物聯網技術及應用教程（第2版）

目    錄

第1 章  物聯網緒論 1

1.1  物聯網的起源與發展 1

1.1.1  美國“智慧地球”戰略 2

1.1.2  中國“感知中國”計劃 3

1.1.3  日本及歐盟的發展計劃 3

1.2  物聯網的基本概念 4

1.2.1  物聯網的定義 5

1.2.2  物聯網的特徵 5

1.2.3  物聯網與各種網絡的關系 6

1.3  物聯網的體系結構 8

1.3.1  感知層 11

1.3.2  網絡層 11

1.3.3  應用層 12

1.4  物聯網的支撐技術 13

1.4.1  感知層的支撐技術 13

1.4.2  網絡層的支撐技術 15

1.4.3  應用層的支撐技術 17

1.5  物聯網應用案例 18

1.5.1  精細農牧業 18

1.5.2  智能電網 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  智能醫療 19

1.5.7  智能安防 20

小結 20

習題 20

實踐——調研物聯網應用案例 22

實驗——感受智能家居 22

第2章  自動識別技術 23

2.1  自動識別技術概述 23

2.1.1  自動識別技術的概念 23

2.1.2  自動識別技術的分類 24

2.1.3  自動識別系統的構成 25

2.2  物品信息編碼及識別技術 26

2.2.1  物品信息編碼發展簡史 26

2.2.2  條碼技術概述 27

2.2.3  條碼識別系統處理流程 32

2.3  射頻識別 35

2.3.1  RFID系統的工作原理 35

2.3.2  RFID系統分類 38

2.3.3  RFID系統的組成 41

2.3.4  RFID系統的防碰撞機制

及防沖突算法 46

2.3.5  RFID應用前景 48

2.4  卡識別 50

2.4.1  磁卡識別技術 50

2.4.2  IC卡識別技術 50

2.5  語音識別 52

2.5.1  語音識別系統分類 52

2.5.2  語音識別的工作原理 53

2.6  光學字符識別 54

2.7  生物識別 55

2.8  圖像識別 56

小結 56

習題 57

實踐——調研生物識別技術 61

實驗2.1——認識條碼 61

實驗2.2——RFID基礎實驗 61

第3章  傳感器與無線傳感網 62

3.1  傳感器概述 63

3.1.1  傳感器的定義 63

3.1.2  傳感器的構成 63

3.1.3  傳感器的特性 64

3.1.4  傳感器的種類 66

3.1.5  傳感器產業的發展 67

3.2  常用傳感器 69

3.2.1  溫度傳感器 69

3.2.2  濕度傳感器 71

3.2.3  氣敏傳感器 73

3.2.4  應變片式傳感器 74

3.2.5  霍爾傳感器 76

3.2.6  超聲波傳感器 76

3.3  新型傳感器 77

3.3.1  多功能傳感器 78

3.3.2  MEMS傳感器 79

3.3.3  智能傳感器 82

3.4  傳感器的應用 86

3.4.1  傳感器應用現狀 86

3.4.2  傳感器應用案例 86

3.5  無線傳感網概述 89

3.5.1  無線傳感網的組成 89

3.5.2  無線傳感網的體系結構 91

3.5.3  無線傳感網的特徵 93

3.5.4  無線傳感網的接入 94

3.6  無線傳感網的通信協議 95

3.6.1  MAC協議 95

3.6.2  路由協議 98

3.6.3  傳輸協議 101

3.7  無線傳感網的組網技術 102

3.7.1  無線傳感網的組網模式 102

3.7.2  ZigBee概述 103

3.7.3  ZigBee協議的特點 103

3.7.4  ZigBee協議的設備和結構 104

3.7.5  ZigBee協議棧 106

3.7.6  6LoWPAN 109

3.8  無線傳感網的關鍵技術 112

3.8.1  拓撲控制 112

3.8.2  時間同步 113

3.8.3  數據融合 115

3.9  無線傳感網的應用 117

小結 118

習題 119

實踐——調研高鐵使用的物聯網

技術 123

實驗1——傳感器基礎實驗 123

實驗2——ZigBee組網實驗 124

第4章  定位技術 125

4.1  定位技術概述 125

4.1.1  定位技術的早期發展 126

4.1.2  定位的性能指標 127

4.1.3  定位技術的分類 127

4.1.4  定位技術與物聯網 127

4.2  全球導航衛星系統 128

4.2.1  美國GPS 128

4.2.2  俄羅斯GLONASS 132

4.2.3  中國BDS 134

4.2.4  歐盟Galileo系統 135

4.3  基於網絡的定位技術 137

4.3.1  基於移動通信網絡的定位 137

4.3.2  基於無線局域網的定位 139

4.4  感知定位技術 141

4.4.1  藍牙定位技術 141

4.4.2  基於ZigBee的定位技術 142

4.4.3  基於RFID的定位技術 143

4.4.4  基於紅外的定位技術 143

4.4.5  超聲波定位技術 143

4.4.6  超寬帶定位技術 144

4.5  混合定位 144

4.5.1  A-GPS 144

4.5.2  GPSOne 146

4.6  基於位置的服務 146

4.6.1  LBS發展歷程 147

4.6.2  LBS核心技術 148

4.6.3  LBS服務模式 149

