域是领先的。

2.7.4 物联网标准化建设面临的问题

当前物联网标准体系建设面临四大难题。

一是不统一性。各标准组织之间的交流和沟通目前较少，缺乏统一的规划，国家基础标准、应用标准、电子政务、基础资源标准融合较少。

二是不兼容性。物联网涉及信息产业的方方面面，物联网的标准复杂、多样，针对同一问题，不同标准组织制定不同的标准，互不兼容。

三是不同步性。物联网部分应用建设已经陆续展开，各标准组织从不同角度和不同深度开展了相关工作，大部分还处于启动阶段，无法及时指导应用。

四是不一致性。由于应用建设的不同步性和标准的落后性，导致应用建设和标准不一致，影响应用的复用性和互融互通性，阻碍产业化发展。

不过可喜的是，物联网标准难题破解也有了新的进展。2012年2月17日，联合国国际电信联盟（ITU-T）第13 研究组会议正式审议通过了“物联网概述”（Y.IoT-overview）标准草案，标准编号为Y.2060，该标准成为全球第一个物联网总体性标准。

物联网的标准不是某一个行业或仅仅信息通信行业所能够单独完成的，而需要各行各业与信息通信行业共同制订，才能既符合行业需求，也能将最好的最适合的信息通信技术应用于各个行业，因此物联网的标准既包含行业应用和特定行业需求的标准，例如电力、交通、医疗等行业标准，同时也包含信息通信行业的标准，例如感知、通信和信息处理等技术标准。2012年无锡起草的物联网标准有国际标准14项，国家标准14项，行业标准19项，另有67项物联网国际标准化提案获得通过，居全球首位。附录2-1为无锡传感网创新示范区制订的物联网标准。

附录2-1 无锡传感网创新示范区制订的物联网标准（截至2012年）

第3章 物联网工程中的传感器设计与应用

物联网要实现感知，就离不开物联网终端，物联网终端中包括传感器、笔记本电脑、台式计算机、手机等。大量各种类型的传感器，成为物联网工程数据的基本感知单元，具有举足轻重的作用。传感器被列为与通信技术和计算机技术同等重要位置，成为信息技术的三大支柱之一。传感器将物理世界中需要感知的物理参数从模拟量转化成数字量，并经由物联网网络层进入到应用层，最终为终端用户服务。传感器采集的数据对象非常广泛，传感器类型有几千种。传感器已经从传统的工业领域逐渐扩大到社会各个层面，从人们日常生活到办公自动化，从传统机电产品到信息电子领域新技术产品，从企业生产到国防现代化，从产品质量测控到重大科技发展和科技现代化都离不开它。一辆汽车有 20～30多个传感器，一架飞机可用到 2000多个传感器。我国的高端传感器仍然以进口为主，自主生产的传感器以低端传感器为主。

3.1 传感器的选择

3.1.1 传感器的静态特性

传感器的静态特性是指表示测量仪表在被测物理量处于稳定状态时的输出量和输入量之间的相互关系。因为输入量和输出量与时间无关，所以传感器的静态特性可用一个不含时间的代数方程描述，主要参数为线性度、灵敏度、分辨率、迟滞、重复性、量程等。

1．传感器的线性度

传感器的实际静态特性输出是曲线而非直线。在实际工作中，为使仪表具有均匀刻度的读数，常用一条拟合直线近似地代表实际的特性曲线，线性度就是这个近似程度的一个性能指标，如图3-1所示。传感器的线性度δ表达式为：L图3-1 传感器的线性度

其中：ΔY代表理论曲线与实际曲线之间的最大偏差；Y代maxF.S表满量程输出。

2．灵敏度

灵敏度K是指测量系统或传感器在稳态下的输出变化dy对输入变化dx的比值、用K来表示，即：

传感器灵敏度K分为线性和非线性，如图3-2所示。非线性的灵敏度是输入变化的，不同的输入量对应不同灵敏度，某一刻输入输出曲线切线的斜率，即为此刻的灵敏度；线性灵敏度是一个常数。图3-2 传感器的灵敏度

某一刻传感器的斜率越大，此刻传感器的灵敏度就越高。需要指出的是，传感器的高灵敏度是建立在牺牲传感器稳定性的基础上的，灵敏度越高的传感器越容易受到外界干扰。

3．分辨率、分辨力

分辨率和分辨力是用来表示系统检测被测量的最小量值的性能指标。分辨率是一个无量纲的比率的量，是指最小的输入或输出变化量与满量程的输入或输出之间的比值。分辨力是指传感器能辨别被指示量两相邻值的能力，即传感器能检测到的最小输入量，是一个有量纲的量值。

4．重复性

在连续测量过程中，在给定的输入值x下输出值y有所不同。图3-3给出了重复性示意图。

5．迟滞

迟滞：给定输入x，当x达到这个值是通过向上调档或向下调档方向时，输出值y有差别，如图3-4所示。

6．准确度

传感器准确度等级是传感器使用过程中最为关注的性能指标。例如300kN的力传感器准确度等级为1级，试验力测量范围为满量程的0.2％～100％。在量程的0～0.2％的小力值范围内，其准确度等级要大于1级，测量精度会大大下降。图3-3 传感器的重复性图3-4 迟滞曲线

3.1.2 传感器的动态特性

传感器的动态特性是指传感器对于随时间变化的输入量的响应特性。对于传感器来说，动态特性要好，就需要使得输入和输出具备相同的时间函数。在分析系统动态特性时通常会存在动态误差，这是由于实际上很难有输入信号和输出信号的时间函数是完全一致的。在实际工作中，传感器的动态特性常用它对某些标准输入信号的响应表示，常用的标准输入信号有阶跃信号和正弦信号两种，所以传感器的动态特性也常用阶跃响应和频率响应表示。

3.1.3 传感器种类

按照不同的分类方法，传感器可分为不同的类型。表 3-1 列出了不同测量目标的传感器类型。（1）按照工作原理可分为物理传感器和化学传感器两大类。（2）按照有无电源可分为有源传感器和无源传感器。（3）按照用途可分为压力、位置、能耗、速度、加速度、温度传感器等。（4）按输出信号可分为模拟传感器和数字传感器。表3-1 不同测量目标的传感器类型

3.2 传感器的质量问题

3.2.1 传感器的可靠性

所有的传感器都涉及气候、机械等环境测试，通过环境测试来验证传感器在设计范围内的可靠性。可靠性测试在电子产品领域是非常关键的环节。可靠性测试包括机械测试、气候测试、老化测试等，国军标 GJB 899A——199 2009《可靠性鉴定和验收试验》、GJB 1032—1990《军用电子产品环境应力筛选方法》规定了电子产品的可靠性试验方法，见表3-2。传感器要根据使用环境来评定其质量优劣。在测试前，明确传感器的应用环境是非常有必要的，离开了应用环境来评价传感器质量是毫无意义的。表3-2 国军标规定的电子产品的可靠性试验方法

大批量生产的传感器要获得很好的一致性，就必须拥有良好的可靠性和稳定性。以松下电工生产的双轴静电容量式加速度传感器为例，其特点是偏置电压的变动在−40～+85℃范围内仅为±0.032V，经过10年左右也几乎不会随着时间的推移出现老化。

3.2.2 传感器的电磁兼容性能

电磁环境的恶化容易使传感器和其他电子元器件之间因互不兼容而引发系统的误动作，因此检测传感器的抗干扰和发射电磁兼容性能很有必要。传感器的辐射骚扰和辐射抗干扰需要在半电波暗室进行测试，鉴于传感器的尺寸较小，传感器的电磁兼容测试在3m法半电波暗室进行。以电子倾角传感器为例，EMC测试项目见表3-3。表3-3 电子倾角传感器EMC测试项目

无线射频类产品正广泛被使用，其所产生的电磁干扰性也比有线产品要大，其抗干扰性比有线类要差。因此，欧美标准对无线类产品作了更为严格的规定。欧洲要作 RTTE/ETSI测试、认证；美国要作FCC（ID）测试、认证。

3.2.3 传感器的故障诊断

传感器故障诊断（Sensor Fault Diagnosis，SFD）又被称为仪表故障诊断（Instrument Fault Diagnosis，IFD）、仪表校验（Instrument Validation，INVA）、传感器校验（Sensor Validation，SEVA）等。一个传感器（仪表）通常包括传感装置、转换器、信号处理单元和通信接口等部分。上述的任何部分都可能出现故障，使得传感器输出信号与变量的实际值（标称值）的偏离超出容许范围（Isermann，1984）。Dunia和Qin（Dunia & Qin，1998）研究了传感器故障的形式，根据传感器输出偏离实际输出的形式将传感器故障分为以下4种类型。（1）完全失灵（Complete Failure）：传感器彻底失去功能，其读数将停留在某个固定值上，不随实际值的变化而变化。（2）固定偏差（Bias）：传感器输出与被测变量的实际值之间的偏差为常数。（3）漂移（Drift）：传感器输出与被测变量的实际值之间的偏差随时间不断增大。（4）精度变差（Precision Degradation）：或者叫方差过大，传感器的测量误差为白噪声，且其测量误差的方差超出标称值。

