物联网技术基础教程(第3版)

目录第1章物联网概述1 1.1物联网的起源与发展1 1.2物联网的定义2 1.2.1物联网的概念2 1.2.2物联网的定义及组成2 1.3物联网技术体系4 1.3.1物联网技术概述4 1.3.2物联网技术体系4 1.3.3物联网面临的主要技术问题6 1.4物联网的应用领域6 1.5应用案例: 光纤传感温度监测系统9 习题与思考题11 第2章物联网架构技术12 2.1物联网结构12 2.1.1感知识别层13 2.1.2网络构建层13 2.1.3管理服务层14 2.1.4综合应用层15 2.2未来的物联网架构技术16 2.3应用案例: 镇海智慧水务项目17 2.3.1项目简介17 2.3.2技术架构18 2.3.3关键设计决策18 2.3.4经验总结22 习题与思考题22 第3章标识技术23 3.1特定领域的标识与自动识别技术23 3.1.1条形码技术23 3.1.2磁卡24 3.1.3IC卡技术25 物联网技术基础教程(第3版) 目录3.1.4射频识别技术26 3.1.5传感器技术27 3.1.6光学字符识别技术36 3.1.7语音识别技术38 3.1.8生物计量识别技术39 3.1.9遥感遥测43 3.1.10机器人智能感知44 3.2不同的标识体系44 3.2.1ISO标识体系44 3.2.2GS1标识体系45 3.2.3IEEE标识体系45 3.2.4IPv6与6LoWPAN标识体系46 3.3用于物联网标识的开放架构46 3.4电子产品编码47 3.4.1电子产品编码体系及其特点47 3.4.2物联网环境下的“物品”的统一标识体系47 3.4.3EPC标签的通用标识符49 3.4.4序列化全球贸易标识代码51 3.5未来的物联网标识技术51 3.6应用案例: 医疗健康护理传感器网络52 习题与思考题54 第4章通信技术55 4.1无线低速网络55 4.1.1蓝牙技术55 4.1.2紫蜂技术57 4.1.3红外通信技术61 4.1.4近距离通信技术62 4.2移动通信网络65 4.2.1移动通信系统简介65 4.2.2**代移动通信: 模拟语音67 4.2.3第二代移动通信: 数字语音68 4.2.4第三代移动通信: 数字语音与数据68 4.2.5第四代移动通信技术70 4.2.6第五代移动通信技术72 4.3设备对设备通信技术78 4.3.1M2M简介78 4.3.2M2M体系结构和技术组成79 4.3.3M2M卡和模块80 4.3.4M2M应用81 4.4工业领域的无线网络82 4.4.1Wireless HART82 4.4.26LoWPAN83 4.5未来的物联网通信技术84 4.6应用案例: 电子不停车收费系统85 习题与思考题86 第5章网络技术88 5.1非接触射频识别系统88 5.1.1RFID分类与基本组成88 5.1.2RFID电子标签89 5.1.3RFID阅读器91 5.1.4阅读器关键技术92 5.1.5Savant系统93 5.1.6RFID标准94 5.1.7RFID应用95 5.2EPC信息网络系统95 5.2.1物联网EPC网络系统构成96 5.2.2系统构成96 5.2.3信息网络系统98 5.2.4EPC网络应用流程99 5.2.5对象名称解析服务100 5.2.6PML100 5.2.7EPC信息服务模块101 5.3无线传感器网络102 5.3.1传感器的组成和结构103 5.3.2传感器网络体系结构106 5.3.3传感器网络自组网技术111 5.3.4传感器网络MAC协议与路由协议112 5.3.5IEEE 802.15.4标准113 5.3.6传感器网络数据管理技术113 5.4宽带网络技术114 5.4.1无线局域网114 5.4.2无线城域网119 5.4.3超宽带技术122 5.5无线网格网124 5.5.1无线网格网的技术特点124 5.5.2无线网格网的网络结构125 5.5.3无线网格网与其他通信网络的区别127 5.5.4无线网格网的关键技术128 5.5.5无线网格网的优势129 5.6云计算网络130 5.6.1云计算简介130 5.6.2云计算系统的体系结构131 5.6.3云计算服务层次133 5.6.4云计算技术层次137 5.6.5云计算的核心技术138 5.6.6典型云计算平台139 5.6.7典型的云计算系统及应用141 5.7窄带物联网142 