《物聯(lián)網與傳感網工程實踐》把基本知識和應用實踐案例等聯(lián)系在一起,主要內容包括物聯(lián)網應用技術,物聯(lián)網中物體的標記、定位與時間同步,物體信息傳輸網絡與要素控制,物體特征數(shù)據(jù)的傳輸與路由,物聯(lián)網與傳感網中故障診斷、容錯、修復與安全,無線傳感網的設計與測評,傳感網與物聯(lián)網的服務管理與應用等。
《物聯(lián)網與傳感網工程實踐》適用于物聯(lián)網的參與者和初涉信息技術應用的工程師們,以及對物聯(lián)網感興趣的讀者,也可作為高等院校物聯(lián)網工程專業(yè)以及電氣信息類專業(yè)的本科生、研究生教材和教學參考用書。
物聯(lián)網是新一代信息技術的重要組成部分,對于許多非專業(yè)人員很難用簡單的語言表述它是什么樣的技術。為了使讀者,尤其是初學者,盡快掌握其內涵及在工程中的實現(xiàn)方法,本書從直觀的感性知識角度入手,讓讀者認識到物聯(lián)網就是物流和電子信息流融為一體的有針對性的服務網絡。也可以簡單地說,實現(xiàn)這樣的信息服務網絡主要解決四個問題:人與物、人對人、物對物之間的信息交流,以及各種需求的配送與交換。現(xiàn)有的各種網絡技術體系更多地體現(xiàn)了服務和信息交流,這就是現(xiàn)階段的物聯(lián)網。
對于學習物聯(lián)網技術的人們來說,只有了解它的基本原理、系統(tǒng)組成、關鍵技術、典型案例等問題,才能較全面地掌握其系統(tǒng)知識。為幫助非電子信息類的畢業(yè)生、工作不久的工程師及非電子信息類的成熟工程師了解物聯(lián)網的基本理論和工程實現(xiàn)所涉及的基本技術。本書用了較大篇幅講解了物聯(lián)網工程實現(xiàn)中所涉及的基本理論、概念。中間部分介紹了傳感網、物聯(lián)網技術和面對應用的服務等技術。從對象之間的時間、空間關系出發(fā),根據(jù)人們對物聯(lián)網的要求,將人與人、物與物、物與人之間的聯(lián)絡和服務聯(lián)系在一起。從人們在任何時間、地點的各種需求都能被及時滿足的角度出發(fā),將各種需求與現(xiàn)有的技術和網絡相結合。從互聯(lián)網、物流網、遠程教學、遠程醫(yī)療、網上購物、網上交友等信息技術現(xiàn)實的應用等方面,讓人們感受到物聯(lián)網技術已融入到我們的生活之中。
在物聯(lián)網中,隨著新技術的不斷加入,工程實現(xiàn)中必須考慮將許多新的軟件和硬件更新到應用終端中,以滿足用戶對服務不斷增長的需求。如果站在服務與被服務的角度來看,物聯(lián)網所涉及的信息技術除了經典的三大關鍵技術,即信息采集——傳感器技術、信息傳輸——有線無線通信及網絡技術、信息處理——計算機與信息處理技術外,更多的是信息處理方面的內容和面向對象的服務。
從技術層面來看,這種服務的網絡,面對各種需求引發(fā)的信息,其數(shù)據(jù)量幾乎以每年一倍的速度增長。在硬件方面,全球生產的的存儲器幾乎都用到了這類商業(yè)服務之中;在軟件方面,隨著這種快速增長的需要,各種應用工具和管理軟件應運而生。計算機走向了超大存儲,大數(shù)據(jù)提出了云計算,這些都是在物聯(lián)網概念產生之前就已經孕育出來的。再如應用中的軟件問題:大數(shù)據(jù)處理和服務帶來的應用和技術問題;服務中的軟硬件結合的問題;大數(shù)據(jù)存儲、分發(fā)與路由,分布式存儲與信息處理等問題。今天人們常用的分布式處理和嵌入式技術、中間件到“云計算”為解決大數(shù)據(jù)的處理與信息匯聚提供了技術發(fā)展的支持;網絡與通信中的有線無線傳輸,使電信運營商變成物聯(lián)網的網絡層;傳感器與信息采集系統(tǒng),成為傳感網和感知層。尤其在感知的概念下,傳感器和傳感網更成為人們熱議的話題。
