物联网技术基础教程

第1章物联网概述1

1.1物联网的起源与发展1

1.2物联网的定义2

1.2.1物联网的概念2

1.2.2物联网的定义及组成2

1.3物联网技术体系4

1.3.1物联网技术概述4

1.3.2物联网技术体系4

1.3.3物联网面临的主要技术问题6

1.4物联网的应用领域6

1.5应用案例: 光纤传感温度监测系统9

习题与思考题11

第2章物联网架构技术12

2.1物联网结构12

2.1.1感知识别层13

2.1.2网络构建层13

2.1.3管理服务层14

2.1.4综合应用层15

2.2未来的物联网架构技术16

2.3应用案例: 上海嘉定物联网工程示范项目17

习题与思考题19

第3章标识技术20

3.1特定领域的标识与自动识别技术20

3.1.1条形码技术20

3.1.2磁卡21

3.1.3IC卡技术22

3.1.4射频识别技术23

3.1.5传感器技术24

3.1.6光学字符识别技术33

3.1.7语音识别技术35

物联网技术基础教程(第2版)

目录3.1.8生物计量识别技术36

3.1.9遥感遥测40

3.1.10机器人智能感知41

3.2不同的标识体系41

3.2.1ISO标识体系41

3.2.2GS1标识体系42

3.2.3IEEE标识体系42

3.2.4IPv6与6LoWPAN标识体系43

3.3用于物联网标识的开放架构43

3.4电子产品编码44

3.4.1电子产品编码体系及其特点44

3.4.2物联网环境下的“物品”的统一标识体系44

3.4.3EPC标签的通用标识符46

3.4.4序列化全球贸易标识代码48

3.5未来的物联网标识技术48

3.6应用案例: 医疗健康护理传感器网络49

习题与思考题51

第4章通信技术52

4.1无线低速网络52

4.1.1蓝牙技术52

4.1.2紫蜂技术54

4.1.3红外通信技术58

4.1.4近距离通信技术59

4.2移动通信网络62

4.2.1移动通信系统简介62

4.2.2第一代移动通信: 模拟语音64

4.2.3第二代移动通信: 数字语音64

4.2.4第三代移动通信: 数字语音与数据65

4.2.5第四代移动通信技术67

4.3设备对设备通信技术69

4.3.1M2M简介69

4.3.2M2M体系结构和技术组成70

4.3.3M2M卡和模块71

4.3.4M2M应用72

4.4工业领域的无线网络73

4.4.1Wireless HART73

4.4.26LoWPAN74

4.5未来的物联网通信技术75

4.6应用案例: 电子不停车收费系统76

习题与思考题77

第5章网络技术79

5.1非接触射频识别系统79

5.1.1RFID分类与基本组成79

5.1.2RFID射频电子标签80

5.1.3RFID阅读器82

5.1.4阅读器关键技术83

5.1.5Savant系统84

5.1.6RFID标准85

5.1.7RFID应用86

5.2EPC信息网络系统86

5.2.1物联网EPC网络系统构成86

5.2.2系统构成87

5.2.3信息网络系统89

5.2.4EPC网络应用流程90

5.2.5对象名称解析服务91

5.2.6实体标记语言91

5.2.7EPC信息服务模块92

5.3无线传感器网络93

5.3.1传感器的组成和结构94

5.3.2传感器网络体系结构97

5.3.3传感器网络自组网技术102

5.3.4传感器网络MAC协议与路由协议103

5.3.5IEEE 802.15.4标准103

5.3.6传感器网络数据管理技术104

5.4宽带网络技术105

5.4.1无线局域网105

5.4.2无线城域网110

5.4.3超宽带技术112

5.5无线网格网115

5.5.1无线网格网的技术特点115

5.5.2无线网格网的网络结构116

5.5.3无线网格网与其他通信网络的区别118

5.5.4无线网格网的关键技术118

5.5.5无线网格网的优势120

5.6云计算网络120

5.6.1云计算简介121

5.6.2云计算系统的体系结构122

5.6.3云计算服务层次124

5.6.4云计算技术层次128

5.6.5云计算的核心技术129

5.6.6典型云计算平台130

5.6.7典型的云计算系统及应用132

5.7未来的物联网网络技术133

5.8应用案例： 战场监测与指挥传感器网络134

习题与思考题137

第6章网络定位技术138

6.1位置服务138

6.2GPS全球定位系统138

6.2.1GPS构成138

6.2.2GPS工作过程139

6.2.3GPS定位计算140

6.2.4全球四大GPS系统141

6.2.5GPS的应用142

6.3蜂窝基站定位142

6.3.1GSM蜂窝基站的基础架构142

6.3.2COO定位143