5.8未来的物联网网络技术145 5.9应用案例： 战场监测与指挥传感器网络146 习题与思考题148 第6章网络定位技术150 6.1位置服务150 6.2全球定位系统150 6.2.1GPS的构成150 6.2.2GPS工作过程151 6.2.3GPS定位计算152 6.2.4全球四大GPS153 6.2.5GPS的应用154 6.3蜂窝基站定位154 6.3.1GSM蜂窝基站的基础架构154 6.3.2COO定位155 6.3.3七号信令定位155 6.3.4TOA/TDOA定位155 6.3.5AOA定位157 6.3.6基于场强的定位157 6.3.7混合定位157 6.4新兴定位系统157 6.4.1AGPS定位基本机制157 6.4.2AGPS定位基本流程158 6.4.3AGPS定位技术的实际应用情况159 6.5无线室内环境定位160 6.5.1室内GPS定位技术160 6.5.2室内无线定位技术161 6.6传感器网络结点定位技术163 6.6.1传感器网络定位简介163 6.6.2WSN定位技术基本概念163 6.6.3基于测距的算法164 6.6.4结点坐标计算方法165 6.6.5基于非测距的算法167 6.6.6新型WSN定位研究分析167 6.7传感器网络时间同步技术168 6.8未来的物联网网络定位和发现技术171 6.9应用案例： 矿用射频识别人员定位系统172 习题与思考题174 第7章软件、服务和算法技术175 7.1环境感知型中间件175 7.1.1中间件概述175 7.1.2中间件的体系框架与核心模块176 7.1.3中间件的分类176 7.1.4物联网中间件的设计177 7.2嵌入式软件177 7.2.1嵌入式系统177 7.2.2嵌入式软件的应用178 7.2.3嵌入式软件的分类179 7.2.4嵌入式软件发展趋势179 7.3微型操作系统180 7.3.1传感器结点微型操作系统180 7.3.2其他常见微型操作系统181 7.4面向服务架构182 7.4.1面向服务架构简介183 7.4.2面向服务架构的特征183 7.4.3面向服务架构的元素184 7.4.4面向服务的计算环境185 7.4.5利用价值185 7.5物联网海量数据存储与查询186 7.5.1网络存储体系结构187 7.5.2海量数据存储及查询191 7.6物联网数据融合及路由191 7.6.1数据融合的基本概念192 7.6.2物联网中数据融合的关键问题192 7.6.3物联网数据融合的基本原理193 7.6.4传感器网络数据融合技术194 7.6.5数据融合的层次结构195 7.6.6多传感器数据融合算法196 7.6.7传感器网络数据融合路由算法199 7.7未来的物联网软件、服务和算法技术200 7.8应用案例： Google数据中心201 习题与思考题204 第8章硬件技术206 8.1微电子机械系统206 8.1.1MEMS简介206 8.1.2发展概述206 8.1.3微电子机械系统的应用领域207 8.1.4微电子机械系统技术208 8.1.5产品应用实例209 8.2移动设备内置传感器硬件平台210 8.2.1内置传感器210 8.2.2微处理器210 8.2.3通信芯片211 8.3数字传感器及网络接口技术212 8.3.1数字传感器212 8.3.2传感器的网络化213 8.4未来的物联网硬件技术213 8.5应用案例： 基于无线通信M2M模块的道路照明解决方案214 习题与思考题218 第9章数据和信号处理技术219 9.1可扩展标记语言219 9.1.1可扩展标记语言简介219 9.1.2可扩展标记语言特性220 9.1.3可扩展标记语言文档结构220 9.1.4XML的优势221 9.2高性能计算222 9.2.1高性能计算概述223 9.2.2高性能计算机的应用223 9.2.3高性能计算分类224 9.2.4分布式计算224 9.2.5网格计算225 9.2.6网格类型226 9.2.7高性能计算集群226 9.3海量数据库技术228 9.3.1传统的关系数据库面临更大的挑战229 9.3.2支撑物联网的数据库技术229 9.3.3关系数据库231 9.3.4非关系数据库232 9.3.5实时数据库234 9.3.6分布式数据库系统236 9.4边缘计算238 9.5物联网大数据处理242 9.6人工智能技术246 