從服務信息交換過程看,首先要獲得對象的相關信息,通過傳感器和匯聚結點組成的傳感網,將信息傳送到公共網絡上,再由公共的網絡——通信和網絡,進行遠距離傳送、分發(fā)、交換,最后將眾多的信息傳送到信息處理中心——計算機,由計算機進行計算處理,物聯(lián)網的服務商再將這些信息匯聚、存儲、分類、歸并,按用戶的需要,分發(fā)傳送給各個用戶,為他們提供所需的各種信息服務。服務是物聯(lián)網的最大特點,人們隨時就能直接體會到谷歌、百度、維基解密等網站提供的信息服務,享受到物流公司提供的將在線購買的產品送到客戶手中的服務,以及其他可通過網絡實現(xiàn)的各種服務。而且,很多服務網站甚至可以跟蹤我們的生活習慣,將我們每天上網觀看的信息整理匯總、分析,當我們再次輸入自己關心的詞匯時,網站就會馬上提供給我們相關的內容和鏈接。物聯(lián)網的應用就在人們身邊,并且相關技術還會不斷進步與發(fā)展。
物聯(lián)網是電子信息技術的應用,它會為人們提供所需要的數(shù)據(jù)和信息。利用檔案技術建立日志、目錄的方法,可以實現(xiàn)對所有信息的建檔和檢索。利用無線傳感網和移動互聯(lián)網技術實現(xiàn)的物聯(lián)網信息服務技術,使網絡應用從原來的信息資源由網絡擁有者提供,變?yōu)榫W絡信息資源可由使用者和擁有者共同提供,這就是物聯(lián)網的技術特點之一,F(xiàn)在,人們只要將需要的服務和內容的關鍵詞輸入到搜索引擎中,各種信息就可被檢索到。如果需要深度服務,可將它們匯聚一起,再通過后臺的服務器及軟件,篩選出人們所需要的內容。
隨著物聯(lián)網應用規(guī)模的擴大,數(shù)據(jù)存儲、處理與服務必然會遇到大數(shù)據(jù)問題。大量用戶同時使用,必然會出現(xiàn)因數(shù)據(jù)流量引起的沖突并發(fā)等問題。因篇幅限制,本書對此只做了簡要的介紹,相關內容可參考更專業(yè)的書籍。最常見的數(shù)據(jù)匯聚方法,就是利用爬蟲工具將想搜索的各種信息,通過引擎和對象特征在網上的數(shù)據(jù)和信息,“爬”到需要的資源數(shù)據(jù)庫中。通過分類、排序為用戶及時提供來自各方的信息,并完成數(shù)據(jù)的匯聚和提煉。
物聯(lián)網中有關數(shù)據(jù)創(chuàng)造、連接和更新等問題,如對物體的語音與圖像識別等,都是建立在傳感和數(shù)據(jù)處理之上,通過統(tǒng)計與運算的技術方法實現(xiàn)的。物聯(lián)網應用系統(tǒng)所涉及的技術,多是現(xiàn)有的電子技術,其產品形態(tài)就是現(xiàn)有的和正在開發(fā)的電子產品,F(xiàn)階段具有代表性的產品就是智能手機,它就是物聯(lián)網系統(tǒng)中的多功能終端的一種典型代表。
在物聯(lián)網工程實踐中,初學者能夠盡快掌握主要技術是關鍵。本書編者多是來自教學和工程實踐一線的專家、教授和工程師。在他們的精心提煉下,將分散復雜的相關知識歸納成7個章節(jié)來向讀者介紹。由于各校的教學重點不同,專業(yè)目標不同,教師可根據(jù)各自的教學計劃有選擇地進行講解。
對于學生和初學者來說,可從應用實踐案例等入手,從繁雜無序的獨立概念中解脫出來,認清物聯(lián)網是一種應用技術的本質。掌握信息領域中的三大關鍵技術,在工作中根據(jù)各自工作對象的實際情況正確地選擇相關的技術和產品,靈活準確地實現(xiàn)各自獨特的任務要求,是成為一名具有解決工程問題能力的合格工程師的關鍵。
本書第1章介紹了互聯(lián)網和傳感網的概念和技術,在2、3章分別介紹了物體定位與標識的方法和物體信息傳輸網絡與要素控制。第4至6章主要介紹了數(shù)據(jù)生成、傳送、分發(fā)、故障分析等相關技術,并介紹了無線傳感網的設計與測評。第7章介紹了物聯(lián)網應用的信息服務及管理的問題,并介紹了相關的典型應用案例。在硬件方面,由于涉及內容繁多,本書只對在物聯(lián)網應用中較獨特的部分如定位和標識傳感器、二維條碼、RFID、MEMS和微傳感器等作簡單的介紹,對已經廣泛使用的多種傳感器不再贅述,更多的內容請讀者參考傳感器類相關書籍。
