物联网

分成三层

每一层分成几个模块

功能和流程是不一样的

功能是要达到的效果

🌻对着框架讲流程 再讲每部分功能 每个模块怎么实现 再展示是什么样子的

🌻设计思想—> 架构—>流程—>每一块的功能

至少讲清楚每一层用了什么

eg RFID WSN

eg 有线 无线

🌻实现的代码 类似实验中用python实现可视化

 可视化代码 基础是实现功能 读数据 界面内容都是自定义    关键代码

找端口 读端口数据 解析数据 让人可可以可视化的内容

假设一个口 串口还是485总线还是网线

硬件都是自己设计的 根据自己设计的来写 1用什么硬件 怎么设计软件

二进制转换为字符的 没有API的情况怎么实⁄现

十个选择题

两个大题 各种应用和设计

要素够逻辑正确内容精简

课后着重选择题 思考题思考一下怎么答

[TOC]

第一章物联网概论

物联网发展的社会背景

物联网概念的提出

1. 比尔盖茨与电子别针
2. Auto-ID实验室、RFID与物联网概念
3. ITU与物联网概念的提出

物联网与智慧地球

智慧地球=互联网+物联网

1. 智慧地球将传感器嵌入和装备到电网、铁路、桥梁、隧道、公路、建筑、供水系统、大坝、油气管道等各种物体中，并通过超级计算机和云计算组成物联网，实现“人-机-物”的融合
2. 通过在基础设施和制造业中大量嵌入传感器，捕捉运行过程中的各种信息，然后通过无线网络接入到互联网，通过计算机分析、处理和发出指令，反馈给控制器，远程执行指令
3. 通过智慧地球技术的实施，人类可以以更加精细和动态的方式管理生产与生活，提高资源利用率和生产能力改善人与自然的关系

欧盟与各国政府物联网产业的发展规划

欧盟发展物联网产业的规划

1. 第一阶段（2010年前）：基于RFID技术实现低功耗、低成本的单个物体间的互联，并在物流、零售、制药等领域开展局部的应用
2. 第二阶段（2010～2015年）：利用传感网与无处不在的RFID标签实现物与物之间的广泛互联，针对特定的产业制定技术标准，并完成部分网络的融合
3. 第三阶段（2015～2020年）：具有可执行指令的RFID标签广泛应用，物体进入半智能化，物联网中异构网络互联的标准制定完成，网络具有高速数据传输能力
4. 第四阶段（2020年之后）：物体具有完全的智能响应能力，异构系统能够实现协同工作，人、物、服务与网络达到深度地融合

物联网与我国战略性新兴产业

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物联网发展的技术背景

1. 从人类对技术需求的角度认识物联网发展的必然性
2. 从互联网技术发展的角度认识物联网发展的必然性
3. 从普适计算研究的角度认识物联网发展的必然性 普适计算（Pervasive Computing）— 无处不在的计算
4. 从CPS(信息物理系统）研究的角度认识物联网发展的必然性

普适计算的特征

• 强调“无处不在”与“不可见”
• 核心是“以人为本”
• 提供自适应的网络服务
• 关键是智能

普适计算的思想就是使计算机从用户的意识中彻底“消失”，在物理世界中结合计算处理能力与控制能力，将人与人、人与机器、机器与机器的交互最终统一为人与自然的交互，达到“环境智能化”的境界

普适计算与物联网的关系

1. 普适计算与物联网从研究目标、研究的内容，到工作模式上都有很多相同之处
2. 普适计算的研究方法与研究成果，对于物联网技术的研究有着重要的借鉴与启示作用
3. 物联网的出现也使我们在实现普适计算的道路上前进了一大步

物联网、互联网、传感网与泛在网的关系

CPS主要技术特征

自动泊车是无人驾驶汽车重要的功能与研究内容之一，它是感知、智能、 计算、通信与控制技术交叉融合的产物，是一种典型的信息物理融合的CPS系统

• CPS是“人-机-物”深度融合的系统
• CPS是“3C”与物理设备深度融合的系统（Computation Communication and Control）
• CPS 是环境感知、嵌入式计算、网络通信深度融合的系统

CPS的主要功能

• “感”：多感知器协同感知物理世界的状态信息
• “联”：连接物理世界与信息世界的各种对象，实现信息交互
• “知”：通过对感知信息的智能处理，正确、全面地认知物理世界
• “控”：根据正确的认知，确定控制策略，发出指令，指挥执行器协同控制物理世界

CPS 是环境感知、嵌入式计算、网络通信深度融合的系统

CPS与物联网的关系

• CPS研究的目标与物联网未来发展方向是一致的。CPS与物联网所催生的智能技术与设备、协同工作体系、柔性化生产方式、精细化管理模式，将重塑现代产业体系的新格局
• CPS因控制技术与信息技术融合而起，将随着物联网在各行各业的应用，智能工业、智能农业、智能医疗的应用而迅速发展
• CPS理论研究与技术研究的成果，对物联网未来的发展有着重要的启示与指导作用

物联网定义与主要技术特征

物联网的定义

什么是物联网

按照规定的协议，将具有“感知、通信、计算”功能的智能物体、系统、信息资源 互联起来，实现对物理世界“泛在感知、可靠传输、智慧处理”的智能服务系统

• 物联网是在互联网基础上发展起来的，它与互联网在基础设施上有一定程度的重合，但是它不是互联网概念、技术与应用的简单扩展
• 互联网扩大了人与人之间信息共享的深度与广度，物联网更加强调它在人类社会生活的各个方面、国民经济的各个领域广泛与深入地应用
• 物联网主要特征是：泛在感知、可靠传输、智慧处理

物联网的主要技术特征

• 物联网的智能物体具有感知、通信与计算能力
• 物联网可以提供所有对象在任何时间、任何地点的互联
• 物联网的目标是实现物理世界与信息世界的融合任何时间连接任何地点连接任

物联网与互联网的比较

1. 物联网与互联网的相通之处

1. 物联网与互联网的不同之处
   1. 物联网提供行业性、专业性与区域性的服务，互联网提供全球性公共信息服务
   2. 物联网数据主要是通过自动方式获取的 ，互联网数据主要是以人工方式生成的
   3. 物联网是可反馈、可控制的“闭环”系统

物联网与“互联网+”的关系

1. “互联网+”是对我国社会与经济发展思路高度凝练的表述，它涵盖着互联网、移动互联网与物联网与各行各业、社会各个层面“跨界融合”的丰富内容
2. 物联网是支撑“互联网+” 发展的核心技术之一
3. 推进“互联网+” 将为物联网产业开辟更加广阔的发展空间

物联网的体系结构

物联网体系结构基本概念

物联网三层结构模型

1. 应用层
   1. 行业应用层
   2. 管理服务层
2. 网络层
   1. 核心交换层
   2. 汇聚层
   3. 接入层
3. 感知层

感知层

感知层设备分类：

• 自动感知设备
• 人工生成信息设备

感知能力和控制能力

从一块简单的RFID标签、一个温度传感器或测控装置，到一个复杂的智能机器人，它们之间最重要的区别表现在：

是不是需要同时具备感知能力和控制、执行能力，以及需要什么样的控制、执行能力

网络层

1. 接入层：连接各种传感器、传感网、感知设备与执行设备，将感知数据传送到汇聚层并将控制指令反馈给执行设备
2. 汇聚层：聚合接入层的用户流量，实现感知数据与控制指令的路由、转发与交换
3. 核心交换层：连接应用层，为物联网提供一个高速、安全与保证服务质量的数据传输环境

汇聚层

核心交换层不可能直接接入大量的感知与执行设备，借鉴互联网处理大规模接入的经验，需要在接入层与核心交换层之间插入汇聚层

• 汇接接入层的用户流量，进行数据分组传输的汇聚、转发与交换
• 根据接入层的用户流量，进行本地路由、过滤、流量均衡、优先级管理，以及安全控制、地址转换、流量整形等处理
• 根据处理结果把用户流量转发到核心交换层或在本地进行路由处理

应用层

1. 管理服务层：

   1. 管理服务层通过中间件，在物理上隔离物联网应用系统与RFID或传感器硬件、网络技术的差异性，在逻辑上实现应用层与低的无缝连接
   2. 管理服务层要提供物联网海量数据存储、融合、查询、检索的服务功能

   

物联网共性服务

1. 网络安全
2. 网络管理
3. 对象名字服务
4. 服务质量保障

物联网关键技术及其涵盖的基本内容

1. 感知技术

   • RFID标签选型与读写器设计

   • 传感器的选型与传感器节点结构设计

   • 传感网的设计与实现

   • 中间件与数据处理软件的设计与实现

2. 嵌入式技术

   • 专用芯片设计制造

   • 嵌入式硬件结构设计与实现

   • 嵌入式操作系统

   • 嵌入式应用软件

3. 无线通信技术

   • 无线通信技术的选型

   • 无线通信网络系统设计

   • M2M协议与应用

4. 网络技术

   • 网络技术选型

   • 网络结构设计

   • 异构网络互联

   • 异构网络管理

5. 智能处理技术

   • 中间件与应用软件

   • 海量数据存储与搜索

   • 数据融合与知识发现

   • 智能决策

6. 控制技术

   • 环境感知

   • 信息融合

   • 规划与决策

   • 智能控制

7. 定位技术

   • 位置信息

   • 定位技术

   • 位置服务

8. 信息安全技术

   • 感知层安全

   • 传输层安全

   • 应用层安全

   • 隐私保护

第二章RFID与物联网应用

自动识别技术的发展

条形码->磁卡-> IC卡 -> RFID 标签

条形码

• 信息容量大
• 纠错能力强 保密性好
• 应用范围广
• 成本低
• 容错能力强

条码阅读器扫描条码时必须能够“看到”“清晰”的条码图形

• Ø“看到”是指阅读器与条码之间没有遮挡，必须是“可视”
• Ø清晰”是指条码图形没有遮挡、折叠或破损

RFID标签

• RFID是利用无线射频信号空间耦合的方式，实现无接触的标签信息自动传输与识别的技术
• RFID标签又称为“电子标签（tag）”或“射频标签”

特点：

• RFID芯片存储的数据量大，最多可以多达几千个字节
• RFID读写器读取RFID标签数据的距离可以是几厘米，甚至是上百米
• RFID标签可以贴在货物的内部、包装箱、运输托盘或安装在运输车辆上
• RFID读写器通过无线方式读取RFID标签数据，不需要与货物接触，也不限定货物摆放在特定的位置与特定的角度
• RFID读写器读取RFID标签数据可以在多种环境中完成，工作环境可以在白天或夜晚的黑暗状态中
• RFID标签数据的读写过程是通过无线通信方式自动完成的

应用

分类

1. 按标签供电方式可以分为：无源与有源RFID标签

   • Ø 无源RFID标签内不含电池，它的能量要从RFID读写器获取

   • Ø 当无源RFID标签靠近RFID读写器时，无源RFID标签的天线将接收到的电磁波能量转化成电能，激活RFID标签中的芯片，并将芯片中存储的数据发送到RFID读写器

   • Ø 无源RFID标签的优点是体积小、重量轻、成本低、寿命长，可以制作成薄片或挂扣等不同形状，应用于不同的环境

   • Ø 有源RFID标签由内部电池提供能量

   • Ø 有源RFID标签的优点是作用距离远，可以达到几十米，甚至是上百米

   • Ø 有源RFID标签的缺点是体积大、成本高，使用时间受到电池寿命的限制

2. 按工作模式RFID标签可以分为：主动式、被动式与半主动式

   • Ø 主动式RFID标签依靠自身的能量主动向RFID读写器发送数据

   • Ø 被动式RFID标签从RFID读写器发送的电磁波中获取能量，激活RFID芯片，向RFID读写器发送数据

   • Ø 半主动式RFID标签自身的能量只提供给RFID标签中的电路使用，并不主动向RFID读写器发送数据；当它接收到RFID读写器发送的电磁波激活之后，才向RFID读写器发送数据

