第2章感知層技術2.1自動識別技術2.2條形碼技術2.3嵌入式技術2.4傳感器技術2.5無線傳感器網絡2.6RFID技術本章小結

2.1自動識別技術

2.1.1自動識別技術概述

1.自動識別技術概念

自動識別(AutomaticEquipmentIdentification，AEI)技術是指應用一定的識別裝置，通過被識別物品和識別裝置之間的接近活動，主動地獲取被識別物品的相關信息，并向后臺提供計算機處理系統(tǒng)來完成相關后續(xù)處理的一種技術，用來實現(xiàn)人們對各類物體或設備(人員、物品)在不同狀態(tài)(移動、靜止或惡劣環(huán)境)下的自動識別和管理。自動識別技術是信息數(shù)據(jù)自動識讀、自動輸入計算機的重要方法和手段，也是一種高度自動化的信息和數(shù)據(jù)采集技術，目前在國際上發(fā)展很快。

2.自動識別技術的特點

自動識別技術的特點有：準確性即，自動進行數(shù)據(jù)采集，極大地降低人為錯誤；高效性，即數(shù)據(jù)采集較快速，信息交換可實時進行；兼容性，即以計算機技術為基礎，可與信息管理系統(tǒng)無縫連接。

3.自動識別技術的種類

自動識別技術近幾十年在全球范圍內得到了迅猛發(fā)展，初步形成了一個包括條碼技術、磁卡技術、IC卡技術、光學字符識別(OCR)技術、射頻技術、聲音識別技術及視覺識別技術等集計算機、光、磁、機電、通信技術為一體的高新技術學科。自動識別系統(tǒng)根據(jù)識別對象的特征可以分為兩大類,分別是數(shù)據(jù)采集技術和特征提取技術。這兩大類自動識別技術的基本功能都是完成物品的自動識別和數(shù)據(jù)的自動采集。數(shù)據(jù)采集技術的基本特征是需要被識別物體具有特定的識別特征載體(如標簽等，僅光學字符識別例外)；而特征提取技術則根據(jù)被識別物體的本身的行為特征(包括靜態(tài)的、動態(tài)的和屬性的特征)來完成數(shù)據(jù)的自動采集。

1)數(shù)據(jù)采集技術

數(shù)據(jù)采集技術按照存儲器介質的不同可分為光存儲器類、磁存儲器類和電存儲器類：光存儲器類包括條碼(一維、二維)、矩陣碼、光標閱讀器、光學字符識別(OCR)；磁存儲器類包括磁條、非接觸磁卡、磁光存儲、微波；電存儲器類包括觸摸式存儲、RFID射頻識別(無芯片、有芯片)、存儲卡(智能卡、非接觸式智能卡)、視覺識別、能量擾動識別。

2)特征提取技術

特征提取技術按照特征的性質可分為靜態(tài)特征提取、動態(tài)特征提取及屬性特征提取：靜態(tài)特征提取包括指紋識別、虹膜識別、視網膜識別、面部識別等；動態(tài)特征提取包括簽名識別、聲音(語音)識別、鍵盤敲擊識別、其他感覺特征等；屬性特征提取包括化學感覺特征提取、物理感覺特征提取、生物抗體病毒特征提取、聯(lián)合感覺系統(tǒng)等。2.1.2光學字符識別技術

光學字符識別(OpticalCharacterRecognition，OCR)技術是基于圖形識別的一種技術，其目的是要讓計算機知道它到底看到了什么，尤其是文字資料。OCR技術可使設備通過確定形狀，檢測亮、暗模式等光學機制來識別字符。OCR的重要的應用領域有辦公室自動化中的文字資料的自動輸入、文獻檔案庫的建立、文本圖像的壓縮存儲和傳輸、書刊自動閱讀器、盲人閱讀器、書刊資料的再版輸入、古籍整理、智能全文信息管理系統(tǒng)、漢英翻譯系統(tǒng)、名片識別管理系統(tǒng)、車牌自動識別系統(tǒng)、網絡出版、票據(jù)和發(fā)票識別系統(tǒng)、身份證識別管理系統(tǒng)、無紙化評卷、郵件自動處理、零售價格識讀、訂單數(shù)據(jù)輸入、單證和支票識讀、微電路和小件產品的狀態(tài)特征識讀及與自動獲取文本過程相關的其他領域。一個OCR系統(tǒng)，從影像到結果輸出，需經過影像輸入、影像前處理、文字特征抽取、比對識別，最后經人工校正將認錯的文字更正，將結果輸出。OCR系統(tǒng)的工作流程如圖2-1所示。圖2-1OCR系統(tǒng)的工作流程

OCR系統(tǒng)的優(yōu)點是人眼可識讀、掃描，缺點是輸入速度和可靠性不及條碼，其數(shù)據(jù)格式有限，通常要使用接觸式掃描器。

2.1.3磁卡技術

磁卡(MagneticCard)是一種卡片狀的磁性記錄介質，利用磁性載體記錄字符與數(shù)字信息，適用于識別身份或其他用途。常用磁卡及磁卡刷卡器如圖2-2所示。

按照使用基材的不同，磁卡可分為PET卡、PVC卡和紙卡三種；按照磁層構造的不同，磁卡又可分為磁條卡和全涂磁卡兩種。

(a)磁卡(b)磁卡刷卡器圖2-2常用磁卡及磁卡刷卡器通常，磁卡的一面印刷有說明提示性信息，如插卡方向；另一面則有磁層或磁條，具有2～3個磁道以記錄有關信息數(shù)據(jù)。磁條是一層薄薄的由排列定向的鐵性氧化粒子組成的磁性材料(也稱為涂料)，用樹脂黏合劑嚴密地黏合在一起，并黏合在諸如紙或塑料這樣的非磁基材上。磁條從本質意義上講與計算機用的磁帶或磁盤是一樣的，它可以用來記載字母、字符及數(shù)字信息。通過黏合或熱合與塑料或紙牢固地整合在一起形成磁卡。磁條中所包含的信息一般比條形碼大。磁條內可分為三個獨立的磁道，分別稱為TK1、TK2、TK3。TK1最多可寫79個字母或字符；TK2最多可寫40個字符；TK3最多可寫107個字符。磁卡技術具有的優(yōu)點是：數(shù)據(jù)可被讀/寫，即具有現(xiàn)場改寫數(shù)據(jù)的能力；數(shù)據(jù)存儲量能滿足大多數(shù)需求，便于使用，成本低廉，還具有一定的數(shù)據(jù)安全性；它能黏附在許多不同規(guī)格和形式的基材上。

磁卡技術的發(fā)展得到了很多世界知名公司，特別各國政府部門幾十年的鼎力支持，使得磁卡的應用非常普及，遍及國民生活的方方面面，如信用卡、銀行ATM卡、機票、公共汽車票、自動售貨卡、會員卡、現(xiàn)金卡(如電話磁卡)、地鐵AFC等。特別是銀行系統(tǒng)幾十年的普遍推廣使用使得磁卡的普及率得到了很大的發(fā)展。銀行磁卡如圖2-3所示。但隨著磁卡應用的不斷擴大，有關磁卡技術，特別是安全技術已難以滿足越來越多的對安全性要求較高的應用需求。磁卡技術是接觸性識讀，它與條碼有三點不同：一是其數(shù)據(jù)可部分進行讀/寫操作；二是給定面積編碼容量比條碼大；三是對于物品逐一標記的成本比條碼高。接觸性識讀最大的缺點就是靈活性太差。磁卡的價格很便宜，但是很容易磨損。

磁卡受壓、被折、長時間磕碰、暴曬、高溫、磁條劃傷弄臟或者受到外部磁場的影響，都會造成磁卡消磁、數(shù)據(jù)丟失而不能使用。(a)銀行卡正面(b)銀行卡背面及其磁條圖2-3銀行磁卡2.1.4IC卡識別技術

IC卡(IntegratedCircuitCard，集成電路卡)，又稱為智能卡(SmartCard)，它通過在集成電路芯片上寫的數(shù)據(jù)來進行識別。IC卡與IC卡讀寫器以及后臺計算機管理系統(tǒng)組成了IC卡應用系統(tǒng)。

IC卡是在1970年由法國人RolandMoreno發(fā)明的，他第一次將可編程設置的IC芯片放于卡片中，使卡片具有更多功能。

IC卡的類型有：按照數(shù)據(jù)的讀/寫方式，IC卡可分為接觸式IC卡和非接觸式IC卡，通常說的IC卡多數(shù)是指接觸式IC卡；按照所封裝的IC芯片的不同，IC卡可分為存儲器卡、邏輯加密卡、CPU卡和超級智能卡四大類。超級智能卡在卡上具有MPU(嵌入式微處理器)和存儲器并裝有鍵盤、液晶顯示器和電源，有的卡上還具有指紋識別裝置等。各類IC卡如圖2-4所示。圖2-4各類IC卡

IC卡是將一個微電子芯片嵌入符合ISO7816標準的卡基中，做成卡片形式。IC卡讀寫器是IC卡與應用系統(tǒng)間的橋梁，在ISO國際標準中稱之為接口設備(InterfaceDevice，IFD)。IFD內CPU通過一個接口電路與IC卡相連并進行通信。IC卡接口電路是IC卡讀寫器中至關重要的部分，根據(jù)實際應用系統(tǒng)的不同，可選擇并行通信、半雙工串行通信和I2C通信等不同的IC卡讀/寫芯片。

