物联网感知层设计

任务1。传感器的认知和选择
第一，传感器的发展趋势
1.智能化:集成自动化/人工智能化
2.可移动化:定位/时间同步/可扩展
3.微型化：MEMS(微电子机械系统)
4.集成化(主):同类型/非同类型传感器集成
特点:集成度高/体积小/补偿和校正
5.多样化:目前传感器有几千种(光纤和气敏)
二、传感器分类
一、按工作原理：
(1)磁电传感器:利用电磁感应原理，将输入和运动速度转化为线圈中的感应电势并输出。也叫电动或感应。
应用:动态测试、位移、转距等
优点：输出功率大，配电路简单，性能稳定
(2)光电传感器:利用可见光照射产生的光电效应将光信号转换为电信号的传感器。
应用:尺寸、位移、速度和温度。
优缺点:无接触测量(缺点:昂贵，环境特殊)
(3)热传感器:将温度变化转化为电量变化的装置。
应用：温度、电流、速度、光强等。（4）压电传感器：由某些介质产生的压电效应制成的传感器。主要用于测量力和加速度。
(5)半导体传感器:由半导体各种物理/化学/生物特性制成的传感器。
应用：自动检测系统，如温度、湿度、压力、加速度、磁场和有害气体。
优点:集成化高，功能多样
(6)谐振(频率)传感器:使用谐振元件将被测量的传感器转换为频率信号。
优点：体积小，重量轻，精度高，分辨率高，传输储存方便。
应用：压力、密度、转距、加速度等。
(7)电化学传感器:基于离子导电。
可分为/电位/电导/电量/电解/极谱
应用：气体、pH值、液体和液体中的固体等。
第三，用传感器介绍
1.温度传感器：将温度变化转换为电信号的装置。
(1)接触式:精度高。常用:双金属/玻璃/压力/热敏电阻/温差电偶等。
(2)非接触式:利用黑体辐射的基本定律(从黑体中发射的电磁辐射的辐射率与频率的关系)
优点：最高可测温度无上限。
(3)热电偶:使用两个不同导体的工作端（A）和自由端（B）温差，形成电路，产生热电势。
特点：精度高，范围广，结构简单。
（4）热敏电阻：利用半导体的温度变化引起的阻值变化的装置。
优点：灵敏度高，体积小，温度变化响应快。
缺点：不强，容易自热造成永久性损坏。
(5)红外温度计:利用红外原理，通过光学信号将被测物体的红外辐射能量转化为电信号。
优点：非接触，响应快，寿命长。
应用：目标尺寸、距离、材料、环境和目标材料。
2.加速传感器：
(1)压电式:利用压电陶瓷或石英晶体的压电效应。
优点：动态范围广，不需要外部电源，坚固耐用。
应用：振动测量传感器。
(2)电容式:基于电容原理的极距变化的电容传感器。
优点：精度高，输出稳定，漂移小，成本低。
(3)力传感器:将力的物理量转换为相关电信号的装置。
力传感器分类：应变式/压阻式/电容式（种类繁多）：
.根据特定场合选择合适的设备
.环境：温度、密封、防爆等
.根据精度要求：
.传感器量程：一般量程大于冲击力的两倍以上。
(4)气体传感器:根据气体体积分数转换为电信号装置。
分类:半导体/电化/热导体/红外/催化燃烧/电介质
如何选？
.测量对象和环境
.灵敏度：灵敏度越高，干扰越大
.响应时间：越短越好
.线性范围:量程和精度范围内(非线性可视为线性)
.有害气体：测毒、测爆
（5）MEMS(微机电系统)传感器:利用微电子技术与其他领域集成开发的传感器。
优点：功耗低，易于集成和智能化。
应用:医疗系统、运动跟踪、拍照等。
1.热电偶传感器在温度传感器中的工作原理是什么？应用于哪些方面？
2.传感器有哪些类型？
任务二、 感知技术的认知与分析
一维条码技术
为了识别食品项目，自动识别相应设备的应用，条码技术诞生于20世纪40年代。
一维码是什么？
（1） 符号按照一定的编码规则组合线条和空白，代表一定的字母和数字数据。
(2)组成:前静区/起始符/数据符/终止符/后静区
(3)条(光放射率)和空(光反射率高)
2、一维条码的工作原理：
组成:条码符号/条码扫描器/光电转换器/译码接口电路/计算机系统
原理：识别时，条形码读取器扫描一维条形码，获得一组反射光信号。光电转换后，将其转换为一组对应线条和空白的电子信号。解码后，将文本和数字恢复到计算机中。
3、优点：可靠性高、速度快、准确度高、成本低。
四、常用一维条码：EAN交叉25码/贸易单位128码(通用商品码)
二、二维条码技术
1.什么是二维条形码？
答1.二维条形码是指水平和垂直方向的二维空间存储信息条形码。
答案2。按照一定的规律，将黑色几何图形分布在平面上，记录数据信息
二维码工作原理：利用二进制对应的几何图形存储数值信息。
自动识读和处理图形输入设备/光电扫描设备
三、二位条形码优点：密度大/容量大/安全性高。
4.一维/二维条形码的区别？
(1)二维码是一维码的升级版
(2)信息的承载能力不同(30/1850字符)
(3)信息的表达方式不同(一维码高度不表达信息)
