1、物聯網概論第三章 物聯網技術基礎 2 目 錄3.1 傳感器技術 3.2 MEMS技術 3.3 無線傳感器網絡 3.4 無線網絡技術 3.5 自動識別技術 3.6 條形碼技術 3.7 定位技術 33.1傳感器技術傳感器和人們的日常生活密切相關傳感器具有的社會意義傳感器在經濟建設中占據重要地位43.1傳感器技術 盡管21世紀的人們并沒有實現科幻小說中的某些預言。然而更為奇妙的場景很快便會成為現實：只需一臺電腦，一切盡在掌控之中。你可以一邊從個人pc中調控欣賞在平面電視上播放的影片，一邊控制烤箱的溫度，等待享受美味的下午茶，同時密切地監控與了解一切需要關注的信息：工作室里機器的運行，實驗室里研究的進

2、度，家中飲用水的成分和空氣中或許可能出現有毒物質的示警，酒窖里不同位置的溫度與濕度，私家公路的燈光調控，各類儀表的數據變更不會再有過火而敗味的美食，更不會有小鬼當家中入室的匪徒，火災和毒氣泄漏都將最大程度地被防止，博物館的館長則不再擔驚受怕地憂慮古董名畫的命運。 53.1傳感器技術 傳感器的定義傳感器的組成 傳感器的分類 傳感器的應用 63.1.1傳感器的定義 傳感器（Sensor）的定義：能感知外界信息并能按一定規律將這些信息轉換成可用信號的裝置。傳感器的組成：由敏感元器件（感知元件）和轉換器件兩部分組成。半導體敏感元器件可以直接輸出電信號，本身就構成傳感器！73.1.1傳感器的定義物理類：

3、基于力、熱、光、電、磁和聲等物理效應。化學類：基于化學反應的原理。生物類：基于酶、抗體和激素等分子識別功能。敏感元器件品種83.1.1傳感器的定義 索諾馬溪谷，氣溫急劇上升。但這家位于吉克莊園的葡萄酒商正在通過每棵葡萄樹上的小型無線Zigbee傳感器密切地監控自己的田地。這些一枚硬幣大小的機器可以跟蹤土壤的溫度和營養成分等數據。它們利用衛星無線發射機相連接。 商業周刊93.1.1傳感器的定義 光化學傳感器是近年發展起來的一種新型微量和痕量分析技術，它是把特定的化學物質的種類和濃度變成電信號來表示的功能元件。主要是利用光敏感材料與被測物質中的分子、 離子或生物物質相互接觸時直接或間接地引起電極電

4、勢等電信號的變化 ,使得很少的化學物質加入體系后 ,會有放大了許多倍的信號被檢出 ,借此可以獲得某種化學物質的濃度。目前 ,化學傳感器的研究受到了廣泛的關注 ,由于其具有靈敏度非常高 ,選擇性好 ,攜帶方便 ,易微型化 ,能用于現場分析和監控等特點 ,因此在礦山開發、 石油化工、 生物醫學及日常生活中越來越多的被用來作為易燃 ,易爆 ,有毒 ,有害氣體的檢測預報和自動控制裝置 ,或用來測定多種含量極低的物質 ,甚至可以測量細胞中的離子濃度。醫學上采用化學傳感器作病情診斷及治療過程的自動控制。103.1.1傳感器的定義 日本制成多功能生物傳感器，它能測定血液和尿中的各種物質，如糖、蛋白質和膽固醇

5、等。英國科學家研制一種如同一支鋼筆大小的酶傳感器。它可在瞬間測出汽車駕駛員血液中的酒精含量，從而大大方便了警察的執法。日本九州大學的科研人員研制出比人的舌頭還要靈敏10倍的味覺傳感器。利用傳感器產生不同的電位差，從電位差的變化可了解產生味道的濃度。113.1.2 傳感器的組成傳感器一般由敏感元件、轉換元件、基本轉換電路和輔助電源等組成123.1.2 傳感器的組成敏感元件：直接感受被測量，并輸出與被測量成確定關系的某一物理量的元件。轉換元件：敏感元件的輸出就是它的輸入，把輸入轉換成電路參量。基本轉換電路：上述電路參數接入基本轉換電路（簡稱轉換電路），便可轉換成電量輸出。133.1.2 傳感器的分

6、類 物理傳感器：應用的是物理效應，諸如壓電效應，磁致伸縮現象，離化、極化、熱電、光電、磁電等效應。被測信號量的微小變化都將轉換成電信號。化學傳感器：包括那些以化學吸附、電化學反應等現象為因果關系的傳感器，被測信號量的微小變化也將轉換成電信號。 根據傳感器的工具原理劃分143.1.3 傳感器的分類 根據傳感器的用途劃分壓敏和力敏傳感器、位置傳感器、液面傳感器、能耗傳感器、速度傳感器、加速度傳感器、輻射傳感器、熱敏傳感器等。 根據傳感器的原理劃分振動傳感器、濕敏傳感器、磁敏傳感器、氣敏傳感器、真空度傳感器、生物傳感器等。153.1.3 傳感器的分類 根據輸出的信號膺數字傳感器:將被測量的信號量轉換

7、成頻率信號或短周期信號的輸出（包括直接或間接轉換）。模擬傳感器:將被測量的非電學量轉換成模擬電信號。開關傳感器:當一個被測量的信號達到某個特定的閾值時，傳感器相應地輸出一個設定的低電平或高電平信號。 數字傳感器:將被測量的非電學量轉換成數字輸出信號。163.1.4 傳感器的應用在現代工業上的應用 現代工業生產尤其是自動化生產過程中，要用各種傳感器來監視和控制生產過程中的各種參數，使設備工作在最佳或正常狀態，并使產品達到質量要求。 鋼鐵企業應用各種傳感器和通信網絡，在生產過程中實現對加工產品的寬度、厚度、溫度的實時監控，從而提高了產品質量，優化了生產流程。 173.1.4 傳感器的應用在家用電器