IC卡工作的基本原理是：射頻讀寫器向IC卡發(fā)一組固定頻率的電磁波，卡片內有一個IC串聯(lián)諧振電路，其頻率與讀寫器發(fā)射的頻率相同，這樣在電磁波激勵下，LC諧振電路產生共振，從而使電容內有了電荷；在這個電荷的另一端，接有一個單向導通的電子泵，將電容內的電荷送到另一個電容內存儲，當所積累的電荷達到2?V時，此電容可作為電源為其他電路提供工作電壓，將卡內數(shù)據(jù)發(fā)射出去或接受讀寫器的數(shù)據(jù)。

IC卡的特點是：IC卡相對于其他種類的卡具有存儲容量大、體積小、重量輕、抗干擾能力強、便于攜帶、易于使用、安全性高、對網絡要求不高等。接觸式IC卡與磁卡相比較，具有以下特點：

(1)接觸式IC卡的安全性高。它必須通過與讀/寫設備間特有的雙向密鑰認證。

(2)接觸式IC卡的存儲容量大，便于應用，方便保管。它的存儲容量小到幾百個字符，大到上百萬個字符。

(3)接觸式IC卡防磁且防一定強度的靜電，抗干擾能力強，可靠性比磁卡高，使用壽命長，它的數(shù)據(jù)至少保持10年，讀/寫次數(shù)能夠達到10萬次以上。

(4)接觸式IC卡的價格稍高。

(5)接觸式IC卡的觸點暴露在外面，有可能因人為的原因或靜電而損壞。非接觸式IC卡又稱為射頻卡(RFID卡)，如圖2-5所示，它采用射頻技術與IC卡的讀卡器進行相互通信，成功地解決了無源(卡中無電源)和免接觸這一難題，是電子器件領域的一大突破。主要用于公交、輪渡、地鐵的自動收費系統(tǒng)，也應用于門禁管理、身份證明和電子錢包。關于非接觸式IC卡的更多內容，將在本章的“RFID技術”小節(jié)詳細闡述。

圖2-5非接觸式IC卡2.1.5生物識別技術

1.虹膜識別技術

人類眼睛的虹膜是由相當復雜的纖維組織構成，其細部結構在出生之前就以隨機組合的方式決定下來了。虹膜識別技術是基于在自然光或紅外光照射下，對虹膜上可見的外在特征進行計算機識別的一種生物識別技術。虹膜在眼球中的位置如圖2-6所示，其中虹膜是圍繞瞳孔呈現(xiàn)絢麗彩色的一層生理薄膜。虹膜是包裹在眼球上的彩色環(huán)狀物，每一個虹膜都包含一個獨一無二的基于像冠、水晶體、細絲、斑點、結構、凹點、射線、皺紋和條紋等特征的結構。圖2-6虹膜在眼球中的位置虹膜識別技術將上述可見特征轉化為512個字節(jié)的虹膜編碼，該編碼被存儲下來以便后期識別所用。512個字節(jié)對從虹膜獲得的信息量來說是十分巨大的。從直徑為11?mm左右的虹膜上，Daugman算法用3～4個字節(jié)的數(shù)據(jù)來代表每平方毫米的虹膜信息，這樣一個虹膜約有266個量化特征點，而一般的生物識別技術只有13～60個特征點。

虹膜識別技術的優(yōu)點有：便于用戶使用；是最可靠的生物識別技術之一；無需物理的接觸。

虹膜識別技術的缺點有：最主要的是它沒有進行過任何的測試，當前的虹膜識別系統(tǒng)只是用統(tǒng)計學原理進行小規(guī)模的試驗，而沒有進行過現(xiàn)實世界的唯一性認證的試驗；很難將圖像獲取設備的尺寸小型化；需要昂貴的攝像頭進行聚焦，一個這樣的攝像頭的最低價為7000美元；鏡頭可能產生圖像畸變而使可靠性降低；黑眼睛極難讀取；需要較好光源。

2.視網膜識別技術

有研究證明，每個人的眼睛后半部的血管圖形是唯一的，即使是孿生兄弟也各不相同。視網膜圖形是穩(wěn)定的，除非有眼科疾病或者嚴重的腦部創(chuàng)傷。

視網膜識別技術要求激光照射眼球的背面以獲得視網膜特征。與虹膜識別技術相比，視網膜掃描是最精確可靠的生物識別技術之一。由于感覺上它高度介入人的身體，它也是最難被人接受的技術。

視網膜識別技術的優(yōu)點有：視網膜是一種極其固定的生物特征，不磨損、不老化、不受疾病影響；使用者無需和設備直接接觸；是一個最難欺騙的系統(tǒng)，因為視網膜不可見，所以不會被偽造。

視網膜識別技術的缺點有：同虹膜一樣，它只是用統(tǒng)計學原理進行小規(guī)模的試驗，而沒有進行過現(xiàn)實世界的唯一性認證的試驗；激光照射眼球的背面可能會影響使用者健康，這需要進一步的研究；對消費者而言，視網膜識別技術沒有吸引力；很難進一步降低成本。

3.簽名識別技術

簽名作為身份認證的手段已經用了幾百年了，將簽名數(shù)字化的過程包括將簽名圖像本身數(shù)字化以及記錄整個簽名的動作(包括每個字母以及字母之間不同的速度、筆序和壓力等)。簽名識別和語音識別一樣，是一種行為測定學。

簽名識別技術的優(yōu)點有：容易被大眾接受；是一種公認的身份識別技術。

簽名識別技術的缺點有：隨著人的經驗的增長、性格的變化與生活方式的改變，簽名也會隨著而改變；在Internet上使用不便；用于簽名的手寫板結構復雜而且價格昂貴，因為和筆記本電腦的觸摸板的分辨率差異很大，在技術上將兩者結合起來較難；很難將尺寸小型化。

4.面部識別技術

面部識別技術通過對面部特征和它們之間的關系來進行識別，其識別技術基于這些唯一的特征時非常復雜，需要人工智能和機器知識學習系統(tǒng)。用于捕捉面部圖像的兩項技術為標準視頻技術和熱成像技術，分述如下：

(1)標準視頻技術通過一個標準的攝像頭獲得面部的圖像或者一系列圖像后，記錄一些核心點(如眼睛、鼻子和嘴等)以及它們之間的相對位置，然后形成模板。

(2)熱成像技術通過分析由面部的毛細血管的血液產生的熱線來產生面部圖像，與視頻攝像頭不同，熱成像技術并不需要在較好的光源條件下，因此即使在黑暗情況下也可以使用。一個算法和一個神經網絡系統(tǒng)加上一個轉化機制就可將一幅面部圖像變成數(shù)字信號，最終產生匹配或不匹配信號。

面部識別技術的優(yōu)點有：面部識別是非接觸的，用戶不需要和設備直接的接觸。面部識別技術的缺點有：盡管可以使用桌面的視頻攝像，但只有比較高級的攝像頭才可以有效高速的捕捉面部圖像；使用者面部的位置與周圍的光環(huán)境都可能影響系統(tǒng)的精確性；大部分研究生物識別的人公認面部識別最不準確，也最容易被欺騙；面部識別技術的改進有賴于提取特征與比對技術的提高，采集圖像的設備比技術昂貴得多；對于因人體面部的如頭發(fā)、飾物、變老以及其他的變化需要通過人工智能補償，機器學習功能必須不斷地將以前得到的圖像和現(xiàn)在得到的進行比對，以改進核心數(shù)據(jù)和彌補微小的差別；很難進一步降低設備成本。

5.指紋識別技術

因為每個人的指紋紋路在圖案、斷點和交叉點上各不相同，所以指紋是唯一的且終生不變。依靠這種唯一性和穩(wěn)定性可以把一個人同他的指紋對應起來，通過將他的指紋和預先保存的指紋進行比較，就可以驗證他的真實身份，這就是指紋識別技術。

指紋具有以下三大固有特性：第一，確定性，每幅指紋的結構是恒定的，胎兒在4個月左右就形成指紋，以后就終生不變；第二，唯一性，兩個完全一致的指紋出現(xiàn)的概率非常小，不超過2-60；第三，可分類性，可以按指紋的紋線走向進行分類。隨著現(xiàn)代電子集成制造技術、計算機技術的發(fā)展以及快速而可靠的算法研究，指紋自動識別技術于20世紀60年代開始興起并得到了飛速發(fā)展。作為生物特征識別的一種，由于它具有其他特征識別所不可比擬的優(yōu)點，使得自動指紋識別有著更為廣泛的應用。相對于其他生物特征鑒定技術，如語音識別及視網膜識別等技術，自動指紋識別是一種更為理想的身份確認技術。指紋識別技術的優(yōu)點有：指紋是人體獨一無二的特征，并且它們的復雜度足以提供用于鑒別的特征；如果要增加可靠性，只需登記更多的指紋、鑒別更多的手指，最多可多達10個，而每一個指紋都是獨一無二的；掃描指紋的速度很快，使用非常方便；在讀取指紋時，用戶必須將手指與指紋采集頭相互接觸，這是讀取人體生物特征最可靠的方法；指紋采集頭可以更加小型化，并且價格會更加低廉。指紋識別技術的缺點有：某些人或某些群體的指紋特征少，難成像；過去在犯罪記錄中使用指紋，使得某些人害怕“將指紋記錄在案”，實際上現(xiàn)在的指紋鑒別技術都可以不存儲任何含有指紋圖像的數(shù)據(jù)，而只是存儲從指紋中得到的加密的指紋特征數(shù)據(jù)；每一次使用指紋時都會在指紋采集頭上留下用戶的指紋印痕，而這些指紋痕跡存在被用來復制指紋的可能性。

