資源簡介

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第二章 信息系統的支撐技術
2.4 傳感與控制
學習目標
通過分析物聯網應用實例，了解信息系統與外部世界的連接方式。
了解常見的傳感與控制機制，認識常用的傳感器及作用。
通過分析具體信息系統實例，了解傳感器獲取外界信息的過程。
信息系統
外部世界
以人為中介
傳感技術、控制技術
新課講授
知識點2.4.1：信息系統與外部世界的聯系
(1)聯系
在由傳感與控制技術支持的信息系統中，__________負責將采集到的外部世界的各種信息輸入到信息系統；__________則實現信息系統對外部世界的直接控制。
傳感技術
控制技術
(2)舉例說明
①天網監控系統：各大城市設置的“天網監控系統”利用安裝在大街小巷的大量攝像頭組成了監控網絡，在此系統中，攝像頭作為采集圖像信息的圖像傳感器起到了關鍵的作用。
例1變式訓練 關于“天網監控系統”，說法錯誤的是 （ ）
A.在此系統中，攝像頭是采集圖像信息的圖像傳感器
B.此系統還具有人臉識別功能
C.天網監控系統只運用了傳感技術
D.該系統的運行需要借助與外界的聯系
C
解析：天網監控系統同時運用了傳感與控制技術。設置監控畫面顯示、錄像回放、監控計劃等功能。
②火車站的閘機：12306火車售票系統啟用以后，在越來越多的高鐵站，人們直接刷二代身份證就可完成檢票、通過閘機。
③微信智能鎖和QQ物聯功能：微信智能鎖是微信的衍生產品，可以通過微信遠程智能控制門鎖的開與關；“QQ物聯智能硬件開放平臺”發布，將QQ賬號體系、好友關系鏈及QQ消息通道能力等核心能力，提供給可穿戴設備、智能家居、智能車載、傳統硬件等領域的合作伙伴，實現用戶與設備以及設備與設備之間的互聯、互通、互動。
知識點2.4.2：常見的傳感器技術
(1)傳感器的作用及組成：信息系統可以通過__________自動獲取外部信息(例如溫度、指紋、聲音、人臉等)。傳感器負責將采集到的外部信息輸入到信息系統。傳感器屬于信息輸入設備，一般由__________、__________、______________三部分組成。
①敏感元件：感受(或響應)和檢出被測對象的待測信息（物理量）。
②轉換元件：將敏感元件所感受(或響應)的信息直接轉換成有用信號(一般為電信號)。
③其他輔助元件：主要包括___________________（對電信號進行放大調制）_及其所需的______（供電）。
傳感技術
敏感元件
轉換元件
其他輔助元件
信號調節與轉換電路
電源
例2 下列選項中，不屬于傳感器的一般組成的是 （ ）
A.敏感元件
B.轉換元件
C.其他輔助元件
D.控制元件
D
解析：傳感器屬于信息輸入設備，一般由敏感元件、轉換元件、其他輔助元件三部分組成。
(2)傳感器的分類：根據基本感知功能的不同，通常把傳感器分為______、______、______、______、______、______、______、______和______等傳感器。傳感器與人類感覺器官的類比如下：
熱敏
光敏
氣敏
力敏
磁敏
濕敏
聲敏
色敏
味敏
傳感器名稱 人類感覺 人類器官
光敏傳感器 視覺 眼睛
聲敏傳感器 聽覺 耳朵
氣敏傳感器 嗅覺 鼻子
味敏傳感器 味覺 舌頭
壓敏傳感器 觸覺 皮膚
熱敏傳感器 觸覺 皮膚
(3)傳感器的功能：
①傳感器在智能手機中的應用
光線傳感器：自動調節屏幕背光的亮度。
距離傳感器：檢測手機是否貼在耳朵上正在打電話，以便自動調暗屏幕達到省電的目的。
重力傳感器：實現手機橫豎屏智能切換、拍照照片朝向切換。
加速度傳感器：實現計步功能。
指紋傳感器：實現加密、解鎖、電子支付等功能。
霍爾傳感器：實現翻蓋自動解鎖、合蓋自動鎖屏等功能。
(3)傳感器的功能：
②同一種傳感器采用不同的算法，還可以實現不同的功能
如智能手環中的加速度傳感器：實現計步功能；監測用戶的睡眠狀況。
磁場傳感器：制作電子指南針；制作電子金屬探測器。
③傳感器技術也在不斷發展
光學心率傳感器：用于檢測用戶的心率。
皮電反應傳感器：可以更準確地監測用戶的運動狀態。
例2變式訓練 電梯可以檢測到門外是否有人進入，從而準確地控制電梯門是否關閉到位，是因為電梯安裝了 （ ）
A.紅外傳感器和位置傳感器
B.紅外傳感器和指紋傳感器
C.距離傳感器和溫度傳感器
D.壓敏傳感器和聲音傳感器
A
