第二篇感知识别

一、自动识别技术与RFID

1.1 自动识别技术

1.1.1 光符号识别技术

（Optical Character Recognition, OCR），这种让计算机按照人类的方式识别的方式可以算作是自动识别技术的先驱。光学符号识别系统最主要的优点是信息密度高，在机器无法识别的情况下人类也可以用眼睛阅读数据。

1.1.2 语音识别技术

1.1.3 生物计量识别技术

这种识别技术通常被称为生物计量学（Biomertics），所研究的生物特征包括脸、指纹、手掌纹、虹膜、视网膜、语音、体型和个人习惯等，相应的识别技术有人脸识别、指纹识别、红膜识别、视网膜识别、语音识别、体型识别、键盘敲击识别、签字识别等。

1.1.4 IC卡技术

IC卡（Integrated Circuit ）是集成电路卡的简称，实际上是一种数据存储系统，如必要还可以附加计算能力。

IC卡在外形上和磁卡极为相似，但它们的存储方式和介质完全不同。磁卡是通过改变磁条上的磁场来存储信息，而IC卡是通过嵌入卡中的电擦除式可编程只读存储器集成电路芯片来存储数据信息的。正因如此，IC卡具有如下特点：
1）存储容量大。
2）安全保密性好，需要密码才能对IC卡的数据进行读取、修改和擦除。
3）CPU卡具有数据处理能力，可对数据进行加解密。

IC卡根据是否带有微处理器可以分为存储卡和CPU卡两种。存储卡仅包含存储芯片而无微处理器，一般的电话IC属于此类。CPU卡具有数据读写和处理功能，因而具有安全性高、可离线操作等突出优点。

根据IC卡与读卡器的通信方式，可以分为接触式IC卡和非接触式IC卡。接触式IC卡通过表面多个金属接触点与读卡器进行物理连接完成通信和数据交换；非接触式IC卡通过无线通信方式与读卡器进行通信，无需与读卡器进行物理连接。

1.1.5 条形码技术

二维条形码可以从水平与垂直两个维度来获取信息，其包含的信息量远远大于一维条形码。二位条形码还具备自纠错功能。但二维条形码的工作原理与一维条形码是类似的：在进行识别时,需要一个扫描装置和译码装置（统称为阅读器）来阅读条形码符号所包含的信息。阅读器的功能是把条形码条符宽度、间隔等空间信号转换成不同的输出信号，并将该信号转化为计算机可识别的二进制编码。扫描器又称光电读入器，它装有光源和光电检测器件，能够接收条码的反射光。扫描器发出的光照在条形码上，每个光电池可根据条码的有无输出不同的图案，来自各个光电池的图案就组合成了一个高密度信息图案，经放大、量化后送译码器处理。译码器存储需要译读的条码编码方案数据库和译码算法。

二维条形码具有以下几个特点：
1） 存储量大，二维条形码可以存储 1100 个字比起一维条形码的 15 个字，存储量大为增加，而且能够存储英文、数字、汉字记号等，尺寸也可以自由选择;
2） 抗损性强，二维条形码采用了故障纠正技术，遭受污染以及破损后也能复原，即使条码受损程度高达 50%，仍然能够解读出原数据，误读率为 6100 万分之一;
3）安全性高，二维条形码采用了加密技术;
4）可传真和影印，而一维条形码在经过传真和影印后机器就无法进行识读:印刷多样性对于二维条形码来讲，它不仅可以在白纸上印刷黑色，还可以进行彩色印刷，印刷机器和印刷对象都不受限制:
5）抗干扰能力强，与磁卡、IC 卡相比，二维条形码由于其自身的特性，具有强抗磁力、抗静电能力。

