物联网技术及应用教程(第2版)

目 录 第1 章 物联网绪论 1 1.1 物联网的起源与发展 1 1.1.1 美国“智慧地球”战略 2 1.1.2 中国“感知中国”计划 3 1.1.3 日本及欧盟的发展计划 3 1.2 物联网的基本概念 4 1.2.1 物联网的定义 5 1.2.2 物联网的特征 5 1.2.3 物联网与各种网络的关系 6 1.3 物联网的体系结构 8 1.3.1 感知层 11 1.3.2 网络层 11 1.3.3 应用层 12 1.4 物联网的支撑技术 13 1.4.1 感知层的支撑技术 13 1.4.2 网络层的支撑技术 15 1.4.3 应用层的支撑技术 17 1.5 物联网应用案例 18 1.5.1 精细农牧业 18 1.5.2 智能电网 18 1.5.3 智能交通 19 1.5.4 智能物流 19 1.5.5 智能家居 19 1.5.6 智能医疗 19 1.5.7 智能安防 20 小结 20 习题 20 实践——调研物联网应用案例 22 实验——感受智能家居 22 第2章 自动识别技术 23 2.1 自动识别技术概述 23 2.1.1 自动识别技术的概念 23 2.1.2 自动识别技术的分类 24 2.1.3 自动识别系统的构成 25 2.2 物品信息编码及识别技术 26 2.2.1 物品信息编码发展简史 26 2.2.2 条码技术概述 27 2.2.3 条码识别系统处理流程 32 2.3 射频识别 35 2.3.1 RFID系统的工作原理 35 2.3.2 RFID系统分类 38 2.3.3 RFID系统的组成 41 2.3.4 RFID系统的防碰撞机制 及防冲突算法 46 2.3.5 RFID应用前景 48 2.4 卡识别 50 2.4.1 磁卡识别技术 50 2.4.2 IC卡识别技术 50 2.5 语音识别 52 2.5.1 语音识别系统分类 52 2.5.2 语音识别的工作原理 53 2.6 光学字符识别 54 2.7 生物识别 55 2.8 图像识别 56 小结 56 习题 57 实践——调研生物识别技术 61 实验2.1——认识条码 61 实验2.2——RFID基础实验 61 第3章 传感器与无线传感网 62 3.1 传感器概述 63 3.1.1 传感器的定义 63 3.1.2 传感器的构成 63 3.1.3 传感器的特性 64 3.1.4 传感器的种类 66 3.1.5 传感器产业的发展 67 3.2 常用传感器 69 3.2.1 温度传感器 69 3.2.2 湿度传感器 71 3.2.3 气敏传感器 73 3.2.4 应变片式传感器 74 3.2.5 霍尔传感器 76 3.2.6 超声波传感器 76 3.3 新型传感器 77 3.3.1 多功能传感器 78 3.3.2 MEMS传感器 79 3.3.3 智能传感器 82 3.4 传感器的应用 86 3.4.1 传感器应用现状 86 3.4.2 传感器应用案例 86 3.5 无线传感网概述 89 3.5.1 无线传感网的组成 89 3.5.2 无线传感网的体系结构 91 3.5.3 无线传感网的特征 93 3.5.4 无线传感网的接入 94 3.6 无线传感网的通信协议 95 3.6.1 MAC协议 95 3.6.2 路由协议 98 3.6.3 传输协议 101 3.7 无线传感网的组网技术 102 3.7.1 无线传感网的组网模式 102 3.7.2 ZigBee概述 103 3.7.3 ZigBee协议的特点 103 3.7.4 ZigBee协议的设备和结构 104 3.7.5 ZigBee协议栈 106 3.7.6 6LoWPAN 109 3.8 无线传感网的关键技术 112 3.8.1 拓扑控制 112 3.8.2 时间同步 113 3.8.3 数据融合 115 3.9 无线传感网的应用 117 小结 118 习题 119 实践——调研高铁使用的物联网 技术 123 实验1——传感器基础实验 123 实验2——ZigBee组网实验 124 第4章 定位技术 125 4.1 定位技术概述 125 4.1.1 定位技术的早期发展 126 4.1.2 定位的性能指标 127 4.1.3 定位技术的分类 127 4.1.4 定位技术与物联网 127 4.2 全球导航卫星系统 128 4.2.1 美国GPS 128 4.2.2 俄罗斯GLONASS 132 4.2.3 中国BDS 134 4.2.4 欧盟Galileo系统 135 4.3 基于网络的定位技术 137 4.3.1 基于移动通信网络的定位 137 4.3.2 基于无线局域网的定位 139 4.4 感知定位技术 141 4.4.1 蓝牙定位技术 141 4.4.2 基于ZigBee的定位技术 142 4.4.3 基于RFID的定位技术 143 4.4.4 基于红外的定位技术 143 4.4.5 超声波定位技术 143 4.4.6 超宽带定位技术 144 4.5 混合定位 144 4.5.1 A-GPS 144 4.5.2 GPSOne 146 4.6 基于位置的服务 146 4.6.1 LBS发展历程 147 4.6.2 LBS核心技术 148 4.6.3 LBS服务模式 149 4.6.4 