一书读懂物联网:基础知识+运行机制+工程实现

第 1部分 认知物联网

第 1章　物联网基础　3

1.1 物联网的起源与发展　4

1.1.1 国际组织对物联网的关注　4

1.1.2 国际社会对物联网的关注　5

1.1.3 我国对物联网的关注　6

1.2 物联网解决哪些问题　8

1.3 物联网的领域界定—六域模型　9

1.4 物联网的相关辨析　11

1.4.1 物联网与CPS　11

1.4.2 物联网与传感网　11

1.4.3 物联网和互联网　12

1.4.4 物联网与泛在网络　13

1.5 技术发展对物联网的影响　14

1.5.1 半导体技术的发展　14

1.5.2 传感器技术的发展　15

1.5.3 近距离通信技术　15

1.5.4 互联网的发展　16

1.5.5 云计算的发展　17

1.6 小结　18

第２章　物联网的体系结构　19

2.1 物联网的概念模型　19

2.2 物联网中的组成节点　20

2.3 物联网的分层体系结构　22

2.3.1 感知层特征　22

2.3.2 网络层特征　23

2.3.3 应用层特征　23

2.4 物联网的产业链　26

2.5 物联网的价值网　27

2.6 物联网的生态系统　29

2.7 小结　31

第３章　物联网的应用　32

3.1 智能助手　33

3.2 智能家居　34

3.3 智能建筑　35

3.4 智慧园区　36

3.5 智能工厂　38

3.6 智能交通　40

3.7 智慧城市　41

3.8 智慧地球　45

3.9 小结　46

第 2部分 数据的感知与采集

第４章　数据的感知　49

4.1 物体的数据表达　49

4.1.1 物体属性　50

4.1.2 物体状态　50

4.1.3 物体动作　51

4.1.4 物体能力　51

4.1.5 物体特征的元数据描述　51

4.2 传感器　52

4.2.1 传感器的分类　52

4.2.2 传感器的特性　53

4.2.3 传感器的工作原理　54

4.2.4 传感器的发展方向　55

4.3 传感器在电子产品中的应用示例　55

4.3.1 iPhone一代与多点触控屏幕　56

4.3.2 iPhone 2、iPhone 3中3G技术的应用与定位导航技术　58

4.3.3 iPhone 4的前置摄像头、双麦克风和陀螺仪　59

4.3.4 iPhone 5S的生物识别　59

4.3.5 iPhone 6/6 Plus和iPhone 6S/6S Plus　60

4.4 传感器的选型原则　61

4.4.1 性能指标　62

4.4.2 硬件接口和信号输出形式　64

4.4.3 成本分析　64

4.4.4 工作环境　65

4.4.5 关注故障分析　65

4.5 传感器在物联网系统中的应用示例：桥梁监测　65

4.5.1 桥梁监测的指标体系　65

4.5.2 数据采集　67

4.5.3 桥梁监测点管理　68

4.6 小结　69

第５章　物体的辨识　70

5.1 物联网标识　71

5.1.1 对象标识　72

5.1.2 通信标识　72

5.1.3 应用标识　72

5.1.4 物联网标识的发现服务　72

5.2 EPC系统　73

5.2.1 EPC 编码标准　74

5.2.2 EPC编码的解析技术进展　74

5.3 条码和二维码　75

5.4 磁卡与IC卡　76

5.4.1 磁卡　76

5.4.2 IC卡　77

5.5 电子标签　78

5.5.1 什么是RFID　78

5.5.2 RFID的工作原理和技术特点　78

5.5.3 RFID 的产品分类　79

5.6 生物特征识别技术　80

5.6.1 人脸识别　80

5.6.2 语音识别　80

5.6.3 指纹识别　81

5.6.4 虹膜识别　81

5.6.5 皮肤识别　81

5.6.6 体形识别　81

5.6.7 签字识别　82

5.7 小结　82

第６章　嵌入式系统　83

6.1 嵌入式系统基础　83

6.1.1 嵌入式微处理器　84

6.1.2 嵌入式系统中的相关存储　84

6.1.3 嵌入式系统的相关接口　85

6.1.4 嵌入式系统的初始化　85

6.1.5 嵌入式操作系统　85

6.2 嵌入式系统的设备类型　86

6.2.1 智能尘埃　86

6.2.2 一般计算能力的嵌入式设备　86

6.2.3 可穿戴设备　87

6.2.4 智能设备　88

6.3 物联网终端的操作系统　89

6.4 嵌入式系统的应用框架　91

6.4.1 应用框架　91

6.4.2 手机上的应用框架　92

6.4.3 M2M的应用框架　93

6.4.4 面向JavaScript的嵌入式应用框架　95

6.5 嵌入式系统的更新升级—OTA　95

6.5.1 OTA方案的特点　96

6.5.2 OTA系统的参考架构　97