(4)外观结构不同
一维:矩形(垂直高度只便于设备标记和读取）
二维:正方形(三回点(对焦)，纠错率约9%。
(5)码制不同
一维码：EAN交叉25码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/码/UPC码等
二维码：PDF417Datamatrix/QR Code/Code系列等。
(6)存储的信息不同
一维：数值
二维:照片、声音、指纹、虹膜、基因等信息
三、射频识别技术（RFID）
1.什么是射频识别技术？
射频识别是90年代兴起的一种自动识别技术，通过无线电信号识别特定目标，读写相关数据。
2.组成和工作原理:
组成：电子标签（EPC）
读写器(手持/固定):天线/射频/控制/接口模块
数据管理系统：存储和管理器/读者控制电子标签
耦合元件：实现空间耦合（空间传输通道），实现能量传输和数据交换。
目的：数据交换
方法：时序关系
基础：能量
射频信号耦合类型：
(1)电感耦合:变压器模型(电磁感应定律)在中低频段工作，识别距离小于1米，有效距离
(2)电磁反向散射耦合:雷达原理模型，利用空间电磁波(电磁波空间传输规律) 高频和微波的识别距离大于1米
原理：标签进入磁场，读写器发送射频信号，通过感应电流获得的能量发送芯片中的产品信息，读写器解码后进入信息系统。
3.射频识别技术的发展史
20世纪初，雷达技术不断完善催生RFID
20世纪30年代：RFID二战中出现了信息武器。
20世纪50年代，1948年发现了探索期RFID理论撑。
20世纪70年代：蓬勃发展期：基于集成电路的RFID应用
20世纪90年代：RFID标准出现，并称为主流。
  4、不同频道的RFID的穿透能力和距离区别？
 5、常见的电子标签EPC编码标准
     64位/96位（最常用[原因？]）/256位。
 6、
任务三、 短距离无线传输
 第1、ZigBee技术
   1、什么是ZigBee？
 ZigBee是IEEE802.15.4协议的代名词，是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的近距离双线无线通信协议（技术），主要用于自动和远程控制领域。
   2、ZigBee技术结构
.物理层：主要实现点对点之间的信号发射和接收。
      采用：频段、编码、调制、扩频等通讯技术
.MAC层：主要功能是建立、维护、结束设备间无线链路模式确定及帧传输和校验、信道接入控制广播管理。
.数据链路层：实现两个对等MAC之间可靠的链路，无线信号的访问、产生网络信号、同步信号等。
.网络层：保障设备间的组网和网络节点间的数据传输。
.应用接口（服务接入点SAP）：实现层与层之间的沟通渠道。
.应用层：ZigBee业务数据流的中心，安全和鉴权，设备和业务的发现。
 3、ZigBee的组成和网络结构：
 组成：协调器、路由器、节点（父节点和终端节点）
 拓扑结构：星形网络（最简单）和网络结构（覆盖范围最广）
  4、ZigBee的技术工作频段和速度
   868（20Kbit/s）、915（40Kbit/s）、2.4G（250Knit/s）
  5、ZigBee的技术优势
 .低功耗：工作时间短、配合休眠模式使zigbee节点非常省电。
 .低成本：专利免费，终端节点无需存储和计算，全功能设备仅需32K的代码。
 .低速率：三个频段（20—250Knit/s）能够满足数据传输要求。
 .近距离：10M-3KM（增加射频发射功率/路由和节点间转发）
 .短时延：终端节点从睡眠转入工作状态只需0.015秒
 .容量大：一个网络节点最多保护255个网络节点通过网络协调器：整个网络可以超过64000个网络节点。
 .高安全：数据完整性检查和鉴权功能提供三级安全保障。
 .可靠传输：在MAC层采用碰撞避免机制（没有回复就重发）
 .免执照频段运行：物理层采用工业、医疗、科研免执照频段。
 第2、蓝牙技术
  1、什么是蓝牙技术？
 蓝牙是一种近距离点对点或点对多的无线技术的标准，实现设备间（主/从设备）的短距离，设备的地位都是平等的。主设备可以同时与7个从设备保持通信，可以同时与100个设备保持同步但不通信。
   数据交换（微微网络），两个以上的微微网络组成分散网。
  2、蓝牙技术的发展史？
 .1994年爱立信进行蓝牙技术研究
 .1998年5个跨国公司共同研究：全球性的小范围无线通信技术，并发布蓝牙v1.1速度800Kbit/s（干扰），蓝牙v1.2（抗干扰调频）
 .2004年：蓝牙v2.1，配对上增加NFC机制
 .2009年：蓝牙核心规范V3.0高速发布，推出新一代AMP交替射频技术。
 .2010年：蓝牙V4.0改进续航、节能、设备种类。
