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第七章 物联网感知层搭建:怎样设计物联网的皮肤和五官?(2 / 3)

传感器具有两种特性,分别是静态特性和动态特性。传感器的静态特性,其实指的是静态输入信号、输入量以及输出量二者之间的关系,由于输入量、输出量不受时间影响,一般情况下,人们会用一个代数方程来表示传感器的静态特性,而在这个代数方程中不存在时间项;也可以用输出量做纵坐标,输入量做横坐标的特性曲线来表示。静态特性中的参数包括迟滞、灵敏度、线性度以及分辨力等。

传感器的动态特性体现在输入和输出之间,也就是在其他条件不变的情况下,输入变化后的输出的反应特性。实际上,在获悉传感器的动态特性时,人们往往会对传感器输入一些标准的信号,之后通过观察输出信号的响应来了解动态特性的具体内容。例如,阶跃信号、正弦信号都是比较常用的测量传感器动态特性的标准输入信号,因此,阶跃响应与频率响应可用来描述传感器的动态特性。

在选择物联网传感器时,需要考虑多种因素,比如成本、灵敏度、测量范围、响应速度、工作环境等。随着物联网的发展,传感器也越来越智能化。传感器不仅可以采集或捕获信息,还具备了一定的信息处理能力,其称呼也随之改变,被叫做“智能传感器”。这种传感器携带有微处理机,功能也远非传统传感器可比。相比于传统传感器,智能传感器具有以下三个优点:第一是精度大幅提高,成本却普遍降低;第二是具有自动编程和自动处理的能力;第三是功能多样化。

未来,物联网传感器将向着以下六个方向发展:

(1)精度越来越高,可测量物体的极微小变化;

(2)可靠性越来越强,测量范围大幅提高;

(3)更加微型、小巧,甚至可以进入生物体内或融入生物细胞;

(4)向着微功耗方向发展,在没有电源的情况下,可以自身获取能源持续工作;

(5)数字化程度变得更高,智能化明显;

(6)构成物联网络,网络化发展不可阻挡。

3.条码:物联网的第一代身份证

物联网条码技术广泛应用于商品识别、图书管理、工业生产、仓库存储、交通运输等领域。作为一种自动识别技术,条码通常由一些黑白相间的条纹构成,这些条纹的宽度不一,以某种编码规则排列,其中蕴含了一组可被识别的信息。简单来说,条码就是一种含有信息的图形标识符,这种标识符被贴于商品等的内部或外部,当人们通过红外线扫描这些标识符时,就会了解商品的有关信息。商品条形码所包含的信息多种多样,可以是商品的生产地点、生产日期、制造厂家、商品名称、商品类别等。条码是物联网的第一代身份证,这种自动识别技术使物联网的局部实现成为可能。相比于人工识别,这种技术效率高、成本低、安全可靠,在初级阶段的物联网中发挥了重要作用,为促进物联网的普及和应用做出了卓越贡献。

条码一般有三个组成部分,分别是条、空和字符。其中,“条”通常是黑色的条纹,该条纹对光的反射能力较低,而“空”的部分通常对光的反射能力更高,对应字符部分主要是阿拉伯数字。通过红外线设备的扫描,条码很容易被连接计算机的红外线设备识别,并由计算机将扫描的信息转化成二进制或者十进制信息。每一件商品的条码都是惟一的,不可能存在同样编码的不同商品。而要实现商品与条码一一对应的关系,往往需要建立一个条码数据库,这个条码数据库是建立在网络云中,只要计算机识别出条码,就能通过调用数据库与之配对,实现信息再现。

条码最流行的用法是商品条形码,商品条形码在一定程度上实现了商品信息的连接,这也是物联网的重要组成部分。前缀码、制造厂商代码、商品代码以及校验码共同组成了商品条形码,前缀码是由国际物品编码协会编制,代表了商品的生产国家或生产地区,例如,00代表的是美国,69代表的是中国。制造厂商代码一般由物品编码机构制定,这些机构可以是国家性的,也可以是地区性的,在中国,制造厂商代码就是由中国物品编码中心编制的代码。商品代码的制定比较灵活,主要赋权机构是产品生产企业,商品代码主要用来识别商品类别和名称等。商品条形码的最后一位是校验码,其作用是验证条形码中对应数字的正确性,主要是从商品条形码左边开始的前12位数字。商品条形码中的深色条码和浅色空码是供识别设备扫描读取的,而由阿拉伯数字组成的对应字符是供人们肉眼识别,并通过手动输入数字向计算机问询的。也就是说,条空所表示的商品信息与对应字符表示的商品信息相同。