4.6.4  LBS應用案例——AR 150

小結 151

習題 152

實踐——調研物聯網定位技術應用

案例 153

實驗——衛星導航定位實驗 154

第5章  智能嵌入技術 155

5.1  嵌入式系統概述 155

5.1.1  嵌入式系統的基本概念 155

5.1.2  嵌入式系統的基本特點 156

5.1.3  嵌入式系統的發展過程 157

5.2  嵌入式系統的結構 157

5.2.1  硬件層 157

5.2.2  硬件抽象層 158

5.2.3  系統軟件層 158

5.2.4  應用軟件層 159

5.3  嵌入式微處理器的分類 159

5.3.1  嵌入式微控制器 159

5.3.2  嵌入式數字信號處理器 160

5.3.3  嵌入式微處理單元 160

5.3.4  片上系統 161

5.4  嵌入式操作系統 162

5.4.1  嵌入式操作系統概述 162

5.4.2  嵌入式操作系統的發展 163

5.4.3  典型的嵌入式操作系統 164

5.5  智能嵌入技術的應用 168

5.5.1  工業自動化 168

5.5.2  商業應用 169

5.5.3  網絡設備 169

5.5.4  智能家居 170

5.5.5  機器人 170

5.6  智能嵌入技術的發展趨勢 171

小結 172

習題 172

實踐——配置Android系統集成開發

環境 174

第6章  通信網絡技術 175

6.1  有線接入技術 176

6.2  無線接入技術 176

6.2.1  Wi-Fi技術(IEEE 802.11) 177

6.2.2  Bluetooth技術(IEEE 

802.15.1) 180

6.2.3  UWB技術(IEEE 802.15.3a) 184

6.2.4  紅外通信技術(IrDA) 186

6.2.5  WiMAX(IEEE 802.16) 188

6.2.6  MBWA(IEEE 802.20) 188

6.2.7  LPWAN技術 189

6.3  移動通信網絡 195

6.3.1  1G(第一代移動通信技術) 195

6.3.2  2G(第二代移動通信技術) 196

6.3.3  3G(第三代移動通信技術) 198

6.3.4  4G(第四代移動通信技術) 201

6.3.5  5G(第五代移動通信技術) 203

6.4  核心網 206

小結 207

習題 207

實踐1——調研智能電網所用到的

通信技術 211

實踐2——調研星閃技術

(SparkLink) 211

第7章  物聯網網絡服務 213

7.1  物聯網網絡服務概述 213

7.2  物聯網名稱解析服務 216

7.2.1  物聯網名稱解析服務的工作

原理 216

7.2.2  ONS結構與服務方式 218

7.2.3  ONS工作流程 220

7.3  物聯網信息發布服務 223

7.3.1  物聯網信息發布服務的工作

原理 223

7.3.2  EPCIS的功能與作用 224

7.3.3  EPCIS系統設計 226

7.4  實體標記語言 227

7.4.1  PML概述 228

7.4.2  PML核心思想 229

7.4.3  PML的組成與設計方法 231

7.4.4  PML設計舉例 232

小結 233

習題 233

實踐——調研ISO、EPC Global及

UID三大RFID標準體系 235

第8章  海量數據存儲與處理技術 236

8.1  物聯網數據處理技術概述 236

8.1.1  物聯網數據的特點 236

8.1.2  物聯網數據處理關鍵技術 237

8.2  海量數據存儲技術 238

8.2.1  海量數據存儲需求 238

8.2.2  數據存儲分類 239

8.2.3  數據存儲技術的發展

與演變 241

8.3  雲計算與物聯網 243

8.3.1  服務器技術的發展 243

8.3.2  數據中心的基本概念 245

8.3.3  雲計算的基本概念 247

8.3.4  雲計算系統的組成 249

8.3.5  雲計算與物聯網的關系 251

8.3.6  雲計算在物聯網中的應用 253

8.4  數據融合技術 257

8.4.1  無線傳感器網絡數據融合

技術 257

8.4.2  數據融合的分類 257

8.5  普適計算與物聯網 260

8.5.1  普適計算技術的特徵 260

8.5.2  普適計算的系統組成 261

8.5.3  普適計算的體系結構 262

8.5.4  普適計算的關鍵技術 262

8.6  人工智能與物聯網 263

8.6.1  人工智能的應用 264

8.6.2  人工智能的理論基礎 265

8.6.3  人工智能的驅動要素 265

8.6.4  人工智能的發展 266

小結 267

習題 267

實踐——調研雲計算服務方案 270

第9章  物聯網安全技術 271

9.1  物聯網的安全架構 271

9.1.1  物聯網面臨的安全風險 272

9.1.2  物聯網系統安全架構的

特點 273

9.1.3  物聯網系統安全架構的

組成 274

9.2  物聯網的安全威脅 275

9.2.1  感知層安全 275

9.2.2  網絡層安全 280

9.2.3  應用層安全 282

9.3  物聯網安全關鍵技術 283

9.3.1  密鑰管理技術 284

9.3.2  身份認證技術 285

9.3.3  訪問控制技術 286

小結 287

習題 287

實踐——調研物聯網安全威脅 289

參考文獻 290