第2章 物联网在城乡建设领域的关键技术
2.1 感知技术
2.1.1 基本概念
物联网的感知层，主要研究的是关于从物理世界获取环境信息，并对其进行识别和处置的一门多学科交叉的现代科学与工程技术。
感知功能是构建整个物联网的基础，感知层由基本的感应器件（如RFID、传感器、摄像头、GPS等基本标识和传感器件组成）及感应器组成的网络（如传感器网络，包括NB-IoT、Wi-Fi、ZigBee等）两大部分组成。
感知层的关键技术和设备包括传感器和RFID[4]。
1.传感器
1）传感器的作用
传感器是物联网中获取信息的核心设备，它利用各种机制把被测信号按照一定规律转换为电信号，然后使用相应的信号处理装置进行处理。常见的传感器包括光敏传感器、声敏传感器、气敏传感器、化学传感器、温敏传感器等。
2）传感器的分类
传感器的种类众多，不同类型的传感器往往可以用来测量同一种被测体，而同一原理的传感器又可测量多种物理量，因此传感器有多种分类方法。
按被测量分类，可以分为机械量传感器（测量位移、力、速度、加速度等）、热工量传感器（测量温度、热量、压力、液位等）、物性参量传感器（测量酸碱度、浓度、黏度等）和状态参量传感器（测量裂纹、磨损等）。
按测量原理分类，可以分为电阻式、电容式、电感式、光电式、压电式、磁电式、激光、光纤、超声波等传感器。
按信号变换特征分类，可以分为结构型传感器和物性型传感器。结构型传感器通过改变传感器结构参量来实现信号的变换，如电容式传感器的容量随电极间距的变化而变化；物性型传感器是通过改变传感器原材料本身的物理性质来实现信号的变换的，如生活中常见的水银温度计，通过水银热胀冷缩的物理特性来测量温度。
按能量关系分类，可以分为能量转换型传感器和能量控制型传感器。能量转换型传感器直接由被测对象输入能量推动其工作，又称为有源传感器，如光电池、热电偶等；能量控制型传感器利用外部获取的能量推动其工作，又称为无源传感器，由外部提供激励源，如电感式、电阻式传感器等。
按工作原理分类，可以分为多种传感器，如电学式传感器、磁学式传感器、光电式传感器、电势型传感器、电荷传感器、半导体传感器、谐振式传感器、电化学式传感器。电学式传感器常用的有电阻式传感器、电容式传感器、电感式传感器、磁电式传感器及电涡流式传感器等，是应用范围较广的一种传感器；磁学式传感器主要是利用磁铁物质的一些物理效应制成的，适用于位移、转矩等参数的测量；光电式传感器利用光电器件的光学原理和光电效应制成，在非电量电测及自动控制技术中占有重要的地位，适用于位移、光强、浓度、光通量等参数的测量；电势型传感器利用光电效应、热电效应、霍尔效应等原理制成，适用于温度、速度、光强、热辐射等参数的测量；电荷传感器基于压电效应原理制成，适用于力及加速度的测量；半导体传感器基于半导体的压阻效应、磁电效应、内光电效应、半导体与气体接触产生物质变化等原理制成，适用于温度、压力、湿度、磁场、加速度和有害气体的测量；谐振式传感器基于改变机械或电的固定参数来改变谐振频率的原理制成，适用于压力测量；电化学式传感器是在离子导电基础上制成的，按照其电特性的形成不同，电化学传感器可分为电位式传感器、电量式传感器、电导式传感器、电解式传感器和极谱式传感器等。
3）常用传感器
物联网在不同行业应用中有不同的需求，需要采集不同类型的参数，以农业物联网中常用的传感器为例，主要有以下几种。
监测大气环境的温湿度传感器、光照度传感器、CO2传感器、O2传感器、降雨量传感器、风力风向传感器；监测土壤环境的土壤湿度传感器、土壤pH值传感器、土壤墒情传感器；监测水环境的pH值传感器、浊度传感器、氨氮传感器、液压仪传感器、液位仪传感器、流速计传感器等。
2.RFID
