物联网技术之感知层技术

感知层是物联网的底层，但它是实现物联网全面感知的核心能力，主要解决生物世界和物理世界的数据获取和连接问题。
　　物联网是各种感知技术的广泛应用。物联网上有大量的多种类型传感器，不同类别的传感器所捕获的信息内容和信息格式不同，所以每个传感器都是唯一的一个信息源。传感器获得的数据具有实时性，按一定的频率周期性地采集环境信息，不断更新数据。
　　物联网运用的射频识别器、全球定位系统、红外感应器等这些传感设备，它们的作用就像是人的五官，可以识别和获取各类事物的数据信息。通过这些传感设备，能让任何没有生命的物体都拟入化，让物体也可以有“感受和知觉”，从而实现对物体的智能化控制。
　　通常，物联网的感知层包括二氧化碳浓度传感器、温湿度传感器、二维码标签、电子标签、条形码和读写器、摄像头等感知终端。感知层采集信息的来源，它的主要功能是识别物体、采集信息，其作用相当于人的五个功能器官。
物联网的三大层次二
　　对于目前关注和应用较多的射频识别网络来说，附着在设备上的射频识别标签和用来识别射频信息的扫描仪、感应器都属于物联网的感知层。

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。

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。

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。

二维码技术

二维码（2-dimensional bar code）又称二维条码、二维条形码，是一种信息识别技术。二维码通过黑白相间的图形记录信息，这些黑白相间的图形是按照特定的规律分布在二维平面上，图形与计算机中的二进制数相对应，人们通过对应的光电识别设备就能将二维码输入计算机进行数据的识别和处理。

二维码有两类，第一类是堆叠式/行排式二维码，另一类是矩阵式二维码。堆叠式/行排式二维码与矩阵式二维码在形态上有所区别，前者是由一维码堆叠而成，后者是以矩阵的形式组成。两者虽然在形态上有所不同，但都采用了共同的原理：每一个二维码都有特定的字符集，都有相应宽度的“黑条”和“空白”来代替不同的字符，都有校验码等。

二维码具有较多的优点：

第一，编码的密度较高，信息容量很大。一般来说，一个二维码理论上能容纳1850个大写字母，或者2710个数字。如果换算成字节的话，可包含1108个；换算成汉字，能包含500多个。

第二，编码范围广。二维码编码的依据可以是指纹、图片、文字、声音、签名等，具体操作是将这些依据先进行数字化处理，再转化成条码的形式呈现。二维码不仅能表示文字信息，还能表示图像数据。

第三，容错能力强，具有纠错功能。二维码局部沾染了油污，变得模糊不清；或者由于二维码被利器穿透导致局部损坏，在这些极端情况下，二维码都可以正常识读和使用。也就是说，只要二维码损毁面积不超过50%，都可以利用技术手段恢复原有信息。

第四，译码可靠性高。二维码的错误率低于千万分之一，比普通条码错误率低了十几倍。

第五，安全性高，保密性好。

第六，制作简单，成本较低，持久耐用。

第七，可随意缩小和放大比例。

第八，能用多种设备识读，如光电扫描器、CCD设想设备等。方便好用，效率高。

蓝牙技术

蓝牙技术是典型的短距离无线通讯技术，在物联网感知层得到了广泛应用，是物联网感知层重要的短距离信息传输技术之一。蓝牙技术既可在移动设备之间配对使用，也可在固定设备之间配对使用，还可在固定和移动设备之间配对使用。该技术将计算机技术与通信技术相结合，解决了在无电线、无电缆的情况下进行短距离信息传输的问题。

蓝牙集合了时分多址、高频跳段等多种先进技术，既能实现点对点的信息交流，又能实现点对多点的信息交流。蓝牙在技术标准化方面已经相对成熟，相关的国际标准已经出台，例如，其传输频段就采用了国际统一标准2.4GHz频段。另外，该频段之外还有间隔为1MHz的特殊频段。蓝牙设备在使用不同功率时，通信的距离有所不同，若功率为0dBm和20dBm，对应的通信距离分别是10m和100m。

ZigBee技术

ZigBee指的是IEEE802.15.4协议，它与蓝牙技术一样，也是一种短距离无限通信技术。根据这种技术的相关特性来看，它介于蓝牙技术和无线标记技术之间，因此，它与蓝牙技术并不等同。

ZigBee传输信息的距离较短、功率较低，因此，日常生活中的一些小型电子设备之间多采用这种低功耗的通信技术。与蓝牙技术相同，ZigBee所采用的公共无线频段也是2.4GHz，同时也采用了跳频、分组等技术。但ZigBee的可使用频段只有三个，分别是2.4GHz（公共无线频段）、868MHz（欧洲使用频段）、915MHz（美国使用频段）。ZigBee的基本速率是250Kbit/s，低于蓝牙的速率，但比蓝牙成本低，也更简单。ZigBee的速率与传输距离并不成正比，当传输距离扩大到134m时，其速率只有28Kbit/s，不过，值得一提的是，ZigBee处于该速率时的传输可靠性会变得更高。采用ZigBee技术的应用系统可以实现几百个网络节点相连，最高可达254个之多。这些特性决定了ZigBee技术能够在一些特定领域比蓝牙技术表现得更好，这些特定领域包括消费精密仪器、消费电子、家居自动化等。然而，ZigBee只能完成短距离、小量级的数据流量传输，这是因为它的速率较低且通信范围较小。

ZigBee元件可以嵌入多种电子设备，并能实现对这些电子设备的短距离信息传输和自动化控制。具体来说，它具备了以下多种特点：

①网络容量大。由于ZigBee设备可以实现与254个网络节点相连，在加上其本身设备的基础，每个ZigBee网络能同时服务于255设备ZigBee网络不仅支持星形、簇形等网络结构，还支持其他复杂的网状网络结构。

②速率低，近距离。其通信速率最低为10 Kbit/s，最高为250Kbit/s，传输范围在10m与134m之间。如果相邻节点间的RF发射功率增加，其信息传输范围最远可达3km左右，在利用路由的情况下，其节点间的通信范围将会更大。

③成本低。ZigBee的协议比较简单，功率低至蓝牙的十分之一，因此，ZigBee对通信控制器的性能要求较低，这样一来，只需利用性能不高的8位微控制器就能实现数据测算。另外，ZigBee的子功能节点代码只有4KB，在使用ZigBee协议时不需要支付专利费用，因此，成本较低。

④低功耗。ZigBee网络工作周期短，通信循环次数少，以该种网络连接成的设备一般只有两种状态，即睡眠状态和激活状态。举例来说，要使ZigBee设备工作半年以上，只需消耗两节普通五号干电池的电量。

⑤可靠性高。ZigBee网络拥有信息碰撞避免机制，这种机制预留了专用数据间隙，可以避免数据冲突和碰撞，提高了ZigBee网络的整体可靠性。

⑥短延时。一般情况下，ZigBee网络的延时范围为15～30ms，一些对延时比较敏感的应用软件可以在这样的延时内进行正常工作。

⑦安全性高。ZigBee传输网络之所以具备较高的安全性，是因为该技术采用了三级安全模式。第一级安全模式为无安全设定，第二级安全模式是基于控制清单的防数据泄露机制，第三级安全模式是高级对称密码设置，如AES-128加密算法。为了保证数据的完整性，ZigBee还具有鉴定和检查数据的功能。