论物联网关键技术传感器与RFID文档格式.docx
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1、传感器
1.1传感器的定义:
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
三层含义:
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
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四部分构成。
敏感元件为触须,直接感受被测非电量;
传感元件是核心,它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。
1.3传感器的功能和作用:
人们为了从外界获取信息,必须借助于感觉器官。
而单靠人们自身的感觉器官,在研究自然现象和规律以及生产活动中它们的功能就远远不够了。
为适应这种情况,就需要传感器。
因此可以说,传感器是人类五官的延长,又称之为电五官。
新技术革命的到来,世界开始进入信息时代。
在利用信息的过程中,首先要解决的就是要获取准确可靠的信息,而传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段。
在现代工业生产尤其是自动化生产过程中,要用各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数,使设备工作在正常状态或最佳状态,并使产品达到最好的质量。
因此可以说,没有众多的优良的传感器,现代化生产也就失去了基础。
在基础学科研究中,传感器更具有突出的地位。
现代科学技术的发展,进入了许多新领域:
例如在宏观上要观察上千光年的茫茫宇宙,微观上要观察小到fm的粒子世界,纵向上要观察长达数十万年的天体演化,短到s的瞬间反应。
此外,还出现了对深化物质认识、开拓新能源、新材料等具有重要作用的各种极端技术研究,如超高温、超低温、超高压、超高真空、超强磁场、超弱磁场等等。
显然,要获取大量人类感官无法直接获取的信息,没有相适应的传感器是不可能的。
许多基础科学研究的障碍,首先就在于对象信息的获取存在困难,而一些新机理和高灵敏度的检测传感器的出现,往往会导致该领域内的突破。
一些传感器的发展,往往是一些边缘学科开发的先驱。
传感器早已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等等极其之泛的领域。
可以毫不夸张地说,从茫茫的太空,到浩瀚的海洋,以至各种复杂的工程系统,几乎每一个现代化项目,都离不开各种各样的传感由此可见,传感器技术在发展经济、推动社会进步方面的重要作用,是十分明显的。
世界各国都十分重视这一领域的发展。
相信不久的将来,传感器技术将会出现一个飞跃,达到与其重要地位相称的新水平。
1.4传感器的划分和种类:
传感器有许多分类方法,但常用的分类方法有两种,一种是按被测物理量来分;
另一种是按传感器的工作原理来分。
按被测物理量划分的传感器,常见的有:
温度传感器、湿度传感器、压力传感器、位移传感器、流量传感器、液位传感器、力传感器、加速度传感器、转矩传感器等。
按工作原理可划分为:
1.电学式传感器
电学式传感器是非电量电测技术中应用范围较广的一种传感器,常用的有电阻式传感器、电容式传感器、电感式传感器、磁电式传感器及电涡流式传感器等。
电阻式传感器是利用变阻器将被测非电量转换为电阻信号的原理制成。
电阻式传感器一般有电位器式、触点变阻式、电阻应变片式及压阻式传感器等。
电阻式传感器主要用于位移、压力、力、应变、力矩、气流流速、液位和液体流量等参数的测量。
电容式传感器是利用改变电容的几何尺寸或改变介质的性质和含量,从而使电容量发生变化的原理制成。
主要用于压力、位移、液位、厚度、水分含量等参数的测量。
电感式传感器是利用改变磁路几何尺寸、磁体位置来改变电感或互感的电感量或压磁效应原理制成的。
主要用于位移、压力、力、振动、加速度等参数的测量。
磁电式传感器是利用电磁感应原理,把被测非电量转换成电量制成。
主要用于流量、转速和位移等参数的测量。
电涡流式传感器是利用金屑在磁场中运动切割磁力线,在金属内形成涡流的原理制成。
主要用于位移及厚度等参数的测量。
2.磁学式传感器
磁学式传感器是利用铁磁物质的一些物理效应而制成的,主要用于位移、转矩等参数的测量。
3.光电式传感器
光电式传感器在非电量电测及自动控制技术中占有重要的地位。
它是利用光电器件的光电效应和光学原理制成的,主要用于光强、光通量、位移、浓度等参数的测量。
4.电势型传感器
电势型传感器是利用热电效应、光电效应、霍尔效应等原理制成,主要用于温度、磁通、电流、速度、光强、热辐射等参数的测量。
5.电荷传感器
电荷传感器是利用压电效应原理制成的,主要用于力及加速度的测量。
6.半导体传感器
半导体传感器是利用半导体的压阻效应、内光电效应、磁电效应、半导体与气体接触产生物质变化等原理制成,主要用于温度、湿度、压力、加速度、磁场和有害气体的测量。
7.谐振式传感器
谐振式传感器是利用改变电或机械的固有参数来改变谐振频率的原理制成,主要用来测量压力。