3. 按标签读写方式RFID标签可以分为：只读式与读写式

   • 只读式RFID标签可以进一步分为三类：

     • 只读标签 —内部使用ROM，只能读出不能写入

     • 一次性编程只读标签 —内部使用的是可编程序只读存储器（PROM）、可编程阵列逻辑（PAL），可以通过标签编码打印机写入商品编码信息

     • 重复编程只读标签 —内部使用的是可擦除可编程只读存储器（EPROM）或通用阵列逻辑（GAL），可重复编程只读标签的内容经过擦除后，可以重新编程写入，但是在读写器识别过程中只能读出不能写入

   • 读写式RFID标签：

     • 读写式RFID标签内部使用的是随机存取存储器（RAM）或可擦可编程只读存储器（EEROM），标签的内容在识别过程中可以被读写器读出，也可以被读写器写入

4. 按标签工作频率进行分类

   • Ø 低频RFID标签

   • Ø 中高频RFID标签

   • Ø 超高频与微波段RFID标签

5. 按封装材料进行分类

   • Ø 纸质封装RFID标签

   • Ø 塑料封装RFID标签

   • Ø 玻璃封装RFID标签

6. 按标签封装的形状进行分类

   • Ø 粘贴在标识物上的薄膜型的自粘贴式标签

   • Ø 用户携带、类似于信用卡的卡式标签

   • Ø 封装成能够固定在车辆或集装箱上的柱型标签

   • Ø 封装在塑料扣中，用于动物耳标的扣式标签

   • Ø 封装成钥匙扣中，用于随身携带的身份标识标签

   • Ø 封装在玻璃管中，用于人或动物的植入式标签

EPC编码标准

核心思想

• 为每一个产品，而不是一类产品分配一个唯一的EPC产品编码
• EPC编码能够存储在RFID标签的芯片中
• 通过无线通信技术，RFID读写器可以通过非接触方式自动读取EPC编码
• 通过连接在互联网的服务器，可以完成对EPC编码对应物品详细信息的查询

EPC编码体系

目标：EPC编码要为全球每一类产品中的每一件产品提供一个唯一的EPC码

编码结构

• 第一个字段：版本号

  版本号字段值表示产品编码所采用的EPC版本

  从版本号可以知道编码的长度与结构

• 第二个字段：域名管理

  域名管理字段值用来标识生产厂商

  根据域名管理字段值可以查询出生产厂商服务器在互联网的域名信息

• 第三个字段：对象分类

  对象分类字段值用来标识产品类型

• 第四个字段：序列号

  序列号字段值用来标识每一件产品

ONS服务器体系

与互联网的DNS相似，物联网中ONS服务器体系同样要形成从根ONS服务器、顶级OSN服务器到本地ONS服务器的多层结构

通过层次性的ONS服务器体系的协同工作，为物联网应用系统提供物品名字解析服务，支持智能制造、智能物流等应用系统的运行

ONS服务器体系将成为支撑物联网运行的重要信息基础设施之一

物联网ONS是建立在互联网的DNS之上的，ONS与DNS存在着“依存与协作”的关系

互联网DNS技术为物联网ONS提供成熟的设计、组建与运行管理经验，为物联网发展奠定了坚实的基础

物联网的发展也进一步扩大了互联网的应用范围与作用

RFID 标签读写器

基本功能

• 能够将读取储在RFID标签中的数据，并传送到计算机
• 能够将计算机写入的数据或指令发送到RFID芯片
• 能够发现标签读写过程中出现的错误

RFID标签读写器的分类

RFID读写器结构

• 中心控制器模块—执行对读写器整体运行的控制
• 读写模块—实现对标签的数据读出与写入的功能
• 存储器模块—存储系统软件、应用软件与标签数据
• 人机交互模块—实现手持读写器操作人员的命令，显示命令执行的结果
• 接口模块—实现读写器与高层计算机的数据通信
• 电源模块—监控手持设备的电源供应与电池电量

设计问题

• 标签身份识别与标签数据传输解密/解密问题
• 标签数据传输错误问题
• 多标签读取过程中的“冲突”问题
• 有源标签电源状态管理问题
• 标签与天线位置对读写效果的影响

第三章传感器与传感网技术

传感器概述

传感器（sensor）是由敏感元件和转换元件组成的种检测裝置，能感受到被测量，并能将检测和感受到的信息，按一定规律变换成为电信号（电压、电流、频率或相位）输出，以满足感知信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制的要求

 结构与工作原理示意图

传感器的分类

传感器分类的基本方法：

• 根据传感器功能分类
• 根据传感器工作原理分类
• 根据传感器感知的对象分类
• 根据传感器的应用领域分类

常用的物理传感器与化学传感器

物理传感器

物理传感器的原理是利用力、热、声、光、电、磁、射线等物理效应，将被测信号量的微小变化转换成电信号

物理传感器可以进一步分为：力传感器、热传感器、声传感器、光传感器、电传感器、磁传感器与射线传感器等7类

传感器介绍

力传感器

力传感器是能感受外力并将其转换成可用输出信号的传感器

力传感器是能感受外力并将其转换成可用输出信号的传感器力传感器的种类繁多，常用的力与压力传感器有电阻应变式、半导体应变式、压阻式、电感式、电容式、谐振式压力传感器，以及光纤压力传感器等

原理示意图：

用途:

温度传感器

声传感器

光传感器

分布式光纤传感系统

分布式光纤传感系统利用光纤作为传感敏感元件和传输信号介质，探测出沿着光纤不同位置的温度和应变的变化，实现分布、自动、实时、连续、精确的测量

分布式光纤传感系统应用领域包括：

• Ø 智能电网的电力电缆表面温度检测、事故点定位
• Ø 发电厂和变电站的温度监测、故障点检测和报警
• Ø 水库大坝、河堤安全与渗漏监测
• Ø 桥梁与高层建筑结构安全性监测
• Ø 公路、地铁、隧道地质状况的监测

分布式光纤温度传感系统可以在易燃、易爆的环境下同时测量上万个，可以对每个温度测量点进行实时测量与定位

电传感器

电传感器可以分为：电阻式、电容式、电感式传感器

• Ø 电阻式传感器利用变阻器将非电量转换成电阻信号的原理制成的，电阻式传感器主要用于位移、压力、应变、力矩、气流流速、液面与液体流量等参数的测量
• Ø 电容式是利用改变电容器的几何尺寸或介质参数，来使电容量变化的原理制成的；电容式传感器主要用于压力、位移、液面、厚度、水分含量等参数的测量
• Ø 电感式是利用改变电感磁路的几何尺寸或磁体位置，来使电感或互感量变化的原理制成的，主要用于压力、位移、力、振动、加速度等参数的测量

磁传感器

• 磁传感器是最古老的传感器，指南针是磁传感器的最早的一种应用
• 磁传感器将磁信号转化成为电信号输出
• 磁电式传感器目前已经被高性能磁敏感材料的新型磁传感器所替代

射线传感器

射线传感器是将射线强度转换出可输出的电信号的传感器

• Ø 射线传感器可以分为：X射线传感器、γ射线传感器、β射线传感器、辐射剂量传感器
• Ø 射线传感器已经在环境保护、医疗卫生、科学研究与安全保护领域广泛使用

化学传感器

化学传感器可以将化学吸附、电化学反应过程中被测信号的微小变化转换成电信号的一类传感器

• Ø 按传感方式的不同，可分为：
  • —接触式化学传感器
  • —非接触式化学传感器
• Ø 按结构形式的不同，可以分为：
  • —分离型化学传感器
  • —组装一体化化学传感器
• Ø 按检测对象的不同，可以分为：
  • —气体传感器
  • —离子传感器
  • —湿度传感器

生物传感器

生物传感器是由生物敏感元件和信号传导器组成

Ø 生物敏感元件可以是生物体、组织、细胞、酶、核酸或有机物分子

Ø 不同的生物元件对于光强度、热量、声强度、压力有不同的感应特性

分类：

• 输出信号方式：生物亲和型生物传感器、代谢型生物传感器与催化性生物传感器
• 分子识别元件：酶传感器、微生物传感器、组织传感器、细胞传感器与免疫传感器
• 信号转换器：电化学生物传感器、半导体生物传感器、测热型生物传感器、测光型生物传感器、测声型生物传感器

纳米传感器

定义：任何一种传感器只要具备以下属性之一者都可以称为纳米传感器。这些属性是：

• Ø传感器大小是纳米级的
• Ø传感器灵敏度是纳米级的
• Ø传感器与被观测物之间的相互作用距离在纳米级的

特点：

例子：

分类：

• 纳米传感器包含利用纳米结构（至少一个维度上横向尺寸小于100nm，同时其他维度上尺寸小于1μm）的环境中传递信息
• Ø从纳米传感器定义可以看出：纳米传感器必须遵循几何尺寸上达到纳米量级的要求
• Ø体积小的纳米传感器可以作为植入式传感器，应用于疾病医疗与健康监测之中

传感器性能指标

• Ø线性度
• Ø灵敏度
• Ø分辨率
• Ø迟滞
• Ø重复性
• Ø漂移
• Ø测量范围
• Ø精度

智能传感器

特点：

• Ø自学习、自诊断与自补偿能力
• Ø复合感知能力
• Ø灵活的通信能力

MEMS与NEMS技术是MEMS与NEMS是在微电子技术基础上发展起来的多学科交叉的新兴学科，

它以微电子及机械加工技术为依托，研究涉及微电子学、机械学、力学、自动控制科学、材料科学等多个学科

• 20世纪60年代，科学家开始了MEMS技术的研究
• 80年代微型硅加速度计、微型硅陀螺仪、微型硅静电马达相继问世
• 90年代科学家开展了NEMS技术的研究与纳米传感器器件制备

无线传感器

UGS的无线传感器的研究与应用

无线传感器网络

从无线分组网到无线自组网

IEEE将无线自组网定义为一种特殊的自组织、对等式、多跳、无线移动网络（MANET），它是在无线分组网的基础上发展起来的

无线自组网有多个英文名称，如Ad hoc network 、Self-organizing network、Infrastructureless network 与Multi-hop network

1991年5月，IEEE正式采用“Ad hoc网络”术语， Ad hoc在英语中的含义是“for the specific purpose only”，即“专门为某个特定目的、即兴的、事先未准备的”意思

无限能自组网的特点：

• Ø自组织与独立组网
• Ø无中心
• Ø多跳路由
• Ø动态拓扑
• Ø无线传输的局限与节点能量的限制
• Ø网络生存时间的限制

从无线自组网到无线传感器网网络

LWIM 与WINS无线传感器网络的研究

智能尘埃项目的研究

智能尘埃(Smart Dust)项目研究的目标是通过MEMS技术，实现传感、计算与通信能力的集成，用智能传感器技术去增强微型机器人环境感知与智慧处理能力

无线传感器网络技术发展的过程

无线传感器网络

无线传感器网络特点：

• 网络规模
• 自组织网络
• 拓扑结构的动态变化
• 以数据为中心

无线传感器网络的基本结构

无线传感器网络节点类型:

• 传感器节点
• 汇聚节点
• 管理节点

电源能量对无线传感器节点设计的限制

Ø 无线传感器节点通常是一个微型的嵌入式系统，它的处理能力、存储能力和通信能力相对较弱，通过自身携带的能量有限的电池（钮扣电池或干电池）供电

Ø 汇聚节点既可以是一个具有增强功能的传感器节点，有足够的能量提供给更多的内存与计算资源，也可以是没有监测功能仅带有无线通信接口的特殊网关设备

无线传感器网络结构

无线传感器节点模块的功能

1. 传感器模块：传感器完成监控区域内信息感知和采集，AC/DC电路将模拟信号转换成数字信号
2. 处理器模块：负责控制整个传感器节点的操作，存储和处理传感器采集的数据，以及其他节点传送来的数据
3. 无线通信模块：负责与其他传感器节点进行无线通信，网络层模块负责完成数据包的传输路由选择，介质访问控制模块负责协调多节点对公共通信信道的访问控制，无线收发器模块负责数据信号的发送和接收