解析：檢測電梯門間是否有人進出，運用了紅外光電傳感器，當人進出時，上方發出的紅外線被遮擋，下方無法接收到紅外線；控制電梯門是否關閉到位，則使用到了行程開關(位置傳感器)。
知識點2.4.3：傳感器信息的獲取
(1)概念：
傳感器獲得信息以后，信息系統需要獲取這些信息，然后對信息進行加工處理以實現信息系統的既定功能。
(2)方式：
信息系統要從傳感器獲取信息，可以采用多種通信方式，如無線網絡、藍牙、串口(COM接口)等。傳統的計算機一般沒有傳感器的接口，需要借助其他具備傳感器接口的智能終端來實現信息的獲取。而計算機和智能終端的通信一般采用COM接口或通過USB接口模擬COM接口來實現。
DOUT是數字輸出引腳,用于輸出數字信號。AOUT是模擬輸出引腳,用于輸出模擬信號。
例3變式訓練 下列關于傳感器信息的獲取，說法正確的是 （ ）
A.傳統的計算機一般通過傳感器的接口來實現信息的獲取
B.串口的通信線路較復雜，需要傳輸線來實現雙向通信
C.信息系統要從傳感器獲取信息只能采用一種通信方式
D.計算機和智能終端的通信可以通過COM接口來實現
D
解析：
傳統的計算機一般沒有傳感器的接口，需要借助于其他具備傳感器接口的智能終端來實現信息的獲取；
串口的特點是通信線路簡單，只要一對傳輸線就可以實現雙向通信；信息系統要從傳感器獲取信息，可以采用多種通信方式，如無線網絡、藍牙、串口(COM接口)等。
(1)舉例：
選擇micro：bit設備作為采集傳感器數據的智能終端，通過Python編程，獲取溫度傳感器的信息。
器材清單：
①micro：bit
②USB連接線
操作步驟：
①通過USB連接線將micro：bit接到計算機，并安裝串口驅動。
②編寫程序，獲取環境數據。
打開micro：bit的離線版IDE程序BXY Python Editor(簡稱BXY)。輸入代碼，單擊“燒錄”按鈕，micro：bit開發板上的LED開始閃爍。等到閃爍停止，表示程序上傳成功。
③通過串口調試工具，查看串口數據。
單擊BXY的“串口”按鈕，就能看到micro：bit發送的溫度傳感器數據。這些數據就是溫度傳感器檢測到的當前芯片溫度。向micro：bit呵氣或者吹熱風，會發現數據發生變化。
例3 打開micro：bit的離線版IDE程序BXY，輸入以下代碼。下列選項關于這段信息編碼的說法，錯誤的是 （ ）
A.temperature()指讀取開發板上自帶的溫度傳感器
B.sleep (200)表示該程序延時200毫秒
C.sleep (200)表示該程序200毫秒后停止
D.micro：bit可以通過串口輸出檢測到的溫度值
C
解析：sleep (200)表示延時200毫秒。這段代碼的作用是讓micro：bit每隔200毫秒通過串口輸出檢測到的溫度值。
④編寫Python代碼，讀取串口數據并顯示。
首先需要導入Python的serial庫，將波特率設置為115200。
import serial
ser＝serial.Serial()
#設置通信波特率，需要與micro：bit中設定的通信速率一致
ser.baudrate＝115200
#設置串口號
ser.port＝'COM3'
ser.open()
while True：
print(ser.readline())
運行這段代碼，即可看到Python的Shell窗口中不斷輸出串口的數據。
適當修改代碼，可以將從串口獲取的數據保存到文本文件中，便于后期分析。
import serial
ser＝serial.Serial()
ser.baudrate＝115200
ser.port＝'COM3'
ser.open()
f＝open('microbit.txt'，'wb')
a＝20
while a>0：
a－＝1
line＝ser.readline()
f.write(line)
print(line)
f.close()
ser.close()
其中“f＝ open('microbit.txt', 'wb')”表示創建一個名為microbit.txt的文本文件，wb表示用二進制寫入。
例5 某創客小組模擬設計了貨物裝箱控制系統。使用智能終端連接傳感器，
檢測裝滿一箱后傳感器反饋值為1，否則值為0，當裝完n箱時，則關閉輸送帶。
實現上述功能的Python 程序代碼如下：
n＝100；sumn＝0　　#①處
pin14.write_digital(1)　　#打開輸送帶控制開關
while True：
d＝pin2.read_digital()　　#返回裝箱狀態
if d＝＝1：　　#②處
sumn＝sumn＋1