6.5.3 OTA的服务流程　98

6.5.4 OTA中的交互协议　99

6.6 小结　100

第3部分 数据的传输与网络

第７章　局域连接性　103

7.1 嵌入式系统的内部连接性　103

7.1.1 常见总线　104

7.1.2 常见接口　104

7.2 红外通信　105

7.3 蓝牙　106

7.3.1 蓝牙设备的组网　107

7.3.2 经典蓝牙的通信过程　107

7.3.3 低功耗蓝牙的通信过程　108

7.4 Zigbee　108

7.4.1 Zigbee协议与网络　109

7.4.2 Zigbee的通信机制　110

7.5 Wi-Fi与WLAN　110

7.5.1 Wi-Fi及其组网模式　111

7.5.2 WLAN　113

7.5.3 6LoWPAN　114

7.6 其他近距离无线通信技术　116

7.6.1 各种反向散射技术　116

7.6.2 反向散射通信技术在物联网中的潜在应用　117

7.7 边缘网络　118

7.7.1 各种局域连接性技术的对比　118

7.7.2 从边缘网络到边缘智能　119

7.8 小结　120

第８章　广域传输与网络　121

8.1 移动蜂窝通信技术　121

8.1.1 第三代移动通信—3G　122

8.1.2 第四代移动通信—4G　122

8.1.3 第五代移动通信—5G　123

8.2 低功耗广域网　124

8.2.1 LoRa　124

8.2.2 Sigfox　125

8.2.3 窄带物联网　126

8.3 互联网　128

8.3.1 IPv6的地址分配　128

8.3.2 物联网与互联网相融合的路由体系　129

8.4 软件定义的广域网（SD-WAN）　130

8.4.1 软件定义网络　131

8.4.2 SD-WAN的技术优势　132

8.5 小结　133

第９章　物联网的通信协议　134

9.1 连接性协议　135

9.1.1 802.11系列协议　135

9.1.2 连接性协议的对比分析　136

9.2 网络协议　138

9.2.1 物理层、数据链路层和网络层　138

9.2.2 传输层　139

9.3 应用协议　139

9.3.1 互联网应用层协议在物联网的应用　139

9.3.2 物联网的应用层协议　140

9.3.3 应用层协议的对比　142

9.4 物联网的通信协议选择　144

9.4.1 协议栈的选择与供应商的关系　145

9.4.2 协议选择中的关键特性　145

9.4.3 协议实施时的其他考量　147

9.5 小结　148

第4部分 数据的存储与处理

第 1０章　数据存储　152

10.1 物联网中数据的存储位置　152

10.1.1 从设备存储到边缘存储　153

10.1.2 从数据中心到云存储　154

10.2 数据存储的服务—数据库系统　155

10.2.1 关系数据库　155

10.2.2 实时数据库　156

10.2.3 时序数据库　156

10.3 NoSQL与大数据　157

10.3.1 键值型NoSQL　157

10.3.2 文档存储型NoSQL　158

10.3.3 列存储型NoSQL　158

10.3.4 图存储型NoSQL　159

10.4 分布式存储技术　159

10.5 物联网中基于数据存储的实体搜索　160

10.6 小结　164

第 1１章　数据分析与处理　165

11.1 物联网的计算模型　165

11.1.1 面向物联网的云计算　166

11.1.2 面向物联网的雾计算　166

11.1.3 面向物联网的边缘计算　168

11.2 物联网的数据处理架构　169

11.2.1 批处理架构　170

11.2.2 流处理架构　171

11.2.3 Lambda 架构　172

11.3 物联网中的数据分析　173

11.3.1 卡尔曼滤波器　174

11.3.2 贝叶斯分类与多贝叶斯估计　174

11.3.3 规则引擎　175

11.3.4 模糊逻辑与人工神经网络　175

11.3.5 物联网数据分析与处理示例　175

11.4 物联网数据的价值挖掘　177

11.5 物联网的数据可视化　178

11.5.1 数据可视化的概念　179

11.5.2 文本可视化　180

11.5.3 网络可视化　181

11.5.4 时空数据可视化　181

11.5.5 多维数据可视化　182

11.5.6 支持可视化分析的人机交互技术　182

11.6 物联网中的网络控制系统　183

11.6.1 控制模型　183

11.6.2 物联网控制系统架构　184

11.6.3 物联网中的控制器　185

11.7 小结　186

第5部分 设计与工程实现

第 1２章　物联网产品设计与工程实现　189

12.1 物联网产品的业务特性　189