8、領域的應用 如全自動洗衣機、電飯煲和微波爐等都離不開傳感器。醫療衛生領域，電子脈博儀、體溫計、醫用呼吸機、超聲波診斷儀、斷層掃描（CT）及核磁共振診斷設備等，都大量地使用了各種各樣的傳感技術。 溫度傳感器廣泛應用于室內空調、電冰箱和微波爐等家用電器中，它是利用熱敏電阻的阻值隨溫度變化而變化的特性工作的. 183.1.4 傳感器的應用在軍事國防領域的應用 在軍事國防領域，各種偵測設備，紅外夜視探測，雷達跟蹤、武器精確制導等，沒有傳感器是難以實現的。 目前每架軍用飛機需 20 多種力學量的傳感器，對操縱桿拉力、起落著陸沖擊力、發動機的推動力、救生裝置彈射力、進氣管壓力場分布及動態中各種壓力、振動、

9、加速度、角加速度、位移等參量的測量，還要對過載和燃油密度及飛行員呼吸的流量等參數的測量，檢測機艙內含氧量、艙內煙霧報警、機載火控系統的設計、隱型用傳感器等。 193.1.4 傳感器的應用在航天領域的應用 在航空航天領域，空中管制、導航、飛機的飛行管理和自動駕駛著陸系統等，都需要大量的傳感器。人造衛星的遙感遙測等都與傳感器緊密相關。 “阿波羅10”的運載火箭部分，檢測加速度、聲學、溫度、壓力、振動、流量、應變等參數的傳感器共有2077個，宇宙飛船部分共有各種傳感器1218個。203.2 MEMS技術 MEMS的基本概念 MEMS技術的特點MEMS技術的起源MEMS的制造工藝 MEMS的加工材料M

10、EMS的分類與應用 MEMS的發展前景 213.2.1 MEMS的基本概念MEMSMicro Electromechanical System，微機電系統MEMS是指集微型傳感器、執行器以及信號處理和控制電路、接口電路、通信和電源于一體的微型機電系統。223.2.1 MEMS的基本概念這種微電子機械系統不僅能采集、處理與發送信息或指令，還能按照所獲取的信息自主地或根據外部的指令采取行動 。233.2.2 MEMS的基本概念微型化 MEMS的基本特點低能耗、靈敏度和工作效率高 以硅為主要原料 可批量生產 集成化 學科上的交叉 應用上的高度與廣泛 243.2.3 MEMS的起源半導體傳感器微型傳感

11、器微機械加工技術微執行器253.2.4MEMS的制造工藝微米/納米技術包括了從亞毫米到亞微米范圍內的材料工藝和裝置的加工制造和綜合集成。微米制造技術包括對微米材料的加工和制造。它的制造工藝包括光刻、刻蝕、淀積外延生長、擴散、離子注入、測試、監測與封裝。納米制造技術和工藝除了包括微米制造的一些技術 （如離子束光刻等與工藝外，還包括為了利用材料的本質特性而對材料進行分子和原子量級的加工與排列技術和工藝等。263.2.5 MEMS的加工材料MEMS技術采用的材料一般可分為襯底材料和附加材料兩類。目前微機械加工采用的襯底材料以硅為主。襯底材料則可以是其他非半導體材料，包括金屬、玻璃、石英、其他晶態絕緣

12、體、陶瓷、塑料、高聚物以及其他有機和無機材料。273.2.6 MEMS器件的分類與應用力學換能器熱學換能器光學換能器電磁學換能器化學與生物傳感器及微流體器件28力學換能器分為：力學傳感器、力學執行器和機械電路元件3種。力學傳感器：1速度2壓力3應變4聲音5觸覺 29力學換能器力學執行器：根據實際采用的原理，力學執行器可分為靜電式、熱學式和壓電式30力學換能器機械電路元件：包括采用微機械加工的方法制作的諧振器、通用繼電器和射頻開關等。31光學換能器光學換能器可分為傳感器和執行器兩類。傳感器的種類很多主要是采用微機械加工技術制作的半導體光學傳感器和傳感器陣列（如CCD 器件-Charge-coup

13、led Device，電荷耦合元件。可稱CCD圖像傳感器，是一種半導體器件，能把光學影像轉化為數字信號。CCD上植入微光敏物質稱作像素（Pixel）。一塊CCD上包含的像素數越多，其提供的畫面分辨率也就越高。CCD的作用如膠片，但它是把圖像像素轉換成數字信號）。具體采用的效應有光電效應、光伏效應、光倒效應和熱電效應等。 光學執行器-早期是微型發光器及其陣列（包括LED、激光LED、等離子光源、熒光光源）和液晶顯示陣列。33熱學換能器熱學換能器也分為傳感器和執行器。傳感器主要有熱電阻、熱電偶原理和PN結效應制作的多種微型溫度傳感器、微型露點傳感器、微型熱量計等。執行器有制冷器和Peltier效應

14、（兩種不同的金屬構成閉合回路，當回路中存在直流電流時，兩個接頭之間將產生溫差。這就是Peltier效應），是法國科學家珀爾帖于1834年發現的）熱泵等。 34電磁學換能器（1）磁傳感器：包括霍爾效應傳感器、磁敏電阻式傳感器、真空電子式磁傳感、磁通門式磁力計、隧道式磁力計和超導量子干涉磁力計等。（2）電磁執行器：目前已有采用磁致伸縮原理和傳統電機驅動原理制作的執行器。為了能在微結構中產生磁場，可采用制作永磁薄膜和微型線圈的辦法。35化學與生物傳感器及微流體器件化學和生物傳感器主要用在醫學診斷、植入式檢測、環境監測和食品工藝檢測等方面，基本還處在研究階段。除了與宏觀化學和生物傳感器對應的微觀器件外