本書由中國電子科技集團公司第三研究所范茂軍研究員擔任主編,南京理工大學張麗教授和哈爾濱工業(yè)大學劉曉為教授擔任副主編。參加編寫的還有南京理工大學卜雄珠教授,上海大學付敬奇教授,哈爾濱工程大學孫為民教授,南京郵電大學于梅芳教授,黑龍江大學丁群教授,哈爾濱理工大學施云波教授,總裝備部電子元器件合同管理辦公室段成麗參謀,中國酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心周曉寧高工,中國白城兵器實驗中心齊久成高工,工信部電子工業(yè)標準化研究院高鵬麟高工,航天科工集團雷壘,北京瑞普光電有限公司李明云總經理,黑龍江聯(lián)通公司張新忠高工,南京理工大學唐潔博士、新西蘭奧克蘭大學王勃然博士。特別對為本書出版辛勤工作的電子工業(yè)出版社徐靜、李潔兩位編輯,以及為本書提供相關案例和工程素材的同志,在此一并表示感謝。
范茂軍
第1章 物聯(lián)網應用技術概論
1.1 物聯(lián)網、傳感網與互聯(lián)網基本概述
1.1.1 物聯(lián)網
1.1.2 傳感網
1.1.3 互聯(lián)網、傳感網與物聯(lián)網
1.1.4 網絡接入與管理
1.2 物聯(lián)網與相關技術標準
1.2.1 ITU-T物聯(lián)網標準
1.2.2 ETSI物聯(lián)網標準
1.2.3 3GPP/3GPP2物聯(lián)網標準
1.2.4 IEEE物聯(lián)網標準
1.2.5 中國物聯(lián)網標準
1.3 應用技術系統(tǒng)與物聯(lián)網技術構架
1.4 物體的標識與定位
1.5 物體狀態(tài)與特性的識別
1.5.1 物聯(lián)網中的信息獲取與管理
1.5.2 傳感器
1.5.3 性能評價與選用原則
1.6 智能傳感器與嵌入式系統(tǒng)
1.6.1 智能傳感器
1.6.2 嵌入式系統(tǒng)
1.7 微傳感器及MEMS技術
1.8 并行處理與云計算
第2章 物聯(lián)網中物體的標識、定位與時間同步
2.1 條碼技術
2.1.1 一維條碼技術
2.1.2 二維條碼技術
2.2 RFID技術
2.2.1 RFID的原理及特性
2.2.2 RFID的組成
2.2.3 RFID工作頻率與分類
2.2.4 RFID中間件
2.2.5 RFID與條碼的比較
2.2.6 RFID系統(tǒng)設計中的注意事項
2.2.7 射頻技術典型應用
2.2.8 RFID遇到的挑戰(zhàn)
2.3 中間件
2.3.1 中間件分類
2.3.2 中間件基本結構
2.3.3 中間件的設計原則
2.3.4 中間件設計目標與功能實現(xiàn)
2.3.5 設計平臺
2.4 無線測距定位技術
2.4.1 結點間測距的基本方法
2.4.2 計算結點位置的基本方法
2.4.3 定位算法的分類
2.4.4 定位算法的性能評價
2.5 其他無線測距定位技術
2.6 典型衛(wèi)星定位系統(tǒng)
2.7 物體間時間同步機制與方法
2.8 時間同步協(xié)議
2.8.1 基于Receiver-Receiver(接收方-接收方)機制的時間同步協(xié)議
2.8.2 基于成對機制的時間同步協(xié)議
2.8.3 基于Sender-Receiver(發(fā)送-接收方)機制的時間同步協(xié)議
2.8.4 典型時間同步協(xié)議的比較
第3章 物體信息傳輸網絡與要素控制
3.1 有線與無線網絡的選擇
3.1.1 無線網絡的基本概念
3.1.2 無線局域網與協(xié)議
3.2 網絡頻率分配
3.2.1 頻率分配的核心內容
3.2.2 頻率分配的數(shù)學模型