无线传感器节点设计的原则

1. 微型化
2. 低成本
3. 低功耗
4. 灵活性
5. 鲁棒性

研究与发展

无线传感器与执行器网络

背景导入：

随着WSN在环境监测、智能医疗、智能交通与军事领域应用的深入，人们认识到：在某些应用环境中必须将执行器与传感器结合起来，无线传感器与执行器网络（Wireless Sensor and Actor Networks，WSAN）研究被提上日程

小型、智能、自治、低能耗、低成本执行器研发的速度，使得WSAN成为可能；目前WSAN已经在工业生产线的工业机器人、军事上广泛应用的无人机、未来战士、防暴机器人、运输机器人中已经应用

作为物联网主要支撑技术的下一代无线传感器网络，WSAN有望应用于防灾救灾、智能工业、智能农业、智能家居、智能交通、智能医疗等应用领域，同时WSAN的应用又进一步推动了普适计算、CPS与环境智能化研究的发展

基本原理

传感器节点和执行器节点的区别

• 传感器节点是静态不移动的，执行器节点是移动的
• 部署在监控区域的传感器节点数量很多，而执行器节点不需要很多，关键要看它执行能力的强弱
• WSAN要求传感器节点与传感器节点、传感器节点与执行器节点、执行器节点与执行器节点之间要能够协同通信

WSAN的主要特点

1. 异构性
2. 实时性
3. 移动性
4. 协作性

WSAN的执行机制

协同机制

自主机制与半自主机制

无线多媒体传感网络

WMSN（Wireless Multimedia Sensor Network）的基本概念

在军事战场监控与评估、机器人视觉、交通监控、车辆主动安全、医疗监护、智能家居、环境监控、工业工程控制等实际应用中，需要对视频、音频、图像等多媒体信息的感知、传输和处理，需要比传统的WSN更为直观、更清晰的信息

WMSN是在传统的WSN的基础上引入视频、音频、图像等多媒体信息感知、传输与处理功能的新型WSN

WMSN能够更准确、直观地反映现场，感知信息更丰富，它的研究与应用将会推进物联网和普适计算的实现

无线多媒体传感器网络结构设计基本思路

分类、分级结构的WMSN

1. 单层网络结构
2. 集中式处理的单层网络结构
3. 异构的多层网络结构

水下无线传感网络

（Underwater Wireless Sensor Network，UWSN）

引入背景

随着无线传感器网络与水下机器人技术的逐渐成熟，研究人员自然会想到：如何将WSN概念和水下机器人技术结合在一起，应用于海洋自然资源探测、水域污染监控、近海勘探、灾难预警、辅助导航与战术监控等领域中

• Ø水下传感器网络主要利用声波实现通信和组网，“水下声传感器网络”或“水下无线传感网络”
• Ø水下无线传感网络中解决间歇性、长时延、高误码率和高包丢失率所引发的容迟问题，是一个困难的研究课题

UWSN与陆地WSN的区别

• 陆地WSN节点造价相当于水下无线传感网络节点便宜，UWSN要考虑防水、防腐蚀等问题，结构相对复杂，造价必然会高，水下设备更新与维护的费用也相对高一些
• 由于UWSN节点的造价高，因此它不可能像陆地WSN部署那么密集，也不可能不加固定的任其漂流，UWSN的传感器节点相对比较少
• 声波在海水中传播时衰减很大，在水下通信节点之间的距离与陆地上相同时，需要的能量消耗要大得多，因此水下传感器节点需要储备更多的能量
• 陆地WSN一般存储空间都比较小，而水下声波信道是间歇性的，水下传感器节点需要将感知数据存储起来，因此水下传感器节点需要使用容量大一些的存储器

水下节点类型

自主式水下航行器（AUV）完成与水下传感器的通信、感知数据查询与网络管理功能

• Ø由于自主式水下航行器承担的任务的不同，有些自主式水下航行器像小型的潜水艇，有些水下机器人也可以成为自主式水下航行器
• Ø很多种自主式水下航行器在海里接收水下传感器传送的数据，当浮出水面时将数据通过无线信道传送给水上基站，水上基站再通过水面汇聚节点将数据转发到岸边汇聚节点

网络结构

三维水下传感器网络的水下传感器节点悬浮在不同的深度和位置，形成一个能够监测三维海洋信息的传感器网络

AUV传感器网络

自主式水下航行器（Autonomous Underwater Vehicle，AUV）又称为“水下自主机器人”由水下自主机器人组成的传感器网络称为“移动水下传感器网络”

地下无线传感器网络（WUSN）

地下无线传感器网络（Wireless Underground Sensor Network ，WUSN）

特点

1. 噪声
2. 路径损耗
3. 反射/折射
4. 多径衰减
5. 传播速度降低

WUSN的结构

WUSN的主要优点

1. 隐蔽性好
2. 易于部署
3. 实时性好
4. 可靠性高
5. 覆盖密度高

无线纳米传感器网络

1. 集成纳米传感器系统的研究

• Ø将适合纳米器件信息处理与传输的信号处理单元与纳米传感器集成的系统称为“集成纳米传感器系统（Integrate NanoSensor System，INS）”
• Ø目前研究人员正在致力于INS的接口标准、自校验、容错与数字补偿的研究，以提高系统的精度、动态范围与可靠性
• Ø集成纳米传感器系统研究为纳米传感器节点的设计与制造技术奠定了基础

1. 纳米级器件通信技术的研究

预期在纳米级器件通信技术的研究中采用的技术路线主要有两种

• Ø第一种是分子通信，即研究分子之间通信的信号编码、发送与接收方法
• Ø第二种是纳米电磁通信，即研究新型纳米材料发送和接收来自组分的电磁辐射
• Ø在纳米传感器电磁通信研究中主要集中在纳米天线与纳米收发器的研究上

1. 纳米电池技术的研究

• Ø为了配合基于主动型纳米传感器的NWSN节点的研究，目前科研人员正在开展锂纳米电池、自供电纳米发动机、太阳能利用技术的研究
• Ø锂纳米电池作为未来纳米传感器的小型电源的可行性已经得到证实
• Ø自供电纳米发动机是研究从环境中收集的能量、化学能、人体的运动、振动、声波、建筑物震动的能量，人讲话、车辆或其他噪声为纳米传感器所用的电能

第四章物联网智能硬件与嵌入式

嵌入式技基本概念

嵌入式系统发展过程

• 第一阶段：以可编程序控制器系统为核心的研究阶段
• 第二阶段：以嵌入式中央处理器CPU为基础、简单操作系统为核心的阶段
• 第三阶段：以嵌入式操作系统为标志的阶段
• 第四阶段：基于网络操作的嵌入式系统发展阶段

嵌入式系统的体系结构

嵌入式系统的特点

面向特定应用的专用计算机系统

根据应用的具体需求，剪裁计算机的硬件与软件

适应对计算机功能、可靠性、成本、体积、功耗的要求

物联网智能硬件

智能硬件（Intelligent Hardware）的基本概念

体现了“互联网+传感器+计算+通信+智能+控制+大数据+云计算”等多项技术的融合，其核心是智能技术

标志着硬件技术向着更加智能化、交互方式更加人性化，以及向“云+端”融合方向发展的趋势，预示着智能硬件将成为物联网产业发展新的热点

《智能硬件产业创新发展专项行动(2016-2018年)》明确重点发展的五类智能硬件产品：智能穿戴设备、智能车载设备、智能医疗健康设备、智能服务机器人、工业级智能硬件设备

人工智能

人工智能是研究、开发用于模拟、延伸和扩展人的智能的理论、方法、技术应用系统的一门科学

人工智能研究的目标是让机器具有像人类一样的思考能力与识别事物、处理事物的能力

人工智能研究的基本内容：

1. 智能感知
2. 智能推理
3. 智能推理
4. 智能行动

人机交互

支撑智能硬件的六项技术是：人机交互、硬件结构、软件应用、设备协同、信息安全与能量控制

“应用创新”是物联网发展的核心，“用户体验”是物联网应用设计的灵魂物联网的用户接入方式多样性、应用环境差异性，决定了物联网智能硬件在人机交互方式上的特殊性

一个成功的物联网智能硬件设计，必须根据不同物联网应用系统需求与用户接入方式，认真地解决好物联网智能硬件的人机交互问题；很多人机交互的奇思妙想甚至会成就物联网在某一个领域的应用

人机交互的基本方式

物联网智能硬件人机交互的特点

统的键盘、鼠标输入方法，以及屏幕文字、图形交互方式已经不能适合移动环境、便携式物联网终端设备的应用需求，必须摒弃传统的人机交互方式，研发出新的人机交互方法

可穿戴计算设备在研究人机交互中使用了虚拟交互、人脸识别、虚拟现实与增强现实、脑电控制、柔性显示与柔性电池等新技术能够适应物联网智能硬件的特殊需求，对于研究物联网智能硬件人机交互技术有着重要的参考和示范作用

1. 虚拟交互技术
2. 人脸识别技术
3. 虚拟现实与增强现实技术
   1. 虚拟现实的特征：沉浸感、交互性和想象力
   2. 桌面虚拟现实系统、沉浸式虚拟现实系统、分布式虚拟现实系统与增强现实系统
4. 柔性显示技术
5. 柔性电池技术

可穿戴计算研究及其在物联网中的应用

可穿戴计算基本概念(wearable computing)

随着物联网应用的发展，目前可穿戴计算应用正在向智能医疗、智能家居、智能交通、智能工业、智能电网领域延伸和发展

可穿戴计算体现出“以人为本”和“人机合一”，以及为佩戴者提供“专属化”、“个性化”服务的特征

可穿戴计算设备以“云-端”模式运行，以及可穿戴计算与大数据技术的融合，将对可穿戴计算设备的研发与物联网的应用带来巨大的影响

分类

1. 头戴式设备
2. 身着式
3. 手戴式
4. 脚穿式

智能机器人研究及其在物联网中的应用

第一代机器人的主要特征是：位置固定、非程序控制、无传感器的电子机械装置，只能够按给定的工作顺序操作

第二代机器人的主要特征是：传感器的应用提高了机器人的可操作性。研究人员在机器人上安装各种传感器，如触觉传感器、压力传感器和视觉传感系统，向着人工智能方向发展

第三代机器人的主要特征是：安装了多种传感器，能够进行复杂的逻辑推理、判断和决策，具有初级的感知和自动生成程序能力，能够自动避开障碍物

第四代机器人的主要特征是：具有人工智能、自我复制、自动组装的特点，从机器人网络向“云机器人”方向演进

应用前景

通过网络控制的智能机器人正在向我们展示出对世界超强的感知能力与智能处理能力。智能机器人可以在物联网的环境保护、防灾救灾、安全保卫、航空航天、军事，以及工业、农业、医疗卫生等领域的应用中发挥重要的作用，必将成为物联网的重要成员

发展物联网的最终目的不是简单地将物与物互联，而是要催生很多具有计算、通信、控制、协同和自治性能的智能设备，实现实时感知、动态控制和信息服务；智能机器人研究的目标同样追求的是机器人的行为、学习、知识的感知能力；在这一点上，智能机器人与物联网研究目标有很多相通之处

云计算、大数据与智能机器人技术的融合导致“云机器人”的出现；由于云计算强大的计算与存储能力，可以将智能机器人大量的计算和存储任务集中到云端，同时允许单个机器人访问云端计算与存储资源，这就为需要较少的机器人机载计算与存储，降低机器人制造成本，提高智能机器人在物联网应用的高度和深度

分类

1. 工业机器人
2. 农业机器人
3. 服务机器人
4. 医用机器人
5. 微机器人
6. 微操作机器人
7. 仿人机器人
8. 玩具机器人
9. 特种机器人
10. 空间机器人
11. 军用机器人