15、，這類傳感器還包括基因芯片及各種可與生物神經系統接口的微電極陣列等。36微流體器件（1）流體傳感器 包括檢測流量、流速、密度和粘滯性等物理量的傳感器。 （2） 閥 微型閥根據有無動力執行機構可分為有源和無源兩類。有源閥的開關動作執行機構可采用熱膨脹、氣動、壓電靜電和電磁等原理。 （3） 泵 微流體泵可實現的功能有輸送反應物或懸浮顆粒、產生壓力差、使冷卻水循環、產生推進力等。（4） 流體通道 流體通道是微流體系統的基本構件， 可以采用包括硅在內的多種材料，采用的方法是體或表面微機械加工技術。（5） 集成的化學分析系統 這類實例包括氣體和液體的色彩分析系統、細胞融合裝置以及DNA放大分析系統等。3

16、73.2.7 MEMS發展前景 與應用領域 MEMS技術也正發展成為一個巨大的產業，多數工業觀察家預測，未來5年MEMS器件的銷售額將呈迅速增長之勢，年平均增長率約為18%，因此對機械電子工程、精密機械及儀器、半導體物理等學科的發展提供了極好的機遇和嚴峻的挑戰。38MEMS的應用領域（1）航空航天在飛機和載人航天器上應用的各種傳感器數量很大，若采用微型集成傳感器，體積、質量、耗電功率將減少很多，對航天器來說，儀表系統的體積質量減少后，運載效益將非常可觀。MEMS技術首先將促進航天器內傳感器的微型化，使之節能、降低成本和大幅度提高系統可靠性。微型衛星和小衛星就是這一領域的成果。39MEMS的應用

17、領域（2）醫藥衛生應用于生物醫學領域的微機電系統, 通常稱為生物微機電系統（BioMEMS）。傳統上把在數平方厘米大小的硅片等材料上加工出的應用于生化分析的生物微機電系統稱為生物芯片（BioChip）以生物芯片為核心的微全分析系統（Micro Total Analysis Systems ，MTAS）是微機電系統當前的研究熱點之一。由于具有效率高、成本低的優點，所以生物芯片的研究和開發將對生物和醫學基礎研究、疾病診斷與治療、農業育種、新藥開發、環境監測、司法鑒定等產生重大影響。40MEMS的應用領域（3）光學器件微機電系統技術利用制作硅芯片的微細加工工藝，可以實現超小型精密立體微結構和把許多微

18、結構組合成系統。因此，微機電系統技術在制作光學器件中大有用武之地。如光開關和光交換器、光存儲等。41MEMS的應用領域（4）微能源對于微機電或包含微機電的器件，常規能源用一般的方法很難高效地完成供能任務。因此，微能源也成為了微機電技術應用的一個非常重要的領域。目前正在研制的微能源種類很豐富，主要有微型內燃機系統，微燃料電池、微蓄電池等。42MEMS的應用領域（5）微機器人微機器人是微系統最典型的應用。在許多特殊場合，在人難以接近或不能接近的空間中，微機器人完成人的工作，如狹小空間中的機器人、電纜維修機器人等。433.3 無線傳感器網絡 無線傳感器網絡概述 無線傳感器網絡的應用領域 443.3.

19、1 無線傳感器網絡概述 無線傳感器網絡（Wireless Sensor Networks，WSN）是信息科學領域中一個全新的發展方向，也是新興學科與傳統學科進行領域間交叉的結果。 453.3.1 無線傳感器網絡概述三個階段智能傳感器 無線智能傳感器 無線傳感器網 46無線傳感器網絡概述智能傳感器將計算能力嵌入到傳感器中，使得傳感器節點不僅具有數據采集能力，而且具有信息處理能力。無線智能傳感器在智能傳感器的基礎上增加了無線通信能力，大大延長了傳感器的感知觸角，降低了傳感器的工程實施成本。47無線傳感器網絡概述無線傳感器網絡將網絡技術引入到無線智能傳感器中，使得傳感器不再是單個的感知單元，而是能夠

20、交換信息、協調控制的有機體，實現物與物的互聯，把感知觸角深入世界各個角落，成為下一代互聯網及物聯網的基礎。 48無線傳感器網絡技術發展背景 1996年，美國UCLA大學的William J Kaiser教授向DARPA提交的“低能耗無線集成微型傳感器”揭開了現代WSN網絡的序幕。在其后的10余年里，WSN網絡技術得到學術界、工業界、政府的廣泛關注，成為在國防軍事、環境監測和預報、健康護理、智能家居、建筑物結構監控、復雜機械監控、城市交通、空間探索、大型車間和倉庫管理以及機場、大型工業園區的安全監測等眾多領域中最有競爭力的應用技術之一。 493.3.2 無線傳感器網絡的系統結構 無線傳感網由部署

21、在監測區域內、具有無線通信與計算能力的大量的廉價微型傳感器節點組成，通過自組織方式構成能夠根據環境完成指定任務的分布式、智能化網絡系統。無線傳感網的節點間一般采用多跳（multi-hop）方式進行通信。傳感網的節點協作監控不同位置的物理或者環境狀況（如溫度、濕度、聲音、壓力或污染物等）。503.3.2 無線傳感器網絡的系統結構無線傳感網的系統結構圖傳感網通過一組傳感器以特定方式構成有線或者無線網絡，使各節點能協作地感知、采集和處理網絡覆蓋范圍內地理區域中的感知對象信息，并發布給觀察者。513.3.2 無線傳感器網絡的系統結構傳感網的構建必須具備三個基本要素：感知對象：需要被感知的任何事物或者環