传感器的故障诊断主要分为两步，即故障检测与故障分离。诊断过程的第一步为故障检测，检测故障需要满足3个条件（Milne，1987）。（1）系统必须被监控。（2）参数和/或变量产生残差。根据过程的冗余信息，通过一定的算法得到过程参数或变量的“真实值”（或期望值）。对应参数或变量的实际测量值和“真实值”（期望值）之间的差构成残差。由于测量噪声的存在，正常情况下该残差不为零，而是服从一定的统计分布，在故障状态下，该残差将显著增大。（3）对所有残差需要估计恰当的阈值，超过该阈值则表明具有故障征兆。冗余是产生残差信号的唯一方式。基于解析冗余的残差定义为测量值和期望值（估计值）之间的差，其复杂性和可靠性取决于建模方法和比较策略。在实际应用中，常用以下 3 种残差产生方法。

① 当系统模型包含一定的重要的数值特征时，直接对被测变量进行检测并与该数值进行比较。

② 当实际系统和标称模型在输入相同的情况下，比较实际测量输出信号和通过系统的标称模型的估计信号。

③ 比较标称系统模型和连续估计的实际模型之间的参数。

故障诊断的第二步是故障分离。残差和阈值是故障分离的基础。实际上，故障征兆可以通过超过阈值的残差的个数和具体的数值来表征。因此，不同的故障可以通过精确的残差分析来区分，故障分离问题可以归结为残差空间的模式识别问题。

和工业过程中的其他故障相比，传感器故障有其自身的特点：各传感器故障均具有独特的方向性，传感器故障可以用与之相应的表示故障方向的矩阵和故障幅度来表示；传感器故障诊断可以通过辨识其故障方向并估计（或重构）故障的幅度来实现。

传感器故障检测需要采集大量数据，这些原始信号必须被处理为有用信息，亦即须进行信号特征提取。特征提取的方法主要可分为基于时域、频域和小波域等方法。

3.2.4 传感器认证

经过调研，国际组织和政府机构对涉及贸易和商业公正性的传感器进行强制计量认证，对于在危险区域使用的传感器实行防爆认证。欧洲铁路工业联盟对铁路行业使用的传感器实行IRIS认证。

1．国际和各国计量检定认证（1）OIML计量认证

OIML证书制度（国际法制计量组织证书制度），目前还只限于砝码、非自动衡器、气压计、高精度线纹尺。OIML 合格证书是在自愿申请的基础上，对符合国际建议的计量器具的型式颁发的证书。（2）美国NTEP认证

NTEP 是美国为了保证贸易和商业的公正性，保护用户的利益不受损害，对用于贸易和商业的称重、计量产品进行的型式评定程序的简称。

2．国际行业组织认证

IRIS认证，IRIS是 International Railway Industry Standard的缩写，简称为国际铁路工业标准，由UNIFE（欧洲铁路工业联盟）发起，在4个主要指导委员会的支持下建立。这4家指导委员会已经要求其供应商在2009年必须达到IRIS的要求。电量传感器在铁路领域广泛应用，电量传感器在电磁兼容方面必须要有足够良好的特性。德国莱茵TÜV集团是行业内较早开发IRIS认证服务并获得UNIFE认可的机构之一。2008年7月，北京莱姆获得国际轨道工业全球公认标准——IRIS认证，这也是国内首家铁路传感器制造商中通过该认证的企业。

3．危险区域传感器的防爆认证

在易爆氛围内使用的传感器要求进行防爆认证。危险区域是指Ex（爆炸）所涉及的可燃液体、蒸汽、煤气或易燃尘埃存在的地方，这些物质在很大程度上可能足以引起火灾或爆炸。1992年起，国际上开始在国际电工委员会范围内筹建防爆电气产品国际认证组织。经过几年的筹备，1996年正式成立了国际电工委员会防爆电气产品认证组织，简称IECEx防爆认证体系，目前有包括美国、中国等 30个成员国。欧洲的防爆电气指令是 94/9/EC（ATEX产品指令），欧洲传感器的防爆要求为ATEX认证。

美国防爆认证体系是由负责煤矿设备发证的MHSA（美国煤矿安全与保健管理局）、非矿用电气设备的U L（美国保险商实验所）、工厂用电气设备、仪器仪表的F M（美国工厂互检业务协会）3部分组成，负责全美危险场所电气设备的防爆检验与发证业务。

中国参加了IECEx防爆认证体系。2005年10月IECEx体系批准方圆标志认证集团有限公司（CQM）为IECEx认证机构（ExCB），国家防爆电气产品质检中心、上海仪器仪表自控系统测试所和中海油天津化工研究设计院电气安全检验研究实验室等为IECEx检验实验室（ExTL）。防爆要求为GB 3836.1—2000《爆炸性气体环境用电气设备通用要求》系列标准。

3.3 传感器的定期维护和标定

3.3.1 典型传感器的定期维护

1．干湿球相对湿度传感器的维护

经常检查湿球传感器上的纱布是否干燥，检查湿球传感器的水槽中是否缺水。水槽中的水位是由一水位控制器自动控制的，检查水位控制器供水系统是否供水正常，水位控制器工作是否正常。由于湿球纱布因使用时间长或供水水质纯净度的原因，导致纱布变硬，使纱布无法吸收水分而干燥，应更换或清洗纱布。

2．电子式湿度传感器的维护

湿度传感器是非密封性的，为保护测量的准确度和稳定性，应尽量避免在酸性、碱性及含有机溶剂的气氛中使用，也避免在粉尘较大的环境中使用。为正确反应欲测空间的湿度，还应避免将传感器安放在离墙壁太近或空气不流通的死角处。如果被测的房间太大，则应放置多个传感器。

3．光电编码器的维护

光电脉冲编码器在旋转轴两边分别装有光源和光敏元件，当圆盘转动时，光线的明暗变化，经过光敏元件检测变成电信号的强弱，从而得到脉冲信号。编码器的输出信号有：两个相位信号输出，用于辨向；一个零信号（又称转信号），用于转动轴回参考点的控制。编码器的维护和维修主要注意以下几个问题。（1）防振和防污。编码器是一个精密的测量元件，本身密封很好，使用环境和拆装时要与光栅尺一样注意防振和防污。污染容易出现在导线引出段、接插头，要作好这些部位的防护措施。机床振动容易造成内部紧固件松动脱落，进而造成内部短路。（2）连接问题。连接问题分为连接松动和连接调整不当。由于连接松动，往往会影响位置控制精度。编码器通过传动带连接，如果传动带调整过紧，给编码器轴承施加力过大，容易损坏编码器。

3.3.2 典型传感器的标定

不管什么类型的传感器，经设计、制造后都得经过一系列的试验，以验证传感器的性能是否达到原设计指标。传感器的标定是基于大量试验数据而建立起来的传感器输入输出的关系曲线，在标定的同时，也确定了传感器在不同使用条件下（温度、频率等参数变化下）的误差曲线。

传感器的标定分静态标定和动态标定两种。静态标定主要用于检验、测试传感器的静态特性指标，如静态灵敏度、线性度、迟滞和重复性等。动态标定主要用于检验传感器信号随时间变化而产生周期或瞬态变化，测试传感器的动态特性，如动态灵敏度、频率响应等。标定的方法是利用一种标准设备产生已知非电量作为输入量，输入至待标定的传感器中，得到传感器的输出量，然后将传感器的输入量与输出量的标准量作比较，从而得到一系列的标定曲线。

1．加速度传感器标定

早期的加速度传感器只能实现单维的线加速度或者角加速度的测量，随着传感技术、半导体技术、计算机技术的发展，现在已经有能够实现多轴测量的传感器。相对于单轴加速度传感器而言，多轴加速度传感器有很多优点，比如：每个轴向随时间和温度同时变化特性、减少安装带来的测量不确定度、尺寸更小等。加速度传感器按原理不同，可分为电压式、压阻式、压电式、电容式等。

MXC62025G是美新（Memsic）公司推出的一款基于MEMS技术2的双轴加速度传感器，集成了片上信号处理和IC总线模块，无需外接A/D转换器便可以与微控制器通信。

目前加速度传感器静态标定主要利用旋转圆盘产生离心加速度对放在转盘径向的加速度传感器施加一定的加速度，该加速度计算公式2为a=rω，其中a为传感器所受的离心加速度，r 为转盘圆心到加速度传感器半径，ω为转盘旋转角速度。

2．力传感器标定

力传感器的静态标定方法比较成熟，常用的静态标定装置主要有测力砝码和拉压式测力计。沈阳工业大学王兴华设计了力传感器标定系统，如图3-5所示。

在图3-5中，标定测试装置主要由测试架、S梁传感器、圆盘1、圆盘2、弹簧和测力连接件等组成。其中 S梁传感器可以测得所受到的力的大小。圆盘1和圆盘图3-5 力传感器标定装置2将力传感器夹住，保证力传感器在测试过程中一直保持水平姿态。弹簧可对力传感器施加相应的力。