8.电化学式传感器
电化学式传感器是以离子导电为基础制成,根据其电特性的形成不同,电化学传感器可分为电位式传感器、电导式传感器、电量式传感器、极谱式传感器和电解式传感器等。
电化学式传感器主要用于分析气体、液体或溶于液体的固体成分、液体的酸碱度、电导率及氧化还原电位等参数的测量。
另外,根据传感器对信号的检测转换过程,传感器可划分为直接转换型传感器和间接转换型传感器两大类。
前者是把输入给传感器的非电量一次性的变换为电信号输出,如光敏电阻受到光照射时,电阻值会发生变化,直接把光信号转换成电信号输出;
后者则要把输入给传感器的非电量先转换成另外一种非电量,然后再转换成电信号输出,如采用弹簧管敏感元件制成的压力传感器就属于这一类,当有压力作用到弹簧管时,弹簧管产生形变,传感器再把变形量转换为电信号输出。
2、智能传感技术与设备
2.1智能传感器定义
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。
2.2智能传感器的功能
概括而言,智能传感器的主要功能是:
(1)具有自校零、自标定、自校正功能;
(2)具有自动补偿功能;
(3)能够自动采集数据,并对数据进行预处理;
(4)能够自动进行检验、自选量程、自寻故障;
(5)具有数据存储、记忆与信息处理功能;
(6)具有双向通讯、标准化数字输出或者符号输出功能;
(7)具有判断、决策处理功能。
可实现的功能
智能传感器的功能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苛刻要求有所减轻,而靠软件帮助可以使传感器的性能大幅度提高。
1、信息存储和传输——随着全智能集散控制系统(SmartDistributedSystem)的飞速发展,对智能单元要求具备通信功能,用通信网络以数字形式进行双向通信,这也是智能传感器关键标志之一。
智能传感器通过测试数据传输或接收指令来实现各项功能。
如增益的设置、补偿参数的设置、内检参数设置、测试数据输出等。
2、自补偿和计算功能——多年来从事传感器研制的工程技术人员一直为传感器的温度漂移和输出非线性作大量的补偿工作,但都没有从根本上解决问题。
而智能传感器的自补偿和计算功能为传感器的温度漂移和非线性补偿开辟了新的道路。
这样,放宽传感器加工精密度要求,只要能保证传感器的重复性好,利用微处理器对测试的信号通过软件计算,采用多次拟合和差值计算方法对漂移和非线性进行补偿,从而能获得较精确的测量结果压力传感器。
3、自检、自校、自诊断功能——普通传感器需要定期检验和标定,以保证它在正常使用时足够的准确度,这些工作一般要求将传感器从使用现场拆卸送到实验室或检验部门进行。
对于在线测量传感器出现异常则不能及时诊断。
采用智能传感器情况则大有改观,首先自诊断功能在电源接通时进行自检,诊断测试以确定组件有无故障。
其次根据使用时间可以在线进行校正,微处理器利用存在EPROM内的计量特性数据进行对比校对。
4、复合敏感功能——我们观察周围的自然现象,常见的信号有声、光、电、热、力、化学等。
敏感元件测量一般通过两种方式:
直接和间接的测量。
而智能传感器具有复合功能,能够同时测量多种物理量和化学量,给出能够较全面反映物质运动规律的信息。
如美国加利弗尼亚大学研制的复合液体传感器,可同时测量介质的温度、流速、压力和密度。
美国EG&
GICSensors公司研制的复合力学传感器,可同时测量物体某一点的三维振动加速度(加速度传感器)、速度(速度传感器)、位移(位移传感器),等等。
5、智能传感器的集成化----由于大规模集成电路的发展使得传感器与相应的电路都集成到同一芯片上,而这种具有某些智能功能的传感器叫作集成智能传感器集成智能传感器的功能有三个方面的优点:
较高信噪比:
传感器的弱信号先经集成电路信号放大后再远距离传送,就可大大改进信噪比。
改善性能:
由于传感器与电路集成于同一芯片上,对于传感器的零漂、温漂和零位可以通过自校单元定期自动校准,又可以采用适当的反馈方式改善传感器的频响。
信号规一化:
传感器的模拟信号通过程控放大器进行规一化,又通过模数转换成数字信号,微处理器按数字传输的几种形式进行数字规一化,如串行、并行、频率、相位和脉冲等。
2.3智能传感器的特点
智能式传感器是一个以微处理器为内核扩展了外围部件的计算机检测系统。
相比一般传感器,智能式传感器有如下显著特点:
[3]
1.提高了传感器的精度
智能式传感器具有信息处理功能,边过软件不仪可修正各种确定性系统误差(如传感器输入输出的非线性误差、服度误差、零点误差、正反行程误并等)而且还可适省地补偿随机误差、降低噪声,大大提高了传感器精度。
2.提高了传感器的可靠性
集成传感器系统小型化,消除了传统结构的某些不可靠Jd素,改善丁整个系统的抗干扰件能;
同时它只有门诊断、巴校淮和数据存储功能(对于智能结构系统还有自适应功能),具有良好的稳定性。
3.提高了传感器的性能价格比
在相同精度的需求下,多功能智能式传感器名单一功能的普通传感器相比,性能价格比明显提高,尤其是在采用较便宜的单片机后更为明显。
4.促成了传感器多功能化
智能式传感器可以实现多传感器多参数综合测量,qJ编程扩大测量与使用范围;
有一定的自适应能力,根据检测对象或条件的改变,相应地改变量程反输出数据的形式;