if sumn＝＝n：
pin14.write_digital(0)　　#關閉輸送帶控制開關
break
sleep(1000)　　#等待 1 秒
下列關于上述代碼及系統功能描述不正確的是(　　)
A.智能終端pin14引腳連接了執行器
B.智能終端pin2引腳連接了傳感器
C.若將程序②處代碼中的 d＝＝1 修改為 d！＝0，則該系統的功能發生變化
D.若將程序①處代碼中的 n＝100 修改為 n＝200，則輸送帶連續運行的時間會變長
C
例5變式訓練 利用micro：bit和傳感器等設備實現一個智能翻蓋的垃圾桶，
當距離傳感器檢測到距離小于閾值后，啟動舵機進行翻轉實現翻蓋，為了防
止舵機頻繁啟動，設置延遲5 s。實現的Python部分程序代碼如下所示：
from microbit import *
import Servo　　　　 #添加舵機包文件
sv＝Servo(pin0)
while True：
dis＝round(pin1.read_analog()/1024*330，1)
if dis <20：
dis＝20
elif 20<＝dis<＝30：
sv.angle(90) #①控制舵機轉到 90度
　　 ____②____
else：
sv.angle(0)
sleep(500)
下列說法正確的是(　　)
A.連接舵機的引腳為pin1，連接距離傳感器的引腳為pin0
B.當距離dis一直小于20時，會每隔一段時間執行①處語句
C.程序劃線②處代碼應為sleep(500)
D.語句sv.angle(0)控制舵機實現距離超過某個值后閉蓋
D
知識點2.4.4：射頻識別技術
1.射頻識別技術概述：
(1)射頻識別：又稱無線射頻識別(簡稱RFID)，屬于通信技術的范疇，可通過無線電訊號識別特定目標并讀寫相關數據，而無須在特定目標與識別系統之間建立機械或光學接觸。同時，從信息采集的角度來看，射頻識別技術也屬于傳感器技術。
(2)射頻：簡稱RF，是指____________________的高頻電磁波。頻率范圍在 300 kHz～30 GHz之間的高頻交變電流，會在導體周圍的空間產生高頻電磁波，并向外遠距離傳播出去，這些高頻電磁波，就是射頻。
具有遠距離傳播能力
(3)射頻識別的過程：實際上是一種無線傳輸：________發送特定的射頻信號，________接收到射頻信號后，并從中提取出有用信息。
信息系統運用射頻識別技術識別外部世界的事物，需要通過___________________并______________。
發射端
接收端
射頻信號識別目標對象
讀寫相關數據
(4)兩大基本元素：
發射端——RFID標簽(也稱電子標簽)，
接收端——RFID讀寫器。
①電子標簽：由芯片與天線(線圈)組成，每個標簽具有唯一的電子編碼。標簽附著在物體上以標識目標對象。
例4 下列關于射頻識別技術的說法，正確的是 （ ）
A.射頻識別屬于通信技術的范疇，但不屬于傳感器技術
B.射頻識別的過程，實際上是一種無線傳輸
C.射頻是指具有遠距離傳播能力的低頻電磁波
D.射頻識別的兩大基本元素是發射端和處理端
B
解析：
從信息采集的角度來看，射頻識別技術也屬于傳感器技術；
射頻識別又稱無線射頻識別(簡稱RFID)，實際上是一種無線傳輸；所謂射頻(簡稱RF)，是指具有遠距離傳播能力的高頻電磁波；
射頻識別技術的兩大基本元素是發射端——RFID標簽(也稱電子標簽)和接收端——RFID讀寫器。
電子標簽分類：
按照能量供給方式的不同，電子標簽分為_________和_________。
有源電子標簽也稱__________，其工作的能量由電池提供，能夠主動向讀寫器發送射頻信號。有源電子標簽通常具有_____________，但_______，____________，主要應用于貴重物品遠距離檢測等領域。
有源標簽
無源標簽
主動式標簽
更遠的通信距離
體積較大
價格也相對較高
無源電子標簽也稱為__________，是最為常見的電子標簽，其本身沒有電源，依靠從讀寫器的電磁波中獲得能量，激活標簽中的芯片，芯片產生電磁波發送給讀寫器。無源電子標簽具有__________的優勢，但其__________、__________等受到能量來源的限制。
被動式標簽
價格便宜
工作距離
存儲容量
按照工作頻率的不同，電子標簽分為__________、____________、____________和_____________四種。
低頻(LF)
高頻(HF)