根据不同的编码原理，可以将二维条形码分为以下三种类型：
1）线性堆叠式二维码。在一维条形码的基础上，降低条码行的高度，安排一个纵横比大的窄长条码行，将各行在顶上互相堆积，每行间都用一模块宽的厚黑条相分隔。典型的线性堆叠式二维码有 Code 16K、Code 49、PDF 417（Portable Data File，可以将条形码视为一个档案，里面可以存储较多资料，而且能够随身携带。PDF417因为解码规则比较开放和商品化，因而使用也比较广泛）等。
2）矩阵式二维码。它采用统一的黑白方块的组合，而不是不同宽度的条与空的组合。它能够提供更高的信息密度，存储更多的信息，与堆叠式相比具有更高的自动纠错能力，更适用于在条码容易受到损坏的场合。矩阵式二维码没有标识起始和终止的模块，但有一些特殊的“定位符”，定位符包含了符号的大小和方位等信息。典型的矩阵式二维码有 Aztec、Maxi Code、OR Code、Data Matrix 等。
3）邮政码。利用不同长度的条进行编码，主要用于邮件编码，如 Postnet、BPO4-State 等。

1.1.6 RFID技术

RFID技术利用射频线号通过空间耦合（交变磁场或电磁场）实现无接触信息传递并通过所传递的信息达到自动识别的目的。

1.2 RFID技术

1.2.1 PFID历史

图1 RFID发展历史1880~1960年

图2 RFID发展历史1960~1990年

图3 RFID发展历史1990年至今

1.2.2 技术分析

一般而言，RFID 系统由五个组件构成，包括传送器、接收器、微处理器、天线和标签。传送器、接收器和微处理器通常都被封装在一起，又统称为阅读器，所以工业界经常将 RFID 系统分为阅读器、天线和标签三大组件。

图4 RFID组成

电子标签与阅读器之间通过耦合元件实现射频信号的空间（无接触）耦合。在耦合通道内，根据时序关系，可实现能量的传递与数据的交换。射频信号的耦合类型有两种：一种是电感耦合，变压器模型，通过空间高频交变磁场实现耦合，理论依据为电磁感应定律；另一种是电磁反向散射耦合，雷达模型，发射出去的电磁波碰到目标后反射，同时携带回目标信息，理论依据是电磁波在空间的传播特性。

阅读器

是RFID系统最重要也是最复杂的一个组件。

天线

同阅读器相连，用于在标签和阅读器之间传递射频信号。阅读器可以连接一个或多个天线，但每次使用时只能激活一个天线。

标签

RFID标签（Tag）由耦合原件、芯片及微型天线组成。每个标签内部存有唯一的电子编码，附着在物体上，用来标识目标对象。
标签进入RFID阅读器扫描场后，接收到阅读器发出的射频信号，凭借感应电流获得的能量发送出存储在芯片中的电子编码（被动式标签），或者主动发送某一频率的信号（主动式标签）。

RFID标签的原理和条形码相似，但与其相比有以下优点：
1）体积小且形状多样。
2）耐环境性。对水、油等物质具有极强的抗污染性。另外，在黑暗的环境中，RFID标签也能够被读取。
3）可重复使用。
4）穿透性强。
5）数据准确性。

存储方式：
1）电可擦可编程只读存储器（Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory，EEPROM）。
2）铁电随机存取存储器（Ferroelectric Random-Access Memory，FRAM）。
3）静态随机存储器（Static Random-Access Memory，SRAM）。

分类（根据是否内置电源）：
1）被动式标签（因内部无电源又名无源标签）。
2）主动式标签（有源标签）。体积大、价格昂贵，但通信距离远。有两种工作模式：一是主动模式，即使周围没有阅读器也会主动想四周进行周期性广播；另一种为唤醒模式，只有接收到阅读器广播的唤醒命令时才开始广播自己的编码。
3）半主动式标签。和主动标签不同的是，标签和阅读器的通信不需要电池提供能量，而是像被动式标签一样通过阅读器发射的电磁波获取通信能量。