22、境參數。感知節點：既有感知功能，也有路由選擇功能，用于檢測周圍事件的發生或者環境參數。匯聚節點：即SINK，從傳感器節點采集并處理最終的檢測數據。傳感網可在獨立的環境下運行，也可以通過網關連接到網絡，通過自組織無線通信網絡以多跳中繼方式將所感知的信息傳送到用戶終端。523.3.2 無線傳感器網絡的系統結構無線傳感器網絡節點單元結構示意533.3.2 無線傳感器網絡的系統結構無線傳感網節點的組成和功能，包括6個單元：感知單元：由傳感器和A/D轉換模塊組成。用于感知、獲取外界信息，并將其轉換為數字信號。處理單元：由微處理器、存儲器、嵌入式操作系統等構成。負責協調節點各部分的工作，如對感知單元獲取的

23、信息進行必要的處理、保存，控制感知單元和電源的工作模式等。通信單元：由無線收發器構成，負責與其他傳感器或者收發器進行通信。電源部分：為傳感器工作提供必要的能源。定位系統：用于觀察者對傳感器的位置進行跟蹤。移動系統：用于在執行特定任務時，移動傳感器節點。543.3.2 無線傳感器網絡的系統結構 傳感器節點在無線傳感網中可作為數據采集者、數據中轉站或者簇頭節點。作為數據采集者，數據采集節點收集周圍環境數據，通過通信路由協議直接或者間接將數據傳遞給遠方基站或者sink節點；作為數據中轉站，節點除了完成數據采集任務以外，還要接收鄰居節點的數據，將其發送給距離基站更近的鄰居節點或者直接發送到基站或者si

24、nk節點；作為簇頭節點，節點負責收集該簇內所有節點采集到的數據，經過數據融合后，發送到基站或者sink節點。553.3.3 無線傳感器網絡結構和部署無線傳感網的拓撲結構有三種：星狀網、網狀網和混合網。56星狀網星狀網的拓撲結構是單跳（single-hop）。如傳統無線網絡中，所有終端節點直接與基站進行雙向通信，而彼此之間不進行連接。基站節點可以是一臺PC、專用控制設備或其他與數據處理設備通信的網關，網絡中各終端節點也可按應用需求而各不相同。這種結構對傳感網并不合適，因為傳感器自身能量有限，如果每個節點都要保證數據的正確接收，則傳感器節點需要以較大功率發送數據。此外，當節點之間距離較近時，會監測

25、到相似或者相同的信息，這些不必要的冗余會增加網絡的負載。57混合網混合網拓撲結構力求兼具星狀網的簡潔、易控以及網狀網的多跳和自愈的優點，使得整個網絡的建立、維護以及更新更簡單、高效。其中，分層式網絡結構屬于混合網中較典型的一種，尤其適合節點眾多的無線傳感網的應用。分層網中，整個傳感器網絡形成分層結構，傳感器節點通過基站指定或者自組織的方法形成各個獨立的簇（cluster），每個簇選出相應的簇首（cluster head），由簇首負責簇內所有節點的控制，并對簇內所收集的信息進行整合、處理，隨后發送給基站。分層式網絡結構既通過簇內控制，減少了節點與基站間遠距離的信令交互，降低了網絡建立的復雜度，減

26、少了網絡路由和數據處理的開銷，同時又可通過數據融合降低網絡負載，而多跳也減少了網絡的能量消耗。58網狀網拓撲結構網狀網拓撲結構是多跳的結構，網絡中所有節點都可直接通信。通過一定的算法，網絡選擇一條或者多條路由進行多跳數據傳輸。由于每個傳感器節點都有多條路徑可達基站節點，故其故障修復能力較強。系統以多跳代替了單跳傳輸，減少了每一個傳感器節點發送數據所需要的功率。然而由于網絡節點數量較多，分布隨機、且拓撲結構變化復雜，因此在網絡中進行多跳路由查找以及路由維護和修復很困難。同時，傳感器節點必須時刻保持“監聽”狀態，相應增加了網絡能耗，減少了網絡壽命。59無線傳器網絡的部署 在傳感網中，傳感器節點可通

27、過飛機播撒、人工安裝等方式部署在感知對象內部、附近或周邊等。這些節點通過自組織或設定方式組網，以協作方式感知、采集和處理覆蓋區域中特定的信息，實現對信息在任意地點、任意時間的采集、處理和分析，并以多跳中繼的方式將數據傳回匯聚節點sink。傳感網的部署過程603.3.4 無線傳感網協議傳輸層協議網絡層路由協議數據鏈路層MAC協議物理層613.3.4 無線傳感網協議物理層通信協議主要解決傳輸介質選擇、傳輸頻段選擇、無線電收發器的設計、調制方式等問題。由于無線傳感器節點的能量有限，物理層（包括其他層）的一個核心設計原則就是節能。傳感網使用的傳輸介質主要包括無線電、紅外線、光波等，其中無線電是目前最主

28、要的傳輸介質。使用這種介質需要解決頻段選擇、調制方式的選擇等問題。623.3.4 無線傳感網協議數據鏈路層的研究主要集中在MAC協議。傳感網的MAC協議旨在為資源（特別是能量）受限的大量傳感器節點建立具有自組織能力的多跳通信鏈路，實現公平優先的通信資源共享，處理數據包之間的碰撞，重點是如何節約能源。633.3.4 無線傳感網協議網絡層路由協議主要包括基于聚簇的路由協議、基于地理位置的路由協議、能量感知路由協議、以數據為中心的路由協議等。（1）基于聚簇的路由協議- 根據規則把所有節點集分為多個子集，各集為一個簇，有簇頭，負責全局路由，其他節點通過簇頭接受或發送數據。（2）基于地理位置的路由協議-