3.4 传感器发展趋势

3.4.1 我国传感器技术现状

全球现在大概有 40个国家从事传感器的研制生产工作，研发、生产单位有 5000余家。德国、日本、美国、俄罗斯等老牌工业国家的企业主导了传感器市场，主要有西门子、横河、霍尼威尔、欧姆龙、邦纳、GE、松下、Sony等公司。

近年来，全球传感器产业飞速发展。2008年，全球3000多家传感器制造商的总销售额为500亿美元，而2010年世界传感器市场规模达800亿美元以上。随着物联网的高速发展，国内传感器产业也迎来了黄金发展期。2010年，我国传感器制造业规模以上企业（年销售收入500万元以上）实现销售收入440.27亿元。据预测，未来几年中国传感器市场将稳步快速发展，在物联网市场规模大幅增长的动力之下，2015年中国传感器市场规模有望达到1 200亿元以上。

前瞻产业研究院发布的《2012～2016年中国传感器制造行业产销需求与投资预测分析报告》显示，在政府的支持下，我国的传感器技术及其产业取得了长足进步。国内传感器产业在“双加工程”即加大力度、加快发展的方针指导下，建立了中国敏感元器件与传感器生产基地。目前国内有三大传感器生产基地，分别为：“安徽基地”，主要是以建立力、光敏规模经济为主要目标；“陕西基地”，成立了“陕西省敏感技术产业集团公司”，主要是以建立电压敏、热敏、汽车电子规模经济为主要目标；“黑龙江基地”，主要是以建立气、湿敏规模经济为主要目标。

目前我国已有 1 700多家从事传感器的生产和研发的企业，其中从事微系统研制、生产的有50多家，早在2009年底，敏感元件和传感器年总产量已达到20亿只，传感器产品达到 10大类、42小类、6000多个品种。

我国在20世纪60年代就开始涉足传感器制造业。目前国内传感器生产企业有近 2000家，其中从事MEMS研制生产的已有50多家。2007年传感器业总产量达到20.93亿只，品种规格已有近 6000种。在2009年传感器业务收入方面，华工科技为 1.4亿元，大立科技为1.73亿元，歌尔声学为1.2亿元，广陆数测为1.1亿元，汉威电子为1.3亿元，航天机电仅有几千万元。而在2009年RFID（电子标签）市场规模为100亿元，远望谷为2.4亿元，新大陆为4亿元，同方股份为2亿元，厦门信达为3亿元，上海贝岭为5亿元。据中国电子信息产业发展研究院微电子研究所分析，2010年中国传感器市场销量达到905亿元。国内传感器市场平均销售增长率将达 31％。目前国内传感器产业至少落后国际水平5～10年。

以光纤传感器为例。上海、广东、深圳、武汉、西安等地，建立了许多光纤无源器件生产厂家，但是企业生产的规模都不大，从已调研的20余家FBG传感器企业来看，从业人员大都在50人以下，鲜有超过 100人的单位，生产能力也较小，年产能超过 1000万元的仅有两三家，而且产品比较单一，能够生产应用于桥梁、隧道、大坝等的（如位移、加速度、倾斜度、应变、温度等）多种类型的FBG传感器的企业仅有三四家，大部分企业仅能生产如温度和位移的FBG传感器。

我国传感器产业存在一些问题，如：企业规模偏小、科技创新能力差；产学研结合不够，技术成果转化率低；缺少敏感元件核心技术、拥有自主知识产权的产品少；工艺装备落后、产品质量差；人才资源匮乏、产业发展后劲不足；相关支持及投资力度不够；行业公共服务平台建设滞后，技术支撑体系缺失。

3.4.2 传感器的微型化

传感器种类繁多，转换原理形式多样，结构形式不同，测试量程和精度范围广泛。国家标准GB/T 7666—2005《传感器命名法及代码》中按照“被测量”来分类，列举了 100多种常用被测量，包括物理量、化学量、生物量。从转换原理看，GB/T 7666—2005中列举了60多种转换原理。

微电子推动了传感器的发展。1982年，国内开始进行硅微机械（MEMS）加工技术和SOI（绝缘体上硅）技术的研究。微电子机械加工技术，包括体微机械加工技术、表面微机械加工技术、LIGA技术（X光深层光刻、微电铸和微复制技术）、激光微加工技术和微型封装技术等。MEMS的发展，把传感器的微型化、智能化、多功能化和可靠性水平提高到了新的高度。目前为止，在全国近 2000家传感器生产企业中，从事MEMS研制生产的已有50多家，市场规模为150亿元，应用领域还不够宽。

各种控制仪器设备的功能越来越强，要求各个部件体积越小越好，因而传感器本身体积也是越小越好，这就要求发展新的材料及加工技术。目前利用硅材料制作的传感器体积已经很小。如传统的加速度传感器是由重力块和弹簧等制成的，体积较大、稳定性差、寿命也短，而利用激光等各种微细加工技术制成的硅加速度传感器体积非常小。

3.4.3 传感器的低功耗

低功耗传感器是困扰物联网应用的因素之一。传感器一般都是非电量向电量的转化，工作时离不开电源，在野外现场或远离电网的地方，往往是用电池供电或用太阳能等供电，开发微功耗的传感器及无源传感器是必然的发展方向，这样既可以节省能源又可以提高系统寿命。无线传感器降低功耗的方式是降低发射功率，采用间隙收发的模式。

3.4.4 传感器的无线通信

无线传感器的发展与无线传输技术紧密相关，其设计思路基本都是通过微处理器来采集信号，再通过无线模块来传输，国内所设计的无线传感器的技术方案中，最大的不同就是无线传输模块的选择和应用。短距离通信模块如蓝牙、ZigBee、无线通信模块PTR8000、ISM频段315/433/868/915MHz，甚至距离更远的基于CDMA、GPRS、GSM、3G网络的无线传感器已经投入应用。

采用射频技术，其传输距离比较短，而且受干扰影响大；采用蓝牙技术以及ZigBee技术，其传输距离又受到了限制。在某些重大工程，采用卫星来进行无线通信，其传输距离没有受到限制，但是卫星通信要建立基站，费用太高。

总之，无线微型传感器包含传感单元、处理单元、供电单元和通信单元，如图3-6所示。传感单元是电气部分，检测环境的物理量。处理单元进行信号处理功能，集成数据和在信息处理中要求的计算。通信单元包括接收、发送。图3-6 无线微型传感器的组成

3.5 典型传感器的使用

3.5.1 温度传感器

温度是度量物体冷热程度的物理量，是国际单位制中 7个基本物理量之一，它是工质和过程的重要参数。温度的测量方法一般分为两种，分别是接触式测热法和辐射式测热法。接触式测热法的传感器有热电偶、铂电阻、FBG 传感器等。光栅是一种新型的光被动装置，近几年，广泛应用于光传感领域。光栅具备抗电磁干扰、高稳定、生产简单、体积小、质量轻、容易与光纤集成、能够组成网络等特点。荷兰代尔夫特理工大学（Delft University of Technology）Caspar van Vroonhoven与Kofi Makinwa等科研人员 2012年在国际杂志《Sensors and Actuators A: Physical》发表论文，采用了名为ETF（ElecTrothermal Filter）的滤波器作为温度传感器，开发出了不用修正即可实现±0.6℃精度的温度传感器（温度范围为−70～+225℃）。温度传感器由该大学与大型半导体温度传感器厂商美国国家半导体（National Semiconductor）共同开发而成，采用 0.18μm的CMOS技术制造。

1．热敏电阻

热敏电阻是一种常用的温度传感器，一般由类陶瓷的半导体材料制成。负温度系数（NTC）热敏电阻一般是由锰、镍、铜、铁和钛等金属氧化物复合而成。磨碎的半导体氧化物粉末和粘合剂的混合物可制成所需几何结构的热敏电阻，热敏电阻上涂有玻璃或环氧树脂保护层，改变氧化物混合物，可使热敏电阻阻值范围由30Ω至20MΩ（25℃）变化。一般，热敏电阻实用测温范围为−50～+300℃。在一定温度范围内，半导体的电阻率随着温度升高而下降。

根据金属电阻随温度变化的规律，人们利用热电阻实现温度的测量，其中铂热电阻得到了广泛的应用。铂热电阻是利用铂丝的电阻值随着温度的变化而变化这一基本原理设计和制作的，按0℃时的电阻值R（Ω）的大小分为10Ω（分度号为Pt10）和100Ω（分度号为 Pt100）等，测温范围均为−200～+850℃。10Ω铂热电阻的感温原件是用较粗的铂丝绕制而成，耐温性能明显优于100Ω的铂热电阻，主要用于650℃以上的温区。100Ω铂热电阻主要用于 650℃以下的温区，虽也可用于 650℃以上温区，但在650℃以上温区不允许有A级误差。100Ω铂热电阻的分辨率比10Ω铂热电阻的分辨率大10倍，对二次仪表的要求相应低一个数量级，因此在650℃以下温区测温应尽量选用 100Ω铂热电阻。目前，Pt100在气体测温等工业测温领域应用较多。跟热电偶相比，Pt100测量精度很高，不需修正冷接点温度；但是热响应慢、耐振动和耐冲击性差、成本高，不适合测量高温区。