6.聲音識別技術

聲音識別和簽名識別相同，也是一種行為識別技術。聲音識別設備不斷地測量和記錄聲音波形變化，然后將現(xiàn)場采集到的聲音同登記過的聲音模板進行各種特征的匹配。聲音識別的迅速發(fā)展以及高效可靠的應用軟件的開發(fā)，使聲音識別系統(tǒng)在很多方面得到了應用。聲音識別系統(tǒng)可以用聲音指令實現(xiàn)“不用手”的數(shù)據(jù)采集，其最大特點就是不用手和眼睛，這對那些在采集數(shù)據(jù)的同時還要完成手眼并用的工作場合尤為適用。

聲音識別技術的迅速發(fā)展及其高效可靠的應用軟件的開發(fā)，使聲音識別系統(tǒng)在很多方面得到了應用。例如，手機上的語音撥號是一典型的語音識別的例子。電話號碼用語音準確呼出距實用還有一段相當長的距離。

聲音識別技術的優(yōu)點有：聲音識別是一種非接觸的識別技術，用戶可以很自然地接受。

聲音識別技術的缺點有：作為行為識別技術，聲音變化的范圍太大，很難精確的匹配；聲音會隨著音量、速度和音質的變化(如感冒時)而影響到采集與比對的結果；很容易用錄在磁帶上的聲音來欺騙聲音識別系統(tǒng)；高保真的麥克風很昂貴。

2.2條?形?碼?技術

條形碼是一種信息圖形化表示方法，可以把信息制作成條形碼，然后用相應的掃描設備把其中的信息輸入到計算機中。條形碼分為一維條碼和二維條碼。下面分別進行介紹。

2.2.1一維條形碼

條形碼或條碼(BarCode)是將寬度不等的多個黑條和空白，按照一定編碼規(guī)則排列，用以表達一組信息的圖形標識符。常見的一維條形碼是由黑條(簡稱條)和白條(簡稱空)排成平行線圖案所組成的，如圖2-7所示。圖2-7常見的一維條形碼一維條形碼可標識物品的生產國、制造廠家、商品名稱、生產日期、類別等信息。在商品流通、圖書管理、郵政管理、銀行系統(tǒng)等許多領域有廣泛的應用。常用的條形碼掃描槍如圖2-8所示。圖2-8常用的條形碼掃描槍目前使用頻率最高的幾種碼制有EAN(EuropeanArticleNumber)碼、UPC(UniversalProductCode)碼、39碼、交叉(ITF)25碼和EAN128碼。UPC條碼主要用于北美地區(qū)。EAN條碼是國際通用符號體系，它是一種定長、無含義的條碼，主要用于商品標識，其編碼規(guī)則如圖2-9所示。EAN128條碼是由國際物品編碼協(xié)會(EANInternational)和美國統(tǒng)一代碼委員會(UCC)聯(lián)合開發(fā)、共同采用的一種特定的條碼符號。它是一種連續(xù)型、非定長有含義的高密度代碼，用以表示生產日期、批號、數(shù)量、規(guī)格、保質期、收貨地等更多的商品信息。另有一些碼制主要是適應特殊需要的應用方面，如庫德巴碼用于血庫、圖書館、包裹等的跟蹤管理，ITF25碼用于包裝、運輸和國際航空系統(tǒng)為機票進行順序編號，還有類似39碼的93碼，它的密度更高些，可代替39碼。圖2-9EAN條碼的編碼規(guī)則2.2.2二維條形碼

通常一維條形碼所能表示的字符集不過10個數(shù)字、26個英文字母及一些特殊字符，條碼字符集最大所能表示的字符個數(shù)為128個ASCII字符，信息量非常有限，為了提高一定面積上的條碼信息密度和信息量，在一維條形碼的基礎上又發(fā)展出了一種新的條形碼編碼形式—二維條形碼。常見的二維條形碼如圖2-10所示。

圖2-10常見的二維條形碼

二維條形碼是在二維空間水平和豎直方向存儲信息的條形碼。它的優(yōu)點是信息容量大、譯碼可靠性高、糾錯能力強、制作成本低、保密與防偽性能好。

從結構上講，二維條形碼分為兩類：其中一類是由矩陣代碼和點代碼組成，其數(shù)據(jù)以二維空間的形態(tài)編碼；另一類是包含重疊的或多行條碼符號，其數(shù)據(jù)以成串的數(shù)據(jù)行顯示。以常用的二維條形碼PDF417碼為例，PDF是便攜式數(shù)據(jù)文件(PortableDataFile)的縮寫，簡稱為PDF417碼，可以表示字母、數(shù)字、ASCII字符與二進制數(shù)。該條碼可以表示1850個字符/數(shù)字、1108個字節(jié)的二進制數(shù)、2710個被壓縮的數(shù)字；重疊代碼中包含了行與行尾標識符以及掃描軟件，可以從標簽的不同部分獲得數(shù)據(jù)，只要所有的行都被掃到就可以組合成一個完整的數(shù)據(jù)輸入，所以這種條碼的數(shù)據(jù)可靠性很好。對PDF417碼而言，標簽上污損或毀掉的部分高達50%?時，仍可以讀取全部數(shù)據(jù)內容，因此具有很強的修正錯誤的能力。

PDF417碼是一種高密度、高信息含量的便攜式數(shù)據(jù)文件，其特點為：信息容量大、編碼應用范圍廣、保密防偽性能好、譯碼可靠性高、條碼符號的形狀可變。美國的一些州、加拿大部分省份已經在車輛年檢、行車證年審及駕駛證年審等方面，將PDF417碼選為機讀標準。巴林、墨西哥、新西蘭等國家將其應用于報關單、身份證、貨物實時跟蹤等方面。

矩陣代碼如Maxicode、DataMatrix、CodeOne、Vericode和DotCodeA，矩陣代碼標簽可以做得很小，甚至可以做成硅晶片的標簽，因此適用于小物件。

2009年12月10日，鐵道部對火車票進行了升級改版。新版火車票明顯的變化是車票下方的一維條形碼變成了二維條形碼，如圖2-11所示，火車票的防偽能力顯著增強。圖2-11一維條形碼與二維條形碼火車票的比較

2.3嵌?入?式?技?術

嵌入式計算機系統(tǒng)相關技術與傳感器技術、網絡技術以及軟件技術一起，并稱為物聯(lián)網核心技術。“就如同20世紀80年代問世的PC機成為了20世紀90年代互聯(lián)網的根基一樣，嵌入式系統(tǒng)很可能成為今后物聯(lián)網發(fā)展的關鍵，因為‘物聯(lián)’的基礎就是嵌入式系統(tǒng)的運算?！?/p>

2.3.1嵌入式系統(tǒng)的概念

嚴格的嵌入式系統(tǒng)概念是：嵌入式系統(tǒng)是以應用為中心，以計算機技術為基礎，并且軟硬件可裁剪，適用于對功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴格要求的專用計算機應用系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)是面向用戶、面向產品、面向應用的，它必須與具體應用相結合才會具有生命力、才更具有優(yōu)勢。因此可以這樣理解上述三個面向的含義，即嵌入式系統(tǒng)是與應用緊密結合的，它具有很強的專用性，必須結合實際系統(tǒng)需求進行合理的裁減利用。嵌入式系統(tǒng)是將先進的計算機技術、半導體技術、電子技術與各個行業(yè)的具體應用相結合后的產物，這一點就決定了它必然是一個技術密集、資金密集、高度分散、不斷創(chuàng)新的知識集成系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)必須根據(jù)應用需求對軟硬件進行裁剪，滿足應用系統(tǒng)的功能、可靠性、成本、體積等要求。2.3.2嵌入式系統(tǒng)的組成

嵌入式系統(tǒng)一般由嵌入式處理器、存儲器、輸入/輸出(I/O)以及軟件(嵌入式操作系統(tǒng)及用戶的應用程序)等四個部分組成，如圖2-12所示，用于實現(xiàn)對其他設備的控制、監(jiān)視或管理等功能。圖2-12嵌入式系統(tǒng)的組成

1.嵌入式處理器

嵌入式處理器是嵌入式系統(tǒng)硬件層的核心，也是控制、輔助系統(tǒng)運行的硬件單元，范圍極其廣闊，從最初的４位處理器(目前仍在大規(guī)模應用的8位單片機)到最新受到廣泛青睞的32位、64位嵌入式CPU。嵌入式微處理器與通用CPU最大的不同在于嵌入式微處理器大多工作在為特定用戶群所專用設計的系統(tǒng)中，它將通用CPU許多由板卡完成的任務集成在芯片內部，從而有利于嵌入式系統(tǒng)在設計時趨于小型化，同時還具有很高的效率和可靠性。嵌入式處理器可分為四類：嵌入式微處理器、嵌入式微控制器、嵌入式DSP處理器、嵌入式片上系統(tǒng)。下面將分別進行介紹。