29、假定各節點都知道自己的地理位置以及目標節點的地理位置。（3）以數據為中心的路由協議 - 節點不具有全局唯一地址，而是觀測數據的屬性。sink用洪泛方式將興趣消息（監測數據）傳播到整個或部分區內的節點。傳播中，協議在每個節點上建立反向的從數據源到sink的傳輸路徑，再把數據沿己確定的路徑向sink傳送。該類協議的能量和時間開銷大。（4）能量感知路由協議 - 源節點和目標節點間建立多條通信路徑，各路徑具有一個與節點剩余能量相關的選擇概率，當源節點向目的節點傳輸數據時，協議根據路徑的選擇概率選擇一條路徑傳輸。 在設計路由協議時要考慮節能與通信服務質量的平衡、如何支持拓撲結構頻繁改變、如何面向應用設計

30、路由協議、安全路由協議等問題。643.3.4 無線傳感網協議傳輸層協議傳感網的傳輸層與傳統的網絡傳輸層擔負的任務大致相同，負責端到端的傳輸控制。傳感網與互聯網或其他網絡相連時，傳輸層協議尤其重要。因傳感網的能量受限性、節點命名機制、以數據為中心等特征，使其傳輸控制很困難，傳感網的傳輸層需要特殊的技術和方法。653.3.5無線傳感器網絡的應用領域無線傳感器網絡可使用眾多類型的傳感器，可探測包括地震、電磁、溫度、濕度、噪聲、光強度、壓力、土壤成分、移動物體的大小、速度和方向等周邊環境中多種多樣的現象。基于MEMS的微傳感技術和無線聯網技術為無線傳感器網絡賦予了廣闊的應用前景。663.3.5無線傳感

31、器網絡的應用領域環境的監測和保護 醫療護理軍事領域 生產作業67無線傳感器網絡的特點 無線傳感器網絡是一種全新的信息獲取平臺，能夠實時監測和采集網絡分布區域內的各種檢測對象的信息，并將這些信息發送到網關節點，以實現復雜的指定范圍內目標檢測與跟蹤，具有快速展開、抗毀性強等特點。68環境的監測和保護 英特爾研究實驗室研究人員曾經將32個小型傳感器接入互聯網，以讀出緬因州“大鴨島”上的氣候，用來評價一種海燕巢的條件。 無線傳感器網絡還可以跟蹤候鳥和昆蟲的遷移，研究環境變化對農作物的影響，監測海洋、大氣和土壤的成分等。 它也可以應用在精致農業中，監測農作物中的害蟲、土壤的酸堿度和施肥狀況等。 69醫療

32、護理 曼徹斯特大學的科學家使用無線傳感器創建了一個智能醫療房間，使用微塵來測量居住者的生理征兆（血壓、脈搏和呼吸）、睡覺姿勢以及每天24小時的活動狀況。70醫療護理英特爾公司也推出了無線傳感器網絡的家庭護理技術。該技術是作為探討應對老齡化社會的技術項目CAST（Center for Aging Services Technologies）的一個環節開發的。該系統通過在鞋、家具以家用電器等家具和設備中嵌入半導體傳感器，幫助老齡人士、阿爾茨海默病患者以及殘障人士的家庭生活。利用無線通信將各傳感器聯網可高效傳遞必要的信息從而方便護理。 71軍事領域 由于無線傳感器網絡具有密集型、隨機分布的特點，非常

33、適用于惡劣的戰場環境中，包括偵察敵情、監控兵力、裝備和物資，判斷生物化學攻擊等多方面用途。美國國防部遠景計劃研究局已投資幾千萬美元，幫助大學進行“智能灰塵”（Smart Dust）傳感器技術的研發。 72生產作業英特爾正在對工廠中的一個無線網絡進行測試，該網絡由40臺機器上的210個傳感器組成，這樣組成的監控系統將可以大大改善工廠的運作條件。它可以大幅降低檢查設備的成本，同時由于可以提前發現問題，因此將能夠縮短停機時間，提高效率，并延長設備的使用壽命。 733.4 無線網絡技術 無線網絡技術涵蓋的范圍很廣，既包括允許用戶建立遠距離無線連接的全球語音和數據網絡，也包括為近距離無線連接進行優化的紅

34、外線技術及射頻技術等。 743.4.1無線網絡的類型 無線廣域網 無線城域網無線局域網 無線個人網 75無線廣域網 無線廣域網（WWAN）技術可使用戶通過遠程公用網絡或專用網絡建立無線網絡連接。通過無線服務提供商負責維護的若干天線基站或衛星系統，這些連接可以覆蓋廣大的地理區域，例如若干城市或者國家和地區。 目前的WWAN 技術被稱為第二代移動通信技術（2G）系統。2G系統主要包括移動通信全球系統（GSM）、蜂窩式數字分組數據（CDPD）和碼分多址（CDMA）。現在正努力從 2G 網絡向第三代移動通信技術（3G）過渡。 76無線城域網 無線城域網（WMAN）技術使用戶可以在城區的多個場所之間創建

