常用物联网传感器技术

常用物联网传感器技术
作者：徐延军
来源：《武汉科技报·科教论坛》2013年第10期
【摘要】本文在简要介绍了物流和供应链的概念的基础上，重点阐述了物联网传感器技术中的射频标签、光纤传感器和智能传感器的技术原理、种类特点和主要应用。

【关键词】物流；传感器；物联网
2001 年8 月 1日正式颁布实施的《中华人民共和国国家标准·物流术语》（GB/T18345-2001 ）对“物流” 是这样界定的：“物流是指物品从供应地向接受地的实体流动过程。

根据实际需要，将运输、储存、装卸、搬运、包装、流通加工、配送、信息处理等基本功能实施有机结合”。

供应链是近年来逐渐发展起来的一种新的物流运作模式，是围绕核心企业，通过对信息流、物流、资金流的控制，从采购原材料开始，制成中间产品以及最终产品，最后由销售网络把产品送到消费者手中的将供应商、制造商、分销商、零售商直到最终用户连成一个整体的功能网链结构模式。

在整个物流体系中，各类传感器技术是基础，物资的状态、地理等信息都依赖传感器技术。

一、电子标签（RFID）
射频识别技术在低频段基于变压器耦合模型，在高频段基于雷达探测目标的空间耦合模型。

1948年哈里斯托克曼发表的“利用反射功率的通信”奠定了射频识别技术的理论基础。

RFID技术的基本工作原是：标签进入磁场后，接收解读器发出的射频信号，凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息，或者由标签主动发送某一频率的信号，解读器读取信息并解码后，送至中央信息系统进行有关数据处理。

一套完整的RFID系统由阅读器（Reader）与电子标签（TAG）及应用软件系统三个部份所组成。

按照能量耦合方式可分为：感应耦合及后向散射耦合两种。

一般低频的RFID大都采用第一种式，而较高频大多采用第二种方式。

射频识别系统最重要的优点是非接触识别，它能穿透雪、雾、冰、涂料、尘垢和条形码无法使用的恶劣环境阅读标签，并且阅读速度极快，大多数情况下不到100毫秒。

有源式射频识别系统的速写能力也是重要的优点。

可用于流程跟踪和维修跟踪等交互式业务。

（一）RFID种类及应用
RFID技术中所衍生的产品大概有三大类：无源RFID产品、有源RFID产品、半有源RFID产品。

无源RFID产品发展最早，常见的应用有：公交卡、食堂餐卡、银行卡、宾馆门禁卡、二代身份证等，属于近距离接触式识别类。

其产品的主要工作频率有低频125KHZ、高频
13.56MHZ、超高频433MHZ，超高频915MHZ。

有源RFID产品，是最近几年慢慢发展起来的，其远距离自动识别的特性，决定了其巨大的应用空间和市场潜质。

在远距离自动识别领域，如智能监狱，智能医院，智能停车场，智能交通，智慧城市，智慧地球及物联网等领域有重大应用。

有源RFID在这个领域异军突起，属于远距离自动识别类。

产品主要工作频率有超高频915MHZ，微波2.45GHZ。

半有源RFID产品，结合有源RFID产品及无源RFID产品的优势，在低频125KHZ频率的触发下，让微波2.45G发挥优势。

半有源RFID技术，也可以叫做低频激活触发技术，利用低频近距离精确定位，微波远距离识别和上传数据，来解决单纯的有源RFID和无源RFID没有办法实现的功能。

简单的说，就是近距离激活定位，远距离识别及上传数据。

（二）超高频标签存在问题
制约射频识别系统发展的主要问题是不兼容的标准。

射频识别系统的主要厂商提供的都是专用系统，导致不同的应用和不同的行业采用不同厂商的频率和协议标准，这种混乱和割据的状况已经制约了整个射频识别行业的增长。

归纳起来有3方面的因素。

1.技术不完善。

在无源超高频电子标签技术上还存在着系统集成稳定性差、超高频标签性能本身有一些物理缺陷等许多技术方面不完善的问题。

主要体现在存在着标签读写性能稳定性不高、在复杂环境下漏读或读取准确率低等，这造成应用系统的稳定性不高，常会出现“大毛病没有，小毛病不断”的现象，进而影响了终端用户采用超高频应用方案的信心。

2.标准不统一。

无源超高频电子标签在国内尚无形成统一的标准，国际上制定的
ISO18000-6C/EPCClass1Gen2协议，由于涉及多项专利，如果把它作为国家标准来颁布和实施，会增加标签成本。