6.3.3七号信令定位143

6.3.4TOA/TDOA定位143

6.3.5AOA定位145

6.3.6基于场强的定位145

6.3.7混合定位145

6.4新兴定位系统145

6.4.1AGPS定位基本机制145

6.4.2AGPS定位基本流程146

6.4.3AGPS定位技术的实际应用情况147

6.5无线室内环境定位148

6.5.1室内GPS定位技术148

6.5.2室内无线定位技术149

6.6传感器网络结点定位技术151

6.6.1传感器网络定位简介151

6.6.2WSN定位技术基本概念151

6.6.3基于测距的算法152

6.6.4结点坐标计算方法153

6.6.5基于非测距的算法155

6.6.6新型WSN定位研究分析155

6.7传感器网络时间同步技术156

6.8未来的物联网网络定位和发现技术159

6.9应用案例： 矿用射频识别人员定位系统160

习题与思考题162

第7章软件、服务和算法技术163

7.1环境感知型中间件163

7.1.1中间件概述163

7.1.2中间件的体系框架与核心模块164

7.1.3中间件的分类164

7.1.4物联网中间件的设计165

7.2嵌入式软件165

7.2.1嵌入式系统165

7.2.2嵌入式软件的应用166

7.2.3嵌入式软件的分类167

7.2.4嵌入式软件发展趋势168

7.3微型操作系统168

7.3.1传感器结点微型操作系统168

7.3.2其他常见微型操作系统169

7.4面向服务架构171

7.4.1面向服务架构简介171

7.4.2面向服务架构的特征171

7.4.3面向服务架构的元素172

7.4.4面向服务的计算环境173

7.4.5利用价值173

7.5物联网海量数据存储与查询175

7.5.1网络存储体系结构175

7.5.2海量数据存储及查询179

7.6物联网数据融合及路由180

7.6.1数据融合的基本概念180

7.6.2物联网中数据融合的关键问题181

7.6.3物联网数据融合的基本原理181

7.6.4传感器网络数据融合技术182

7.6.5数据融合的层次结构183

7.6.6多传感器数据融合算法184

7.6.7传感网数据融合路由算法187

7.7未来的物联网软件、服务和算法技术188

7.8应用案例： Google数据中心189

习题与思考题192

第8章硬件技术194

8.1微电子机械系统194

8.1.1MEMS简介194

8.1.2发展概述194

8.1.3微电子机械系统的应用领域195

8.1.4微电子机械系统技术196

8.1.5产品应用实例197

8.2移动设备内置传感器硬件平台198

8.2.1内置传感器198

8.2.2微处理器198

8.2.3通信芯片199

8.3数字化传感器及网络接口技术200

8.3.1数字化传感器200

8.3.2传感器的网络化201

8.4未来的物联网硬件技术201

8.5应用案例： 基于无线通信M2M模块的道路照明解决方案202

习题与思考题206

第9章数据和信号处理技术207

9.1可扩展标记语言207

9.1.1可扩展标记语言简介207

9.1.2可扩展标记语言特性208

9.1.3可扩展标记语言文档结构208

9.1.4XML的优势209

9.2高性能计算210

9.2.1高性能计算概述211

9.2.2高性能计算机的应用211

9.2.3高性能计算分类212

9.2.4分布式计算212

9.2.5网格计算213

9.2.6网格类型214

9.2.7高性能计算集群214

9.3海量数据库技术216

9.3.1传统的关系型数据库面临更大的挑战217

9.3.2支撑物联网的数据库技术217

9.3.3关系型数据库219

9.3.4非关系型数据库220

9.3.5实时数据库222

9.3.6分布式数据库系统224

9.4语义网226

9.4.1语义网概念226

9.4.2语义网基本特征227

9.4.3语义网与万维网的区别227

9.4.4语义网的实现228

9.4.5语义网的体系结构228

9.4.6语义网的主要应用230

9.5智能决策算法230

9.6人工智能技术231

9.7人机交互技术233

9.7.1人机交互技术概况233

9.7.2人机交互技术的发展233

9.7.3多媒体与虚拟现实系统的交互特点234

9.7.4多通道人机交互技术235

9.7.5人机界面235

9.8未来的物联网数据和信号处理技术236

9.9应用案例： 基于图像处理技术的汽车牌照识别系统237

习题与思考题238

第10章发现与搜索引擎技术239

10.1搜索引擎技术概述239

10.1.1搜索引擎的发展239

10.1.2搜索引擎分类239

10.2Web搜索引擎工作原理240

10.2.1Web搜索引擎的组成240