35、無線連接（如在一個城市或大學校園的多個辦公樓之間），而不必花費高昂的費用鋪設光纜、銅質電纜和租用線路。 WMAN使用無線電波或紅外光波傳送數據。77無線局域網 無線局域網（WLAN）技術可以使用戶在本地創建無線連接（例如，在公司或校園的大樓里，或在某個公共場所，如機場、賓館、酒店、候車室等）。 78無線個人網 無線個人網（WPAN）技術使用戶能夠為個人操作空間（POS）設備（如 PDA、移動電話和筆記本電腦等）創建臨時無線通訊。POS 指的是以個人為中心，最大距離為 10 米的一個空間范圍。 主要的 WPAN 技術是藍牙“Bluetooth”和紅外線。793.4.2無線網絡常用設備類型 無線網

36、卡 無線網橋 無線天線 80無線網卡 無線網卡的作用類似于以太網中的網卡，作為無線局域網的接口，實現與無線局域網的連接。 無線網卡根據接口類型的不同，主要分為三種類型，即PCMCIA無線網卡、PCI無線網卡和USB無線網卡。 81無線網橋 無線網橋用于連接兩個或多個獨立的網絡段，這些獨立的網絡段通常位于不同的建筑內，相距幾百米到幾十公里,廣泛應用在不同建筑物間的互聯。 無線網橋的特點是功率大，傳輸距離遠（最大可達約50km），抗干擾能力強等，不自帶天線，一般配備拋物面天線實現長距離的點對點連接。82無線天線 當計算機與無線接入點（AP）或其他計算機相距較遠時，隨著信號的減弱，傳輸速率會明顯下降

37、，或者根本無法實現與AP或其他計算機之間通訊，此時，就必須借助于無線天線對所接收或發送的信號進行增益（放大）。 83無線天線無線天線常見的類型有兩種一種是室內天線，優點是方便靈活，缺點是增益小，傳輸距離短另一種是室外天線。優點是傳輸距離遠。比較適合遠距離傳輸。 843.4.3無線網絡的接入方式根據不同的應用環境，目前無線局域網采用的拓撲結構主要有:網橋連接型訪問節點連接型HUB接入型無中心型85網橋連接型 該結構主要用于無線或有線局域網之間的互連。當兩個局域網無法實現有線連接或使用有線連接存在困難時，可使用網橋連接型實現點對點的連接。 在這種結構中局域網之間的通信是通過各自的無線網橋來實現的，

38、無線網橋起到了網絡路由選擇和協議轉換的作用。86訪問節點連接型 這種結構采用移動蜂窩通信網接入方式，各移動站點間的通信是先通過就近的無線接收站將信息接收下來，然后將收到的信息通過有線網傳入到“移動交換中心”，再由移動交換中心傳送到所有無線接收站上。 在網絡覆蓋范圍內的任何地方都可以接收到該信號，并可實現漫游通信。87HUB接入型 在有線局域網中利用HUB可組建星形網絡結構。同樣也可利用無線AP組建星型結構的無線局域網，其工作方式和有線星形結構很相似。但在無線局域網中一般要求無線AP應具有簡單的網內交換功能。 88無中心型結構該結構的工作原理類似于有線對等網的工作方式。它要求網中任意兩個站點間均

39、能直接進行信息交換。每個站點既是工作站，也是服務器。 893.4.4無線網絡的標準與特點無線網絡標準最初標準是IEEE 802.11，解決辦公室局域網和校園網中，用戶及各類終端設備的無線接入問題，其速率最高只能達到2Mbps。早期的無線網卡都支持該標準，但因其在帶寬和傳輸距離上都不能滿足實際需要，IEEE便推出了802.11a。 IEEE 802.11a 采用了與原始標準相同的核心協議，工頻為5GHz，使用52個正交頻分多路復用副載波，最大原始數據傳輸率在物理層為54 Mbps，傳輸層可達25 Mbps， 達到了現實網絡中等吞吐量（20 Mbps ）的要求。可提供25Mbps的無線ATM接口和

40、10Mbps的以太網無線幀結構接口，以及TDD/TDMA的空中接口；擁有12條不相互重疊的頻道，8條用于室內，4條用于點對點傳輸。支持語音、數據、圖像業務；一個扇區可接入多個用戶，每個用戶可帶多個終端。90無線寬帶網的特點 安裝便捷 使用靈活 經濟節約 易于擴展 更好的安全性 913.4.5 3G技術 國際電信聯盟在2000年5月確定W-CDMA、CDMA2000、TD-SCDMA以及WiMAX四大主流無線接口標準，寫入3G技術指導性文件2000年國際移動通訊計劃（簡稱IMT2000）。 92CDMA技術 CDMA是Code Division Multiple Access (碼分多址)的縮寫

41、，是第三代移動通信系統的技術基礎。第一代移動通信系統采用頻分多址(FDMA)的模擬調制方式，這種系統的主要缺點是頻譜利用率低，信令干擾話音業務。第二代移動通信系統主要采用時分多址(TDMA)的數字調制方式，提高了系統容量，并采用獨立信道傳送信令，使系統性能大為改善，但TDMA的系統容量仍然有限，越區切換性能仍不完善。 93CDMA技術目前中國聯通、中國移動所使用的GSM移動電話網采用的便是FDMA和TDMA兩種方式的結合。 GSM比模擬移動電話有很大的優勢，但在頻譜效率上僅是模擬系統的3倍，容量有限；在話音質量上也很難達到有線電話水平；TDMA終端接入速率最高也只能達到9.6kbit/s；TD