第五章物联网通信与网络技术

计算机网络技术的研究与发展

从信息技术角度看通信与网络技术的发展

计算机网络的形成与发展

分组交换技术的的出现标志着计算机网络时代的到来

ARPANET的出现标志着计算机网络与互联网时代的到来

计算机网络协议的研究与发展

从1969年到1971年，经过近两年对网络应用层协议的研究与开发，研究人员陆续推出了第一批计算机网络应用协议的标准文本，如FTP标准、E-Mail标准、DNS标准，为互联网应用奠定了基础

1972年10月，罗伯特·卡恩在华盛顿DC召开的第一届国际计算机与通信会议上首次演示了ARPANET的功能，使学术界与产业界认识到互联网的应用前景

从20世纪70年代诞生以来，TCP/IP协议经历了20多年的实践检验和不断完善的过程，促进了互联网的发展，使得TCP/IP协议成为互联网的核心协议

互联网的形成与发展

如果说开放互联网商业服务是促进互联网快速发展第一次飞跃的推动力，那么Web技术的应用是互联网第二次快速发展的推动力

20世纪90年代，随着信息高速公路NII的推进，互联网进入了高速发展阶段，互联网以及成为人类信息交互与共享的重要平台

互联网代表着全球范围内无限增长的信息资源，成为人类拥有的最大的知识宝库，推动着全球经济、科技与文化的发展

三网融合的发展

互联网的广泛应用推动电信网技术的高速发展，电信运营商的服务业务也从以语音服务为主，逐步向数据业务方向发展，引起世界范围内大规模的产业结构调整与企业重组

宽带城域网的建设导致了计算机网络、电信通信网与电视通信网“三网融合”局面的出现，实质上是计算机网络、电信通信网与电视传输网技术与业务的融合

“三网融合”的技术基础是计算机网络技术，标志着电信通信网与电视通信网的传输网已经向“IP化”的方向发展

计算机网络的分类与特点

计算机网络的分类方法

按覆盖的地理范围划分，计算机网络可以分为5种基本的类型

1. 广域网
2. 城域网
3. 局域网
4. 个人区域网
5. 人体区域网

广域网（Wide Area Network ，WAN）

广域网WAN又称为远程网，所覆盖的地理范围从几十公里到几千公里，覆盖一个国家、地区，或横跨几个洲，形成国际性的远程计算机网络

广域网的通信子网利用公用分组交换网、卫星通信网或无线分组交换网，它将分布在不同地区的计算机系统、城域网、局域网互联起来，实现资源共享的目的

一般情况下广域网应该是一种公共数据网络，只有某些对信息安全、性能有特殊要求的国家部门网络、大型企业网络、大型物联网应用系统，才需要组建自己专用广域网

城域网

支持一个现代化城市的宽带城域网结构一般可以分为核心交换、汇聚与接入等三层结构

宽带城域网是以IP协议为基础，通过计算机网络、广播电视网、电信网的三网融合，形成覆盖城市区域的网络通信平台，为语音、数据、图像、视频传输与大规模的用户接入提供高速与保证质量的服务

宽带城域网的应用和业务主要有：大规模互联网用户的接入，网上办公、视频会议、网络银行、网购等办公环境的应用、家庭网络的应用，以及物联网的智能家居、智能医疗、智能交通、智能物流等应用

局域网（Local Area network ，LAN）

局域网覆盖有限的地理范围，它适用于机关、校园、工厂、机房等有限范围内的计算机、服务器与存储设备连网的需求

局域网能够提供高数据传输速率（10Mbps～100Gbps）、低误码率的高质量数据传输环境

局域网可以分为有线局域网（如Ethernet）与无线局域网（如Wi-Fi）等两类

个人区域网（Personal Area Network，PAN）

由于个人区域网络PAN主要是用无线通信技术实现联网设备之间的通信，因此就出现了无线个人区域网络（WPAN）的概念

无线传感器网络WSN中主要使用的无线通信技术是802.11标准的WLAN、802.15.4标准的无线个人区域网（6LoWPLAN）技术、蓝牙技术、ZigBee技术

物联网应用的发展更凸显出个人区域网络技术与标准研究的重要性

人体区域网（Body Area Network，BAN）

智能医疗应用系统需要将人体携带的传感器或移植到人体内的生物传感器结点组成人体区域网，物联网智能医疗应用的计算机网络提出了新的需求，促进了人体区域网BAN的发展

智能医疗需要将采集的人体生理信号（如温度、血糖、血压、心跳等参数），以及人体活动或动作信号、人所在的环境信息，通过无线方式传送到附近的基站，因此用于智能医疗的个人区域网是一种无线人体区域网WBAN

2012年IEEE正式批准了，无线人体区域网WBAN的IEEE 802.15.6标准

TCP/IP的基本概念

开放的协议标准，独立于特定的计算机硬件与操作系统，独立于特定的网络硬件，可以运行在局域网、广域网等各种传输网之上，适用于互联网与物联网

TCP协议的特点

• 可靠的面向连接服务：在应用层数据传输之前，必须在通信的与目的程序进程之间建立一个TCP连接；当一次进程通信结束后，TCP协议关闭这个连接；面向连接传输的每一个报文都需接收方确认
• 面向字节流的传输服务：流（stream）相当于一个管道，从一端放入什么的字节流，从另一端可以照原样取出什么的字节流；TCP协议对正确接收到的字节行确认，出错时要求发送方重传
• TCP支持数据全双工通信：两个应用程序进程可以同时利用该连接发送和接收数据报文。双方通过捎带确认的方法交互准确接收数据报的信息

UDP协议的特点

• 无连接服务：UDP协议相对比较简单，两个通信的进程之间传输之前不建立连接，因此通过UDP协议不能保证发送的报文按顺序到达
• 不提供拥塞控制机制：UDP协议不提供拥塞控制机制，发送进程可以用任意的速率发送报文，以提高报文传输的实时性
• TCP协议适用于对数据传输可靠性要求较高的网络应用，UDP协议适用于对数据传输实时性要求较高的网络应用

实时传输协议

实时传输协议RTP与RTCP的研究

物联网感知信息中会有大量的视频

视频传输可以分为：非实时的视频传输与实时视频传输

非实时的视频传输，如智能安防应用中需要下载视频之后再播放，这类应用对于视频中的语音传输与图像传输的实时性要求不高，传统的TCP协议可以满足这类应用

对于智能工业、智能交通、智能医疗中对视频信息传输的实时性要求较高，传统的TCP协议已经不能满足这类应用需要应用实时传输协议（RTP）与实时传输控制协议（RTCP）

容迟网技术的研究

TCP协议应用于互联网时，其实做了一个假设：在一次进程通信过程中，源端与目的端之间一定要保证“持续”的TCP连接

物联网很多应用都不能保证满足TCP“持续”连接的要求，学术界将这类网络称之为“受限网络”

针对受限网络，研究人员提出“容迟网（DTN）”的研究，修改了传统的TCP/IP的体系结构与传输机制，以适应物联网中对传输层的“长延时、间歇性连接、低信噪比与高误码率”的应用需求

IPv4与IPv6协议

IP协议的特点

• IP协议是一种无连接的分组传送服务的协议提供的是一种“尽力而为（best-effort）”的服务
• IP协议可以用于城域网或局域网、个人区域网，以及Ethernet网、Wi-Fi、移动通信网4G/5G网络
• IP协议能够适用于互联网、移动互联网与物联网

IP协议与网络规模矛盾

• IPv4的地址长度为32位，2011年2月IPv4地址全部分配完毕
• 互联网面临着地址匮乏的危机，解决的办法是从IPv4协议向IPv6协议过渡
• IPv6的地址长度定为128位，因此IPv6可以提供多达超过2128（3.4×1038）个地址

未来物联网大量的传感器、RFID读写设备、智能控制设备、智能汽车、智能机器人、可穿戴计算设备都可以获得IPv6地址，联入物联网的节点数量将可以不受限制地持续增长

IPv6协议能够适应物联网智能工业、智能农业、智能交通、智能医疗、智能物流、智能家居等领域的应用，IPv6协议将成为物联网核心协议之一

下一代网络技术的研究

SDN技术研究的背景

目前在互联网上大量应用的路由器是由不同的网络设备制造商设计的，路由器内部的体系结构、工作模式不仅相同。执行IP协议的软件固化在路由器内部专用芯片中，网络使用者对路由器的工作模式没有任何控制能力

软件定义网络（Software Defined Network，SDN）技术正是为满足下一代互联网体系结构要求而开展的一项研究

SDN是一种新的路由器体系结构，能提供开放的接口，实现虚拟化、可编程与可重构，具备对新网络业务灵活响应和快速部署的能力

SDN主要技术特点

• SDN试图对高层的用户应用提供对网络互联结构与网络服务的标准可编程接口，从而实现大规模的网络流量管理的可编程、可控制，以支持未来出现的各种新的网络体系结构与新的服务业务
• 支持SDN的三大核心机制是：基于流的数据分组转发机制、基于中心控制的路由机制、面向应用的网络编程机制
• SDN研究的发展与技术的成熟，将为物联网的大规模应用奠定重要的理论与应用基础

移动网络技术的研究与发展

蜂窝系统的基本概念

1. 大区制通信的局限性

   • 手机需要将信号传送到发射塔，就需要手机发射的信号功率比较大

   • 手机的体积不可能太小，价格就会很贵，对人体的电磁波辐射影响增大，不符合环保的要求

   • 由于城市里建筑物、地下车库，或者是汽车、火车的金属车顶都会阻挡无线信号，不能保证手机在一些特殊环境中通信的畅通

2. 小区制的特点

   1. “小区制”是将整个区域划分成若干个小区，多个小区组成一个区群；由于区群结构酷似蜂窝，因此小区制移动通信系统页叫做“蜂窝移动通信系统
   2. 每个小区架设一个（或几个）基站，小区内的手机与基站建立无线链路
   3. 区群中各小区基站之间可以通过光缆、电缆或微波链路与移动交换中心连接
   4. 移动交换中心通过光缆与市话交换网络连接，从而构成一个完整的蜂窝移动通信网络系统

无线信道与空中接口

5G与互联网

1995年，1G，模拟通信方式

1997年，2G，数字通信方式，电话+短信

2007年，3G，移动+宽带

2012年，4G，更快的传输速度、更短的延时与更好的兼容性

2020年，5G，能够满足物联网应用对带宽、可靠性与延时的需求

5G性能指标

5G与物联网

5G网络作为面向2020年的技术，需要满足移动宽带、物联网，以及其他高可靠通信要

求，同时它也是一个智能化的网络；5G网络具有自检修、自配置与自管理的能力

5G的设计者将物联网纳入到整个技术体系之中，5G技术的发展与应用将大大推动物联网“万物互联”的发展

进入5G时代，受益最大的将是物联网

M2M、D2D技术及其在物联网中的应用

M2M的基本概念 Machine-to-Machine，M2M

D2D的基本概念

Device to Device，D2D

D2D通信的优点：

• 终端近距离、直接通信方式可以实现高数据传输速率、低延时与低功耗
• 利用终端分布范围广的特点，使用直接通信方式有利于提高频谱利用率
• 直接通信方式适用于P2P通信和本地数据资源共享的需要
• 利用终端直接通信方式，可以减轻基站负荷，拓展移动通信网覆盖范围

物联网接入技术

有线接入技术

1. 局域网接入:

2. 电话交换网与ADSL接入技术：
3. 广播电视网与HFC接入技术
4. 光纤接入技术：
5. 电力线接入技术：

无线接入技术

1. 工业、科学与医药专用ISM频段

用户在使用ISM的902～928MHz（915MHz频段）、2.4～2.485GHz（2.4GHz频段）、5.725～5.825GHz（5.8GHz频段）等3个频段发射功率小于规定值（一般小于1W）时，可以不用申请

1. WiFi接入

   