超高頻 (UHF)
微波頻段(MW)
②RFID讀寫器:主要任務是控制射頻模塊向標簽發射讀取信號，并接收標簽的應答，對標簽的對象標識信息進行解碼，然后將對象標識信息和標簽上其他相關信息傳輸到信息系統以供處理。最初的讀寫器大多只能在單一頻率點工作，現在的讀寫器一般都支持多個頻率點，能自動識別不同頻率的標簽信息。根據應用不同，讀寫器可以是手持式或固定式。
2.射頻識別技術的應用：
(1)無源RFID產品：如公交卡、食堂餐卡、銀行卡、賓館門禁卡、第二代居民身份證等。
(2)NFC技術：由RFID演變而來，是一種短距(運行于10厘米距離內)高頻(13.56 MHz)的無線電技術。內置NFC功能的設備主要以手機為主，也有不少平板電腦和藍牙音頻設備等，新的銀行卡大多具有“閃付”功能，所謂“閃付”是指銀行卡上集成了支持NFC功能的芯片。
例1 下列關于傳感器的說法不正確的是 （ ）
A.在信息系統從外部世界采集信息的過程中，傳感器在各種應用中都起著極為重要的作用
B.信息系統要從傳感器獲取信息，可以采用多種通信方式，如無線網絡、藍牙、串口等
C.通過霍爾傳感器可以實現加密、解密、電子支付等功能
D.同一種傳感器采用不同的算法，還可以實現不同的功能
C
解析：NFC傳感器可以實現加密、解密、電子支付等功能，霍爾傳感器可以檢測磁場及其變化(翻蓋自動解鎖、合蓋自動鎖屏等功能)。
例4變式訓練 下列有關傳感與控制的說法正確的是 （ ）
A.移動終端中，借助重力傳感器可以實現計步功能
B.校資產管理中，每臺設備貼的電子標簽具有唯一的電子編碼，這種電子標簽屬于有源標簽
C.乘坐高鐵時，刷身份證出入閘機時使用到了NFC 技術，即長距離高頻的RFID技術
D.同一種傳感器采用不同的算法可實現不同的功能
D
解析：
實現計步功能的是加速度傳感器，重力傳感器可以實現手機橫豎屏智能切換、拍照照片朝向切換；
設備貼屬于無源電子標簽；
NFC技術是短距離高頻的RFID技術；
加速度傳感器（計步、監測睡眠）、磁場傳感器（電子指南針、金屬探測器）
(3)應用領域日益擴大：
①物流領域：倉庫管理、貨物追蹤。
②交通運輸領域：高速公路不停車收費、停車場收費和出租車管理。
③農林牧漁領域：牛羊、魚類、水果等的管理和寵物、野生動物的跟蹤。
④醫療領域：藥品生產、病人看護。
⑤工業制造領域：自動化生產、質量追蹤。
從互聯網到物聯網，能夠識別“萬物”的RFID技術是其中關鍵技術之一，智慧交通、智慧旅游、智慧醫療等是智慧城市建設的方向，RFID技術應用越來越廣泛。
知識點2.4.5：信息系統中的控制
信息系統通過傳感器能夠獲取外部世界的各種信息，通過______，則可以________________。
1.執行器的定義：
指在控制系統中接受控制信息并對受控對象施加控制作用的裝置。
2.執行器的應用：
(1)智能手環通過簡單的震動來提醒用戶。
(2)火警預報系統發現火情后發出警報，提醒用戶找到逃生通道。
(3)火車、地鐵站的檢票系統控制閘機的打開和關閉。
執行器
作用于外部世界
3.控制與反饋：
在諾伯特·維納提出的控制論中，控制的基礎是信息，一切信息傳遞都是為了控制，任何控制又依賴信息反饋來實現。
信息反饋是指系統輸出信息后，其返回的結果將對信息的再次輸出產生影響，從而起到制約的作用，以達到預定的目的。
控制與反饋案例：
掃地機器人集成了LDS(雷達測距系統)等諸多傳感器，可實現室內地圖生成和路徑的智能規劃，使掃地路徑軌跡看起來既合理又清爽。
課堂小結
基本元素
傳感與控制
概述
傳感器技術
作用：屬于信息輸入設備，負責將采集到的外部信息輸入到信息系統。
組成：敏感元件、轉換元件、其他輔助元件。
分類：根據基本感知功能的不同，通常把傳感器分為熱敏、光敏、氣敏等。
獲取：信息系統要從傳感器獲取信息，可以采用多種通信方式，如無線網
絡、藍牙、串口(COM接口)等。
射頻識別技術
信息系統中的控制
無源RFID產品、NFC技術
執行器
反饋
指在控制系統中接受控制信息并對受控對象施加控制作用的裝置。
指系統輸出信息后，其返回的結果將對信息的再次輸出產生影響，從而起到制約的作用，以達到預定的目的。
發射端——RFID標簽(也稱電子標簽)
接收端——RFID讀寫器。
應用
無線射頻識別(簡稱RFID)，可通過無線電訊號識別特定目標并讀寫相關數據，而無須在特定目標與識別系統之間建立機械或光學接觸。

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