浅析物联网感知层中的4大关键技术

发布时间：2017-06-25 作者：黄菊锋来源：e-works

关键字：物联网物联网感知层

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近年来，物联网技术受到广泛关注与应用，如个人消费领域谈得较多的共享单车、智能家电等，在工业领域对制造过程中的关键流程进行实时感知反馈，实现智能决策与控制、预防性维修维护等。这些应用场景的背后离不开物联网所涵盖的各类感知技术、网络传输技术、工业控制技术的重要支撑与发展，尤其是感知层的感知技术。

感知层在物联网技术架构的底层，通过传感网络获取环境信息，是物联网信息采集的关键部分和实现通信的核心基础。通俗来讲，感知层是物联网的皮肤和五官，就如同人类一样有了视觉、味觉、嗅觉、听觉和触觉，具有识别物体、采集信息的能力。因此，感知层具有十分重要的作用。

物联网体系架构各层级涉及技术

感知层由基本的感应器件（例如各类传感器、二维码标签和识读器、RFID标签和读写器、摄像头、GPS等基本标识和传感器件组成）以及感应器组成的网络（如RFID网络、传感器网络等）两大部分组成。所涉及的关键技术包括：传感器技术、条码技术、射频识别技术（RFID）、无线传感技术（WSN）等。本文将对这四大技术进行详细的介绍。

1、传感器技术——物联网的神经元

传感器是是感知层中获得信息的核心设备，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。

传感器

传感器一般分为温度、湿度、压力、光电、微机电（MENS）传感器、智能传感器等。其中，智能传感器（Smart Sensor）是一种具有一定信息处理能力的传感器，目前多采用传统的传感器与微处理器（MCU）结合的方式来制造，具备高数据精度、高可靠性与高稳定性、高信噪比与高分辨力、强自适应性、低价格性能比等特点，是未来传感器发展的重要方向。

传感器与智能传感器

2、条码技术——物联网时代的第一代身份证

条形码是一种信息的图形化表示方法，可以把信息制作成条形码，然后用相应的扫描设备把其中信息输入到计算机中。当前比较常见的是一维条码和二维条码。

一维条码只是在一个方向(一般是水平方向) 表达相关的信息而在垂直方向则不表达任何信息，通常为了为了便于阅读器的对准会有一定的高度。其特点是信息录入快，录入出错率低，但数据容量较小，条形码遭到损坏后便不能阅读。

二维条形码是在水平和垂直方向的二维空间存储信息的条形码，是用某种特定的几何形体按一定规律在平面上分布(黑白相间)的图形来记录信息的应用技术，可分为堆叠式／行排式二维码和矩阵式二维码。其中，堆叠式／行排式二维码形态上是由多行短截的一维码堆叠而成；矩阵式二维码以矩阵的形式组成，在矩阵相应元素位置上用“点”表示二进制“1”，用“空”表示二进制“0”，并由“点”和“空”的排列组成代码。

二维条码弥补了一维条码的不足，特点是信息密度高、容量大，不仅能防止错误而且能纠正错误，即使条形码部分损坏也能将正确的信息还原出来适用于多种阅读设备进行阅读。

图：一维条码（左）和二维条码（右）

3、RFID——物联网时代的第二代身份证

射频识别技术RFID（Radio Frequecy Identification），俗称电子标签。RFID是一种非接触式的自动识别技术，主要用来为各种物品建立唯一的身份标识，是物联网的重要支持技术。

射频识别技术RFID

RFID系统组成包括：电子标签、读写器（阅读器），以及作为服务器的计算机。其中，电子标签中包含RFID芯片和天线。其工作原理是当用户使用阅读器对物品上的电子标签进行操作时，阅读器天线向标签发出电磁信号，与标签进行通信对话，标签中的RFID编码被传输回阅读器，阅读器再与系统服务器进行对话，根据编码查询该物品的描述信息。

RFID系统功作原理

RFID标签分为有源和无源标签，有源标签采用电池供电，工作时与阅读器的距离可以达到10m以上，但成本较高，应用较少；目前实际应用中多采用无源标签，主要由阅读器发射的电磁场中提取能量来供电，工作时与阅读器的距离大约在1m左右。

条码技术VS RFID

之所以称条码技术和RFID技术为物联网时代的身份证，因为它们都可用来存储物品的信息，可以在一定程度上代表物品的身份，但RFID所储存的信息更多，可以作为物品的唯一身份标识。此外，两者还有很多不同：

1)条形码不具备读写功能，在已经印好的条形码上不能再添加信息；RFID 标签则可被读写，RFID阅读器能与标签进行信息交流，在标签设计允许范围内修改所存信息。

2)条形码阅读器需要对印刷的条形码进行近距离对准读取，并且条形码也只支持近距离阅读；RFID标签支持更远的读取距离，RFID 阅读器也不需要对有源RFID 标签或无源RFID标签进行近距离对准读取。

3)RFID标签通常比条形码更坚固耐用；但是 RFID标签也比条形码贵得多。

表：条形码与RFID功能对比

4、传感器网络——物联网海量信息的源泉

传感器网络是一种由传感器节点组成的网络，其中每个传感器节点都具有传感器，微处理器，以及通信单元，节点之间通过通信联络组成网络，共同协作来监测各种物理量和事件。传感器网络所感知的数据是物联网海量信息的重要来源之一。

目前，已经出现使用不同的通信技术的传感器网络，其中以无线传感器网络（WSN）技术发展最为迅速，被列为21世纪最有影响的21项技术和改变世界的10大技术之一。传感器网络主要包括三个方面：感应、通讯、计算（硬件、软件、算法），其中的关键技术主要有无线数据库技术，比如使用在无线传感器网络的查询，和用于和其它传感器通讯的网络技术，特别是多次跳跃路由协议。

传感器网络中传感节点的系统组成

对于传感器与传感器网络的关系，可以从两个方面来理解。传统的传感器+微处理器组成了智能传感器，再通过无线通信收发器进行互联，即从传感节点的系统组成上看，传感器网络可以看作是多个增加了无线通信功能的智能传感器组成的自组织网络；而从功能上看，传感器和传感器网络大致相同，都是用来感知监测环境信息的，只是传感器网络具备更高的可靠性，不会因为某一个传感器坏掉了，而影响信息获取。

除了以上提到的关键技术，还包括等同于人类的视觉和听觉系统的图像识别、语音识别、视频采集等多媒体技术，也是物联网感知层获取信息的重要技术手段。

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