物联网与泛在通信技术(txt+pdf+epub+mobi电子书下载)

作者：朱晓荣,齐丽娜,孙君

出版社：人民邮电出版社

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物联网与泛在通信技术试读：

前言

近10年来，在技术创新和应用需求的双重驱动下，无线移动通信技术迅猛发展，成为很多行业的支撑，并形成新的经济增长点。随着无线通信网络发展呈现出高速化、宽带化、异构化、泛在化趋势，泛在无线通信成为近年来无线通信领域关注的热点之一。作为泛在无线通信的一个重要应用，无所不在的物联网通信时代即将来临，从长远来看，物联网有望成为后金融危机时代经济增长的引擎。

物联网的提出不但拓展了用户终端设备的范畴，扩展了终端设备的功能定位和应用场景，而且扩大了终端设备的部署范围，它们将通过移动通信网、固定通信网、互联网、广播电视网等各种信息通信网络互联，并且可以构成各种组织形态，无疑将使终端异构性、网络异构性环境以及应用场景等变得更加复杂。本书从信息与通信的角度出发，系统地阐述了物联网的体系架构、主要组成要素，涉及识别、采集技术，传感网、核心网、接入网、专用网等基础网络，泛在无线传输、无线频谱资源管理、海量数据处理、基于网络的服务支撑等关键技术。

本书分为5部分。第一部分（第1～2章）是物联网背景知识的介绍，包括物联网的兴起、研究现状、体系架构等。第二部分（第3～5章）对物联网的感知延伸层进行介绍，包括识别技术、信息采集技术以及传感网。第三部分（第6～8章）对物联网分层结构中的网络层进行介绍，包括核心网、接入网以及专用网络。第四部分（第9～11章）主要介绍物联网采用的泛在无线传输技术，针对多业务融合的资源管理方法，以及物联网在提供泛在业务服务时所面临的海量数据处理问题。第五部分（第12章）介绍了物联网的典型应用范例。

本书第1章由孙君编写，第2、5、6、7章由朱晓荣编写，第3章由张晶编写，第4章由赵莎莎编写，第8章由陈美娟编写，第9～11章由齐丽娜编写，第12章由蔡艳和智慧编写。

本书的编写得到国家自然科学基金“认知无线电机会频谱接入关键技术研究”（60772062）的支持，在此表示感谢。

由于物联网理论尚未完善，且泛在无线通信技术正在不断发展，加上编者水平有限，谬误之处在所难免，敬请广大读者批评指正。编者2010年6月

关于本书

1999年，正当互联网热得烫手时，美国麻省理工学院建立了“自动识别中心”，前瞻性地提出了“万物均可通过网络互联”的论点，“物联网”（The Internet of Things）概念由此产生。目前人们普遍认为，在未来10年左右的时间里，物联网将得到大规模应用，并将根本性地改变世界的面貌。那么，物联网如何改变世界呢？

首先我们看一下物联网的定义：物联网是通过射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等设备，按约定的协议，把任何物品与互联网连接起来进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。

那么，物联网如何构成？目前来看主要分为3个层次：第一是传感系统，通过定义中所提到的各种技术手段来实现和物相关的信息采集；第二是通信网络，包括现在的互联网、通信网、广电网以及各种接入网和专用网，目的是对采集来的信息进行传输和处理；第三是应用和业务，即通过手机、计算机等终端设备实现所感知信息的应用服务。

在物联网的世界里，所有“物”都有一个电子识别标志，通过无所不在的传感器和网络可以传递到互联网上，实现任何物体在任何时间、任何地点尽在掌握中。例如图书馆里的书摆在什么位置，物流公司运送的货物已经到了哪一站，远程控制机械手术刀来完成手术，回家之前可以先开空调把室温调节到合适的温度等。在物联网时代，我们购买的每一种食品，都可以通过手机轻易了解到它的生产日期、生产厂家，从而杜绝假货；今后，想了解路边一棵树的名称和概况，我们把手机对准它的电子标签即可获得相关信息。物联网可以使物品的供应链具备智能化，直至使智能遍及整个生态系统。这不仅可以提高管理的效率，更重要的是大大提高了物品和各种自然资源使用的效率。

可以说，物联网实现了网络的融合、资源的共享、应用的互通以及终端的互联，并把所有信息服务综合在一起。这样说起来，物联网应该是一个“梦幻世界”，但实际上，物联网距离我们并不遥远。我国运营商已经推出了射频支付、远程抄表、家庭安全监控等应用，已经是物联网的一个初级表现。

但是，业界也有不同的声音，认为我国3G技术刚刚起步，互联网普及率仅有25％左右，且网速远远落后于世界先进水平，尚不足以支撑物联网的大规模部署。同时，构建无所不在的传感系统很难，物品基础信息的整理与录入很难，实现智能化的应用更难。那么，物联网到底该如何规划？前景如何？让我们拭目以待。

一、编写本书的动机

美国未来学家托尔勒说过：谁掌握了信息，谁控制了网络，谁就将拥有整个世界。物联网的问世集信息与网络之大成，使任何人，通过任何物，在任何时间和地点都能看到整个世界。物联网的概念萌芽于1995年，比尔·盖茨在《未来之路》一书中就曾提及物联网这个概念，但没有得到太多人的持续关注。在1999年，MIT的几个学生做了一个实验，将几台设备进行组网管理，形成物联网的最早雏形。直到2005年11月，国际电信联盟（International Telecommunications Unions，ITU）发布了《ITU互联网报告2005：物联网》报告，才将这个概念推向了世界。而到了2009年，物联网才被真正摆在各国发展战略规划中，无论是奥巴马对“智慧地球”的积极回应，还是温家宝总理在无锡视察中科院物联网技术研发中心时指出的要尽快突破核心技术等，都说明物联网已经引起了世界各国领导人的重视。同时作为继计算机和互联网之后世界信息产业的第三次浪潮，物联网的发展也进入加速阶段。目前对物联网而言，正处于研发期。世界各国都在投入巨资深入研究探索物联网。我国工业和信息化部会同有关部门，也在开展新一代信息技术研究，以形成支持新一代信息技术发展的政策措施。

物联网的出现将从生活、生产、社会、经济、政治、军事、科技等方方面面影响我们的生活和世界。它为我们带来无法想象的便利和服务的同时，也存在着信息和隐私等安全方面的隐患。物联网的出现将以其自身的特点影响新形势下的社会和人的意识形态，包括政治层面的、经济层面的、文化层面的、社会层面的以及科技层面的等。

一方面，对于物联网理念与发展动态、物联网运用与未来需求以及我国通信产业发展策略等与物联网相关的方面，需要有一个全面和深入的理解；另一方面，面对着目前此起彼伏的物联网研究热潮和国内外出现的关于物联网的“百家论坛”，人们对物联网的认知产生了莫衷一是、众说纷纭的错觉和误解。与此同时，社会分工越来越细化，让人们很难有时间去透彻研究一项新技术、新名词，但是需要有个起码的明晰概念。为了让人们更好地理解物联网的概念和发展，更清楚地认知物联网带给我们生产和生活的影响，更准确地把握物联网发展的脉搏，更好地研发我国的物联网产业。鉴于南京邮电大学目前对物联网的基本概念、网络结构、传感、传输、应用等方面的理解以及在物联网技术研究方面所取得的进展和对未来物联网发展的思考，将朱洪波副校长关于“物联网理念与发展动态”、“物联网运用与未来需求”、“我国通信产业发展策略”、“物联网技术研究进展与思考”以及“物联网发展策略与智慧应用思路”等核心思想和技术集成为本书内容，我们产生了编写一本综合的、全面的物联网著作的想法，这就是本书的由来。

二、本书的特色

本书首次将国内外对物联网的认知和研究做了全面而详细的概括，并在此基础上阐述了本书课题组对物联网的认识和理解；与此同时，本书结合本单位在无线通信网络和物联网方面的工作提出感知延伸层、网络层、应用层三层结构的物联网网络架构，并对其中的关键和核心技术做了说明和展望，对物联网的实现和应用做出了预期和总结。

本书除了以物联网为核心内容外，还介绍了与之相关的泛在无线传输、无线频谱资源管理、海量数据处理以及基于网络的服务支撑等关键技术，为更全面地认识物联网提供帮助。

本书课题组提出“建立多网融合综合平台；实现泛在无线智能联结；感知世界万物海量信息；提供信息社会智慧服务”的构建物联网的基本思路和设想，并围绕该设想组织了本书的内容。

1．建立多网融合综合平台：搭建感知延伸层、网络层、应用层三层网络融合架构平台。

2．实现泛在无线智能联结：通过泛在无线传输、无线频谱资源管理、海量数据处理等关键技术实现物联网泛在的无线智能联结。

3．感知世界万物海量信息：通过涉及识别、采集技术的感知延伸层技术，实现对世界万物海量信息的感知。

4．提供信息社会智慧服务：通过基于网络的服务支撑等关键技术实现物联网向信息社会提供所需的智慧服务。

三、本书的结构及内容建立多网融合综合平台 实现泛在无线智能联结感知世界万物海量信息 提供信息社会智慧服务——我们设想的物联网建设思想与基本架构

基于我们设想的物联网建设思想与基本架构，本书将从以下几部分对物联网进行说明。

首先我们将总结和探讨物联网的体系架构问题。然后探讨关于物联网的主要组成要素，包括感知延伸层、网络层、应用层的具体组成和内容，涉及识别、采集技术；传感网、核心网、接入网、专用网等基础网络；泛在无线传输、无线频谱资源管理、海量数据处理、基于网络的服务支撑等关键技术。最后是物联网的典型应用范例。

第2章介绍物联网的体系架构，将物联网划分为感知延伸层、网络层、业务和应用层组成的三层体系结构，并介绍每一层在物联网中的地位和作用。同时，还介绍了与物联网有关的关键技术。物联网的关键技术包括3个方面：第一，终端的数据采集、处理、传输、终端网络的部署和协同等，以无线传感器网络和RFID技术为代表；第二，异构的接入网络和基础的核心网络，包括基础的NGN核心网和3G、Wi-Fi、蓝牙等接入技术；第三，由中间件、信息开放平台和服务支撑平台构成的应用支撑子层以及物联网应用领域示范系统等。

第3～5章主要介绍物联网的感知延伸层及其相关技术。在物联网中由于要实现物与物的通信，感知延伸层是非常重要的。感知延伸层是物联网的感觉器官，主要实现信息采集、捕获、物体识别。第3章介绍感知延伸层的识别技术，主要讲述两大类物联网的终端系统和设备，一是自动识别系统及设备，即识别器；二是信息传感系统及设备，即传感器。第4章介绍感知延伸层的采集技术，采集技术是物联网实现万物信息互联的重要终端技术。第5章介绍感知延伸层的传感网技术，介绍泛在传感网、无线传感网的概念、网络结构和相关技术及其在物联网中的地位和作用。

第6～11章主要介绍物联网的网络层。网络层是物联网的神经系统，主要进行信息的传递。网络层主要包括接入网和核心网，还包括专用网，涉及泛在无线传输技术、无线频谱资源管理技术以及海量数据处理技术等。其中第6章介绍核心网。核心网是基于IP的统一、高性能、可扩展的分组网络，支持异构接入以及移动性。核心网与已有电信网络和互联网络的基础设施很大程度上重合。第7章介绍接入网，包括各种有线接入、无线接入、卫星等技术。第8章介绍专用网，主要介绍虚拟专用网（Virtual Private Network，VPN）的一些基本概念、主要技术，包括隧道技术、隧道协议、数据加密技术和服务质量技术。通过本章的介绍，读者可以了解VPN的相关知识，能够建立符合一定要求的VPN。第9章介绍泛在无线传输技术。物联网是综合采用智能网络数据分析和泛在无线网络接入的一种技术。基于以上两种技术，与互联网连接的传感器能够将采集到的各种数据进行智能分析和传输。泛在无线接入技术主要包括目前的3G技术、MIMO技术、OFDM技术、扩频技术以及几种短距离无线数据通信技术，如UWB、IrDA。第10章介绍无线频谱资源管理技术。介绍协同无线资源管理所包含的多接入选择（Multi-Radio Access Seleetion），负载均衡（Load Balancing），动态频谱分配（Dynamic Spectrum Allocation）、系统间切换等技术。第11章介绍物联网的海量数据处理技术。介绍根据泛在无线网络中数据信息的特点，采用数据时间对准技术、集中式数据融合算法及分布式数据融合算法等技术对数据进行融合的方法。

第12章介绍物联网的应用层。业务和应用层是物联网的信息处理和应用，相当于人所从事的不同职业。最终面向各类应用，实现信息的存储、数据的挖掘、应用的决策等。第12章给出目前物联网的典型应用范例。从5个层面介绍物联网的应用。第一是技术产品层，就是实现业务应用的技术支撑手段和相关设备，这些设备以终端为主要表现形式；第二是基础网络层，就是业务应用选用的支撑网络；第三是网络管理层，就是在一个网络内对业务应用在本网络内的支撑管理；第四是业务应用网络层，它可由单个或多个基础网络组成；第五是业务管理层，实现整个业务各个流程的综合支撑和管理。

第1章 物联网的发展

1.1 物联网发展现状

目前，国外对物联网的研发、应用主要集中在美、欧、日、韩等国家，最初的研发方向主要是条形码、RFID等技术在商业零售与物流领域的应用。随着RFID、传感器技术、近程通信以及计算技术等的发展，近年来其研发与应用开始拓展到环境监测、生物医疗、智能基础设施等领域。如：总部位于比利时的欧洲合作研发机构——校际微电子中心（IMEC），利用GPS、RFID技术已经开发出远程环境监测、先进工业监测等系统，近来，该机构还利用在微电子及生物医药电子领域的领先技术，积极研发具有可遥控、体积小、成本低等特点的微电子人体传感器、自动驾驶系统等；美国思科公司已经开发出“智能互联建筑”解决方案，为位于硅谷的美国网域存储技术有限公司节约了15％的能耗；IBM提出了“智慧地球”的概念，并已经开发出了涵盖智能电力、智能医疗、智能交通、智能银行、智能城市等多项物联网应用方案；美国政府目前正在推动与墨西哥边境的“虚拟边境”建设，该项目依靠传感器网络技术，据报道仅其设备采购额就高达数百亿美元。

欧洲智能系统集成技术平台（EPoSS）在《Internet of Things in 2020》报告中分析预测，未来物联网的发展将经历4个阶段：2010年之前RFID被广泛应用于物流、零售和制药领域；2010～2015年物体互联；2015～2020年物体进入半智能化；2020年之后物体进入全智能化。就目前而言，许多物联网相关技术仍在开发测试阶段，离不同系统之间融合、物与物之间普遍链接的远期目标还存在一定差距。

EPoSS提出的各阶段物联网技术研发、标准化、产业化等工作的重点如下。

在技术研发方面，在2010年之前实现单个物体间互联、低功耗、低成本；2010～2015年物与物之间联网以及无所不在的标签和传感器网络；2015～2020年半智能化的标签、物件可执行指令；2020年后全智能化的技术远景。

在标准化方面，2010年之前实现RFID安全及隐私标准、确定无线频带、分布式控制处理协议的标准化；2010～2015年针对特定产业的标准、交互式协议和交互频率、电源和容错协议的标准化；2015～2020年网络交互标准、智能器件间系统的标准化；2020年后智能响应行为标准、健康安全的标准化。

在产业化方面，2010年之前实现RFID在物流、零售、医药产业的应用，建立不同系统间交互的框架（协议和频率）；2010～2015年增强系统间的互操作性、分布式控制及分布式数据库，实现特定融合网络以及物联网在恶劣环境下的应用；2015～2020年实现分布式代码执行、全球化应用、自适应系统以及分布式存储、分布式处理等；2020年后实现人、物、服务网络的融合，产业整合，异质系统间应用等。

在功耗方面，在2010年之前实现低功耗芯片组、降低能源消耗低功耗芯片组、超薄电池、电源优化系统（能源管理）；2010～2015年实现改善能量管理、提高电池性能、能量捕获（储能、光伏）、印刷电池、超低功耗芯片组；2015～2020年实现可再生能源、多种能量来源、能量捕获（生物、化学、电磁感应）、恶劣环境下发电等；2020年后实现能量捕获、生物降解电池、无线电力传输。

与此同时，日本提出u-Japan战略。2004年，日本信息通信产业的主管机关——总务省（MIC）提出2006～2010年IT发展任务——u-Japan战略。该战略的理念是以人为本，实现所有人与人、物与物、人与物之间的连接，即所谓4U=FourYou（Ubiquitous，Universal，User-oriented，Unique），希望在2010年将日本建设成一个“实现随时、随地、任何物体、任何人（Anytime，Anywhere，Anything，Anyone）均可连接的泛在网络社会”。

继日本提出u-Japan战略后，韩国也在2006年确立了u-Korea战略。u-Korea旨在建立无所不在的社会（Ubiquitous Society），也就是在民众的生活环境里，布建智能型网络（如IPv6、BcN、USN）、最新的技术应用（如DMB、Telematics、RFID）等先进的信息基础建设，让民众可以随时随地享有科技智慧服务。其最终目的，除运用IT科技为民众创造衣食住行娱乐各方面无所不在的便利生活服务外，也希望扶植IT产业发展新兴应用技术，强化产业优势与国家竞争力。1.1.2 国外推动物联网发展的政策措施1．欧盟

2009年，欧盟执委会发表了题为“Internet of Things-an Action Plan forEurope”的物联网行动方案，描绘了物联网技术应用的前景，并提出要加强欧盟政府对物联网的管理，消除物联网发展的障碍。行动方案提出以下政策建议。①加强物联网管理，包括：制定一系列物联网的管理规则；建立一个有效的分布式管理架构，使全球管理机构可以公开、公平、尽责地履行管理职能。②完善隐私和个人数据保护，包括：持续监测隐私和个人数据保护问题，修订相关立法，加强相关方对话等；执委会将针对个人可以随时断开联网环境开展技术、法律层面的辩论。③提高物联网的可信度（Trust）、接受度（Acceptance）、安全性（Security）。④推广标准化，执委会将评估现有物联网相关标准并推动制定新的标准，持续监测欧洲标准组织（ETSI、CEN、CENELEC）、国际标准组织（ISO、ITU）以及其他标准组织（IETF、EPC global等）物联网标准的制定进度，确保物联网标准的制定是在各相关方的积极参与下，以一种开放、透明、协商一致的方式达成。⑤加强相关研发，包括：通过欧盟第7期科研框架计划项目（FP7）支持物联网相关技术研发，如微机电、非硅基组件、能量收集技术（Energy Hoaresting Techrdogies）、无所不在的定位（Ubiquitous Positioning）、无线通信智能系统网（Networks of Wirelessly Communicating Smart Systems）、语义学（Semantics）、基于设计层面的隐私和安全保护（Privacy and Security by Design）、软件仿真人工推理（Software Emulating Human Reasoning ）以及其他创新应用，通过公私伙伴模式（PPP）支持包括未来互联网（Future Internet）等在内的项目建设，并将其作为刺激欧洲经济复苏措施的一部分。⑥建立开放式的创新环境，通过欧盟竞争力和创新框架计划（CIP），利用一些有助于提升社会福利的先导项目推动物联网部署，这些先导项目主要包括e-health、e-accessibility、应对气候变迁、消除社会数字鸿沟等。⑦增强机构间协调，为加深各相关方对物联网机遇、挑战的理解，共同推动物联网发展，欧盟执委会定期向欧洲议会、欧盟理事会、欧洲经济与社会委员会、欧洲地区委员会、数据保护法案29工作组等相关机构通报物联网发展状况。⑧加强国际对话，加强欧盟与国际伙伴在物联网相关领域的对话，推动相关的联合行动，分享最佳实践经验。⑨推广物联网标签、传感器在废物循环利用方面的应用。⑩加强对物联网发展的监测和统计，包括对发展物联网所需的无线频谱的管理，对电磁影响等的管理。2．美国

2009年1月7日，IBM与美国智库机构信息技术与创新基金会（ITIF）共同向奥巴马政府提交了“The Digital Road to Recover：A Stimulus Plan to Create Jobs，Boost Productivity and Revitalize America”，提出通过信息通信技术（ICT）投资可在短期内创造就业机会，美国政府只要新增300亿美元的ICT投资（包括智能电网、智能医疗、宽带网络3个领域），便可以为民众创造出94.9万个就业机会。2009年1月28日，在奥巴马就任总统后的首次美国工商业领袖圆桌会上，IBM首席执行官建议政府投资新一代的智能型基础设施。上述提议得到了奥巴马的积极回应，奥巴马把“宽带网络等新兴技术”定位为振兴经济、确立美国全球竞争优势的关键战略，并在随后出台的总额7 870亿美元《经济复苏和再投资法》（Recovery and Reinvestment Act）中对上述战略建议具体加以落实。《经济复苏和再投资法》希望从能源、科技、医疗、教育等方面着手，通过政府投资、减税等措施来改善经济，增加就业机会，并且同时带动美国经济长期发展，其中鼓励物联网技术发展的政策主要体现在推动能源、宽带与医疗三大领域开展物联网技术的应用。3．韩国

为实现u-Korea战略目标，u-Korea提出了以“The First u-society on the Best u-Infrastructure”为核心的发展策略，内容包括4项关键基础环境建设（平衡全球领导地位、生态工业建设、现代化社会建设、透明化技术建设）以及五大应用领域（亲民政府、智慧科技园区、再生经济、安全社会环境、u生活定制化服务）开发。2009年韩国通信委员会出台了《物联网基础设施构建基本规划》，将物联网市场确定为新增长动力。《物联网基础设施构建基本规划》提出，到2012年实现“通过构建世界最先进的物联网基础实施，打造未来广播通信融合领域超一流信息通信技术强国”的目标，并确定了构建物联网基础设施，发展物联网服务，研发物联网技术，营造物联网扩散环境等四大领域、12项详细课题。4．日本

为实现u-Japan战略，日本政府以基础设施建设和利用为核心在3个方面展开部署。一是泛在社会网络的基础建设，希望实现从有线到无线、从网络到终端，包括认证、数据交换在内的无缝链接泛在网络环境，100％的国民可以利用高速或超高速网络。二是ICT的高度应用，希望通过ICT的高度有效应用，促进社会系统的改革，解决高龄少子化社会的医疗福利、环境能源、防灾治安、教育人才、劳动就业等问题。三是与泛在社会网络基础建设、ICT应用高度化相关联的安心与安全的利用环境。此外，贯穿在3方面之中的横向战略措施还有其国际战略和技术标准战略。

20世纪90年代中期以来，日本政府相继制定了e-Japan、u-Japan、i-Japan等多项国家信息技术发展战略，从大规模开展信息基础设施建设入手，稳步推进，不断拓展和深化信息技术的应用，以此带动本国社会、经济的发展。

2009年7月，日本IT战略本部颁布了日本新一代的信息化战略——“i-Japan”战略，为了让数字信息技术融入每一个角落，首先将政策目标聚焦在三大公共事业：电子化政府治理、医疗健康信息服务、教育与人才培育，提出到2015年，通过数字技术达到“新的行政改革”，使行政流程简化、效率化、标准化、透明化，同时推动电子病历、远程医疗、远程教育等应用的发展。1.1.3 物联网在我国研发、应用现状

在我国，物联网推进工作逐步提到日程上来。中国移动明确提出了物联网发展具备的3个特征：第一个特征是全面感知，就是让物品会说话，将物品信息进行识别，并通过网络传输后台进行信息共享和管理。第二个特征是可靠传递，就是通过现有的2G、3G以及未来的4G通信网络进行可靠传输信息。第三个特征是智能处理，通过后台的庞大系统进行智能分析和管理。因此，现在有把整个物联网划分成3个层面的观点，即物联网感知层、物联网网络层和物联网应用层。目前各运营商在做的各项工作，包括2G、3G网络建设，移动支付和平台建设都属于物联网的一部分。

目前我国传感网标准体系已形成初步框架，向国际标准化组织提交的多项标准提案被采纳，传感网标准化工作已经取得积极进展。经国家标准化管理委员会批准，全国信息技术标准化技术委员会组建了传感器网络标准工作组。标准工作组聚集了中国科学院、中国移动等国内传感网主要的技术研究和应用单位，将积极开展传感网标准制定工作，深度参与国际标准化活动，旨在通过标准化为产业发展奠定坚实的技术基础。

2009年11月1日，中关村物联网产业联盟正式成立，成员包括北京移动、清华同方股份有限公司、北京邮电大学、中科院软件所、北京交通委信息中心等12个单位，囊括了政府、院校和企业。厦门、海南、无锡等地都开展了关于物联网的研究项目，建立了相关研究基地。1.1.4 我国推动物联网发展的政策措施

2009年9月11日，工业和信息化部传感器网络标准化工作小组的成立，标志着我国将加快制定符合我国发展需求的传感网技术标准，力争主导制定传感网国际标准。2009年11月3日，温家宝总理在人民大会堂向首都科技界发表了题为《让科技引领中国可持续发展》的讲话，再次强调科学选择新兴战略性产业非常重要，并指示要着力突破传感网、物联网关键技术。中国政府高层一系列的重要讲话、研讨、报告和相关政策措施表明：大力发展物联网产业将成为中国今后一项具有国家战略意义的重要决策，各级政府部门将大力扶持物联网产业的发展，一系列对物联网产业利好的政策措施也将出台。

研究显示：“政策先行，技术主导，需求驱动”将成为中国物联网产业发展的主要模式。2010年，中国政府将出台一系列物联网发展相关的产业政策，国务院、发改委、工信部、科技部等部门都有可能出台相关产业扶持政策，以加速促进中国物联网产业的发展。与此同时，各省市和产业园区也将有相关的配套扶持政策出台，江苏省无锡市、北京中关村科技园等将有可能成为地方政策出台的先行者。

在技术与标准化方面，北京邮电大学、中科院、南京邮电大学、无锡中国物联网产业研究院以及中国物联网标准化组织，有望在物联网标准和关键技术方面取得突破性进展，一系列重点行业应用产品将被推向市场并逐步开始规模化应用。

行业应用将成为未来几年物联网产业发展的主要驱动力。研究发现：智能交通、城市安防、智能电网等行业的市场成熟度较高，这些行业传感技术成熟，政府扶持力度大，在许多城市已经开始规模化应用，市场前景广阔，投资机会巨大，将成为未来几年物联网产业发展的重点领域；医疗卫生、家庭、个人等领域的智能传感应用则需要较长的时间，技术、标准均有待于进一步完善，大多产品还处于试验阶段，短时间内不会大规模应用。

1.2 物联网研究的主要问题

物联网既是产业升级的发动机，又是科研领域的催化剂。物联网将在学术界引起新一轮的挑战和机遇。正如前面所讲到的，物联网正处在研发期，对于物联网的研发，关注的研究重点和研究方向主要包括以下几方面。（1）物联网网络架构的研究

物联网是基于现有网络基础的泛在融合网络，它应该既能够与现有的网络兼容，又应该有自己的网络架构特点。那么适合物联网的网络架构究竟应该是怎样的？现有的架构是否适合物联网？都是物联网网络架构研究所要解决的问题。（2）物联网通信技术研究

目前，无线通信、网络通信、多媒体通信及宽带通信的研究已经日趋成熟，包括无线智能传感器网络通信技术、微型传感器、传感器端机、移动基站等的研究。但是，这些技术与物联网的关系以及物联网为通信技术领域带来的新的挑战，还是未知数，其中涉及传感技术、识别技术、发现技术、计算技术、网络通信技术、嵌入式智能技术、软件技术等。（3）物联网数据融合研究

物联网要处理海量的、多样的数据信息，将不同类型的数据进行融合也是物联网面临的艰巨任务之一。（4）物联网互联互通技术研究

物联网实质是泛在网络要融合协同的一种网络工作模式，物联网就是泛在网络及信息化在行业应用的一个重要体现。要实现泛在的物联网，关键技术之一就是互联互通技术。（5）物联网智能终端研究

智能终端的研究关系到物联网感知延伸层是否能够得以实现。目前，许多开发商和企业热衷于对智能终端的研发，当前的智能终端主要包括智能手机（Smart Phone）、PDA（个人数字助理）等。如何将现有的智能终端用到物联网中或者开发物联网需要的智能终端也是一个研究内容。（6）物联网信息安全和保密研究

安全和隐私将会是物联网面临的最大挑战和瓶颈，因此，需要下大力气研究适用于物联网的网络安全体系结构和安全技术，在信息安全和保密方面需要做的工作包括物理安全策略、访问控制策略、信息加密策略、网络安全管理策略，以及物理安全技术、系统安全技术、网络安全技术、应用安全技术、安全管理体系结构等。

此外，物联网的研究还包括物联网相关标准研究、物联网相关管理研究、物联网相关法律法规及政策研究、物联网产业化进程研究、物联网相关材料科技研究、物联网市场化进程研究以及物联网国际化进程研究等。

1.3 物联网面临的技术挑战

物联网的市场潜力巨大，但同时也存在诸多产业发展的约束因素。结合赛迪顾问研究以及我们的调研，中国物联网产业突破发展的瓶颈因素主要有以下几方面。（1）标准化体系的建立

标准是对于任何技术的统一规范，如果没有这个统一的标准，就会使整个产业混乱，在更多的时候会让用户不知如何去选择应用。物联网在我国的发展还处于初级阶段，即使在全世界范围，都没有统一的标准体系出台，标准的缺失将大大制约技术的发展和产品的规模化应用。标准化体系的建立将成为发展物联网产业的先决条件。

标准体系健全难是我国物联网建设面临的实际问题。目前物联网的标准体系可大体分为基础标准、应用标准和编码标准3部分。（2）自主知识产权的核心技术突破

自主知识产权的核心技术是物联网产业可持续发展的根本驱动力。作为国家战略新兴技术，不掌握关键的核心技术，就不能形成产业核心竞争力，在未来的国际竞争中就会处处受制于人。因此，建立国家级和区域物联网研究中心，掌握具有自主知识产权的核心技术将成为物联网产业发展的重中之重。

业内人士指出，物联网的应用有3个层次：一个是传感网络，即以二维码、RFID、传感器为主，实现“物”的识别；二是传输网络，即通过现有的互联网、广电网、通信网或者下一代互联网，实现数据的传输和计算；三是应用网络，即输入输出控制终端，包括手机等终端。（3）积极的可行性政策出台

物联网技术是国家战略新兴技术，对国家的战略和可持续发展具有重要意义，出台相关的可行性产业扶持政策是中国物联网产业谋求突破的关键因素之一。特别是在金融、交通、能源等关系国民经济发展的重要行业应用领域，政策导向性对产业发展具有重要影响。“政策先行”将是中国物联网产业规模化发展的重要保障。（4）各行业主管部门的积极协调与互动

物联网应用领域十分广泛，许多行业应用具有很大的交叉性，但这些行业分属于不同的政府职能部门，在产业化过程中必须加强各行业主管部门的协调与互动，才能有效保障物联网产业的顺利发展。如加强广电、电信、交通等行业主管部门的合作，共同推动信息化、智能化交通系统的建立。（5）重点应用领域的重大专项

推动物联网产业快速发展还必须建立一批重点应用领域的重大专项，推动关键技术研发与应用示范，通过“局部试点、重点示范”的产业发展模式来带动整个产业的持续健康发展。（6）安全和隐私保护问题

妨碍用户采用新兴技术的一个重要挑战是对数据安全和隐私的保护。对隐私和数据安全的关注是广泛的，尤其是在追踪用户位置变化，收集用户兴趣和喜好的传感器及智能标记等方面更甚。

目前我国物联网的发展还存在着诸多阻碍因素，对此，有关专家也给出解决的思路，要想真正推动中国物联网发展，就需要着力抓住以下几个关键性因素。

一是技术和成本。比如，在物联网的数据采集环节，传感器/电子标签过高的成本将会制约整个行业的发展，技术的成熟度也决定了应用的价值和发展速度。

二是物联网产业链的完善。目前产业链条的界定和分工还不明晰，一些重要的环节尚未发展起来，比如物联网的系统设计、公共信息平台、服务等方面的能力还处于缺位状态。

三是应用模式。物联网要“感知”的对象种类繁多，性质和状态各异，如何把这些对象纳入一个“泛在”的网络，达到何种应用目的，要产生什么样的应用结果，换句话说，如何把概念转化为实践，是今后我们要重点研究的课题。

最后一个因素是商业模式。物联网目前尚未出现清晰的商业模式，产业链上下游的价值传递和产生有什么机制？产业链上的各环节怎样创造价值以及在市场上怎样体现出该价值？这些价值最终如何得到物联网使用者的认同？解决了商业模式和盈利模式的问题后，物联网才能得到实际推广应用。