9.7人机交互技术249 9.7.1人机交互技术概况249 9.7.2人机交互技术的发展249 9.7.3多媒体与虚拟现实系统的交互特点250 9.7.4多通道人机交互技术251 9.7.5人机界面251 9.8未来的物联网数据和信号处理技术252 9.9应用案例： 基于图像处理技术的汽车牌照识别系统253 习题与思考题254 第10章发现与搜索引擎技术255 10.1搜索引擎技术概述255 10.1.1搜索引擎的发展255 10.1.2搜索引擎分类255 10.2Web搜索引擎工作原理256 10.2.1Web搜索引擎的组成256 10.2.2Web搜索引擎的工作模式257 10.2.3搜索引擎的技术设计与算法258 10.3物联网搜索引擎262 10.3.1基于物品的搜索引擎技术263 10.3.2基于简单标识的对象查找技术263 10.4服务发现技术264 10.4.1Web服务发现264 10.4.2传感数据的语义发现技术265 10.4.3数据挖掘266 10.4.4物联网数据挖掘273 10.5未来的物联网发现与搜索引擎技术278 10.6应用案例： 语境感知技术280 习题与思考题281 第11章关系网络管理技术282 11.1网络管理的热点技术282 11.2分布式网络管理技术285 11.2.1分布式网络管理体系结构286 11.2.2基于CORBA的分布式管理288 11.2.3基于Web的分布式网络管理289 11.2.4基于移动代理的分布式网络管理291 11.2.5基于主动网络技术的网络管理294 11.2.6未来的网管系统294 11.3分布式数据库/资料集合的管理294 11.3.1分布式数据库管理系统的组成295 11.3.2分布式数据库管理系统的分类295 11.3.3分布式数据库/资料集合管理的实现296 11.4应用案例： 海量飞行数据管理系统297 习题与思考题301 第12章电源和能量存储技术302 12.1能源采集转换技术302 12.1.1能源采集转换技术概述302 12.1.2光伏技术304 12.1.3生物发电304 12.1.4压电技术305 12.1.5能量转换装置307 12.2能量存储(电池)技术309 12.2.1薄膜电池309 12.2.2锂离子电池311 12.2.3印刷电池314 12.2.4光电池314 12.3无线充电技术316 12.3.1无线充电技术的发展316 12.3.2无线充电原理及实现方法317 12.3.3无线充电的技术标准321 12.4未来的电源与能量存储技术323 12.5应用案例： 手机无线充电324 习题与思考题326 第13章安全与隐私技术327 13.1物联网安全概述327 13.1.1物联网安全的必要性327 13.1.2物联网安全的层次327 13.1.3感知层的安全需求和安全框架328 13.1.4传输层的安全需求和安全框架330 13.1.5处理层的安全需求和安全框架331 13.1.6应用层的安全需求和安全框架333 13.1.7影响信息安全的非技术因素和存在的问题334 13.2RFID电子标签安全机制335 13.2.1RFID电子标签的安全设置335 13.2.2RFID电子标签在应用中的安全机制336 13.3无线传感器网络安全机制337 13.3.1WSN安全问题337 13.3.2传感器网络的安全机制338 13.3.3传感器网络的安全分析339 13.3.4WSN安全研究重点341 13.4物联网身份识别技术342 13.4.1电子ID身份识别技术342 13.4.2个人特征的身份证明345 13.4.3基于零知识证明的识别技术348 13.5信息隐藏349 13.5.1信息隐藏概述349 13.5.2信息隐藏技术350 13.6未来的物联网安全与隐私技术351 13.7应用案例： 汽车芯片感应防盗系统352 习题与思考题354 第14章标准化和相关技术355 14.1物联网标准化的意义355 14.2国际标准化组织和各国标准化组织356 14.3射频识别技术的标准化工作357 14.3.1RFID的ISO IEC标准357 14.3.2GS1的EPC标准359 14.4无线传感器网络技术的标准化工作360 14.5设备对设备通信技术的标准化工作362 14.6未来的物联网标准化工作363 14.7应用案例： M2M标准化工作364 习题与思考题366 