物联网感知层综述

大家好，欢迎来到IT知识分享网。

摘 要

物联网感知层的关键技术包括传感器技术、射频识别技术、二维码技术、蓝牙技术以及 ZigBee技术等。物联网感知层的主要功能是采集和捕获外界环境或物品的状态信息，在采集和捕获相应信息时，会利用射频识别技术先识别物品，然后通过安装在物品上的高度集成化微型传感器来感知物品所处环境信息以及物品本身状态信息等，实现对物品的实时监控和自动管理。而这种功能得以实现，离不开各种技术的协调合作。

物联网感知层的传感技术体现在传感器及其组网技术上，传感器位于物联网的末梢，是实现感知的首要环节，通过有线或无线的方式接入至与互联网相结合而成的泛在网络，实现物节点的识别和管理，使计算无处不在。传感器对外界模拟信号进行探测，将声、光、温、压等模拟信号转化为适合计算机处理的数字信号，以达到信息的传送、处理、存储、显示、记录和控制的要求，使物联网中的节点充满感应能力[2]，通过与信息平台的相互配合实现自检和自控的功能。

本文通过对传感技术的解析和应用探讨，展示了当今传感技术的发展现状和未来的发展方向，提出了自己的传感技术解决方案。

关键词：物联网 感知层 关键技术

Internet of Things information

Weng Xiu Lin

(Changjiang University, Jingzhou , China)

Abstract: The key technologies of the IoT perception layer include sensor technology, radio frequency identification technology, two-dimensional code technology, Bluetooth technology and ZigBee technology. The main function of the perception layer of the Internet of Things is to collect and capture the status information of the external environment or items. When collecting and capturing the corresponding information, it will use the radio frequency identification technology to first identify the items, and then use the highly integrated micro-sensors installed on the items to sense. The information of the environment where the item is located and the status information of the item itself, etc., realize the real-time monitoring and automatic management of the item. The realization of this function is inseparable from the coordination and cooperation of various technologies.

The sensing technology of the perception layer of the Internet of Things is reflected in the sensor and its networking technology. The sensor is located at the end of the Internet of Things and is the primary link to realize perception. It is connected to the ubiquitous network combined with the Internet through wired or wireless means. The network realizes the identification and management of physical nodes, making computing ubiquitous. Sensors detect external analog signals, convert analog signals such as sound, light, temperature, and pressure into digital signals suitable for computer processing, so as to meet the requirements of information transmission, processing, storage, display, recording and control. The nodes are full of sensing ability [2], and realize the functions of self-checking and self-control by cooperating with the information platform.

Through the analysis and application of sensing technology, this paper shows the current development status and future development direction of sensing technology, and proposes a relatively complete sensing technology solution.

Key words: IoT Perception Layer Key Technologies

目 录

1 引言 1

2 物联网传感网络技术概述 1

2.1 传感器技术 1

2.2 射频识别技术 2

2.3 二维码技术 2

2.4 蓝牙技术 3

2.5 ZigBee技术 4

3 结论 5

参考文献 9

附录 10

附录1 中国物联网发展图谱 10

致谢 13

1 引言

物联网是现今整个信息化产业的新宠和发展方向，以美日为代表，纷纷将其上升至 国家 战略高度 ，是“智慧地球”实现 的技术关 键，并 因此成 为全球经济新走 向。美国次贷引发全球经济的大动摇 ，使得物联网的推出速度大幅加快。中国紧跟技术大浪潮 ，提 出了“感知中国”的国家战略计划，将物联网作为新的科技革命以推进社会变革 ，使其成为创新型经济的巨大推动力。物联网分为感知层 、网络层和应用层 ，感知层的传感技术至关重要 ，是物物相连的基础 ，是实现物联网的最底层技术。

作为物联网应用的最前端，感知层的信息感知和采集效果对于物联网功能的有效实现有着决定性的作用，而标准体系架构的研究和实现是完善物联网感知层功能的基础，因此，感知层标准体系架构的研究是必要且紧迫的。物联网感知层不但包含网络、通信、信息处理、传感器、安全、服务技术、标识、定位、同步等传统技术，还涉及到协同处理等新技术，覆盖范围较宽。国际国内相关标准化组织已开始进行物联网感知层的标准架构研究，但各自的定义不统一，针对性也不同。