(1)嵌入式微處理器(MicroProcessorUnit，MPU)是由通用計算機中的CPU演變而來的。

嵌入式微處理器的體系結構可以采用馮·諾依曼或哈佛體系結構；指令系統(tǒng)可以選用精簡指令系統(tǒng)(ReducedInstructionSetComputer，RISC)和復雜指令系統(tǒng)CISC(ComplexInstructionSetComputer，CISC)。RISC計算機在通道中只包含最有用的指令，確保數(shù)據(jù)通道快速執(zhí)行每一條指令，從而提高了執(zhí)行效率并使CPU硬件結構設計變得更為簡單。嵌入式微處理器有各種不同的體系，即使在同一體系中也可能具有不同的時鐘頻率和數(shù)據(jù)總線寬度，或者集成了不同的外設和接口。據(jù)不完全統(tǒng)計，目前全世界嵌入式微處理器已經超過1000多種，體系結構有30多個系列，其中主流的體系有ARM、MIPS、PowerPC、X86和SH等。但與全球PC市場不同的是，沒有一種嵌入式微處理器可以主導市場，僅以32位的產品而言，就有100種以上的嵌入式微處理器。嵌入式微處理器的選擇是根據(jù)具體的應用而決定的。

(2)嵌入式微控制器(MicroControllerUnit,MCU)，也稱為微控制器，其典型代表是單片機。把嵌入式應用所需要的微處理器、I/O接口、A/D(模/數(shù))轉換接口、D/A(數(shù)/模)轉換接口、串行接口以及RAM、ROM都集成到一個VLSI中，制造出面向I/O設計的微控制器，也稱為單片機。

(3)嵌入式DSP處理器(EmbeddedDigitalSignalProcessor,

EDSP)是專門用于信號處理方面的處理器，其在系統(tǒng)結構和指令算法方面進行了特殊設計，具有很高的編譯效率和指令的執(zhí)行速度。

(4)嵌入式片上系統(tǒng)(SystemOnChip，SoC)最大的特點是成功實現(xiàn)了軟硬件無縫結合，直接在處理器片內嵌入操作系統(tǒng)的代碼模塊。

2.存儲器

嵌入式系統(tǒng)需要存儲器來存放和執(zhí)行代碼。嵌入式系統(tǒng)的存儲器包含Cache、主存和輔助存儲器。

1)?Cache

Cache是一種容量小、速度快的存儲器陣列，它位于主存和嵌入式微處理器內核之間，存放的是最近一段時間微處理器使用最多的程序代碼和數(shù)據(jù)。在需要進行數(shù)據(jù)讀取操作時，微處理器盡可能從Cache中讀取數(shù)據(jù)，而不是從主存中讀取，這樣就大大改善了系統(tǒng)的性能，提高了微處理器和主存之間的數(shù)據(jù)傳輸速率。Cache的主要目標就是減小存儲器(如主存和輔助存儲器)給微處理器內核造成的存儲器訪問瓶頸，使處理速度更快，實時性更強。

在嵌入式系統(tǒng)中Cache全部集成在嵌入式微處理器內，可分為數(shù)據(jù)Cache、指令Cache或混合Cache。Cache的大小依不同處理器而定，一般中高檔的嵌入式微處理器才會把Cache集成進去。

2)主存

主存是嵌入式微處理器能直接訪問的寄存器，用來存放系統(tǒng)和用戶的程序及數(shù)據(jù)。它可以位于微處理器的內部或外部，其容量為256?KB～1?GB，根據(jù)具體的應用而定，一般片內存儲器容量小、速度快，片外存儲器容量大。

常作為主存的存儲器有：

(1)?ROM類：NORFlash、EPROM和PROM等。

(2)?RAM類：SRAM、DRAM和SDRAM等。

其中，NORFlash憑借其可擦寫次數(shù)多、存儲速度快、存儲容量大、價格便宜等優(yōu)點，在嵌入式領域內得到了廣泛應用。

3)輔助存儲器

輔助存儲器用來存放大數(shù)據(jù)量的程序代碼或信息，它的容量大，但讀取速度與主存相比就慢很多，用于長期保存用戶的信息。嵌入式系統(tǒng)中常用的外存包括硬盤、NANDFlash、CF卡、MMC和SD卡等。

3.?I/O接口和通用設備接口

嵌入式系統(tǒng)硬件部分除了嵌入式處理器核心部分外，還包括豐富的外圍接口，如A/D、D/A、I/O等。也正是基于這些豐富的外圍接口才帶來嵌入式系統(tǒng)越來越豐富的應用，外設通過和片外其他設備或傳感器的連接來實現(xiàn)微處理器的輸入/輸出功能。每個外設通常都只有單一的功能，它可以在芯片外也可以內置在芯片中。外設的種類很多，有簡單的串行通信設備，也有非常復雜的無線通信設備。

目前嵌入式系統(tǒng)中常用的通用設備接口有A/D、D/A，I/O接口有RS-232接口(串行通信接口)、Ethernet(以太網接口)、USB(通用串行總線接口)、音頻接口、VGA視頻輸出接口、I2C(現(xiàn)場總線)、SPI(串行外圍設備接口)和IrDA(紅外線接口)等。

4.軟件

嵌入式系統(tǒng)軟件部分一般是由中間層、嵌入式操作系統(tǒng)和應用軟件三部分組成。

1)中間層

硬件層與軟件層之間為中間層，也稱為硬件抽象層(HardwareAbstractLayer，HAL)或板級支持包(BoardSupportPackage，BSP)，它將系統(tǒng)上層軟件與底層硬件分離開來，使系統(tǒng)的底層驅動程序與硬件無關，上層軟件開發(fā)人員無需關心底層硬件的具體情況，根據(jù)BSP層提供的接口即可進行開發(fā)。該層一般包含相關底層硬件的初始化、數(shù)據(jù)的輸入/輸出操作和硬件設備的配置功能。BSP具有以下兩個特點：

(1)硬件相關性：因為嵌入式實時系統(tǒng)的硬件環(huán)境具有應用相關性，而作為上層軟件與硬件平臺之間的接口，BSP需要為操作系統(tǒng)提供操作和控制具體硬件的方法。

(2)操作系統(tǒng)相關性：不同的操作系統(tǒng)具有各自的軟件層次結構，因此，不同的操作系統(tǒng)具有特定的硬件接口形式。

實際上，BSP是一個介于操作系統(tǒng)和底層硬件之間的軟件層次，包括了系統(tǒng)中大部分與硬件聯(lián)系緊密的軟件模塊。設計一個完整的BSP需要完成兩部分工作：嵌入式系統(tǒng)的硬件初始化以及BSP功能；設計硬件相關的設備驅動。

2)嵌入式操作系統(tǒng)

嵌入式系統(tǒng)軟件可以分成啟動代碼(BootLoader)、操作系統(tǒng)內核與驅動(Kernel&Driver)、文件系統(tǒng)與應用程序(FileSystem&Application)等幾部分。文件系統(tǒng)則可以讓嵌入式軟件工程師靈活方便地管理系統(tǒng)。嵌入式操作系統(tǒng)(EmbeddedOperationSystem，EOS)是一種用途廣泛的系統(tǒng)，過去它主要應用于工業(yè)控制和國防系統(tǒng)領域。EOS負責嵌入系統(tǒng)的全部軟、硬件資源的分配、任務調度，控制、協(xié)調并發(fā)活動。它必須體現(xiàn)其所在系統(tǒng)的特征，能夠通過裝卸某些模塊來達到系統(tǒng)所要求的功能。隨著Internet技術的發(fā)展、信息家電的普及應用及EOS的微型化和專業(yè)化，EOS開始從單一的弱功能向高度專業(yè)化的強功能方向發(fā)展。嵌入式操作系統(tǒng)在系統(tǒng)實時高效性、硬件的相關依賴性、軟件固化以及應用的專用性等方面具有較為突出的特點。EOS是相對于一般操作系統(tǒng)而言的，它除具備了一般操作系統(tǒng)最基本的功能(如任務調度、同步機制、中斷處理、文件功能等)外，還有以下一些特點：

(1)可裝卸性。開放性、可伸縮性的體系結構。

(2)較強的實時性。EOS實時性一般較強，可用于各種設備控制當中。

(3)統(tǒng)一的接口。提供各種設備驅動接口。

(4)操作方便、簡單，提供友好的GUI(圖形界面)，易學易用。

(5)提供強大的網絡功能，支持TCP/IP協(xié)議及其他協(xié)議，提供TCP/UDP/IP/PPP協(xié)議支持及統(tǒng)一的MAC訪問層接口，為各種移動計算設備預留接口。

(6)較強的穩(wěn)定性與較弱的交互性。嵌入式系統(tǒng)一旦開始運行就不需要用戶過多的干預，這就要負責系統(tǒng)管理的EOS具有較強的穩(wěn)定性。嵌入式操作系統(tǒng)的用戶接口一般不提供操作命令，它通過系統(tǒng)調用命令向用戶程序提供服務。

(7)固化代碼。在嵌入式系統(tǒng)中，嵌入式操作系統(tǒng)和應用軟件被固化在嵌入式系統(tǒng)計算機的ROM中。輔助存儲器在嵌入式系統(tǒng)中很少使用，因此，嵌入式操作系統(tǒng)的文件管理功能應該能夠很容易地拆卸，而用各種內存文件系統(tǒng)。