1.4 结论及展望

如果2009年是中国物联网元年，那么，2010年将是中国物联网产业发展最关键的一年。各级政府的政策出台、各高校院所的技术研发、标准化进展以及重大专项的设立都将对未来几年中国物联网产业发展的走向产生至关重要的影响。同时也要看到，这样一个集大成的网络，在它的发展过程中仍然面临着挑战和风险，这些挑战和风险一定程度上决定了物联网的前景和未来。这需要各个方面的努力，不仅需要完善灵活的信息安全技术策略，还要有严谨有效的信息安全管理策略，而后者往往比前者更加重要，尤其是在目前人们的安全意识还相对薄弱的情况下，信息安全的管理显得尤为重要。

物联网不仅有其自身技术、安全等各方面的要求和突破，而且需要社会各方面的积极配合，尤其是安全方面，更要做到人人有责，人人关心，安全面前人人平等。安全问题的核心是人。物联网环境下的信息安全体系是保证物联网信息安全的关键，包括各种安全操作系统、安全协议、安全机制、安全管理，直至安全系统，其中任何一个安全漏洞便可以威胁全局安全。物联网要实现物和人之间、物和物之间不可见而持续的数据交换，要做到任何时间任何地点都能够获取所要知道的任何信息，同时又要保证隐私的信息不被泄漏，需要强有力的物联网信息安全和信息保密技术的支撑。即使未来的物联网信息安全和信息保密技术能够保障这些信息不被泄露，从理论上讲，拥有物联网高级管理权限的人仍可以掌握一切，在这个过程中，如何保证网络的信息安全，实现隐私信息对未授权访问者的屏蔽，预防隐私信息遭到窃取和攻击，防止个人信息、业务信息和财产丢失或被他人盗用，都将是物联网发展过程中面临的挑战。

完备的、无处不在的移动通信网络是物联网发展的基础条件。移动通信技术具有有线通信无法比拟的可移动性、快速、部署灵活等特点，是实现物联网最有效、最具优势的技术之一。中国移动运营的GPRS和中国自主知识产权的TD-SCDMA技术良好的可移动性、双向宽带能力以及稳定的电信级服务质量，为数据信息可靠、自由地传送提供了信息高速公路，是物联网成为普遍服务的重要基础设施。

TD-SCDMA与传感器网络的有效结合，将使中国拥有物联网发展的主导价值。将我国自主创新的TD-SCDMA网络与各类传感网络结合起来，建设安全有序和完全自主技术控制的互联网，将有力推动TD-SCDMA发展，同时加速物联网在我国各行业、各领域的规模化应用，使中国拥有物联网的主导权，并在未来发展中处于世界领先地位。

物联网对未来的影响可以从一个简单的例子中窥得一斑。比如我们目前面临的食品安全问题，就如一只青蛙，放养在池塘里，是农业部门负责；跳到树上是林业部门负责；运到市场是运输部门负责；放到柜台是市场部门负责；摆到餐桌上，是餐饮部门负责„„但是，顾客吃到肚子里，出了毛病，却没人负责，因为谁也说不清楚，这只青蛙是在养殖、运输、市场、餐饮的哪个环节出了问题，这就是当前食品安全面临的难题。然而，一旦食品监管和安全问题与物联网相结合，这样的难题就会迎刃而解。由感知延伸层、网络层、业务和应用层组成的物联网会记录这只青蛙从养殖到摆在餐桌的整个过程的信息，任何环节的失误都不会逃过物联网的法眼，这就是物联网给我们带来的便利。

让我们来设想一下物联网时代某一天的生活吧。清晨，您被莺歌燕语叫醒，躺在床上想着这一天打算做的事情，电子时钟向您报时，并告诉您今天的天气、气温、风力、湿度等；电子橱柜已经根据天气和您的打算，善解人意地为您准备好了适合您出门的衣服；您穿好衣服，带上智能手表，手表首先对您今天的身体状况进行了检查，看来您今天有点微感冒，不要着急，手表已经把您的体温、消化等信息传给了您的私人医生，不久以后，您就会收到他给您寄来的药单和药品了；来到洗手间，牙刷、牙膏、洗脸水都已经准备就绪，等您洗漱完毕，电子咖啡壶已经为您准备好了温度适宜的您最喜欢的咖啡，您端着咖啡款步走到窗前，窗户自动地缓缓为您打开，清新的空气迎面扑来，是的，您不再为大气污染，不再为看不到碧蓝的天空而担心，因为物联网的空气质量检测系统始终在对大气中的废气进行着智能地检测，如果污染指数超标，它会发现超标的废气来自哪里，并实时通知超标废气的来源地注意；超标废气的来源地接到通知，会智能地对废气的排放作出调整，检查是不是废气净化装置出现了问题。好了，我们还是回到您的家中吧。您正在惬意地享受着早晨花园里的鸟语花香，欣赏着智能花洒和除草机忙碌工作的情景，房间里弥漫着根据您此刻的心情播放的音乐。

这时，您手腕上的智能手表温馨地提醒您，离您上班的时间还有10分钟，您微笑着离开窗户，放下杯子，走出门外。在您将房门关闭的同时，屋内的电器都进入待命和节能状态。车子已经停在门前，您将手腕上的智能手表轻轻一晃，车门打开了，音乐响起来，您按了一下上班目的地的按钮，车子出发了。难道您不担心堵车吗？当然不用担心，物联网时代的智能交通已经相当发达，红绿灯交通岗已经不存在了，取而代之的只是路口的几个简单的智能监控设备，它们早已经提前把十字路口的车流量信息传给您的智能汽车或者智能手表（根据您的喜好选择，如果您不开车，就传到您的智能手表上），智能汽车通过一些预测和计算，判断出以什么样的速度达到路口时，路口只有同向行驶的车流、人流，可以顺利通过路口，并且这种速度绝对控制在您从家到单位实际路程所需要的时间，不会耽误您的正常上班时间。您在车上所需要做的是，查看一下您的邮箱，为您今天的工作准备好所需要的资料，给您的客户打个电话而已，或者欣赏一下车窗外的风景。是的，车窗外是整洁的马路，即使偶尔飘过一片纸屑也会被路旁的智能垃圾清扫设备捡起，分类送到垃圾回收箱内。马路旁排列的是商品琳琅满目的宽大橱窗，如果您在不经意间看中了其中的某件商品，只要用您的智能手表快速扫描橱窗内的商品，您的购物请求信息就会发送到商场，当日您就可以收到商场寄给您选中的商品了。

而此时，您想要知道的是您的客户的具体位置，于是，您打开车内的电子地图，输入您客户的基本信息，几秒钟时间，您就找到了他。哦！他正在家里吃早点，这是他想要您知道的信息，您会发现，同他一起吃早点的先生的信息是隐私信息。好了，这也不是您关心的，您要知道的是，跟这位客户见面还有多长的准备时间，现在您已经心中有数了。

10分钟后，车子安全平稳地停在了公司门口，您从车上走下来，此时，车子自动开到了地下停车场。您走进办公室，哦，办公室的墙纸忽然变成阳光灿烂的色调，看来您今天心情不错。您来到办公桌前，卷纸一样的显示器自动展开，并显示了您今天的日程表和今日提醒。此时，您才突然发现，昨天晚上准备的电子文档没有带来，于是，您通过智能手表向家里的电脑发出指令，电脑打开，您可以对它进行远程操作了，您所要的信息在几秒钟之内就传到了您的办公电脑中。

午休时间，您打开电脑里的娱乐模式，想听听今天的新闻。原来撒哈拉沙漠的绿洲工程已经接近尾声，通过远程控制的植树工程已经把沙漠逐渐变成了绿洲，对温度和湿度智能控制使得树木的存活率大大提高。看来，不久之后，撒哈拉沙漠将成为另一个绿色家园。恐怖入侵、边界安全已经不再是焦点新闻了，在物联网时代，每个人都是遵纪守法的好市民，因为任何不恰当的行为都会在物联网上留下痕迹。新闻里播放的是物联网应用又解决了哪些环境问题、污染问题、资源问题等。

工作了一天，您要回家了，走出公司，您的汽车已经在等您了，但是好像您得在汽修厂停留一会儿了。您的爱车告警可能有轮胎故障。当您经过汽修厂入口处的时候，利用无线传感技术和无线传输技术的诊断工具对您的汽车进行了检查，并要求其驶向指定的维修台。这个维修台是由全自动的机器臂装备的，您可以离开自己的爱车去喝点什么。饮料机知道您对饮料的喜好，当您利用自己智能手表安全付款之后，饮料机立刻倒出饮料。等您取完饮料回来，一对新的轮胎已经安装完毕，并且集成了电子标签标记以便检测压力、温度和形变。

这时汽车向导要求您注意轮胎的隐私相关选项。您不希望别人知道自己的动向，这样的信息太敏感了，所以您要选择隐私保护。

来到家里，晚饭已经为您准备好了，享受过晚饭之后，您想看看此时此刻的夏威夷风景，于是通过3D电视，您身临其境般地感受到了这一切。哦，您的智能手表提醒您该休息了，于是您在享受完为您准备好的芳香沐浴之后，躺在床上进入了甜蜜的梦乡。

这些就是物联网将要为我们带来的便利和舒适，当然要实现这种美好的未来我们要做的工作还很多。

参考文献

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第2章 体系架构

2.1 物联网概述

物联网被预言为继互联网之后全球信息产业的又一次科技与经济浪潮，受到各国政府、企业和学术界的重视，美国、欧盟、日本等甚至将其纳入国家和区域信息化战略。

1991年美国麻省理工大学的Kevin Ashton教授首次提出物联网的概念。早期的物联网是依托RFID技术的物流网络，但是随着技术和应用的发展，物联网的内涵已经发生了较大变化。2005年，国际电信联盟电信标准化部门（ITU-T）发布的物联网报告中提到，通过一些关键技术，用互联网将世界上的物体都连接在一起，使世界万物都可以上网。这些关键技术包括通信技术、RFID、传感器、机器人技术、嵌入式技术和纳米技术等。2008年年底，IBM公司在全球范围内首次提出“智慧地球”概念，迅速在全球掀起一轮“智慧风暴”，即运用先进的信息技术构建这个新的世界运行模型的一个愿望。2009年温总理提出建设“感知中国”，在“十一五”迈向“十二五”这个历史阶段，从国家战略高度提出建设我们“泛在信息社会的号召”：信息化基础设施要通过与现实世界紧密感知和交互，更紧密地结合社会经济运行的发展，更协调地服务信息化应用需求。

按照我们对物联网的理解，物联网是将射频识别设备、传感设备、全球定位系统或其他信息获取方式等各种创新的传感科技嵌入到世界的各种物体、设施和环境中；把信息处理能力和智能技术通过互联网注入到世界的每一个物体里面，令物质世界被极大程度地数据化并赋予生命，使物体会“说话”、会“思考”、会“行动”；它把所有物体通过射频识别等信息传感设备与现有的互联网、通信网、广电网以及各种接入网和专用网连接起来，实现智能化识别和管理；将世界万物嵌入到互联网中，从而将物质世界与互联网融为一体，全世界所有的物品都加入这一网络；“物联网”给物体赋予智能和生命。简言之，物联网依托现有互联网，通过感知技术，实现对物理世界的信息采集，从而实现物与人、物与物之间的互联。因此，物联网的几个关键环节为感知延伸层、传输层和应用层。

传感器网也可以简称为“传感网”，是指有传感器、数据处理单元和通信单元的微小节点，通过自组织方式构成的无线网络。它最主要的特征是利用各种各样的传感器加上近距离无线通信技术，比如ZigBee这样的技术构成一个独立的网络。传感器面临的通信对象毫无疑问一般是物和物之间的。物联网采用的末端技术除了RFID射频识别技术、二维码、超宽带（UWB）、蓝牙等技术，还有传感器网络和一些移动通信模块内置的各种各样物体的终端，比如城市监控的系统。因此，传感网可以看做是物联网的周边延伸网之一。

泛在网是指基于个人和社会的需求，利用现有的和新的网络技术，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，泛在网具备超强的环境感知、内容感知及智能性，为个人和社会提供泛在的、无所不含的信息服务和应用。泛在网络的概念反映了信息社会发展的远景和蓝图，具有比“物联网”更广泛的内涵。由此可见，泛在网络作为为了网络的技术社会形态，它与物联网有着天然的联系。物联网实质是泛在网络要融合协同的一种网络工作模式，物联网就是泛在网络及信息化在行业应用的一个重要体现。它物理上涵盖泛在周边的延伸网，也涵盖泛在互联的网络。但更多强调的是物物（Things）能够在网络中提供自身信息以方便识别和处理的工作交换模式。因此，物联网的实现有赖于泛在无线通信技术的发展。泛在网络在兼顾物与物相联的基础上，涵盖了人与物的沟通和人与人的通信，目的是构建更智能的泛在信息社会。从泛在的内涵来看，首先关注的是人与周边的和谐交互，各种感知设备与无线网络不过是手段。最终的泛在网形态，既有互联网的部分，也有物联网的部分，同时还有一部分属于智能系统（推理、情景建模、上下文处理、业务触发）范畴。

物联网、泛在网概念的出发点和侧重点不完全一致，但其目标都是突破人与人通信的模式，建立物与物、物与人之间的通信。而对物理世界的各种感知技术，即传感器技术、RFID技术、二维码、摄像等，是构成物联网、泛在网的必要条件。从物联网和泛在网的关系来讲，物联网是迈向泛在网的第一步。它走向未来的泛在需要一个长期的过程，就是走向异构多技术融合的协同中。

物联网的兴起给我们带来了很大的市场。第一个案例是智慧城市，深入应用信息技术、物联网技术等科学技术解决城市的资源与环境问题，包括水资源污染、大气污染、交通拥挤、居民健康等，建设一个各个行业、各个子系统的充分整合，以及不同系统之间的协同和决策的智慧型城市，促进城市可持续发展，实现关注与人、商业、运输、通信、水、能源等所有方面的全面感知融合的智慧城市的景象。

2.2 物联网体系结构

物联网体系结构如图2-1所示，可以划分为感知延伸层、网络层、业务和应用层组成的3层体系结构。图2-1 物联网体系结构2.2.1 感知延伸层

与传统电信网络架构相比，物联网中出现了感知延伸层。在物联网中由于要实现物与物的通信，感知延伸层是非常重要的。感知延伸层是物联网的感觉器官，主要实现信息采集、捕获、物体识别。感知延伸层的关键技术包括传感器、RFID、GPS、二维条码识读器、自组织网络、传感器网络、短距离无线通信、低功耗路由等，感知延伸层必须解决低功耗、低成本和小型化的问题，并且向更敏感、更全面的感知能力方向发展。2.2.2 网络层

网络层是物联网的神经系统，主要进行信息的传递。网络层包括接入网和核心网。接入网为终端提供基本的网络接入功能、移动性管理、对现有接入技术的优化等，接入网包括各种有线接入、无线接入、卫星等技术。核心网是基于IP的统一、高性能、可扩展的分组网络，支持异构接入以及移动性。核心网与已有电信网络和互联网络的基础设施很大程度上重合。

网络层要根据感知延伸层的业务特征，优化网络特性，更好地实现物与物之间的通信、物与人之间的通信以及人与人之间的通信，这就要求必须建立一个端到端的全局物联网络。通信网络将成为物联网的基础承载网络，移动通信终端也可实现与物联网终端的融合，从而为电信业务的发展带来新的机遇。纵观无线网络发展的历史，现有通信网络是根据各自的资源进行接入连接并针对各自的客户目标而设计的，因此形成了目前多种异构无线接入技术并存的格局。因此，物联网中设备的接入是一个泛在化的接入、异构的接入。通信网络就是要通过多种方式提供广泛的互联互通。除此以外，物体是可以移动的，而它们的要求是随时随地都可以“上网”。因此在局部形成一个自主的网络，还要连接大的网络，这是一个层次性的组网结构。这要借助有线和无线的技术，实现无缝透明的接入。

物联网的终端发送或者接收数据的种类是多种多样的，包括声音、视频、语音、数据等。随着物联网业务种类的不断丰富，应用范围的扩大，应用要求的提高，对于通信网络也会从简单到复杂，从单一到融合，从多种接入方式到核心网的融合的整体过渡。接入方式多种多样，接入网有移动网络、无线接入网络、固定网络和有线电视网络。移动通信网具有覆盖广、建设成本低、部署方便、具备移动性等特点，使得移动网络将成为物联网主要的接入方式，而IP核心网络作为融合的基础承载网络长期服务于物联网，为整个网络的处理能力的提升，对业务和应用的支持，达到一个更高的层次。现有的无线接入网络主要有无线局域网、无线个域网、无线传感器网络、2G、3G/LTE、WiMAX以及下一代无线网络等。而网关设备是最适合将多种接入手段整合起来，统一接入到电信网络的关键设备，网关可满足局部区域短距离通信的接入需求，实现与公共网络的连接，同时完成转发、控制、信令交换和编解码等功能，而终端管理、安全认证等功能保证了物联网业务的质量和安全。

随着数据业务的发展和用户数量的增加，用户对移动通信网络容量的要求不断提高，传统的蜂窝网络结构日益显现出局限性，需要研究新型无线网络组网技术，以改善用户体验，提高小区边缘的数据业务速率，提高全网的业务容量，并达到降低网络建设、网络运行和维护成本的目的。新的网络架构以分布式和集中式相结合的混合式为主要控制方式，能够灵活支持多种不同的业务类型，并具有提供用户期望的服务质量的能力。在新型体系结构下，各个终端以用户业务为导向，根据用户对资源的需求、所付出的代价、用户服务等级，选择适当的控制方式、接入方式等。一条新业务触发一次协商，同一对终端的不同业务可能有不同的传输路径，同一业务沿相同路径；业务决定了协商过程的速率带宽、持续时间、服务等级、安全性要求等。2.2.3 业务和应用层

业务和应用层是物联网的信息处理和应用，相当于人所从事的不同职业。最终面向各类应用，实现信息的存储、数据的挖掘、应用的决策等。从应用场景看，物联网应用包含工业、农业、电力、医疗、家居、个人服务等人们可以预见的各种场景。业务和应用层涉及海量信息的智能处理、分布式计算、中间件、信息发现等多种技术。

具体来说，业务和应用层将通信网络上层的应用信息进行翻译和传输，进行数据收集和集成，将所有的数据存储、智能分析等，根据人们的需要将结果呈现给用户。其中，在智能分析这一层，云计算是控制的核心要素。云计算技术的运用，使对数以亿计物品的实时动态管理变得可能。随着物联网应用的发展，终端数量的增长，可借助云计算处理海量信息，进行辅助决策，提升物联网信息处理能力。因此，云计算作为一种虚拟化、硬件/软件运营化的解决方案，可以为物联网提供高效的计算、存储能力，为泛在链接的物联网提供网络引擎。

从目前的物联网应用来看，都是各个行业自己建设系统，另外，行业终端需要和行业应用相关，不便于多种业务的开展，业务的变更、服务器的变化都将导致终端需要重新配置，甚至需要更换终端。即便是简单的行业应用也需要专门的行业服务器。缺乏终端的管理手段，没有对终端的告警信息的处理，对终端的维护十分不便，效率较低，需要到终端工作的现场进行维护和升级。总而言之，如果没有统一建设标准、规范的物联网接入、融合的管理平台，物联网将因为各行业的差异无法产生规模效应，提高了使用复杂度与成本。

从应用层来看，整个社会将提供无所不在的网络，网络可了解使用者的使用环境与状况，了解不同使用者的个性与使用习惯，以实现定制化、多元化的服务提供。所有的使用过程必须人性化、拟人化，让人不需学习。从技术层来看，各类通信网络技术与互联网协议技术的发展，以及云计算等革新带来的巨变，使得孤立的、小颗粒的传感网进一步发展成为广泛覆盖、网络互通、高速传输、无线连接、智能的物联网成为可能。

2.3 物联网关键技术

物联网将自然而深刻地融入到人们的日常生活及工作之中，实现人人、时时、处处、事事的信息通信服务。物联网分为如图2-1所示的感知延伸层、网络层、业务和应用层3层体系结构，每一层又涉及诸多关键技术，如图2-2所示。物联网的关键技术包括3个方面：第一，终端的数据采集、处理、传输、终端网络的部署和协同等，以无线传感器网络和RFID技术为代表；第二，异构的接入网络和基础的核心网络，包括基础的NGN核心网和3G、Wi-Fi、蓝牙等接入技术；第三，由中间件、信息开放平台和服务支撑平台构成的应用支撑子层以及物联网应用领域示范系统等。下面就代表性的关键技术进行介绍。图2-2 物联网技术体系2.3.1 感知节点及终端的关键技术

感知终端节点不仅能够提供事物本身的信息，而且能够探测、存储、处理乃至融合各种与事物相关的信息，从而向信息网络空间提供各种关联信息。

随着微电子技术、嵌入式技术、短距离通信技术、传感器技术、智能标签技术等信息通信技术的发展与成熟，现实世界中越来越多的物理实体需要自组织来实现智能环境感知并对其进行自动控制，并具备通信和信息处理的能力。网络的触角不断得到延伸，越来越多的“物品”进入信息网络内部进行通信，接入信息通信网络的物理实体数量和范围可无限扩展，由传统的人与人的信息通过网络向人与人、物与物的信息通信网络拓展。

通过行业应用促进产业创新，完善支持感知内容的多媒体化、组合化的关键技术；推动自主知识产权的多元化，感知节点的设计和制造；设计终端及感知节点在组网、协同上的软硬件框架，并突破关键技术，以使不同感知节点及网络体系最终能互联互通地标准规范化。

物联网的终端是多样性的，小型化、智能化和低成本是物联网部署的必然需求，此外物联网需要地址，每个物品都需要在网络中被寻址，因此就需要一个地址，在IPv4资源即将耗尽的背景下，需要IPv6来支撑。2.3.2 传感器网络技术

传感器网络作为物联网周边延伸网之一，是由传感器器件组成的在空间上呈分布式的无线自治网络，常用来感知环境参数，如温度、湿度、压力等。和互联网一样，传感器网络最早是从军队的应用环境演化而来，目前也应用在很多民用领域。

无线传感器网络的主要研究内容包括通信、组网、管理和分布式信息处理等多个层面。其中通信与组网主要研究无线传感器网络通信协议，包括物理层、数据链路层和网络层。管理与支撑技术使用通信与组网部分提供的服务，并向应用系统提供服务支持，主要包括拓扑控制、QoS控制、能源管理、定位和时间同步等。2.3.3 异构网络互联融合及泛在无线通信技术

任何终端节点在物联网中都能实现泛在互联。由节点组成的网络，如传感器网络、RFID、家居网、个域网、局域网、体域网、车域网等，架构在基础通信网络上，从而形成一个广泛互联的网络。宽带、移动、融合、智能化、泛在化是整个信息通信网络的发展趋势。物联网要满足未来不同的信息化应用，要求基础网络具有不同安全可信等级和不同服务质量（QoS）的网络能力。

物联网既然作为一个网络，自然需要统一的网络架构和协议基础，目前在核心层面可以考虑NGN/IMS融合，核心协议包含SIP和TCP/IP等，在接入层面需要考虑多种异构网络的融合和协同。

网络的异构性主要体现在以下几方面：不同的无线频段特性导致的频谱资源使用的异构性；不同的组网接入技术所使用的空中接口设计及相关协议，在实现方式上的差异性和不可兼容性；业务的多样化；终端的多样化；不同运营商针对异构网络所实施的运营管理策略不同。以上几方面交叉联系，相互影响构成了无线网络的异构性。这种异构性对网络的稳定性、可靠性和高效性带来了挑战，同时给移动性管理、联合无线资源管理、服务质量保证等带来了很大的问题。

网络融合的主要策略可以理解为各种异构网络之间，在基础性网络构建的公共通信平台上，实现共性的融合与个性的协同。所谓融合是在技术创新和概念创新的基础上对不同系统间共性的整合，具体是指各种异构网络与作为公共通信平台的移动通信网或者下一代网络的融合，从而构成一张无所不在的大网。而协同则是在技术创新和概念创新的基础上对不同系统间个性的整合，具体是指大网中的各个接入子网通过彼此之间的协同实现共存、竞争与协作的关系，以满足业务和应用需求。不同通信网络的融合是为了更好地服务于异构通信网络的协同。协同技术是实现多网互通及无线服务的泛在化、高速化和便捷化的必然选择，也是未来的物联网频谱资源共享亟待解决的问题。

由此可见，物联网的形成过程，是针对不断涌现的应用需求，从上层应用平台到核心网、到底层物理层技术的自上而下的功能实现过程。它不会产生一个全新的网络，而是不断融合新的网络，使其成为一个名副其实的“无所不包、无所不能”的泛在网络。

具体来说，异构网络融合的实现分为两个阶段，一是连通阶段，二是融合阶段。连通阶段指各种网络如传感器网络、RFID网络、局域网、广域网等都能互联互通，感知信息和业务信息传送到网络另一端的应用服务器进行处理以支持应用服务。融合阶段是指在网络连通层面的网络平台上，分布式部署若干信息处理的功能单元，根据应用需求而在网络中对传递的信息进行收集、融合和处理，从而使基于感知的智能服务实现得更为精确。从该阶段开始，网络将从提供信息交互功能扩展到提供智能信息处理功能乃至支撑服务，并且传统的应用服务器网络架构向可管、可控、可信的集中智慧参与的网络架构演进。因此，异构网络融合不是对现有网络的革命与颠覆，而是对现有网络分阶段的演进，有效地规划异构网络融合的研究与应用。

综合考虑异构网络的新业务、工作模式的特征和交融、终端设备特征、可扩展性和健壮性的异构融合需求，并在能量、频谱资源、存储资源、计算能量受限的条件下，设计泛在无线网络的开放框架，支持泛在网络的智能融合以及重构，实现各类标签、传感器等的物与物的无缝互联，支持各种应用服务。以建设一个开放融合、高效节能、支持泛在移动服务的网络为目标，通过各种接入技术、业务驱动组网与寻址技术、认知网络以及泛在移动性管理等关键技术，实现异构网络的融合与协同。

异构网络的融合与协同是实现泛在通信技术的关键。泛在通信技术为物联网数据提供传送通道，如何在现有网络上进行增强，适应物联网业务需求依赖其关键技术的研究。M2M（Machine To Machine）技术也是物联网技术的重要部分，M2M一般认为是机器到机器的无线数据传输，有时也包括人对机器和机器对人的数据传输。M2M技术是现有无线通信技术在应用上的创新，已经在国内外有大量的应用实例。有多种技术支持M2M网络中的终端之间的传输协议。目前主要有IEEE 802.11a/b/g和Zigbee。二者都工作在2.4 GHz的自主频段，在M2M的通信方面各有优势，采用WLAN方式的传输，容易得到较高的数据速率，也容易得到计算机网络的支持，但采用Zigbee协议的终端更容易在恶劣的环境下完成任务。2.3.4 异构网络的移动性管理和资源管理技术

在异构泛在的网络环境下，网络的异构性和差异性使现有的移动性管理技术已经无法满足终端在异构网络间无缝切换、位置管理、终端协作等方面的需要。必须提供一个开放的并通用的异构网络移动性管理架构、优化的移动性管理解决方案，等等。

IEEE 802.21用标准的形式对异构网络之间无缝切换进行规范，以消除未来可能的混乱状态。对用户而言，就是在网间漫游时能保持畅通的信息服务，即无需用户干预，可以感知周围可用网络并迅速改变网络的使用状态，进行无缝切换。例如，内置802.21技术芯片的手机，能自动感知Wi-Fi、WiMAX及其他3G网络并切换，不会因网络技术的不同而被迫中断通信。

IEEE 802.21标准建立了一套独立于介质之上的切换方案，如图2-3所示，MIH（Media Independent Handover Service）提供异构网络切换服务。IEEE 802.21标准主要针对无缝切换能力、区分业务的QoS保障、最优网络选择、安全机制和电源管理5个方面来定义。实际上，IEEE 802.21标准没有在MIH做任何的传递处理，没有对现有的物理层和MAC层做任何修改，也不需要上层新的移动协议的支持。要实现WLAN、3G到WiMAX之间的语音与数据传输，且能无缝整合，其关键就在于填补这些无线标准空隙的无线接口标准IEEE 802.21。图2-3 泛在网络的各种网元及其地位和作用

IEEE 802.21工作组致力于完成以下内容的标准化工作：业务连续性（Service Continuity）、应用类型（Application Class）、服务质量（QoS）、网络发现（Network Discovery）、网络选择（Network Selection）、安全性（Security）及电源管理（Power Management）。

物联网对标识终端的码号资源、频率资源以及IP地址的需求量相当大，必须考虑有效的资源管理方案以适应物联网的进一步发展。

物联网可以看做是一种能够提供共享频谱资源的频谱池。频谱池中的频谱资源在使用者看来是可以无限扩展的，并且可以自动随时获取，按需使用，随时扩展，按使用付费，而无需向频谱拥有者请求使用权，这样可以实现动态的频谱共享（DSS）和动态的频谱分配（DSA）。频谱池将所有分配给不同业务的频谱资源和频谱碎片集中起来，可以是不连续的，并由软件实现协同管理，无需人为参与。如图2-4所示，物联网可以实现频谱资源的扩展和共享，而通过频谱池可以实现不同系统间的频谱协同调度与管理，如图2-5所示。图2-4 物联网实现频谱资源的扩展和共享示意图图2-5 频谱池实现频谱协同调度与管理示意图

针对异构网络之间共享资源（尤其是频谱资源）进行管理的技术，将成为由传统无线网络向下一代无线网络演进过程中的关键问题和核心技术，从而实现频谱资源的高效利用。异构无线网络包括蜂窝网（2G、3G/LTE）、无线局域网（WLAN）、认知无线网络等。为了使支持异构融合与动态频谱共享利用的无线网络能够根据用户需求、频谱资源等约束条件动态调整网络结构，进行资源优化，解决网络的共存与兼容问题。同时，需要考虑将新型的机会式频谱共享网络与传统异构网络有机地融合在无线资源管理体系结构中。统一融合的无线资源管理体系结构的设计应具有可升级、可扩展、标准化的特点。体系框架中各功能实体之间的交互则是由协议完成，根据频谱共享利用与无线资源管理关键技术设计相应的协议，在设计过程中要考虑其标准化、开放化、灵活性以及与现有技术的可兼容性。

异构无线网络之间的技术互补性引发了网络融合的趋势，目标就是要获得异构网络间的资源优化利用，而对于支持异构网络融合的资源优化利用方法和机制的研究，可以归纳为协作无线资源管理及动态频谱管理。在融合的网络架构中，主要考虑这两方面的融合。

协作无线资源管理将整个可用的频谱资源作为一个资源池，利用集中式和分布式的资源管理方案进行频谱等资源的分配和使用。通过协作无线资源管理（Cooperative RRM）、通用无线资源管理（Generic RRM）和具体无线资源管理（Specific RRM）这3层无线资源管理系统架构（如图2-6所示），充分利用系统资源，提高系统性能。图2-6 物联网系统无线资源管理体系结构

协作无线资源管理（Cooperative RRM）：位于最上层网关处，从总体带宽角度负责不同运营商间资源的共享与调度。因为目前不同运营商使用不同的频段，协作无线资源管理可以使单个运营商使用所有频段。

通用无线资源管理（Generic RRM）：位于运营商内部，负责内部资源的共享与调度，即基站间资源的分配与使用。

具体无线资源管理（Specific RRM）：位于单个基站，负责其内部资源的共享与调度，即具体分配频带到到各用户终端。

以上的无线资源管理只是从频谱范围进行了说明，其具体功能还包括负载控制、接入控制和切换等。同时，频谱管理作为与无线资源管理的输入方，也存在于三层结构中，主要实现频谱聚合，共享等功能。

具体到某一运营商，即单一系统内时，一般使用通用无线资源管理方法来管理内部资源、频段的分配和使用。在新的架构中，我们将其所能使用的频段分为固定频段和共享频段两部分。通常情况下使用多带宽调度器实现业务在这两种频带上的调度分配，关键性能指示（Key Performance Indicators，KPI）作为输入数据。一旦KPI下降，说明此时分配的带宽资源已经不能满足业务需求，需要进行通用无线资源管理或协作无线资源管理以重新获得系统平衡。在融合架构下，当系统内资源耗尽时，则需要系统间的频段调度，即使用协作无线资源管理。借用其他运营商频段，满足用户需求。