具有数字通信接口功能,直接送入远地计算机进行处理;
具有多种数据输出形式(如Rs232串行输批,PIO并行输出,IEE-488总线输出以及经D/A转换后的模拟量输出等),适配各种应用系统。
2.4智能传感器的构成
主传感器、微处理器和信号调理电路
2.5智能传感器系统的体系结构:
2.6智能传感器系统实现方式
(1)非集成化实现
(2)集成化实现
(3)混合实现
2.7典型的智能传感器
(1)网络化智能传感器
(2)智能微尘
(3)多路光谱分析传感器
2.8智能传感器的发展与应用
电子自动化产业的迅速发展与进步促使传感器技术、特别是集成智能传感器技术日趋活跃发展,随着半导体技术的迅猛发展,国外一些著名的公司和高等院校正在大力开展有关集成智能传感器的研制,国内一些著名的高校和研究所以及公司也积极跟进,集成智能传感器技术取得了令人瞩目的发展。
国产智能传感器逐渐在智能传感器领域迈开步伐,西安中星测控生产的PT600系列传感器,采用国际上一流传感器芯体、变送器专用集成电路和配件,运用军工产品的生产线和工艺,精度高,稳定性好,成本低,采用高性能微控制器(MCU),同时具备数字和模拟两种输出方式,同时针对用户的特定需求(如组网式测量,自定义通讯协议),均可在原产品基础上进行二次开发,周期极短,为用户节省时间,提高效率。
已广泛应用于航空、航天、石油、化工、矿山、机械、大坝、地质、水文等行业中测量各种气体和流体的压力、压差、流量和流体的高度和重量。
智能传感器已广泛应用于航天、航空、国防、科技和工农业生产等各个领域中。
例如,它在机器人领域中有着广阔应用前景,智能传感器使机器人具有类人的五官和大脑功能,可感知各种现象,完成各种动作。
在工业生产中,利用传统的传感器无法对某些产品质量指标(例如,黏度、硬度、表面光洁度、成分、颜色及味道等)进行快速直接测量并在线控制。
而利用智能传感器可直接测量与产品质量指标有函数关系的生产过程中的某些量(如温度、压力、流量等),利用神经网络或专家系统技术建立的数学模型进行计算,可推断出产品的质量。
在医学领域中,糖尿病患者需要随时掌握血糖水平,以便调整饮食和注射胰岛素,防止其它并发症。
通常测血糖时必须刺破手指采血,再将血样放到葡萄糖试纸上,最后把试纸放到电子血糖计上进行测量。
这是一种既麻烦又痛苦的方法。
美国Cygnus公司生产了一种“葡萄糖手表”,其外观像普通手表一样,戴上它就能实现无疼、无血、连续的血糖测试。
“葡萄糖手表”上有一块涂着试剂的垫子,当垫子与皮肤接触时,葡萄糖分子就被吸附到垫子上,并与试剂发生电化学反应,产生电流。
传感器测量该电流,经处理器计算出与该电流对应的血糖浓度,并以数字量显示。
3、RFID技术
3.1RFID定义:
RFID是RadioFrequencyIdentification的缩写,即射频识别,俗称电子标签。
3.2RFID技术定义:
RFID射频识别是一种非接触式的自动识别技术,它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据,识别工作无须人工干预,可工作于各种恶劣环境。
RFID技术可识别高速运动物体并可同时识别多个标签,操作快捷方便。
3.2基本组成:
标签(Tag):
由耦合元件及芯片组成,每个标签具有唯一的电子编码,附着在物体上标识目标对象;
阅读器(Reader):
读取(有时还可以写入)标签信息的设备,可设计为手持式或固定式;
天线(Antenna):
在标签和读取器间传递射频信号。
3.4工作原理:
标签进入磁场后,接收解读器发出的射频信号,凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息(PassiveTag,无源标签或被动标签),或者主动发送某一频率的信号(ActiveTag,有源标签或主动标签);
解读器读取信息并解码后,送至中央信息系统进行有关数据处理。
3.5发展历程:
RFID是直接继承了雷达的概念,并由此发展出一种生机勃勃的AIDC新技术——RFID技术。
1948年哈里.斯托克曼发表的“利用反射功率的通讯”奠定了射频识别RFID的理论基础。
RFID技术发展的历程表。
在20世纪中,无线电技术的理论与应用研究是科学技术发展最重要的成就之一。
RFID技术的发展可按10年期划分如下:
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。
早期RFID技术的探索阶段,主要处于实验室实验研究。
1961—1970年。
RFID技术的理论得到了发展,开始了一些应用试。
1971—1980年。
RFID技术与产品研发处于一个大发展时期,各种RFID技术测试得到加速。
出现了一些最早的RFID应用。
1981~1990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技术标准化问题日趋得到重视,RFID产品得到广泛采用,RFID产品逐渐成为人们生活中的一部分。
2001—今。
标准化问题日趋为人们所重视,RFID产品种类更加丰富,有源电子标签、无源电子标签及半无源电子标签均得到发展,电子标签成本不断降低,规模应用行业扩大。
RFID技术的理论得到丰富和完善。