   Wi-Fi可以不使用基站，按照Ad hoc方式组网IEEE 802.11n标准特点

   • 速率最高可以达到600Mbps
   • 接入点覆盖范围可以达到几平方公里
   • 可以实现与无线城域网802.16标准的兼容
   • 成为“无线城市”建设的首选技术

   

2. 蓝牙、Zigbee与LR-WPAN技术

   蓝牙技术的基本概念

   蓝牙通信采用工业、科学与医学（ISM ）频段，工作频率在2.4GHz时

   数据传输速率最高为1Mbps通信距离一般在10cm～10m

   支持点对点、点对多点的通信

   ZigBee技术的基本概念

   ZigBee是一种面向自动控制的低速、低功耗、低价格的无线网络技术，ZigBee网络的结点数量、覆盖规模大

   在ISM的 2.4GHz频道，传输速率为250kbps；在915Mbps为40kbps；功耗低，节点在不更换电池的情况下可以工作长达几年；传输距离为10～75m

   适应于数据采集与控制的点多、数据传输量不大、覆盖面广、造价低的应用领域，如家庭网络、安全监控、医疗保健、工业控制、无线定位等

   IEEE802.15.4标准

   Low-Rate Wireless Personal Area Network，LR-WPAN

   在2000年正式成立了802.15工作组，致力于低速、长寿命电池、低复杂度的无线个人区域网络（LR-WPAN）标准的研究与制定工作

   研究的目标时解决近距离、低速率、低功耗、低成本、低复杂度的嵌入式无线传感器，以及自动控制设备、自动读表设备之间的数据传输问题

   主要考虑无线传感器节点的发射功率只是Wi-Fi的1%，靠电池运行1～5年的紧凑型、低功耗、廉价、嵌入式设备的通信技术

3. 基于IPv6的低速无线个人区域网6LoWPAN标准

   IPv6 over Low-Power Wireless Personal Area Networks，6LoWPAN

   由IPv6替代IPv4协议已是大势所趋，物联网技术的发展将进一步推动IPv6的部署与应用

   2004年11月，IETF成立了基于IPv6的低速无线个人区域网 6LoWPAN工作组，将IPv6协议集成到以IEEE 802.15.4为底层协议的无线个人区域网中

   基于LoWPAN的无线传感器网络研究成为热点课题，同时研究人员正在开展将LoWPAN在家庭网络、工业控制网络、城市应用、楼宇自动化等应用场景中，智能终端设备接入技术的研究

4. 超宽带通信UWB技术 Ultra-Wireband，UWB 高速率低功耗的超宽带通信技术

   UWB又称为脉冲无线通信技术，UWB采用将宽度在ns（纳秒）量级的脉冲信号直接通过天线发射出去，脉冲峰峰时间间隔在10～100 ps（皮秒），其中1ps等于1×10-12秒

   UWB具有抗干扰性能强、传输速率高、带宽极宽、消耗电能小、发送功率小等优点，UWB特别适用于室内场合的高速无线接入

   由于UWB技术对信道衰落不敏感、定位与物体搜索能力强等特点，可以用于VANET自动驾驶车辆的前方、后方、侧面障碍物的搜索、定位与报警

5. WBAN与IEEE 802.15.6标准

   2007年11月成立了专门致力于为医疗保健服务的IEEE的802.15工作组（IEEETG6），研究适应于人体与人体周边（3～5m）无线通信的无线人体区域网络（WBAN）的通信技术及标准

   IEEE 802.15.6标准具有短距离、低功耗、低成本、实时性与安全性高的特点，除了可以应用于健康医疗之外，还可以应用于航空、个人娱乐、体育运动、环境智能、军事与社会公共安全等领域

   IEEE 802.15.6除了应用于医疗保健与疾病控制之外，可以用于消防、探险、军事等危险场合，也可用于日常生活中便携播放器与无线耳机之间等人体身边便携式装置之间的通信

6. NFC技术

   Near Field Communication，NFC

   一种由非接触式RFID识别技术演变出的近距离（可用距离约为10厘米）的高频无线通信—近场通信NFC技术引起了产业界的高度重视

   NFC可以用于RFID、电子身份识别（如信用卡、门禁卡等）与数据传输；用户可以用智能手机去替代公交卡、银行卡、员工卡、门禁卡、会员卡等非接触式智能卡，还能在读取广告牌上附带的RFID标签信息

   NFC具有成本低廉、方便易用、功耗小的优点；内嵌NFC通信功能的移动设备通过射频信号自动识别、信道建立、交换数据，共享网络服务

7. NB-loT

NB-IoT全称是“基于蜂窝网络的窄带物联网（Narrow Band Internet of Things）”

NB-IoT研究的目标瞄准的物联网市场。NB-IoT标准是由华为公司主导制定，技术的主要特点是：广覆盖、大规模、低功耗、低成本

“广覆盖、大容量”表现在NB-IoT构建于蜂窝移动通信网中，只消耗大约180KHz的带宽，单个小区支持10万个移动终端接入

“低功耗、低成本”表现在NB-IoT终端模块的待机时间可

长达10年，终端模块的成本很低

eMTC

与NB-IoT设计思路相近的技术是eMTC，在支持移动性、可定位、成本更低与更高的速率等方面形成自己的特色

eMTC也是部署在蜂窝移动通信网中，支持数据传输速率为1Mbps，单个小区支持10万个移动终端接入，终端模块待机时间可长达10年

eMTC在智能物流应用上具有防盗、防调换、实时温度传感与可定位的优势，可以用于智能可穿戴设备、智能充电桩、电梯安防、智能公交站牌、公共自行车管理等方面

软件无线电、认知无线电在物联网中的应用

软件无线电可以充分利用软件技术的灵活性、模块化、可定制特点，改变了无线通信系统单一的工作模式，提高了系统的灵活性与对外部环境的动态适应能力，也为认知无线电的发展奠定了基础

认知无线电以软件无线电技术为基础，是无线电、软件工程、人工智能等多学科融合形成的交叉学科；由于认知无线电具有灵活、智能、可重配置的特征，因此又被称为“机会频谱接入无线电”或“智能无线电”

在物联网研究中，必须关注软件无线电与认知无线电研究的进展，前瞻性地针对未来的物联网大规模中可能出现的问题，重视认知无线电应用的问题

第六章 位置信息定位技术与服务

位置信息与位置服务的基本概念

位置信息是人们生活中每一个时刻都必须掌握的信息，是最基本的一类信息

位置是物联网中各种信息的重要属性之一，缺少位置的感知信息是没有使用价值的

位置信息是物联网提供位置服务的基础

重要性

• 位置信息涵盖了空间、时间与对象三要素
• 位置信息是各种物联网应用系统能够实现服务功能的基础
• 通过定位技术获取位置信息是物联网应用系统研究的一个重要课题

位置服务的基本概念

基于位置的服务 （Location Based Service LBS）

定位系统

航天航空遥感技术

利用飞机、无人飞机、无人直升机与无人飞艇进行低空遥感

遥感观测平台的发展出现了两种重要的发展趋势，一是利用无人机（无人飞机、无人直升机与无人飞艇）开展灵活的低空、高精度、安全的遥感遥测；二是发展遥感小卫星星座技术

全球定位系统

概念

• 全球卫星导航系统 “GNNS”将卫星定位和导航技术与现代通信技术相结合，具有全时空、全天候、高精度、连续实时地提供导航、定位和授时的特点
• 目前世界4个卫星导航系统：美国全球定位系统（GPS）、俄罗斯 格洛纳斯（GLONASS） 、欧洲伽利略（Galileo）”卫星定位系统，以及中国的“北斗（BeiDou）”卫星导航系统
• 由于美国的GPS系统发展得比较早，技术成熟、应用面广，因此人们习惯上用的“GPS”代替了更为准确的全球卫星导航系统术语“GNNS”

北斗卫星导航系统（BeiDou Navigation Satellite System)

• 北斗卫星导航系统将由5颗 静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星组成，计划2020年左右覆盖全球北斗卫星导航系统的四大功能是：定位、导航、授时与通信
• 定位精度能够达到10米，测速精度0.2米/秒时间同步精度可以达到10ns 用户终端具有双向短报文通信功能，用户一次可以传送40～60个汉字的短报文信息通信
• 北斗系统将广泛应用于个人定位与导航、气象、道路交通、铁路运输、海运和水运、航空运输、应急救援、智能农业、智能物流、智能环保、智能电网等领域

GPS系统

GPS由三个独立的部分组成：空间星座部分、地面监控部分与用户设备

空间星座部分

24颗卫星分布在6个轨道上，每一个轨道上不均匀地分布着4颗卫星，轨道高度为20200千米

卫星的功能是：

• Ø接收从地面监控部分发射的导航信息，执行控制指令，通过推进器调整自身的运行姿态
• Ø进行必要的数据处理，向地面发送导航信息

地面监控部分

由分布在全球的一个主控站、6个监控站与4个注入站组成

监控站的主要任务是对卫星进行连续观测和数据采集，并将检测数据传送到主控站

主控站是整个系统的核心，它担负5项任务：

• Ø监视所有卫星的运行轨道
• Ø计算卫星运行轨道的各种修正参数
• Ø计算卫星时钟误差，维护GPS系统的时间基准
• Ø发送调整卫星轨道的命令，确保卫星按预定的轨道运行
• Ø监视卫星运行情况，当发现故障时启动备份卫星

注入站将主控站的卫星导航报文与控制命令发送到各个卫星

GPS接收机类型

导航型接收机主要用于运动物体的导航，可以实时给出物体的位置和速度，根据应用的不同可以分为：车载型、航海型、航空型与星载型接收机

测地型接收机主要用于精密大地测量和精密工程测量，这类仪器定位精度高，设备复杂，价格较贵

授时型接收机主要利用GPS卫星提供的高精度时间标准进行授时，常用于天文台及无线电通信的时间同步

原理：

已知卫星1的坐标是（x1,y1,z1），那么距离R1值与A点坐标、卫星1 的坐标关系为： \(R=\sqrt{(x_1-x)^2+(y_1-y)^2+(z_1-z)^2}\) 如果接收机同时能够接收到卫星2与卫星3的信号，确定A点与3颗卫星的距离分别为R2、R3，那么就可以推出与R2、R3对应的A点坐标与卫星2、卫星3坐标关系的方程

从3个方程中解出3个未知数，即A点的坐标（x,y,z），应该是可行的；计算出A点的坐标之后，结合电子地图，就可以确定A点在地图上的位置

如果再在下一秒测量出下一个新坐标的值，接收机就可以算出你的运动速度与方向 如果你输入一个目的地址的话，接收机就可以为你推荐导航的路线，或者为你的汽车导航

卫星系统的时钟与GPS接收机的时钟肯定是有误差的，通过第四颗卫星计算出接收机时钟与卫星系统时钟的误差，来修正计算出的卫星信号在空间传播的时间Δt值，以提高定位精度

位置与导航信息不是卫星计算好后发给我们的，而是用户设备自己算出来的用户设备跟踪可见的GPS卫星，对接收到的卫星无线信号进行处理，计算出位置信息与导航信息

地理信息系统GIS

地理信息系统的基本概念

GIS是在地理学、遥测遥感技术、GPS、管理科学与计算机科学的基础上发展起来的一门交叉学科

GIS作为一种综合处理和分析地理空间数据的软件技术，它包括：地理空间数据库、空间信息检索软件、空间信息分析与处理软件、空间信息显示软件

GIS技术在发展过程中不断地融合了移动通信技术、3D可视化技术、虚拟现实技术、人工智能技术与网络技术

物联网与高精度地图

互联网地图经历了从简单到复杂，从提供静态地图到提供动态地图的发展过程，物联网自动驾驶的应用提出了新的高精度定位、高精度地图研发的需求

现有的互联网地图精度一般只能达到米级，而自动驾驶汽车需要达到厘米级（如10～20厘米），同时需要增加更多、更精确的信息，如详细的道路坡度、曲率、车道数量、车道宽度、车道速度限制，以及路边地标等数据，并且地图数据更新的速度必须是秒级的