2．热电偶

热电偶是由两种不同的金属A和B通过焊点连接在一起，形成闭合回路来测温的。热电偶的基本工作原理是基于赛贝克（Seeback）效应，即两种不同成分的导体两端连接成回路，如两连接端温度不同，则在回路内产生热电动势。

热电偶是工业上最常用的接触式温度检测元件之一，其优点是：（1）测量精度较高，且热电偶直接与被测对象接触，不受中间介质的影响。（2）测量范围广。常用的热电偶从−50～+1 600℃均可连续测量，某些特殊热电偶最低可测到−269℃（如金铁镍铬），最高可达+2 800℃（如钨-铼）。（3）构造简单，使用方便。热电偶通常是由两种不同的金属丝组成，而且不受大小和开头的限制，外有保护套管，用起来非常方便。

3．红外测温仪

非接触式温度仪不必与被测介质直接接触，因此可测运动物体的温度。例如常用的光学高温计、辐射温度计和比色温度计，都是利用物体发射的热辐射能随温度变化的原理制成的辐射式温度计。辐射温度计和光学高温计是20世纪初，维思定律和普朗克定律出现以后，才真正得到实用。从20世纪60年代开始，由于红外技术和电子技术的发展，出现了利用各种新型光敏或热敏检测元件的辐射温度计（包括红外辐射温度计），从而扩大了它的应用领域。

辐射测温不直接与被测物接触，不会改变被测物温度场分布，也不会受工作介质影响，不必与被测对象达到热平衡，因此特别适合被测物表面的非接触测量。红外热成像仪是将一定距离的被测物体所发出的红外辐射经过光学系统后，由红外传感器接收，再经信号处理系统转变成为目标的热图像的一种技术，它将物体的热分布转换为可视图像，可在显示器上以灰度级或伪色彩显示出来，从而得到被测目标的温度场分布图。

4．光纤温度传感器

光纤是一根纤细的实心玻璃丝，外表涂覆某种涂料以增加机械性能，并保证传输特性的稳定性，不仅能作为信息传输媒介，而且还可以作为敏感元件。光纤传感器根据光纤的使用方式分为传光型、拾光型和功能型3大类。光纤传感技术具有体积小、灵敏度高、带宽大、抗电磁干扰能力强和耐腐蚀等特点。波汇科技公司生产的DTS 分布式光纤温度传感器可以检测到长达几千米光纤的温度分布，空间分辨率达 1m，检测时间最短3s，测量距离远达30km，在冶金、电力、石化、煤炭等行业的火灾探测和温度测量领域得到应用。

光纤测温法是综合利用光纤拉曼散射效应和光时域反射技术。光纤拉曼散射效应是指激光在光纤中传输时，由分子热振动所导致的微弱激光散射现象。散射光中的拉曼散射光由波长稍短的斯托克斯光和波长稍长的反斯托克斯光组成。其中，斯托克斯光的光强对光线形变敏感，反斯托克斯光的光强对光纤温度和形变均敏感，两种光光强的比值能准确反映光纤的温度信息。由于光纤温度传感器是石英所制，传输媒介是光，因此不受电磁波干扰及化学腐蚀，性能稳定。

5．数字式硅温度传感器

SMT16030是采用硅工艺生产的数字式温度传感器，其采用PTAT结构，这种半导体结构具有精确的，与温度相关的良好输出特性。PTAT的输出通过占空比比较器调制成数字信号，占空比D=0.32+0.0047t，t的单位为摄氏度。输出数字信号与微处理器MCUC兼容，通过处理器的高频采样可算出输出电压方波信号的占空比，从而算出温度。该款温度传感器因其特殊工艺，分辨率较高，达到0.005K。测量温度范围为−45～130℃，故广泛用于高精度的应用场合。

3.5.2 湿度传感器

湿度和温度是测量科学中经常测量的物理量。虽然温度测量如今已经能够获得令人满意的准确度，而湿度测量，即测量空气中水蒸气的含量却是比较复杂的。国外知名的湿度传感器生产厂商有：芬兰VAISALA、瑞士Rotronic、法国Humirel、美国GE、意大利Deltaohm、韩国G＆V、奥地利E+E。如今，不同类型的湿度传感器在各种不同的应用中存在，见表3-4。水分子亲和力型湿度传感器包括：电解质湿度传感器、高分子材料湿度传感器、金属氧化物膜湿敏传感器、半导体陶瓷湿度传感器、电容式湿敏传感器、石英式湿度传感器等。非水分子亲和力型湿度传感器包括：热敏电阻式、红外线吸收式湿度传感器、微波式湿度传感器、超声波传感器等。为了满足不同应用范围，湿度传感器应满足以下7个方面的要求。（1）在较宽的温度和湿度范围内有较好的灵敏度。（2）短的响应时间。（3）好的重复性和小的迟滞。（4）好的耐久性和长寿命。（5）耐污染。（6）可以忽略的温度依赖性。（7）低成本。表3-4 湿度传感器类型

湿度传感器的测量原理可基于电容式、电阻式、光纤式和干湿球式等方法。市场上大约75％的湿度传感器是基于电容式技术。（1）干湿球测量法。毫无疑问，干湿球湿度计是湿度测量方法最重要的进展，这一装置是基于蒸发原理。它包含两个温度计，一个是与液体接触的——称之为“湿球”，一个放置在空气中——称之为“干球”。当温度计的温泡上有水时，它所指示的温度低于周围空气的温度，形成干球与湿球的温度差。此后利用干湿球法的原理制造了干湿球温度计，其正视图和俯视图如图3-7所示。（2）电容式湿度传感器。高分子薄膜电容式湿度传感器作为第三代湿度传感器的代表，以其测量范围宽、响应快、湿漂小、稳定性好、使用方便等特点，得到了广泛应用。自1978年芬兰Vaisala公司成功研制了电容式湿度传感器以来，高分子湿度传感器以其湿度量程宽，响应时间短、湿滞回差小、制作简单、成本低等优点得到广泛应用，占有湿度传感器70％的市场。电容式聚合物传感器，维萨拉Humicap聚合物传感器可用于温度范围在−70～+180℃的湿度测量，测量不受水的冰点或沸点限制。图3-7 干湿球湿度计示意图（3）光纤类湿度传感器。光纤湿度传感器依据光强变化原理不同可以分为3类：吸收型、折光率变化型和光散射型。吸收型光纤湿度传感器是基于光在光纤的传输中，当光纤芯表面涂有感光物质（大部分选用CoCl），感光物质因吸收周围空气中的水汽颜色发生改变2时，将影响光纤传感器的光谱吸收。随着外界湿度大小的变化，敏感光波段的光吸收也随之变化，这样就可以检测湿度变化。由于其制作简单、价格低廉，尤其适于在中等湿度范围内使用，但存在着受温度影响大、灵敏度不高、测湿范围窄等缺点。

3.5.3 加速度传感器

目前，加速度传感器的类型可谓多种多样，有压阻式、电容式、谐振式、热传导式、压电式、光栅光纤等多种形式。知名的加速度传感器公司有美国压电有限公司（PCB）、美国 DYTRAN 公司、丹麦 B&K 公司、美新、飞思卡尔、博世、恩德福克公司（Endevco corporation）、美国MEAS（Measurement Specialties Inc）。飞思卡尔提供的加速度传感器有3种量程：低g值（小于20g）、中等g值（20～100g）和高g值（100～500g）。国内生产加速度传感器的公司有美新半导体、中航航空电子系统有限责任公司等。

无锡美新生产出全球唯一将传感器与信号处理电路集成在同一块 CMOS 芯片上的MEMS加速度传感器产品。技术原理为：在热对流MEMS加速度传感器内部没有任何质量块，它的中央有一个加热体，周边是温度传感器，里面是密闭的气腔，工作时，在加热体的作用下，气体在内部形成一个热气团，热气团的比重和周围的冷气是有差异的，通过惯性热气团的移动形成的热场变化让感应器感应到加速度值。

1．压电式加速度传感器

压电式传感器是利用弹簧质量系统原理，敏感芯体质量受振动加速度作用后产生一个与加速度成正比的力，压电材料受此力作用后沿其表面形成与这一力成正比的电荷信号。压电式加速度传感器具有动态范围大、频率范围宽、坚固耐用、受外界干扰小以及压电材料受力自产生电荷信号不需要任何外界电源等特点，是广泛使用的振动测量传感器。

压电式加速度传感器的原理图如图3-8所示，它由质量块、压电元件和支座组成。支座与待测物刚性地固定在一起。当振动频率远低于传感器的固有频率时，传感器的输出电压与作用力成正比。

压电式加速度传感器常用的压电材料一般是石英晶体和人工极化陶瓷。当石英晶体或人工极化陶瓷受到机械应力作用时，压电晶体表面就会产生输出电荷 Q，理想情况下该电荷密度的大小与所施加的机械应力F的大小呈严格线性关系。

典型的压电式加速度传感器的频率特性曲线如图3-9所示。该曲线的横坐标是对数刻度的频率值，而纵坐标则是相对电压灵敏度，就是被标定的加速度传感器的电压灵敏度和一个标准加速度传感器的电压灵敏度之比。从图 3-9中可以看出压电式加速度传感器工作频率范围很宽，只有在加速度传感器的固有频率附近灵敏度才发生急剧变化。图3-8 压电式加速度传感器原理图图3-9 压电式加速度传感器的频率特性曲线

