物聯網導論（簡體書）

本書從"全面感知、可靠傳送、智慧處理”的物聯網特徵出發，以物聯網的三個層次為主線，較全面地介紹了物聯網所涵蓋的知識和技術。本書由13章構成，按物聯網的層次分為3篇。 第1篇為感知控制層，主要內容包括物聯網的基本概念和基本結構以及知識體系、RFID與EPC編碼、感測器技術和無線感測器網路方面的基本知識與技術。第2篇為傳輸網路層，主要內容包括短距離通信技術、通信與網路技術、移動通信技術。第3篇為綜合應用層，主要內容包括中介軟體技術、雲計算與大資料、物聯網定位技術、物聯網安全和一些綜合應用案例。在附錄1中提供了5個基本實驗，便於實踐性學習。另外，在每章前給出了本章的學習目標、知識點、教學安排和教學建議，以便於教學參考；在每章後給出了一些適當的習題，以便於練習與鞏固知識。本書配套PPT、習題解答。

曾憲武，青島科技大學副教授，碩士研究生導師。1987年7月畢業于北京郵電大學電信工程系，1990—1993年于蘭州交通大學攻讀鐵道運輸自動化碩士學位，1996年—2002年任職於煙臺東方電子資訊產業股份有限公司、從事電力自動化研發工作，2004—2008年于中國海洋大學攻讀海洋資訊探測與處理方向博士學位。目前主要研究方向為：物聯網，海洋水聲通信及變結構控制。自2003年1月至今工作于青島科技大學資訊科學技術學院。

1.本書從“全面感知、可靠傳送、智慧處理”的物聯網特徵出發，以物聯網的三個層次為主線，內容分為3大篇，在理論知識講解中貫穿了一些案例。附錄中給出了相關實驗。2.每章前給出了本章的學習目標、知識點、教學安排和教學建議。3.本書配套PPT、習題解答。

前 言
物聯網是近些年新興的資訊科學技術，是電腦、通信、自動控制等學科的高度交叉融合。從2010年第一屆中國物聯網大會至今已經歷了6個年頭，在這短短的6年之間，物聯網從當時的概念已落實為具體的行動，全國的物聯網產業、工程示範、應用服務、科研以及物聯網專業教育和教學已逐漸發展壯大，初見成果。
物聯網是資訊技術發展到一定高度的結果，是以電腦技術為代表的，包括通信技術、電子技術、自動控制技術、智慧科學等在內的多種技術與科學的融合與擴展。20世紀90年代發展起來的互聯網是電腦技術與通信技術的一次融合創新，而近些年來發展起來的物聯網又是繼互聯網後的又一次融合拓展與創新。
物聯網的構建是一個複雜的系統工程，涉及多個層次與多個領域。從物聯網的總體結構上來分，目前大多數學者認為它可分為感知控制、傳輸網路與綜合服務三個層次。感知控制層主要負責資訊的全面感知和相關回饋控制；傳輸網路層負責資訊的安全、可靠傳送；綜合服務層負責資訊的處理、存儲、共用與服務應用。物聯網特徵體現為“全面感知、可靠傳送、智慧處理”。
本書是依據物聯網的發展背景、物聯網的層次結構和特徵為主線進行編寫的，由3篇共13章構成。
第1篇為“感知控制層”，由4章構成，分別是“概述”、“RFID與EPC編碼”、“感測器技術”、“無線感測器網路”。“概述”主要講述了物聯網的起源、發展現狀、涉及的應用領域與包含的科學與知識架構。“RFID與EPC編碼”主要講述了RFID的基本原理與構成、參數與應用場合，EPC編碼的標準結構與各欄位的含義與應用。“感測器技術”講述了感測器的基本概念、所應用的物理定律、基本結構、分類，常用感測器的基本原理和應用範疇。“無線感測器網路”講述了其基本構成與特點、關鍵技術與應用，介紹了IEEE 802.15.4標準及ZigBee協定規範、路由式通訊協定與拓撲控制、節點定位、時間同步的原理與演算法等。
第2篇為“傳輸網路層”，由4章組成，它們是“短距離通信技術與資訊融合”、“物聯網通信系統與傳輸網”、“互聯網與IP通信”以及“移動通信技術”。“短距離通信技術與資訊融合”主要講述了常用的串列通信匯流排與工業匯流排、藍牙、紅外及超寬頻通信技術的基本概念和通信原理，以及資訊融合、感測器管理和無線感測器網路的資料融合等相關原理。“物聯網通信系統與傳輸網”主要講述了物聯網通信系統結構、通信網的基本概念與構成要素、SDH數位傳輸系統、資料通信網、資料交換的基本原理與特點。“互聯網與IP通信”主要介紹了互聯網與網際網路的結構、TCP/IP協定、IEEE 802.11無線局域網等方面的基本原理與結構。“移動通信技術”簡要講述了移動通信的概念，移動通信的組網技術，第三代移動通信中的WCDMA、CDMA2000、TD-SCDAM及WiMAX移動通信技術的頻譜分配、結構與組成。