雷达、摄像头与控制系统的工作重点放在突发情况的实时监控与处置上，但是在恶劣天气传感器无法提供准确的路况信息，要保证无人驾驶汽车全天候运行就必须借助于高精度定位与高精度地图

高精度地图能够提前对所处环境有了精准的预判，事先形成安全的行驶策略，为无人驾驶汽车的全天候运行提供了保障

定位技术

移动通信定位技术

基本概念

1. （1）单基站定位方法
2. （2）多基站定位方法

A-GPS技术

Assisted GPS, A-GPS

基于Wi-Fi的定位技术

Wi-Fi的“位置指纹”：

• Wi-Fi的AP设备号的唯一性
• Wi-Fi的AP定时发送信标
• AP设备只覆盖有限的地理范围

基于RFID的定位技术

• 凡是应用RFID技术的应用领域，在自动感知物品信息的同时，可以从中提取物品的位置信息
• 可用于生产过程控制中质量跟踪、库存与固定资产管理，物流管理应用中采购、入库、库存管理、出库、配送运输的全过程，医院管理中药品、医疗器械、医用废弃物，以及患者、医护人员管理等
• 可用于幼儿园幼儿管理、医院新生儿管理，博物馆与旅游景区对不同区域游客的解说服务，机场乘客导航与服务，监狱服刑人员管理等

WSN定位技术

• 在无线传感器网络中，位置信息是事件发生位置报告、目标跟踪、路由控制、网络管理的前提
• 事件发生的位置或获取信息的节点位置，是传感器节点监测信息中所包含的重要信息；没有位置信息的监测数据是毫无意义的，错误的位置信息往往会导致判断的错误
• WSN定位信息除用来报告事件发生的地点外，还可以用于目标跟踪，实时监视目标的行动路线，预测目标的前进轨迹

物联网中的位置信息

基于位置的服务 Location Based Service，LBS

位置服务的基本概念

位置服务系统的设计方法

基于位置服务应用的发展

• 随着智能手机、可穿戴计算设备与物联网移动终端设备应用的发展，位置服务迅速地流行开来
• 位置服务已经成为信息服务业一种新的服务模式与经济增长点
• 位置服务以及从商业服务逐渐扩大到智能工业、智能农业智能医疗、智能物流、智能交通等领域
• 物联网应用高度依赖位置信息与位置服务，位置服务将成为物联网重要的研究内容与新的产业增长点

第七章物联网智能数据处理系统

物联网数据处理技术的基本概念

物联网数据的特点

1. 海量
2. 多态
3. 动态
4. 关联

物联网中数据、信息与知识

物联网数据处理关键技术

1. 数据存储
2. 数据融合
3. 数据挖掘
4. 智能决策

物联网与云计算

云计算的分类

• IaaS—基础设施即服务，只涉及到租用硬件，是一种最基础的服务
• PaaS—平台即服务，已经从硬件的基础上，租用一个特定的操作系统与应用程序，来自己进行应用软件的开发
• SaaS—软件即服务，在云平台提供的定制软件上，直接部署自己的应用系统

云计算的主要技术特征

• 按需服务—根据用户是实际计算量与数据存储量，自动分配CPU的数量与存储空间的大小，避免服务质量下降与资源浪费
• 资源池化—利用虚拟化技术，根据需求定制用户使用的计算与存储资源，计算与存储资源管理对用户是透明的
• 服务可计费—“云”可以监控用户的计算、存储资源的使用量，并根据资源的使用“量”进行计费
• 泛在接入—用户的各种终端设备，如PC机、笔记本计算机、智能手机和移动终端设备，都可以作为云终端，随时随地访问“云”
• 高可靠性—“云”采用数据多副本备份冗余，计算节点可替换等方法，提高云计算系统的可靠性
• 快速部署—云计算不针对某一些特定的应用，用户可以方便地开发各种应用软件，组建自己的应用系统，快速部署业务

云计算模式

云计算是一种计算模式，它是将计算与存储资源、软件与应用作为服务，通过网络提供给用户

用户可以像使用水、电一样按需购买和使用云计算资源

物联网与大数据

数据挖掘的基本概念

透过数据，应用一定的分析方法，从大量数据中提取出一些有价值的信息和知识，这个过程就是“数据挖掘（Data Mining）”

大数据的特征

• 大体量（Volume）：数据量达到数百TB到数百PB，甚至是EB的规模
• 多样性（Variety）：数据为各种格式与各种类型
• 时效性（Velocity）：数据需要在一定的时间限度下得到及时处理
• 准确性（Veracity）：处理结果要保证一定的准确性
• 大价值（Value）：分析挖掘的结果可以带来重大的经济效益与社会效益

大数据要求的价值

2007年图灵奖获得者吉姆·格雷指出：科学研究将从实验科学、理论科学、计算科学，发展到数据科学；“数据密集型科学发现”将成为科学研究的第四范式；科学研究将从实验科学、理论科学、计算科学发展到目前兴起的数据科学

大数据对世界经济、自然科学、社会科学的发展将会产生重大和深远的影响；物联网的大数据应用是国家大数据战略的重要组成部分，结合物联网应用的大数据研究必将成为物联网研究的重要内容

物联网大数据研究的特殊性

1. 物联网大数据与一般大数据研究共性的一面

   1. 可视化分析—物联网大数据分析的可视化能够以非常直观的形式呈现给物联网用户，更容易帮助不同行业的物联网用户从中提取有价值的知识，帮助科学决策

   2. 数据挖掘算法—物联网行业应用关系国计民生与生命安全，对数据挖掘结果的时效性、可靠性与可信性要求很高，必须由大数据专家与行业专家合作研究数据挖掘算法

   3. 预测性分析能力—对于物联网应用预测性分析十分重要，需要组织行业专家、物联网专家与大数据专家相结合的研究队伍，研究适应不同行业物联网大数据的预测模型与算法

   4. 语义引擎—物联网需要一套新的理论与方法来实现对地理位置分布的各种数据资源进行规范和灵活地组织，方便用户通过关键词、标签关键词或其他输入语义的搜索，提高主动获取知识的能力
   5. 数据质量与数据管理—不同传感器感知的原始数据的汇聚，多维数据融合、多用户协同感知与数据质量管理，使得处理之后的结果更能够高精度地反映真实面貌，是物联网大数据研究的重点

2. 物联网大数据研究个性的一面

   1. 异构性与多样性—物联网的数据来自不同的行业、不同的应用、不同的感知手段，有人与人、人与物、物与物、机器与人、机器与物、机器与机器等各种数据，这些数据可以进一步分为：状态数据、位置数据、个性化数据、行为数据与反馈数据，数据具有明显的异构性与多样性
   2. 实时性、突发性与颗粒性—物联网感知数据是系统控制命令与策略制定的基础，对物联网数据处理时间要求很高；同时，事件发生往往很突然和超出预判，事先无法考虑周全，物联网感知设备获得的数据很容易出现不全面和噪声干扰，物联网大数据的研究需要注意到数据实时性、突发性与颗粒性的特点
   3. 非结构化与隐私性—物联网应用系统中存在着大量图像、视频、语音、超媒体等非结构化数据，增加了数据处理的难度。物联网应用系统的数据中隐含有大量企业重要的商业秘密与个人隐私信息，数据处理中的信息安全与隐私保护难度大

第八章物联网网络安全

网络空间安全与网络安全的基本概念

提出背景

《下一场世界战争》作者预言：“在未来的战争中，计算机本身就是武器，前线无处不在，夺取作战空间控制权的不是炮弹和子弹，而是计算机网络里流动的比特和字节。”

由于互联网、移动互联网、物联网已经应用于现代社会的政治、经济、文化、教育、科研与社会生活的各个领域，那么网络安全必然会成为影响社会稳定、国家安全的重要因素之一

“网络空间（Cyberspace）”被看作是与国家“领土、领海、领空、太空”等四大常规空间同等重要的“第五空间”

我国《国检网络空间安全战略》涵盖的基本内容

我国网络空间安全政策是建立在“没有网络安全就没有国家安全”的理念之上的

2016年12月27日，经中共中央网络安全和信息化领导小组批准，国家互联网信息办公室发布《国家网络空间安全战略》报告

2016年11月7日全国人民代表大会常务委员会通过了《中华人民共和国网络安全法》，并于2017年6月1日起施行

网络空间安全理论体系

网络空间安全涵盖的主要内容

网络空间安全研究包括五个方面的内容：

应用安全、系统安全、网络安全、网络空间安全基础、密码学及其应用

网络空间安全理论体系

网络空间安全理论包括三大体系：基础理论体系、技术理论体系与应用理论体系

OSI安全体系结构

OSI安全体系结构的基本概念

1. 安全攻击
2. 安全服务
3. 安全机制

安全攻击

网络攻击的四种类型

1. 窃听或监视数据传输
2. 截获数据
3. 篡改数据
4. 伪造数据

网络攻击的类型与特点

1. 被动攻击（passive attack）

   • Ø窃听或监视数据传输属于被动攻击

   • Ø网络攻击者通过在线窃听的方法，非法获取网络上传输的数据，或通过在线监视网络用户身份、传输数据的频率与长度，破译加密数据，非法获取敏感或机密的信息

2. 主动攻击（active attack）

   • Ø截获数据：网络攻击者假冒和顶替合法的接收用户，在线截获网络上传输的数据

   • Ø篡改或重放数据：网络攻击者假冒接收者，从中截获网络上传输的数据之后，经过篡改再发送给合法的接收用户；或者是在截获到网络上传输的数据之后的某一个时刻，一次或多次重放该数据，造成网络数据传输混乱

   • Ø伪造数据：网络攻击者假冒合法的发送用户，将伪造的数据发送给合法的接收用户

网络安全服务

• 认证（authentication）：提供对通信实体和数据来源认证与身份鉴别
• 访问控制（access control）：通过对用户身份认证和用户权限的确认，防治未授权用户非法使用系统资源
• 数据机密性（data confidentiality）：防止数据在传输过程中被泄漏或被窃听
• 数据完整性（data integrity）：确保接收的数据与发送数据的一致性，防止数据被修改、插入、删除或重放
• 防抵赖（non-reputation）：确保数据有特定的用户发出，证明由特定的一方接收，防止发送方在发送数据后否认，或接收方在收到数据后否认现象的发生

网络安全机制

• 加密（Encryption）— 确保数据安全性的基本方法，根据层次与加密对象的不同，采用不同的加密方法
• 数字签名（Digital Signature）— 数字签名机制确保数据的真实性，利用数字签名技术对用户身份和消息进行认证
• 访问控制（Access Control）— 访问控制机制按照事先确定的规则，保证用户对主机系统与应用程序访问的合法性
• 数据完整性（Data Integrity）— 数据完整性机制确保数据单元或数据流不被复制、插入、更改、重新排序或重放
• 认证（Authentication）— 认证机制用口令、密码、数字签名、生物特征（如指纹）等手段，实现对用户身份、消息、主机与进程的认证
• 流量填充（Traffic Padding）— 流量填充机制通过在数据流填充冗余字段的方法，预防网络攻击者对网络上传输的流量进行分析
• 路由控制（Routing Control）— 路由控制机制通过预先安排好路径，尽可能使用安全的子网与链路，保证数据传输安全
• 公证（Notarization）— 公证机制通过第三方参与的数字签名机制，对通信实体进行实时或非实时的公证，预防伪造签名与抵赖

网络安全模型与网络安全访问模型

1. 网络安全模型

1. 网络访问安全模型

   网络安全访问模型主要针对两类对象从网络访问的角度实施对网络的攻击：一类是网络攻击者，另一类是“恶意代码”类的软件

   