参考文献367第1章物联网概述1 1.1物联网的起源与发展1 1.2物联网的定义2 1.2.1物联网的概念2 1.2.2物联网的定义及组成2 1.3物联网技术体系4 1.3.1物联网技术概述4 1.3.2物联网技术体系4 1.3.3物联网面临的主要技术问题6 1.4物联网的应用领域6 1.5应用案例: 光纤传感温度监测系统9 习题与思考题11 第2章物联网架构技术12 2.1物联网结构12 2.1.1感知识别层13 2.1.2网络构建层13 2.1.3管理服务层14 2.1.4综合应用层15 2.2未来的物联网架构技术16 2.3应用案例: 镇海智慧水务项目17 2.3.1项目简介17 2.3.2技术架构18 2.3.3关键设计决策18 2.3.4经验总结22 22 习题与思考题22 第3章标识技术23 3.1特定领域的标识与自动识别技术23 3.1.1条形码技术23 3.1.2磁卡243.1.3IC卡技术25 3.1.4射频识别技术26 3.1.5传感器技术27 3.1.6光学字符识别技术36 3.1.7语音识别技术38 3.1.8生物计量识别技术39 3.1.9遥感遥测43 3.1.10机器人智能感知44 3.2不同的标识体系44 3.2.1ISO标识体系44 3.2.2GS1标识体系45 3.2.3IEEE标识体系45 3.2.4IPv6与6LoWPAN标识体系46 3.3用于物联网标识的开放架构46 3.4电子产品编码47 3.4.1电子产品编码体系及其特点47 3.4.2物联网环境下的“物品”的统一标识体系47 3.4.3EPC标签的通用标识符49 3.4.4序列化全球贸易标识代码50 3.5未来的物联网标识技术51 3.6应用案例: 医疗健康护理传感器网络52 习题与思考题54 第4章通信技术55 4.1无线低速网络55 4.1.1蓝牙技术55 4.1.2紫蜂技术57 4.1.3红外通信技术61 4.1.4近距离通信技术62 4.2移动通信网络65 4.2.1移动通信系统简介65 4.2.2**代移动通信: 模拟语音67 4.2.3第二代移动通信: 数字语音67 4.2.4第三代移动通信: 数字语音与数据68 4.2.5第四代移动通信技术70 4.2.6第五代移动通信技术72 4.3设备对设备通信技术78 4.3.1M2M简介78 4.3.2M2M体系结构和技术组成79 4.3.3M2M卡和模块80 4.3.4M2M应用81 4.4工业领域的无线网络82 4.4.1Wireless HART82 4.4.26LoWPAN83 4.5未来的物联网通信技术84 4.6应用案例: 电子不停车收费系统85 习题与思考题86 第5章网络技术88 5.1非接触射频识别系统88 5.1.1RFID分类与基本组成88 5.1.2RFID射频电子标签89 5.1.3RFID阅读器91 5.1.4阅读器关键技术92 5.1.5Savant系统93 5.1.6RFID标准94 5.1.7RFID应用95 5.2EPC信息网络系统95 5.2.1物联网EPC网络系统构成95 5.2.2系统构成96 5.2.3信息网络系统98 5.2.4EPC网络应用流程99 5.2.5对象名称解析服务100 5.2.6实体标记语言100 5.2.7EPC信息服务模块101 5.3无线传感器网络102 5.3.1传感器的组成和结构103 5.3.2传感器网络体系结构106 5.3.3传感器网络自组网技术111 5.3.4传感器网络MAC协议与路由协议112 5.3.5IEEE 802.15.4标准112 5.3.6传感器网络数据管理技术113 5.4宽带网络技术114 5.4.1无线局域网114 5.4.2无线城域网119 5.4.3超宽带技术121 5.5无线网格网124 5.5.1无线网格网的技术特点124 5.5.2无线网格网的网络结构125 5.5.3无线网格网与其他通信网络的区别127 5.5.4无线网格网的关键技术127 5.5.5无线网格网的优势129 5.6云计算网络129 5.6.1云计算简介130 5.6.2云计算系统的体系结构131 5.6.3云计算服务层次133 5.6.4云计算技术层次137 5.6.5云计算的核心技术138 5.6.6典型云计算平台139 5.6.7典型的云计算系统及应用141 5.7窄带物联网(NBIoT)142 5.8未来的物联网网络技术145 