第2章 物聯(lián)網(wǎng)在城鄉(xiāng)建設(shè)領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 感知技術(shù)

2.1.1 基本概念

物聯(lián)網(wǎng)的感知層，主要研究的是關(guān)于從物理世界獲取環(huán)境信息，并對(duì)其進(jìn)行識(shí)別和處置的一門多學(xué)科交叉的現(xiàn)代科學(xué)與工程技術(shù)。

感知功能是構(gòu)建整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)，感知層由基本的感應(yīng)器件（如RFID、傳感器、攝像頭、GPS等基本標(biāo)識(shí)和傳感器件組成）及感應(yīng)器組成的網(wǎng)絡(luò)（如傳感器網(wǎng)絡(luò)，包括NB-IoT、Wi-Fi、ZigBee等）兩大部分組成。

感知層的關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)備包括傳感器和RFID[4]。

1.傳感器

1）傳感器的作用

傳感器是物聯(lián)網(wǎng)中獲取信息的核心設(shè)備，它利用各種機(jī)制把被測信號(hào)按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，然后使用相應(yīng)的信號(hào)處理裝置進(jìn)行處理。常見的傳感器包括光敏傳感器、聲敏傳感器、氣敏傳感器、化學(xué)傳感器、溫敏傳感器等。

2）傳感器的分類

傳感器的種類眾多，不同類型的傳感器往往可以用來測量同一種被測體，而同一原理的傳感器又可測量多種物理量，因此傳感器有多種分類方法。

按被測量分類，可以分為機(jī)械量傳感器（測量位移、力、速度、加速度等）、熱工量傳感器（測量溫度、熱量、壓力、液位等）、物性參量傳感器（測量酸堿度、濃度、黏度等）和狀態(tài)參量傳感器（測量裂紋、磨損等）。

按測量原理分類，可以分為電阻式、電容式、電感式、光電式、壓電式、磁電式、激光、光纖、超聲波等傳感器。

按信號(hào)變換特征分類，可以分為結(jié)構(gòu)型傳感器和物性型傳感器。結(jié)構(gòu)型傳感器通過改變傳感器結(jié)構(gòu)參量來實(shí)現(xiàn)信號(hào)的變換，如電容式傳感器的容量隨電極間距的變化而變化；物性型傳感器是通過改變傳感器原材料本身的物理性質(zhì)來實(shí)現(xiàn)信號(hào)的變換的，如生活中常見的水銀溫度計(jì)，通過水銀熱脹冷縮的物理特性來測量溫度。

按能量關(guān)系分類，可以分為能量轉(zhuǎn)換型傳感器和能量控制型傳感器。能量轉(zhuǎn)換型傳感器直接由被測對(duì)象輸入能量推動(dòng)其工作，又稱為有源傳感器，如光電池、熱電偶等；能量控制型傳感器利用外部獲取的能量推動(dòng)其工作，又稱為無源傳感器，由外部提供激勵(lì)源，如電感式、電阻式傳感器等。

按工作原理分類，可以分為多種傳感器，如電學(xué)式傳感器、磁學(xué)式傳感器、光電式傳感器、電勢(shì)型傳感器、電荷傳感器、半導(dǎo)體傳感器、諧振式傳感器、電化學(xué)式傳感器。電學(xué)式傳感器常用的有電阻式傳感器、電容式傳感器、電感式傳感器、磁電式傳感器及電渦流式傳感器等，是應(yīng)用范圍較廣的一種傳感器；磁學(xué)式傳感器主要是利用磁鐵物質(zhì)的一些物理效應(yīng)制成的，適用于位移、轉(zhuǎn)矩等參數(shù)的測量；光電式傳感器利用光電器件的光學(xué)原理和光電效應(yīng)制成，在非電量電測及自動(dòng)控制技術(shù)中占有重要的地位，適用于位移、光強(qiáng)、濃度、光通量等參數(shù)的測量；電勢(shì)型傳感器利用光電效應(yīng)、熱電效應(yīng)、霍爾效應(yīng)等原理制成，適用于溫度、速度、光強(qiáng)、熱輻射等參數(shù)的測量；電荷傳感器基于壓電效應(yīng)原理制成，適用于力及加速度的測量；半導(dǎo)體傳感器基于半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)、磁電效應(yīng)、內(nèi)光電效應(yīng)、半導(dǎo)體與氣體接觸產(chǎn)生物質(zhì)變化等原理制成，適用于溫度、壓力、濕度、磁場、加速度和有害氣體的測量；諧振式傳感器基于改變機(jī)械或電的固定參數(shù)來改變諧振頻率的原理制成，適用于壓力測量；電化學(xué)式傳感器是在離子導(dǎo)電基礎(chǔ)上制成的，按照其電特性的形成不同，電化學(xué)傳感器可分為電位式傳感器、電量式傳感器、電導(dǎo)式傳感器、電解式傳感器和極譜式傳感器等。