(8)更好的硬件適應性，也就是良好的移植性。

常見的嵌入式操作系統(tǒng)有：Linux、μClinux、WinCE、PalmOS、Symbian、eCos、μC/OS-Ⅱ、VxWorks、pSOS、Nucleus、ThreadX、Rtems、QNX、INTEGRITY、OSE、CExecutive。嵌入式操作系統(tǒng)從應用角度可分為通用型嵌入式操作系統(tǒng)和專用型嵌入式操作系統(tǒng)。常見的通用型嵌入式操作系統(tǒng)有Linux、VxWorks、WindowsCE.NET等。常用的專用型嵌入式操作系統(tǒng)有SmartPhone、PocketPC、Symbian等。按實時性可分為兩類：實時嵌入式操作系統(tǒng)主要面向控制、通信等領域。如WindRiver公司的VxWorks、ISI的pSOS、QNX系統(tǒng)軟件公司的QNX、ATI的Nucleus等。非實時嵌入式操作系統(tǒng)主要面向消費類電子產品。這類產品包括PDA、移動電話、機頂盒、電子書、WebPhone等。

3)應用軟件

應用軟件是真正針對需求的、由嵌入式軟件工程師完全自主開發(fā)的軟件。2.3.3嵌入式系統(tǒng)的特征

嵌入式系統(tǒng)有以下幾個重要特征：

(1)系統(tǒng)內核小。由于嵌入式系統(tǒng)一般應用于小型電子裝置，系統(tǒng)資源相對有限，因此其內核較之傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)要小得多。例如，Enea公司的OSE分布式系統(tǒng)，內核只有5K，與Windows的內核沒有可比性。

(2)專用性強。嵌入式系統(tǒng)的個性化很強，其中的系統(tǒng)軟件(OS)和硬件的結合非常緊密，一般要針對硬件進行系統(tǒng)的移植，即使在同一品牌、同一系列的產品中也需要根據(jù)系統(tǒng)硬件的變化和增減不斷進行修改。同時針對不同的任務，往往需要對系統(tǒng)進行較大更改，程序的編譯下載要和系統(tǒng)相結合，這種修改和通用軟件的“升級”是完全兩個概念。

(3)系統(tǒng)精簡。嵌入式系統(tǒng)一般沒有系統(tǒng)軟件和應用軟件的明顯區(qū)分，不要求其功能設計及實現(xiàn)上過于復雜，這樣既有利于控制系統(tǒng)成本，同時也利于實現(xiàn)系統(tǒng)安全。

(4)高實時性的系統(tǒng)軟件是嵌入式軟件的基本要求。而且軟件要求固態(tài)存儲，以提高速度；軟件代碼要求高質量和高可靠性。

(5)嵌入式軟件開發(fā)要想走向標準化，就必須使用多任務的操作系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)的應用程序可以在沒有操作系統(tǒng)的情況下直接在芯片上運行；但是為了合理地調度多任務、利用系統(tǒng)資源、系統(tǒng)函數(shù)以及和專家?guī)旌瘮?shù)接口，用戶必須自行選配RTOS(RealTimeOperatingSystem)開發(fā)平臺，這樣才能保證程序執(zhí)行的實時性、可靠性，并減少開發(fā)時間，保障軟件質量。

(6)嵌入式系統(tǒng)開發(fā)需要開發(fā)工具和環(huán)境。由于其本身不具備自主開發(fā)能力，即使設計完成以后用戶通常也是不能對其中的程序功能進行修改的，必須有一套開發(fā)工具和環(huán)境才能進行開發(fā)，這些工具和環(huán)境一般是基于通用計算機上的軟、硬件設備以及各種邏輯分析儀、混合信號示波器等。開發(fā)時往往有主機和目標機的概念，主機用于程序的開發(fā)，目標機作為最后的執(zhí)行機，開發(fā)時需要交替結合進行。

(7)嵌入式系統(tǒng)與具體應用有機結合在一起，升級換代也是同步進行。因此，嵌入式系統(tǒng)產品一旦進入市場，具有較長的生命周期。

(8)為了提高運行速度和系統(tǒng)可靠性，嵌入式系統(tǒng)中的軟件一般都固化在存儲器芯片中。2.3.4嵌入式系統(tǒng)的應用領域

嵌入式系統(tǒng)具有非常廣闊的應用前景，其應用領域可以包括：

(1)工業(yè)控制?；谇度胧叫酒墓I(yè)自動化設備將獲得長足的發(fā)展，目前已經有大量的8位、16位、32位嵌入式微控制器在應用中，如工業(yè)過程控制、數(shù)字機床、電力系統(tǒng)、電網安全、電網設備監(jiān)測、石油化工系統(tǒng)。就傳統(tǒng)的工業(yè)控制產品而言，低端型采用的往往是8位單片機，隨著技術的發(fā)展，32位、64位的處理器逐漸成為工業(yè)控制設備的核心。

(2)交通管理。在車輛導航、流量控制、信息監(jiān)測與汽車服務方面，嵌入式系統(tǒng)已經獲得了廣泛的應用，內嵌GPS模塊、GSM模塊的移動定位終端已經在各種運輸行業(yè)獲得了成功的使用。目前GPS設備已經從尖端產品進入了普通百姓的家庭。

(3)信息家電。信息家電被稱為嵌入式系統(tǒng)最大的應用領域，冰箱、空調等的網絡化、智能化將引領人們的生活步入一個嶄新的空間。即使用戶不在家里，也可以通過電話線、網絡進行遠程控制。在這些設備中，嵌入式系統(tǒng)大有用武之地。

(4)家庭智能管理系統(tǒng)。水、電、煤氣表的遠程自動抄表，安全防火、防盜系統(tǒng)，其中嵌有的專用控制芯片將代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工檢查，并實現(xiàn)更高、更準確和更安全的性能。目前在服務領域，如遠程點菜器等已經體現(xiàn)了嵌入式系統(tǒng)的優(yōu)勢。

(5)?POS網絡及電子商務。公共交通無接觸智能卡(ContactlessSmartCard，CSC)發(fā)行系統(tǒng)、公共電話卡發(fā)行系統(tǒng)、自動售貨機及各種智能ATM終端將全面走入人們的生活，到時手持一張卡就可以行遍天下。

(6)環(huán)境工程與自然環(huán)境。嵌入式系統(tǒng)應用于水文資料實時監(jiān)測、防洪體系及水土質量監(jiān)測、堤壩安全監(jiān)測、地震監(jiān)測網、實時氣象信息網、水源和空氣污染監(jiān)測。在很多環(huán)境惡劣、地況復雜的地區(qū)，嵌入式系統(tǒng)將實現(xiàn)無人監(jiān)測。

(7)機器人。嵌入式芯片的發(fā)展將使機器人在微型化，高智能方面優(yōu)勢更加明顯，同時會大幅度降低機器人的價格，使其在工業(yè)領域和服務領域獲得更廣泛的應用。

(8)其他領域。自動柜員機(ATM)；航空電子，如慣性導航系統(tǒng)、飛行控制硬件和軟件以及其他飛機和導彈中的集成系統(tǒng)；移動電話和電信交換機；計算機網絡設備，如路由器、時間服務器和防火墻；辦公設備，如打印機、復印機、傳真機、多功能打印機(MFP)；磁盤驅動器(軟盤驅動器和硬盤驅動器)；汽車發(fā)動機控制器和防鎖死剎車系統(tǒng)；家庭自動化產品，如恒溫器、冷氣機、灑水裝置和安全監(jiān)視系統(tǒng)；手持計算器；家用電器，如微波爐、洗衣機、電視機、DVD播放器和錄制器；醫(yī)療設備，如X光機、核磁共振成像儀；測試設備，如數(shù)字存儲示波器、邏輯分析儀、頻譜分析儀；多功能手表；多媒體電器，如因特網無線接收機、電視機頂盒、數(shù)字衛(wèi)星接收器；個人數(shù)碼助理(PDA)，也就是帶有個人信息管理和其他應用程序的小型手持計算機；帶有其他功能移動電話，如蜂窩式移動電話、個人數(shù)碼助理(PDA)和Java的移動數(shù)字助理(MIDP)；用于工業(yè)自動化和監(jiān)測的可編程邏輯控制器(PLC)；固定游戲機和便攜式游戲機；可穿戴計算機。2.3.5嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展史

20世紀60年代，嵌入式這個概念就已經存在了。在通信方面，嵌入式系統(tǒng)在20世紀60年代就用于電子機械電話交換的控制，當時被稱為“存儲式程序控制系統(tǒng)”。

20世紀70年代出現(xiàn)微處理器。20世紀80年代，總線技術飛速發(fā)展，把微處理器、I/O接口、A/D、D/A轉換、串行接口以及RAM、ROM等部件統(tǒng)統(tǒng)集成到一個VLSI中，從而制造出面向I/O設計的微控制器，也俗稱單片機。

20世紀90年代，在分布控制、柔性制造、數(shù)字化通信和信息家電等巨大需求的牽引下，嵌入式系統(tǒng)進一步加速發(fā)展。

21世紀進入全面的網絡時代，使嵌入式計算機系統(tǒng)應用到各類網絡中去也必然是嵌入式系統(tǒng)發(fā)展的重要方向。

2.4傳?感?器?技?術

2.4.1傳感器的定義

傳感器(Transducer/Sensor)是一種檢測裝置，能感受到被測量件，并按一定規(guī)律變換成為電信號或其他所需形式的可用信號輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。它是實現(xiàn)自動檢測和自動控制的首要環(huán)節(jié)。