各个接入网之间资源调度的流程如图2-7所示。图2-7 异构融合网络的资源调度示意图

动态频谱管理实现的功能是根据业务量的变化，利用终端的重配置能力，在运营商之间或者异构接入技术之间动态分配与释放。动态频谱管理处理的是一个综合了技术因素与经济因素的复合问题：技术可行性是实现灵活的频谱共享的前提条件，需要解决快速频谱扫描和测量、干扰控制和管理等问题；在经济方面，则需要解决频谱二次交易的协商与竞争，不同交易方的利益分配以及政策监管等问题。

由于用户分配到的带宽可能是不连续的，而零碎的频段又无法满足用户传送业务的需求，因此在动态频谱管理中，需要频谱聚合技术，将不连续的带宽加以利用。从而提高系统性能。

上述两个资源优化管理模块彼此联系，互为输入和输出，但在系统实现的层次上不相同。无线资源管理是对整个系统的无线资源进行总规划管理的模块，它的决策结果为动态频谱管理提供基本网络配置（如基站位置和工作模式）的输入，而动态频谱管理反馈信息将为无线资源管理下一步调整提供参考。

除此以外，可以从跨层方面研究支持异构网络融合的无线资源管理体系协议栈的原型设计，采用基于策略的协议设计方法，即基于策略的无线资源管理技术、算法、架构等的设计与实现。总地来说，就是在网络架构高层，通过对于瞬时或者阶段性的无线通信网络环境的自适应或半自适应感知技术，对于业务管理、路由机制、接入控制、无线资源分配策略、功率控制、负载控制、拥塞控制等环节，进行自适应的基于策略的动态调整。2.3.5 业务支撑及智能处理关键技术

业务支撑首先需要对物联网的业务需求开展研究，包括对物联网的应用需求和场景的研究，其中通信对象需要考虑物对物、人对物等，服务对象需要考虑行业应用、家庭应用、个人应用、接入方式等。通过对相关业务需求和业务场景的梳理，进行业务功能和特征分析，定义通用的业务功能。然后抽象物联网网络资源，设计可扩展地支持各类业务及其复杂合成业务提供的业务架构，研发业务分发平台和第三方开放业务接口平台，实现与底层异构网络无关性的业务分发机制。以面向行业信息化服务为主，个人公共服务为辅，构建公共技术和业务平台，实现数据交换向信息处理的网络平台转换的目标，完善物联网业务支撑体系。

业务支撑体系需要结合P2P、云计算等分布式计算框架技术，对经过感知层和网络层送到的数据进行智能的分析和处理。云计算是指基于互联网的超级计算模式，也就是把存储于个人计算机、移动电话和其他设备上的大量信息和处理器资源集中在一起，协同工作，这是一种在极大规模上可扩展的信息技术能力，并向外部客户作为服务来提供的一种计算方式。在开放式的物联网环境中，使用云计算是非常必要的。首先因为物联网业务类型多、涉及的行业广、应用类型差别大、业务数据率巨大等特性，传统的硬件环境难以支撑；另外，运营商长期积累了大量闲置的计算能力和存储能力，有必要加以利用，这也是绿色环保的要求；还有随着业务开发者、应用部署数量的增加，大量自定义业务同时运行，其计算能力的要求呈现出增长趋势，对平台造成性能压力，服务器CPU处理能力以及内存容量，均难以满足不断增长的业务需求。所以，引入弹性计算能力是一个基本要求。在存储上，引入云计算，也和弹性计算能力的需求类似。云技术的应用包含了“把力量联合起来，给其中的每一个成员使用”的思想。在云计算中，不仅是计算能力的集中，也包括数据和软件的极大集中，云计算中的计算无处不在，其能力无限强大。2.3.6 物联网服务平台技术

物联网将对信息进行综合分析并提供更智能的服务，推动人的智能潜力、社会物质和能源资源潜力的充分发挥，使社会经济运行向高效、优质的合理化方向发展。物联网的智能业务为各种行业具体应用提供公共服务支撑环境。建设面向行业的应用子集与共性支撑平台之间的关系以及平台的开放性与规范性，将成为未来应用部署所要考虑的关键问题。

针对可部署及应用的需求，以掌握泛在网络可管理、可控制、可信任的自主知识产权为目标，重点解决在大规模自组织工作模式下的自管理模型方法及关键技术问题，并形成标准化；同时针对泛在网络可运营目标，初步完善泛在网络信息交互的节点、终端、网关、网元、支撑框架的可信体系，研究泛在融合的可管、可控、可信平台架构；保证业务质量和体验质量；支持泛在异构融合多种商业模式，并提供签约协商等管理功能；保护用户数据隐私。

物联网服务平台技术起着承上启下的作用，向上层应用提供开放的接口，向下屏蔽各种不同接入的差异。提供通用的标识、路由、寻址、管理、业务提供、业务控制与触发、QoS控制、安全性、计费等功能，这些功能通过中间件（Middleware）技术、对象名称解析服务（Object Name Service，ONS）技术、物理标记语言（Physical Markup Language，PML）等关键技术来实现。

对于物联网应用，由于需要处理的业务数据可能跨多个行业，考虑到各个行业应用的需求有所不同，因此在应用层引入“中间件”即“通用平台＋子应用”的概念。通过通用平台或中间件实现公共信息的交换以及公共管理功能，各个行业的个性化应用将通过子应用的方式来呈现。

中间件是一种独立的系统软件或者服务程序，分布式应用软件借助于中间件在不同的技术之间共享资源。它位于服务器的操作系统和数据库之上，应用软件之下。它的作用是管理计算机资源和网络通信，连接两个独立的应用程序或系统软件。可见中间件在此起到“桥梁”的作用，可以使相连接的系统（即使它们具有不同的接口）能够交换信息。因此中间件是一个信息传递的载体，可以使应用程序工作于多平台或者多操作系统。中间件在分布式的客户和服务之间扮演着承上启下的角色，如事务管理、负载均衡以及基于Web的计算等。也只有在分布式系统中才叫中间件，同时也把它与系统软件和应用软件区别开来。由此可见，云计算也是一种中间件。

对象名称解析服务是一个自动的网络服务系统，有点类似于域名解析服务（Domain Name Server，DNS）。它是一种将一台计算机定位到万维网上某一具体地点的服务，是一种组织成域层次结构的计算机和网络服务命名系统，主要用于TCP/IP网络。当一个电子标签的信息被读取时，产品电子码就传递给了中间件系统。中间件系统在局域网或因特网上利用ONS寻找这个产品信息的存储位置。ONS给中间件系统指明了一个服务器，在这个服务器上存储该产品相关信息的文件。接着这个文件就能够在中间件系统中找到，并且存储在这个文件中的产品的信息将被反馈过来，从而便于供应链的管理。

信息服务系统是用来在物联网中完成信息处理和发布的。它主要由3部分组成：数据读取模块、信息存储模块和信息发布模块。物理标记语言（Physical Markup Language，PML）作为系统信息的描述语言。数据读取模块主要用于读取数据并指向信息服务系统服务器；信息存储模块主要存储一些通用的信息，在产品初始化时利用此信息生成某一产品的电子标签信息，并存储于PML文档中；信息发布模块主要根据数据读取模块的要求，访问相应的PML文档，生成HTML文档，再返回到数据读取模块进行显示。信息服务以PML格式存储产品相关信息，供其他的应用进行查询，并以HTML的格式返回。PML提供了一个描述自然物体、过程和环境的统一标准，可供工业和商业中的软件开发、数据存储和分析工具之用，同时还提供一种动态的环境，并与物体相关的静态的、动态的和统计数据之间实现互相交换。

举例来说，在由电子产品编码（Electronic Product Code，EPC）标签、解读器、中间件服务器、因特网、ONS服务器、PML服务器以及众多数据库组成的物联网中，解读器读出的EPC只是一个信息参考（指针），该信息经过网络，传到ONS服务器，找到该EPC对应的IP地址并获取该地址中存放的相关的物品信息。而采用分布式Savant软件系统处理和管理由解读器读取的一连串EPC信息，中间件服务器将EPC传给ONS，ONS指示中间件服务器到一个保存着产品文件的PML服务器查找，该文件可由中间件服务器复制，因而文件中的产品信息就能传到供应链上。2.3.7 安全与标准问题

物联网由大量的终端设备构成，缺少人的有效监控，并且数量庞大，这些特点使得物联网除了具有传统网络的安全问题之外，还有其自身的安全问题。物联网的感知延伸层、网络层和应用层都存在安全问题。

感知节点多部署在无人监控的场景中，攻击者可以轻易地接触到这些设备，从而对它们造成破坏。此外，传感器网络、自组织网络等作为物联网的末梢网，由于节点的能量有限，无法提供复杂的安全保护能力。移动网络作为物联网的主要接入网，也存在一些安全问题。核心网络具有相对完整的安全保护能力，但是由于物联网中节点数量庞大，且成集群方式存在，因此会导致网络阻塞，现有安全机制会割裂物联网机器间的逻辑关系。物联网业务也存在安全问题。庞大且多样化的物联网平台需要一个强大而统一的安全管理平台，独立的平台很难处理各式各样的应用。因此，随着物联网的发展，对物联网安全的需求日益迫切，需要为物联网提供一套安全保护机制。

伴随着物联网巨大潜力的是大量的挑战。在很多地区物联网的标准化还处在初期，甚至还在孕育之中。标准化对任何技术的大规模部署而言都是必要的。物联网的架构如何，各组成部分的关系以及如何定义接口等都没有统一的标准。缺乏统一的标准是阻碍产业发展的原因之一，物联网标准体系既包括底层技术的标准，也包括运营管理的标准，如用户认证、业务流程、业务标识等相关语义和语法的定义。必须及早制定完善统一的技术标准。2.3.8 应用领域示范系统

物联网有许多应用领域，如应急、物流、教育、节能、环境监测等。面向行业信息化应用需求，设计并实现基于融合移动通信和无线接入网络、传感器网络、RFID网络等的基础设施，以及架构于其上的业务平台及应用，并付诸实践，解决行业应用领域问题的技术创新和流程优化。

2.4 小结

通过对以上物联网体系结构的阐述可见，物联网通过设备的融合、网络的融合、平台的融合实现服务的融合、业务的融合和市场化的融合。

设备的融合是指感知终端可以接入移动网络，也可以接入固定网络，该融合以电子产品为导向开发出一体化的电子产品。网络的融合是指用户可使用任一终端（移动台、PDA、PC等）通过任一方式接入网络（WLAN、GPRS、3G网络等），而且号码可唯一、账单可唯一，非常方便灵活。平台的融合是指用户数据集中管理、公用的业务能力平台，分类的管理平台和应用平台，支撑用户跨业务系统的互操作，打造物联网业务领域的统一认证系统，实现基于统一账号、统一密码属性信息的集中认证，从后端整合、提升跨平台系统的协同，构建综合业务平台。服务的融合是指在服务层面能够实现融合，如在固话和移动网络之间共享收信人的地址、电话号码、用户名称等。有了协同的发展，可以使物联网中的传输层面，在能力上有一个较大的提高。业务的融合是网络融合的引擎。业务的融合是指综合运用移动网与固定网技术及基础设施，从单一承载的数据业务发展到承载语音、数据、视频等多种业务。综合利用两网技术与资源是业务融合的重要特征。所谓市场化的融合就是以市场机制为引导，把移动和固话的产品和服务捆绑起来打包销售。例如固话和固话产品捆绑、固话和移动产品捆绑，移动和移动产品捆绑，不同的产品实现捆绑之后，用户购买时可以打折。这一方式在美国早就有所体现。在移固融合后提出的增值服务，为这些企业级的用户服务提供了非常大的空间。中国的电信运营商可以着力发展这一方面，比如说在供应链的领域、防灾救灾等方面。

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第3章 感知延伸层——识别

在现实社会中，各种活动或事件都会产生一定的数据，包括个人的、物质的、财务的、生产的、销售的等。这些数据的采集与分析支撑着生产与生活的决策过程，影响着人类社会的运转及发展。因此，对各种数据进行采集并建立一个可供方便查询各种信息的平台是必要且重要的，物联网正是具备这一功能的智慧网络。

物联网的宗旨是实现万事万物的互联与信息的方便传递。要实现人人互联、物物互联以及人与物的互联，首先要对需要入网的人或物进行识别，进而对其进行信息采集。因此，物联网的终端系统和设备主要包含两大类，一是自动识别系统及设备，即识别器；二是信息传感系统及设备，即传感器。下面，我们首先介绍自动识别系统及设备。

3.1 概述

自动识别技术是对信息数据进行自动采集和传输的重要方法和手段，它是以计算机和通信技术为基础的综合性科学技术。经过多年的发展，自动识别技术已初具规模，条形码识别技术广为应用，射频识别技术飞速发展，生物识别技术悄然兴起，一个完整、庞大且生机勃勃的自动识别产业正逐渐形成。自动识别技术的发展与完善，为物联网技术的发展和成熟提供了重要的支撑。3.1.1 自动识别技术分类

近年来，自动识别方法在服务行业、货物销售、后勤管理、生产企业、物流等诸多行业得到快速发展与普及。自动识别方法的任务和目的是提供关于个人、动物、货物的信息。目前，自动识别技术主要包括条形码技术、光学符号识别（OCR）技术、生物识别技术、磁卡和IC卡技术、射频识别（RFID）技术等，其分类如图3-1所示。图3-1 自动识别技术分类（1）条形码技术

10多年前，条形码在自动识别领域引起了一场革命并得到了广泛应用。条形码是由一组规则排列的条、空以及相应的数字组成的识别系统，条和空的不同组合代表不同的符号，以供条形码识别器读出。条形码系统已经广泛应用于商品和图书管理领域。虽然很便宜，但条形码的存储能力很小且不能改写，这使得条形码系统在很多情况下不能满足人们的需求。（2）光学符号识别技术

光学符号识别技术是通过计算机等设备自动辨别写（或印刷）在纸上（或其他介质上）的文字或图像的技术。OCR技术出现于20世纪50年代中期，是随着模式识别和人工智能技术的发展而出现并发展的，在计算机录入、票据识别、信函分析和资料分析等领域得到了广泛的应用。（3）生物识别技术

生物识别技术是随着计算机图像处理和模式识别技术的发展而逐步形成的一种独特技术，它是利用生物的身体特征或行为特征的差异性来进行识别的。根据识别技术采用的生物特征的不同，生物识别技术可以分为语音识别、指纹识别、视网膜识别等。由于生物特征不像传统的身份认证方法那样容易被窃取、遗忘或破解，生物识别技术成为了一种安全性和保密性极高的识别技术。（4）磁卡与IC卡识别技术

磁卡是有磁性材料掺以粘合剂而制成的，它借助于磁性材料的磁极趋向来实现数据的读写操作。磁卡内部有数据存储器，这克服了条形码系统存储量小、不易改写的缺陷。IC卡多指接触式的IC芯片卡，它比磁卡的存储容量更大，抗干扰能力更强，使用寿命也更长。目前，磁卡和IC卡已经广泛应用于公共交通、银行、学校等领域，如公交乘车卡、银行卡、会员卡等。（5）射频识别系统

在日常生活中，具有触点排的IC卡是电子数据载体的最普遍的结构。然而，在很多情况下，机械触电的接通是不可靠的，或者是无法使用的，比如高温、高腐蚀性环境，因此，数据载体与其所属阅读器之间进行非接触式数据传输显得更为灵活与必要。我们把非接触式的识别系统称为射频识别系统。

目前，非接触识别已经逐步发展成一个独立的跨学科的专业领域，它将大量来自不同专业领域的技术综合在一起，如高频技术、电磁兼容、半导体技术、数据保密和密码学、电信、制造技术等。射频识别技术已成为无线电工业增长最快的部门，它也极大地推动了物流行业管理系统的健全与发展，未来必将推动物联网产业的形成与发展。3.1.2 自动识别系统特征

自动识别系统具有信息获取和信息录入功能，通过自动方式获取人或物的标识信息，并且不使用键盘即可将数据实时录入计算机、逻辑程序控制器或其他微处理器。

按照识别对象的特征，自动识别系统包括两大类技术，即数据采集技术和特征提取技术，它们的基本功能是完成物品的数据采集和自动识别。数据采集技术的基本特征是需要被识别物体具有不同于其他事物的独特标识，如唯一性的标签、光学符号等；而特征提取技术则是根据被识别物体的生理或行为特征，来完成数据的自动采集与分析，如语音识别、指纹识别等。

无论何种识别技术，它们通常都具有如下特征：

•具有较高的识别准确度，抗干扰性能好；

•识别效率高，信息可以进行实时交换与处理；

•兼容性好，可以与计算机系统或其他管理系统实现无缝连接。

3.2 条形码

条形码系统是随着计算机与信息技术的发展和应用而诞生的，它是集编码、印刷、识别、数据采集和处理于一身的技术。条形码的诞生极大地方便了商品流通，现代社会已离不开商品条形码。据统计，目前我国已有50万种产品使用了国际通用的商品条形码。3.2.1 条形码的编码规则

条形码是一种二进制代码，由一组规则排列的条、空及其对应字符组成，用以表示一定的物品信息。其中条为深色、空为纳色，用于条形码识读设备的扫描识读；其对应字符由一组阿拉伯数字组成，供人们直接识读或通过键盘向计算机输入数据使用。这一组条空和相应的字符所表示的信息是相同的。

条形码需满足以下编码规则。（1）唯一性

同种规格、同种产品对应同一个产品代码，同种产品、不同规格应对应不同的产品代码。根据产品的不同性质，如：重量、包装、规格、气味、颜色、形状等，赋予不同的商品代码。（2）永久性

产品代码一经分配，就不再更改，并且是终身的。当此种产品不再生产时，其对应的产品代码只能搁置起来，不得再分配给其他的商品。（3）无含义

为了保证代码有足够的容量以适应产品频繁更新换代的需要，最好采用无含义的顺序码。

商品条形码的标准尺寸是37.29 mm26.26 mm，放大倍率是0.8～2.0。当印刷面积允许时，应选择1.0倍率以上的条形码，以满足识读要求。放大倍数越小的条形码，印刷精度要求越高，当印刷精度不能满足要求时，易造成条形码识读困难。

由于条形码的识读是通过条形码的条和空的颜色对比度来实现的，一般情况下，能够满足对比度（如PCS值）要求的颜色即可使用。通常采用浅色作空的颜色，如白色、橙色、黄色等，采用深色作条的颜色，如黑色、暗绿色、深棕色等。最好的颜色搭配是黑条白空。根据条形码检测的实践经验，红色、金色、浅黄色不宜作条的颜色，透明、金色不能作空的颜色。3.2.2 条形码的码制

条形码的编码方法称为码制。目前世界上常用的码制有EAN条形码、UPC（统一产品代码）条形码、二五条形码、交叉二五条形码（Interleaved 2/5 Bar Code）、库德巴（Codabar）条形码、三九条形码和128条形码等，而商品上最常使用的就是EAN商品条形码。EAN商品条形码亦称通用商品条形码，由国际物品编码协会制定，通用于世界各地，是目前国际上使用最广泛的一种商品条形码。我国目前在国内推行使用的也是这种商品条形码。EAN商品条形码分为EAN－13（标准版）和EAN－8（缩短版）两种。（1）EAN条形码

EAN－13通用商品条形码一般由前缀部分、制造厂商代码、商品代码和校验码组成。商品条形码中的前缀码是用来标识国家或地区的代码，赋码权在国际物品编码协会，如00～09代表美国、加拿大。45～49代表日本。690～692代表中国大陆，471代表我国台湾地区，489代表香港特区。制造厂商代码的赋权在各个国家或地区的物品编码组织，我国由国家物品编码中心赋予制造厂商代码。商品代码是用来标识商品的代码，赋码权由产品生产企业自己行使，生产企业按照规定条件自己决定在自己的何种商品上使用哪些阿拉伯数字为商品条形码。商品条形码最后用1位校验码来校验商品条形码中左起第l～12数字代码的正确性，如图3-2所示。EAN－8商品条形码是指用于标识的数字代码为8位的商品条形码，由7位数字表示的商品项目代码和1位数字表示的校验符组成。图3-2 EAN-13条形码的编码结构举例（2）UPC条形码

这种条形码只能表示数字，主要应用于美国和加拿大地区，用于工业、医药、仓库等部门。它有A、B、C、D、E5个版本，版本A包括12位数字，版本E包括7位数字，最后1位为校验位。UPC-A的编码方案定义如下：

第1位是数字标识，它已经由UCC（统一代码委员会）所建立；

第2～6位是生产厂家的标识号（包括第1位）；

第7～11位是唯一的厂家产品代码；

第12位是校验位。（3）交叉二五条形码

这种条形码只能表示数字0～9，可变长度，是一种连续性条形码，所有条与空都表示代码，第1个数字由条开始，第2个数字由空组成，空白区比窄条宽10倍，如图3-3所示。这种条形码多应用于商品批发、仓库、机场、生产/包装识别、工业中，条形码的识读率高，可适用于固定扫描器可靠扫描，在所有一维条形码中的密度最高。（4）三九条形码

这种条形码能表示字母、数字和其他一些符号，共43个字符：A～Z，0～9，-.$/+％，条形码的长度是可以变化的，通常用“*”号作为起始/终止符，校验码不用代码，密度介于3～9.4个字符/每英图3-3 含有ISDN号的交叉二五条形码寸，空白区是窄条的10倍，用于工业、图书以及票证自动化管理上。（5）库德巴条形码

这种条形码可表示数字0～9、字符$、+、-，还有只能用做起始/终止符的a、b、c、d 4个字符。这种码长度可变，没有校验位，其空白区域的宽度比窄条宽10倍，是一种非连续性条形码，每个字符表示为4条3空。这种条形码多应用于物料管理、图书馆、血站和当前的机场包裹发送中。（6）128条形码（Code 128）

表示高密度数据，字符串可变长，符号内含校验码，有A、B、C3种不同版本，可用128个字符分别在A、B或C3个字符串集合中，用于工业、仓库、零售批发。3.2.3 一维条形码的特点

上述码为一维条形码。一维条形码只在一个方向（一般是水平方向）表达信息，而在垂直方向则不表达任何信息，其一定的条形码长度通常是为了便于条形码阅读器的对准。一维条形码是迄今为止最经济、实用的一种自动识别技术，它具有如下优点。

•输入速度快。条形码输入的速度是键盘输入的5倍，并且能实现“即时数据输入”。

•可靠性高。键盘输入数据出错率为1/300，利用光学字符识别技46术出错率为1/10，而采用条形码技术误码率低于1/10。

•采集信息量大。利用传统的一维条形码一次可采集几十位字符的信息，而二维条形码更可以携带数千个字符的信息，并有一定的自动纠错能力。

•灵活实用。条形码标识既可以作为一种识别手段单独使用，也可以和有关识别设备组成一个系统，实现自动化识别，还可以和其他控制设备联接起来实现自动化管理。

•制作简单。条形码标签易于制作，对设备和材料没有特殊要求，识别设备操作容易，不需要特殊培训，且设备的价格也相对便宜。

一维条形码的应用可以提高信息录入的速度，减少差错率，但是一维条形码也存在如下一些不足之处。

•数据容量较小。存储容量通常仅为30个字符左右。

•存储数据类型比较单一。一维条形码只能表示字母和数字。

•空间利用率较低。一维条形码只在一个方向上表示信息，且条形码尺寸相对较大，因此不能有效利用标识的空间资源。

•安全性能低，使用寿命短。条形码易磨损，且遭到损坏后不能阅读，因此条形码的使用寿命比较短。

考虑到一维条形码的上述缺陷，人们研究并开发了二维条形码系统。3.2.4 二维条形码

在水平和垂直方向的二维空间存储信息的条形码，称为二维条形码（2D bar code）。与一维条形码一样，二维条形码也有许多不同的编码方法，即码制，通常可分为以下3种类型。（1）线性堆叠式二维码

它是在一维条形码编码原理的基础上，将多个一维码在纵向堆叠而产生的。典型的码制如Code 16K、Code 49、PDF417等。其中，PDF417是便携式数据文件（Portable Data File）的英文缩写，它由多行组成，具有连续性、可变长、包含大量数据的符号标识。每个条形码有3～90行，每一行有一个起始部分、数据部分、终止部分。它的字符集包括所有128个字符，最大数据含量是1 850个字符。PDF417不需要连接数据库，本身可存储大量数据，多应用于医院、驾驶证、物料管理、货物运输，当条形码受一定破坏时，错误纠正能使条形码正确解码。PDF417是Symbol科技公司于1990研制的产品。（2）矩阵式二维码

它是在一个矩形空间通过黑、白像素在矩阵中的不同分布进行编码，典型的码制如Aztec、Maxi Code、QR Code、Data Matrix等。Aztec是由美国韦林（Welch Allyn）公司推出的，最多可容纳3 832个数字，或3 067个字母字符，或1 914个字节的数据；Maxi Code是由美国联合包裹服务（UPS）公司研制的，用于包裹的分拣和跟踪；Data Matrix主要用于电子行业小零件的标识，如Intel的奔腾处理器的背面就印制了这种码。（3）邮政码

通过不同长度的条进行编码，主要用于邮件编码，如Postnet、BPO 4-State。

与一维条形码相比，二维条形码有着明显的优势，归纳起来主要有以下几方面。

•数据容量更大，由于在两个维度上进行编码，二维码的数据存储量大大提高了。

•数据类型增加，超越了字母和数字的限制。

•空间利用率高，条形码的相对尺寸小。采用两个维度的组合来存储信息所占用的空间，比表示同样信息的一维码所占用的空间尺寸要小。

•保密性和抗损毁能力提高。

目前，二维码已开始进入流通领域，如我国新发售的火车票，都已开始采用新型二维码技术如图3-4所示。图3-4 应用于火车票的矩阵式二维码

3.3 光学符号识别

早在二十世纪六七十年代，世界各国就开始了光学符号识别（OCR）技术的研究。早期的研究，多以文字识别方法为主，且识别的文字仅为0～9的数字。以同样拥有方块文字的日本为例，1960年左右开始研究OCR的基本识别理论，初期以数字为对象，直至1965～1970年开始有一些简单的产品，如印刷文字的邮政编码识别系统，识别邮件上的邮政编码，帮助邮局做区域分信的作业，因此至今邮政编码一直是各国所倡导的地址书写方式。3.3.1 基本概念及分类

光学符号识别技术是通过扫描等光学输入方式将各种票据、报刊、书籍、文稿及其他印刷品的文字及图像，转换为计算机可识别的影像信息，再利用图像处理技术将上述影像信息转换为可使用的文字。换言之，光学符号识别技术主要是使用计算机自动辨别文字或图像的技术。

按照所处理的字符集来划分，OCR系统可分为西文识别和中文识别，其中前者又包括数字、字母和符号。按识别文字的类型，OCR系统可分为单体印刷体识别、多体印刷体识别、手写印刷体识别和自然手写体识别。按采用的技术原理来划分，OCR系统可分为相关匹配识别、概率判断识别和模式识别3类。除了上述分类，票据识别、笔迹鉴定、印章鉴别等也属于OCR技术领域。OCR系统分类见表3-1。表3-1 OCR系统分类3.3.2 OCR系统工作原理

光学符号识别器的检测对象是一种风格特殊的字符，人们可以按照正常方式来阅读，也可以由机器自动检测。一个OCR识别系统，其目的很简单，只是要把影像作一个转换，使影像内的图形继续保存，而表格内资料及影像内的文字一律变成计算机文字，以达到影像资料的储存量减少但识别出的文字可再使用及分析的目的，当然也可节省键盘输入的人力与时间。

从影像到结果输出，须经过影像输入、影像前处理、文字特征抽取、比对识别，最后经人工校正后将结果输出。3.3.3 OCR系统应用领域

光学符号识别系统最主要的优点是信息密度高，在紧急情况下可以用眼睛阅读数据。但是，OCR是一门与识别率拔河的技术，正确率就像是一个无穷趋近函数，知道其趋近值，却只能靠近而无法达到，因此如何纠错或利用辅助信息提高识别正确率，是OCR最重要的课题，ICR（Intelligent Character Recognition）也因此而产生。根据文字资料存在的媒体介质不同，及取得这些资料的方式不同，就衍生出各式各样、各种不同的应用。

目前，光学符号识别系统的应用领域有：生产领域、服务和管理领域以及银行部门，如银行登记支票、邮件自动处理、订单数据输入与识别等。基于手迹特征提取技术的进展，目前正在探索OCR技术在手迹分析及签名鉴定等方面的应用。然而，光学符号识别系统的推广由于价格昂贵以及OCR阅读器较为复杂而受到限制。

3.4 生物特征识别

在识别系统意义上，生物特征识别法是通过不会混淆的某种生物体特征的比较来识别不同生物的方法。生物特征分为身体特征和行为特征两种，前者包括指纹、掌纹、虹膜或视网膜、面部特征、DNA等，后者则包括语音、行走步态、击打键盘力度、签名等。根据识别的生物特征来划分，生物特征识别技术可分为3类：低级生物识别技术、高级生物识别技术以及复杂生物识别技术。面相、语音、签名识别等属于低级生物识别技术；指纹、虹膜与视网膜等属于高级生物识别技术；血管纹理、DNA鉴别则属于复杂生物识别技术。

生物特征识别具有安全、保密、方便、不易遗忘、防伪特性高、难以复制等特点，是一种极具潜力的识别技术。随着计算机及网络技术的发展，相信会有越来越多的生物识别技术应用到日常生活中来。3.4.1 语音识别

语音识别技术，也称为自动语音识别（Automatic Speech Recognition，ASR），是让机器通过识别和理解过程把语音信号转变为相应的文本或命令的技术。与说话人识别及说话人确认不同，后者尝试识别或确认发出语音的说话人而非其中所包含的词汇内容。

早在计算机发明之前，自动语音识别的设想就已经被提上了议事日程，早期的声码器可被视作语音识别及合成的雏形。20世纪20年代生产的“Radio Rex”玩具狗可能是最早的语音识别器，当这只狗的名字被呼唤的时候，它能够从底座上弹出来。最早的基于电子计算机的语音识别系统是由AT&T贝尔实验室开发的Audrey语音识别系统，它能够识别10个英文数字，其识别方法是跟踪语音中的共振峰，该系统得到了98％的正确率。到20世纪50年代年代末，伦敦学院（Colledge of London）的Denes已经将语法概率加入语音识别中。从20世纪60年代开始，人工神经网络被引入语音识别。这一时代的两大突破是线性预测编码（Linear Predictive Coding，LPC）及动态时间弯折（Dynamic Time Warp）技术。近20年来，语音识别技术取得显著进步，开始从实验室走向市场。人们预计，未来10年内，语音识别技术将进入工业、家电、通信、汽车电子、医疗、家庭服务、消费电子产品等各个领域。3.4.2 指纹识别

每个人包括指纹在内的皮肤纹路在图案、断点和交叉点上各不相同，呈现唯一性且终生不变。据此，我们就可以把一个人同他的指纹对应起来，通过将他的指纹和预先保存的指纹数据进行比较，就可以验证他的真实身份，这就是指纹识别技术。用指纹法识别时，要将指尖放在一台特殊的阅读器上。阅读系统根据读入的图形计算出一组数据，并将这些数据与存储的参考图形相比较。现代的指纹识别系统用不到半秒钟就能识别和验证出指纹的真伪。指纹识别系统甚至能够识别出提供的手指是不是活人的。

指纹识别主要根据人体指纹的纹路、细节特征等信息对操作或被操作者进行身份鉴定，其发展得益于现代电子集成制造技术和快速而可靠的算法研究，已经走入我们的日常生活，成为目前生物检测学中研究最深入、应用最广泛、发展最成熟的技术之一。3.4.3 虹膜/视网膜识别3.4.3.1 虹膜识别技术

虹膜是位于眼睛黑色瞳孔和白色巩膜之间的圆环状部分。虹膜由相当复杂的纤维组织构成，总体上呈现一种由里到外的放射状结构，包含有很多相互交错的类似于斑点、细丝、冠状、条纹、隐窝等细节特征，这些特征在出生之前就以随机组合的方式确定下来了，一旦形成终生不变。据称，没有任何两个虹膜是一样的。

虹膜作为重要的身份识别特征，具有唯一性、稳定性、可采集性、非接触性优点。非接触式的生物特征识别是身份鉴别研究与应用发展的必然趋势，这种趋势已经在各种应用中显现出来。与面相、声音等非接触式身份鉴别方法比较，虹膜识别具有更高的准确性。据统计，虹膜识别的准确性是各种生物识别技术中最高的。3.4.3.2 视网膜识别技术