3）常用傳感器

物聯(lián)網(wǎng)在不同行業(yè)應(yīng)用中有不同的需求，需要采集不同類型的參數(shù)，以農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中常用的傳感器為例，主要有以下幾種。

監(jiān)測大氣環(huán)境的溫濕度傳感器、光照度傳感器、CO₂傳感器、O₂傳感器、降雨量傳感器、風(fēng)力風(fēng)向傳感器；監(jiān)測土壤環(huán)境的土壤濕度傳感器、土壤pH值傳感器、土壤墑情傳感器；監(jiān)測水環(huán)境的pH值傳感器、濁度傳感器、氨氮傳感器、液壓儀傳感器、液位儀傳感器、流速計(jì)傳感器等。

2.RFID

RFID的全稱是無線射頻識(shí)別，又稱為電子標(biāo)簽。RFID技術(shù)由雷達(dá)技術(shù)衍生而來，是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，可以通過射頻電信號(hào)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，該技術(shù)主要用來為物聯(lián)網(wǎng)中各物品建立唯一的身份標(biāo)志。

20世紀(jì)90年代，RFID技術(shù)在多個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛發(fā)展，其基本原理是利用射頻信號(hào)和空間耦合（電感耦合或電磁反向散射耦合）或雷達(dá)反射的傳輸特性，實(shí)現(xiàn)被識(shí)別物體的自動(dòng)識(shí)別。RFID是一種基于無線電波的非接觸式信息快速交換與存儲(chǔ)技術(shù)，通過無線通信結(jié)合數(shù)據(jù)訪問技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了非接觸式的雙向通信，從而達(dá)到識(shí)別的目的，識(shí)別工作適應(yīng)于各種惡劣環(huán)境，無須人工干預(yù)。RFID技術(shù)可識(shí)別高速移動(dòng)的物體，也可同時(shí)識(shí)別多個(gè)標(biāo)簽，操作和使用便捷。RFID技術(shù)從誕生到落地，為各類產(chǎn)品提供了技術(shù)支持，如感應(yīng)式電子晶片、感應(yīng)卡、非接觸卡、電子標(biāo)簽、條形碼等。

電子標(biāo)簽（RFID）網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)由標(biāo)簽、RFID閱讀器、數(shù)據(jù)傳輸和處理系統(tǒng)3個(gè)部分組成[6]。

1）標(biāo)簽（Tag/Electric Signature）

標(biāo)簽也被稱為智能標(biāo)簽或電子標(biāo)簽，由耦合元件和芯片組成，芯片中存有可以識(shí)別目標(biāo)的信息。標(biāo)簽具有持久性、信息接收與傳播穿透性強(qiáng)、存儲(chǔ)容量大、種類繁多等特點(diǎn)。有些標(biāo)簽支持讀與寫功能，目標(biāo)物體的信息可以隨時(shí)被更新。

2）RFID閱讀器

在射頻識(shí)別系統(tǒng)中，根據(jù)標(biāo)簽是否可以無線改寫數(shù)據(jù)，RFID閱讀器又被稱為讀出裝置、通信器、掃描器、閱讀器。