“傳感器”在《韋氏新國際詞典》中被定義為：“從一個系統(tǒng)接受功率，通常以另一種形式將功率送到第二個系統(tǒng)中的器件”。根據(jù)這個定義，傳感器的作用是將一種能量轉換成另一種能量形式，所以不少學者也將傳感器稱為“換能器(Transducer)”。傳感器是人類五官的延長，又被稱為“電五官”。傳感器的功能常與人類五大感覺器官相比擬：光敏傳感器—視覺；聲敏傳感器—聽覺；氣敏傳感器—嗅覺；化學傳感器—味覺；壓敏、溫敏、流體傳感器—觸覺。各類傳感器的實物如圖2-13所示。圖2-13各類傳感器的實物2.4.2傳感器的組成

傳感器一般由敏感元件、轉換元件、轉換電路等三部分組成(如圖2-14所示)，其分述如下：

(1)敏感元件：它是感受被測量，并輸出與被測量成確定關系的某一物理量(如位移、形變等)的元件。

(2)轉換元件：敏感元件的輸出就是它的輸入，它把輸入轉換成電路參數(shù)(如電容、電感、電阻、電壓等)，如把由敏感元件輸入的位移量轉換成電感的變化。轉換元件是傳感器的核心元件。

(3)轉換電路：上述轉換元件電路參數(shù)接入轉換電路，就轉換成電量輸出。圖2-14傳感器的組成實際的傳感器有簡有繁。最簡單的傳感器由一個敏感元件組成，它將感受的被測量直接輸出，如熱電偶。有的傳感器僅有敏感元件與轉換元件，在結構上它們常組裝在一起。帶轉換電路的傳感器，其轉換電路可以與敏感元件、轉換元件組裝在一起，也可根據(jù)需要將其裝在電路箱中，不管它置于何處，只要它是起轉換輸出信號的作用，仍為傳感器的組成部分，但它之后的放大、處理、顯示等電路，則不應包括在傳感器范圍之內。有些傳感器，轉換元件不止一個，要經過若干次轉換，較為復雜，大多數(shù)是開環(huán)系統(tǒng)，也有些是帶反饋的閉環(huán)系統(tǒng)。2.4.3傳感器的分類

按用途分類，傳感器可分為壓敏和力敏傳感器、位置傳感器、液位傳感器、能耗傳感器、速度傳感器、加速度傳感器、射線輻射傳感器、熱敏傳感器。

按原理分類，傳感器可分為振動傳感器、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。按輸出信號分類，傳感器可分為模擬傳感器、數(shù)字傳感器、膺數(shù)字傳感器和開關傳感器：模擬傳感器將被測量的非電學量轉換成模擬電信號；數(shù)字傳感器將被測量的非電學量轉換成數(shù)字輸出信號(包括直接和間接轉換)；膺數(shù)字傳感器將被測量的信號量轉換成頻率信號或短周期信號的輸出(包括直接或間接轉換)；開關傳感器是指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。

按制造工藝分類，傳感器可分為集成傳感器、薄膜傳感器、厚膜傳感器和陶瓷傳感器其分述如下：①集成傳感器用標準的生產硅基半導體集成電路的工藝技術制造，通常還將用于初步處理被測信號的部分電路也集成在同一芯片上。

②薄膜傳感器是通過沉積在介質襯底(基板)上的相應敏感材料的薄膜形成的。使用混合工藝時，同樣可將部分電路制造在此基板上。

③厚膜傳感器是利用相應材料的漿料，涂覆在陶瓷基片上制成的，基片通常是由Al2O3制成的，然后進行熱處理，使厚膜成形。

④陶瓷傳感器采用標準的陶瓷工藝或其某種變種工藝(溶膠、凝膠等)生產。完成適當?shù)念A備性操作之后，將已成形的元件在高溫中進行燒結。厚膜和陶瓷傳感器這兩種工藝之間有許多共同特性，在某些方面，可以認為厚膜工藝是陶瓷工藝的一種變型。每種工藝技術都有自己的優(yōu)點和不足。由于研究、開發(fā)和生產所需的資本投入較低以及傳感器參數(shù)的高穩(wěn)定性等原因，采用陶瓷和厚膜傳感器比較合理。

按測量目分類，傳感器可分為物理型傳感器、化學型傳感器和生物型傳感器：物理型傳感器是利用被測量物質的某些物理性質發(fā)生明顯變化的特性制成的；化學型傳感器是利用能把化學物質的成分、濃度等化學量轉化成電學量的敏感元件制成的；生物型傳感器是利用各種生物或生物物質的特性做成的，用以檢測與識別生物體內化學成分的傳感器。按作用形式分類，傳感器可分為主動型傳感器和被動型傳感器。主動型傳感器又分為作用型和反作用型，此種傳感器對被測對象能發(fā)出一定探測信號，能檢測探測信號在被測對象中所產生的變化或者由探測信號在被測對象中產生某種效應而形成信號。檢測探測信號變化的方式稱為作用型；檢測產生響應而形成信號的方式稱為反作用型。雷達與無線電頻率范圍探測器是作用型實例，而光聲效應分析裝置與激光分析器是反作用型實例。被動型傳感器只是接收被測對象本身產生的信號，如紅外輻射溫度計、紅外攝像裝置等。2.4.4傳感器的主要特性

1.傳感器靜態(tài)特性

傳感器的靜態(tài)特性是指對靜態(tài)的輸入信號，傳感器的輸出量與輸入量之間所具有相互關系。因為這時輸入量和輸出量都和時間無關，所以它們之間的關系，即傳感器的靜態(tài)特性可用一個不含時間變量的代數(shù)方程或以輸入量作為橫坐標，把與其對應的輸出量作為縱坐標而畫出的特性曲線來描述。表征傳感器靜態(tài)特性的主要參數(shù)有線性度、靈敏度、遲滯、重復性、漂移等。

(1)線性度：是指傳感器輸出量與輸入量之間的實際關系曲線偏離擬合直線的程度，定義為在滿量程范圍內實際特性曲線和擬合直線之間的最大偏差值與滿量程輸出值之比。

(2)靈敏度：是指傳感器輸出量的增量與引起該增量的相應輸入量的增量之比。靈敏度是傳感器靜態(tài)特性的一個重要指標。

(3)遲滯：傳感器在輸入量由小到大(正行程)及輸入量由大到小(反行程)變化期間其輸入與輸出特性曲線不重合的現(xiàn)象稱為遲滯。對于同一大小的輸入信號，傳感器的正反行程輸出信號大小不相等，這個差值稱為遲滯差值。

(4)重復性：是指傳感器在輸入量按同一方向進行全量程連續(xù)多次變化時所得的特性曲線不一致的程度。

(5)漂移：是指在傳感器輸入量不變的情況下輸出量隨時間變化的現(xiàn)象。產生漂移的原因有兩個方面：一是傳感器自身結構參數(shù)；二是周圍環(huán)境(如溫度、濕度等)。

(6)分辨力：當傳感器的輸入量從非零值緩慢增加時，在超過某一增量后輸出量發(fā)生可觀測的變化，這個輸入增量稱為傳感器的分辨力，即最小輸入增量。

(7)閾值：當傳感器的輸入從零值開始緩慢增加時，在達到某一值后輸出發(fā)生可觀測的變化，這個輸入值稱為傳感器的閾值電壓。

2.傳感器動態(tài)特性

在實際工作中，傳感器的動態(tài)特性常用它對某些標準輸入信號的響應來表示。這是因為傳感器對標準輸入信號的響應容易用實驗方法求得，并且它對標準輸入信號的響應與它對任意輸入信號的響應之間存在一定的關系，往往知道了前者就能推定后者。為了便于分析和處理傳感器的動態(tài)特性，必須建立數(shù)學模型，用數(shù)學中的邏輯推理和運算方法來研究傳感器的動態(tài)響應。最廣泛使用的數(shù)學模型是線性常系數(shù)微分方程，最常用的標準輸入信號有階躍信號和正弦信號兩種，因此傳感器的動態(tài)特性也常用階躍響應和頻率響應來表示。2.4.5典型傳感器的工作原理

1.熱電阻傳感器原理

電阻式傳感器是指將被測量，如位移、形變、力、加速度、濕度、溫度等這些物理量轉換成電阻值這樣的一種器件。主要有電阻應變式、壓阻式、熱電阻、熱敏、氣敏、濕敏等電阻式傳感器件。