频率

RFID 频率是一个很重要的参数指标，它决定了工作原理、通信距离、设备成本、天线形状和应用领域等各种因素。

低频范围为30~300kHz。RFID典型低频工作频率有125kHz和133kHz两个，该频段的波长大约为 2500m。低频标签一般都为无源标签，通信范围一般小于1m。低频信号一般能够穿过任意材料的物品而不缩短读取距离。工作在低频的读写器在全球没有任何特殊的许可限制。虽然该频率的电磁场能量下降很快，却能够产生相对均匀的读写区域，非常适合近距离、低速、数据量要求较少的识别应用。相对其他频段而言，该频段的产品数据传输速率比较慢，因标签天线匝数多而成本较高，标签存储数据量也很少。典型的应用包括畜牧业的管理系统、汽车防盗和无钥匙开门系统、马拉松赛跑系统、自动停车场收费和车辆管理系统自动加油系统、酒店门锁系统、门禁和安全管理系统等。

高频范围为3~30MHz。该频率的波长大概为22m，通信距离一般也小于1m。该频率的标签不再需要线圈绕制，可以通过腐蚀活字印刷的方式制作标签内的天线，采用电感耦合的方式从阅读器辐射场获取能量。除金属材料外，该频率的波长可以穿过大多数的材料，但是读取距离往往会随之降低。同低频一样，该频段在全球都得到认可，没有任何特殊的限制，能够产生相对均匀的读写区域。在高频区域内，可以同时读取多个电子标签，并把数据信息写入标签中。另外，高频标签的数据传输率比低频标签高，价格也相对便宜。典型的应用包括图书管理系统、瓦斯钢瓶管理、服装生产线和物流系统三表预收费系统、酒店门锁管理、大型会议人员通道系统、固定资产管理系统、医药物流系统、智能货架的管理等。

超高频范围为300MHz~3GHz，3GHz 以上为微波范围。采用超高频和微波的 RFID系统一般统称为超高频 RFID系统，波长在 30cm 左右。超高频标签可以是有源的，也可以是无源的，它通过电磁耦合方式和阅读器通信。通信距离一般大于1m，典型情况为 4~6m，最大可超过 10m。超高频频段的电波不能通过许多材料，特别是水、灰尘、雾等悬浮颗粒物质。超高频阅读器有很高的数据传输速率，在很短的时间内可以读取大量的电子标签。阅读器一般安装定向天线，只有在阅读器天线定向波速范围内的标签才可被读写。标签内的天线一般是长条和标签状，天线有线性和圆极化两种设计，以满足不同应用的需求。从技术及应用角度来说，标签并不适合作为大量数据的载体，其主要功能还是在于标识物品并完成非接触识别。典型的应用包括供应链管理、生产线自动化、航空包裹管理、集装箱管理、铁路包裹管理、后勤管理系统等。

图5 RFID频率分布图

二、无线传感网

2.1 硬件平台

无线传感网节点的硬件组成包括传感器、微处理器、通信芯片以及供能装置。

2.1.1传感器

能感受被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。一般由敏感元件、转换元件和基本电路组成。通常处理器通过两种方式（模拟信号和数字信号）与传感器进行交互。基于模拟信号的传感器为每一个测量物理量输出一个原始的模拟量，例如电压。模拟量必须先被数字化然后才能被使用。因此，这些传感器需要外部的模数转换器，以及额外的校准技术。而基于数字信号的传感器本身提供了数字化接口，因此处理器可以直接读出感知信号对应的数字量，简化了处理器与传感器之间的交流。

图6 传统传感器组成

2.1.2 微处理器

是无线传感节点中负责计算的核心。目前的微处理器芯片同时也集成了内存、闪存、模数转换器、数字输入/输出（Input/Output，I/O）等。这种深度集成的特征使得它们非常适合在无线传感网中使用。