本文通过对传感技术的解析和应用探讨 ，展示当今传感技术的发展现状和未来的发展方向，提出了较完备的感技术解决方案 。

2 物联网传感网络技术概述

物联网感知层的关键技术包括传感器技术、射频识别技术、二维码技术、蓝牙技术以及 ZigBee技术等。物联网感知层的主要功能是采集和捕获外界环境或物品的状态信息，在采集和捕获相应信息时，会利用射频识别技术先识别物品，然后通过安装在物品上的高度集成化微型传感器来感知物品所处环境信息以及物品本身状态信息等，实现对物品的实时监控和自动管理。而这种功能得以实现，离不开各种技术的协调合作。

2.1 传感器技术

物联网实现感知功能离不开传感器，传感器的最大作用是帮助人们完成对物品的自动检测和自动控制。目前，传感器的相关技术已经相对成熟，被应用于多个领域，比如地质勘探、航天探索、医疗诊断、商品质检、交通安全、文物保护、机械工程等。作为一种检测装置，传感器会先感知外界信息，然后将这些信息通过特定规则转换为电信号，最后由传感网传输到计算机上，供人们或人工智能分析和利用。

传感器的物理组成包括敏感元件、转换元件以及电子线路三部分。敏感元件可以直接感受对应的物品，转换元件也叫传感元件，主要作用是将其他形式的数据信号转换为电信号；电子线路作为转换电路可以调节信号，将电信号转换为可供人和计算机处理、管理的有用电信号。

2.2 射频识别技术

RFID是一种非接触式的自动识别技术，其本身就是一个简单的无线收发系统，由阅读器和电子标签组成，在阅读器和电子标签之间通过射频信号(工作频率一般为：低频135 kHz以下、高频13.56MHz、超高频860～960 MHz、微波2.4 G和5.8 G)进行非接触双向数据的传送和交换，对物节点进行识别并获取相应采集数据。RFID对环境的依赖性小，空间易扩展，能识别高速移动的物体，并且对于多个物体的同时识别也能很好地实现。

I-RFID技术是在RFID技术上发展而来的，其技术组成结构和实现原理与RFID基本一致，只是在电子标签内新增了一块智能芯片，使传感器具有本地预处理和计算的功能，使传感网更具价值。Ⅰ-RFID技术由以下5个部分组成。

1)Tag(电子标签)。

RFID中的电子标签也就是应答器，通常是一块射频卡，由耦合器件和周围电路芯片及内置天线组成，而I-RFID则有些不同，是在RFID电子标签内加入了一块智能芯片。电子标签的工作方式分为无源和有源两大类，RFID中无源工作方式应用较多，利用电感耦合原理，使进入RFID无线覆盖工作区间的电子标签，在其天线两端产生感应电势差，从而电子标签电路获得一定强度的电流，以供电驱动电路中的芯片进行工作，通过对电子标签中的存储器EPROM的读/写操作，获得物节点的编码信息(电子标签中的存储器EPROM存储空间远远大于物节点的编码)，实现了单物品级的识别。

I-RFID则偏重于有源工作方式，综合体积、功耗、成本和传输距离各方面的因素，采用小型电池供电，通过电子标签加入智能芯片的方式实现了对有源工作方式的改进，产生了待和定的半有源工作方式。待是指超低功耗待机，定是指固定行为的周期循环。在智能芯片预先写好的程序控制下，电子标签对协调器(协调器的巧妙设置实现了电子标签工作启动的开关作用，这种按需工作的方式不仅使功耗降至最低，有源器件的寿命延至数年，并且对实时无用的信息起到了过滤作用。)的广播信号进行一定时间间隔的监听，电子标签若监听到信号则立即跳转至读写器的工作频道，实现传感数据的双向传输，并按智能芯片程度设置的方式与信息平台进行互交流，快速完成工作任务。若没监听到信号则进入休眠状态，继而继续周期性地监听协调器的信号指令。

2)阅读器。

阅读器是对电子标签进行读/写操作的设备，由射频收发模块和DSP组成。读写器是RFID中承上启下的关键设备：对下层电子标签的射频信号进行A/D转换，再通过DSP处理解调出电子标签的信息，完成电子标签的识别和读/写操作；对上与中间件和信息平台的应用程序进行交互，实现指令的执行和数据汇总的上传，并且在数据上传之前，还会对电子标签中的事件进行简单条件的过滤和数据加工，以最大程度降低读写器与中间件和应用软件间数据交换的流量。读写器的未来发展方向是集通信、控制和计算于一身的接入核心设备。