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RFID正在成为现实。
3.6RFID系统特征与分类
3.6.1按工作方式分类
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。
3.6.2按供电方式分类
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。
原理:
无源标签典型的产生电能的装置是天线与线圈,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。
应用:
无源标签具有永久的使用期,常常用在标签信息需要每天读写或频繁读写多次的地方,而无源标签支持长时间的数据传输和永久性的数据存储。
缺点:
数据传输的距离要比有源标签短。
有源标签:
有源标签内部自带电池进行供电,它的电能充足、工作可靠性、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。
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。
3.6.3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。
低档系统:
只读系统构成低档系统的下端。
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。
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字节至l6K字节以上的EEPROM或SRAM之间。
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135kHz、13.56MHz、27.125MHz和2.45GHz。
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13.56MHz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16K字节的EEPROM就足够了。
3.6.4按工作频率和作用距离分类
低频系统:
工作频率:
30kHz~300kHz,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1m。
高频或射频系统:
高频系统的工作频率范围为3MHz~30MHz,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1m。
超高频或微波系统:
RFID系统在该频段内的典型工作频率是433MHz、902~928MHz、2.45GHz、5.8GHz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1m,典型情况是4~7m。
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。
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。
第3章物联网对世界发展的影响
对个人:
是前所未有的机遇和挑战!
物联网的发展将全面改变人们的生活方式和生活质量!
作为万亿级的产业,将给经济注入新鲜的活力!
如果我们能抓住机遇,及时了解物联网最前沿的科技,最核心的技术,就可以在这场科技浪潮中拔得头筹,成为科技时代的领军人物!
当然,面对这种浪潮,个人的信息安全面临严重的挑战!
物联网时代,个人的信息将全方位的公布在社会上。
因此,切实保护好个人信息是我们面临的最大的挑战!
同时,在物联网时代,人与机器可以很畅通的交流,这就造成了机器取代人力的现象!
很可能会造成人的退化,越来越依赖机器,将对人本身自己的发展造成不利的影响!
对社会,国家:
自国际金融危机爆发以来,为尽快摆脱金融危机的影响,许多国家都在寻求和培育新的经济增长点,以保证各国经济持续发展或使经济损失降到最低。
而对于我国来说,国际金融危机对中国经济的发展既带来机遇又带来挑战。
正是在这种大背景下,发展战略性新兴产业是中国立足当前,渡过难关,着眼于长远发展的重大战略选择,这样的战略选择将会对中国当前经济社会的发展起到至关重要的作用,因此,全面建设和推广物联网被提上议事日程。
科学认识物联网这一新生事物,认真评估物联网对经济社会发展的影响,及早做出战略部署,抢占这一新兴产业的制高点,对于促进我国经济社会又好又快发展以及引领中国未来经济社会可持续发展具有重要意义。
目前,发展物联网已纳入我国“十二五”发展规划,由此可见发展物联网对我国经济社会的影响之大!
物联网用途广泛,遍及智能交通、环境保护、政府工作、公共安全、平安家居、智能消防、工业监测、环境监测、老人护理、个人健康、花卉栽培、水系监测、食品溯源、敌情侦查和情报搜集等多个领域,使人类能够以更加精细的方式管理生产和生活,达到“智慧”的状态,从而节约成本,提高资源利用率
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