视网膜也是一种被用于生物识别的特征，某些人认为视网膜是比虹膜更为唯一的生物特征，视网膜识别技术要求激光照射眼球的背面以获得视网膜特征的唯一性。同虹膜识别技术一样，视网膜识别可能是最具可靠性、最值得信赖的生物识别技术，但它运用起来的难度较大。虽然视网膜识别的技术含量较高，但它却是最古老的生物识别技术，在20世纪30年代，通过研究就得出了人类眼球后部血管分布唯一性的理论，进一步的研究的表明，即使是孪生子，这种血管分布也是具有唯一性的，除了患有眼疾或者严重的脑外伤外，视网膜的结构形式在人的一生当中都相当稳定。

视网膜是一种极其固定的生物特征，因为它是“隐藏”的，故而不可能磨损、老化或是受到疾病影响，这是视网膜识别技术的一个优势。视网膜识别技术不需要识别者和设备进行直接的接触，因此是一种非接触式识别。此外，视网膜是一个最难欺骗的系统，因为它是不可见的，故而不会被伪造。

但是，进行视网膜识别时，要求被识别人反复盯着一个小点几秒钟不动，这会让被识别人感觉不好。而且，视网膜技术未经过任何测试，进行视网膜识别是否会给使用者带来健康损害，这需要进一步的研究。此外，视网膜扫描设备受限于一定的图像获取机制，成本高。

3.5 磁卡与IC卡

常用的卡识别技术有两种，即磁卡技术和IC卡技术。其中，磁卡属于磁存储器识别技术，而IC卡则属于电存储器技术。3.5.1 磁卡识别技术

磁卡出现于20世纪70年代，它伴随着自动取款机（ATM）的出现而首先被应用于银行业。目前，磁卡已广泛应用于银行、零售业、电话系统、访问控制、机票和预付款消费等领域。

磁卡应用了物理学和磁力学的基木原理。磁卡是由磁性材料掺以粘合剂而制成的，在干燥之前要在磁场中加以处理，使磁性材料的磁极取向更适合于读写操作。磁卡介质为保持和修改信息提供了既便宜又灵活的方法。信息通过各种形式的读卡器在从磁条中读出或写入磁条中；读卡器中装有磁头，可在卡上写入或读出信息。磁条上存储的信息为二进制编码。

对自动识别设备制造商来说，磁卡就是一层薄薄的由定向排列的铁性氧化粒子组成的材料（也称为涂料），用树脂黏合在一起并粘在诸如纸或者塑料这样的非磁性基材上。

一个完整的磁卡识别系统的配置包括磁卡、读写装置和信息分析平台。每个部分可能有不同的设备类型，因此可能有几千种不同的配置。读卡器的控制器接口标准变化也比较大，最常用的是RS232和RS424。

磁卡识别技术的优点是数据可读写，即具有现场改写数据的能力。数据存储量能满足大多数需求，便于使用，成本低廉，还具有一定的数据安全性。磁条能粘在许多不同规格和形式的基材上，这使磁卡在很多领域中得到了广泛应用，如信用卡、银行ATM卡、机票、公共汽车票、自动售货卡、会员卡、现金卡（如电话磁卡）、地铁自动票务系统等。

磁卡属于接触式识别系统，它与条形码相比有3点不同：一是其数据可作部分读写操作；二是给定面积编码容量比条码大；三是对于物品逐一标识成本比条码高。但是，接触识别的最大缺点就是灵活性太差。

有关磁卡上存储信息和数据格式问题，已经有了ISO标准来规范。但出于设备灵活性和保密性的需要，很多实际应用中并没有遵守这一规范。因此，有必要对现有的ISO标准进行改进，以适应市场的变化。3.5.2 IC卡识别技术

IC卡是一种数据存储系统，在必要时它可附加一定的计算能力（CPU卡）。1984年，第一张IC卡开始作为预付费的电话卡使用。工作时，将IC卡插入阅读器，阅读器的接触弹簧与IC卡的触点产生电流接触，通过接触点给IC卡提供能量和定时脉冲，阅读器与IC卡之间的数据传输是通过双向串行接口（I/O接口）进行的。根据卡的内部结构，IC卡可分为存储器卡和微处理器卡两种，前者仅具有数据存储能力，后者还兼具一定的运算能力。（1）存储器卡

存储器卡的结构如图3-5所示，它是经时序逻辑电路对存储器（大多是一个电可擦除的只读存储器-EEPROM）进行存取的，可以具有一些简单的安全算法。存储器卡的功能大多是针对某些特殊应用的，使用的灵活性受到较大限制。但是存储器卡的价格非常便宜，因此，存储器卡多用于价格敏感的公众生活领域，例如在政府公共医疗系统使用的医保卡以及退休金系统中使用的退休保险卡。图3-5 具有安全算法的存储器卡的典型电路（2）CPU卡

CPU卡包含有如图3-6所示的微处理器。这个微处理器与一个分段存储器（ROM段、RAM段和EEPROM段）相连接。只读存储器（ROM）中包含有微处理器的操作系统，它是在芯片制造过程中装入的。只读存储器的容量和功能在生产时已决定，使用中也不能重写。EEPROM中有应用数据和专用的程序代码，其存储范围只能在操作系统控制下进行读写。随机存取存储器（RAM）是微处理器的暂存器，它存储的数据在断开电源后将消失。图3-6 CPU卡的典型电路

CPU卡是非常灵活的，现代IC卡操作系统也能够使各种应用集成在一张卡里而形成多功能卡。专门的应用程序是在IC卡生产后才装入EEPROM中的，其初始化工作是通过操作系统完成的。

CPU卡多应用于安全敏感领域，如通信系统手机的SIM卡或电子现金卡。此外，CPU卡的编程特性使其可以很快适应新开辟的应用领域。

IC卡的最突出优点是存储容量大、安全性高、抗电磁干扰能力强、使用寿命长。IC卡能使几乎所有与信息或现金交易相关的服务变得更加简便、安全和经济。IC卡市场是增长最快的微电子技术市场之一。

接触式IC卡的缺点是触点对腐蚀和污染缺乏抵抗能力，这样会使阅读器发生故障而增加维护费用；此外，接触式IC卡也不太适用于高温、高腐蚀性的环境，这是接触式IC卡的另一个局限性。

3.6 射频识别系统

射频识别技术是自动识别技术的一个分支，在自动识别技术的发展历程中先后出现了多种技术，这些技术各有特长，但RFID技术最具竞争优势，且发展势头迅猛，RFID系统产品市场已经成为信息产业中增长最快的市场之一。

作为一种最重要的自动识别技术，射频识别技术以其特有的性能优势，掀起了一场物流领域的革命，成为全球物品编码、物质流通、自动配送等领域的首选技术，受到全球各界的广泛关注。它融合了信息技术、计算机技术、网络技术、射频技术等前沿科技，给人类的工业生产、商业流通、日常生活带来了巨大的变革，对提高生产效率、增加社会财富、促进人类社会发展产生了深远的影响。3.6.1 RFID系统概述

RFID技术的基本原理是利用射频信号或空间耦合（电感或电磁耦合）的传输特性，实现对物体或商品的自动识别。射频识别系统与上述的IC卡有着密切的关系。数据存储在电子数据载体（称应答器）之中，应答器的能量供应以及应答器与阅读器之间的数据交换不是通过电流的触点接通而是通过磁场或电磁场，这方面采用了无线电技术。射频识别是无线电频率识别的简称，即通过无线电波进行识别。RFID技术的基础主要是大规模集成电路技术、计算机软硬件技术、数据库技术以及无线电技术。一个典型的RFID应用系统构成如图3-7所示。图3-7 RFID系统构成

图3-7中，射频标签是产品的载体，附着于可跟踪的物品上，在全球范围内流通。阅读器通过主机与数据库系统相连，是读取标签中的产品序列号并将其输入数据库系统获取该产品相应信息的工具。数据库系统由本地网络和全球互联网组成，是实现信息管理和信息流通的功能模块。数据库系统可以在全球互联网上，通过管理软件或系统来实现全球性质的“实物互联”。

RFID技术的前身可以追溯到第二次世界大战（约1940年），当时该技术被英军用于识别敌我双方的飞机。采用的方法是在英方飞机上装识别标签（类似于现在的被动式标签），当雷达发出微波查询信号时，装在英方飞机上的识别标签就会作出相应的回执，使得发出微波查询信号的系统能够判别出飞机的身份，此系统称为敌我识别（Identity Friend or Foe，IFF）系统，目前世界上的飞行管制系统仍是在此基础上建立的。

射频识别技术是在继承雷达概念的基础上发展起来的一种自动识别技术。1948年，Harry Stockman发表的“利用反射功率通信”一文，奠定了RFID的理论基础。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（初级与次级之间的能量传递及信号传递），在高频段基于雷达探测目标的空间耦合模型（雷达发射电磁波信号碰到目标后携带目标信息返回雷达接收机）。

在过去的半个多世纪里，RFID技术的发展经历了以下几个阶段。

1941～1950年，雷达的改进和应用催生了RFID技术，1948年奠定了RFID技术的理论基础。

1951～1960年，RFID技术的早期探索阶段，主要进行实验室研究，其相关理论和技术尚不成熟。

1961～1970年，RFID技术的理论得到了发展，开始了一些应用领域的尝试。

1971～1980年，RFID技术与产品研发处于快速发展时期，并出现了一些早期的RFID应用。

1981～1991年，RFID技术及产品进入商业应用阶段，各种规模应用开始出现。

1991～2000年，RFID技术标准化问题日渐得到重视，RFID产品得到了广泛应用，逐渐成为人们生活中必不可少的一部分。

2001年以后，RFID标准化问题日渐为人们所重视，RFID产品种类更加丰富。有源标签、无源标签及半无源标签均得到了发展，标签成本不断降低，行业的应用规模不断扩大，促使RFID技术的理论得到了丰富和完善。

1999年10月1日Auto-ID Center非盈利性的开发组织正式创建。Auto-ID Center诞生后，迅速提出了产品电子代码EPC（Electronic Product Code）的概念以及物联网的概念与构架，并积极推进有关概念的基础研究与实验工作。EPC与物联网的概念将射频识别技术的应用推到了极致，对射频识别技术的发展与应用的推广起到了极大的推动作用。目前，射频识别技术的理论不断得到丰富和完善。单芯片电子标签、多电子标签识读、无线可读可写、无源电子标签的远距离识别、适应高速移动物体的射频识别技术与产品正在成为现实并走向应用。

RFID技术在我国也有了一定范围的应用。自1993年我国政府颁布实施“金卡工程”计划以来，RFID技术加速了我国国民经济信息化的进程。1996年10月北京首都机场高速公路天竺收费站安装了基于RFID技术的不停车收费系统。为适应全国信息化技术的要求，铁道部于1999年开始投资建设自动车号识别系统，并于2000年开始正式投入使用，作为电子清算的依据。2001年7月上海市虹桥国际机场组合式不停车电子收费系统（ETC）试验开通，被国家经贸委和交通部确定为“高等级公路电子收费系统技术开发和产业化创新”项目示范工程。在2001年，交通部也宣布开发使用电子车牌管理系统。

RFID技术同其他的自动识别技术相比，具有抗干扰能力强、信息量大、非视觉范围读写和寿命长等特优点。RFID正以其独特的技术优势推动社会各个领域的发展，在给人们生产生活带来方便的同时也带来了可观的经济效益。可以预见，随着物联网技术的发展和应用，RFID技术将进一步大放异彩。3.6.2 RFID系统特征与分类

由于射频识别系统品种繁多，为了解射频识别系统的全貌，我们有必要了解射频识别系统的特征，并依据这些特征对现有的射频识别系统进行分类。

射频识别系统的特征包括：工作方式（半双工、双工、时序）、应答器存储数据量、应答器读写方式、应答器能量供应方式、系统工作频率和作用距离、应答器到阅读器的数据传输方式等。依据这些特征，我们可以对不同的射频识别系统进行区分与研究。3.6.2.1 按工作方式分类

就基本工作方式来说，射频识别系统分为全双工（FDX）和半双工（HDX）系统以及时序（SEQ）系统，它们的工作原理如图3-8所示。图3-8 射频系统工作方式

在全双工和半双工系统中，应答器的应答响应是在阅读器接通高频电磁场的情况下发送出去的。与阅读器本身的信号相比，应答器的信号在接收天线上是很弱的，所以必须使用合适的传输方法，以便把应答器的信号与阅读器的信号区别开来。在实践中，人们对从应答器到阅读器的数据传输使用负载调制，负载调制的载波包括子载波以及阅读器发射频率的谐波。在时序方法中，阅读器的电磁场短时间周期性地断开，这些间隔被应答器识别出来，并被用于从应答器到阅读器的数据传输。时序方法的缺点是在阅读器发送间歇时，应答器的能量供应中断，因此需要在应答器中装入足够大的辅助电容器或电池进行能量补偿。3.6.2.2 按供电方式分类

RFID系统的应答器（射频标签）需要供电才能工作，按照标签获取电能方式的不同，可以把标签分成无源标签和有源标签。（1）无源标签

无源标签内部不带电池，要靠外界提供能量才能正常工作。无源标签产生电能的典型装置是天线与线圈，当标签进入系统的工作区域时，天线接收到特定的电磁波，线圈就会产生感应电流，再经过整流电路给标签供电。无源标签具有永久的使用期，常常在标签信息需要每天读写或频繁读写多次的地方，用无源标签支持长时间的数据传输和永久性的数据存储。无源标签的缺点主要是数据传输的距离要比有源标签短。电感耦合无源应答器电路如图3-9所示。图3-9 电感耦合无源应答器RFID系统（2）有源标签

有源标签内部自带电池进行供电，它的电能充足、工作可靠、信号传送的距离远。有源标签可以通过电池的使用寿命对设计标签的使用时间或使用次数进行限制。有源标签的主要缺点是标签的使用寿命受到电池寿命的限制，随着标签内电池电力的消耗，其数据传输的距离会越来越小，从而影响系统的正常工作。

另一种有源标签虽然带有电池，但电池的能量只用来激活系统，系统激活后标签的供电仍来自于阅读器的电磁场，此时应答器进入无源标签工作模式。3.6.2.3 按系统功能分类

系统功能包括数据载体（应答器）的数据存储能力、应答器的读写方式、处理速度、应答器能量来源、密码功能等。

RFID系统常用的3种数据存储器是电擦除可编程只读存储器（EEPROM）、铁电随机存取存储器（FRAM）以及静态随机存取存储器（SRAM）。

RFID系统分为低端系统、中端系统和高端系统，演进过程如图3-10所示。（1）低档系统

只读系统构成低档系统的下端。只读意味着数据载体上的数据虽然能读，但不能重写。只读芯片的数据通常由唯一的串行多字节数据组成。如果把一个只读应答器放入某阅读器的高频磁场，那么应答器就开始连续发送它本身的序列号。通过阅读器启动只读应答器是不可能的。只有从应答器到阅读器的单向数据流在进行。此外，在只读系统的工作中，阅读器的工作范围内只能有一个应答器，否则，两个或多个应答器的同时发射必然发生数据冲突。图3-10 RFID系统的演进

由于只读应答器的功能简单，可以使芯片的面积很小。从而，芯片耗费的功率很小，也降低了生产成本。只读系统在频率小于135 kHz或在2.45 GHz范围内工作。由于微型芯片耗费功率很小，可达到较远的作用距离。

只读系统在功能上能取代条码系统，例如，用在控制货物流、识别产品品种、集装箱、玻璃瓶等方面。（2）中档系统

由许多带有可写数据存储器构成的系统组成射频识别系统的中档部分。这些系统应答器数据存储量的变化范围介于16～l6k字节以上的EEPROM或SRAM之间。在此范围内，系统类型是多种多样的，以致难于给出确切的数量来。

这些系统可工作于任何射频识别系统允许使用的频段，特别是135 kHz、13.56 MHz、27.125 MHz和2.45 GHz。（3）高档系统

具有密码功能（即有验证和数据流密钥）的系统为高档RFID系统，微处理器系统也属于高档系统。使用微理器使得密码学和验证的复杂算法得以实现。当然，用“固定布线”的状态机也是能完成的。

高档系统主要在13.56 MHz频率进行工作。供高档系统使用的存储器容量有几个字节到16 k字节的EEPROM就足够了。3.6.2.4 按工作频率和作用距离分类

工作频率是射频识别系统最重要的特征。通常把阅读器发送时使用的频率称作射频识别系统的工作频率，而不考虑应答器的工作频率。因为在大多数情况下，应答器与阅读器的发送频率一致，只是应答器的发射功率比阅读器的发射功率低几十个百分点。

按工作频率划分，射频识别系统可分为以下几种。（1）低频系统

低频系统的工作频率为30～300 kHz，其典型的工作频率有125 kHz和133 kHz。低频应答器一般为无源标签，其工作能量通过电感耦合方式从阅读器电感线圈的辐射场获取。低频标签与阅读器之间的作用距离通常小于1 m。低频系统多应用于动物识别、容器识别、工具识别、电子防盗锁等领域。（2）高频或射频系统

高频系统的工作频率范围为3～30 MHz，典型工作频率为13.56 MHz和27.12 MHz。高频系统的应答器也多采用无源方式，应答器必须位于阅读器的天线辐射近场区内，系统的作用距离通常小于1 m。随着工作频率的提高，高频系统可实现较高速率的数据传输。高频应答器可做成卡的形状，其典型的应用包括电子车票、电子身份证、电子遥控门锁控制器等。（3）超高频（300 MHz～3 GHz）或微波（>3 GHz）系统。

RFID系统在该频段内的典型工作频率是433 MHz、902～928 MHz、2.45 GHz、5.8 GHz等，应答器包括有源和无源两类。阅读器天线一般为定向天线，工作时应答器位于阅读器天线辐射场的远场区内，只有在阅读器天线的定向波束范围内的应答器才可被读写。微波系统的作用距离一般大于1 m，典型情况是4～7 m。

目前，无源微波系统的应用比较多，产品多集中在902～928MHz的工作频段上。2.45 GHz和5.8 GHz射频识别系统多半以无源微波电子标签产品面世。有源射频标签一般用纽扣电池供电，具有较远的传输距离。3.6.3 RFID系统构成

从功能上讲，RFID类似于条形码系统。条形码系统是将一系列黑白条空构成的编码附着于目标物上，使用读写器将条码信息读入进而对物品进行识别；而RFID技术则是将电子标签附着于目标物上，利用专门的阅读器将物品信息读出。可见，两种识别系统均包含标签和阅读器部分，所不同的是RFID系统更具智能化，使用范围更广。3.6.3.1系统结构

一个典型的射频识别技术系统一般由应答器、阅读器以及应用系统等部分组成，如图3-11所示。其中，应答器也称为射频标签，它是贴附在目标物上的数据载体，一般由耦合元件及芯片组成，每个芯片含有唯一的识别码，一般保存有约定格式的电子数据。标签含有内置天线，用于和阅读器间进行通信。阅读器是非接触式地读取或写入应答器信息的设备。它通过有线或无线方式与计算机系统进行通信，从而完成对射频标签信息的获取、解码、识别和数据管理。阅读器可设计成便携式或固定式。应用系统是RFID系统的信息中心，它根据逻辑运算判断应答器的合法性，并借助阅读器执行对应答器的数据识别及修改（读/写应答器）工作。阅读器可以通过RS232或RS485接口与外部计算机（上位机主系统）连接，进行数据交换。应用系统主要完成数据信息的存储和管理，它可以是简单的小型数据库系统，也可以是集成了RFID管理模块的大型企业资源规划（ERP）数据库管理软件。图3-11 RFID系统组成框图

由于射频识别系统为非接触式自动识别系统，应答器与阅读器之间的数据传输完全由无线方式进行，因此，感应线圈或天线是应答器和阅读器必不可少的组成部件。借助电场或磁场，应答器和阅读器之间才能实现数据传输。3.6.3.2阅读器

阅读器是负责读取或写入标签信息的设备，它可以自成一体，也可以作为部件嵌入到其他系统中。阅读器可以单独实现数据读写、显示和处理等功能，也可以与计算机或其他系统进行联合，完成对射频标签的读写操作。

所有RFID系统的阅读器均可以简化为3个基本功能块：高频接口、控制单元以及天线，如图3-12所示。图3-12 RFID系统的阅读器结构（1）高频接口

阅读器的射频接口担负下列任务：

•产生高频的发射功率，以启动应答器并为它提供能量；

•对发射信号进行调制，用于将数据传送给应答器；

•接收并解调来自应答器的高频信号。

在高频接口中有两个分隔开的信号通道，分别用于往来于阅读器和应答器的两个方向的数据传输。传送到应答器去的数据通过发送器支路，而来自于应答器的数据通过接收器支路来接收。（2）控制单元

阅读器的控制单元结构如图3-13所示，它担负着以下任务：图3-13 阅读器控制单元结构

•与应用系统软件进行通信，并执行应用系统软件发来的命令；

•控制与应答器的通信过程（主-从原则）；

•信号的编码与解码。

对于复杂的中高档系统，控制单元还具有下列附加功能：

•执行反碰撞算法；

•对应答器与阅读器之间要传送的数据进行加密和解密；

•进行应答器和读取器之间的身份验证。（3）阅读器天线

天线是一种能将接收到的电磁波转换为电流信号，或者将电流传号转换成电磁波发射出去的装置。在RFID系统中，阅读器必须通过天线来发射能量，形成电磁场，通过电磁场对电子标签进行识别。因此可以认为，阅读器上的天线所形成的电磁场范围就是阅读器的可读区域。3.6.3.3 应答器

应答器是RFID系统的数据载体，也称为射频标签。依据作用原理，应答器可分为两类，一类是以集成电路芯片为基础的应答器，另一类是利用物理效应的应答器。以集成电路为基础的应答器包括具有简单存储功能的应答器和带有微处理器的智能应答器。1bit应答器和表面波（SAW）元件都属于后一类。（1）具有存储功能的应答器

RFID系统应答器的品种很多，从简单的只读应答器到高档的具有智能密码功能的应答器应用尽有。一般来说，具有存储功能的应答器主要包括4个功能块：天线、高频接口、存储器以及地址和安全逻辑单元。其基本结构如图3-14所示。图3-14 具有存储功能的应答器结构

①应答器天线

对于只读式RFID系统而言，其应答器天线负责将存储器中的固有信息发送给阅读器。而对于读写式RFID系统，其应答器天线不仅负责将存储器信息发送给阅读器，还可接收阅读发送过来的命令和数据，以进行用户的鉴权或应答器数据的更新。

②高频接口

高频接口在应答器天线和其数字电路之间搭建了桥梁，其功能类似于经电话线传送模拟数据的传统的Modem（调制解调器）。

高频接口负责将来自阅读器的模拟信号解调为数字序列码，以提供给地址和安全逻辑模块进行再处理。借助阅读器信号的载频，一个时钟发生器将产生时钟脉冲并提供给应答器工作使用。当需要回送数据至阅读器时，高频接口通过副载波调制器或反向散射调制器等方法对数据进行调制，之后再通过天线发送。

③地址和安全逻辑

地址和安全逻辑是数据载体的心脏，控制着芯片上的所有操作。

④存储器

存储器包括只读存储器、读写存储器以及带有密码保护的存储器。（2）具有微处理器的应答器

具有微处理器的非接触智能卡包含有自己的操作系统，操作系统的任务是对应答器进行数据存取的操作、对命令序列的控制、文件管理以及执行加密算法。

智能卡操作系统中的典型命令处理过程如图3-15所示：由阅读器向非接触IC卡发送的命令由高频接口接收；I/O管理器独立地进行错误识别和数据校正，与更高级的过程无关；密码管理器对接收到的无差错命令进行解密或检查完整性。解密后，高级命令解释程序尝试对命令译码。如果不可能，则调用返回代码管理器，它产生相应的返回代码，并经过I/O管理器送回阅读器。图3-15 带有微处理器的应答器芯片结构

当应答器收到了一个有效命令，则与此应用命令有关的实际程序代码被执行。如果需要访问在EEPROM中的应用数据，则由文件管理系统和存储器管理器来专门执行，它们把所有的符号地址转换成存储区的相应物理地址，即可完成对EEPROM的应用数据的访问。此外，文件管理器还要检查被访问数据的访问条件。（3）声表面波应答器

表面波（SAW）元件是基于声表面波的物理特性和压电效应制成的传感元件。SAW应答器的基本结构如图3-16所示，它是用压电基片按照平面电极结构制成电声转换器（内部数字转换器）和反射器，电极结构是用光刻法完成的。偶极子天线的长度需要符合阅读器的工作频率，电声转换器完成电信号和声表面波信号的转换。图3-16 SAW应答器的基本结构

基于SAW应答器的RFID系统多采用时序法进行数据传输，系统通常工作于微波频段，典型的工作频率为2.45 GHz，其作用距离为1～2 m。

SAW应答器的工作机理为：偶极子天线接收来自阅读器的高频扫描脉冲并将其传送给导电板，加在导电板上的电脉冲引起基片表面发生机械形变，这种形变以声表面波（通常为瑞利波）的形式向两个方向传播；一部分表面波被每个分布在基片上的反射带所反射，其余部分达到基片的终端并被吸收。反射回来的SAW进入内部数字转换器，在其中转换成高

频电脉冲序列，通过偶极子天线反射给阅读器。需要说明的是，阅读器接收到的反射带数量与基片上的反射带数量相同，且脉冲之间的时间间隔与基片上的反射带的空间间隔相对应，因此通过反射带的空间布局就可以表示一个二进制数字序列。

SAW应答器的数据存储能力和数据传输速度取决于基片的尺寸以及反射带之间所能实现的最短距离，例如，16～32 bit的数据传输速率为500 kbit/s。3.6.3.4 应用系统

应用系统主要完成数据信息的存储、管理以及对射频标签的读写控制，也称为数据管理系统。RFID系统的应用管理系统可以是各种大小不一的数据库或供应链系统，也可以是面向特定行业的、高度专业化的库存管理数据库，或者是集成了RFID管理模块的大型ERP数据库的一部分。

应用系统可通过有线或无线的方式与RFID系统的阅读器相连，它由硬件和软件两大部分构成，硬件部分通常为计算机，软件部分则包括各种应用软件及数据库。其中，中间件是一类极为重要且特殊的软件，它是射频标签和应用程序之间的中介，如图3-17所示。图3-17 RFID系统中间件

中间件是一种独立的系统软件或服务程序，各种分布式应用软件借助这种软件在不同的技术之间共享资源。中间件位于客户机、服务器的操作系统之上，管理计算机资源和网络通信。借助中间件提供的通用应用程序接口（API），应用程序可以连接到RFID系统的阅读器，进而读取射频标签中的数据。中间件的存在为应用程序的接入提供了更大的灵活性，即使存储射频标签的数据库软件或后端应用程序改变，或者RFID阅读器增加，应用端不需要修改也能处理，从而解决了多对多连接的维护复杂性问题。3.6.4 RFID系统工作原理

RFID系统的基本工作流程是：阅读器通过发射天线发送一定频率的射频信号，当附着有射频标签的目标对象进入阅读器的电磁信号辐射区域时会产生感应电流；借助感应电流或自身电源提供的能量，射频标签将自身编码等信息通过内置天线发送出去；阅读器天线接收来自射频标签的载波信号，经天线调节器传送到阅读器的控制单元进行解调和解码后，送到应用系统进行相关处理；应用系统根据逻辑运算判断该射频标签的合法性，并针对不同的应用做出相应的处理和控制，发出指令信号并执行相应的应用操作。

下面，我们来讨论应答器与阅读器之间的能量与数据传输。3.6.4.1 能量传输方式

从应答器即电子标签到阅读器之间的能量传输方式来看，RFID系统可以分成两类，即电感耦合系统和电磁反向散射耦合系统。电感耦合通过空间高频交变磁场实现耦合，依据的是电磁感应定律；电磁反向散射耦合即雷达模型，它利用发射出去的电磁波碰到目标后反射，在反射波中携带目标信息，依据的是电磁波的空间传播规律。电感耦合和电磁反向散射耦合原理如图3-18所示。图3-18 RFID系统的能量传输方式

电感耦合方式对应于ISO/IEC14443协议，一般适用于中、低频段的近距离RFID系统，典型的工作频率为125 kHz、225 kHz和13.56 MHz。电感耦合系统的射频标签通常由单个微芯片和用作天线的线圈构成，多为无源标签。利用电感耦合方式的RFID系统的阅读器和射频标签间的作用距离通常小于1 m，典型作用距离为10～20 cm。

电磁反向散射耦合方式一般适用于高频和微波RFID系统，系统工作过程分为以下两个部分。

•射频标签接收阅读器发射的依号，其中包括已调制载波和未调制载波。当标签接收的信号没有被调制时，载波能量全部被转换成直流电压，这个直流电压供给电子标签内芯片能量；当载波携带数据或者命令时，标签通过接收电磁波作为自己的能量来源，并对接收信号进行处理，从而接收阅读器的指令或数据。

•射频标签向阅读器返回信号时，读写器只向标签发送未调制载波，载波能量一部分被标签转化成直流电压，供给标签工作；另一部分能量被标签通过改变射频前端电路的阻抗调制并反射载波来向阅读器传送信息。

电磁反向散射耦合系统的典型工作频率有433 MHz、915 MHz、2.45 MHz和5.8 GHz；阅读器和应答器之间的作用距离一般大于1 m，典型作用距离为4～6 m。3.6.4.2 数据传输方式

•阅读器至应答器的数据传输

在全双工和半双工RFID系统中，所有已知的数字调制方法都可用于从阅读器到应答器的数据传输，这与工作频率或耦合方式无关。常用的二进制数字调制方法包括振幅键控（ASK）、频移键控（FSK）和相移键控（PSK）3种。

•应答器至阅读器的数据传输

考虑到RFID系统包括双工、半双工和时序3种工作模式，并且应答器至阅读器的能量传输方法有电感耦合和电磁反向散射耦合2种，不同工作模式和能量传输方式下应答器至阅读器的数据传输方法也不尽相同，因此，我们将分情况讨论应答器至阅读器的数据传输。（1）双工或半双工RFID系统

应答器至阅读器的数据传输有两种方式：直接负载调制和使用副载波的负载调制。①直接负载调制

电感耦合系统属于变压器耦合型系统，即作为初级线圈的阅读器和作为次级线圈的应答器之间的耦合。只要线圈之间的距离不大于0.16λ（波长），并且应答器处于发送天线的近场之内，变压器耦合就是有效的。

如果把谐振的应答器（就是说，应答器的固有谐振频率与阅读器的发送频率相符合）放入阅读器天线的交变磁场中，那么该应答器就能从磁场取得能量，工作原理如图3-19所示。应答器天线上的负载电阻的接通和断开促使阅读器天线上的电压发生变化，实现近距离应答器对天线电压的振幅调制。如果人们通过数据控制负载电压的接通和断开，那么这些数据就能够从应答器传输到阅读器。人们把这种数据传输方式称作负载调制。图3-19 通过芯片上场效应晶体管漏-源电阻的变化产生负载调制

②使用副载波的负载调制

由于阅读器天线与应答器天线之间的耦合很弱，阅读器天线上有用信号的电压波动在数量级上比阅读器的输出电压小。由于检测这些很小的电压变化需在电路上花费巨大开销，所以考虑利用由天线上电压振幅调制所产生的调制波边带。

如果应答器的附加负载电阻以很高的时钟频率f接通或断开，那H么在阅读器发送频率±f的距离上产生两条谱线，即副载波，它们很H容易被检测到。图3-20是基于电感耦合的射频识别系统应答器副载波调制电路，图3-21是使用副载波的振幅调制信号功率谱图。图3-20 电感耦合RFID系统中应答器的副载波调制电路图3-21 使用副载波的负载调制信号功率谱（2）时序系统

在时序系统中，一个完整的读周期是由充电阶段和读出阶段两个时段构成的。电感耦合时序系统应答器电路如图3-22所示。图3-22 电感耦合时序系统应答器电路

检测器负责监视应答器线圈上的电压，以识别阅读器的断开时刻。当阅读器处于工作状态时，应答器感应线圈中将产生感应电流，此时应答器上的电容器处于充电状态。当应答器识别到阅读器的断开状态时，充电阶段结束，应答器芯片上的振荡器被激活，它与应答器线圈一起构成振荡回路，作为固定频率发生器件使用；此时应答器线圈上产生的弱交变磁场，能被阅读器接收。