3.3 網絡中的信道分配
3.4 結點的功率與功耗分配
3.4.1 功率分配的作用
3.4.2 功率分配對系統(tǒng)的影響
3.4.3 典型的功率控制協(xié)議與算法
3.5 接口技術與標準
3.5.1 SCSI小型計算機系統(tǒng)接口
3.5.2 USB
3.5.3 SATA接口
3.5.4 IDE電子集成驅動器
3.6 結構與散熱設計
3.6.1 電子產品結構設計的一般要求與原則
3.6.2 電子產品的結構設計過程
3.6.3 散熱設計
第4章 物體特征數(shù)據(jù)的傳輸與路由
4.1 數(shù)據(jù)中心式路由
4.1.1 數(shù)據(jù)中心式路由協(xié)議
4.1.2 以數(shù)據(jù)為中心的路由機制缺陷分析
4.2 集群結構式的路由
4.2.1 集群技術的組織形式
4.2.2 集群技術的交換結構
4.2.3 集群路由器
4.2.4 集群路由器分類
4.2.5 集群路由器的優(yōu)點
4.3 位置信息路由
4.3.1 位置服務協(xié)議
4.3.2 幾種典型的位置路由算法
4.4 無線傳輸路由與常用協(xié)議
4.4.1 表驅動路由協(xié)議
4.4.2 源發(fā)起按需路由
4.5 ZigBee、Wi-Fi與藍牙技術
4.5.1 ZigBee
4.5.2 Wi-Fi
4.5.3 藍牙技術
第5章 物聯(lián)網與傳感網中故障診斷、容錯、修復與安全
5.1 物聯(lián)網與傳感網常見故障類別
5.1.1 傳感器網絡故障原因
5.1.2 傳感器網絡故障分類
5.2 物聯(lián)網與傳感網常見故障診斷
5.2.1 故障診斷目的及性能標準
5.2.2 故障診斷技術
5.2.3 傳感器故障診斷技術
5.2.4 傳感器網絡故障診斷技術
5.2.5 無線傳感器網絡與傳統(tǒng)IP網絡故障診斷區(qū)別
5.3 物聯(lián)網與傳感網常見糾錯與修復
5.3.1 物聯(lián)網與傳感網故障修復的特點
5.3.2 幾種常見的威脅分析與對策
5.4 結點與組件安全
5.4.1 物聯(lián)網和傳感網的特點
5.4.2 WSN網絡結點安全
5.4.3 密鑰管理機制
5.4.4 網絡結點的能耗問題和節(jié)能技術
5.5 無線傳感網安全
5.5.1 無線傳感器網絡安全問題分析
5.5.2 無線傳感網安全要求
5.5.3 無線傳感網安全問題
5.6 加密技術
5.6.1 密鑰
5.6.2 數(shù)據(jù)加密的實現(xiàn)
5.6.3 加密技術的應用
第6章 無線傳感網的設計與測評
6.1 WSN協(xié)議框架設計
6.2 WSN路由設計
6.2.1 WSN路由協(xié)議的特點
6.2.2 無線傳感器網絡路由協(xié)議的要求
6.2.3 無線傳感器網絡路由協(xié)議的分類
6.3 WSN協(xié)議測評
6.4 WSN協(xié)議試運行與驗收
6.5 典型系統(tǒng)應用案例
第7章 傳感網與物聯(lián)網的服務、管理與應用
7.1 傳感網服務質量與評價原則
7.1.1 服務質量
7.1.2 無線傳感網的服務質量
7.1.3 服務質量保障
7.2 傳感網管理
7.3 傳感網常用的操作系統(tǒng)
7.3.1 無線傳感器網絡特點及其對操作系統(tǒng)的特殊需求
7.3.2 TinyOS開放源代碼操作系統(tǒng)
7.4 傳感網系統(tǒng)設計與分析
7.5 典型系統(tǒng)設計與應用案例
7.5.1 在ETC系統(tǒng)中的應用
7.5.2 在水環(huán)境監(jiān)測中的應用
7.5.3 在家庭監(jiān)護中的應用
7.5.4 在商城中的應用
7.5.5 在機場安全系統(tǒng)中的應用
7.5.6 在電網故障診斷中的應用
7.5.7 在制造系統(tǒng)中的應用
7.5.8 在工業(yè)中的應用
7.5.9 在遠程醫(yī)療中的應用
……