LBS应用案例——AR 150 小结 151 习题 152 实践——调研物联网定位技术应用 案例 153 实验——卫星导航定位实验 154 第5章 智能嵌入技术 155 5.1 嵌入式系统概述 155 5.1.1 嵌入式系统的基本概念 155 5.1.2 嵌入式系统的基本特点 156 5.1.3 嵌入式系统的发展过程 157 5.2 嵌入式系统的结构 157 5.2.1 硬件层 157 5.2.2 硬件抽象层 158 5.2.3 系统软件层 158 5.2.4 应用软件层 159 5.3 嵌入式微处理器的分类 159 5.3.1 嵌入式微控制器 159 5.3.2 嵌入式数字信号处理器 160 5.3.3 嵌入式微处理单元 160 5.3.4 片上系统 161 5.4 嵌入式操作系统 162 5.4.1 嵌入式操作系统概述 162 5.4.2 嵌入式操作系统的发展 163 5.4.3 典型的嵌入式操作系统 164 5.5 智能嵌入技术的应用 168 5.5.1 工业自动化 168 5.5.2 商业应用 169 5.5.3 网络设备 169 5.5.4 智能家居 170 5.5.5 机器人 170 5.6 智能嵌入技术的发展趋势 171 小结 172 习题 172 实践——配置Android系统集成开发 环境 174 第6章 通信网络技术 175 6.1 有线接入技术 176 6.2 无线接入技术 176 6.2.1 Wi-Fi技术(IEEE 802.11) 177 6.2.2 Bluetooth技术(IEEE 802.15.1) 180 6.2.3 UWB技术(IEEE 802.15.3a) 184 6.2.4 红外通信技术(IrDA) 186 6.2.5 WiMAX(IEEE 802.16) 188 6.2.6 MBWA(IEEE 802.20) 188 6.2.7 LPWAN技术 189 6.3 移动通信网络 195 6.3.1 1G(**代移动通信技术) 195 6.3.2 2G(第二代移动通信技术) 196 6.3.3 3G(第三代移动通信技术) 198 6.3.4 4G(第四代移动通信技术) 201 6.3.5 5G(第五代移动通信技术) 203 6.4 核心网 206 小结 207 习题 207 实践1——调研智能电网所用到的 通信技术 211 实践2——调研星闪技术 (SparkLink) 211 第7章 物联网网络服务 213 7.1 物联网网络服务概述 213 7.2 物联网名称解析服务 216 7.2.1 物联网名称解析服务的工作 原理 216 7.2.2 ONS结构与服务方式 218 7.2.3 ONS工作流程 220 7.3 物联网信息发布服务 223 7.3.1 物联网信息发布服务的工作 原理 223 7.3.2 EPCIS的功能与作用 224 7.3.3 EPCIS系统设计 226 7.4 实体标记语言 227 7.4.1 PML概述 228 7.4.2 PML核心思想 229 7.4.3 PML的组成与设计方法 231 7.4.4 PML设计举例 232 小结 233 习题 233 实践——调研ISO、EPC Global及 UID三大RFID标准体系 235 第8章 海量数据存储与处理技术 236 8.1 物联网数据处理技术概述 236 8.1.1 物联网数据的特点 236 8.1.2 物联网数据处理关键技术 237 8.2 海量数据存储技术 238 8.2.1 海量数据存储需求 238 8.2.2 数据存储分类 239 8.2.3 数据存储技术的发展 与演变 241 8.3 云计算与物联网 243 8.3.1 服务器技术的发展 243 8.3.2 数据中心的基本概念 245 8.3.3 云计算的基本概念 247 8.3.4 云计算系统的组成 249 8.3.5 云计算与物联网的关系 251 8.3.6 云计算在物联网中的应用 253 8.4 数据融合技术 257 8.4.1 无线传感器网络数据融合 技术 257 8.4.2 数据融合的分类 257 8.5 普适计算与物联网 260 8.5.1 普适计算技术的特征 260 8.5.2 普适计算的系统组成 261 8.5.3 普适计算的体系结构 262 8.5.4 普适计算的关键技术 262 8.6 人工智能与物联网 263 8.6.1 人工智能的应用 264 8.6.2 人工智能的理论基础 265 8.6.3 人工智能的驱动要素 265 8.6.4 人工智能的发展 266 小结 267 习题 267 实践——调研云计算服务方案 270 第9章 物联网安全技术 271 9.1 物联网的安全架构 271 9.1.1 物联网面临的安全风险 272 9.1.2 物联网系统安全架构的 特点 273 9.1.3 物联网系统安全架构的 组成 274 9.2 物联网的安全威胁 275 9.2.1 感知层安全 275 9.2.2 网络层安全 280 9.2.3 应用层安全 282 9.3 物联网安全关键技术 283 9.3.1 密钥管理技术 284 9.3.2 身份认证技术 285 9.3.3 访问控制技术 286 小结 287 习题 287 实践——调研物联网安全威胁 289 参考文献 290