为了在无电源供给情况下产生高频调制信号，一个附加的调制电容器与谐振回路并联起来，它产生的频移键控效应可实现2FSK调制。

当所有数据发送完毕后，放电开关接通，应答器上的充电电容开始放电，以保证在下个充电周期到来前完全复位。3.6.4.3 主从关系

如果一个RFID应用系统要从一个非接触的数据载体（应答器）中读出数据或者对一个非接触的数据载体写入数据，它需要一个非接触的阅读器作为接口。从应用软件的角度来看，对数据载体的访问应是尽可能透明的。

对一个非接触的应答器的读/写操作是严格按照“主-从原则”进行的。这意味着，阅读器和应答器的所有动作均由应用软件来控制。因此在一个分层系统结构中，应用软件是作为主动方，而阅读器则作为从属方只对应用软件的读写指令作出反应。为了执行应用软件发出的一条指令，阅读器会与一个应答器建立通信。而相对于应答器，此时的阅读器是主动方。应答器只响应阅读器所发出的指令，从不自主活动。RFID系统的主从关系如图3-23所示。

由应用软件向阅读器发出的一条简单的读取命令，此时会在阅读器和某个应答器之间触发一系列的通信步骤。在表3-2的例子中，一条读取命令首先启动图3-23 RFID系统的主从关系了一个应答器并进行身份验证，然后是传送所要求的数据。表3-2 一个应用（阅读器从应答器读取一个数据）实例

因此，阅读器的基本任务就是启动应答器，与这个应答器建立通信并且在应用软件和一个非接触的应答器之间传送数据。非接触通信的所有具体细节，如建立通信、防止碰撞或身份验证，均由阅读器自己来处理。3.6.5 RFID系统的干扰抑制

RFID系统是一种非接触式无线通信系统。使用非接触技术传输数据时，信号比较容易受到干扰，从而引起传输错误。对于单系统而言，干扰主要来自于环境噪声或其他电子设备，此时可采用接收数据检错和纠错算法来消除或降低干扰的影响。若干扰来自于附近存在的其他同类RFID系统，如阅读器辐射范围内存在多个射频应答器的情况，则需要采用其他的干扰抵消或防碰撞方法来抑制干扰。下面，我们就单个系统的干扰和多系统干扰两种情况来讨论RFID系统的干扰抑制问题。3.6.5.1 单系统干扰抑制

空间信道干扰是所有无线通信系统都要面临的问题，RFID系统也不例外。干扰带来的直接影响是阅读器与应答器之间的数据传输出现错误，这一问题同时存在于标签至读写器的数据传输和阅读器至应答器数据传输两个方面。

应答器在接收阅读器发出的命令或数据时，信道干扰可能引起以下情况：

•应答器错误地响应读写器的命令；

•应答器工作状态发生混乱；

•对应答器的写入进程错误地进入休眠状态。

阅读器在接收到应答器发出的数据信息时出错，会导致以下问题发生：

•阅读器不能识别正常工作的应答器，误判其处于故障状态；

•将一个应答器判别为另一个应答器，造成识别错误。

对于上述两类错误，可能使用的干扰抑制措施包括：通过应答器与阅读器通信的数据完整性方法，检验出受到干扰而出错的数据；通过数据编码提高数据传输过程中的抗干扰能力，使得整个系统的抗干扰能力增强；通过数据编码与数据完整性校验，纠正数据传输过程中的某些差错；通过重发和比较机制，剔除出错的数据并保留判断为正确的数据。3.6.5.2 多系统干扰抑制（1）干扰的产生

在RFID系统的应用过程中，经常会有多个阅读器和多个应答器同时工作的应用场合，这就会造成应答器之间或阅读器之间的相互干扰，这种干扰统称为碰撞。总的来说，碰撞可以分为两种，即应答器的碰撞和阅读器的碰撞。

①应答器的碰撞

每个RFID应答器含有可被识别的唯一信息（序列号）。如果只有一个标签位于阅读器的可读范围内，则无需其他的命令形式即可直接进行阅读；如果有多个标签同时位于一个阅读器的可读范围内，则标签的应答信号就会相互干扰形成数据碰撞，从而造成阅读器和应答器之间的通信失败。

应答器的碰撞产生过程如图3-24所示。阅读器发出识别命令后，处于阅读器信号覆盖范围的各个应答器都将在某一时间做出应答，当出现两个或多个应答器在同一时刻应答或一个应答器没有完成应答时其他标签就做出响应，应答器之间的信号就会互相干扰，这将降低阅读器接收信号的信噪比，造成应答器无法被正常读取。图3-24 多个应答器发生碰撞示意

②阅读器的碰撞

每个阅读器都有一个有限的信号覆盖空间，在这个空间范围内阅读器可以与相应的应答器进行通信，这个空间就是阅读器的询问区域。阅读器的询问区域限制了RFID系统的作用范围，因此，要实现大范围内射频标签的识别，必须在整个范围内配置高密度的阅读器，或者使用多个移动阅读器。

由于阅读器的询问区域通常不是一个片的形状，这就会造成多个阅读器询问区域的重叠。那些询问区域交叉的阅读器之间会互相干扰，经常会引起某个或所有阅读器都不能与处在它们的询问区域内的任一个标签进行通信的情况。阅读器检测到的或者引发的干扰都称为阅读器碰撞。

•阅读器间的频率干扰

阅读器为保证一定的信号覆盖范围，通常具有较大的发射功率。如果两个阅读器的工作频率相近，当一个阅读器处于发射状态而另一个阅读器处于接收状态，且两个阅读器距离较近时，一个阅读器的发射信号会对另一个阅读器的接收产生很强的干扰，造成该阅读器出现接收错误，严重时甚至无法正常识别标签信息。这种因阅读器的同频或邻频发射信号造成的干扰称为阅读器的频率干扰。

•多阅读器—应答器干扰

当一个应答器同时位于两个或多个阅读器的询问区域时，多于一个阅读器同时与该应答器通信而造成的干扰，即标签干扰，如图3-25所示。

图3-25中，应答器1位于阅读器1和2图3-25 多阅读器-应答器发生碰撞示意询问区的重叠区域内，应答器1将同时接收来自两个阅读器的信号，即其接收信号是两个阅读器信号的矢量和。此时，应答器1无法正确接收任何一个阅读器的信息，也就不能做出正确的应答，这会导致两个阅读器都无法正确读出标签1的信息。

•隐藏终端干扰

这实际上是由阅读器的远场辐射所产生的。阅读器的能量辐射范围大于其询问区，即使两个阅读器的询问区域没有重叠但实际辐射范围有重叠，一个阅读器对应的应答器仍然会受到另一个阅图3-26 多阅读器产生的隐藏干读器的远场辐射的影响，从而引起应答扰器接收信号的错误。这种干扰称为终端隐藏干扰，其形成如图3-26所示。（2）干扰的抑制

为了提高标签识别的正确率和阅读速度，必须最小化阅读器碰撞，即尽可能地抑制干扰。如何实现最小化阅读器碰撞的问题称为阅读器防碰撞问题，即干扰抑制问题。

无论是多个应答器之间的碰撞，还是多个阅读器之间的碰撞，RFID系统的工作频率相同或者不同系统占用相同的通信信道是系统间干扰产生的主要原因。而许多通信技术的多址机制，如空分多址（SDMA）、频分多址（FDMA）、时分多址（TDMA）和载波侦听（CSMA）都不能直接用来解决RFID系统的阅读器碰撞问题，这会增加应答器的复杂性和发射功率。因此，需要对现有的多址技术进行改造，以适应RFID系统的多路存取需要。下面，我们来介绍RFID系统的防碰撞方法。

①空分多址法

空分多址（SDMA）法是在分离的空间范围内重新使用频率资源的技术。它在RFID系统中的实现有两种方法，一种方法是使单个阅读器的作用距离明显减少，将阅读器和天线的作用距离按空间区域进行划分，即把多个阅读器和天线放置在一起形成阵列，以提高RFID系统的覆盖面积。这样，联合阅读器的信道容量可以重复性获得。另一种方法是在阅读器上采用一个电子控制定向天线，通常用相控阵天线作为电子控制定向天线，该天线的方向对准某个射频标签（自适应的SDMA），不同的标签可以根据它在阅读器作用范围内的角度位置区分开来。为了与某一标签建立通信联系，必须使定向天线扫描阅读器周围的空间，直至该标签被阅读器的“搜索波束”检测到为止。

由于自适应SDMA系统对天线的结构尺寸有一定的要求，因此，只有频率大于850 MHz的RFID系统才能采用这种多路方法。由于天线系统比较复杂，实现费用比较高，SDMA技术仅用于一些特殊的应用领域。

②频分多址法

频分多址法是把若干个不同载频分别分配给不同用户使用的技术。对RFID系统而言，可以通过使用具有可调整的、非发送频率谐振的应答器来实现。也就是说，阅读器至应答器的传输频率是固定的，其辐射场用于应答器的能量供应和命令数据的传输；而应答器可以采用不同的、相互独立的副载波频率对阅读器进行数据传输。

FDMA技术的一个缺点是阅读器的成本较高，因为每个接收通路必须使用自己单独的接收器。因此，这种防冲突法也限制在少数几种特殊的应用上。

③时分多址法

时分多址即使是把整个通信时间分配给多个用户使用的技术。这种方法首先应用于数字移动通信领域，现在成为RFID系统主要使用的防碰撞技术。应用于RFID系统的TDMA技术可分为应答器控制（驱动法）和阅读器控制（询问驱动法），具体分类见表3-3。表3-3 RFID系统时分多路防碰撞技术分类

应答器控制法的工作是非同步的，因为它对阅读器的数据没有控制。按照应答器成功地完成数据传输后是否通过阅读器的信号断开，又可区分为“开关断开”法和“非开关”法。这种控制法转换很慢而且不灵活，因此大多数RFID系统采用由阅读器作为主控制器的控制方法，即所有的应答器同时由阅读器进行控制和检测。

阅读器控制法是通过一定的算法，从其作用询问区域内的所有标签中选择一个进行相互通信；只有当原来的通信关系解除后，另一个标签才可以进行通信连接。因为在某一时间内只能建立唯一的通信关系，也就是单个标签占用信道通信，可以按时间顺序快速地操作众多标签，所以阅读器控制的方法也称作定时双工传输法。TDMA技术实现简单，并可以很好地避免标签碰撞问题。3.6.6 RFID系统中间件

RFID中间件是应答器和应用系统之间的中介，应用程序使用中间件提供的一组通用应用程序接口（API）即能连接到RFID阅读器，读取RFID标签数据。

RFID系统的中间件是一种面向消息的软件，信息以消息的形式从一个程序传输到其他程序。信息可以以异步方式传送，所以传送者不必等待回应。面向消息的中间件不仅负责信息的传递，还包括解译数据、安全性、数据广播、错误恢复、定位网络资源、路径选择、消息与要求的优先次序以及延伸的除错工具等。

RFID中间件技术重点研究的内容包括并发访问技术、目录服务及定位技术、数据及设备监控技术、远程数据访问、安全和集成技术、进程及会话管理技术等。3.6.6.1 RFID系统中间件的功能

RFID系统中间件在实际应用中起到数据的处理、传递和阅读器的管理等功能，具体包括以下几个方面：

•能够为阅读器提供不间断接口标准的接口功能；

•有数据过滤和传输功能，阅读器将不断从射频标签读取大量未经处理的数据，因此阅读器必须对接收数据进行选择和过滤；

•能够管理RFID阅读器和应答器，包括远近距离监控、软件配置升级、电源通断和遥控通断以及数据安全管理；

•支持多个主平台的RFID数据请求，常见的主平台包括仓库管理系统、运输管理系统、物流管理系统、流通环节管理以及数据库；

•支持现有的系统，即具有向下兼容性。

中间件在RFID系统中扮演着与现有流程数据的整合以及处理系统数据的重要角色，因此，中间件的设计必须到达以下4个目标：

•中间件具有协调性，可以提供一致的接口给不同厂商的应用系统；

•提供一个开放且具有弹性的中间件构架；

•规定阅读器的标准功能接口；

•在完成中间件基本功能的基础上，强化对多个阅读器接口的功能以及对其他系统的数据安全保护。3.6.6.2 RFID系统中间件架构

RFID中间件系统可以分为两类。

•以应用程序为中心（Application Centric）

这类系统主要是通过RFID Reader厂商提供的API，以Hot Code方式直接编写特定的Reader读取数据的Adapter，并传送至后端系统的应用程序或数据库中，从而达到与后端系统或服务串接的目的。

•以架构为中心（Infrastructure Centric）

随着企业应用系统复杂度的增加，企业无法负荷以Hot Code方式为每个应用程序编写Adapter，同时面对对象标准化等问题，企业可以考虑采用厂商提供的标准规格的RFID中间件。这样，即使存储RFID系统射频标签信息的数据库软件改由其他软件代替，或读写RFID标签的阅读器种类增加，应用程序不想修改也能应付这种变化。

为开发出符合应用需求的RFID中间件，规划出符合国际标准的软件平台，根据RFID系统各部分部件的不同功能，中间件可以划分为表示逻辑层、业务逻辑层和数据访问层3个功能层。表示逻辑层指示用户如何与应用程序进行交互以及信息如何表示，业务功能层是装载应用程序的核心，用来控制内嵌在应用程序中的业务处理（或其他功能）的规则；数据访问层负责本层控制与程序使用数据源（一般是数据库）的连接，并从这些数据源中取得数据，提供给业务逻辑层。

应用程序的接口由3个截然不同的层次组成，如图3-27所示。图3-27 中间件的分层结构

•内容层

该层详细地说明了中间件和应用程序之间抽象的交换内容，是应用程序接口的核心部分，定义为能够完成何种请求的操作。

•信息层

该层说明了内容层中被定义的抽象内容是如何通过一种特殊的网络传输编译并传输的。安全服务也在这一层被界定，信息层详细阐述了一个基本的网络连接是如何被建立的，任何初始化信息都需要建立同步或者初始化安全服务以及一些类似于通过每一条信息被执行的编译码的运行。

•传输层

该层与操作系统规定的网络工作设备关系密切。

RFID中间件规定了信息层多种选择的执行，每种执行都被称为信息/传输绑定（MTB）。不同的MTB提供不同种类的传输，例如TCP/IP、蓝牙以及其他通信协议，又如SOAP、XML、MQSeries。不同的MTB提供不同种类的安全服务。不管使用何种MTB，中间件的执行允许通过应用程序接口建立多重的、同步的独立连接。处理模块有一致动作连接的准备以及随时实现一些关闭操作，以确保同时连接的正确性。3.6.6.3 RFID系统中间件构成

中间件包括阅读器接口（Reader Interface）、处理模块（Processing Module）及应用程序接口（Application Interface）3部分，如图3-28所示。其中，阅读器接口负责前端和相关硬件的沟通接口；处理模块包括系统与数据处理模块；应用程序接口负责后端与应用软件的沟通接口及使用者自定义的功能模块。图3-28 RFID系统中间件的构成

阅读器接口包含3个功能：提供阅读器硬件与中间件的连接接口；负责阅读器和适配器与后端软件之间的通信接口，并能支持多种阅读器和适配器；能够接收远程命令，控制阅读器和适配器。

处理模块包含5个功能：能够观察所有阅读器的状态；提供处理模块向系统注册的机制；提供电子货物编码（EPC）和非EPC转化的功能；提供管理阅读器的功能，如新增、删除、停用、群组等功能；提供过滤不同阅读器接收内容的功能，进行数据处理。

应用程序接口功能包括连接企业内部现有数据库（如存货系统）或EPC相关数据库，使外部应用系统可透过中间件取得相关EPC及非EPC信息。

中间件被定义成具有一系列特殊属性的“程序模块”或“服务”，并被用户集成以满足他们的特定需求。这些模块设计的初衷是能够支持不同群体对模块的扩展，而不是满足所有应用的、简单的集成化电路。中间件是连接射频标签和应用程序的纽带，代表应用程序提供一系列计算功能，在将数据送往应用程序之前，它对射频标签接收的数据进行过滤、汇总和计数，压缩数据容量，以减少网络流量。中间件只向上层转发它感兴趣的某些事件或事件摘要。3.6.7 RFID系统工作频段与适用协议3.6.7.1 RFID系统工作频段

射频识别系统产生并辐射电磁波，所以它理所当然被划分为无线电系统，其他无线电业务的功能应不受射频识别系统工作的干扰或削弱，特别是应保证射频识别系统不会干扰附近的无线电广播和电视广播、移动的无线电服务（如警察、安全服务、工商业）、航运和航空用无线电服务和移动电话等。

要求顾及其他的无线电服务在很大程度上限制了射频识别系统工作频率的选择，因此，通常只能使用特别为工业、科学和医疗应用而保留的频率，这些频率位于在全世界范围内被分类的ISM（Industry-Scientific-Medical）频段内，它们也可以作射频识别应用。RFID系统可用的频段如图3-29所示。图3-29 RFID系统使用频段注：RFID系统使用的频段包括135 kHz以下的长波频段，经短波和超短波直至微波范围，最高频率为24 GHz，优先使用ISM频段。

除了ISM频段外，在135 kHz以下的整个频率范围也是可用的（在北美洲和南美洲以及在日本使用小于400 kHz的频段），因为这里可以用较大的磁场强度工作，特别适用于电感耦合的射频识别系统。

射频识别系统使用的最主要频段是0～135 kHz以及ISM频率6.78 MHz（在德国目前尚未提供使用）、13.56 MHz、27.125 MHz、40.68 MHz、433.92 MHz、869.0 MHz、915.0 MHz（在欧洲不使用）、2.45 GHz、5.8 GHz以及24.125 GHz。

目前，欧洲电信标准研究所（ETSI）拟定的标准EN300330、EN300220及EN300440都和射频识别系统有关。

电感无线电设备，即电感耦合的射频识别系统的欧洲许可证条例的基础由标准EN300330提供，被命名为“无线电设备和系统（RES）；短距离设备（SRDS），在9 kHz～25 MHz频率范围内的无线电设备以及9kHz～30MHz频率范围内的电感耦合系统的技术特性和试验方法”。除了电感无线电设备外，EN300330还涉及防盗装置（商店用）、报警系统、遥测系统和短距离遥控系统，这些都被称为“短距离设备（SRDS）”的一类。3.6.7.2 RFID系统适用协议

与RFID技术和应用相关的国际标准化机构主要有：国际标准化组织（ISO）、国际电工委员会（IEC）、国际电信联盟（ITU）、世界邮联（UPU）。此外还有其他区域性标准化机构（如EPC Global、UID Center、CEN）、国家标准化机构（如BSI、ANSI、DIN）和产业化联盟（如ATA、AIAG、EIA）等也制定与RFID相关的区域、国家或产业联盟标准，并通过不同的渠道提升为国家标准。（1）RFID标准体系结构

RFID标准化的主要目标在于通过制定、发布和实施标准，解决编码、通信、空中接口和数据共享等问题，最大程度地促进RFID及相关系统的发展，保证射频标签能够在全世界范围跨地域、跨行业、跨平台使用。

目前，RFID还未形成统一的全球化标准，但随着全球物流行业RFID大规模应用的开始，RFID标准的统一已经得到业界的广泛认同。RFID标准体系基本结构如图3-30所示，主要包括技术标准（如符号、射频识别技术、IC卡标准等）、应用标准（如船运标签、产品包装标准等）、数据内容标准（如编码格式、语法标准等）和性能标准（如印刷质量、测试规范等标准）。其中编码标准和通信协议（通信接口）是争论比较激烈的部分，它们也构成了RFID标准的核心。图3-30 RFID标准体系基本结构（2）RFID技术标准

RFID技术标准主要定义不同频段的空中接口及相关参数，包括基本术语、物理参数、通信协议和相关设备等。例如，RFID中间件是RFID标签和应用程序之间的中介，从应用程序端使用中间件所提供的一组应用程序接口（API），即能连接到RFID读写器，读取RFID标签数据。RFID中间件采用程序逻辑及存储再转送的功能来提供顺序的消息流，具有数据流设计与管理的能力。RFID技术标准基本结构如图3-31所示。图3-31 RFID系统技术标准（3）RFID应用标准

针对RFID技术的广阔应用前景，我国应当尽早了解RFID应用领域的现状（如动物识别、防伪防盗、产品跟踪、交通运输、收费管理、门禁考勤、身份识别和物流管理等），研究RFID技术应用标准体系，阐明符合重点行业特点的RFID应用模式，从而加快射频识别技术在重点行业的应用，提高射频识别技术的应用水平，促进物流、电子商务等信息技术的发展，推动我国自动识别产业的发展，并提供咨询服务。

RFID应用标准主要涉及特定应用领域或环境中RFID的构建规则，包括RFID在物流配送、仓储管理、交通运输、信息管理、动物识别、矿井安全、工业制造和休闲娱乐等领域的应用标准与规范。RFID应用标准基本结构如图3-32所示。图3-32 RFID系统应用标准（4）RFID数据标准

RFID数据内容标准主要涉及数据协议、数据编码规则及语法，包括编码格式、语法标准、数据符号、数据对象、数据结构和数据安全等。RFID数据内容标准能够支持多种编码格式，如EPCglobal和DoD等规定的编码格式，也包括EPCglobal所规定的标签数据格式标准。（5）RFID性能标准

RFID性能标准主要涉及设备性能及一致性测试方法，尤其是数据结构和数据内容（即数据编码格式及其内存分配），主要包括印刷质量、设计工艺、测试规范和试验流程等。

3.7 自动识别系统比较

前面介绍了目前常见的几种自动识别系统：条形码系统、光学符号系统、生物识别系统、磁卡和IC卡系统以及RFID系统。识别系统之间的比较见表3-4。表3-4 自动识别系统比较

条形码技术成本最低，适用于商品需求量大且数据不必更新的场合，但其存储的数据量小，较易磨损，仅能一次性使用。

光学符号识别系统多应用于有一定保密要求的领域，诸如支票识别、电子防伪等领域，识别设备比较复杂且比较昂贵。

生物识别技术是计算机与光学、声学、生物传感器和生物统计学原理等高科技手段密切结合，利用人体固有的生理特征（如语音、指纹、虹膜、视网膜等）和行为特征（如笔迹、声音、步态等）来进行个人身份的鉴定。生物特征识别技术具有不易遗忘、防伪性能好、不易伪造或被盗、随身“携带”和随时随地可用等优点，但缺点是成本高。

磁卡和IC卡的成本也相对便宜，但是容易磨损和折断，存储数据量小。IC卡的价格稍高，数据存储量较大，数据安全性好，但使用时必须与读写设备相接触，同时它的触点暴露在外面，有可能因静电或人为原因损坏。

从以上分析可以发现，射频识别技术在存储数据量、机器识别性、环境敏感度、生产成本等方面具有绝对的优势，因而，RFID技术是物联网走向实用化的一项关键技术，相应的RFID设备也是物联网重要的终端设备。

参考文献

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8．王永. RFID系统中的碰撞问题研究［M］．上海：华东师范大学图书馆，2009.

第4章 感知延伸层——采集

传感技术、通信技术和计算机技术是现代信息技术的三大支柱，构成信息系统的器官、神经和大脑。广义的传感技术即信息采集技术，它是信息技术的基础，同样是物联网实现万物信息互联的重要终端技术。传感技术的研究对象即传感器设备，其性质、质量和水平直接决定了信息系统的功能和质量，也决定了物联网“神经末梢”的工作状态和能力。

4.1 概述

传感器是一种能把特定的被测量信息（包括物理量、化学量、生物量等）按一定规律转换成某种可用信号输出的器件或装置。这里所谓的“可用信号”是指便于处理、传输、存储、显示、记录和控制的信号。目前，电信号是最易于处理和便于传输的信号，因此传感器的狭义定义为：能把外界非电信息转换成电信号输出的器件或装置。将来进入光子时代，光信息将成为更便于迅速、高效地处理与转换的可用信号，那时传感器的概念可随之发展为：传感器是能把外界信息转换为光信号输出的器件或装置。

国家标准（GB/T 7665—1987）对传感器的定义是：能感受规定的被测量并按一定的规律转换成可用信号输出的器件或装置。因此，传感器的定义包含3层含义：①传感器是测量器件或装置，能完成一定的检测任务；②传感器的输入量是某一被测量，可能是物理量、化学量或生物量；③传感器的输出量是某种便于传输和处理的物理量，且输出与输入信号有确定的对应关系。

随着信息科学与微电子技术的发展，特别是微型计算机与通信技术的迅速发展，传感器与微处理器、微型计算机相结合，产生了智能式传感器。智能式传感器包括智能化传感器与智能传感器两种主要形式，前者采用微处理器或微型计算机系统来扩展和提高传统传感器的功能，传感器和微处理器成为两个分立的功能单元，传感器的输出信号经放大、调节和转换后由接口送入微处理器处理。智能传感器是借助于半导体技术将传感器部分与信号调节电路、接口电路和微处理器集成在同一块芯片上，即构成大规模集成电路的智能传感器。智能传感器具有多功能、一体化、集成度高、体积小、适宜于大批量生产、使用方便等优点，是传感器的必然的发展趋势。4.1.2 传感器的构成

传感器一般由敏感元件、传感元件、测量电路和辅助电源4部分构成，如图4-1所示。图4-1 传感器组成框图（1）敏感元件

它是指传感器中能直接感受被测非电量信号，并将非电量信号按一定对应关系转换成易于转换为电信号的另一种非电量信号的元件。如应变式压力传感器中的弹性膜片就是敏感元件，它的作用是将压力转换为弹性膜片的变形。（2）传感元件

它是能将敏感元件输出的非电信号或直接将被测非电信号转换成电信号输出的元件。传感元件又叫转换元件或变换器，如应变式压力传感器中的应变片就是传感元件，它的作用是将弹性膜片的形变转换为电阻值的变化输出。（3）测量电路

又称为信号调节与转换电路，或称为转换电路。它能将传感元件输出的电信号转换为便于显示、记录、处理和控制的有用电信号的电路。其作用是对信号进行调节与转换，或将电阻、电容、电感等参量转换为电流、电压或频率输出，或将小信号调节为大信号输出。常用的测量电路有电桥、变阻器、振荡器及放大器等。（4）辅助电源

其作用是为传感元件和测量电路提供能量。

组成传感器的4个部分的相互关系是：敏感元件为触须，直接感受被测非电量；传感元件是核心，负责将非电量信号转换为电信号；测量电路负责把传感元件输出的电信号转换为有用信号；辅助电源补充能量。

敏感元件和传感元件是传感器的主要组成部分。随着半导体集成技术的发展，传感器的信号调节和转换电路可以与敏感元件一起集成在一块芯片上。当然，并非所有的传感器都有测量电路和辅助电源。4.1.3 传感器的分类

传感器的种类繁多，一种被测量可以用不同的传感器来测量，而同一原理的传感器又可以测量多种被测量，因此分类方法五花八门，目前尚没有统一的分类方法。常见的传感器分类方法见表4-1。表4-1 传感器分类

无论何种传感器，作为测量与控制系统的首要环节，通常都必须能快速、准确、可靠而又经济地实现信息转换，因此，对传感器有以下基本要求。

•足够的量程。传感器的工作范围或量程应足够大，且具有一定的过载能力。

•灵敏度和精度较高。要求传输信号与被测信号呈确定的关系（通常为线性），且比值要大；传感器的静态响应与动态响应准确度能满足要求。

•响应速度快，工作稳定，可靠性好。

•适应性强。传感器应具有体积小、重量轻、耗能小、对被测对象状态影响小等特点；内部噪声要小且不易受外界干扰影响；输出能采用通用或标准形式，以便于系统相连。

•经济性。成本低、寿命长，且便于使用、维护和校准。

当然，能同时满足上述要求的传感器很少，我们应根据应用要求、使用环境、被测对象状况、精度要求和信息处理等具体条件综合选取传感器。4.1.4 传感器选用原则

现代传感器在原理与结构上千差万别，如何根据具体的测量目的、测量对象以及测量环境合理地选用传感器，是在进行某个量的测量时首先要解决的问题。当传感器确定之后，与之相配套的测量方法和测量设备也就可以确定了。测量的成败，在很大程度上取决于传感器的选用是否合理。（1）根据测量对象与测量环境确定传感器的类型

根据被测量的特点和传感器的使用条件来考虑以下问题：量程的大小；被测位置对传感器体积的要求；测量方式为接触式还是非接触式；信号的引出方法，有线或是无线；传感器的来源，国产还是进口，价格能否承受，还是自行研制。在考虑这些问题之后就能确定选用何种类型的传感器，然后再考虑传感器的具体性能指标。（2）灵敏度的选择

通常，在传感器的线性范围内，希望传感器的灵敏度越高越好，这样有利于信号处理。此外，传感器的灵敏度是有方向性的。当被测量是单向量，而且对方向性要求较高时，应选择方向灵敏度小的传感器；如果被测量是多维向量，则要求传感器的交叉灵敏度越小越好。（3）频率响应特性

传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围。传感器的频率响应高，可测的信号频率范围就宽，而由于受到结构特性的影响，机械系统的惯性较大，因此频率低的传感器可测信号的频率较低。在动态测量中，应根据信号的特点（稳态、瞬态、随机等）响应特性进行选择，以免产生过大的误差。（4）线性范围

传感器的线性范围是指输出与输入成正比的范围，在此范围内传感器灵敏度保持定值。传感器的线性范围越宽，则其量程越大，并且能保证一定的测量精度。在选择传感器时，当传感器的种类确定以后首先要看其量程是否满足要求。

实际上，任何传感器都不能保证绝对的线性，其线性度也是相对的。当所要求测量精度比较低时，在一定的范围内，可将非线性误差较小的传感器近似看作线性的，这会给测量带来极大的方便。（5）稳定性

传感器使用一段时间后，其性能保持不变化的能力称为稳定性。影响传感器长期稳定性的因素除传感器本身结构外，主要是传感器的使用环境。在选择传感器之前，应对其使用环境进行调查，并根据具体的使用环境选择合适的传感器，或采取适当的措施，降低环境的影响。（6）精度

精度是传感器的一个重要的性能指标，是关系到整个测量系统测量精度的一个重要环节。传感器的精度越高，其价格越昂贵，因此，传感器的精度只要满足整个测量系统的精度要求就可以，不必选得过高。这样就可以在满足同一测量目的的诸多传感器中选择比较便宜和简单的传感器。

如果测量目的是定性分析，选用重复精度高的传感器即可，不宜选用绝对量值精度高的；如果是为了定量分析，必须获得精确的测量值，就需选用精度等级能满足要求的传感器。

对某些特殊使用场合，无法选到合适的传感器，则需自行设计制造传感器。自制传感器的性能应满足使用要求。

4.2 光电传感技术与设备

光信息采集系统主要是通过采集与被测量变化相关的光信号，将其转换为某种易于识别与处理的物理信号（如电信号），然后对信号加以分析并输出的系统。简言之，光信息采集系统的作用是发现信号、测量信号，并为后续应用提取某些必要信息的系统。其中，光探测器（传感器）是光信息采集系统的关键设备，其性能直接影响整个光信息采集系统的探测质量。目前，光探测器已广泛用于测距、通信、定位、制导、遥感、工农业生产和科学研究中，以进行各种测量和控制。

主要的光信息采集设备包括光电传感器、激光传感器以及红外传感器，它们在非接触测量领域占据着重要地位。4.2.1 光电传感器

光电传感器是以光信号为测量媒介，以光电器件为转换元件的传感器，具有非接触、响应快、灵敏度高、性能可靠、可以进行三维探测等特点。

光电传感器即光辐射探测器。光辐射探测技术是光电子技术的一个重要组成部分。随着新型相干光源及高灵敏度光电传感器的相继问世，光电传感技术得到很大发展。在探测方法上，在传统的直接探测（又称非相干探测）的基础上又发展了光外差探测（又称相干探测）方法。此外，光辐射探测技术也是现代光学仪器技术的重要组成部分。过去依靠人眼直接观察、瞄准的光学仪器发展成利用光探测器把光信号转换成电信号以进行显示或控制。

目前，光探测器的发展方向是集成化，即将探测器、场效应管（FET）等元件置于同一基片上，这可大大缩小体积、改进性能、降低成本、提高稳定性并便于系统集成。4.2.1.1 光电传感器基本结构

光电传感器通常由光源、光通路、光电元件和测量电路4部分构成。根据被测量对光源的不同控制方式，可以分为自源式和外源式两种，如图4-2所示。自源式光电传感器的输入光信号由被测量本身提供，外源式光电传感器的输入光信号来自外部光源，被测量通过控制光源的变化来传递自身状态的变化。图4-2 光电传感器的基本构成（1）光源