3)天线。

天线是电子标签和读写器之间射频信号传递的桥梁。RFID中的天线有两类：电子标签中的天线和读写器天线。电子标签中的天线，内置在电子标签电路中。读写器的天线既可内置，又可以通过自身射频输出端口与外置天线相连接。天线技术是很复杂的技术，但往往被人忽视。电子标签的识别范围与天线有直接的关系，除具有良好的阻抗匹配特性外，还必须根据具体环境的应用特点进行方向性、极化性和频率性的专业设计。

4)中间件。

解析中间件就必须引入另一概念EPC(电子产品编码)，EPC是互联网和RFID的结合产物，利用全球唯一标识编码系统赋予每个物节点相对应的唯一标识[3]，其目的是构建全球范围内实时共享的实物互联网，这对于高效实现全球产品的物流控制和物流配置具有重大意义。EPC与阅读器之间的数据传送和管理是实现这一目的的关键性难题，中间件的出现则是解决这一难题较好的方案。中间件就是转换件，是EPC和阅读器之间的桥梁，实质是指模块化的Savant(分布式网络软件)，一种软件程序，实现RFID硬件与应用系统之间数据传送、过滤和数据格式转换的功能，将阅读器中的各种数据信息，经过提取、解密、过滤和格式转换，导入管理信息平台中的应用系统，并通过应用系统在前台上显示，为信息管理员提供相应的操作结果。同时，中间件技术降低了应用系统开发的难度，不需要从软件底层架构进行开发，只需直接开发并调用中间件即可，体现了良好的兼容和扩展性。Savant在具体应用中，对阅读器中的数据进行冗余过滤，避免重复信息的出现，然后对信息进行复杂事情逻辑分析，将零碎的有用信息经过聚合，最后通过JAVA的消息服务搭建Savant与应用程序间的传送数据平台从而完成数据传送。

5)应用程序。

应用程序是可视化面向用户的交互操作软件平台，其作为支撑系统协助操作者完成指令下发和中间件的逻辑设置，以使RFID的原始数据逐步整理为用户可理解的业务事件，并将结果显示在屏幕上。应用系统无统一标准，完全按照用户需求进行开发，用户的体验是验证应用系统成功与否的关键。

图1 RFID

2.3 二维码技术

二维码（2-dimensional bar code）又称二维条码、二维条形码，是一种信息识别技术。二维码通过黑白相间的图形记录信息，这些黑白相间的图形是按照特定的规律分布在二维平面上，图形与计算机中的二进制数相对应，人们通过对应的光电识别设备就能将二维码输入计算机进行数据的识别和处理。

二维码有两类，第一类是堆叠式/行排式二维码，另一类是矩阵式二维码。堆叠式/行排式二维码与矩阵式二维码在形态上有所区别，前者是由一维码堆叠而成，后者是以矩阵的形式组成。两者虽然在形态上有所不同，但都采用了共同的原理：每一个二维码都有特定的字符集，都有相应宽度的“黑条”和“空白”来代替不同的字符，都有校验码等。

二维码具有较多的优点：第一，编码的密度较高，信息容量很大。一般来说，一个二维码理论上能容纳1850个大写字母，或者2710个数字。如果换算成字节的话，可包含1108个；换算成汉字，能包含500多个。第二，编码范围广。二维码编码的依据可以是指纹、图片、文字、声音、签名等，具体操作是将这些依据先进行数字化处理，再转化成条码的形式呈现。二维码不仅能表示文字信息，还能表示图像数据。第三，容错能力强，具有纠错功能。二维码局部沾染了油污，变得模糊不清；或者由于二维码被利器穿透导致局部损坏，在这些极端情况下，二维码都可以正常识读和使用。也就是说，只要二维码损毁面积不超过50%，都可以利用技术手段恢复原有信息。第四，译码可靠性高。二维码的错误率低于千万分之一，比普通条码错误率低了十几倍。第五，安全性高，保密性好。第六，制作简单，成本较低，持久耐用。第七，可随意缩小和放大比例。第八，能用多种设备识读，如光电扫描器、CCD设想设备等。方便好用，效率高

图2 不同二维码

2.4 蓝牙技术

蓝牙技术是典型的短距离无线通讯技术，在物联网感知层得到了广泛应用，是物联网感知层重要的短距离信息传输技术之一。蓝牙技术既可在移动设备之间配对使用，也可在固定设备之间配对使用，还可在固定和移动设备之间配对使用。该技术将计算机技术与通信技术相结合，解决了在无电线、无电缆的情况下进行短距离信息传输的问题。