5.9应用案例： 战场监测与指挥传感器网络146 习题与思考题148 第6章网络定位技术150 6.1位置服务150 6.2GPS全球定位系统150 6.2.1GPS构成150 6.2.2GPS工作过程151 6.2.3GPS定位计算152 6.2.4全球四大GPS系统153 6.2.5GPS的应用154 6.3蜂窝基站定位154 6.3.1GSM蜂窝基站的基础架构154 6.3.2COO定位155 6.3.3七号信令定位155 6.3.4TOA/TDOA定位155 6.3.5AOA定位157 6.3.6基于场强的定位157 6.3.7混合定位157 6.4新兴定位系统157 6.4.1AGPS定位基本机制157 6.4.2AGPS定位基本流程158 6.4.3AGPS定位技术的实际应用情况159 6.5无线室内环境定位160 6.5.1室内GPS定位技术160 6.5.2室内无线定位技术161 6.6传感器网络结点定位技术163 6.6.1传感器网络定位简介163 6.6.2WSN定位技术基本概念163 6.6.3基于测距的算法164 6.6.4结点坐标计算方法165 6.6.5基于非测距的算法167 6.6.6新型WSN定位研究分析167 6.7传感器网络时间同步技术168 6.8未来的物联网网络定位和发现技术171 6.9应用案例： 矿用射频识别人员定位系统172 习题与思考题174 第7章软件、服务和算法技术175 7.1环境感知型中间件175 7.1.1中间件概述175 7.1.2中间件的体系框架与核心模块176 7.1.3中间件的分类176 7.1.4物联网中间件的设计177 7.2嵌入式软件177 7.2.1嵌入式系统177 7.2.2嵌入式软件的应用178 7.2.3嵌入式软件的分类179 7.2.4嵌入式软件发展趋势180 7.3微型操作系统180 7.3.1传感器结点微型操作系统180 7.3.2其他常见微型操作系统181 7.4面向服务架构183 7.4.1面向服务架构简介183 7.4.2面向服务架构的特征183 7.4.3面向服务架构的元素184 7.4.4面向服务的计算环境185 7.4.5利用价值185 7.5物联网海量数据存储与查询187 7.5.1网络存储体系结构187 7.5.2海量数据存储及查询191 7.6物联网数据融合及路由192 7.6.1数据融合的基本概念192 7.6.2物联网中数据融合的关键问题193 7.6.3物联网数据融合的基本原理193 7.6.4传感器网络数据融合技术194 7.6.5数据融合的层次结构195 7.6.6多传感器数据融合算法196 7.6.7传感网数据融合路由算法199 7.7未来的物联网软件、服务和算法技术200 7.8应用案例： Google数据中心201 习题与思考题204 第8章硬件技术206 8.1微电子机械系统206 8.1.1MEMS简介206 8.1.2发展概述206 8.1.3微电子机械系统的应用领域207 8.1.4微电子机械系统技术208 8.1.5产品应用实例209 8.2移动设备内置传感器硬件平台210 8.2.1内置传感器210 8.2.2微处理器210 8.2.3通信芯片211 8.3数字化传感器及网络接口技术212 8.3.1数字化传感器212 8.3.2传感器的网络化213 8.4未来的物联网硬件技术213 8.5应用案例： 基于无线通信M2M模块的道路照明解决方案214 习题与思考题218 第9章数据和信号处理技术219 9.1可扩展标记语言219 9.1.1可扩展标记语言简介219 9.1.2可扩展标记语言特性220 9.1.3可扩展标记语言文档结构220 9.1.4XML的优势221 9.2高性能计算222 9.2.1高性能计算概述223 9.2.2高性能计算机的应用223 9.2.3高性能计算分类224 9.2.4分布式计算224 9.2.5网格计算225 9.2.6网格类型226 9.2.7高性能计算集群226 9.3海量数据库技术228 9.3.1传统的关系型数据库面临更大的挑战229 9.3.2支撑物联网的数据库技术229 9.3.3关系型数据库231 9.3.4非关系型数据库232 9.3.5实时数据库234 9.3.6分布式数据库系统236 9.4边缘计算238 9.5物联网大数据处理242 9.6人工智能技术246 9.7人机交互技术249 