熱電阻傳感器主要是利用電阻值隨溫度變化而變化這一特性來測量溫度及與溫度有關的參數(shù)。在溫度測量精度要求比較高的場合，這種傳感器比較適用。熱電阻大都由純金屬材料制成，目前應用最多的熱電阻材料為鉑、銅、鎳等，它們具有電阻溫度系數(shù)大、線性好、性能穩(wěn)定、使用溫度范圍寬、加工容易等特點。用于測量－200℃～+500℃范圍內的溫度。此外，現(xiàn)在已開始采用鎳、錳和銠等材料制造熱電阻。下面舉例說明鉑電阻(又稱為鉑熱電阻)溫度傳感器的測量原理和特性，恒壓型鉑電阻測溫電路的原理圖如圖2-15所示。圖2-15恒壓型鉑電阻測溫電路的原理圖鉑熱電阻是利用鉑絲的電阻值隨著溫度的變化而變化這一基本原理設計和制作的，按0℃時的電阻值的大小分為10?Ω(分度號為Pt10)鉑熱電阻和100?Ω(分度號為Pt100)鉑熱電阻等，測溫范圍均為－200～850℃。10?Ω鉑熱電阻的感溫元件是用較粗的鉑絲繞制而成的，耐溫性能明顯優(yōu)于100?Ω的鉑熱電阻，主要用于650℃以上的溫區(qū)：100?Ω鉑熱電阻主要用于測量650℃以下的溫區(qū)。100?Ω鉑熱電阻的分辨率比10?Ω鉑熱電阻的分辨率大10倍，對二次儀表的要求相應低一個數(shù)量級，因此在650℃以下溫區(qū)測溫應盡量選用100?Ω的鉑熱電阻。鉑電阻溫度傳感器具有線性阻值與溫度成正比、測量精確度高、穩(wěn)定性好、封裝尺寸小的特性。以HEL-776型號的鉑熱電阻為例，在0℃時的電阻值為100?Ω。鉑熱電阻的阻止與溫度成正比，在－200～850℃之間，鉑熱電阻特性呈線性。其測溫電路的原理圖如圖2-15所示。該電路也是常用的測溫電路之一。電位器W1用于電橋零點調整，電位器W2用于放大倍數(shù)調整。ΔR為鉑電阻Rt的變化量。若Uin為恒定輸入電壓?+12?V，則該電路的輸出電壓Uout為

2.電阻應變式稱重傳感器原理

稱重傳感器是一種能夠將重力轉變?yōu)殡娦盘柕牧?電轉換裝置，是電子衡器的一個關鍵部件。能夠實現(xiàn)力-電轉換的傳感器有多種，常見的有電阻應變式、電磁力式和電容式等。電磁力式主要用于電子天平，電容式主要用于部分電子吊秤，而絕大多數(shù)電子衡器產品所用的還是電阻應變式稱重傳感器。電阻應變式稱重傳感器結構較簡單，準確度高，適用面廣，且能夠在相對比較差的環(huán)境下使用。因此電阻應變式稱重傳感器在電子衡器中得到了廣泛運用。電阻應變片是一種將被測件上的應變量轉換成一種電信號的敏感器件。電阻應變片應用最多的是金屬電阻應變片和半導體應變片兩種。金屬電阻應變片又有絲狀應變片和金屬箔狀應變片兩種，而金屬箔狀的應變片應用較多。圖2-16為電阻應變片的結構示意圖，它由基體材料、金屬應變絲或應變箔片、絕緣保護片和引出線等部分組成。

當基體受力發(fā)生形變時，電阻應變也一起產生形變，使應變片的阻值發(fā)生改變，從而使加在電阻上的電壓發(fā)生變化。這種應變片在受力時產生的阻值變化通常較小，一般這種應變片都組成應變電橋，并通過后續(xù)的儀表放大器進行放大。圖2-16電阻應變片的結構示意圖為了提高測量精度，通常把四片應變片組合成全橋測量電路，圖2-17為電阻應變片全橋測量電路的模型，四個臂R1、R2、R3、R4都用電阻應變片代替。圖2-17電阻應變片全橋測量電路的模型

3.壓阻式傳感器原理

壓阻式傳感器的原理根據(jù)的是半導體材料的壓阻效應(壓阻效應是指半導體材料在受到壓力作用時不僅產生一定量的變形，而且其電阻率會發(fā)生顯著的變化，從而導致其電阻產生改變的物理現(xiàn)象)。硅壓力傳感器就是利用具有壓阻效應的半導體材料制成的敏感元件，將半導體材料的敏感芯片封裝在不銹鋼波紋膜片的殼體中，在不銹鋼波紋膜片與半導體芯片之間填充滿硅油。芯片引線穿過不銹鋼外殼處采取特殊的密封措施，以保證硅油不向外泄漏和外面的壓力介質不滲透到里面去。擴散硅壓阻式壓力傳感器主要由半導體芯片、硅油、外殼和引線等四部分組成。當傳感器處在壓力介質中時，介質的壓力作用于不銹鋼波紋膜片上，使里面的硅油受壓，進而將外面的壓力傳遞給半導體芯片，引起其電阻值發(fā)生改變，通過引線及相應的測量電路就可以將其轉換成電壓或電流輸出，實現(xiàn)非電量的電測化。不銹鋼波紋膜片殼體不僅起到感受外部壓力的作用，而且對半導體芯片能起到很好的保護作用。因此，這種壓力傳感器能在具有腐蝕性的介質中使用。

下面以FSS1500NST型硅壓力傳感器(如圖2-18所示)為例來說明硅壓力傳感器的特性。FSS1500NST型硅壓力傳感器屬于壓阻式壓力傳感器，它具有極低的價格和較高的精度以及較好的線性特性。圖2-18FSS1500NST型硅壓力傳感器

FSS1500NST型硅壓力傳感器的特點如下：

(1)采用表面安裝技術。

(2)最高回流溫度為260℃。

(3)性能穩(wěn)定，封裝合適。

(4)測量精度高。

(5)極低的偏差。

(6)重復性好，使用壽命長，存放溫度在25℃時，可重復使用2000萬次。

(7)輸出信號線性度好。

(8)高的ESD(靜電放電)電壓，數(shù)值為8?kV。

(9)具有信號調節(jié)功能。

4.激光傳感器原理

激光傳感器是一種利用激光技術進行測量的傳感器，它由激光器、激光檢測器和測量電路組成，是新型測量儀表。它的優(yōu)點是能實現(xiàn)無接觸遠距離測量，速度快，精度高，量程大，抗光、電干擾能力強等。

激光傳感器工作時，先由激光發(fā)射二極管對準目標發(fā)射激光脈沖。經目標反射后激光向各方向散射。部分散射光返回到傳感器接收器，被光學系統(tǒng)接收后成像到雪崩光電二極管上。雪崩光電二極管是一種內部具有放大功能的光學傳感器，因此它能檢測極其微弱的光信號，并將其轉化為相應的電信號。利用激光的高方向性、高單色性和高亮度等特點可實現(xiàn)無接觸遠距離測量。激光傳感器常用于長度、距離、振動、速度、方位等物理量的測量，還可用于大氣污染物的監(jiān)測等。激光傳感器一個廣泛的應用就是在激光測距儀上。

激光測距儀無論在軍事應用方面，還是在科學技術和生產建設方而，都起著重要作用。激光測距技術與一般光學測距技術相比，具有操作方便、系統(tǒng)簡單及白天夜晚都可以工作的優(yōu)點。與雷達相比，激光測距具有良好的抗干擾性和較高的精度，而且激光具有良好的抵抗電磁波干擾的能力，尤其在探測距離較長時，激光測距的優(yōu)越性更為明顯。激光測距技術是指利用射向目標的激光脈沖或連續(xù)波激光束測量目標距離的測量技術。激光測距技術按照測程可以分為絕對距離測量法和微位移測量法。按照測距方法細分，絕對距離測距法主要分為脈沖式激光測距和相位式激光測距；微位移測量法主要分為三角法激光測距和干涉法激光測距。脈沖激光測距是通過對激光傳播往返時間差的測量來完成的，測量時由脈沖激光器向目標發(fā)射脈沖光束，經目標反射返回測距儀，其原理框圖如圖2-19所示，由激光來回用時t來確定目標的距離D，即圖2-19脈沖激光測距的原理框圖脈沖激光測距儀一般由脈沖激光器、接收光學系統(tǒng)、控制電路、計時基準脈沖振蕩器、計數(shù)器和顯示器等部分組成，其工作過程為：按下復位按鈕→復位電路給出復位信號使儀器復原→待儀器處于準備測量狀態(tài)→觸發(fā)脈沖激光發(fā)射機→輸出脈沖激光。

5.霍爾傳感器原理

霍爾傳感器是根據(jù)霍爾效應制作的一種磁場傳感器，廣泛地應用于工業(yè)自動化技術、檢測技術及信息處理等方面。霍爾效應是研究半導體材料性能的基本原理。通過霍爾效應實驗測定的霍爾系數(shù)，能夠判斷半導體材料的導電類型、載流子濃度及載流子遷移率等重要參數(shù)。

6.智能傳感器原理

智能傳感器是通過模擬人的感官和大腦的協(xié)調動作，結合長期以來測試技術的研究和實際經驗而提出來的一個相對獨立的智能單元，它的出現(xiàn)對原來硬件性能苛刻要求有所減輕，而依靠軟件幫助可以使傳感器的性能大幅度提高。智能傳感器的功能如下：

(1)信息存儲和傳輸功能。隨著全智能集散控制系統(tǒng)(SmartDistributedSystem)的飛速發(fā)展，對智能傳感器要求具備通信功能，這也是智能傳感器關鍵標志之一。智能傳感器通過測試數(shù)據(jù)傳輸或接收指令來實現(xiàn)各項功能。如增益的設置、補償參數(shù)的設置、內檢參數(shù)設置、測試數(shù)據(jù)輸出等。