计算机与信息技术的发展和应用,让条码技术应运而生。如今,物联网登上了人类科技史的舞台,条码技术将放出更大的光彩,照亮物联网发展的道路。

总体来说,一个条形码要变成可读信息需要经历两个过程,第一个过程是扫描,第二个过程是译码。在扫描条形码时,条形码扫描器携带的光源会照射到条形码上,条形码上的黑色部分具有吸收光波的特性,白色部分具有反射光波的特性,这样一来,明暗相间的光就会反射到光电转换器上,光电转换器会根据这些光的强弱信号,将光信号转换为电信号。

由于扫描原理的不同,扫描器的种类也不止一种,市场上比较流行的扫描器有四种,分别是影像扫描器、红光CCD扫描器、光笔扫描器以及激光扫描器。扫描前期获取的电信号比较弱,因此需要增强电信号,以便更准确地传输。而增加电信号强度就需要用到放大电路,放大电路一般在条码扫描器中就有配备。增强后的电信号还需要经由整形电路进一步转换成数字信号,才能最终被破译。从日常的商品条形码中,我们可以看出,条形码黑条和白条的宽度并不一致,这也使得二者所获得电信号的时间有长短之分。在译码过程中,脉冲数字电信号以0或1的形式呈现,译码器只需测量0和1的数量,就能获知条形码“条”和“空”的数量,从电信号持续时间的长短上可获悉“条”和“空”的宽度。然而,即使得到了条形码“条”和“空”的数量和宽度,所得到的数据仍然不具有直接的信息价值,还需要进一步根据编码规则兑换数字、字符信息,才能在计算机的帮助下完整识别物品信息。

简单描述条形码的扫描原理就是;“扫描器利用自身光源照射条形码,再利用光电转换器接受反射的光线,将反射光线的明暗转换成数字信号”。

条码的编码规则具有以下几个特点:

(1)惟一性

一种类型的产品拥有惟一的条码,这个条码和人的身份证具有相同的作用,拥有独一无二的特性。如果同一种产品具有不同的规格,那么该产品的条码就会不同,制定依据是产品的各种不同性质,比如重量、气味、颜色、形状等。

(2)永久性

条码一旦被制定将会永久不变,因此具有永久性。如果一种商品因为某种因素而停产,那么该商品所对应的条码将会永久搁置,不会再重复使用,即使有类似的产品出现,也只能重新制定条码。

(3)无含义性

一种产品更新换代后可能产生多种类型的产品,千千万万的产品需要海量的条码,因此,为了确保条码的容量足够大,一般使用无含义的顺序码。

条形码中的校验码可以通过固定的公式计算得到,按照条形码的编序规则,从右往左的序号为“1,2,3,4……”要获得条形码的校验码,首先要从序号2开始,将4、6、8、10等偶数序号位上的数字相加,然后乘以3;接着将3、5、7、9等奇数序号位上的数相加,用所得的和与前一步骤求得的积相加在求和,接下来再用10减去所得数字的个位数就可得到校验码。

举例来说,如果要计算条形码987268131702X(X为校验码)中的校验码,其具体步骤为:

第1步:2+7+3+8+2+8\u003d30

第2步:30×3\u003d90

第3步:0+1+1+6+7+9\u003d24

第4步:90+24\u003d114

第5步:10-4\u003d6

所以,校验码X\u003d6,此条形码为9872681317026。

4.物联网的感知层包括哪些技术

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。

(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)射频识别技术

射频识别的简称为RFID,该技术是无线自动识别技术之一,人们又将其称为电子标签技术。利用该技术,无需接触物体就能通过电磁耦合原理获取物品的相关信息。

物联网中的感知层通常都要建立一个射频识别系统,该识别系统由电子标签、读写器以及中间信息系统三部分组成。其中,电子标签一般安装在物品的表面或者内嵌在物品内层,标签内存储着物品的基本信息,以便于被物联网设备识别;读写器有三个作用,一是读取电子标签中有关待识别物品的信息,二是修改电子标签中待识别物品的信息,三是将所获取的物品信息传输到中央信息系统中进行处理;中央信息系统的作用是分析和管理读写器从电子标签中读取的数据信息。