选择压电加速度传感器应考虑的参数主要有以下几个。（1）灵敏度。灵敏度是加速度传感器最重要的特性之一。理论上加速度传感器的灵敏度越高越好，但灵敏度越高，压电元件叠层越厚，导致传感器自身谐振频率下降，影响测量频率范围。而灵敏度高的压电加速度传感器自身质量大，不利于轻小试件的测量。因现代测量系统能接受很低振级的信号，因而灵敏度也不再是决定的因素。压电加速度传感器的灵敏度有电荷与电压两种。对于ICP传感器主要是电压灵敏度。（2）固有频率。压电加速度传感器固有频率计算式为：

式中：k为压电元件的等效刚度；m为传感器质量块的质量。该s参数决定了加速度传感器的测量频率范围。通常取测量频率范围为安装谐振频率的1/3，这时测得的振动误差不大于 1dB（约 10％）。为了进一步提高测量精度，可选择测量上限频率小于谐振频率的1/5～1/10。

2．电容式加速度传感器

电容式加速度传感器具有精度高、输出稳定、温度漂移小等优点。按照外部加速度引起电容的改变方式，电容加速度传感器可分为两类：差分变间距式和变面积式。

差动电容加速度传感器构造为上下极板为固定齿，中间可动质量块为电容的动齿，如图3-10所示。上下两个极板与中间质量块形成差分电容。当电容器C的电容随位移Δd的减小而增大时，另一个电容1器C的电容则随着Δd的增大而减小，则差分电容为：2图3-10 差动电容加速度传感器原理图

对于硅微电容式传感器，其可动极距通常在μm量级，所以Δd/d0≤1，故电容变化量为：

从式（3-5）可知，电容的变化量与间距变化量呈线性变化，可动质量块与差动电容极板间关系及其等效图如图3-11所示。图3-11 可动质量块与差动电容极板间关系及其等效图

ADI公司生产的汽车加速度传感器芯片AD22280是利用MEMS技术，集成了传感源和IC于一体的x轴向的单轴差动式电容式加速度传感器，测量的加速度范围是±5g（g是重力加速度），精度是 38 mV/g。工作原理是以通过弹簧片支承的质量块作为差动电容器的活动极板，并利用空气阻尼。

电容式加速度传感器的特点是频率响应范围宽，测量范围大。

3.5.4 力传感器

力传感器种类繁多，有应变式、压阻式、电容式、压电式、电感式、谐振式等。不同类型的力传感器分类见表3-5。表3-5 不同种类的力传感器

美国Humanetics公司、Denton公司是世界知名的力传感器公司。上海华东电子仪器厂生产的荷重传感器价廉物美，应用广泛。图3-12是中国航空电子公司生产的力传感器。

苏州敏芯微电子技术有限公司生产的MSP40系列硅压力传感器（见图3-13），可以提供精确的、与外界感测压力线性相关的电压输出。这一系列具备标准封装形式的、未补偿的传感器件为用户提供了灵活的使用方式，使用户可以方便地设计与添加后续的信号处理电路。针对温度和非线性度进行的补偿，对于此系列产品是比较简单的，这是因为此系列产品性能具有高度的一致性和可重复性。图3-12 中国航空电子公司生产的力传感器图3-13 苏州敏芯微电子技术有限公司生产的微型硅压力传感器

在各种力传感器中，机器人用的六维力/力矩传感器（以下简称为力传感器）以其能够感知外力和力矩的全部信息而成为最重要的一类力传感器。六维腕力传感器一般安装在机器人臂端和末端执行器之间，用于检测机械手与外界环境作用力的大小和方向，并且反馈给机器人控制系统实现力控制。六维力传感器的结构有如下几种。三垂直筋结构的六维力传感器；筒形六维力传感器；双环形六维力传感器；四垂直筋结构的六维力传感器；盒式结构六维力传感器；十字结构六维力传感器；圆柱形六维力传感器；双头形六维力传感器；三梁结构的六维力传感器；八垂直筋结构的六维力传感器以及基于斯特瓦尔特（Stewart）平台结构的六维力传感器等。

3.5.5 位移传感器

常用的线位移传感器有电阻应变式、电涡流式、电容式、光栅式、电导纤维式、差动变压器式等。上海天沐公司生产的NS-WY03/±5mm型位移传感器，量程可从25～900mm选择，输出信号可为电压或电流信号。国际知名的位移传感器公司有Firstmark，MTS等。

3.5.6 气体传感器

一般可以被检测到的气体有氢气、氨气、一氧化碳、二氧化碳、氮氧化物（NO）等。检测气体的传感器类型众多，包括半导体方式、x接触燃烧式、化学反应式、光干涉、热传导、红外线吸收散射方式等，见表3-6。表3-6 检测气体的传感器类型及用途

郑州炜盛电子科技有限公司生产的半导体空气污染气体传感器 MQ135 所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡（SnO）。当传感器所处环境中存在污染气体时，传感器的电导率随2空气中污染气体浓度的增加而增大。使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号。MQ135气体传感器对氨气、硫化物、苯系蒸汽的灵敏度高，对烟雾和其他有害气体的监测也很理想。这种传感器可检测多种有害气体，是一款适合多种应用的低成本传感器。艾科科技激光式煤矿用低浓度甲烷传感器是一种用于检测煤矿矿井下甲烷气体浓度的本质安全型半固定式仪表。该产品基于“可调节半导体激光分光”（TDLAS）原理，以高可靠、高稳定的光电组件为核心检测元件，采用特殊的防尘防湿处理，具有检测精度高、反应速度快、超限报警和断电、有线无线信号输出等功能，实现了激光式甲烷传感器的高精度、高灵敏度、高可靠性及智能化，因而保证了该产品有效寿命内最高性价比。

在目前种类繁多的CO 传感器中，红外光学式传感器因其体积小、寿命长、反应快、精度高、可以实现连续分析等优点正在成为目前 CO 气体浓度测量领域发展的新方向。非色散红外（Non-Dispersive Infrared，NDIR）技术是近年来发展起来的一种新型气体探测技术。NDIR技术基于气体红外吸收的原理（见图3-14），测量过程中探测器不消耗物质，因此寿命长、稳定性好，同时还具有快速响应、不中毒、量程广、精度高等优点。气体分子对红外光的吸收作用只发生在红外光的某个波长点为中心的小区间内，并且不同气体的吸收峰在不同的波长点上。CO是在4.26μm，CO在4.641μm，HC在3.4μm。根据气2体吸收特征谱线可以同时测量有红外吸收作用的多种气体的浓度。

石英晶体微天平（Quartz Crystal Microbalance，QCM）气体传感器是压电传感器中的一类。它通过涂敷于压电石英晶体表面的气敏材料吸附待测气体时，气敏材料的质量发生变化，从而使图3-14 非色散红外气体探测技术的原理器件质量增加，进而引起石英晶体的共振频率变化，通过测定共振频率的变化来识别气体。

检测NO气体的半导体气体传感器采用SnO-WO传感材料，通x23过sol-gel方法合成，将传感材料沉淀在传感器平台上。其他检测 CH、4CH、CH、H、CO、NH、HS、CHOH等气体的半导体气体61461423225传感器的敏感材料见表3-7。表3-7 检测不同气体的半导体传感器的敏感材料

3.5.7 MEMS传感器

MEMS传感器是采用微机械加工技术制造的新型传感器，是MEMS器件的重要分支。1950年左右，MEMS技术从Bell实验室诞生。1962年，第一个硅微型压力传感器的问世开创了MEMS技术的先河，1979年Roylance和Angell开始压阻式微加速计的研制。1991年 Cole开始电容式微加速度计的研制。MEMS 技术的进步和发展促进了传感器性能的提升。MEMS传感器包括惯性传感器（加速度传感器、陀螺仪）、压力传感器、气体和质量传感器、温度传感器、力传感器，湿度传感器。几乎所有物理量，都有MEMS传感器与之对应进行测量。中星测控CS-VG-09型垂直陀螺仪是基于MEMS技术的惯性传感器，用于测量载体在运动状态下相对于水平面的倾斜度，两个敏感轴分别感受载体横滚角和俯仰角的变化，可同时输出角度和角速率信号。该传感器具有体积小、成本低、可靠性高等特点，适用于舰船和地面车辆在运动过程中倾斜角测量，也可用于车载平台、运动摄像、机器人等运动平台的稳定和控制。

到2011年，MEMS元件市场经历缓慢增长的过程，估计达到100 亿美元。由于乔布斯将手机转变为强有力的计算机，导致最近消费类MEMS市场猛增。计算能力的增强使得设计具有创造性的用户接口成为可能，例如触摸敏感屏幕和屏幕旋转工具，形成了MEMS应用的旋风。加速度传感器、MEMS陀螺、磁传感器、麦克风、压力传感器、射频滤波器等的市场容量达到每年几十亿个。据法国市场研究顾问机构Yole Developpement研究预测，到2016年MEMS市场将突破196亿美元大关。