光源是光电传感器的一个重要组成部分。光具有波粒二象性，既有波动性，又有粒子性。组成光的粒子为光子。不同频率的光具有不同的能量，光的频率越高（即波长越短），对应光子的能量越大，作为光子能量和的光信号的能量也越大。

工程检测中的光信号可以由各种发光体产生，也可以是物体的辐射光。常用的光源分为四大类：热辐射光源、气体放电光源、激光器和发光二极管。

热辐射光源是指物体的辐射光。物体的温度越高，辐射能量越大，辐射光谱的峰值波长也就越短。白炽灯等就是一种典型的热辐射光源。利用电流通过气体而使气体发光的原理制成的光源为气体放电光源。改变气体的成分、压图4-3 典型的发光二极管力、阴极材料和激励电流的大小，可以得到位于某一光谱范围的辐射源。发光二级管是一种电致发光器件，它是利用固体发光材料在电场激发下产生光源的原理制成的，如图4-3所示。除了发光二极管，半导体激光器和电致发光屏等也是典型的电致发光器件。

激光是一种高亮度光，它是利用物质的原子在能级跃迁时发出特定频率光子的原理制成的。激光的单色性很好，方向性和亮度也很好。（2）光通路

光通路是光源进入光电转换元件的通道。对于外源式光电传感器，待测量将在此处进入，通过自身的变化来引发外部光源的变化，从而实现对光源的控制。（3）光电元件

实现光电转换的核心，即把光信号按一定的对应关系映射为电信号。如果说光源的特性是光电转换器在源头上的关键性影响因素，那么光电转换元件就是转换的主体部件，其转换性能也决定着后续处理过程的质量。光电元件的基本原理是基于光辐射与物质相互作用所产生的光电效应和热电效应。（4）测量电路

对光电元件输出的信号进行再处理，以进行存储、传输或显示等。4.2.1.2 光电效应传感器

所谓光电效应，是指物体吸收了光能以后，转换为该物体中某些电子的能量而产生电能的反应。当光辐射入射到光电材料上时，材料发射电子或者其电导率发生变化，或者产生感生电动势。光电子在外加电场中运动将形成电流，从而完成光信号到电信号的转换。

能产生光电效应的光电材料主要有硫化镉（CdS）、锑化铟（InSb）、硒（Se）和半导体材料。按照是否发射电子，光电效应分为内光电效应和外光电效应。（1）外光电效应传感器

在入射光的作用下，物体内的电子溢出物体表面向外发射的现象称为外光电效应，又称为电子发射效应。具有外光电效应的材料（例如金属、半导体等）称为光电子发射体，在利用外光电效应制成的光电子发射器件中，光电子发射体称为光电阴极。

金属光电子发射体只能用于制作探测可见光和紫外光的光电子发射器件。半导体材料广泛用作光电子发射体。半导体光电子发射体比金属光电子发射体需要的光激发能量小，因此其光谱响应可扩展到近红外波段。

典型的外光电效应光电传感器有光电管和光电倍增管，如图4-4所示。图4-4 光电管和光电倍增管结构（2）内光电效应传感器

物体受光照射后，其内部原子释放出的电子并不逸出物体表面而仍留在内部，使物体的电阻率发生变化或产生光电动势的现象称为内光电效应。内光电效应包括光电导效应、光生伏特（光伏）效应。

物体受到光照后，物质吸收入射光子的能量使其内部载流子被激发而使其导电率增加，电阻值下降的现象称为光电导效应。绝大多数二电阻半导体都具有光电效应。基于光电导效应的光电器件有光敏电阻，其常用的材料有硫化镉（CdS）、硫化铅（PbS）、锑化铟（InSb）、非晶硅等。除了光敏电阻，光敏二极管、光敏三极管、光敏晶闸管以及光敏集成器件等也是基于光电导效应的光电传感器。光敏电阻及其应用电路如图4-5所示。图4-5 光敏电阻及其应用电路

在光线的作用下，物体在某一方向上产生电动势的现象称为光生伏特效应，它又包括侧向光生伏特效应、PN结光生伏特效应、光磁电效应（PEM效应）以及贝克勒尔（Bequerl）效应。基于光生伏特效应的光电传感器件有半导体位置敏感器件（简称PSD）、光电池、太阳能电池等。常用的光电池结构如图4-6所示。图4-6 光电池结构示意

光电池的基本原理与光敏二极管相同，但它们的基本结构和制造工艺不完全相同。由于光电池工作时不需要外加偏压、光电转换效率高、光谱范围宽、频率特性好、噪声低等，已广泛地用于监测和自动控制领域，如光电读出、光栅测距、激光校准、紫外光监视器和燃气轮机的熄火保护装置等。4.2.1.3 热电效应及主要器件

物质的某些性质随入射光的照射作用引起温度变化的现象称为热效应。热效应将引起材料的温度上升。当晶体温度变化时，其原子排列将产生变化，晶体自然极化，从而引起晶体表面的束缚电荷发生变化，在晶体一个表面感应出极化正电荷，对应表面感应出极化负电荷，两个表面间就形成了感应电势。这种现象称为热释电效应，它与光子能量直接转换给光电子的光电效应有本质不同。能产生热释电效应的材料称为热释电体，又称为热电元件。

最早用来探测可见光和红外辐射的热释电探测器有热电偶、金属薄膜测辐射热计、金属氧化物热敏电阻测辐射热计、气动探测器等。目前，常见的热释电探测器有TGS（硫酸三甘肽）及其同晶体探测器、SBN（铌酸锶钡）热释电探测器、LiTaO（钽酸锂）热释电探测2器、压电陶瓷热释电探测器以及PVF2（聚二氟乙烯）热释电探测器。一种热释电开关及其电路如图4-7所示。图4-7 热释电开关及其电路4.2.1.4 光电传感器应用举例（1）烟尘浊度监测仪

防止工业烟尘污染是环境保护的重要任务之一。为了消除工业烟尘污染，首先要知道烟尘排放量，因此必须对烟尘源进行监测、自动显示和超标报警。

图4-8是吸收式烟尘浊度监测系统的组成框图。为了检测出烟尘中对人体危害最大的亚微米颗粒的浊度，同时避免水蒸气与二氧化碳对光源衰减的影响，选取可见光作光源（400～700 nm波长的白炽光）。光检测器光谱响应范围为400～600 nm的光电管，获取随浊度变化的相应电信号。为了提高校测灵敏度，采用具有高增益、高输入阻坑、低零点漂移的运算放大器对信号进行放大。刻度校正被用来进行刻度调零与调满，以保证测试的准确性。显示器可显示浊度瞬时值。报警电路由多谐振荡器组成，当运算放大器输出浊度信号超过规定值时，多谐振荡器工作，输出信号经放大后推动喇叭发出报警信号。图4-8 烟尘浊度检测仪原理框图（2）条形码扫描笔

条形码系统是一种广泛应用在商品流通管理领域的自动识别技术。条形码是由黑白相间、粗细不同的线条组成的，它含有商品型号、规格、价格等许多信息。对这些信息的检测是借助光电扫描来实现的。4.2.2 激光传感器

自问世以来，激光技术一直以极快的速度发展，新的激光器件也不断涌现。目前，激光技术已经成为一门重要的科学技术，广泛应用于工业生产、军事国防、医疗卫生和测量等各个领域。4.2.2.1 激光器分类

能产生激光的设备为激光器。按激励物质分类，常用激光器有以下几种。（1）固体激光器

常用的固体激光器有红宝石激光器、掺钕的钇铝石榴石激光器（YAG激光器）和钕玻璃激光器，它们的激励物质为固体，具有体积小、功率大的特点。（2）液体激光器

常用的液体激光器有有机液体燃料激光器和无机液体激光器等，其特点是激励物质为液体，发出的激光波长在一定范围内连续可调。（3）气体激光器

气体激光器的光学均匀性、单色性、相干性、稳定性都很好，且能连续工作；但气体激光器的输出功率比较低，要低于固体激光器。现有的气体激光器包括气体原子、金属蒸汽、气体分子激光器等，常用的有CO激光器、氦—氖激光器。2（4）半导体激光器

半导体激光器是一种效率高、体积小、重量轻、结构简单、但输出功率小的激光器，其中有代表性的是砷化镓激光器。半导体激光器广泛应用于飞机、军舰、炮弹制导、测距等领域。4.2.2.2 激光传感器的应用

激光传感器是以激光作为光源，配以相应的光敏元件而构成的光电转换装置。它具有精度高、测量范围大、检测时间短、非接触式等优点，常用于测量长度、位移、速度、振动等参数。（1）激光流速计

多普勒流速计包括光学系统和多普勒信号处理两部分，当激光照射到流体内的运动微粒上时，散射光的频率将产生多普勒频移，其大小如式4-1所示。

其中，v是流体的运动速度，λ是激光的波长。可以看到，激光的多普勒频移与流体运动速度成正比，因此，测出激光散射光的频率偏移，就可以得到被测流体的流速。（2）激光测速

利用激光方向性强的特点可以测量汽车、火车等运动物体的速度。当被测物体进入相距为S的两个激光器之间（测速区）时，两个激光器发出的激光光束先后被遮挡，利用计数器记录主振荡器在先后遮挡两束激光的时间间隔内的脉冲数N ，即可求得被测物体的速度，如式4-2所示。

其中，f为主振荡器的振荡频率。

激光测速仪的测量精度很高，当被测对象时速为200km时，测量精度可达1.5％；时速为100km时，精度为0.8％。4.2.3 红外传感器

能将红外光辐射量的变化转化为电量变化的装置称为红外传感器或红外探测器，它可以分为红外光电传感器和热敏传感器两大类。红外辐射技术是近年发展起来的一门新兴技术，已广泛应用于科学研究、军事工程和医学治疗领域，如红外制导、红外成像、红外遥感等。红外传感器是红外辐射技术的重要工具，也是各种应用领域的关键部件。4.2.3.1 红外传感器分类

按探测机理，红外传感器可分为光子探测器和热探测器两种。红外半导体光敏元件对红外光具有极高的探测精度和极快的响应速度，是目前应用最广泛的红外光敏元件。（1）红外光电传感器

红外光电传感器一般由光学系统、敏感元件、前置放大器和信号调制器组成。光学系统是由根据光电效应制成的图4-9 红外光电传感器电路光电元件（如光敏电阻、光电池等）构成的光电转换系统，其基本电路如图4-9所示，其中M为光调制开关，负责控制红外光照射到光敏电阻上的时间和频率；R为光敏电1阻，其阻抗随着光照强度的不同而改变，光照越强，阻值越低。因此，测量光敏电阻两端的电压，即可知道红外辐射光的功率大小。（2）热释电红外传感器

热释电红外传感器是根据热释电效应设计的一种热敏探测器。热释电信号正比于器件温升随时间的变化率，其响应速度比其他热探测器快得多，且在低、高频下均能工作。

热释电红外传感器可以分为三大类：一是单元探测器，或称点探测器，它只有一个响应单元；二是热释电摄像管；三是热释电阵列器件。实际上，由于可供选用的材料很多，且不同应用要求探测器的结构也不尽相同，因而同一类热释电探测器又可分为多种类型。一种适用于防盗报警、来客告知及非接触开关等领域的热释电红外传感器结构及其内部电路如图4-10所示。图4-10 热释电红外传感器结构及内部电路4.2.3.2 红外传感器的应用（1）红外测温

图4-11为常用红外测温仪的系统框图。它的光学系统是一个固定焦距的透射系统，物镜一般为锗透镜，有效透光口径作为系统的孔径光栏，滤光片一般采用只允许8～14μm的红外辐射能通过的材料制成。红外探测器一般为热释电探测器，安装时保证其光敏面落在透镜的焦点上。步进电机带动调制盘转动对入射的红外光进行斩光，将恒定的或缓变的红外辐射光变换为交变辐射。被测目标的红外辐射通过透镜聚焦在红外探测器（光敏元件）上，光信号转变为电信号输出。图4-11中，前置放大器将红外探测器输出的微弱信号进行放大，同时实现设备的阻抗匹配；选频放大器只放大与被调制辐射同频率的信号而抑制其他频率的噪声信号；同步检波电路负责将交流信号转变为双极性基带信号输出；加法器和温度传感器的作用是补偿环境温度的影响。图4-11 红外测温仪的结构

红外测温具有非接触式、响应速度快、灵敏度高、准确度高、应用范围广等诸多优点，已广泛应用于科学研究和工农业生产中，发挥着越来越重要的作用。（2）红外气体分析

二氧化碳的投射光谱如图4-12所示。依据二氧化碳气体对红外光的吸收特性制成的红外气体分析仪如图4-13所示。测量时，使待测气体连续流过样品室，参比室里充满没有CO的气体或含有一定量的2CO的气体。红外光源发射的红外光分成两束经反射镜反射到样品室2和参比室，再经反射镜系统，将红外光经中心波长为4.33μm的红外光滤色片投射到红外敏感元件上，敏感元件交替地接收通过样品室和参比室的辐射。图4-12 CO气体透射光谱2图4-13 红外气体分析仪

若进入样品室的气体中含有CO气体，对4.33μm的辐射就有吸2收，那么两束辐射的通量不等，敏感元件所接收到的就是交变辐射，这时选频放大器输出不为0。经过标定后，就可以从输出信号的大小来推测CO的含量。若样品室和参比室均无CO气体，只要两束辐射22完全相等，敏感元件所接收到的是一个通量恒定不变的辐射。因此，敏感元件只有直流响应，交流选频放大器输出为零。

在红外波段范围内存在吸收带的所有气体均可以采用这种分析方法。红外气体分析方法的特点是：灵敏度高、相应速度快、精度高并且可以连续分析和长期观察气体浓度的瞬时变化。

4.3 声波传感技术与设备

作为感知外界的重要媒介，对声音信息的探测是必要且重要的。借助对声音信息的探测，人们不仅可以认识并区分不同的事物，也可以区分同类事物的不同个体。

按频率划分，声波可分为声波、次声波、超声波和特超声波4类。其中，频率范围为16 Hz～20 kHz的机械波为声波，它是由物体振动产生的，可以被人耳听到；次声波频率低于16 Hz；频率高于20 kHz的机械波为超声波，高于10 MHz的机械波称为特超声波。

按声源在介质中的施力方向与波在介质中的传播方向的不同，行波可分为纵波、横波和表面波3种类型。其中，纵波可以在固体、液体和气体中传播，因此声信息探测系统中通常采用纵波来探测不同状态下的物理量。

声波具有3种物理效应：多普勒效应、声电效应和声光效应。声波传感器正是利用声波的这3种效应制成的。4.3.1 音响传感器分类

音响传感器是能将气体、液体和固体中传播的机械振动变换成电信号的器件或装置。音响传感器包括广泛应用于通信领域的电话话筒、录音机和录音话筒等，是一种应用最为广泛的声信息探测与采集设备。

音响传感器种类繁多，其分类见表4-2。表4-2 音响传感器分类4.3.2 音响传感器的应用（1）压电式声波传感器

某些物质沿一定方向受到压力或拉力作用产生形变时，其表面会产生电荷；若将外力去掉，它们又重新回到不带电的状态，这种现象称为压电效应。具有压电效应的物体称为压电材料或压电元件，常见的有天然石英晶体和人工压电陶瓷钛酸钡、锆钛酸铅等。

利用晶体的压电效应制成的声传感器为压电式声传感器。压电式声传感器的结构如图4-14所示。声波通过气孔、阻尼布料作用于振膜时将引起振膜的机械振动，带动压电晶片产生振动，于是在压电晶片表面产生电荷，电荷量与压电图4-14 压电式声波传感器结构晶片的振动幅度成正比。这样，压电式声传感器就实现了声电转换。

反之，利用压电晶片的逆压电效应可以制成压电扬声器和压电耳机。（2）医用声波传感器

人体的发出的声音包括：心脏的跳动声、心杂音、血液流动杂音、支气管与肺膜发出的声音、肠杂音、胎儿心跳声等。通过检测人体发出的声音，可以对疾病进行诊断。

①普通心音传感器

心音传感器是基于机—电变换原理制成的，它可以检测心脏跳动声、心杂音并转换成与其成比例的电信号的器件或装置。心音传感器分为空气传导式和直接传导式两种。空气传导式由气室与一般的传声器组成，使用方便，但输出信号小，易受周围杂音的干扰。直接传导式必须直接与胸腔接触，检测结果随接触面积和接触部位的不同而改变，相应的输出音响也不同。直接式分为加速型、悬挂型和放置型3种，如图4-15所示。图4-15 直接传导式心音传感器

②光纤心音传感器

光纤式心音传感器如图4-16所示，它在光纤的前端装有小型压敏元件，当传感器测量端的压敏元件接触人体某一待图4-16 光纤心音传感器查部位，如心脏等时，这些参量引起压敏元件振动或位移，使反射回来的光量发生变化，引起光敏元件输出值的变化，从而测得心音、杂音和血压等状况。4.3.3 超声波传感器

超声波技术是通过超声波产生、传播及接收的物理过程完成的。超声波具有聚束、定向、反射、透射等特性。按超声振动辐射大小不同大致可分为：用超声波使物体或物体特性变化的功率应用，称之为功率超声；用超声波获取若干信息，称之为检测超声。这两种超声的应用，同样都必须借助于超声波探头（换能器或传感器）来实现。

目前，超声波技术广泛应用于冶金、船舶、机械、医疗等各个工业部门的超声清洗、超声焊接、超声加工、超声检测和超声医疗等方面，并取得了很好的社会效益和经济效益。4.3.3.1 超声波传感器构成

超声波传感器是实现声电转换的装置，又称为超声波换能器或超声波探头。超声波传感器分为发射换能器和接收换能器，其中发射换能器的作用是把其他形式的能量转换为超声波的能量，而接收换能器的作用是把超声波的能量转换成易于检测的电能量。超声波传感器既能发射超声波，又能接收发射出去的超声波回波，因此，在超声波检测装置中，可以用一个超声波换能器同时作为发射换能器和接收换能器。

超声波探头按其结构可分为直探头、斜探头、双探头和液浸探头。超声波探头按其工作原理又可分为压电式、磁致伸缩式、电磁式等。实际使用中压电式探头最为常见。

压电式探头主要由压电晶片、吸收块（阻尼块）、保护膜组成，其结构如图4-17所示。压电晶片多为固板形，其厚度与起声频率成反比。压电晶片的两面镀有银层，作导电的极扳。阻尼块的作用是降低晶片的机械品质，吸收声能量。图4-17 压电式超声波换能器如果没有阻尼块，当激励的电脉冲信号停止时，晶片将会继续振荡，加长超声波的脉冲宽度，使分辨率变差。

4.3.3.2 超声波传感器的应用

超声波有3种基本的应用类型：透射式、分离反射式和反射式。透射式用于遥控器、防盗报警器、自动门等；分离反射式用于测距、测量液位或料位等；反射式用于材料探伤、测厚检测等。（1）超声波测厚

脉冲反射式超声测厚的工作原理是测量超声波脉冲通过检测物所需的时间间隔，然后根据超声波脉冲在样品中的传播速度求出样品厚度，如式4-3所示。

其中，d为样品厚度，c为超声波速度，t为从发射超声波到接收回波的时间。典型的脉冲反射式数显超声波测厚仪原理方框图如图4-18所示。图4-18 脉冲反射式数显超声波测厚仪原理框图（2）超声波诊断仪

超声波诊断仪是综合利用透射和反射技术的超声波诊断仪。通过向人体发射超声波（主要是纵波），然后接收经人体各组织反射回来的超声波并加以处理和显示，根据超声波在人体不同组织中传播特性的差异进行病源和病情诊断。超声波诊断仪种类较多，最常用的有A型超声波诊断仪、M型超声波心电图仪和B型超声波显像仪。4.3.4 微波传感器4.3.4.1 微波传感器构成及其分类

微波是频率为300 MHz～300 GHz的电磁波，它具有3个特性：

•传输特性好，传输过程中受烟雾、灰尘、光线的影响很小；

•可定向辐射，遇到障碍物易于反射，但绕射能力差；

•介质对微波的吸收与介电常数成比例，水对微波的吸收作用最强。

微波传感器是利用微波的反射或吸收特性制成的传感器件。微波发射天线发出的信号，遇到被测物体时将被吸收或反射，引起微波功率的变化。接收天线接收被测物或由被测物反射回来的微波，将其转换为电信号，再经过信号处理电路处理后，即可显示出被测量。

微波传感器包括微波发射器、敏感元件和微波接收器。微波发射器包括微波振荡电路和发射天线，常用的振荡电路有速调管、磁控管等，天线有喇叭形、抛物面型、介质线与缝隙天线等，如图4-19所示。与其他传感器不同，微波传感器的敏感元件可认为是一个微波场，其他部分可视为一个转换器和一个接收器。微波接收器包括接收天线和信号处理部件。图4-19 常用的微波天线

根据接收信号的来源，微波传感器可分为反射式和遮断式两种。反射式微波传感器是通过检测被测物反射回来的微波信号功率或发送与接收信号的时间差来测量被测物的位置、厚度等参数。遮断式微波传感器是通过检测接收天线收到的信号功率大小，来判断发射天线与接收天线之间有无被测物，或被测物的位置与成分（如含水量）信息。

4.3.4.2 微波传感器的应用（1）微波含水量检测计

微波含水量检测计是利用水对微波的吸收原理制成的，其原理框图如图4-20所示。其中，微波源（MS）产生的微波功率经功率分配器分成两路，再经过衰减器A、A分别注入到两个完全相同的传输线12转换器T、T中，所不同的是T中放置无水测量物而T中放置待测样1212品。相位与衰减测定仪（PT、AT）分别记录和显示两路信号的相位差与衰减差，从而确定样品中酒精的含水量。图4-20 微波含水量测试仪（2）微波物位计

图4-21为一个微波物位计。当被测物体位置较低时，微波源发出的信号直接由接收天线接收；当被测物位升高到一定程度时，微波源发出的微波信号将被物体遮挡，部分微波信号被吸收，接收天线收到的微波功率将减弱。对接收信号进行检波、放大处理后与标准电压比较，若低于标准电压，即发出被测物位高于设定限制的信号；反之，则发出物位正常信号。图4-21 微波物位计4.3.5 声表面波传感器

声表面波（SAW）是泛指沿表面或界面传播的各种模式的波，不同的边界条件和传播介质可以激发不同模式的声表面波。其中，瑞利波是SAW技术中采用的主要波型。基于SAW随环境参数的变化规律，人们开发了一系列声表面波器件，用于测量各种物理、化学参量。

目前，SAW器件正朝着超高频化、数字化、智能化方向发展，将在信号检测与处理领域发挥越来越重要的作用。4.3.5.1 声表面波传感器的构成

SAW传感器是利用SAW振荡器这一频率受控元件受各种物理、化学、生物量的作用而引起振荡频率变化的原理研制的，其核心是SAW振荡器电路，如图4-22所示。通过测量振荡器频率的变化，可以实现对各种物理及化学量的测量。图4-22 SAW振荡器电路结构

SAW振荡器通常有延迟型（SAWD）和谐振型（SAWR）两种结构。SAWD由两个叉指换能器（IDT）的中心距决定相位反馈，由IDT的选频作用和反馈放大器产生固定频率的振荡。SAWR谐振器是由左右两个反射栅阵列构成谐振腔，声表面波在两个反射栅之间来回反射、叠加、共振，形成驻波。SAWR器件的稳定性优于SAWD器件，越来越广泛地应用于SAW传感器中。

除了振荡器电路，SAW传感器还包括信号检测与处理电路，包括了信号检测与处理部件的SAW压力传感器的原理框图如图4-23所示。若为无线系统，SAW传感器还应包括发送与接收部分。图4-23 SAW压力传感器电路4.3.5.2 声表面波传感器的应用

目前，SAW传感器已广泛应用于物理、化学、生物等信号量的测量，如压力，流速，位移，气体、温度、液体成分识别等。除了上述应用，SAW的另一个极为重要的应用领域是RFID的应答器标签。下面，我们来简单介绍基于声表面波的RFID系统的工作原理。

基于SAW的射频标签芯片主要由压电基片，叉指换能器（IDT）、标签天线和反射栅构成。当阅读器发射出高频脉冲信号时，压电基片的天线接收无线信号，并通过IDT将电磁信号转换为声表面波。声表面波经过一段时延后由反射栅反射回来，再通过IDT将信号转换为电磁信号，并经天线发送出去，再由阅读器接收处理。基于SAW的RFID系统组成及工作原理如图4-24所示。图4-24 SAW压力传感器电路

4.4 图像传感技术与设备

图像探测是现代信号采集与处理领域的重要组成部分，其关键器件是图像传感器。图像传感器是利用光电器件的光—电转化功能，将其感光面上的光信号转换为与光信号成对应比例关系的电信号“图像”的一种功能器件。光导摄像管就是一种光图像传感器。

现有的图像探测系统包括固态光图像传感系统、红外光成像系统、超声成像系统、微波影像系统等，已广泛应用于视频、测量、监控、医疗、人工智能等领域。4.4.1 固态图像传感器

固态图像传感器是利用光敏元件的光电转换功能将投射到光敏单元上的光学图像转换成电信号“图像”，即将光强的空间分布转换为与光强成比例的电荷包空间分布，然后利用移位寄存器功能将这些电荷包在时钟脉冲控制实现读取与输出，形成一系列幅值不等的时钟脉冲序列，完成光图像的电转换。4.4.1.1 固态图像传感器的特点

固态图像传感器是在同一半导体衬底上布设光敏元件阵列和电荷转移器件而构成的集成化、功能化的光电器件，其核心是电荷转移器件（Charge Transfer Device，CTD），包括电荷耦合器件（Charge Coupled Device，CCD）、电荷注入器件（Charge Injected Device，CID）、金属氧化物半导体器件等，最常用的是CCD。自1970年问世以后，CCD图像传感器以它的低噪声、易集成等特点，已广泛应用于微光电视摄像、信息存储和信息处理等众多领域。

图4-25给出了光导摄像管与固态图像传感器的基本结构，其中（a）为光导摄像管，（b）为固态图像传感器。图4-25 摄像管与固态图像传感器结构

与光导摄像管相比，固态图像传感器再生图像失真度极小，因此，非常适合测试技术及图像识别技术。此外，固态图像传感器还具有体积小、重量轻、坚固耐用、抗冲击、抗振动、抗电磁干扰能力强以及耗电少等许多优点。又因为固态图像传感器所用的敏感元件易于批量生产，所以固态图像传感器的成本较低。

固态图像传感器也有不足之处，例如分辨率和图像质量都不如光导摄像管。此外，固态图像传感器的光谱响应通常只能限定在0.4～1.2μm（可见光与近红外光）范围内，应用有一定的局限性。4.4.1.2 固态图像传感器分类

固态图像传感器一般都包括光敏单元和电荷寄存器两个主要部分。根据光敏元件排列形式不同，固态图像传感器可分为线形和面型两种。根据所用的敏感器件不同，又可分为CCD、MOS线型传感器以及CCD、CID、MOS阵列式面型传感器等。（1）线型图像传感器

线型固态传感器有4种类型，分别为：

•MOS式，以光电二极管构成，如图4-26（a）所示；

•光积蓄式，采用CCD元件构成，如图4-26（b）所示；

•分离式，即光敏单元与电荷寄存器分离，采用CCD元件构成，如图4-26（c）所示；

•光敏单元两侧放置电荷寄存器的双读出式，采用CCD元件，如图4-26（d）所示。其中，双读出式器件是线型固态图像传感器的主要形式。图4-26 固态线型图像传感器（2）面型图像传感器

固态面型图像传感器主要有4种类型：

•X-Y选址式，由MOS或CID器件构成，如图4-27（a）所示；

•行选址式，由CCD器件构成，如图4-27（b）所示；

•帧场传输式，由CCD器件构成，如图4-27（c）所示；

•行间传输式，由CCD器件构成，如图4-27（d）所示。图4-27 固态面型图像传感器

上述面型图像传感器中，基于MOS元件的X-Y选址式传感器最早出现。因图像质量不佳，MOS型传感器正在被CID型X-Y选址式图像传感器取代。帧场传输式和行间传输式是比较实用的面型图像传感器。

目前，面型CCD图像传感器使用得越来越多，产品的单元数也越来越多。无论面型或是线型，CCD图像传感器都是当今图像探测技术的主流。4.4.2 红外图像传感器

遥感技术多应用于5～10μm的红外波段，现有的基于MOS器件的图像传感器和CCD图像传感器均无法直接工作于这一波段，因此，需要研究专门的红外图像传感技术及器件来实现红外波段的图像探测与采集。目前，红外CCD图像传感器有集成（单片）式和混合式两种。（1）集成红外图像传感器

集成红外CCD固态图像传感器是在一块衬底上，同时集成光敏元件和电荷转移部件而构成的，整个片体要进行冷却。目前使用的红外CCD传感器多为混合式的。除了光敏部件，单片红外CCD图像传感器的电荷转移部件同样需要在低温状态工作，这实现起来有一定困难，目前尚未实用。（2）混合式红外图像传感器

混合式红外CCD图像传感器的感光单元与电荷转移部件相分离，工作时，红外光敏单元处于冷却状态，而Si-CCD的电荷转移部件工作于室温条件。这克服了单片式固态红外传感器的难点，但光敏单元与电荷转移部件的连线过长将带来其他困难。目前，正在研制光敏单元与电荷转移部件比较靠近的固态红外光电图像传感器。此外，提高光敏单元的红外光图像分辨率将提高芯片的集成度，这又会导致光敏单元与电荷转移部件的连线加长，这也是红外CCD器件发展中亟待解决的一个问题。4.4.3 超导图像传感器

超导传感器包括超导红外传感器、超导可见光传感器、超导微波传感器、超导磁场传感器等。超导传感器的最大特点是噪声很小，其噪声电平小到接近量子效应的极限，因此，超导传感器具有极高的灵敏度。

超导图像传感器隧道结叠层断面如图4-28所示。这个结由氮化银膜基底电极，NbN自然氧化膜（隧道绝缘膜）和对置铅膜电极构成。隧道结布设在9 mm×6 mm图4-28 超导传感器隧道结结构的硅衬底上，形成由9个结构成的线阵SIS器件，然后再将它们装入低温恒温器中冷却至4.2 K左右。

使用时，还要配以准光学结构组成的测量系统。来自电磁喇曼的被测波图像，通常用光学透镜聚光，然后在传感器上成像。因此，在水平和垂直方向上微动传感器总是能够探测空间的图像。这种测量系统适用于毫米波段。利用线阵隧道结器件的图像传感器可以测量35 GHz空间电场强度分布，这种传感器已应用于生物断层检测，也可用于乳腺癌的非接触探测等。

4.5 化学物质传感技术与设备

能将各种化学物质的特性（如气体浓度、空气湿度、电解质浓度等）的变化定性或定量地转换成电信号的传感器称为化学传感器。目前，化学传感器在生物、工业、医学、地质、海洋、气象、国防、宇航、环境监测等领域应用广泛，已经成为一种重要的研究方法和手段。随着计算机技术的发展，化学传感器的应用将更趋快速和自动化。4.5.1 化学传感器分类

化学传感器按结构可分为两类：一种是分离式传感器，另一种是组装一体化传感器。前者的信号接收与转换部件是分离的，有利于对每种功能的优化，如离子传感器。后者的探测信号接收与转换功能在同一部位，有利于传感器的微型化，如半导体气体传感器，其分子俘获功能与电流转换功能在同一部位进行。

化学传感器的具体分类见表4-3。表4-3 化学传感器分类

气体传感器的传感元件多为氧化物半导体，有时在其中加入微量贵金属做增敏剂，增加对气体的活化作用。对于电子给予型还原性气体，如氢气、一氧化碳等，采用N型半导体材料；对电子接受型氧化性气体，如氧气，采用P型半导体。将半导体以膜状固定于绝缘基片或多孔烧结体上做成敏感元件。

湿度传感器是测定环境中水汽含量的传感器，分为电极式、高分子式、陶瓷式和半导体式。

离子传感器是对离子具有选择响应的离子选择性电极，它是基于对离子具有选择性响应的膜产生的膜电位而实现化学信号到电信号转变的。离子传感器的感应膜有玻璃膜、溶有活性物质的液体膜及高分子膜，使用较多的是聚氯乙烯膜。