9.7.1人机交互技术概况249 9.7.2人机交互技术的发展250 9.7.3多媒体与虚拟现实系统的交互特点250 9.7.4多通道人机交互技术251 9.7.5人机界面252 9.8未来的物联网数据和信号处理技术253 9.9应用案例： 基于图像处理技术的汽车牌照识别系统253 习题与思考题254 第10章发现与搜索引擎技术256 10.1搜索引擎技术概述256 10.1.1搜索引擎的发展256 10.1.2搜索引擎分类256 10.2Web搜索引擎工作原理257 10.2.1Web搜索引擎的组成257 10.2.2Web搜索引擎的工作模式258 10.2.3搜索引擎的技术设计与算法259 10.3物联网搜索引擎263 10.3.1基于物品的搜索引擎技术264 10.3.2基于简单标识的对象查找技术264 10.4服务发现技术265 10.4.1Web服务发现265 10.4.2传感数据的语义发现技术266 10.4.3数据挖掘267 10.4.4物联网数据挖掘274 10.5未来的物联网发现与搜索引擎技术279 10.6应用案例： 语境感知技术281 习题与思考题282 第11章关系网络管理技术283 11.1网络管理的热点技术283 11.2分布式网络管理技术286 11.2.1分布式网络管理体系结构287 11.2.2基于CORBA的分布式管理289 11.2.3基于Web的分布式网络管理290 11.2.4基于移动代理的分布式网络管理292 11.2.5基于主动网络技术的网络管理295 11.2.6未来的网管系统295 11.3分布式数据库/资料集合的管理295 11.3.1分布式数据库管理系统的组成296 11.3.2分布式数据库管理系统的分类296 11.3.3分布式数据库/ 资料集合的管理的实现297 11.4应用案例： 海量飞行数据管理系统298 习题与思考题302 第12章电源和能量储存技术303 12.1能源采集转换技术303 12.1.1能源采集转换技术概述303 12.1.2光伏技术305 12.1.3生物发电305 12.1.4压电技术306 12.1.5能量转换装置308 12.2能量存储(电池)技术310 12.2.1薄膜电池310 12.2.2锂离子电池312 12.2.3印刷电池315 12.2.4光电池315 12.3无线充电技术317 12.3.1无线充电技术的发展317 12.3.2无线充电原理及实现方法317 12.3.3无线充电的技术标准322 12.4未来的电源与能量储存技术324 12.5应用案例： 手机无线充电325 习题与思考题327 第13章安全与隐私技术328 13.1物联网安全性概述328 13.1.1物联网安全的必要性328 13.1.2物联网安全的层次328 13.1.3感知层的安全需求和安全框架329 13.1.4传输层的安全需求和安全框架331 13.1.5处理层的安全需求和安全框架332 13.1.6应用层的安全需求和安全框架334 13.1.7影响信息安全的非技术因素和存在的问题335 13.2RFID标签安全机制336 13.2.1RFID电子标签的安全设置336 13.2.2RFID电子标签在应用中的安全机制337 13.3无线传感器网络安全机制338 13.3.1WSN安全问题338 13.3.2传感器网络的安全机制339 13.3.3传感器网络的安全分析340 13.3.4WSN安全研究重点342 13.4物联网身份识别技术343 13.4.1电子ID身份识别技术343 13.4.2个人特征的身份证明346 13.4.3基于零知识证明的识别技术349 13.5信息隐藏350 13.5.1信息隐藏概述350 13.5.2信息隐藏技术351 13.6未来的物联网安全与隐私技术352 13.7应用案例： 汽车芯片感应防盗系统353 习题与思考题355 第14章标准化和相关技术356 14.1物联网标准化的意义356 14.2国际标准化组织和各国标准化组织357 14.3射频识别技术的标准化工作358 14.3.1RFID的ISO IEC标准358 14.3.2GS1的EPC标准360 14.4无线传感器网络技术的标准化工作361 14.5设备对设备通信技术的标准化工作363 14.6未来的物联网标准化工作364 14.7应用案例： M2M标准化工作365 习题与思考题367 参考文献368