蓝牙集合了时分多址、高频跳段等多种先进技术，既能实现点对点的信息交流，又能实现点对多点的信息交流。蓝牙在技术标准化方面已经相对成熟，相关的国际标准已经出台，例如，其传输频段就采用了国际统一标准2.4GHz频段。另外，该频段之外还有间隔为1MHz的特殊频段。蓝牙设备在使用不同功率时，通信的距离有所不同，若功率为0dBm和20dBm，对应的通信距离分别是10m和100m。

图4 蓝牙

图4.1 蓝牙技术

2.5 ZigBee技术

ZigBee指的是IEEE802.15.4协议，它与蓝牙技术一样，也是一种短距离无限通信技术。根据这种技术的相关特性来看，它介于蓝牙技术和无线标记技术之间，因此，它与蓝牙技术并不等同。

ZigBee传输信息的距离较短、功率较低，因此，日常生活中的一些小型电子设备之间多采用这种低功耗的通信技术。与蓝牙技术相同，ZigBee所采用的公共无线频段也是2.4GHz，同时也采用了跳频、分组等技术。但ZigBee的可使用频段只有三个，分别是2.4GHz（公共无线频段）、868MHz（欧洲使用频段）、915MHz（美国使用频段）。ZigBee的基本速率是250Kbit/s，低于蓝牙的速率，但比蓝牙成本低，也更简单。ZigBee的速率与传输距离并不成正比，当传输距离扩大到134m时，其速率只有28Kbit/s，不过，值得一提的是，ZigBee处于该速率时的传输可靠性会变得更高。采用ZigBee技术的应用系统可以实现几百个网络节点相连，最高可达254个之多。这些特性决定了ZigBee技术能够在一些特定领域比蓝牙技术表现得更好，这些特定领域包括消费精密仪器、消费电子、家居自动化等。然而，ZigBee只能完成短距离、小量级的数据流量传输，这是因为它的速率较低且通信范围较小。

图5 ZigBee

图5.1 ZigBee协议栈

3 结论

物联网是继计算机、互联网与移动通信网之后的信息产业新方向，其价值在于让物体也拥有了“智慧 ”，从而实现人与物、物与物之间的沟通。这里的“物”并不是自然物品，而是要满足一定的条件才能够被纳入物联网的范围，例如有相应的信息接收器和发送器、数据传输通路、数据处理芯片、操作系统、存储空间等，遵循物联网的通信协议，在物联网中有可被识别的标识。可以看到现实世界的物品未必能满足这些要求，这就需要特定的物联网设备的帮助才能满足以上条件，并加人物联网。物联网设备具体来说就是嵌入式系统、传感器、RFID等。本文对感知层涉及的主要技术，即传感器技术、物品标识技术(RFID和二维码)以及短距离无线传输技术(ZigBee和蓝牙)进行了概述。

物联网中感知只是第一步，倘若感知的信息没有一个庞大的网络体系，不能进行 管理和整合，那这个网络就没有意义。另外，物联网最终目的是要把感知和传输来的信息更好地利用。因此，物联网网络层和应用层中关键技术也具有十分重要的作用。

参 考 文 献

俞玉莲.物联网感知层中的关键技术分析[A]：上海电子信息职业技术学院通信与信息工程系.

马或，何英昊，姜绍君，谢印庆，等. 物联网感知层课程建设探索[A].辽宁大连：大连理工大学城市学院.

林勇，谭清中，唐彦. 物联网感知层传感技术解析及应用[A].四川：四川省达州市电信分公司网络部.

陈红霞，赵俊钰. 物联网感知层标准体系架构研究[A]. 华信邮电咨询设计研究院有限公司，2012-01-19.

庞国栋，武飞，等. 5G的mMTC场景下的物联网感知层的认证安全[A]//互联网＋应用，中国铁塔股份有限公司聊城市分公司.

附 录

附录1 中国物联网发展图谱

附图6 物联网感知层关键技术矩阵

附图7 物联网通信技术特点与现状分析

附图8 MEMS传感器的分类与下游场景应用

附图9 智能传感器的结构和特性

附图10 中国物联网产业链图谱

附图11 物联网的技术框架

致 谢

感谢指导老师的悉心指导

感谢其他老师、同学的帮助

感谢实验室或学校其他部门的支持

感谢父母的养育之恩