上述化学传感器中，应用最为广泛的是气体和湿度传感器，下面我们重点介绍这两种传感器及其应用。4.5.2 气体传感器

气体传感器是用来测量气体的类别、浓度和成分的传感器。由于气体种类繁多，性质不同，不可能用一种传感器检测所有类别的气体，因此，能实现气—电转换的传感器种类很多。从结构上区分，气体传感器可分为干式和湿式两大类，凡构成气体传感器的材料为固体者均为干式气体传感器，凡利用水溶液或电解质与电极感知待测气体的都称为湿式气体传感器。半导体气敏传感器是应用最为广泛的气体传感器。

无论何种气体传感器，都应具有如下特征：

•能够检测易爆气体的允许浓度、有害气体的允许浓度和其他基准设定浓度，并能及时给出报警、显示与控制信号；

•对被测气体以外的共存气体或物质不敏感；

•具有长期稳定性与可重复性；

•响应迅速，动态特性好；

•性价比高，使用方便，易于维护。4.5.2.1 半导体气敏传感器

半导体气敏传感器是目前广泛应用的气体传感器之一。当气体吸附于半导体表面时，引起半导体材料的总电导率发生变化，使得传感器的电阻随气体浓度的改变而变化，这就是电阻型半导体气敏传感器的基本原理。

半导体气敏传感器主用用来检测气体的成分和浓度。按照敏感机理分类，半导体气敏传感器可分为电阻型和非电阻型两类。电阻型半导体气敏元件是根据半导体接触到气体时其电阻值的改变来检测气体的浓度的，多采用氧化锡、氧化锌等金属氧化物材料作为敏感元件。非电阻型半导体式则是根据气体的吸附和反应使其某些特性发生变化对气体进行直接或间接的检测，多采用金属/半导体结型二极管和金属栅的MOS场效应晶体管制作敏感元件。4.5.2.2 湿式气敏传感器

由湿式气敏元件构成的定电位电解质气敏传感器，是湿式方法测量气体参数的典型方法。此方法使用电极与电解液，因此是一种电化学方法。

固定电位电解气敏传感器的原理是当被测气体通过隔膜扩散到电解液中后，不同气体会在不同固定电压作用下发生电解，通过测量电流的大小即可测得被测气体的参数。这种传感器使用和维护比较简单，低浓度时气体选择性好，而且体积小、重量轻。

固定电位电解质气敏传感器的工作方式有两种，即极谱式和原电池式。

极谱式气敏传感器的电压由外部电源提供，而原电池式气敏传感器的电解电压由原电池提供，原电池的电极多采用Pb、Cd、Zn或其氧化物、氯化物为原材料。原电池气敏传感器需要根据不同的气体选择不同的电位，因此其使用灵活性比较差。4.5.3 湿度传感器

自1783年萨修尔发明毛发湿度计以来，湿度测量技术已有200多年的发展历史。然而，人们对湿敏元件的认识却是从1938年美国F.W.Dummore研制成功浸涂式氯化锂湿敏元件开始的。目前已有的湿敏元件达几十种，但因为湿度的检测比较困难，湿度传感器的研究远远落后于温度等气体传感器。

传统的湿度检测器件有毛发湿度计、干湿球湿度计等；新出现的湿敏元件有电解质式湿度传感器、陶瓷类湿度传感器、有机高分子膜式湿度传感器等。随着技术的发展和社会的进步，湿度传感器已开始应用于生产生活的各个领域。4.5.3.1 湿度传感器分类

湿度是指大气中的水蒸气含量。通常采用绝对湿度和相对湿度两3种方法表示。绝对湿度是单位空间（1 m）中水蒸气的绝对含量或者浓度，一般用符号AH表示；相对湿度是指被测气体中的水蒸气压和该气体在相同温度下饱和水蒸气压的百分比，一般用符号％RH表示。在实际使用中多采用相对湿度概念。

湿度传感器是基于湿度敏感材料发生与湿度有关的物理或化学反应的原理制成的，具有可以将湿度量转化为电信号的功能。湿度传感器可通过敏感元件的电阻或电容的变化、长度或体积的伸缩、MOS器件的某些电参量的变化（如PN结击穿电压、电流放大系数、反向漏电流）等实现湿度信号至电信号的转换。

湿度传感器的分类见表4-4。表4-4 湿度传感器的分类

湿度传感器的特征参数主要有：湿度量程、感湿特性曲线、灵敏度、温度系数、响应时间、湿滞回线和湿滞温差等。4.5.3.2 湿度传感器的构成（1）水分子亲和力型

在此类湿度传感器中，电解质式、半导体陶瓷式、高分子材料式是3种主要的湿度传感器类别。

①电解质式湿度传感器

在绝缘基板上制作一对金属电极，在其上涂覆一层电解质溶液形成一层感湿膜。感湿膜随空气湿度的变化而吸湿或脱湿，同时引起感湿膜电阻的改变。通过对感湿膜电阻的测试和标定，即可知道环境的湿度。典型的氯化铝湿敏传感器有莫登（Dunmore）式、浸渍式、光硬化树脂电解质式3种，其结构如图4-29所示。图4-29 电解质式湿度传感器

氯化铝湿敏传感器的优点是灵敏度高、准确度高，缺点是在高温环境中潮湿盐的浓度会被稀释，因此元件的使用寿命比较短。

②半导体陶瓷湿敏传感器

半导体陶瓷湿敏元件通常用两种以上的金属氧化物半导体材料混合烧结成多孔陶瓷，这些材料有ZnO-LiO-VO系、Si-NaO-VO225225系、TiO-MgO-CrO系、FeO等。前3种材料的电阻率随湿度增加22334而下降，故称为负特性湿敏半导瓷；而FeO材料的电阻率随湿度增34加而增大，故称为正特性湿敏半导瓷。无论是负特性还是正特性的湿敏元件，其工作机理至今尚无公认。

③高分子湿敏传感器

这是离子交换树脂型湿敏元件，其感湿膜是高分子聚合物，但其吸湿导电作用的部分仍然是电解质。

高分子湿敏传感器包括电容式和石英振动式两种，电容式是利用湿敏元件的电容值随湿度变化的原理进行湿度测量的，其结构如图4-30所示；而石英式是在石英品片的表面涂敷聚胺脂高分子膜，当膜吸湿时，由于膜的重量变化而使石英晶片振荡频率发生变化，从而用不同的频率代表不同的湿度。图4-30 高分子电容式湿度传感（2）非水分子亲和力型器

水分子亲和力型湿敏传感器的响应速度慢、可靠性较差，不能很好地满足人们的使用需要，因此，开发非水分子亲和力型湿敏元件成为湿度传感器研究的重要方向。目前已有的非水分子亲和力型湿度传感器包括微波湿度传感器、红外湿度传感器等。微波湿度传感器是利用微波在含水蒸气的空气中传播时，因水蒸气的吸收效应使其产生一定损耗而制成的微波湿敏传感器；红外湿度传感器则是利用水蒸气能吸收特定波长的红外线这一现象制成的红外湿敏传感器等。它们都能克服水分子亲和力型湿敏传感器的缺点。4.5.4 电子鼻

仿生传感器是一种采用新的检测原理的新型传感器，它采用固定化的细胞、酶或其他生物活性物质与换能器相配合组成传感器。这种传感器是由生物医学和电子学、工程学相互渗透而发展起来的一种新型信息技术，其特点是性能好，寿命长。电子鼻是仿生传感器中最有代表性的一种。4.5.4.1 电子鼻的构成

电子鼻是由多个性能彼此重叠的气敏传感器和适当的模式分类方法组成的具有识别单一或复杂气味能力的装置。它是利用气体传感器阵列的响应图像来识别气味的电子系统，可以在几小时、几天甚至数月的时间内连续地、实时地监控特定位置的气体成分。

如图4-31所示，电子鼻主要由气味取样操作器、气体传感器阵列和信号处理系统3部分组成。气味传感阵列中的每个传感器对被测气体都有不同的灵敏度，例如，一号气体可在某个传感器上产生高响应，而对其他传感器则是低响应；同样，对二号气体产生高响应的传感器对一号气体则不敏感。利用传感器阵列对不同气体的不同响应图案，电子鼻可以实现对不同气味的识别。图4-31 电子鼻结构4.5.4.2 电子鼻系统功能

电子鼻系统原理框图如图4-32所示。从功能上讲，气体传感器阵列相当于生物嗅觉系统中的大量嗅觉细胞，智能解释器相当于生物的大脑，其余部分则相当于嗅神经信号传递系统。电子鼻系统具有以下功能：图4-32 电子鼻系统原理框图

•模拟人鼻内的嗅觉细胞，借助多个性能相互重叠的气体传感器和精密测试电路，实现对气体的瞬时感知；

•气体传感器的响应经滤波、A/D转换后，提取对研究对象有用的信号成分，实现对多维有用响应信号的数据处理；

•利用数据统计方法、神经网络方法和模糊方法将多维响应信号转换为感官评定指标值或组成成分的浓度值，实现对被测气体定性分析结果的智能解释。

4.6 生物信息传感技术与器件

生物传感方法是生物活性材料与物理化学换能器有机结合的一门学科，是发展生物技术不可缺少的一种先进的检测方法与监控方法，也是物质分子水平的快速、微量分析方法。在物联网迅速崛起中，生物传感技术必将是不可缺少的发展点，而其在国民经济中的临床诊断、工业控制、食品和药物分析、环境保护以及生物技术、生物芯片等研究中都有着广泛的应用前景。4.6.1 生物传感器的构成及分类

以生物活性物质为敏感材料制成的传感器就叫生物传感器。这种传感器以生物分子去识别被测目标，然后将生物分子所发生的物理或化学变化转变为相应的电信号，予以放大输出，从而得到检测结果。生物传感器一般由生物敏感膜和变换器构成，如图4-33所示。被测的物质经过扩散作用进入生物敏感膜层，然后经过分子识别，发生化学反应，随之产生物理、化学现象或产生新的化学物质，从而使相应的变换器将其转换成可定量和传输、处理的电信号。图4-33 生物传感器原来框图

按生物传感器中所用生物活性物质不同，可将生物传感器分为酶传感器（固定化酶）、微生物传感器（固定化微生物）、免疫传感器（固定化抗体）、组织传感器（固定化生物组织）、基因传感器（固定化单链核酸）和细胞传感器（固定化细胞器）等。

根据所用变换器件的不同来分类，可以分为酶电极生物传感器、半导体生物传感器、场效应管生物传感器、压电晶体生物传感器、光学生物传感器、热敏生物传感器等。

根据分子识别元件与待测物结合的性质可将生物传感器分为两类：利用生物催化剂的专一性和催化性或底物对它的抑制作用，对其作用的底物进行检测的催化型（代谢型）生物传感器和利用分子间的特异的亲和性，即生物活性物质对底物的亲和或键合作用的亲和型（受体型）生物传感器。4.6.2 酶生物传感器（1）酶传感器的基本结构

酶传感器是将酶作为生物敏感基元，通过各种物理、化学信号转换器捕捉目标物与敏感基元之间的反应所产生的与目标物浓度成比例关系的可测信号，实现对目标物定量测定的分析仪器。

当酶膜上发生酶促反应时，产生的电活性物质由基体电极对其响应。基体电极的作用是使化学信号转变为电信号，从而加以检测。基本电极可采用碳质电极，Pt电极及相应的修饰电极。酶传感器按其结构可以为密接型和分离型两种，如图4-34所示。密接型酶传感器在其化学电极的敏感面上组装固定化酶膜，当酶膜接触待测物质时，该膜对待测物质的基质作出反应，来催化它的固有反应，结果是与此反应的有关物质明显增加或减少，该变化再转化为电极中的电流或电位的变化，此种装置即为密接型酶传感器。图4-34（b）的分离型酶传感器又称为液流偶联型酶传感器，它将固定化酶充填在反应柱内，当待测物质流经反应柱时就发生了酶催化反应，随后产物再流经电极表面引起响应。

按照输出信号的不同，酶传感器可分为电流型和电位型两类。

电流型酶传感器的输出信号为电流信号，由固定化酶膜和基础电极组合而成。这些电极组合将酶催化反应所引起的物质量的变化转变为电流信号输出，而输出的电流大小与极化电压无关，直接与待测物质浓度成线性关系。电位型酶传感器输出的信号为电位信号。它所使用的信号转换器有氧化还原型电极和离子选择型电极。此传感器的响应时间、检测下限等性能均与基础电极的性能密切相关。图4-34 酶传感器的基本结构

基因重组技术、纳米技术的应用大大提高了酶传感器的检查范围、响应速度以及传感器的稳定性，为酶传感器的发展开启了新的大门。（2）酶传感器的应用

①葡萄糖传感器

葡萄糖传感器是第一种酶传感器，由Updike和Hicks于1967年研制成功。在葡萄糖氧化酶膜的作用下，葡萄糖发生氧化反应，消耗氧而生成葡萄糖酸内脂和过氧化氢。因此，根据样品上葡萄糖酸内脂的生成，氧的消耗和过氧化氢的生成量，分别用Clark电极、PH电极或金属电极都能间接测定葡萄糖的含量。

②氨基酸传感器

此种传感器用L-氨基酸氧化酶制成。氨基酸传感器同样可以根据氨的生成、氧的消耗或过氧化氢的生成量来间接测定葡萄糖的含量，其基础电极可以为氧电极、氨电极或HO电极。22

③尿素传感器

尿素传感器是酶传感器中研究得比较成熟的传感器。它利用尿素酶对尿素水解催化生成的氨气和二氧化碳来测定尿素含量。在医学上的临床检查中，尿素传感器可以用于分析患者的血清和体液中的尿素。4.6.3 微生物传感器

酶作为生物传感器的敏感材料已经有许多应用，但是因为酶的价格比较昂贵并且不够稳定，所以酶的应用受到了一定的限制。随着微生物固定化技术的不断发展，固定化微生物越来越多地被用作生物传感器的分子识别元件，从而有了微生物电极。

用微生物作为分子识别元件制成的传感器称为微生物传感器，与普通酶电极相比，微生物构造简单、更经济、耐久性也好。4.6.3.1 微生物传感器的分类

微生物传感器是以活的微生物作为敏感材料，利用其体内的各种酶及代谢系统来测定和识别相应底物。微生物传感器由固定的微生物膜和电化学装置组成，微生物的固定方法主要有吸附法、包埋法、共价交联法等，其中以包埋法用的最多，常用的微生物有细菌和酵母菌。转换器件可以是电化学电极或场效应晶体管等，其中以电化学电极为转换器的称为微生物电极。生物传感器的种类很多，可以从不同的角度分类。

根据微生物与底物作用原理的不同，微生物传感器可分为依据反应中氧的消耗或二氧化碳的生成来检测被微生物同化的有机物的浓度的测定呼吸活性型微生物传感器和利用对某种代谢产物敏感的电极即可检测原底物的浓度的测定代谢物质型微生物传感器。

根据测量信号的不同，常用的微生物传感器可分为根据氧化还原反应产生的电流值测定被测物的电流型微生物传感器和根据换能器输出电位信号的电位值的大小测定被测物的电位型微生物传感器。4.6.3.2 微生物传感器的结构

微生物呼吸机能包括好气性和厌气性两种，其中好气性微生物生长需要氧气，因此可以通过测量氧气来控制呼吸机能，并且能够了解其生理状态。把需氧性微生物作为其敏感材料，当它与待测物质作用时，微生物细胞的呼吸活性有所提高，这时可以测定其呼吸活性来间接测定待测物质，这样就构成了测定呼吸活性型微生物传感器，如图4-35（a）所示。它由需氧性微生物固定化膜和氧电极组成，先把微生物固定化膜装在隔膜式氧电极上，构成微生物电极，再将此电极插入含有可被同化的有机化合物样品溶液中，有机化合物就扩散到含有微生物细胞的固相膜内并被微生物同化，微生物细胞的呼吸活性则在同化有机物后有所提高，这样扩散到氧探头上的氧量就相应减少，则氧电流值降低，因此可间接求出被微生物同化的有机物的浓度。图4-35 微生物传感器结构

另一类厌气型微生物恰恰相反，它不需要氧气，氧气的存在反而会妨碍其生长，所以可以通过测量碳酸气的消耗和其他生成物来获知生理状态，因此就构成了测定代谢物质型微生物传感器，如图4-35（b）所示。微生物与底物作用后生成各种电极敏感代谢产物，利用对某种代谢产物敏感的电极即可检测原底物的浓度。4.6.4 免疫传感器

1990年Henry等提出了免疫传感器的概念，但免疫传感器得雏形可以追溯到1975年Janata报道的免疫电极。利用固定化抗体（或抗原）膜与相应的抗原（或抗体）的特异反应来测定物质的检测装置即为免疫传感器，其对抗体分子具有良好的选择性。4.6.4.1 免疫传感器的结构

免疫传感器在结构上由生物敏感元件、换能器和信号数据处理器3部分组成，如图4-36所示。生物敏感元件是固定抗原或抗体的分子层；换能器则识别分子膜上进行的生化反应转化成光/电信号；信号处理器则是将电信号放大、处理、显示或记录下来。当待测物与分子识别元件结合后，所产生的复合物通过信号转换器转变为可以输出的电信号和光信号，从而达到分析检测的目的。图4-36 免疫传感器的结构

与传统生物传感器相比，免疫传感器具有如下优点：

•抗原—抗体特异性结合决定了免疫传感器的高灵敏度，不受其他干扰，降低了检出下限；

•检测时间短，通常只需要几分钟或几十分钟；

•免疫传感器成本低，易于被检测部门和企业接受；

•免疫传感器轻巧方便，可随身携带；

•操作简单，不需专业培训。4.6.4.2 免疫传感器分类

1975年至今，免疫传感器经历了突飞猛进的发展，其种类繁多，称为生物传感器家族中的一朵奇葩。免疫传感器主要有：电化学免疫传感器（电位型、电流型、电导型、电容型）、光学免疫传感器（标记型、非标记型）、压电晶体免疫传感器、酶免疫传感器、表面等离子共振型免疫传感器和免疫芯片等。（1）电化学免疫传感器

①电位测量式

生物敏感膜的膜电位变化值与待测物浓度之间存在对数关系，根据电位变化值进行换算，即可求出待测物浓度。

②电流测量式

电流测量式免疫传感器代表了生物传感中高度发达的领域，已有部分产品商品化。它们测量的是恒定电压下通过电化学室的电流，待测物通过氧化还原反应在传感电极上产生的电流与电极表面的待测物浓度成正比。此类系统有高度的敏感性以及与浓度线性相关性等优点，很适合免疫化学传感。

③电导率测量式

电导率测量式可大量用于化学系统中，因为许多化学反应都产生或消耗多重离子体，从而改变溶液的总电导率。通常是将一种酶固定在某种贵重金属电极上（如金、银、铜、镍、铬），在电场作用下测量待测物溶液中电导率的变化。（2）光学免疫传感器

对一个生物系统的反应物或产物吸收或发出的电磁射线进行测定，其中所用的是一批最大而且或许是最有前途的换能器，称为光学换能器。光学换能器可用来响应紫外线或可视射线，也可响应生物或化学发光产物，还适用于含光纤的装置。早期光学系统是以分光光度测定法，固定在柱上的酶和待测产物的吸光度为基础的，后来，酶被固定在尼龙圈上，系统与流动注射或气泡分析仪相连。

光学免疫传感器可分为间接式（有标记）和直接式（无标记）两种。（3）压电晶体免疫传感器

压电石英晶体免疫传感器（Piezoelectric Quartzcrystal Immunosensor）作为一种新型生物传感器，是利用石英晶体对质量变化的敏感性，结合生物识别系统（抗原抗体特异性结合）而形成的一种自动化分析检测系统，具有灵敏度高、特异性好、响应快、小型简便等特点。可对多种抗原或抗体进行实时、快速、在线、连续的定量测定及反应动力学研究，克服了酶联免疫法（ELISA）、放射免疫分析法（RIA）、荧光免疫分析法（FIA）等免疫检测方法费时、昂贵、标记及操作繁琐等缺点，具有极广泛的发展前景及临床使用价值，成为生物传感器领域的研究热点。

压电石英晶体免疫传感器的基本结构如图4-37所示，它主要由石英晶体、频率检测电路和数据处理系统等组成。图4-37 压电石英晶体免疫传感器结构4.6.5 基因传感器

随着生物信息学的发展，获取基因信息的基因传感器应运而生。所谓基因传感器，其原理就是通过固定在传感器或称换能器探头表面上的已知核苷酸序列的单链DNA分子（也称为ssDNA探针），和另一条互补的ssDNA分子（也称为目标DNA）杂交，形成双链DNA（dsDNA）会产生一定的物理信号，最后由换能器反映出来。

基因传感器的出现使对目的DNA的测量时间大大缩短，不仅省去了放射性标记的危险性，而且节约了电泳操作时间，操作简单、无污染、即可定性又可定量，而且灵敏度高、选择性好，显示出诱人发展前景。

目前研究和开发的基因传感器从信息转换手段可分为电化学式、压电式、石英晶体振荡器（QCM）质量式、场效应管式、光寻址式及表面等离子谐振（SPR）光学式DNA传感器。4.6.5.1 几种常见的基因传感器（1）电化学基因传感器

电化学基因传感器是以电极为换能器，也就是将ssDNA探针固定在金属电极、碳糊电极或玻璃电极等表面上，然后浸入含有目标ssDNA分子的溶液中，此时电极上的ssDNA探针与溶液中的互补序列的目标DNA单链分子杂交，其原理如图4-38所示。图4-38 电化学基因传感器原理示意

电化学原理检测基因传感器提供了一种简单、可靠和廉价的DNA杂交检测方法。它具有较高的灵敏度，可探测出微克级的双链DNA分子，可以制作成微电极形式。同时，它与目前的DNA生物芯片技术兼容，其不足之处是不能完全定量检测，因为电极制备的每一个过程并非定量进行。电化学基因传感器的研究和发展方向是微型化、阵列化，快速、实时检测。（2）压电基因传感器

压电基因传感器是把声学、电子学和分子生物相结合的新型基因传感器，其基本工作原理如图4-39所示。换能器在压电介质中激发声波，以声波作为检测的手段。传感器的表面首先固定单链的DNA（DNA探针），然后加入含有互补DNA链的待测溶液，进行DNA杂交反应。杂交后形成的双链DNA结构，使传感器表面的重量增加，从而影响声波的频率。图4-39 压电基因传感器原理示意

压电基因传感器的检测方式可以分为主动式和被动式两种。在压电基因传感器的应用中，大多数采用的是主动式。这种方法又称为振荡器法，它把传感器元件接在振荡器放大电路中，作为电路的频率控制元件，用频率计来检测电路的振荡频率。这种方法只测量一个电路参数，就是晶体的谐振频率。通常的振荡电路是在晶体两端加上放大电路，构成正回馈回路。其优点是简单，便于构成实用的测量设备。

在被动法中，压电晶体作为外部元件接在测量仪器的测量端，比如阻抗分析仪或频谱仪。测量仪器在晶体两端激发不同频率的正弦波并记录晶体输出的信号。将记录的数据和晶体的等效电路模型结合起来，就能得到等效电路中的参数随时间变化的情况。这些参数和质量的吸附、液体的接触等情况有关，从而能提供晶体在液体中反应的丰富信息。被动法的缺点是设备复杂，优点是它提供的信息比振荡方法多。

压电基因传感器的应用研究最主要集中在DNA的杂交反应研究。（3）质量式基因传感器

质量式基因传感器是以石英晶体振荡器（QCM）为换能器，与电化学基因传感器一样，也是将单链的DNA探针固定在电极表面上且固定的方法也于前者相同，然后浸入含有被测目标ssDNA分子的溶液中，当电极上的ssDNA探针与溶液中互补序列的目标ssDNA分子杂交，QCM的振荡频率就会发生变化。QCM基因传感器可以进行定量分析，定量固定ssDNA探针，定量检测杂交目标dsDNA。QCM是一种非常灵敏的质量传感器，可以检测到亚纳克级的物质。晶体的振荡频率随电极上质量的增加而减小。

QCM传感已经用于检测很多生物化学物质，比如用于免疫反应检测、抗原抗体反应等。（4）场效应管基因传感器

它是在场效应管的栅区固定一条含有十几到上千个核苷酸单链DNA片段，当待测物分子与敏感栅作用时，发生电荷转移，使阈电压偏移。该传感器的灵敏度可达

910-级，响应时

间小于10 s，便于多道测量，可微型化，实现在体测量。（5）光寻址基因传感器

该传感器有电解质、绝缘层、半导体硅衬底3层机构，当在电解质溶液与半导体衬底之间加直流偏置电压，用调制光束（10 kHz调制的红外光）照射时，外部光电流与偏压即照射部位对应的光电流有关。它可进行连续动态监测，且灵敏度高，并采用光寻址代替导线接触。（6）SPR基因传感器

光学方法是最成熟、最好的生物敏感技术，它具有非破坏性和高灵敏度两大优点。光学方法中最引人注目的技术就是表面等离子体谐振（Surface Plasma Resonance，SPR）生物敏感技术。SPR作为换能器，其对基因敏感的原理仍然如电化学式或QCM式基因传感器一样，只是检测的信号为光学信号。SPR基因传感器通常将已知的单链DNA分子固定在几十纳米厚的金属（金、银等）膜表面，加入与其互补的目标DNA，两者结合（杂交）将使金属膜与溶液界面的折射率上升，从而导致谐振角改变。如果固定入射角度，就能根据谐振角的改变程度对互补的目标生物分子进行定量检测。SPR基因传感器可以进行无标记的DNA杂交反应的检测，可以进行原位和实时的在线检测。4.6.5.2 基因传感器的应用（1）病毒感染类疾病的诊断

在传统方法中，病毒感染的诊断是采用免疫法，通过检测感染后病毒基因表达的抗原蛋白来间接诊断。由于从病毒感染到血糖中检测到抗原蛋白浓度之间有一定的时间差，故免疫法诊断存在滞后性，不利于尽早发现和治疗疾病。利用基因传感器，可以在20 min内，在每毫升纳克水平上直接检测到病原微生物的存在。武汉病毒研究所采用化学免疫法固定乙型肝炎病毒（HBV）的DNA探针，用来与牛肠磷酸酶标记的互补探针杂交，利用光动力计测量因杂交引入的牛场磷酸酶释放的光强度，证实了DNA传感器进行HBV诊断的可行性。Bianchi等人用化学免疫法制成I型艾滋病毒DNA表面等离子体传感器，并用该传感器检测了血清HIV-IDNA的不对称PCR产物，证实该法诊断HIV-I不仅操作简单，快速准确，且杂交后的传感器经酸变性后还可以重复使用。（2）基因遗传病的诊断

Tombelli等人将人载脂蛋白E基因含第112位密码子突变基因的25个碱基的探针，制成DNA石英晶体传感器，用于检测发生突变的载脂蛋白E基因的PCR扩增产物，结果表明DNA传感器不仅能准确诊断单碱基突变引起的基因病，而且杂交后的传感器以碱变形处理后，可重复使用5次以上。应用DNA传感器检测DNA与抗癌药物相互作用时产生的信号，为抗癌药物的动力学和药理学研究提供了一种新的手段。4.6.6 生物芯片技术

生物芯片技术是20世纪80年代末才发展起来的，是一项融电子学、生命科学、物理学于一体的崭新技术。生物芯片技术的本质是生物信号的平行分析，它利用核酸分子杂交、蛋白亲和原理，通过荧光标记技术检测杂交或亲和与否，可迅速获得所需信息。它将生命的化学过程转化为一种可控的静态形式，用计算绝对的生物样品进行检测、分析，使许多生物化学和分子生物学实验能在非常小的空间范围内，以非常快的速度完成。4.6.6.1 几种常见的生物芯片

生物芯片可分为DNA芯片、蛋白质芯片以及芯片实验室三类。（1）DNA芯片

DNA芯片又称基因芯片、DNA阵列或寡核苷酸阵列，是目前技术最完善、应用最广泛的一种芯片技术。1996年，美国Affymatrix公司的Fodor等将硅技术、半导体技术、分子生物学技术融合在一起创造了世界上第一块DNA芯片。DNA芯片技术是用荧光标记的待测样品与有规律地固定在新片片基上的大量探针按碱基配对原理进行杂交，通过激光共聚焦荧光检测系统对芯片进行扫描，使用计算机进行荧光信号强度的比较和检测的技术。（2）蛋白质芯片

是生物芯片中较有挖掘潜力的一种芯片，是高通量、微型化和自动化的蛋白质分析技术。它利用蛋白质分子间的亲和作用，检测样品中存在的特异蛋白。目前，蛋白质芯片主要分两种：一种类似于DNA芯片，即在固相支持物表面高密度地排列探针蛋白点阵，可特异地捕获样品中的靶蛋白，然后通过检测器对靶蛋白进行定性或定量分析。另一种就是微型化的凝胶电泳板，在电场作用下，样品中的蛋白质通过芯片上的孔道分离开来，经喷雾直接进入质谱仪进行检测，以确定样品中蛋白质的分子量及种类。（3）芯片实验室

各国对人类基因组的研究，已从基因结构方面转移的基因组功能的研究上，标志着人类基因组测序完成后已进入未知基因功能研究的后基因组时代。这就需要采用更有效的技术以利用大量的DNA及蛋白质信息，由此促使许多研究机构和工业界开始构建为芯片实验室。建立这种新概念型实验室的最终目的是将生命科学研究中的许多不连续的分析过程，如样品制备、生物化学反应和目标基因分离检测等繁琐的实验操作，通过采用像集成电路制作中的半导体光刻那样的微缩技术，移植到芯片上进行，使其连续化、微型化。这与当年将数间房屋大小的计算机缩微成现在的笔记本式的计算机有异曲同工之妙。所以，芯片实验室是最理想的生物芯片，它是一种微型化、无污染、全功能的“实验室”，包含了运算电路、显示器、检测以及控制系统，在“随声听”大小的一间“实验室”里可一次性完成芯片制备、样品处理、靶分子和探针分子的杂交以及信号的检测、分析。4.6.6.2 生物芯片的应用（1）DNA芯片的应用

①DNA测序

据杂交测序原理，用短的标记寡核苷酸探针与靶DNA杂交，计算机扫描分析杂交谱可以重建靶DNA序列。用DNA芯片技术进行DNA测序具有快速、准确等特点。

②基因诊断

已知人类有6 000多种疾病和基因有关，所以基因诊断，尤其是致病基因的诊断对人类的健康和发展至关重要。DNA芯片可以用于大规模筛选由点突变、插入及缺失等基因突变引起的疾病。目前已有检测艾滋病病毒相关基因、囊性纤维化相关基因，肿瘤抑制基因P53等20余种DNA芯片。

③毒理学研究

人类的许多疾病是受环境因子的影响引起的，毒素无论直接还是间接几乎都要改变基因的表达模式，故DNA芯片技术可用于鉴定潜在的致病因素。实验时，研究者可将许多与毒素作用相关的基因固定在一张芯片上，研究这些在生命活动中发挥基本作用且已被很好研究过的基因的表达，可以快速确定由于某一毒素产生特征的基因表达模式，由此可按图索骥地根据待测化合物产生的基因表达模式与试验结果的匹配情况，判断这种化合物的毒性、类型及可能的作用机制。

④药物安全性研究

DNA芯片技术可用于检测动物或人的靶细胞或非靶组织中的毒性反应，确定临床治疗用药的最大剂量。它可以在发现明显的组织毒性以前检测到病人的毒性反应和一些不可预测的不良反应，从而避免药物的毒性作用在全身组织的扩散。（2）蛋白质芯片的应用

蛋白质芯片能同时检测生物样品中与某种疾病或环境因子损伤可能有关的全部蛋白质含量变化情况，对监测疾病的进程及判断治疗效果有重要意义。由于蛋白质芯片的探针蛋白特异性高、亲和力强，受其他杂质影响小，所以对生物样品的要求较低，故可简化样品的前处理，甚至可直接利用生物材料进行检测。同时，由于疾病的发生、发展与某些蛋白质的变化有关，所以利用蛋白质芯片还可直接筛选出与靶蛋白作用的化合物，从而大大推进药的开发。此外，蛋白质芯片有助于了解药物或毒物与其效应相关蛋白质的相互作用，从而可将化学的作用与疾病联系起来，促进药物学和毒理学的研究。（3）芯片实验室的应用

许多感染性疾病的及时确诊、准确治疗和正确预后，往往需要从全血中分离出特异的微生物作为必要的证据。芯片实验室可防止污染，使分析过程自动化，能大大提高分析速度和多样品分析能力，且设备体积小，便于携带，成为诊断感染性疾病最理想和最具潜力的一种生物芯片。