关键特性：
1）功耗特性。微处理器的功耗特性是一个十分关键的特性，因为它决定了无线传感网的生命周期。传感节点一般周期性地进行数据采集与处理，在其他大部分的时间处于休眠状态。因此，处理器睡眠状态的能耗对整个节点的生命周期起着极为关键的作用。
2）唤醒时间。唤醒时间越短，进行状态切换的速度就越快。唤醒时间短的处理器能充分利用小段的非活跃状态，使得节点在这些状态也能快速进入睡眠状态，进一步节省能耗。
3）供电电压。
4）运算速度。
5）内存大小。通常在节点上执行的程序将数据存储在内存上，而将程序代码存在闪存上。内存是易失性的，内存里的数据在断电后就会消失；二闪存是非易失性的。

2.1.3 通信芯片

能耗两大特点：
1）在一个无线传感节点的总能量消耗中，通信芯片耗能所占的比重最大。
2）低能耗的通信芯片在发送状态和接收状态消耗的能量差别不大。意味着只要通信芯片在开着的状态下，不管它有没有在接收数据，都消耗着差不多的能量。

2.1.4 供能装置

除了使用电池供电，节点也已使用可再生能量。

2.2 操作系统

作为传感器节点软件系统的核心，节点操作系统（Operating System，OS）向上层应用程序提供硬件驱动、资源管理、任务调度以及编程接口等。节点操作系统区别于传统操作系统的主要特点是其硬件平台资源极其有限。

2.3 组网技术

2.3.1 选路指标ETX

ETX（Excepted Transmission Count）是目前无线传感网中广泛使用的路径选择指标，一条路径的 ETX 越小，代表在这条路径上引起的总的传输次数越小。

使用ETX的路由协议通常具有如下假设。所有传输具有链路层 ACK 机制，即当一个数据包在一条链路上传输成功时，源节点会收到目的节点的 ACK 包。同时，源节点具有较大的重传次数，以保证数据包传输的可靠性。通常我们使用收包率（Packet Reception Ratio，PRR）来刻画一条链路的质量，从而表示数据包和 ACK 包发送成功的概率。我们考虑从一个源节点向目的节点发送数据的单条链路，记 d；为从源节点到目的节点的收包率，d 为从目的节点到源节点的 ACK 的收包率，则从源节点到目的节点传输成功一个数据包（并且发送者能够成功地收到ACK）所需要的传输次数为

一条路径的 ETX 为构成该条路径的所有链路的 ETX 之和，即在这条路径上传输成功一个数据包所需要的传输次数。图7显示了从源节点 A 到目的节点 B 的三条路径。图中标识了每条链路的收包率（假设链路反向的收包率d均为1）。

图7 例子

1）路径A→B。直接从节点A传输到节点B，由于链路发送成功率为0.1，即成功传输一个数据包会引起10次传输。因此，ETXa-b=10
2）路径A→C→B。在链路A→C上会引起1.25次传输，在链路C→B上也会引起1.25次传输。因此，ETXa-c-b=1.25+1.25=2.5。
3）路径A→D→E→B。在链路A→D、D→E、E→B上均会引起1.11次传输因此，ETXa-d-e-b=3.33。
由此可见，路径A→C→B是三条路径中ETX最小的路径。图7的例子也说明了ETX指标既不选择较长的路径（如A→D→E→B），也不选择较短的路径（如A→B），而是选择了两者的折中一一具有最小传输代价的路径。

由ETX的设计可以看出，使用ETX作为路由指标具有如下好处：
1）通过把传输代价最小化，ETX提高了带宽利用率，并有效减少传感网能量消耗。
2）通过测量双向链路质量，ETX能有效避免非对称链路。

2.3.2 路由协议CTP

路由是大规模无线传感网需要实现的基本功能之一。在一个典型的数据收集无线传感网中，每个传感器节点收集的环境信息，如温度、湿度、光照等，都需要通过路由协议收集到汇聚节点上。同时，网络管理员可能需要配置网络的参数或对节点软件进行更新，这时也需要通过路由协议将配置参数或者需要更新的代码可靠地传递给网络中的每一个节点。