用户对网络安全的需求

• 可用性：在可能发生的突发事件（如停电、自然灾害、事故或攻击等）情况下，计算机网络仍然可以处于正常运转状态，用户可以使用各种网络服务
• 机密性：保证网络中的数据不被非法截获或被非授权用户访问，保护敏感数据和涉及个人隐私信息的安全
• 完整性：保证在网络中传输、存储的完整，数据没有被修改、插入或删除
• 不可否认性：确认通信双方的身份真实性，防止对已发送或已接收的数据否认现象的出现
• 可控性：能够控制与限定网络用户对主机系统、网络服务与网络信息资源的访问和使用，防止非授权用户读取、写入、删除数据

物联网网络安全研究的主要内容

物联网中可能存在的网络攻击方式

从感知层、网络层、应用层看物联网面临的网络攻击类型

典型的网络攻击

DDoS攻击

典型的DoS攻击是资源消耗型DoS攻击：

• ＞制造大量广播包或传输大童文件，占用网络链路与路由器带宽资源
• ＞制造大量电子邮件、错误日志信息，垃圾邮件，占用主机中共享的磁盘资源
• 》制造火量无用信息或进程通信交互信息，占用CPU和系统内存资源

分布式拒绝服务（DDoS）攻击：在DoS攻击基础上产生的一类攻击形式

物联网网络安全的新动向

1. 计算机病毒已经成为攻击物联网的工具

   火焰（Flame）病毒是一种后门程序和木马病毒程序的结合体，同时又具有蠕虫病毒的特点

   火焰病毒被认为是迄今为止发现的最大规模和最为复杂的网络攻击病毒

   火焰病毒程序可能是“某个国家专门开发的网络战武器”，病毒将成为攻击物联网的重要工具

2. 物联网工业控制系统成为新的攻击重点

   2010年6月发现的震网病毒是第一个将目标锁定在工业控制网络的病毒

   物联网中的智能工业控制系统、智能交通中的无人驾驶车辆、智慧城市中的电梯控制系统、智能电网中的供电控制系统都会成为下一个攻击的重点

   针对物联网的攻击可能造成危及人身安全与社会稳定的重大危害

3. 网络信息搜索功能将演变成攻击物联网的工具

   Shodan搜索引擎主页上写道：“暴露的联网设备：网络摄像机、路由器、发电厂、智能手机、风力发电厂、电冰箱、网络电话”

   Ø目前已经搜集到的在线网络设备数量超过1000万个，搜索到的信息包括这些设备的准确地理位置、运行的软件等

   Ø搜索到接入物联网的智能设备与智能系统已经处在危险之中

4. 僵尸物联网正在成为网络攻击的新方式

   2016年10月21日，网络攻击者用木马病毒“Mirai”感染超过10万个物联网终端设备—网络摄像头与硬盘录像（DVR）设备，通过这些看似与网络安全无关的硬件设备，向提供动态DNS服务的DynDNS公司发动了DDoS攻击

   Ø造成美国超过半个互联网瘫痪了6个小时，其中Twitter、Airbnb、Reddit等著名的网站，个别网站瘫痪长达24小时

   Ø这种攻击方式被称为“僵尸物联网（Botnet of Things）”攻击，是第一次出现通过物联网硬件向互联网展开大规模DDoS攻击

   Ø2017年美国《麻省理工科技评论》将“僵尸物联网”列为十大突破性技术之一

RFID安全与隐私保护研究

• RFID标签的安全缺陷：RFID标签本身的成本所限，RFID很难具备足以自身保证安全的能力
• 通信信道的安全性问题：RFID使用的是无线通信信道，这就给非法用户的攻击带来了方便
• RFID读写器的安全问题：攻击者可以通过仿造读写器，来读写RFID标签数据，或者修改RFID标签中的数据

对RFID系统的攻击方法

1. 窃听的RFID读写器
2. 欺骗、重放与克隆攻击
3. 破解与篡改攻击
4. 干扰与拒绝服务攻击
5. 灭活标签攻击
6. 病毒攻击
7. 中间人攻击

基于RFID的位置服务与隐私保护

• 隐私的内涵很广泛，通常包括个人信息、身体、财产，但是不同的民族、不同的宗教信仰、不同文化的人对隐私都有不同的理解，但是尊重个人隐私已经成为社会的共识与共同的需要
• 除了RFID之外，各种传感器、摄像探头、手机定位功能的不正当使用，都有可能造成个人信息的泄漏、篡改和滥用

保护个人隐私可以从以下4个方面着手：

• Ø法律法规约束：过法律法规来规范物联网中对包括位置信息在内的涉及个人隐私信息的使用
• Ø隐私方针：允许用户本着自愿的原则，根据个人的需要，与移动通信运营商、物联网服务提供商协商涉及个人信息的使用
• Ø身份匿名：将位置信息中的个人真实身份有一个匿名的编码代替，以避免攻击者识别和直接使用个人信息
• Ø数据混淆：采用必要的算法，对涉及个人的资料与位置信息（时间、地点、人物）进行置换和混淆，避免被攻击者直接窃取和使用

第九章物联网应用

智能工业

工业4.0基本概念

制造业是国民经济的主体，是立国之本、强国之基，物联网应用的核心是智能制造

工业1.0是以蒸汽机为代表的机械化时代，

工业2.0是以生产线为代表的流水线时代，

工业3.0是以软硬件结合的信息化时代

工业4.0改变了传统的工业价值链，标志着工业已经从土地、人力资源等要素驱动，转换为科技型创新驱动

工业4.0涵盖的基本内容

特点：互联、数据、集成、创新、转型

核心：智能工厂、智能制造与智能物流

智能工厂三大特征：高度互联、实时系统、柔性化敏捷化、智能化

智能制造：产品智能化、装备智能化、生产范式智能化、管理与服务智能化

• 产品智能化—将传感器、处理器、存储器、网络与通信模块与智能控制软件，融入到产品之中，使产品具有感知、计算、通信、控制与自治的能力，实现产品的可溯源、可识别、可定位
• 装备智能化—通过先进制造、信息处理、人工智能、工业机器人等技术的集成与融合，形成具有感知、分析、推理、决策、执行、自主学习与维护能力，以及自组织、自适应、网络化、协同工作的智能生产系统与装备
• 生产方式智能化—个性化定制、服务型制造、云制造等新业态、新模式，本质是重组客户、供应商、销售商以及企业内部组织关系，重构生产体系中的信息流、产品流、资金流的运作模式，重建新的产业价值链、生态系统与竞争格局
• 管理智能化—分为横向集成、纵向集成和端到端集成。横向是从研发、生产、产品、销售、渠道到用户管理的生态链的集成；纵向从智能设备、智能生产线、智能车间、智能工厂到生产环节的集成；端到端集成是从生产者到消费者，从产品设计、制造、物流配送、售后服务的管理与服务

三步走战略

1. 第一步：力争用十年时间，迈入制造强国行列。到2020年，基本实现工业化，制造业大国地位进一步巩固，制造业信息化水平大幅提升。掌握一批重点领域关键核心技术，优势领域竞争力进一步增强，产品质量有较大提高。制造业数字化、网络化、智能化取得明显进展
2. 第二步：到2035年，我国制造业整体达到世界制造强国阵营中等水平。创新能力大幅提升，重点领域发展取得重大突破，整体竞争力明显增强，优势行业形成全球创新引领能力，全面实现工业化
3. 第三步：新中国成立一百年时，制造业大国地位更加巩固，综合实力进入世界制造强国前列。制造业主要领域具有创新引领能力和明显竞争优势，建成全球领先的技术体系和产业体系

智能农业

早期的精细农业理念定位于利用GPS、GIS、卫星遥感技术，以及传感技术、无线通信和网络技术、计算机辅助决策支持技术，从宏观到微观的实时监测、分析、智能诊断与决策，制定田间实施计划，通过精细管理，实现科学、合理的投入，获得最佳的经济和环境效益

将物联网技术用于大田种植、设施园艺、畜禽养殖、水产养殖、农产品物流、农副产品食品安全质量监控与溯源等领域，实现对农业生产过程中的土壤、环境、水资源的实时监测，对动植物生长过程的精细管理，对农副产品生产的全过程监控与可追溯管理，对大型农业机械作业服务的优化调度

物联网在农业领域的应用是未来农业经济社会发展的重要方向，是推进社会信息化与农业现代化融合的重要切入点，也为培育农业新技术与服务产业的发展提供了巨大的商机

物联网在智能农业应用的意义

由于物联网技术可以加快转变农业发展方式，推动农业科技进步与创新，健全农业产业体系，提高土地产出率、资源利用率，有利于改善生态环境，增强我国农业抗风险与可持续发展能力，引领现代农业产业结构的升级改造与生产方式的转型

物联网技术能够覆盖农业生产的农作物生产、畜牧业生产、水产等各个领域，覆盖农作物生长，以及猪、牛、羊等牲畜生长到农副产品加工、销售的全过程，物联网在智能农业中的应用大有作为

物联网在农业领域的应用关乎我国粮食安全与食品安全，关乎民众的日常生活，因此必然是我国政府高度重视和优先发展的领域

智能交通

物联网智能交通与传统智能交通的区别

• 城市交通涉及到“人”与“物”。 “人”包括：行人、驾驶员、乘客与交警。“物”包括：道路、机动车、非机动车与道路交通基础设施。“人”、“车”、“路”构成了交通的大“环境”
• 面对“人、车、路、基础设施”的四个因素复杂交错的局面，传统的智能交通一般只能抓住其中一个主要问题，采取“专项治理”的思路去解决
• 物联网智能交通的研究思路是：面向城市交通的大系统，利用物联网的感知、传输与智能技术，实现人与人、人与车、车与路的信息互联互通，实现“人、车、路、基础设施与计算机、网络”的深度融合

车联网的特点

车联网（Internet of Vehicle ，IOV）或无线车载网（VANET）

车联网中的车辆是无线自组网中的独立节点，它们可以实时感知车辆自身的信息，并能通过无线自组网与城市智能交通网络，实现车与车、车与人、车与城市基础设施之间的信息互联互通

车联网中的车辆能够根据获取的信息，智能地判断路况，提高车辆运行的安全性；同时，车联网中的车辆也可以具有智能机器人的特征，实现自动驾驶

车联网研究的最终目标是建立一个不依赖于视觉、天气状态与人工操作的交通系统，解决城市交通拥塞问题，为汽车驾驶员、乘客与行人提供更加安全、便捷、舒适、环保的社会环境

未来的车联网是将行驶在公路上的各种车辆，通过无线车载网与互联网，与各种智能交通设施互联起来，实现车与人、车与车、车与路的互联，将汽车与交通参与方、道路基础设施、社会环境融为一体，建立“泛在、可视、可信、可控”的智能交通体系

车联网是物联网智能交通研究的重要组成部分

车联网研究的主要内容

1. 车辆主动安全技术
2. 驾驶员状态感知与预警

无人驾驶汽车研究的进展

无人驾驶汽车真正实现将驾驶员、行人、汽车、道路、交通设施与网络融为一体，体现出物联网“人-机-物”融合的本质特征，是对物联网内涵最好的诠释无人驾驶汽车已经成为物联网产业竞争的一个新的制高点

物联网智能交通研究的重点是将行驶在公路上的各种车辆，通过无线车载网与互联网，与各种智能交通设施互联起来，实现“车与人”、“车与车”、“车与路”、“车与网”的互联，使汽车与人、道路基础设施、社会环境融为一体

车联网充分利用物联网中传感网、RFID、环境感知、定位技术、无线自组网与智能控制技术，彻底颠覆了传统汽车与交通的概念，重新定义了车辆、驾驶员与行人的运行模式，也为未来的智能交通开辟了新的研究方向和内容

无人驾驶汽车的出现引起世界各国研究机构与产业界的高度重视，成为物联网智能交通研究与应用的重点问题。国内外互联网公司与传统汽车生产商的合作，用互联网、物联网、云计算、大数据、机器学习与深度学习、虚拟现实与增强现实、智能人机交互与智能控制、高精度地图等先进技术改造传统的汽车制造业，将彻底颠覆我们心目中对汽车、汽车制造业形象与社会交通体系的格局，最终要为我们建立起一个全新的“安全、可信、可控、可视”的社会智能交通体系