1998年6月，Nanogen公司的我国留美学者程京博士领导的一个课题组，首次用芯片实验室从被大肠杆菌污染的血液中，成功地分离出细菌，使其释放DNA和RNA，通过蛋白酶K将其消化并纯化，在进行特异性的DNA/RNA杂交反应，确定了芯片上含有的细菌种类和数量，利用这种方法可以准确、快速、大量地检测遗传性、家族性、地方性和流行性疾病，甚至癌症等其他疾病。

4.7 智能传感技术与设备

20世纪70年代，微处理器的出现带来了数字化的革命，对仪器仪表的发展起了巨大的推动作用，如20世纪90年代虚拟仪器的飞速发展使以微型计算机为基础的测控系统都需要传感器来提供赖以作出实时决策的数据。随着系统自动化程度的提高和复杂性的增加，对传感器的综合精度、稳定可靠性和响应要求越来越高。传统传感器功能单一、性能不稳定、不能满足多种测试要求，为此微处理器智能技术被用于传感器研发。20世纪80年代末期，人们又将微机械加工技术应用到传感器，从而产了新概念传感器——智能传感器。

所谓智能传感器，就是带微处理器、兼有信息检测和信息处理功能的传感器。一般传感器只有对某一物体精确“感知”的本领，而不具有“认识”的能力，而智能传感器则可将“感知”和“认知”结合起来，起到人的“五感”功能的作用。4.7.1 智能传感器的基本功能

智能传感器是通过模拟人的感官和大脑的协调动作，结合长期以来测试技术的研究和实际经验而提出来的，是一个相对独立的智能单元。它的出现对原来硬件性能的苛刻要求有所降低，而靠软件帮助可以使传感器的性能大幅度提高。概括而言，智能传感器主要包括以下功能。（1）数据处理功能

不仅能对各被测参数进行测量，而且能够根据已知被测参数求出未知参数；不但能放大信号，而且能使信号数字化，实现传感器自动调零、自动平衡、自动补偿、自选量程等功能；可使非线性信号线性化；采用数字滤波，可减少噪声和干扰对信号的影响；通过环境因素补偿，提高信号检测的精确度。（2）自动诊断功能

自动诊断功能是智能传感器的重要功能。智能传感器接通电源后，可对传感器进行自检，检查传感器各部分是否正常，及时发现故障，并给予操作提示。（3）软件组态功能

智能传感器由于采用微处理器，所以它不仅由必要的硬件组成，例如检测、放大、A/D转化、通信接口等，而且还有软件用于控制和处理数据。在智能传感器中，设置有多种模块化的硬件和软件，用户可以通过微处理器颁布指令，改变智能传感器硬件模块和软件模块的组合状态，以达到不同的应用目的，完成不同的功能，增加了传感器的灵活性和可靠性。（4）接口功能

智能传感器采用标准化接口，容易通过RS232、RS485等总线和上位机进行通信。这样，可以由远距离中央控制计算机来控制整个系统工作，对测量系统进行遥控，也可以将测量数据传送到远方用户。（5）人机对话功能

将计算机、智能传感器、检测仪表组合在一起，配备各种显示装置和输入键盘，使系统具有灵活的人机对话功能，可配合操作人员，指导工作，减少操作失误和读数错误。（6）信息存储和记忆功能

智能传感器具有信息存储和记忆功能。能把测量参数、状态参数通过MM和EEPROM进行存储。为了防止数据在掉电时丢失，智能传感器中具有备用电源，当系统掉电时，能够把后备电源接入MM，保证数据不丢失。4.7.2 智能传感器的构成

智能传感器一般由3部分组成，即主传感器、微处理器和信号调理电路。其基本结构如图4-40所示。图4-40 智能传感器原理框图

主传感器将被测量转换成相应的电信号。微处理器是智能传感器的核心，不但可以对传感器的测量数据进行计算、存储、数据处理，还可以通过反馈回路对传感器进行调节。由于微处理器充分发挥各种软件的功能，可以完成硬件难以完成的任务，从而大大降低了传感器制造的难度，提高传感器的性能，降低成本。除微处理器以外，智能传感器相对于传统传感器的另一显著特征是其信号调理电路，被测的物理量转换成相应的电信号后，送到信号调理电路中，进行滤波、放大、转换，再送入计算机微处理器中进行处理。4.7.3 智能传感器系统的体系结构

在整个智能传感系统中，智能传感器作为基本元件，其灵活性和适应性是最基本的要求。对比来看，人类传感系统就可看作一个高度先进的智能传感系统的范例。它的敏感性和可选择性是根据目标和环境来调整的。

图4-41为智能传感器系统多层结构示意图。最高级的智能信息处理过程发生在顶层，而处理的功能是中央化的，如同人的大脑，处理的信息是抽象的，且与操作原理、传感器的物理结构无关。处于底层的各类传感器组从外部目标收集信息，很像人类的分布传感器官。这些传感器的信号处理以分布和并行的方式进行，处理的信息依赖于传感器的原理和结构。中间层实现信号的中间处理功能。中间处理功能之一是对来自于底层的多重传感器信号的合成。当信号来自不同类型的传感器时，该功能又被称为传感器信号的融合。而另一种中间功能是调整传感器的参数，以优化整个系统的性能。一般地说，中间层所完成的信息处理的属性更直接地面向位于底层的硬件结构，而在顶层则很少考虑硬件问题。图4-41 智能传感器系统的层次结构

智能传感器系统有3种实现方式：非集成化实现、集成化实现和混合实现。（1）非集成化实现

非集成化智能传感器是将传统的经典传感器（采用非集成化工艺制作的传感器，仅具有获取信号的功能）、信号调理电路、带数字总线接口的微处理器组合为一整体而构成的一个智能传感器，其结构如图4-42所示。图4-42 非集成化智能传感器框图

其中，信号调理电路用来调理传感器的输出信号，即将传感器输出信号进行滤波、放大并转换为数字信号后送入微处理器，再由微处理器通过数字总线接口挂接在现场数字总线上，这是一种实现智能传感器的最快途径与方式。同时，开发配备可进行通信、控制、自校正、自补偿、自诊断等智能化软件，从而形成智能传感器。近来发展极为迅速的模糊传感器也是一种非集成化的智能传感器。（2）集成化实现

采用微机械加工技术和大规模集成电路工艺技术，利用硅作为基本材料来制作敏感元件信号调理电路、微处理器单元，并把它们集成在一块芯片上而构成，故称为集成智能传感器（Integrated Smart/Intelligent Sensor）。（3）混合实现

根据需要与可能，将系统各个集成化环节，如敏感单元、信号调理电路、微处理器单元、数字总线接口，以不同的组合方式集成在2块或3块芯片上，并装在一个外壳里，就构成了混合式智能传感器，其结构如图4-43所示。图4-43 混合式智能传感器的结构4.7.4 典型的智能传感器（1）网络化智能传感器

网络化智能传感器将通信技术、传感器技术和计算机技术融合，从而实现信息的采集、传输和处理的真正的统一、协同，不仅实现了智能化，而且还将敏感元件、转换电路和变送器结合为一体，并在内部嵌入通信协议，直接传送满足通信协议的数字信号，从而具有强大的通信能力。

网络化智能传感器一般由信号采集模块、数据处理模块和网络接口模块组成，基本结构如图4-44所示。其基本技术原理是：将传感器的微弱电信号放大后，经A/D转换器变换为数字信号后送入CPU，依靠灵活、丰富的软件对输入数据进行数字滤波、误差补偿、工程量提取等，并能进行各种功能组态，为每个智能传感器配置一个数字通信模块，以标准通信协议将所需数据传输至监测节点并实现传感器、执行器之间的信息对等交换。图4-44 网络化智能传感器的基本结构（2）智能微尘

智能微尘（Smart Dust）是一种以无线方式传递信息的微型传感器，如图4-45所示。每一粒微尘都是由传感器、微处理器、通信系统和电池组成。智能微尘可以自由组网、相互定位、收集数据和传递信息。智能微尘的出现带来了一种新的信息获取和处理模式，广泛应用于军事、工业、农业等各个领域。图4-45 智能微尘的外形及结构

①军事领域

智能微尘具有获取多方位信息、隐蔽性强、与探测目标近距离接触等优势，可以严密监视敌国的人员、物资运动，还可以通过分析空气成分防止生化攻击。

②防灾领域

加州大学的斯蒂夫·格拉泽教授正在研究用智能微尘驯服加利福尼亚的森林火灾，华盛顿大学还利用智能微尘来调查北太平洋海洋板块的活动状况。

③建筑物安全检测

使用安装有地震加速计的智能微尘，可以探测建筑物支撑梁的细微移动，并判断地震后的建筑物是否可以安全进入，这就不需要关闭大楼几个月进行检修。（3）多路光谱分析传感器

它由光学系统和微型计算机构成，结构如图4-46所示。它可以装在人造卫星上，对地面进行多路光谱分析。测量获得的数据直接由CPU进行分析和统计处理，然后输送出有关地质、气象等各种情报。图4-46 多路光谱分析传感器

参考文献

1．陶红艳，余成波主编.传感器与现代检测技术［M］．北京：清华大学出版社，2009.

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第5章 感知延伸层——传感网

5.1 概述

泛在传感网（Ubiquitous Sensor Network，USN）指的是广泛存在的传感网。它是ITU-T Y.2221提出的一个新概念，是由传感器、数据处理单元和通信单元的微小节点通过自组织方式构成的无线网络。它最主要的特征是利用各种各样的传感器加上近距离无线通信技术，如ZigBee，构成一个独立的网络。它一般提供局域或小范围物与物之间的信息交换，是物联网末端采用的关键技术之一。因此，这个网络也可以看作是物联网的周边延伸网之一。

泛在传感网的架构分成3个部分。最上端的是泛在传感网络的应用与服务层，提供医疗、军事、天气等服务，属于网络中的应用层；第二层是下一代网络，由核心网和接入网组成，属于网络层；最下面一层是传感器网络，由众多传感点组成，通过上一层中的接入网与网络层连接，属于感知/延伸层。在这3层网络中运用的接口分别是：传感器网络与下一代网络通过用户网络接口连接，泛在传感器网络与下一代网络间利用应用网络接口连接。

无线传感器网络是物联网的周边延伸网之一，其应用前景非常广阔。能够广泛应用于军事、环境监测和预报、健康护理、智能家居、建筑物状态监控、城市交通、大型车间和仓库管理以及机场、大型工业园区的安全监测等领域。随着“感知中国”、“智慧地球”等课题的提出，传感器网络技术的发展对整个社会与经济，甚至人类未来的生活方式都将产生重大意义。

无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）是由传感器节点通过无线通信技术自组织构成的网络，它的发展和迅速兴起与微机电系统（Micro-Electro-Mechanical Systems，MEMS）、超大规模集成电路技术（Very Large Scale Integration，VLSI）以及无线通信技术的飞速发展有着密不可分的联系。无线传感器网络由于在信息质量、网络健壮性、网络造价以及网络自适应性等方面的突出优势，在远程大气监测、地震、辐射、医疗数据采集等方面得到更加广泛的应用。这类无线传感器网络一般为自组织网络，但与传统的移动自组织网络（Mobile Adhoc Network）有着不同的设计目标。后者在高度移动的环境中通过优化路由和资源管理策略最大化带宽的利用率，同时为用户提供一定的服务质量保证；而在大规模无线传感器网络中，除了极少数的特殊节点可能移动外，大部分的节点都是静止的，网络拓扑的变化一般源于节点能量耗尽的消亡或其他外界原因造成的节点消亡。

无线传感器网络的特点和相应的挑战如下。（1）网络通信能力有限

网络节点采用短距离的低功率无线通信技术，通信覆盖范围一般只有几十米，通常需要多跳中继传输才能把数据发布到收集信息的基站。由于此类传感器网络一般覆盖高山、丛林等地理环境恶劣的区域，容易受到风、雨、雷、电等自然环境的影响，造成部分节点的失效。多跳中继路径中任一节点的失效都会造成重传或丢包，从而引起通信质量的下降。（2）网络节点能量有限

大规模无线传感器网络一般覆盖在人无法接近的远程环境中，节点通过飞行器撒播、火箭弹射等方式被任意撒播在探测区域里，因此及时地为所有能量即将耗尽的网络节点补充能量是不可行的；而此类网络的网络节点一般具有微型化的特点，伴随着很严峻的可用能量限制。既使大部分的网络节点还有足够的能量，某些网络节点耗尽能量而失效，还是很可能引起网络失去覆盖，导致网络生命期的终结。但可以通过分布大量的传感点来弥补这个不足。（3）网络节点计算能力和存储能力有限

由于网络节点的微型化，节点中嵌入式处理器的计算能力、嵌入式存储器的容量都十分有限。网络节点造价的降低，伴随着可用逻辑门、随机访问存储器、只读存储器数量的减少，微处理器时钟频率的降低、可用并行处理器的缩减。（4）传感器网络节点数比一般移动网络大几个数量级

如此巨大的数量，使传感器网络可以比单个传感器更详尽、精确地报告运动物体的速度、方向、大小等属性。同时也弥补了第（3）点中传感点功率低的不足。由于传感器节点数量庞大，所以单个节点的成本十分重要。单个节点的价格应该大大小于1美元。这样才能通过散布大量传感器，覆盖很大的区域。传感器网络节点通常密集分布。密集的基础设施使传感器网络更加有效，可以提供更高的精度，具有更大的可用能量。但是如果组织不当，密集的传感器网络可能导致大量冲突和网络拥塞，这会增加延迟，降低能量效率，造成数据过度采集。（5）传感器网络拓扑经常变化

有故障和断电的节点失效，加入新节点以及节点的移动，都会改变网络拓扑。由于许多节点无法更换和修理，网络就必须能自组织以保持持续工作以及动态响应变化的网络环境。传感器网络易出故障，需要安排冗余节点提高可靠性，或者随时加入新节点代替故障节点，保证传感器网络持续、精确地工作。传感器网络通信的主要方式是广播而不是点对点通信。

对无线传感器网络的应用与研究分为两个层次：基础理论研究和应用的研究。其中，基础理论研究包括：

•对网络节点硬件组成和构造的研究；

•对网络物理层、MAC层以及中间件技术的研究；

•对网络层的研究，包括网络层的寻址机制、路由算法等；

•对分布式算法研究，包括网络拓扑发现算法、网络节点定位算法、节点间实现时间同步算法等。

应用的研究包括各种传感器网络应用系统的开发，如生物医学监测、诊断、治疗系统，环境监测系统等。在应用层面，低成本、低功耗、应用简单的IEEE 802.15.4/ZigBee协议的诞生为无线传感器网络及大量基于微控制的应用提供了互联互通的国际标准，也为这些应用及相关产业的发展提供了一个契机。

5.2 网络结构

一个典型的无线传感器网络至少要由无线传感器节点、网络协调器和中央控制点组成。大量传感器节点随机部署在监测区域内部或附近，这一过程是通过飞行器撒播、人工埋置和火箭弹射等方式完成的。这个网络的工作过程如下：传感器节点将监测的数据沿着其他传感器节点逐跳地向目的地进行传输，在传输过程中这些数据可能被别的节点处理以提高传输效率。数据经过多跳后被路由到网络协调器，最后到达中央控制点。在中央控制点数据被处理并为不同的用户提供服务。在这个过程中，传感器节点既充当感知节点，又充当转发数据的路由器，用户通过中央控制点对无线传感器网络进行配置和管理，发布监测任务并最终获得监测数据。网络协调器可以在网络发生冲突拥塞时及时调度不同的传感点以保证服务的实时性。中央控制点则对整个网络进行整体部署并直接为用户服务。图5-1给出了一个典型的无线传感器网络的结构。图5-1 无线传感器网络结构

在各种工业、楼宇及家用电器中，传感器数据采集及传播常用的模式主要有周期性采样、事件驱动和存储与转发。实现该技术的网络结构也有3种：星状网、网状网及混合网（星状网+网状网）。每种网络结构都有自身的优点和缺点，用户必须充分了解这些网络特点以满足不同无线传感器网络的应用要求。

图5-2（a）表示了无线网络基本的星型拓扑结构，其中心节点可以是WiMAX基站、Wi-Fi接入点、蓝牙主设备或者ZigBee PAN协调器，其作用类似于有线网络中的集线器，不同的无线网络技术其中心控制节点的功能有所不同。星型拓扑结构是一个单跳（Single-Hop）系统，网络中所有无线传感器节点都与基站、网关或Sink节点进行双向通信。基站可以是一台PC、PDA、专用控制设备、嵌入式网络服务器，或其他与高数据率设备通信的网关，网络中各节点基本相同。除了向各节点传输数据和命令外，基站还与互联网等更高层系统之间传输数据。各节点将基站作为一个中间点，相互之间并不传输数据或命令。在各种无线传感器网络中，星状网整体功耗最低，但节点与基站间的传输距离有限，通常ISM频段的传输距离为10～30m。

无线网状网络，也称为移动Adhoc网络（MANET），是局域网或者城域网的一种，网络中的节点是移动的，而且可以直接与相邻节点通信而不需要中心控制设备。由于节点可以进入或离开网络，因此无线网状网络的拓扑结构不断变化，如图5-2（b）所示。数据包从一个节点到另一个节点直至目的地的过程称为“跳”。网状拓扑结构是多跳系统，其中所有无线传感器节点都相同，而且直接互相通信，与基站进行数据传输和相互传输命令。网状网的每个传感器节点都有多条路径到达网关或其他节点，因此它的容故障能力较强。这种多跳系统比星状网的传输距离远得多，但功耗也更大，因为节点必须一直“监听”网络中某些路径上的信息和变化。

数据路由功能分布到整个网状网络，而不是由一个或多个专门的设备控制。这与数据在互联网上传送的方式类似，包从一个设备跳到另外一个设备直到目的地，然而在网状网络中路由功能包含在每个节点中而不是由专门的路由器实现。

动态路由功能要求每个设备向与其相连接的所有设备通告其路由信息，并且在节点移动、进入和离开网络时更新这些信息。

分布式控制和不断的重新配置使得在超负荷、不可靠或者路径故障时能够快速重新找到路由。如果节点的密度足够高可以选择其他路径时，无线网状网络可以自我修复而且非常可靠。设计这种路由协议的主要难题是，要实现不断地重构路由需要比较大的管理开销，或者说数据带宽有可能都被这些路由消息给占据了。从实际的角度看，无线网状网络的自我配置、自我优化和自我恢复的特点，省去了许多与大规模无线网络配置有关的管理和维护任务。ZigBee是一个明确支持无线网状网络的标准。

混合网力求兼具星状网的简洁和低功耗以及网状网的长传输距离和自愈性等优点，如图5-2（c）所示。在混合网中，路由器和中继器组成网状结构，而传感器节点则在它们周围呈星状分布。中继器扩展了网络传输距离，同时提供了容故障能力。由于无线传感器节点可与多个路由器或中继器通信，当某个中继器发生故障或某条无线链路出现干扰时，网络可在其他路由器周围进行自组网。图5-2 无线传感器网络拓扑结构

5.3 体系结构

无线传感器网络的体系结构按功能可以划分为通信体系、中间件和应用系统三大部分，如图5-3所示。

组网与通信是通信体系的主要功能，这一层包括开放系统互联OSI七层模型中的物理层、数据链路层、网络层和传输层。一般说来，如果参考模型中的各层接口一致定义后，每一层可独立设计。但是，为了建立一个可靠并具有严格功耗预算的传感器网络，协议栈中的所有层都应满足同样的系统级要求，例如功耗约束、带宽效率、适应性及顽健图5-3 无线传感器网络体系结构性要求。为使解决方案切实可行，所有层都必须进行设计折中，同时要考虑信道传输能力和设备处理速度等自身的局限性以及射频链路质量的变化。

中间件（Middleware）主要提供低通信开销、低成本、动态可扩展的核心服务。中间件的功能包括时间同步、定位、系统管理和抽象的通信模型等。

应用系统提供节点与网络的服务接口。面向通用系统提供一套通用的服务接口，而面向专用系统则提供不同的专用服务。其热点问题包括动态资源管理、任务分配、协调控制和安全问题等。

无线传感器网络有其自身的特点，需要结合其特点对组成体系结构的每部分进行细致的研究，就已有的研究而言，主要集中在物理层、链路层、网络层和中间件技术。下面我们就其中需要解决的问题和已有的方案进行归纳总结。5.3.1 物理层

它着眼于信号的调制、发送与接收。物理层的主要工作是负责频段的选择、载频生成、信号检测、信号的调制以及数据的加密，并且比较延迟、散布、遮挡、反射、绕射、多路径和衰减等信道参数，为路由及重构提供依据。物理层设计中减小能耗最重要。

对于距离较远的无线通信来说，从实现的复杂性和能量的消耗来考虑，代价都是很高的。在相同端对端距离情况下，如果每个链路采用有限的传输功率，采用多链路传输所产生的功耗比直接在一个长链路中传输信息的功耗更低。为了延长电池的寿命，传感器网络应该采用收发功耗极低的无线设备，同时在需要长距离传输时使用多跳方式。蜂窝电话、IEEE 802.11及蓝牙等流行的无线设备的典型电流值为30 mA以上，因此不适用于这种应用场合。而ZigBee技术是为低速率传感器和控制网络设计的标准无线网络协议栈，是最适合无线传感器网络的标准。在传感器网络应用中，这还取决于信道共享和数据路由情况，降低单个节点的占空比会直接影响网络性能，因此，在设计协议堆栈的高层时必须注意这点，以便支持占空比极低的物理层实现。5.3.2 数据链路层

数据链路层的工作集中在数据流的多路技术、数据帧的监测、介质的访问和错误控制，它保证了无线传感器网络中点到点或一点到多点的可靠连接。在无线传感器网络中，数据链路层用于构建底层的基础网络结构，控制无线信道的合理使用，通常提供的主要服务有媒体访问控制（MAC）、错误控制、数据流选通、数据帧检测以及确保可靠的点到点或点到多点连接。其中MAC协议主要用于为数据的传输建立连接以及在各节点间合理有效地共享通信资源。

传感器网络有其特殊性和独特要求：节点数目众多、发射功率和发射范围小、网络拓扑多变。根据传感器网络的特点，设计MAC协议需要考虑很多方面，包括节省能源、可扩展性、网络的公平性、实时性、网络的吞吐量、带宽的利用率以及这些要求之间的平衡问题等，其中，节约能量成为最主要考虑的问题。这些考虑与传统网络的MAC协议不同，使得已有的MAC协议并不适合于传感器网络。例如蜂窝电话网络、Ad hoc和蓝牙技术等是当前主流的无线网络技术，但它们各自的MAC协议不适合无线传感器网络，GSM和CDMA中的介质访问控制主要关心如何满足用户的QoS要求和节省带宽资源，功耗是第二位的。Adhoc网络则考虑如何在节点具有高度移动性的环境中建立彼此间的链接，同时兼顾一定的QoS要求，功耗也不是其首要关心的。蓝牙采用了主从式的星型拓扑结构，这本身就不适合传感器网络自组织的特点。因此，需要为传感器网络设计新的低功耗MAC协议。

下面我们介绍几种已有的典型方案。（1）基于调度算法的MAC协议

在基于调度算法的MAC协议中，传感器节点通过调度算法来决定发送数据的时间，这样多个节点就可以同时、没有冲突地在无线信道中发送数据。这类协议中，主要的调度算法是时分多址（TDMA），即将时间分成多个时间片，几个时间片组成一个帧，在每一帧中分配给传感器节点至少一个时间片来发送数据。这类协议的调度算法通常寻找一个尽可能最近的用于发送数据的帧来达到高的空间利用率和低的数据包等待时间。典型的协议有SMACS［1］，DE2MAC［2］和EMACS［3］。基于调度的MAC协议都是分布式的，因此需要时间同步机制，而不需要全局信息。但是许多基于TDMA的协议必须使用较为精确的时间同步来调度，增加了网络的负载。另外，有些TDMA协议仍然存在一定的冲突，导致很难控制这些冲突来保证实时性和节省能耗。（2）基于CSMA的介质访问控制协议

传统的载波侦听/多路访问（CSMA）机制不适合传感器网络的原因有二：其一，持续侦听信道的过量功耗：其二，倾向支持独立的点到点通信业务，这样容易导致临近网关的节点获得更多的通信机会，而抑制多跳业务流量，造成不公平。为了弥补这些缺陷，Woo和Culler从两个方面对传统的CSMA进行了改进，以适应传感器网络的技术要求：采用固定时间间隔的周期性侦听方案节省功耗；设计自适应传输速率控制（Adaptive Transmission Rate Control，ARC）策略，有针对性地抑制单跳通信业务量，为中继业务提供更多的服务机会，提高公平性。相似的工作还有Wei Ye等人设计的SMAC（Sensor Media Access Control）协议。它也是利用周期性侦听机制节省功耗，但没有考虑公平性问题，而是在PAMAS（Power Aware Multi-access Protocol with Signalling）的启发下，精简了用于同步和避免冲突的信令机制。（3）TDMA/FDMA组合方案

Sohrabi和Pottie设计的传感器网络自组织MAC协议是一种时分复用和频分复用的混合方案，具有一定的代表性。节点上维护着一个特殊的结构帧，类似于TDMA中的时隙分配表，节点据此调度它与相邻节点间的通信。FDMA技术提供的多信道，使多个节点之间可以同时通信，有效地避免了冲突。只是在业务量较小的传感器网络中，该组合协议的信道利用率较低，因为事先定义的信道和时隙分配方案限制了对空闲时隙的有效利用。5.3.3 网络层

在传感器网络中，网络层路由协议非常重要，主要负责路由查找和数据包传送，寻找用于传感器网络的、高能效的路由建立方法和可靠的数据传输方法，从而延长网络寿命。无线传感器网络的路由协议随着应用和网络基础结构的不同而有所差异。

传感器网络中的大部分节点不像Ad hoc网络中的节点一样快速移动，因此Ad hoc网络中已有的多跳路由协议，如AODV（Ad hoc Demand Distance Vector）和TORA（Temporally Ordered Routing Algorithm）等，一般都不适合传感器网络的特点和要求。由于传感器网络节点众多，不可能建立一个全局的地址机制，而且节点的能量和处理能力有限，因此需要精细的资源管理。此外，由于网络拓扑变化频繁，需要路由协议有很好的顽健性和可扩展性。因此，对传感器网络路由的研究非常具有挑战性。考虑以上传感器网络的特征以及应用和基础结构的需要，研究者们提出了很多方案来解决传感器网络中的路由问题。一般可以把它们分为4类：以数据为中心的（Data-centric）路由协议、分层次的（Hierarchical）的路由协议、基于位置的（Location-based）的路由协议和QoS保障的路由协议。（1）以数据为中心的路由协议

这类协议与传统的基于地址的路由协议不同，是建立在对目标数据的命名和查询上，并通过数据聚合减少重复的数据传送。以数据为中心的路由协议主要有SPIN、DD、Rumor Routing、Gradient-based routing等。（2）分层次的路由协议

这类协议的主要思想是节点通过某种方式加入某个簇（Cluster）成为簇内的成员节点或簇首（Cluster Head），让节点参与该簇内的多跳通信，而簇首再进行数据聚合，减少向Sink节点传送的消息数量，从而达到节省能量和提高可扩展性的目的。典型的簇的形成方式是基于节点的能量储备及节点同簇首的位置接近程度。分层次的路由协议主要有Hausdorff clustering、LEACH、Hierarchical-PEGASIS、TEEN、EARCSN等。（3）基于位置的路由协议

基于位置的路由协议利用节点的位置信息通过把数据传送到指定区域而不是整个网络来降低能耗，这些节点的位置可以通过GPS或者其他定位算法而获得。这方面的协议主要来源于移动Adhoc网络，设计时都考虑了节点的移动性。但在节点移动性很少或者根本不移动的情况下，它们也非常适用。基于位置的协议主要有MECN、GAF、GEAR。（4）QoS保障的路由协议

QoS保障的路由协议的目标是：在实现路由功能的同时，考虑端对端的时延要求，满足一些网络QoS要求。这类路由协议主要有MLER、MCF、SAR、SPEED等。

5.4 中间件技术

随着计算机技术迅速发展，CPU速度更高，处理能力更强，同时应用程序的规模不断扩大，特别是互联网的出现，使计算机的应用范围更加广泛。许多应用程序需要在网络环境的异构平台上运行。在这种分布异构环境中，通常存在多种硬件系统平台以及系统软件。硬件系统平台可能采用不同的网络协议和体系结构进行连接。如何将系统集成起来并开发新的应用是一个非常现实而困难的问题。这样，中间件技术就产生了。

中间件是基础软件的一大类，属于可复用软件的范畴。它将应用软件所面临的共性问题进行提炼、抽象，在操作系统之上形成一个可复用的部分。

中间件的范围十分广泛，但至今还没有一个比较精确的定义。目前，大家公认的定义是市场研究公司IDC表述的：中间件是一种独立的系统软件或服务程序，分布式应用软件借助这种软件在不同的技术之间资源共享，位于客户机/服务器的操作系统之上，管理计算资源和网络通信。

传感器网络区别于传统网络：数据源动态变化，各种服务质量需求，传感器节点受能源和带宽限制，而且传感器网络硬件的异构和应用需求的不同导致开发环境的复杂和动态。为简化应用开发并保证算法设计的正确性，需要合适的中间件为应用提供底层网络的各种抽象、控制网络和节点功能，支持开发应用。5.4.2 中间件架构

在一般无线传感器网络应用系统中，管理和信息安全是贯穿各个层次的技术保障。最底层是无线传感器网络基础设施层，逐渐向上展开的是应用支撑层、应用业务层、具体的应用领域，如军事、环境、健康和商业等。无线传感器网络中间件在无线传感器网络应用系统架构中的位置如图5-4所示。由此可见，无线传感器网络应用支撑层、无线传感器网络基础设施和基于无线传感器网络应用业务层的一部分共性功能以及管理、信息安全等部分组成了无线传感器网络中间件。其基本含义是，应用支撑层支持应用业务层为各个应用领域服务，提供所需的各种通用服务，在这一层中核心的是中间件软件。图5-4 无线传感器网络应用系统结构示意

无线传感器网络中间件和平台软件体系结构主要分为4个层次：网络适配层、基础软件层、应用开发层和应用业务适配层，如图5-5所示。

其中，网络适配层和基础软件层组成无线传感器网络节点嵌入式软件的体系结构，应用开发层和基础软件层组成无线传感器网络应用支撑结构。（1）网络适配层

网络适配器是对无线传感器网络底层（无线传感器网络基础设施、无线传感器操作系统）进行封装。（2）基础软件层

该层包含无线传感器网络各种中间件。这些中间件构成无线传感器网络软件的公共基础，并提供了高度的灵活性、模块性和可移植性。其中各种中间件如下。图5-5 无线传感器网络中间件体系结构示意

•网络中间件：完成无线传感器网络接入服务、网络生成服务、网络自愈合服务、网络连通性服务等。

•配置中间件：完成无线传感器网络的各种配置工作，例如路由配置，拓扑结构的调整等。

•功能中间件：完成无线传感器网络各种应用业务的共性功能，提供各种功能框架接口。

•管理中间件：为无线传感器网络应用业务实现各种管理功能，例如目录服务，资源管理、能量管理、生命周期管理。

•安全中间件：为无线传感器网络应用业务实现各种安全功能，例如安全管理、安全监控、安全审计。

无线传感器网络中间件采用层次化、模块化的体系结构，使其更加适应无线传感器网络应用系统的要求，并用自身的复杂换取应用开发的简单，而中间件技术能够更简单明了地满足应用的需要。一方面，中间件提供满足无线传感器网络个性化应用的解决方案，形成一种特别适用的支撑环境；另一方面，中间件通过整合，使无线传感器网络应用只需面对一个可以解决问题的软件平台，因而以无线传感器网络中间件和平台软件的灵活性、可扩展性保证了无线传感器网络安全性，提高了无线传感器网络数据管理能力和能量效率，降低了应用开发的复杂性。

5.5 小结

无线传感器网络是应用需求和众多技术发展推动的产物，是一门涉及多个前沿学科的综合性技术，是推动信息技术发展的重大热点技术。

无线传感器网络的研究取得了一些重要的进展，硬件设计形成了一些典型的传感器节点平台，各种通信协议各有所长，中间件技术的研究也相继展开，协调控制等高级应用研究也取得了初步成果。但是，无线传感器网络及其应用系统的研究还有众多的科学和技术问题尚待突破和解决。随着各项技术的成熟和发展，无线传感器网络的研究将会取得更大的进步，将对物联网建设起着举足轻重的作用。

试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]

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