RFID閱讀器通過天線與標(biāo)簽進(jìn)行無線通信，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)標(biāo)簽識(shí)別碼和內(nèi)存數(shù)據(jù)的讀出或?qū)懭氩僮鳌?/p>

3）數(shù)據(jù)傳輸和處理系統(tǒng)

閱讀器和應(yīng)答器耦合的方式有多種，應(yīng)用較為廣泛的是電感耦合，閱讀器和應(yīng)答器天線部分的電感線圈通過電磁場進(jìn)行信息傳輸[7]。

2.1.2 技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用發(fā)展趨勢(shì)

近年來，感知領(lǐng)域的技術(shù)及應(yīng)用發(fā)展呈現(xiàn)趨勢(shì)如下。

1.傳感技術(shù)不斷取得進(jìn)步

當(dāng)前傳感器與新型電子技術(shù)、集成技術(shù)，如MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）的結(jié)合，已成為當(dāng)前傳感器領(lǐng)域關(guān)注的新趨勢(shì)。利用這種結(jié)合，可以在極小的空間中實(shí)現(xiàn)電源、通信、信號(hào)收集處理等復(fù)雜的功能，如iPhone手機(jī)中同時(shí)裝有麥克風(fēng)、電子快門、陀螺儀等多個(gè)MEMS傳感器。

除了與微機(jī)電系統(tǒng)結(jié)合，傳感器還結(jié)合仿生信息學(xué)創(chuàng)新出諸多應(yīng)用，如法國研制出的視覺晶片，可以模仿人類眼睛的視覺能力，具有快速、靈活、高效的圖像處理能力。奔騰處理器每秒可以處理數(shù)百萬項(xiàng)指令，而這種視覺晶片每秒可以處理約200億項(xiàng)指令。這種仿生視覺晶片將帶來感測與成像的革命，將在國防領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

隨著CAD技術(shù)、MEMS技術(shù)、信息理論及數(shù)據(jù)分析算法的發(fā)展，新一代的傳感器系統(tǒng)必將朝著微小型化、多功能化、智能化和高帶寬無線網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展。

2.行業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用取得突破

當(dāng)前，傳感器廣泛應(yīng)用在資源探測、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療診斷、家用電器、安全保衛(wèi)、農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化、軍事等領(lǐng)域。

例如，在軍事領(lǐng)域，美國為F-22戰(zhàn)機(jī)裝備了新型的多譜傳感器，實(shí)現(xiàn)了全被動(dòng)式搜索與跟蹤，提高了戰(zhàn)機(jī)的性能與作戰(zhàn)能力，可在各種惡劣天氣（如大霧、煙、暴雨等）下使用，不僅可以全天候作戰(zhàn)，還提高了隱身能力。英國在航天飛機(jī)上使用了上百種傳感器，裝配總數(shù)達(dá)到4000多個(gè)，用于航天器的信息監(jiān)測，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性，并可以及時(shí)地診斷遇到的問題。日本通過“雷達(dá)4號(hào)”衛(wèi)星傳感器，24小時(shí)對(duì)地面目標(biāo)進(jìn)行拍攝。

在民用領(lǐng)域，汽車行業(yè)是物聯(lián)傳感技術(shù)應(yīng)用最為廣泛和成熟的行業(yè)之一，以奧迪、特斯拉為代表的汽車企業(yè)，其傳感器應(yīng)用數(shù)量、水平和能力都達(dá)到了很高的水平，而隨著車聯(lián)網(wǎng)的需求，谷歌等公司對(duì)于無人駕駛技術(shù)的研究必將產(chǎn)生新的突破。在汽車行業(yè)之外，其他行業(yè)對(duì)于傳感器的使用也日漸普及。

在工業(yè)領(lǐng)域，工業(yè)4.0等概念的提出，為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)大數(shù)據(jù)、智能制造指明了方向，而傳感技術(shù)就是這些發(fā)展方向的內(nèi)容和基礎(chǔ)。