第3篇為“綜合應用層”，由5章構成，分別是“中介軟體技術”、“雲計算與大資料”、“物聯網定位技術”、“物聯網安全”和“物聯網綜合應用案例”。“中介軟體技術”簡要講述了中介軟體的體系框架、中介軟體分類，以及無線感測器中介軟體的功能與體系結構參考模型、雲計算中介軟體的基本概念等。“雲計算與大資料”主要講述了雲計算的基本概念、模型、雲機制以及雲計算基本架構，簡要講述了大資料的概念和典型大資料處理系統、大資料處理基本流程和Hadoop分散式大資料系統。“物聯網定位技術”簡要講述了GPS、移動蜂窩定位技術、WLAN室內定位技術、WSN定位技術的基本原理，及主要參數和應用場合。“物聯網安全”講述了物聯網安全要素、物聯網安全架構、感知控制層安全、無線感測器網路的安全、傳輸網路層的安全和綜合應用層安全的關鍵技術等。“物聯網綜合應用案例”簡要介紹了智慧城市、智慧校園、智慧物流和智慧家居四種典型的應用範例。
另外，本書在附錄1相關實驗中給出了5個一般性實驗，它們分別是RFID實驗、溫濕度感測器實驗、無線感測器網路的溫濕度實驗、網路交換機與路由器的VLAN分析與設計實驗、虛擬機器安裝與克隆實驗。通過這些基本實驗，讀者可以理解和領會物聯網的總體結構和應用。
本書在每章的開頭給出了本章的學習目標、知識點、教學安排和教學建議，以便於教學參考；在每章後給出了一些適當的習題，以便於練習與鞏固知識。
本書按照導論性、通俗性、全面性、實踐性和便於教學的原則來編著，概要性地講述了物聯網所涵蓋的相關學科知識與技術，使讀者能夠瞭解物聯網的基本概念、基本知識與相關技術，便於初學者掌握物聯網的全貌。本書突出物聯網的特色與關鍵技術、應用領域，突出了課堂教學與實驗教學的相結合，另外還將雲計算、大資料、物聯網安全等方面的物聯網新技術納入了本書。
本書可作為普通高校物聯網工程專業本科生教材和相近專業的研究生教材，也可以作為相關專業技術人員學習物聯網技術的參考資料。參考教學學時為80學時，其中課堂教學75學時，實驗教學5學時，也可根據具體教學大綱要求給予縮減。
本書由曾憲武組織統稿，第1、2篇由曾憲武編著，第3篇由包淑萍編著。在編著過程中得到了任春年、高劍、于旭老師及青島科技大學物聯網工程教研室其他老師的大力協助與支持，同時也得到了電子工業出版社任歡歡等編輯的指導與協助，在此表示衷心的感謝。
由於物聯網技術發展迅速，以及編著者的水準有限，書中難免有不當之處，敬請讀者批評指正。

編著者
2015年12月

目 錄
第1篇 感知控制層
第1章 概述 2
1.1 物聯網的概念與定義 2
1.1.1 物聯網的起源 2
1.1.2 物聯網的概念與定義 4
1.1.3 物聯網的特徵 6
1.2 資訊處理流程與物聯網框架結構 7
1.2.1 資訊採集處理流程 7
1.2.2 物聯網基本結構 8
1.2.3 物聯網層次框架 9
1.3 物聯網關鍵技術及其應用進展 10
1.3.1 物聯網關鍵技術 10
1.3.2 物聯網應用 12
1.3.3 物聯網的發展 15
1.4 物聯網涉及的主要學科及其知識體系 17
1.4.1 物聯網涉及的主要學科 17
1.4.2 物聯網專業知識體系 17
小結 18
習題 19
第2章 RFID與EPC編碼 20
2.1 RFID的發展 20
2.2 RFID的構成與特點 22
2.2.1 電子標籤 22
2.2.2 閱讀器 25
2.3 EPC編碼 26
2.3.1 電子產品編碼概述 26
2.3.2 電子產品編碼技術 28
2.3.3 條碼技術 30
2.3.4 EPC編碼 32
2.4 校園一卡通 34