突破性技术的商业化，从学术原型到大规模生产要经历很长一段时间，平均为28年。表3-8是不同类型的MEMS器件商业化的周期。表3-8 MEMS/MST 商业化时间表

3.5.8 电参数测量传感器

电参数测量传感器类型众多，包括电压表、电流表、功率表、功率因数表、频率表、电能表、谐波表等。下面举例说明典型的电参数测量仪表。

1．功率表

功率表工作于交流或直流线路中，电流传感器和电压传感器均不能用电磁互感型传感器，必须采用电阻型传感器。电压、电流参数采样经电子开关选定后并选择合适的量程，经过放大后送入高精度A/D转换器，转换成数字量后送入单片机。由单片机进行相应的数据运算和处理，结果送显示模块显示输出。图3-15是功率表硬件框图。图3-15 功率表硬件框图

2．电能计量表

智能电能表从结构上看，主要由电压、电流采样，计量芯片，主控制器，实时时钟，人机接口，通信和电源等模块组成，如图3-16所示。电压采样通道通常采用一组高精度、低温度系数的电阻进行分压，将高压交流信号分压至适合计量芯片输入范围的小信号；另一种方式采用电压互感器进行变换，这种方式较电阻分压方式成本要高很多，并且需要的空间也大，使用时受到一定限制。电流采样通道可采用锰铜片分流器、电流互感器、霍尔效应传感器和 Rogowski 线圈 4 种方式。锰铜片分流器和普通电流互感器相比，具有线性好和温度系数小等优点。ADE7878 是美国 ADI 公司推出的三相高精度多功能电能计量芯片，超越了工业上对电能计量0.2S级表的精度和动态的要求。ADE7878的电压和电流通道为 24bitΣ-Δ型 ADC，电压和电流有效值在动态范围内变化。图3-16 单相电能计量模块原理框图

3.5.9 光纤型传感器

光纤传感技术的发展始于20世纪70年代，是光电技术发展最活跃的分支之一。由于光纤具有灵敏度高、抗电磁干扰、体积小、易成阵列等诸多特点，因此，光纤传感技术一问世就受到极大重视，几乎在各个领域得到研究与应用，成为传感技术的先导，推动着传感技术蓬勃发展。

1．光纤光栅传感器

光纤布拉格光栅FBG于1978年发明问世。光纤光栅传感器除了具有普通光纤传感器的许多优点外，还有一些明显优于光纤传感器的地方，其中最重要的就是它的传感信号为波长调制。这一传感机制的好处在于以下几点。（1）测量信号不受光源起伏、光纤弯曲损耗、连接损耗和探测器老化等因素的影响。（2）避免了一般干涉型传感器中相位测量的不清晰和对固有参考点的需要。（3）能方便地使用波分复用技术在一根光纤中串接多个布拉格光栅进行分布式测量。

另外，光纤光栅很容易埋入材料中对其内部的应变和温度进行高分辨率和大范围的测量。光纤光栅传感器被认为是实现“光纤灵巧结构”的理想器件。光纤光栅传感器在建筑物、桥梁、高速公路等领域的应变测量中得到广泛应用。光纤光栅传感器可用于温度、压力、电流等参数的测量。

2．光纤陀螺仪

自从1976年美国犹他大学的Vali和Shorthil等人成功研制第1个光纤陀螺（Fiber-Optic Gyroscope，FOG）以来，光纤陀螺已经发展了 30 多年。光纤陀螺仪的灵敏度以及角速度测量精度都得到了很大的提高，目前，已广泛应用于民航机、无人机、潜望镜和光电桅杆、导弹的精确定位与控制中。光纤陀螺的分类按其结构和原理可分为干涉式光纤陀螺（I-FOG）、谐振式光纤陀螺（R-FOG）、光纤型环形激光陀螺（FRLG）、布里渊光纤陀螺（B-FOG）。而I-FOG按结构分类又可分为开环和闭环两种。

光纤陀螺与以往陀螺仪（如传统的机械陀螺）相比，具有无机械转动部件、灵敏度高等特点；与环形激光陀螺仪相比，它不需要光学腔的精密加工，不需要机械偏置和高压，容易制造，易于集成，寿命更长；而与微机电式的陀螺仪相比，在技术指标和环境适应性上具备优势。因此，作为一种旋转角速度测量仪器，光纤陀螺最大的优点就是耐用性。光纤陀螺仪基本构型如图3-17所示。

3．光纤电流传感器

电流检测在电力与电子设备的运行、维护和控制中是必不可少的。应用光纤电流传感器进行高强电流测量的优点是：抗高电磁噪声干扰、隔离性好、动态范围大、响应速度快、传感器电流灵敏度高及光路简单等。反射型光纤电流传感器基本构型如图3-18所示。图3-17 光纤陀螺仪基本构型图3-18 反射型光纤电流传感器基本构型

3.6 基于PT100的温度仪开发

PT100温度传感器是一种以铂金（Pt）制成的电阻式温度测量装置，属于正电阻系数，温度越高，电阻值越大。PT100 热电阻随温度变化产生的是一个电阻信号，当温度升高时电阻增大。因此，必须将热电阻接成单臂直流电桥，将其阻值变化转化为电压变化信号，再将这个电压信号放大到0～10V范围送A/D转换电路。

PT100温度传感器的主要技术参数如下：测量范围为−200～+850℃；A级允许偏差值为±（0.15 + 0.002|t|），B级允许偏差值为±（0.30 + 0.005|t|）；热响应时间＜30s；热电阻的最小置入深度≥200mm；允通电流≤5mA。另外，PT100 温度传感器还具有抗振动、稳定性好、准确度高、耐高压等优点。

常用的PT电阻接法有三线制和两线制，其中三线制接法的优点是将PT100的两侧相等的导线长度分别加在两侧的桥臂上，使得导线电阻得以消除。三线制接法如图3-19所示。

本温度仪的主要元器件包括STC10F08XE单片机、AD7705模数转换芯片、4位8段LED数码管、UN2803达林顿管等。

AD7705是AD公司推出的16位Σ-Δ A/D转换器，可用于测量低频模拟信号，芯片引脚排列如图3-20所示。这种器件带有增益可编程放大器，可通过软件编程来图3-19 PT100三线制接法直接测量传感器输出的各种微小信号。AD7705 具有分辨率高、动态范围广、自校准等特点，因而非常适合于工业控制、仪表测量等领域。

为说明基于PT100的温度仪的测温原理，图3-21给出了PT100测温原理图。通过电桥作用，电阻变化表现为电压变化。图3-21中，电压点U的电压保持不变，恒定保持0.227V。U和U的电压值计算如00x下：图3-20 AD7705引脚排列图3-21 PT100测温原理

经AD7705增益后的U值为：

经AD7705芯片模数转换后的数字量D为：

因此，通过单片机读取数字量D后，可以计算出PT100的R值，x通过电阻-温度对应表，可以查询得到PT100所处环境的温度值。

3.7 基于K型热电偶的温度仪开发

K型热电偶温度测试仪的下位机系统由温度信号的传感检测、信号调理、模拟通道切换、A/D 转换、数据采集和处理、液晶显示、数据保存、数据通信等部分组成。上位机系统负责完成数据采集处理、系统设置、曲线显示及表格显示、曲线和报表打印、数据保存等。下位机与上位机测试系统之间通过RS-232、TCP/IP等通信接口实现数据交互。

下位机与上位机测试系统的总体结构如图3-22所示。图3-22 系统总体结构图

3.7.1 K型热电偶温度仪下位机设计

下位机主要由电源、信号传感、信号调理、A/D 采样、通道选择、液晶显示、串口通信、单片机组成。其总体结构如图3-23所示。图3-23 温度测试仪的下位机原理框图

3.7.2 电源模块

本采集终端中采用了5V、+12V、−12V电源供电，通过外部电源模块提供相关的电源电压。电源模块采用线性电源模块，如图3-24所示。图3-24 电源模块

3.7.3 信号传感电路

采集终端采用了K型热电偶作为传感测量元件。热电偶是由两种不同材料的金属导体组成。两种导体的一端焊接在一起作为测量端与被测介质充分接触，另一端作为参考端与温度指示仪表相连接。热电偶的测温原理是基于塞贝克效应，即：如果两种不同成分的均质导体组成闭合回路，当两端存在温度梯度时，回路中就有电流通过，那么两端之间就存在电动势，也叫塞贝克电动势。其值大小只与组成热电偶的金属材料的性质、两端温差的大小有关，而与热电偶两热电极的几何尺寸（长度、直径）及沿电极长度方向的温度分布无关。热电偶也可以看作是一种换能器，是将热能转化为电能，通过测量回路中产生的电动势大小，并利用热电动势与温度之间的函数关系而达到测温的目的。

3.7.4 信号调理电路

当热电偶材料选定以后，热电动势只与热端和冷端温度有关。因此只有当冷端温度恒定时，热电偶的热电动势和热端温度才有单值的函数关系。热电偶的分度表是以冷端温度0摄氏度作为基准进行分度的，而在实际使用过程中，冷端温度往往不为0摄氏度，必须对冷端温度进行处理，消除冷端温度的影响。由于热电偶采集到的热电动势很小，不能直接将其送至AD采样，必须对其进行放大，因此需要采用信号调理电路对冷端温度进行补偿和放大。