42、MA系統無軟切換功能，因而容易掉話，影響服務質量 。94CDMA技術TDMA并不是現代蜂窩移動通信的最佳無線接入，而CDMA技術完全適合現代移動通信網所要求的大容量、高質量、綜合業務、軟切換等，正受到越來越多的運營商和用戶的青睞。 95CDMA技術 CDMA技術的原理是基于擴頻技術，即將需傳送的具有一定信號帶寬的信息，用一個帶寬遠大于信號帶寬的高速偽隨機碼進行調制，使原數據信號的帶寬被擴展，再經載波調制并發送出去。接收端使用完全相同的偽隨機碼，與接收的帶寬信號作相關處理，把寬帶信號換成原信息數據的窄帶信號即解擴，以實現信息通信。 96CDMA技術第二次世界大戰期間研發出CDMA技術，其思想初衷

43、是防止敵方對己方通訊的干擾，在戰爭期間廣泛應用于軍事抗干擾通信，后來由美國高通公司更新成為商用蜂窩電信技術。1995年，第一個CDMA商用系統運行之后，CDMA技術理論上的諸多優勢在實踐中得到了檢驗，從而在北美、南美和亞洲等地得到了迅速推廣和應用。全球許多國家和地區，包括中國香港、韓國、日本、美國都已建有CDMA商用網絡。 973G標準 W-CDMA CDMA2000 TD-SCDMA WiMAX 98W-CDMA 也稱為WCDMA，全稱為Wideband CDMA，也稱為CDMA Direct Spread，意為寬頻分碼多重存取。這套系統能夠架設在現有的GSM網絡上，對于系統提供商而言可以較

44、輕易地過渡，而GSM系統相當普及的亞洲對這套新技術的接受度預料會相當高。 99W-CDMA該標準提出了GSM(2G)-GPRS-EDGE-WCDMA(3G)的演進策略。 GPRS是General Packet Radio Service (通用分組無線業務)的簡稱，EDGE是Enhanced Data rate for GSM Evolution (增強數據速率的GSM演進)的簡稱，這兩種技術被稱為2.5代移動通信技術。 100CDMA2000 CDMA2000是由窄帶CDMA(CDMA IS95)技術發展而來的寬帶CDMA技術，也稱為CDMA Multi-Carrier，由高通北美公司提出，

45、摩托羅拉、Lucent和韓國三星都參與，韓國現在成該標準的主導者。 該標準提出了從CDMA IS95(2G)-CDMA20001x-CDMA20003x(3G)的演進策略。CDMA20001x被稱為2.5代移動通信技術。目前中國聯通正在采用這一方案向3G過渡，并已建成了CDMA IS95網絡。101 346 TD-SCDMA全稱為Time Division - Synchronous Code Division Multiple Access（時分同步CDMA），該標準是由中國大陸制定的3G標準，1999年6月29日，中國原郵電部電信科學技術研究院（大唐電信）向ITU提出。 102TD-SCD

46、MA該標準將智能無線、同步CDMA和軟件無線電等當今國際領先技術融于其中，在頻譜利用率、對業務支持具有靈活性、頻率靈活性及成本等方面的獨特優勢。由于中國龐大的市場，該標準受到各大主要電信設備廠商的重視，全球一半以上的設備廠商都宣布可以支持TDSCDMA標準。 該標準提出不經過2.5代的中間環節，直接向3G過渡，非常適用于GSM系統向3G升級。 103WiMAX WiMAX 的全名是微波存取全球互通（Worldwide Interoperability for Microwave Access），又稱為80216無線城域網，是又一種為企業和家庭用戶提供“最后一公里”的寬帶無線連接方案。將此技術與

47、需要授權或免授權的微波設備相結合之后，由于成本較低，將擴大寬帶無線市場，改善企業與服務供應商的認知度。 104346 TD-SCDMA 在與歐洲、美國各自提出的3G標準的競爭中，中國提出的TD-SCDMA已正式成為全球3G標準之一，這標志中國在移動通信領域已經進入世界領先之列。該方案的主要技術集中在大唐公司手中，它的設計參照了TDD（時分雙工）在不成對的頻帶上的時域模式。 105TD-SCDMATDD模式是基于在無線信道時域里，周期地重復TDMA幀結構實現的。這個幀結構被再分為幾個時隙。在TDD模式下，可方便地實現上/下行鏈路間靈活切換，其優勢是，在上/下行鏈路間的時隙分配可以被一個靈活的轉換

48、點改變，以滿足不同的業務要求 106TD-SCDMATDSCDMA的無線傳輸方案綜合了FDMA，TDMA和CDMA等基本傳輸方法。通過與聯合檢測相結合，它在傳輸容量方面表現非凡。通過引進智能天線，容量還可以進一步提高。 基于高度的業務靈活性，TDSCDMA無線網絡可以通過無線網絡控制器（RNC）連接到交換網絡。在最終版本里，計劃讓TDSCDMA無線網絡與互聯網直接相連。 107TD-SCDMATDSCDMA在應用范圍內有自身的特點：一是終端的移動速度受現有DSP運算速度的限制，只能做到240km/h；二是基站覆蓋半徑在15km以內時頻譜利用率和系統容量可達最佳，在用戶容量不是很大的區域，基站最

49、大覆蓋可達40km。 108TDSCDMA的優勢 技術優勢- TD-SCDMA相對其它3G備選技術擁有明顯的網絡建設、運營及財務優勢。 標準優勢-無論在資金上、技術上還是政策上，政府都給予了TD-SCDMA最大的支持。 用戶優勢 -我國的移動電話用戶數突破8億戶，這么大的基數給了TD-SCDMA最好的支持。3.4.7 4G技術 1093.4.7 4G技術 在2009年2月，歐洲的四家移動設備生產商阿爾卡特、愛立信、諾基亞和西門子組成了世界無線研究論壇（WWRF），研究3G的發展方向。WWRF預計4G技術在2010年開始投入應用。這一代通信技術可將不同的無線局域網絡和通信標準、手機信號、無線電通