图8 路由协议设计

无线传感网路由区别于传统路由主要有两个方面：
1）无线传感网中的链路是不可靠的，这是区别于有线网络的一个重要特点。因此，链路质量成为影响路由协议性能的重要指标。许多无线传感网路由协议在其路径选择过程中均考虑了链路质量。
2）无线传感器节点的功能和资源是极其受限的，这使得节点不能进行很复杂的计算、测量以及维护庞大的路由表。

CTP 是目前广泛使用的数据收集协议之一，它由斯坦福大学一个研究组提出，并在 TinyOS 中进行了实现。CTP 的基本工作方式如下：在初始化阶段，网络中每个节点广播自己到汇聚节点的路径ETX。每个节点收到广播包之后，依据邻居节点广播的路径ETX动态选择父节点，使得自己到汇聚节点的路径ETX尽量小。最后，经过不断更新，网络中的每个节点都能够选择到一条到汇聚节点ETX之和最小的路径，在每一个节点上只需要记录这条路径上的上一跳节点，即该节点的父节点。每个节点的数据包将发送给父节点，最终通过多跳的方式收集到汇聚节点。

CTP 协议基本特点：
1）在链路质量估计方面，综合了来自多方面的信息。CTP 不仅通过主动交换控制包来估计链路质量，而且通过被动侦听数据包来动态更新链路质量；同时，CTP 协议不仅考虑了链路层信息，还考虑了网络层队列是否溢出的信息，以此来避免拥塞的节点。
2）在控制包发送方面，使用了 Trickle 算法来自适应地控制发包的频率。在网络稳定的时候，Trickle 算法二进制增长发包间隔，以减少发送包的数量。在发生环路或其他异常情况时，Trickle 算法缩短发包间隔，使网络能及时恢复到正常状态。

2.3.3 数据分发协议 Drip

数据分发协议的作用是将数据包可靠地传输到网络中的每个节点。

Drip 协议的基本工作方式如下：由于 Drip 协议会不断更新数据，因此 Drip 协议为每一个数据项对应一个版本号，版本号越高的数据为越新的数据。网络中每个节点周期性地广播关于一个数据项的版本信息。当一个 Drip 节点发现自己的数据需要更新（即发现邻居节点的版本信息更高）时，则向邻居节点发送请求包。收到请求包的节点将广播关于该数据项的数据包。这样整个网络的数据就可以达到最新的状态。值得一提的是，数据分发协议与基本的洪泛协议存在本质的不同。基本的洪泛协议仅仅将数据包广播，而没有考虑传输的可靠性，也不保证每一个节点拥有最新的数据。数据分发协议维护了每一个数据项的版本信息，并保证该数据的最新版本能够可靠地扩散到整个网络。

三、系统定位

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物联网基础知识——《物联网概论》笔记（2）

第二篇感知识别

一、自动识别技术与RFID

1.1 自动识别技术

1.1.1 光符号识别技术

1.1.2 语音识别技术

1.1.3 生物计量识别技术

1.1.4 IC卡技术

1.1.5 条形码技术

1.1.6 RFID技术

1.2 RFID技术

1.2.1 PFID历史

1.2.2 技术分析

二、无线传感网

2.1 硬件平台

2.1.1传感器

2.1.2 微处理器

2.1.3 通信芯片

2.1.4 供能装置

2.2 操作系统

2.3 组网技术

2.3.1 选路指标ETX

2.3.2 路由协议CTP

2.3.3 数据分发协议 Drip

三、系统定位

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第二篇 感知识别

一、自动识别技术与RFID

1.1 自动识别技术

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1.1.2 语音识别技术

1.1.3 生物计量识别技术

1.1.4 IC卡技术

1.1.5 条形码技术

1.1.6 RFID技术

1.2 RFID技术

1.2.1 PFID历史

1.2.2 技术分析

二、无线传感网

2.1 硬件平台

2.1.1传感器

2.1.2 微处理器

2.1.3 通信芯片

2.1.4 供能装置

2.2 操作系统

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