国内超高频市场上相关的标准及检测体系实际上是处于缺位状态。

在没有统一标准的环境下，十分制约产业和应用的发展。

3.成本瓶颈。

尽管近两年来，无源超高频电子标签价格下降很快，但是从RFID芯片以及包含读写器、电子标签、中间件、系统维护等整体成本而言，超高频RFID系统价格依然偏高，而项目成本是应用超高频RFID系统最终用户权衡项目投资收益的重要指标。

所以，超高频系统的成本瓶颈，也是制约中国超高频市场发展的重要因素。

（三）发展趋势
物联网已被确定为中国战略性新兴产业之一，《物联网“十二五”发展规划》的出台，无疑给正在发展的中国物联网又吹来一股强劲的东风，而RFID技术作为物联网发展的最关键技术，其应用市场必将随着物联网的发展而扩大。

根据市场调研机构的调查结果，到2010年，全球RFID标签的生产数量将达到330亿，是2005年13亿产量的25倍以上，RFID在未来几年的应用会随着产业不同而有很大差异。

而根据分析师的预测，未来RFID将主要应用在供应链管理等物流领域，而这个市场将成为RFID 市场的重头戏。

二、新型集成传感器
国家标准GB7665—87对传感器的定义是：“能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。

传感器，是人的五官功能的扩展和延伸，能够将各种外界信号变换成可以直接测量的信号。

应用于物联网的新型传感器有光线传感器、生物传感器和智能传感器技术。

（一）光纤传感器
光纤传感器一般可分为两大类：一类是功能型传感器，又称FF型光纤传感器；另一类是非功能传感器，又NF型光纤传感器。

前者是利用光纤本身的特性，把光纤作为敏感元件，所以又称传感型光纤传感器；后者是利用其他敏感元件感受被测量的变化，光纤仅作为光的传输介质，用以传输来自远处或难以接近场所的光信号，因此，也称传光型光纤传感器。

光纤传感器能用于很多环境恶劣的场合，诸如化工物品监测等，具有很多的优点，是对以电为基础的传统传感器的革命性变革，发展前景是极其光明的。

但是，目前光纤传感器的成本较高，存在与传统传感器和其他新型传感器的竞争问题。

（二）生物传感器
生物传感器（Biosensor）是利用某些生物活性物质所具有的高度选择性，来识别待测生物化学物质的一类传感器。

生物传感器是近年来出现的一类新型传感器。

生物传感器的结构一般是在基础传感器上耦合一个生物敏感膜。

生物敏感膜是利用生物体内具有奇特功能的物质制成的膜，与被测物质接触时伴有物理、化学变化的生化反应，可以进行分子识别。

生物敏感膜是生物传感器的关键元件，直接决定着传感器的功能与质量。

生物敏感膜紧贴在探头表面上，再用一种半渗透膜与被测溶液隔开。

当待测溶液中的成分透过半透膜有选择地附着于敏感物质时，形成复合体，随之进行生化和电化学反应，产生普通电化学装置能感知的O2、H2、NH4+、CO2等，并通过电化学装置转换为电信号。

根据采用的生物本省的特性，生物传感器可以分为微生物传感器、免疫传感器、生物组织传感器、半导体生物传感器等。

实际运用中，生物传感器可用于生化武器的检测和监控。

借助于生物传感器网络可以及早发现己方阵地上的生、化污染，不派人员就可以获取一些核、生、化爆炸现场的详细数据，可将危险的物品、场所纳入物联网系统，这能更加体现物联网的应用价值。

（三）智能传感器
智能传感器是引入了嵌入式微处理器并扩展了传感器功能，从而具备了人的某些智能的新概念传感器。

智能传感器集成了一种或多种信号感应能力，能够完成对信号的探测、变换、逻辑判断、功能计算，能实现内部自检测、自诊断、自校正、自补偿，且能与其他系统实现单向或双向通信。

智能传感器的功能主要包括复合敏感功能、自补偿和计算功能、自检测、自校正、自诊断功能以及信息存储和数据传输功能。

“智能”体现在可以独立完成原始信号的相关处理和自组织的信号传输，能够同时测量声、光、电、热、力、化学等多个物理和化学量，给出比较全面反映物质运动规律的信息；自动实现温度漂移补偿、非线性补偿、零位补偿和间接量计算。

智能传感器的所有处理都有嵌入式的软件实现，是智能传感器技术的关键之一。

随着物联网的深入应用，用以各类事物状态感知的新型传感器会不断出现，这些传感器会深入到每个行业、各个领域，甚至会延伸至我们的大脑。

在每种新型传感器普及使用之前，我们需要在技术的安全性、耐用性等方面需要做更多更深入的研究。

参考文献：
[1]工信部.物联网发展十二五规划[S].
[2]传感器的主要作用及工作原理[DB＼OL].电气自动化技术网，2011，06.
[3]光纤光栅传感器的应用[DB＼OL].亚太光缆管网，2013.01.。