电路主要由集成运算放大芯片OP07A、20kΩ的调零电阻、150pF的去耦电容和相关比例电阻组成。放大器OP07A对温度-电压信号进行放大，便于A/D进行转换。

图3-25中，J1接K型热电偶；J2接AD590温度传感器进行温度补偿；R、R为1kΩ电阻；C为150pF的去耦电容，去除一些高频成分。131

在图3-25中，R采用200kΩ电阻，R采用1kΩ电阻，则使运放的61放大倍数达到201，放大倍数计算的过程为：图3-25 信号调理电路

3.7.5 A/D采样

系统采用了AD1674进行采样，AD1674的主要特点如下。（1）带有内部采样保持的完全12位逐次逼近（SAR）型模/数转换器。（2）采样频率为100kHz。（3）转换时间为10μs。（4）4种单极或双极电压输入范围分别为±5V，±10V，0～10V和0～20V。

AD1674 有两种工作方式，即独立工作方式和完全受控方式。独立工作方式常用于具有专用输入端口的情况，这时不需使用全部接口控制信号，启动转换时刻比完全受控方式更精确。完全受控方式要使用全部接口控制信号，适用于多个需寻址电路挂在同一总线的情况，因此接口电路设计时对各种控制信号的时序要求严格，若时序不符合 AD1674的要求，电路无法正常工作，因此设计时要复杂些，本系统采用的是独立工作方式。

AD采样电路的电路图如图3-26所示。图3-26 AD采样电路

电路主要由AD1674、74HC74、74HC00和80C51组成。其中74HC74和74HC00主要起到了延时作用，使其满足AD1674采样的时序，AD1674中的20IN、10IN分别为其输入端，当从20IN输入时，AD1674可以测量0～20V的电压信号，当从10IN输入时，AD1674可以测量0～10V的电压信号。

A/D的电压量程为单极性，对应关系为：

0～5V：模拟电压值=数码（12位）×5/4095（V）；

0～10V：模拟电压值=数码（12位）×10/4095（V）。

根据AD1674的分辨率为12位，AD采样中，本系统硬件参考电压输入范围选择0～10V。此时AD1674的电压分辨率约是2mV。

信号调理电路放大倍数为201，经计算得到温度仪的分辨率约0.2℃。采样速度是在单片机程序里设定，主要通过循环延时控制，每采样1次调用一次延时程序，如下：

For（delay=0;delay＜=100;delay++）;

时间约为0.8ms；对应采样速率为1.25kSample/s。这个延时可以通过调整循环次数进行修改。

3.7.6 通道选择

通过温度通道控制电路，实现温度测量通道的选择，能够实现一路或多路的温度信号检测，很好满足了机电产品中多路温度采集的需求。

电路主要由4067和4053构成，4067和4053分别是16选1和2选1的模拟开关。由两片4067和一片4053组合构成24路通道的温度采集。

4067和4053的真值表分别见表3-9、表3-10。表3-9 4067真值表表3-10 4053真值表注：#表示任何值。

通道选择模块电路图如图3-27所示。图3-27 通道选择模块电路图

图3-27中所示的J1、J2、J3、J4、J5分别是经过调理电路处理过的采集到的温度信号，A、B、C、D、E分别为4067和4053的通道选择信号。当通道0～15工作时，使E为0，即使4053的X0作为输入；当16～23通道工作时，使E为1，使4053的X1输入有效。

3.7.7 液晶显示

系统液晶显示主要由1602组成，用于显示温度的动态数据。61602主要技术参数见表3-11。表3-11 液晶显示模块1602的主要技术参数

液晶显示驱动的电路图如图3-28所示。

如图3-28所示，J6接口接到单片机的P0数据口实现单片机和液晶的数据传输；图中RV20是液晶显示偏压调节端，实现液晶显示的亮度调节；LEDRS、LEDRW、LEDE分别与单片机的P3.2、P3.3、P3.4 相连，实现液晶显示控制；J7 是液晶背光接口，CON_16的15脚和16脚分别接5V电源和地；RP1是10kΩ的上接排阻，在P0口作为输出口时由于驱动能力不够，需要接10kΩ的上拉电阻以增强其驱动能力。图3-28 液晶显示及相关电路

3.7.8 串口通信

串口通信电路模块主要由MAX232组成，它主要实现单片机和 PC 机之间的数据通信。其电路如图3-29所示。图3-29 串口通信电路

电路由MAX232、9脚串口接口和1μF的电解电容构成。图3-29中TXD和RXD分别接单片机的TXD和RXD接口。

3.7.9 单片机系统

单片机系统主要包括ATMEL单片机AT89C55、晶振电路、上电复位电路以及与通道选择模块、A/D 模块、串口通信电路、液晶显示驱动模块等接口电路构成。它实现了通道控制、数据采集、数据处理、数据传输和显示等相关控制功能，其基本工作原理如下。（1）首先，单片机系统调用通道选择子程序模块，发出通道选择控制信号，轮流选通各路热电偶的调理放大信号，并输出。（2）通道选择模块的输出信号进入A/D模块，单片机系统调用A/D数据采集子程序模块，启动AD转换，并在转换结束后取出转换结果。（3）单片机系统调用数据处理子程序模块，将 AD 转换结果（对应热电偶调理放大后的电压信号），通过数据处理变为冷端补偿后的热电偶热电动势数据。（4）单片机系统调用通信子程序模块，将各通道冷端补偿后的热电动偶热电动势数据上传到多功能温升软件测试系统。

单片机系统选择AT89C55芯片，该芯片内含20kB的可反复擦写的Flash只读程序存储器（EEPROM）和256 Bytes的随机存取数据存储器（RAM），单片机的时钟采用12MHz。

由于温度测试仪采集终端在设计之初，预计程序长度在10kB 以内，后来程序经过调试分析、编译后，最终二进制代码长度约 9kB，单片机片内20kB Flash已经够了，故不需要扩展。另外，24路温度数据用二进制位（48 Byte）的整数保存，精度足够，另外考虑到程序的其他变量占RAM内存也不多，256 Byte RAM已足够，所以没有进行扩展。

单片机控制电路如图3-30所示。图3-30 单片机控制电路

3.7.10 通信接口

1．RS-232通信接口

通过RS-232串行通信线，温度测试系统从采集终端接收实时温升数据，24通道温度数据通信一次。采集终端的串行端口和温度测试系统的串行端口参数设置一致，波特率9600baud/s、无奇偶检验、8位数据位、停止位1。温度测试系统编程采用串口控件TCOMM实现。

2．TCP/IP通信接口

通过TCP/IP 以太网线，温度测试系统从采集终端接收实时温升数据，24通道温度数据通信一次。采集终端首先通过MOXA串口转TCP/IP接口卡，将采集终端的串行端口和TCP/IP接口捆绑，然后通过接口卡的网络端口与温度测试系统连接在一起。温度测试系统端编程接口卡的API接口驱动函数实现。

3.8 加速度传感器性能测试系统开发

加速度传感器的应用越来越多。高端加速度传感器大部分从国外进口，如何快速测试加速度传感器性能是质量管理机构亟待研究的问题。加速度传感器的性能包括静态性能和动态性能。静态性能包括量程、线性度、灵敏度、零点漂移等指标。

目前，实验室中最简单的加速度传感器的性能测试方法是利用重力加速度，通过手动方式旋转获得加速度在（0～1）g之内的变化，缺点是测试的加速度值范围不宽，加速度值无法得到精确控制；陈惠蓉、Umeda 等人采用振动台作为加速度激励源，缺点是试验成本较高。Aydemir、陈惠等学者利用角度可精确改变的数控分度台，可使加速度传感器获得−1～1g范围内的值，缺点是只能测量低g值的加速度传感器的性能。目前业界已研制出一套加速度值可调、无线传输的方式的测试装置应用于加速度传感器的性能测试，对两路飞思卡尔MMA7260型加速度传感器同时进行测试，获取其在不同加速度施加条件下的测量数据，检验测量效果。它具备如下优点：加速度值可调、数据无线传输、测试效率高、制造成本低。

3.8.1 测试原理

实验室内正常测试环境下难以长时间稳定得到线性加速度值供传感器测量，故根据刚体旋转的加速度特性完成测试，使加速度传感器在转台作用下得到待测加速度值。

刚体在旋转时有法向和切向两个加速度分量。在匀速转动时，切向加速度为零。转动刚体内各点的速度v和法向加速度a表示为：n

角速度ω和转速n的关系为：

显然，加速度传感器可以通过调节平台的旋转角速度ω和质点半径R的取值来改变径向加速度的大小，从而实现加速度传感器标称范围内的性能包络曲线测试。系统测试原理如图3-31所示。图3-31 系统测试原理