智能电网

智能电网的基本概念

物联网在智能电网中的作用：

• Ø深入的环境感知
• Ø全面的信息交互
• Ø智慧地信息处理

智能电网本质上是物联网技术与传统电网“融合”的产物，它能够极大地提高电网信息感知、信息互联与智能控制的能力。物联网技术能够广泛应用于智能电网从发电、输电、变电、配电到用电的各个环节，可以全方位地提高智能电网各个环节的信息感知深度与广度，支持电网的信息流、业务流与电力流的可靠传输，以实现电力系统的智能化管理

应用示例

输变电线路检测与监控

变电站状态监控

配用电管理

智能电网与物联网

智能电网的建设涉及到实现电力传输的电网与信息传输的通信网络的基础设施建设，同时要使用数以亿计的各种类型的传感器，实时感知、采集、传输、存储、处理与控制，从电能生产到最终用户用电设备的环境、设备运行状态、与安全的海量数据，物联网与云计算、大数据技术能够为智能电网的建设、运行与管理提供重要的技术支持

智能电网对社会发展的作用越大，重要性越高，受关注的程度也就越高，智能电网面临的网络安全形势越严峻。在发展智能电网技术的同时，必须高度重视智能电网信息安全技术的研究

智能环保

智能环保基本概念

基于物联网技术的环境监测网络可以融合无线传感器网络的多种传感器的信息采集能力，利用网络的宽带通信能力，集成高性能计算、云计算、数据挖掘与大数据技术，构成现代化的环境信息采集与处理平台，全面、客观、准确地揭示环境信息的内涵，对环境质量及其变化做出正确的评价、判断和处理，为环境保护决策提供依据，已经成为世界各国环境科学与信息科学交叉研究的热点

智能环保应用示例

1. 大鸭岛海燕生态环境监测系统

• Ø大鸭岛是位于美国缅因州Mount Desert以北15公里的动植物保护区
• Ø美国加州大学伯克利分校的研究人员希望能够在大鸭岛监测海燕的生存环境，研究海鸟活动与海岛微环境
• Ø采用无线传感器网络技术，构成低成本、易部署、无人值守、连续监测的系统
• Ø2002年的第一期的原型系统有30个无线传感器节点，2003年的第二期的大鸭岛系统有150个无线传感器节点
• Ø传感器类型包括光、湿度、气压计、红外、摄像头在内的近10种，每隔15分钟通过卫星通信信道传送一次传感器的状态与位置数据

大鸭岛海燕生态环境监测系统成为在局部范围内利用物联网技术，开展全球合作研究濒稀动物保护的成果案例

1. 太湖环境监控系统

太湖环境监控系统是我国科学家开展的物联网用于环境监测应用示范工程项目

Ø2009年11月，无锡（滨湖）国家传感信息中心和中国科学院电子学研究所合作共建了“太湖流域水环境监测”传感网信息技术应用示范工程

Ø传感器和浮标将被布放在环太湖地区，建立定时、在线、自动、快速的水环境监测无线传感网络，形成湖水质量监测与蓝藻暴发预警、入湖河道水质监测，以及污染源监测的传感网络系统

1. 森林生态物联网研究项目—绿野千传

2009年8月，项目组在浙江省天目山脉部署了一个超过200个无线传感器节点的实用系统

Ø利用无线传感器网络收集大量数据，通过数据挖掘的方法，帮助林业科研人员开展精确的环境变化对植物生长影响的研究

Ø通过无线传感器网络实现对森林温度、湿度、光照和二氧化碳浓度等多种生态环境数据的全天候监测，为森林生态环境监测与研究、火灾风险评估、野外救援应用提供服务

1. 高海拔山区气候、地质结构监测PermaSense项目

在阿尔卑斯山脉的岩床上部署了一个用于监测气候、地质结构与地表环境的无线传感器网络

Ø用于实时、连续、大范围采集环境数据

Ø根据这些数据，科学家结合地质结构模型，研究温度对山体地质结构的影响，预报雪崩、山体 滑坡等地质灾害

1. 全球气候变化监测Planetary Skin项目

Planetary Skin是由Cisco公司与美国国家航空航天局联合的一个旨在应对全球气候变化的合作研究项目，目的是联合世界各国的科研和技术力量，整合所有可以连接的环境信息监测系统，利用包括空间的卫星遥感系统、无人飞行器监测设备、陆地的无线传感器网络监测平台，RFID物流监控网络、海上监测平台，以及个人手持智能终端设备，建立一个全球气候监测物联网系统

智能环保与物联网

智能环保是物联网技术应用最为广泛、影响最为深远的领域之一

如何发挥物联网的技术优势，利用传感器、传感网技术手段，能够开展大范围、多参数、实时与持续的环境参数采集和传输，设计和部署大规模、长期稳定运行的环境监测系统，是当前研究的热点问题

如何云计算平台汇聚、存储海量的环境监测数据，利用合理的模型与大数据分析手段，对环境数据进行及时、正确的分析，获取准确、有益的“知识”，是智能环保研究的核心问题

智能医疗

智能医疗是物联网技术与医院管理、医疗与保健“融合”的产物，它覆盖医疗信息感知、医疗监护服务、医院管理、药品管理、医疗用品管理，以及远程医疗等领域，实行医疗信息感知、医疗信息互联与智能医疗控制的功能

1. 智能手术橱柜和智能纱布
2. RFID技术医疗管理中的应用
3. 手术机器人
4. 基于无线人体区域网的智能远程医疗系统

智能安防

• 物联网技术在智能安防中的应用小到我们身边家庭、小区的安防系统，大到一个国家或地区的安防系统

• 基于物联网的智能安防系统具有更大范围、更全面、更实时、更智慧的感知、传输与处理能力，目前已成为智能安防研发的重点

智能安防应用示例

1. 居民小区的智能安防系统

   

2. 城市公共腿法时间应急处理体系

   

3. 国家级公共安全防护体系

组建SensorNet系统的目的是应对突发事件与恐怖袭击，针对全国性的化学、生物、核辐射、爆炸的危险，基于化学、物理、生物、辐射传感器与无线传感器网络技术，有线、无线与卫星通信网络技术，GPS、GIS与遥感卫星与位置服务技术，数据库、数据挖掘与建模技术，以及大规模并行计算技术，建立具有全面、系统、实时地检测、识别与评估能力的公共安全防护体系

智能安防与物联网

智能安防关乎个人安全与社会安全，应用范围小到我们身边生活的社区与城市，大到一个重要区域的安全保卫，以及国家范围的应急处置系统，因此智能安防的产业发展前景广阔，市场规模巨大

随着智能对安防要求的提高，大数据量、实时性的视频图像感知信息成为重点。安防数据包含结构化、半结构化和非结构化的数据信息。其中结构化数据主要包括报警记录、系统日志、运维数据；半结构化数据包括人脸建模数据、指纹记录等；非结构化数据主要包括监控、报警的视频录像和人脸图片记录，如何对非结构化的数据进行分析、提取、挖掘、搜索与处理，将对智能安防系统提出更高的要求

智能家居

基本概念

智能家居是以住宅为平台，综合应用计算机网络、无线通信、自动控制与音视频技术，集服务、管理为一体，将家庭供电与照明系统、音视频设备、网络家电、窗帘控制、空调控制、安防系统，以及电表、水表、煤气表自动抄送设施连接起来，通过触摸屏、无线遥控、电话、语音识别等方式实现远程操作或自动控制，提供家电控制、照明控制、窗帘控制、室内外遥控、防盗报警、环境监测、暖通控制等多种功能，实现与小区物业与社会管理联动，达到居住环境舒适、安全、环保、高效与方便的目的

物联网与智能家居的关系

智能家居研究的主要内容：

• Ø智能家电
• Ø家庭节能
• Ø家庭照明
• Ø家庭安防

智能家居的效益

• 高效节能
• 使用方便，操控安全
• 提高家庭安全性
• 提升居家舒适度

智能家居应用示例

智能家居系统八个子系统

• 智能家居中央控制管理系统
• 家庭安防监控系统
• 智能家电控制系统
• 家庭影院与多媒体系统
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智能物流

智能物流的基本概念

随着社会的发展，物品的生产、流通、销售逐步专业化，连接产品生产者与消费者之间的运输、装卸、存储就逐步发展成专业化的物流行业

物联网通过信息流来指挥物流的快速流动，从而达到加快资金流的周转，企业从中获取更大的经济利益。智能物流利用RFID与传感器技术，实现对物品从采购、入库、制造、调拨、配送、运输等环节全过程的信息的采集、传输与处理

要达到这个目标，就需要在智能物流的运行平台之上，实行供应物流、生产物流与销售物流各个环节的协调工作；超级计算机利用数据挖掘与大数据算法，对社会需求、销售、库存、制造的海量数据进行分析，将取得的“知识”去指挥物流快速流动，从而加快资金流的周转，使得企业从中获取更大的经济效益

智能物流与物联网的关系

物联网技术覆盖智能物流运行的全过程

智能物流中“虚拟仓库”的概念需要由物联网技术来支持

智能物流运行过程的实时监控和实时决策必须有物联网来支持

大型智能物流系统网络系统设计方法

Ø随着技术的发展，“网购平台与实体店结合、线上与线下结合”，可能还会应用到更为先进的技术，但是有一点不会改变，那就是：网购平台与实体店的运行必须建立在一个强大的智能物流系统之上

Ø我们必须要研究大型智能物流系统网络系统设计方法

网络总体结构设计原则

大型连锁零售企业从管理的角度可以分为：总公司、分公司与仓库、配送中心，以及基层的销售商店等三个层次

总公司管理了整体的资金运作，监督计划、采购、配送、销售策略的制定与运行；按照区域成立多个分公司；分公司管理设置在一个地区设置的仓库、配送中心与销售商店

面对这样一种运行模式的大型连锁零售企业，支持它的智能物流网络体系结构也需要分为三层：核心层、汇聚层与接入层

销售商店或超市网络的设计

销售商店或超市网络一般选用速率高速以太网交换机作为主干交换机；主干交换机连接各部门的第二层交换机，以及商店、超市的服务器与运行管理软件的计算机

第二层交换机的选型主要取决于连接的节点类型、数量、传输的数据量，以及对传输实时性的要求；设计者要看连接的节点是智能收款机，还是智能柜橱、智能查询终端、智能试衣镜或导购机器人来决定

销售商店或超市网络需要支持导购机器人、移动移动终端设备，以及安装有RFID、可以接入销售商店或超市网络的智能手机，销售商店或超市无线局域网Wi-Fi要能够覆盖销售商店或超市的售货区、库房与管理区

分公司、仓库与配送中心网络系统的设计

分公司将用于分公司管理的网络、仓库网络、配送中心网络与下属的销售商店、超市的网络，构成一个分公司子网，从整个网络系统的结构中属于汇聚层

分公司管理网络汇聚所属销售商店或超市的实时销售数据，向总公司管理层汇报；同时连接仓库与配送中心网络，实时采集、分析当前库存商品的数据，控制仓库与商品配送

配送中心网络根据公司指令，完成商品配送、补给、运输；对运输车辆位置、运送商品的类型、数量进行管理和控制，以缩短商品配送的时间，减少运输车辆空载运行的现象，减少浪费，节约能源，提高效益

总公司主干网的设计

总公司主干网是由总公司管理网络、数据中心网络，连接分公司子网的主干路由器，以及通过防火墙连接互联网的公司外网组成

总公司主干网设置一个数据中心，用来存储与企业经营相关的数据；根据企业计算与存储的需要，数据中心可以是一台或几台企业级服务器、服务器集群，也可以是建设一个私有云平台或租用公有云

总公司的核心交换层网络、汇聚层网络、接入层网络是处理企业事务的专用网络，除公司外网之外，不允许公司内部网络的任何路由器、主机，以有线或无线等任何方式接入到互联网