2.4.1 基本結構 34
2.4.2 管理子系統 35
2.4.3 終端子系統 36
小結 37
習題 37
第3章 感測器技術 38
3.1 感測器基礎 39
3.1.1 感測器基本概念 39
3.1.2 感測器應用與發展趨勢 41
3.1.3 感測器的特性與指標 43
3.2 電阻式與變磁阻式感測器 44
3.2.1 電阻式感測器 45
3.2.2 變磁阻式感測器 46
3.3 電容式感測器與磁電式感測器 47
3.3.1 電容式感測器 47
3.3.2 磁電式感測器 48
3.4 壓電式感測器與熱電式感測器 48
3.4.1 壓電式感測器 48
3.4.2 熱電式感測器 49
3.5 光電式感測器與光纖傳感器 51
3.5.1 光電式感測器 51
3.5.2 光纖傳感器 52
3.6 化學感測器與生物感測器 53
3.6.1 化學感測器 53
3.6.2 生物感測器 55
3.7 MEMS感測器與智慧感測器 57
3.7.1 MEMS感測器 57
3.7.2 智慧感測器 57
小結 58
習題 58
第4章 無線感測器網路 59
4.1 概述 59
4.1.1 無線感測器網路的概念與特點 60
4.1.2 無線感測器網路的關鍵技術與應用難點 63
4.2 IEEE 802.15.4標準及ZigBee協定規範 65
4.2.1 IEEE 802.15.4標準 65
4.2.2 ZigBee協定規範 65
4.3 無線感測器網路的路由式通訊協定與拓撲控制 68
4.3.1 WSN路由式通訊協定 68
4.3.2 WSN的拓撲控制 71
4.4 WSN節點的定位 72
4.4.1 節點定位的概念及基本原理 73
4.4.2 距離定位 76
4.4.3 距離無關的定位演算法 78
4.5 無線感測器網路的時間同步 80
4.5.1 概述 80
4.5.2 網路時間同步機制 81
4.5.3 RBS同步機制 83
小結 85
習題 85
第2篇 傳輸網路層
第5章 短距離通信技術與資訊融合 88
5.1 短距離有線通信技術 89
5.1.1 資料終端間的通信及介面特性 89
5.1.2 USB串列匯流排 91
5.1.3 CAN工業匯流排 92
5.2 近距離無線通訊技術 92
5.2.1 藍牙技術 93
5.2.2 紅外通信技術 94
5.2.3 超寬頻無線通訊技術 95
5.3 資訊融合 97
5.3.1 資訊融合基本概念與原理 97
5.3.2 資訊融合資料 99
5.3.3 感測器管理 101
5.3.4 無線感測器網路的資料融合 103
小結 104
習題 104
第6章 物聯網通信系統與傳輸網 105
6.1 物聯網通信系統基本結構 105
6.2 通信網與SDH 107
6.2.1 通信網的基本概念 107
6.2.2 通信網的基本拓撲結構與分層 108
6.2.3 SDH傳輸網 112
6.3 資料通信網與電腦通信網 116
6.3.1 資料通信網與電腦通信網基本概念 116
6.3.2 資料交換 116
6.3.3 資料通信網 122
小結 126
習題 127
第7章 互聯網與IP通信網 128
7.1 互聯網與網際網路的結構 129
7.1.1 互聯網的結構 129
7.1.2 網際網路的結構 129
7.2 TCP/IP協議簇及其分層 130
7.2.1 TCP/IP協議簇分層 130
7.2.2 應用層 130
7.2.3 傳輸層 131
7.2.4 網路層 132
7.2.5 資料連結層 134
7.2.6 實體層 135
7.3 IP通信及IP通信網 135
7.3.1 寬頻IP都會區網路 136
7.3.2 寬頻IP網的骨幹傳輸技術 138
7.4 IEEE 802.11無線局域網 140
7.4.1 IEEE 802.11無線局域網基本概念與特點 140
7.4.2 IEEE 802.11系列協定 142
7.4.3 IEEE 802.11資料連結層與CSMA/CA協議 143