3.8.2 机械结构设计

被测传感器的测量范围为（0～6）g，由式（3-10）至式（3-12）可反推计算得到不同半径R和转速n对应的加速度值a，见表3-12。n表3-12 不同半径和转速对应的加速度值考虑到测试系统的加工、装配以及尽可能小的空间占用要求，取质点最大半径R=0.15m，为达到6g加速度，对应的转速n=189rad/min。由此可以确定测试转台的构成方案如图3-32所示。调速电机选用带调速器的图3-32 测试转台的结构及组成21K6GN型 6W 小型标准电动机，调速范围 30～260rad/min。调速电机固定在基座上，并通过弹性螺纹联轴器与旋转横梁的转轴相连，减少横梁运转时偏心和振动对电机轴的损伤。旋转横梁采用轻质铝型材，通过T型螺栓方便地调整传感器组件的位置，就可改变加速度传感器质点半径R的大小。

3.8.3 系统硬件结构

1．加速度传感器模块

待测的三轴加速度传感器是飞思卡尔MMA7260，测试范围（0～6）g，灵敏度200mV/g。因为该传感器采用 QFN 封装形式（如图3-33所示），无法通过基座安装，只能焊接在母板上使用。

2．无线透传模块

为避免转台旋转时发生引线缠绕，图3-33 飞思卡尔加速度传感器MMA7260引脚图传感器部分采用无线数据传输。无线透传模块使用载频为433MHz的低功耗无线模块，具有ARM驱动内核和 3～5V的宽工作电压范围，没有发送和接收数据的时候，即休眠状态时功耗仅为0.01W。在空旷环境下，传输距离直线可以达到200m。无线模块间通信时需要保证具有相同的波特率、频道和地址。

3．传感器模块

传感器模块如图3-34所示，包括以下几个部分。（1）MMA7260 加速度传感器模块，模块带有串行口，可以直接通过串行口输出测得的加速度值。（2）锂电池模块，包括大容量锂电池和升压、稳压板，将锂电池的3.7V电压输出升为5V后再稳压成3.3V，供传感器和无线模块使用。其中锂电池采用的是带保护板的3.7V聚合物锂电池，额定容量560mAh。（3）无线透传模块，具有串行接口数据透传模式，可取代串口线，将数据直接用无线传输方式发送出去。图3-34 具有无线传输功能的传感器模块

4．采集显示模块

采集显示模块由具有透传功能的无线传输模块以及具有双串口和 LCD 显示功能的单片机模块组成。LCD1602液晶模块可以和单片机直接接口，电路如图3-35所示。

采集显示模块实际结构如图3-36所示。

5．转速测量

转速测量采用Autonics公司生产的电感型接近开关PR12-4DP，标准探测距离为4mm，转臂旋转1圈，接近开关计数1次。由于接近开关的频率为400Hz，因此接近开关可以检测的最大转速为400r/min。图3-35 LCD1602和单片机的接口图3-36 采集显示模块实际结构

6．单片机控制

本系统在加速度传感器模块端和采集显示端均应用了STC12C5A60S2单片机控制。主要作用如下。（1）加速度传感器模块端采用低功耗单片机，内置 AD 功能，负责把传感器输出的3个轴线方向上的加速度模拟信号转换为数字量信号，获取传感器发来的加速度数据。单片机通过串口与无线透传模块通信，以便于将数据无线传输出去。（2）采集显示端采用STC12C5A60S2双串口高速单片机作为核心控制器，通过无线透传模块接收到加速度传感器数据，将数字量转化为字符串，并通过串口上传至监控计算机，同时对接收到的数据解析后，发送到LCD对应位置进行显示。

7．测量不确定度

影响加速度值的不确定因素主要包括转速误差、半径测量误差，不确定度的来源从上述两个方面研究。被测值的标准不确定度由相应输入量的标准不确定度按照平方和合成后的方均根来求得。取正态分布，p=95％，K=2，加速度测量值的扩展不确定度为0.06g。

3.8.4 系统软件开发

系统软件分为上位机和单片机程序两部分。其中上位机基于VB 6.0开发，完成数据的采集、显示和保存，主要涉及串口操作和图像编程；下位机基于Keil C51开发，主要涉及双串口操作和LCD液晶显示操作。

1．下位机软件

下位机程序运行流程如图3-37所示。

2．上位机软件

上位机软件基于VB 6.0开发，主要包含两个窗口，完成串口的设置和数据的采集及显示、保存。程序主界面如图3-38所示。图3-37 下位机程序的流程图图3-38 上位机软件界面

3.8.5 加速度传感器性能测试系统技术指标

研发成功的加速度传感器性能测试系统应达到如下指标。（1）加速度测量范围：（0～6）g。（2）通信：无线通信协议和RS-232通信。（3）测试方式：自动。（4）两路加速度测量通道。

该系统采用无线传输方法，解决了加速度传感器旋转获取加速度时，实时传输加速度数字量这一难题，实现了两路加速度传感器加速度值的在线采集和实时显示。该系统采用转速和离心半径可调的方法，实现径向加速度的动态调节，提供加速度传感器性能测试的新手段，具有测量范围宽、测试误差小等优点，适合加速度传感器性能测试场合的应用。

附录3-1 铂金温度传感器电阻－温度对应关系表

附录3-2 PT100温度测试仪采集终端源代码

/**********两路PT100温度检测**********/

/*

1.温度范围：−80～+200℃；

2.4位数码管显示；

3.RS-232 PC机通信显示；*/

#include＜STC10F08XE.H＞

#include＜intrins.h＞

#include"ad7705.h"

/***************************/

#define uchar unsigned char

#define uint unsigned int

#define ulong unsigned long

/***************************/

bit　　f_2ms5,f_10ms,f_50ms,f_250ms,f_1s;

bit　　f_ad;//50ms

bit　　f_display;

bit　　f_channel;

/***************************/

uchar　　count_10ms,count_50ms,count_250ms,count_1s;

uchar　　count_ad7705;

uchar　　dis_i;

uchar　　chan;

/***************************/

uint ad_result;

uint temt1,temt2;

/***************************/

ulong　　temp_ad;

/***************************/

sbit AD_CS =P1^0;

sbit AD_RST=P1^2;

/***************************/

uchar　　codetable1[]=

{

　0x3f,0x06,0x5b,0x4f,

　0x66,0x6d,0x7d,0x07,

　0x7f,0x6f,0x00,0x40

　//0x40为特殊符号“-”

};

uchar　　codetable2[]=

{

　0xbf,0x86,0xdb,0xcf,

　0xe6,0xed,0xfd,0x87,

　0xff,0xef

};

/***************************/

void main_init（）;

void main_time（）;

void main_ad（）;

void main_display（）;

uinttemperature（）;

void InitUART（void）;

void DataChange（ ）;

void UartSendCmd（unsigned char buf[]）;

void main_uart（）;

/***************************/

void main（）

{

　main_init（）;

　while（1）

　{

　　main_time（）;

　　main_ad（）;

　　main_uart（）;

　}

}

/*********T0定时器初始化******************/

void Timer0_Init（void）

{

　/* T0定时器初始化 */

　TMOD|=0x01;

　TH0=0xfc;

　TL0=0x19;

　TR0=1;

　ET0=1;

　EA=1;

}

void Port_Config（void）

{

　/* 端口类型设置　*/

　P0M0=0xff;　　//P0为数码管段驱动，强制推挽输出

　P0M1=0x00;

　P1M0=0x00;　　//P1为AD7705操作

　P1M1=0x00;

　P2M0=0xff;　　//P2为数码管位驱动，强制推挽输出

　P2M1=0x00;

　P3M0=0x00;　　//P3为RS-232通信，设为普通I/O口

　P3M1=0x00;

/* AD7705初始化 */

　AD_CS =0;　　//AD7705片选控制端 低有效

　AD_RST=1;　　//AD7705复位端低有效

　P2=0x01;

}

void main_init（）

{

　Timer0_Init（）;

　Port_Config（）;

　InitUART（）;

　temt1=temt2=9688;

}

/***********系统时钟****************/

void main_time（）

{

　if（f_2ms5）

　{

　　f_2ms5=0;

　　if（++count_10ms==4）

　　{

　　count_10ms=0;

　　f_10ms=1;

　　if（++count_50ms==5）

　　{

　　　count_50ms=0;

　　　f_50ms=1;

　　　f_ad=1;

　　　if（++count_250ms==5）

　　　{

　　　　　count_250ms=0;

　　　　　f_250ms=1;

　　　　　if（++count_1s==4）

　　　　　{

　　　　　　count_1s=0;

　　　　　　f_1s=1;

　　　　　}

　　　　}

　　　}

　　}

　}

}

/***************************/

void main_display（）

{

　uchar table[7];

　uinttemp;

　uchar temp_p2;

　if（f_display）

　{

　　f_display=0;

// 　temt1=677;

// 　temt2=677;

　　　if（temt1＜800）

　　　{

　　　　temp=800-temt1;

　　　　table[7]=11;

　　　　table[6]=temp/100;

　　　　table[5]=temp％100/10;

　　　　table[4]=temp％10;

　　}

　　else

　　{

　　　　temp=temt1-800;

　　　　table[7]=temp/1000;

　　　　table[6]=temp％1000/100;

　　　　table[5]=temp％100/10;

　　　　table[4]=temp％10;

　　　}

　　　if（temt2＜800）

试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]

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