(2)自補償和計算功能。多年從事傳感器研制的工程技術人員一直為傳感器的溫度漂移和非線性輸出做了大量的補償工作，但都沒有從根本上解決問題。而智能傳感器的自補償和計算功能為傳感器的溫度漂移和非線性補償開辟了新的道路。這樣，放寬傳感器加工精密度要求，只要能保證傳感器的重復性好，利用微處理器對測試的信號通過軟件計算，采用多次擬合和差值計算方法對漂移和非線性進行補償，從而能獲得較精確的測量結果。

(3)自檢、自校、自診斷功能。普通傳感器需要定期檢驗和標定，以保證它在正常使用時足夠的準確度，這些工作一般要求將傳感器從使用現(xiàn)場拆卸送到實驗室或檢驗部門進行。對于在線測量傳感器出現(xiàn)異常則不能及時診斷。采用智能傳感器情況則大有改觀，首先自診斷功能在電源接通時進行自檢，診斷測試以確定組件有無故障。其次根據(jù)使用時間可以在線進行校正，微處理器利用存在EPROM內部的計量特性數(shù)據(jù)進行對比校對。

(4)復合敏感功能。觀察周圍的自然現(xiàn)象，常見的信號有聲、光、電、熱、力、化學等。敏感元件測量一般通過兩種方式：直接和間接的測量。而智能傳感器具有復合功能，能夠同時測量多種物理量和化學量，給出能夠較全面反映物質運動規(guī)律的信息。

7.光敏傳感器原理

光敏傳感器是最常見的傳感器之一，它的種類繁多，主要包括光電管、光電倍增管、光敏電阻、光敏三極管、太陽能電池、紅外線傳感器、紫外線傳感器、光纖式光電傳感器、色彩傳感器、CCD和CMOS圖像傳感器等。它的敏感波長在可見光波長附近，包括紅外線波長和紫外線波長。光敏傳感器不只局限于對光的探測，它還可以作為探測元件組成其他傳感器，對許多非電量進行檢測，只要將這些非電量轉換為光信號的變化即可。光敏傳感器是目前產量最多、應用最廣的傳感器之一，它在自動控制和非電量電測技術引中占有非常重要的地位。最簡單的光敏傳感器是光敏電阻，當光子沖擊接合處就會產生電流。

8.生物傳感器原理

生物傳感器的產生是用生物活性材料(如酶、蛋白質、DNA、抗體、抗原、生物膜等)與物理化學換能器有機結合的一門交叉學科，它是發(fā)展生物技術必不可少的一種先進的檢測方法與監(jiān)控方法，也是物質分子水平的快速、微量分析方法。各種生物傳感器有以下共同的結構：包括一種或數(shù)種相關生物活性材料(生物膜)及能把生物活性表達的信號轉換為電信號的物理或化學換能器(傳感器)，二者組合在一起，用現(xiàn)代微電子和自動化儀表技術進行生物信號的再加工，構成各種可以使用的生物傳感器分析裝置、儀器和系統(tǒng)。生物傳感器的分類如下：

(1)按照其感受器中所采用的生命物質分類，生物傳感器可分為微生物傳感器、免疫傳感器、組織傳感器、細胞傳感器、酶傳感器和DNA傳感器等。

(2)按照傳感器器件檢測的原理分類，生物傳感器可分為熱敏生物傳感器、場效應管生物傳感器、壓電生物傳感器、光學生物傳感器、聲波道生物傳感器、酶電極生物傳感器和介體生物傳感器等。

(3)按照生物敏感物質相互作用的類型分類，生物傳感器可分為親和型和代謝型兩種。

9.視覺傳感器原理

視覺傳感器具有從一整幅圖像捕獲光線的數(shù)以千計的像素。圖像的清晰和細膩程度通常用分辨率來衡量，以像素數(shù)量表示。

在捕獲圖像之后，視覺傳感器將其與內存中存儲的基準圖像進行比較，以做分析。例如，若視覺傳感器被設定為辨別正確地插有8顆螺栓的機器部件，則傳感器知道應該拒收只有7顆螺栓的部件或者螺栓未對準的部件。此外，無論該機器部件位于視場中的哪個位置，也無論該部件是否在360°范圍內旋轉，視覺傳感器都能做出判斷。視覺傳感器的低成本和易用性已吸引機器設計師和工藝工程師將其集成入各類曾經依賴人工、多個光電傳感器或根本不檢驗的應用。視覺傳感器的工業(yè)應用包括檢驗、計量、測量、定向、瑕疵檢測和分揀。例如，在汽車組裝廠，檢驗由機器人涂抹到車門邊框的膠珠是否連續(xù)、是否有正確的寬度；在瓶裝廠，校驗瓶蓋是否正確密封、灌裝液位是否正確，以及在封蓋之前沒有異物掉入瓶中；在包裝生產線上，確保在正確的位置粘貼正確的包裝標簽；在藥品包裝生產線上，檢驗阿司匹林藥片的泡罩式包裝中是否有破損或缺失的藥片；在金屬沖壓公司，以每分鐘超過150片的速度檢驗沖壓部件，比人工檢驗快13倍以上。

10.位移傳感器原理

位移傳感器又稱為線性傳感器，它將位移轉換為電量。位移傳感器是一種屬于金屬感應的線性器件，傳感器的作用是把各種被測物理量(如壓力、流量、加速度等)先變換為位移，然后再將位移變換成電量。它可分為電感式位移傳感器、電容式位移傳感器、光電式位移傳感器、超聲波式位移傳感器和霍爾式位移傳感器。

11.壓力傳感器原理

壓力傳感器是工業(yè)實踐中最為常用的一種傳感器，其廣泛應用于各種工業(yè)自控環(huán)境，涉及水利水電、鐵路交通、智能建筑、生產自控、航空航天、軍工、石化、油井、電力、船舶、機床、管道等眾多行業(yè)。

12.超聲波測距離傳感器原理

超聲波測距離傳感器采用超聲波回波測距原理，運用精確的時差測量技術，檢測傳感器與目標物之間的距離，采用小角度，小盲區(qū)超聲波傳感器，具有測量準確、無接觸、防水、防腐蝕、低成本等優(yōu)點，可應于液位、物位檢測，特有的液位、料位檢測方式，可保證在液面有泡沫或大的晃動，不易檢測到回波的情況下有穩(wěn)定的輸出，應用行業(yè)包括液位、物位、料位檢測，工業(yè)過程控制等。

13.酸、堿、鹽濃度傳感器原理

酸、堿、鹽濃度傳感器通過測量溶液電導值來確定濃度。它可以在線連續(xù)檢測工業(yè)過程中酸、堿、鹽在水溶液中的濃度含量。這種傳感器主要應用于鍋爐給水處理、化工溶液的配制以及環(huán)保等工業(yè)生產過程。酸、堿、鹽濃度傳感器的工作原理是：在一定的范圍內，酸堿溶液的濃度與其電導率的大小成比例。因而，只要測出溶液電導率的大小變可得知酸堿溶液濃度的高低。當被測溶液流入專用電導池時，如果忽略電極極化和分布電容，則可以等效為一個純電阻。在有恒壓交變電流流過時，其輸出電流與電導率是線性關系，而電導率又與溶液中酸、堿濃度成比例關系。因此只要測出溶液電流，便可算出酸、堿、鹽溶液的濃度。

酸、堿、鹽濃度傳感器主要由電導池、電子模塊、顯示表頭和殼體組成。電子模塊電路則由激勵電源、電導放大器、相敏整流器、解調器、溫度補償、過載保護和電流轉換等單元組成。2.4.6傳感器技術及產業(yè)特點

1.基礎、應用兩頭依附

基礎依附是指傳感器技術的發(fā)展依附于敏感機理、敏感材料、工藝設備和計測技術這四塊基石。敏感機理千差萬別，敏感材料多種多樣，工藝設備各不相同，計測技術大相徑庭，沒有上述四塊基石的支撐，傳感器技術難以為繼。

應用依附是指傳感器技術基本上屬于應用技術，其市場開發(fā)多依賴于檢測裝置和自動控制系統(tǒng)的應用，才能真正體現(xiàn)出它的高附加效益并形成現(xiàn)實市場。即發(fā)展傳感器技術要以市場為導向，實行需求牽引。

2.技術投資兩個密集

技術密集是指傳感器在研制和制造過程中技術的多樣性、邊緣性、綜合性和技藝性。它是多種高技術的集合產物。由于技術密集也自然要求人才密集。

投資密集是指研究開發(fā)和生產某一種傳感器產品要求一定的投資力度，尤其是在工程化研究以及建立規(guī)模經濟生產線時，更要求較大的投資。

3.產品、產業(yè)兩大分散

產品結構和產業(yè)結構的兩大分散是指傳感器產品門類品種繁多(共10大類、42小類近6000個品種)，其應用滲透到各個產業(yè)部門，它的發(fā)展既有各產業(yè)發(fā)展的推動力，又強烈地依賴于各產業(yè)的支撐作用。只有按照市場需求，不斷調整產業(yè)結構和產品結構，才能實現(xiàn)傳感器產業(yè)的全面、協(xié)調、可持續(xù)發(fā)展。

傳感器不僅促進了傳統(tǒng)產業(yè)的改造和更新?lián)Q代，還可建立新型工業(yè)，已成為21世紀新的經濟增長點。 2.5無線傳感器網絡

2.5.1無線傳感器網絡的發(fā)展

無線傳感器網絡(WSN)的基本思想起源于20世紀70年代，開始主要是軍事國防項目，隨著半導體技術、微系統(tǒng)技術、通信技術、