50、信和電視廣播以及衛星通信結合起來。1103.4.7 4G技術第四代移動通信系統應具備以下幾種基本特性：(1) 集中服務 個人通信、信息系統、廣播和娛樂等各項業務將會結合成一個整體，提供給用戶比以往更廣泛的服務和應用；系統的使用將會更加安全、方便以及更多地考慮到用戶的個性。(2) 泛在移動接入 在4G系統中，移動接入將是提供話音、高速信息業務、廣播以及娛樂等業務的主要接入方式，人們可以隨時、隨地接入到系統中。(3) 各式各樣的用戶設備 用戶將使用各式各樣的移動設備接入到4G系統中來。設備與人之間的交流不再僅僅是簡單的聽、說、看，還可以通過其他途徑與用戶進行交流。這將大大方便人們的使用，特別是某些

51、殘疾用戶的使用。 (4)自治的網絡結構 4G系統的網絡將是一個完全自治的、自適應的網絡，它可以自動管理、動態改變自己的結構以滿足系統變化和發展的要求。1113.4.7 4G技術 國際電信聯盟（ITU）無線電通信部也已經達成共識，將把移動通信系統同其他系統結合起來，在2010年前使數據傳輸速率達到100Mbs。對更高級的3G系統，ITU決定同時發展IMT-2000的兩個標準提高數據包和聲音文件的傳輸速率被日本NTT DoCoMo和J-Phone兩家公司采用的WCDMA將達到8Mbs的下載速率，而CDMA2000系統也將達到2.4Mbs的速率。1123.4.8 Wi-FiWi-Fi是一種將個人電腦

52、、手持設備（如PDA、手機）等終端以無線方式互相連接的技術，也是一個無線網路通信技術的品牌，由Wi-Fi聯盟(Wi-Fi Alliance)所持有。 113Wi-FiWi-Fi通過一個無線路由器，在其電波覆蓋的有效范圍都可以采用Wi-Fi連接方式進行聯網，如果無線路由器連接了一條ADSL線路或者別的上網線路，則又被稱為“熱點”。 114Wi-FiWi-Fi 熱點是通過在互聯網連接上安裝訪問點來創建的。這個訪問點將無線信號通過短程進行傳輸 - 一般覆蓋100m。當一臺支持Wi-Fi 的設備（例如Pocket PC）遇到一個熱點時，這個設備可以用無線方式連接到那個網絡。大部分熱點都位于供大眾訪問的

53、地方，例如機場、咖啡店、旅館、書店以及校園等。 115Wi-Fi技術架構 站點(Station) 基本服務單元(Basic Service Set, BSS) 分配系統（Distribution System，DS） 接入點(Acess Point, AP) 擴展服務單元（Extended Service Set, ESS） 關口(Portal) 116WIFI技術架構 站點。網絡最基本的組成部分。 基本服務單元。最簡單的服務單元可只由兩個站點組成，站點可以動態聯結到基本服務單元中。 分配系統。分配系統用于連接不同的基本服務單元。 接入點。接入點既有普通站點的身份，又有接入到分配系統的功能。

54、擴展服務單元。由分配系統和基本服務單元組合而成。 關口。用于將無線局域網和有線局域網或其它網絡聯系起來。 118Wi-Fi的優勢 覆蓋范圍廣 傳輸速度非常快，能達到54mbps 廠商進入門檻比較低。廠商只要在機場、車站、咖啡店、圖書館等人員較密集的地方設置“熱點”，并通過高速線路將互聯網接入上述場所。 。 1193.4.9 近距離無線通信技術（NFC） NFC（Near Field Communication），即近距離或近域無線通訊技術。NFC是飛利浦和索尼共同開發的一種非接觸式識別和互聯技術，可在移動設備、消費類電子產品、PC 和智能控件工具間進行近距離無線通信。NFC 將非接觸讀卡器、非

55、接觸卡和點對點（Peer-to-Peer）功能整合進一塊單芯片，為消費者提供了眾多全新應用的開放接口平臺。 120NFC的技術特點 NFC是一種便捷、安全、迅速的無線連接技術，其傳輸范圍比RFID小，RFID的傳輸范圍可以達到幾米、甚至幾十米，但由于NFC采取了獨特的信號衰減技術，相對于RFID來說NFC具有距離近、帶寬高、能耗低等特點。 NFC比紅外傳輸更快、更可靠且簡單；與藍牙相比，NFC更適于交換個人信息或敏感數據，且NFC和藍牙可互為補充。事實上，快捷輕型的NFC協議可用于引導兩臺設備之間的藍牙配對，促進了藍牙的使用。 121和其他近距離通信技術的比較NFC藍牙紅外網絡類型點對點單點對

56、多點點對點使用距離0.1m10m1m通信速率106、212、424 kbps2.1 Mbps1.0 Mbps建立時間貨運代理-貨運公司-客戶等過程，每個過程都牽涉到發貨單據的處理。單據中含有大量的信息。二維條形碼提供了一個很好的解決方案，將單據的內容編成一個二維條形碼，打印在發貨單據上，在運輸業務的各個環節使用二維條形碼閱讀器掃描條形碼，信息便錄入到各業務機構的計算機管理系統中，既快速又準確。美國貨運協會 (ATA) 提出了紙上 EDI 系統。發送方將EDI信息編成一張二維條形碼標簽提交給貨運商，通過掃描條形碼，信息立即傳入貨運商的計算機系統，使得整個運輸過程的效率大大提高。 224身份識別卡的應用 美國國防部已經在軍人身份卡上印制 PDF417 碼。 持卡人的姓名，軍銜，照片和其他信息被編成一個PDF417碼印在卡上。卡被用來做進出管理及醫院就診管理。 優點在于