12.2 商业化流程　190

12.2.1 需求分析及非功能属性的设计　191

12.2.2 外观设计　192

12.2.3 结构设计　193

12.2.4 电子设计　193

12.2.5 软件开发　193

12.2.6 电路验证　194

12.2.7 结构开模与电子备料　194

12.2.8 整机验证　194

12.2.9 包材设计与生产　195

12.2.10 小批量试产　195

12.2.11 工厂量产　195

12.2.12 销售和售后　196

12.3 一个物联网网关的设计与实现　196

12.3.1 物联网网关的功能　196

12.3.2 物联网网关的设计　197

12.3.3 物联网网关的架构　199

12.4 从物联网产品设计到绿色物联网　201

12.4.1 物联网中的能耗分布　201

12.4.2 物联网产品的低功耗设计　204

12.4.3 绿色物联网　208

12.5 小结　208

第 1３章　物联网系统设计与工程实现　209

13.1 物联网云服务系统设计　210

13.1.1 云服务的连接方式　210

13.1.2 产品级代理：云服务连接性的黑箱方法　211

13.1.3 SDK：云服务连接性的白箱方法　211

13.1.4 便携式代理：云服务连接的灰箱方法　212

13.2 设计与工程实现中的要点和技术选型　213

13.2.1 流量控制　213

13.2.2 缓存系统　214

13.2.3 服务支撑　214

13.2.4 运维体系　217

13.2.5 开放平台　219

13.3 物联网中的中间件服务　220

13.4 物联网软件系统设计与实现流程　221

13.4.1 瀑布模型开发方法　221

13.4.2 敏捷开发　223

13.4.3 物联网软件系统的相关依赖：供应链管理的敏捷性影响　224

13.5 物联网系统的工程实现　225

13.6 物联网系统设计案例：智能电网　226

13.6.1 用户侧智能电网的传感层建设　226

13.6.2 用户侧智能电网物联网的网络层建设　227

13.6.3 用户侧智能电网物联网的管理层/决策层建设　227

13.7 小结　228

第6部分 物联网的热门话题

第 14章　物联网的标准化　231

14.1 标准的定义　231

14.2 物联网的标准体系　232

14.2.1 物联网感知层中的物理层标准　233

14.2.2 物联网感知层中的MAC层标准　233

14.2.3 物联网感知层中的网络层标准　234

14.2.4 物联网感知层中的主干网接入层标准　234

14.2.5 物联网感知层中的服务质量评估　234

14.3 物联网标准化组织　235

14.4 ITU-T物联网标准的发展　237

14.5 物联网的产业联盟　238

14.6 物联网的开源社区　239

14.7 物联网应用领域的标准化示例：智能照明　240

14.7.1 智能照明系统的网络架构　241

14.7.2 智能照明系统的通信模式　242

14.8 小结　242

第 1５章　物联网的安全性　243

15.1 信息系统的安全性　243

15.2 物联网安全的特点　244

15.3 物联网的安全问题与相关技术　245

15.3.1 传感器中的安全问题　245

15.3.2 轻量级加密算法　246

15.3.3 物联网操作系统的安全技术　246

15.3.4 边缘网络的安全技术　247

15.3.5 核心网络的安全问题　248

15.3.6 物联网中的隐私保护　248

15.4 可信网络　250

15.4.1 可信终端　252

15.4.2 可信传输　253

15.4.3 可信用户　254

15.5 区块链与物联网安全　256

15.5.1 区块链的相关概念　256

15.5.2 基于区块链的可信网络　257

15.5.3 基于区块链的边缘网络安全保障　258

15.5.4 区块链隐私保护　259

15.5.5 面向物联网的区块链　260

15.6 小结　262

第 1６章　物联网与人工智能　263

16.1 理解人工智能　263

16.1.1 从图灵测试看人工智能　264

16.1.2 从计算机体系结构看人工智能　264

16.2 机器学习与人工智能　266

16.2.1 机器学习的类型　266

16.2.2 机器学习的常见算法　267

16.2.3 机器学习在物联网中的应用示例　270

16.3 人工智能技术在物联网中的应用　270

16.3.1 人工神经网络在嵌入式系统中的应用　272

16.3.2 面向深度学习的物联网系统设计　273

16.3.3 语义融合在物联网中的应用　274

16.4 物联网中的人工智能操作系统　275

16.5 人工智能与物联网融合的典型案例：智能音箱　276

16.6 小结　278