RFID的全称是无线射频识别，又称为电子标签。RFID技术由雷达技术衍生而来，是一种非接触式的自动识别技术，可以通过射频电信号识别目标对象并获取相关数据，该技术主要用来为物联网中各物品建立唯一的身份标志。
20世纪90年代，RFID技术在多个领域得到了广泛发展，其基本原理是利用射频信号和空间耦合（电感耦合或电磁反向散射耦合）或雷达反射的传输特性，实现被识别物体的自动识别。RFID是一种基于无线电波的非接触式信息快速交换与存储技术，通过无线通信结合数据访问技术，实现了非接触式的双向通信，从而达到识别的目的，识别工作适应于各种恶劣环境，无须人工干预。RFID技术可识别高速移动的物体，也可同时识别多个标签，操作和使用便捷。RFID技术从诞生到落地，为各类产品提供了技术支持，如感应式电子晶片、感应卡、非接触卡、电子标签、条形码等。
电子标签（RFID）网络系统由标签、RFID阅读器、数据传输和处理系统3个部分组成[6]。
1）标签（Tag/Electric Signature）
标签也被称为智能标签或电子标签，由耦合元件和芯片组成，芯片中存有可以识别目标的信息。标签具有持久性、信息接收与传播穿透性强、存储容量大、种类繁多等特点。有些标签支持读与写功能，目标物体的信息可以随时被更新。
2）RFID阅读器
在射频识别系统中，根据标签是否可以无线改写数据，RFID阅读器又被称为读出装置、通信器、扫描器、阅读器。
RFID阅读器通过天线与标签进行无线通信，可以实现对标签识别码和内存数据的读出或写入操作。
3）数据传输和处理系统
阅读器和应答器耦合的方式有多种，应用较为广泛的是电感耦合，阅读器和应答器天线部分的电感线圈通过电磁场进行信息传输[7]。
2.1.2 技术发展及应用发展趋势
近年来，感知领域的技术及应用发展呈现趋势如下。
1.传感技术不断取得进步
当前传感器与新型电子技术、集成技术，如MEMS（微机电系统）的结合，已成为当前传感器领域关注的新趋势。利用这种结合，可以在极小的空间中实现电源、通信、信号收集处理等复杂的功能，如iPhone手机中同时装有麦克风、电子快门、陀螺仪等多个MEMS传感器。
除了与微机电系统结合，传感器还结合仿生信息学创新出诸多应用，如法国研制出的视觉晶片，可以模仿人类眼睛的视觉能力，具有快速、灵活、高效的图像处理能力。奔腾处理器每秒可以处理数百万项指令，而这种视觉晶片每秒可以处理约200亿项指令。这种仿生视觉晶片将带来感测与成像的革命，将在国防领域得到广泛的应用。
随着CAD技术、MEMS技术、信息理论及数据分析算法的发展，新一代的传感器系统必将朝着微小型化、多功能化、智能化和高带宽无线网络化的方向发展。
2.行业领域应用取得突破
当前，传感器广泛应用在资源探测、环境监测、医疗诊断、家用电器、安全保卫、农业现代化、军事等领域。
例如，在军事领域，美国为F-22战机装备了新型的多谱传感器，实现了全被动式搜索与跟踪，提高了战机的性能与作战能力，可在各种恶劣天气（如大雾、烟、暴雨等）下使用，不仅可以全天候作战，还提高了隐身能力。英国在航天飞机上使用了上百种传感器，装配总数达到4000多个，用于航天器的信息监测，验证设计的正确性，并可以及时地诊断遇到的问题。日本通过“雷达4号”卫星传感器，24小时对地面目标进行拍摄。
在民用领域，汽车行业是物联传感技术应用最为广泛和成熟的行业之一，以奥迪、特斯拉为代表的汽车企业，其传感器应用数量、水平和能力都达到了很高的水平，而随着车联网的需求，谷歌等公司对于无人驾驶技术的研究必将产生新的突破。在汽车行业之外，其他行业对于传感器的使用也日渐普及。
在工业领域，工业4.0等概念的提出，为工业互联网、工业大数据、智能制造指明了方向，而传感技术就是这些发展方向的内容和基础。