物联网感知层设计

任务一、传感器的认知和选择
    第1、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:目前传感器种类约几千种(光纤和气敏)
    第2、传感器的分类
         1、按工作原理:
   (1)磁电式传感器:利用电磁感应原理,将输入的、运动速度转成线圈中的感应电势并输出。也叫电动式或感应式。
         应用:动态测试、位移、转距等
        优势:输出功率大、配用电路简单、性能稳定
  (2)光电式传感器:利用可见光照射后产生的光电效应将光信号转成电信号的传感器。
          应用:尺寸、位移、速度和温度。
         优缺点:无接触测量(缺点:昂贵和环境特殊)
  (3)热点式传感器:将温度变化转成电量变化的装置。
          应用：温度、电流、速度、光强等。（4）压电式传感器：利用某些电介质受力后产生的压电效应制成的传感器。主要用于力和加速度的测量。
  (5)半导体传感器:利用半导体的各种物理/化学/生物的特性制成的传感器。
       应用:温度、湿度、压力、加速度、磁场及有害气体等自动化检测系统中。
        优点:集成化高、功能多样
  (6)谐振式(频率式)传感器:利用谐振元件把被测量转成频率信号的传感器。
     优点：体积小，重量轻，精度高，分辨率高，便于传输和储存。
    应用：压力，密度，转距，加速度等。
（7）电化学式传感器：利用离子导电为基础制成。
        可分为/电位/电导/电量/电解/极谱式
      应用：气体，酸碱度，液体和液体中的固体等。
    第3、常用传感器介绍
     1、温度传感器：利用温度的变化转成电信号的装置。
（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（从一个黑体中发射出的电磁辐射的辐射率与频率彼此之间的关系）
      优点：最高可测温度没有上限。
（3）热电偶：利用两种不同的导体的工作端（A）和自由端（B）的温度差，形成一个回路，产生的热电动势。
      特点：精度高，范围广，构造简单。
（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：不结实，容易自热导致永久性损坏。
 （5）红外测温仪：利用红外原理，把被测物体射出的红外辐射能量，通过光学信号转成电信号。
      优点：非接触，响应快，寿命长。
      应用：目标大小，距离，材料，环境和目标材料。
  2、加速度传感器：
（1）压电式：利用压电陶瓷或石英晶体的压电效应。
     优点：动态范围宽广，不需要外界电源，坚固耐用等。
     应用：震动测量传感。
（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：将力的物理量转成相关电信号的装置。
       力传感器分类：应变式/压阻式/电容式（品类繁多）使用时需考虑的问题：
     .根据特定场合选择适合的设备
     .根据环境：温度，密封，防爆等
     .根据精度要求：
     .传感器的量程：一般量程要大于冲击力的2倍以上。
（4）气体传感器：根据气体体积分数转成电信号装置。
   分类：半导体/电化式/热导体/红外线式/催化燃烧式/电介质
 如何选？
   .测量对象和测量环境
   .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（非线性可以看成线性）
   .有害气体：测毒和测爆
（5）MEMS（微机电系统）传感器：利用微电子技术与其他领域融合研制的传感器。
    优点：功耗低，易于集成及智能化等。
    应用：医疗系统，运动追踪，拍照等。
    1、温度传感器中、热电偶传感器的工作原理是怎样的？应用在哪些方面？
    2、传感器的种类有哪些？
任务二、 感知技术的认知与分析
第1、一维条码技术
        条码技术诞生于40年代，为了标识食品项目并自动识别相应设备应用的条码技术。
    1、什么是一维码？
 （1） 将线条与空白按一定的编码规则组合起来的符号，代表一定的字母、数字资料。
 （2）组成：前静区/起始符/数据符/终止符/后静区
 （3）条（光线放射率高低）与空（光线反射率高）
    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，条码阅读器扫描一维条码，得到一组反射光信号，经过光电转换后变为一组与线条、空白相对应的电子讯号，解码后还原成文字、数字在传入电脑。
  3、优点：可靠性高、速度快、准确度高、成本低。
  4、常用一维条码：EAN码（通用商品码）/交叉25码/贸易单元128码
第2、二维条码技术
 1、什么是二维条形码？
   答案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、把黑色相间的几何图形按一定的规律分布在平面上记录数据信息
2、二维码工作原理：利用二进制对应几何图形存储数值信息。
    通过图形输入设备/光电扫描设备自动识读和自动处理
 3、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）信息的承载量不一样（30/1850字符）
    （3）信息的表达方式不一样（一维码高度不表达信息）
    （4）外观结构不一样
  一维：矩形（垂直高度只是方便设备对标和读取），破损不能识别
  二维：正方形（三个回点（对焦）），纠错率达到约9%。
    （5）码制不一样
    一维码：EAN码/交叉25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
第3、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并读写相关数据。
   2、组成及工作原理：
   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/对电子标签进行读者控制
          耦合元件：实现射频信号的空间耦合（空间传输通道），实现能量的传递和数据的交换。
         目的：数据交换
         方式：时序关系
         基础：能量
     射频信号的耦合类型：
     （1）电感耦合：变压器模型（电磁感应定律），工作于中低频段，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（电磁波的空间传输规律） 工作于：高频和微波，识别距离大于1米
   原理：标签进入磁场、读写器发出射频信号、凭借感应电流所获得的能量发出存在芯片中的产品信息，读写器解码后进入信息系统处理。
  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作为信息化武器出现在二战中。
20世纪50年代：探索期1948年找到了RFID理论支撑。
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