小結 147
習題 147
第8章 移動通信技術 148
8.1 移動通信的概念和發展過程 149
8.1.1 移動通信的概念及其特點 149
8.1.2 移動通信的發展過程 150
8.2 移動通信的組網技術 151
8.3 第三代移動通信系統 153
8.3.1 第三代移動通信系統的特點 154
8.3.2 3G參數 154
8.3.3 WCDMA 155
8.3.4 CDMA2000 158
8.3.5 TD-SCDMA 163
8.3.6 WiMAX 166
小結 169
習題 169
第3篇 綜合應用層
第9章 中介軟體技術 172
9.1 物聯網與中介軟體 172
9.1.1 中介軟體的基本概念 172
9.1.2 中介軟體的體系框架 173
9.1.3 中介軟體分類 174
9.2 感知控制層的中介軟體 177
9.2.1 無線感測器網路中介軟體 177
9.2.2 RFID中介軟體 180
9.3 雲計算中介軟體、物聯網中介軟體及其面臨的挑戰 184
9.3.1 雲計算中介軟體 184
9.3.2 物聯網中介軟體及其面臨的挑戰 186
小結 187
習題 188
第10章 雲計算與大資料 189
10.1 雲計算基礎 190
10.1.1 雲計算的起源與定義 190
10.1.2 雲計算基本概念及模型 192
10.1.3 虛擬化 197
10.1.4 Web技術 200
10.2 雲電腦制 201
10.2.1 雲基礎設施機制 201
10.2.2 特殊雲機制 205
10.2.3 雲管理機制 210
10.2.4 基本雲架構 212
10.3 大資料技術 214
10.3.1 大資料的發展及其相關概念 214
10.3.2 典型的大資料處理系統 216
10.3.3 大資料處理的基本流程 218
10.4 Hadoop：分散式大資料系統 218
小結 221
習題 222
第11章 物聯網定位技術 223
11.1 概述 223
11.2 GPS定位技術 224
11.2.1 GPS的組成與應用 224
11.2.2 軌道參數 226
11.2.3 GPS定位、測速和授時原理 227
11.2.4 GPS用戶接收機 230
11.3 無線蜂窩定位 231
11.3.1 蜂窩移動通信定位技術的體制 231
11.3.2 主要蜂窩定位技術 233
11.3.3 影響精度的因素 235
11.4 WLAN室內定位技術 237
11.4.1 概述 237
11.4.2 無線局域網室內定位技術的分類 238
11.4.3 基於WLAN和位置指紋的室內定位技術 241
小結 243
習題 244
第12章 物聯網安全 245
12.1 物聯網安全概述 246
12.1.1 物聯網安全的要素 246
12.1.2 物聯網安全的研究現狀 247
12.1.3 物聯網安全架構 248
12.2 感知控制層安全 250
12.2.1 RFID安全 250
12.2.2 無線感測器網路的安全 251
12.2.3 移動智慧終端機 252
12.3 傳輸網路層的安全 253
12.3.1 互聯網與物聯網分層模型比較 253
12.3.2 互聯網的安全保護 254
12.4 綜合應用層安全 256
12.4.1 綜合應用層安全的關鍵技術和面臨的問題 256
12.4.2 雲計算安全 257
12.5 物聯網安全案例 260
小結 260
習題 261
第13章 物聯網綜合應用案例 262
13.1 智慧城市 262
13.1.1 智慧城市的由來及其特點 262
13.1.2 智慧城市的架構 264
13.2 智慧校園 267
13.2.1 智慧校園及其發展 267
13.2.2 智慧校園的物聯網特徵及關鍵技術 268
13.2.3 智慧校園的總體方案和系統架構 270
13.3 物聯網在港口物流領域的應用 272
13.4 智慧家居 275
小結 276
習題 276
附錄1 相關實驗 277
附錄2 縮略語 287
參考文獻 290