 .2013年：蓝牙V4.1融入物联网（批量传输、IPV6、4G及简化设备连接）
 .2014年：蓝牙4.2可直接通过IPV6和LPWAN接入互联网。
 .2016年：蓝牙V5.0传输速度可达24Mbit/s，工作距离约300米，升级物联网功能
  3、蓝牙系统的组成和结构
 （1）组成
      .天线：蓝牙天线的空中接口标准FCC（0db-100db）的ISM频段。
     .蓝牙协议（软件单元）：核心协议和协议子集（profile）
     作用：规范个人区域内的通信协议（分成协议）
    .链路控制：媒体接入控制、差错控制、认证和加密等。
    .链路管理：连接的建立、数据的发送和接收等。
 （2）层次结构（三层）
     .底层硬件模块：由射频层，基带层，链路管理层
     .主机控制层：统一命令接口（桥梁）
     .协议层：链路协议和适配协议。
     .应用层：应用模型和应用程序。
  4、蓝牙系统的扩散网（分散网络）？
    多个微微网络重叠覆盖（皮克网）区域的网络叫分散网络。
    一个微网的主设备可被认可是另一个微网的设备
    各微网间有自己的调频信道，不再以时间或频率同步。
  5、蓝牙技术的主要特点有哪些？
  .功耗低、体积小：有四个模式（工作、呼吸、保持、休眠模式）
  .短距离：通信距离约10米。如果增大发送电平可到100米。
  .同时传输语音数据：电路和分组交换、异步数据同时传输信道。
  6、蓝牙的应用
 
 第3、WiFi技术
  1、WiFi技术的定义？
  WiFi也叫无线宽带，是IEEE组织以802.11b为标准制定的无线通信的协议。工作在2.4GHz频段。
  2、WiFi的组成和网络结构？
  （1）无线网卡：负责接收AP发射的信号的客户端设备
  （2）AP/网络桥接器：是有线和无线网络之间连接的桥梁
 3、WiFi技术安全设计？（重点）
 （1）WiFi技术安全设计分为访问控制和加密。
  目的：保护无线网络安全，只有授权用户才能访问敏感数据，只有正确的接收方才能理解数据。
  采用的安全策略为：加密和认证。
（2）WPA加密技术（RC4算法）？
  .TKIP（暂时密钥集成协议）：是在WEP协议基础上数据加密和完整性保护。
        （1）协议由WEP的手工配置转动态生成且唯一。
       （2）TKIP的长度由WEP的40位加长到128位
      （3）增加MTC（消息完整性校验）、认证和防止重复攻击功能。
  .AES（高级加密标准）：采用AES加密，AES是一种迭代的、对称密钥分组的密码。与公共密钥密码对不同，对称密钥使用相同的密钥加密和解密数据。
（3）WPA认证技术？
 a.802.1x认证（工业级）：需要搭建认证服务器，是一系列认证的集合
 b.PSK（预先共享密钥）认证（家用）：用在安全性要求不高的地方，AP和终端有四次握手。
 4、WiFi技术的特点？
  .覆盖范围广/组网简单/业务可集成/完全开放ISM频段
 5、三种近距离通讯技术的对比与区别？
  （1）单点覆盖范围：ZigBee和WiFi
  （2）网络扩展性：ZigBee
  （3）电池寿命：ZigBee->蓝牙->WiFi
  （4）复杂性：ZigBee->蓝牙->WiFi
  （5）传输速度：250knit/s->1M/s->10m/s
  （6）频段：ZigBee（868-2.4G）蓝牙和WiFi（2.4G）
  （7）网络节点：ZigBee（65000）
蓝牙（8）WiFi（50）
  （8）联网时间：ZigBee(0.03秒)蓝牙（10秒）WiFi（3秒）
  （9）安全性：ZigBee（AES加密）蓝牙（64加密）WiFi（TKIP/AES加密）
  （10）安装使用难易：ZigBee->蓝牙->WiFi（简单->难）
任务四、感知层设计案例分析
 1、智慧校园
      1、可行性分析
        .增强感知力，获取高质量的数据
        .新信息的获取和处理，及系统集成
        .智能化（新的计算模式和算法）预见和决策
        .资源整合、系统扩展。
        .平台管理共享和自由。
      2、整体方案建设
         1，整体框架：
         2，组网：
           .射频识别
           .二维码组网
           .传感器子网
 2、智能电网
      1、可行性分析
          输电，变电，配电，用电
          电力通讯网
          智能电网综合信息平台

                    物联网一班
                    王秦朕