10.2.2Web搜索引擎的工作模式241

10.2.3搜索引擎的技术设计与算法242

10.3物联网搜索引擎246

10.3.1基于物品的搜索引擎技术247

10.3.2基于简单标识的对象查找技术247

10.4服务发现技术248

10.4.1Web服务发现248

10.4.2传感数据的语义发现技术249

10.4.3数据挖掘250

10.4.4物联网数据挖掘257

10.5未来的物联网发现与搜索引擎技术262

10.6应用案例： 语境感知技术264

习题与思考题265

第11章关系网络管理技术266

11.1网络管理的热点技术266

11.2分布式网络管理技术269

11.2.1分布式网络管理体系结构270

11.2.2基于CORBA的分布式管理272

11.2.3基于Web的分布式网络管理273

11.2.4基于移动代理的分布式网络管理275

11.2.5基于主动网络技术的网络管理278

11.2.6未来的网管系统278

11.3分布式数据库/资料集合的管理278

11.3.1分布式数据库管理系统的组成279

11.3.2分布式数据库管理系统的分类279

11.3.3分布式数据库/资料集合的管理的实现280

11.4应用案例： 海量飞行数据管理系统281

习题与思考题285

第12章电源和能量储存技术286

12.1能源采集转换技术286

12.1.1能源采集转换技术概述286

12.1.2光伏技术288

12.1.3生物发电288

12.1.4压电技术289

12.1.5能量转换装置291

12.2能量存储(电池)技术293

12.2.1薄膜电池293

12.2.2锂离子电池295

12.2.3印刷电池298

12.2.4光电池298

12.3无线供电技术300

12.3.1无线供电技术实验300

12.3.2短距离无线供电方案301

12.4未来的电源与能量储存技术303

12.5应用案例： 利用废热为无线传感器供电304

习题与思考题307

第13章安全与隐私技术308

13.1物联网安全性概述308

13.1.1物联网安全的必要性308

13.1.2物联网安全的层次308

13.1.3感知层的安全需求和安全框架309

13.1.4传输层的安全需求和安全框架311

13.1.5处理层的安全需求和安全框架312

13.1.6应用层的安全需求和安全框架314

13.1.7影响信息安全的非技术因素和存在的问题315

13.2RFID标签安全机制316

13.2.1RFID电子标签的安全设置316

13.2.2RFID电子标签在应用中的安全机制317

13.3无线传感器网络安全机制318

13.3.1WSN安全问题318

13.3.2传感器网络的安全机制319

13.3.3传感器网络的安全分析320

13.3.4WSN安全研究重点322

13.4物联网身份识别技术323

13.4.1电子ID身份识别技术323

13.4.2个人特征的身份证明326

13.4.3基于零知识证明的识别技术329

13.5信息隐藏330

13.5.1信息隐藏概述330

13.5.2信息隐藏技术331

13.6未来的物联网安全与隐私技术332

13.7应用案例： 汽车芯片感应防盗系统333

习题与思考题335

第14章标准化和相关技术336

14.1物联网标准化的意义336

14.2国际标准化组织和各国标准化组织337

14.3射频识别技术的标准化工作338

14.3.1RFID的ISO IEC标准338

14.3.2GS1的EPC标准340

14.4无线传感器网络技术的标准化工作341

14.5设备对设备通信技术的标准化工作343

14.6未来的物联网标准化工作344

14.7应用案例： M2M标准化工作345

习题与思考题347

参考文献348

本书详细介绍了物联网技术的基础理论、实际应用案例和最新的前沿技术。本书共分为14章，第1章为物联网概述，其他13章内容主要涉及物联网工程中的13类关键技术，包括物联网架构技术，标识技术，通信技术，网络技术，网络定位技术，软件、服务和算法技术，硬件技术，数据和信号处理技术，发现与搜索引擎技术，关系网络管理技术，电源和能量储存技术，安全与隐私技术，标准化和相关技术等。各章后都附有习题、工程案例，以帮助读者学习和理解实际工程应用。同时，每一章除讲解相关技术原理外，还附有相应章节的实用工程案例，以便学生深入了解课程内容及增加工程经验。本书主要作为物联网专业、计算机专业和电气信息类的大学本科生教材，也可作为高职高专和职业培训机构的物联网工程专业培训教材，对从事物联网及计算机网络工作的工程技术人员也有学习参考价值。

本书以欧盟2009年9月发布的《欧盟物联网战略研究路线图》白皮书中列出13类关键技术为基本框架，详细介绍了物联网技术的基础理论和zui新主流前沿技术，避免了一般读者以为成物联网技术就是“传感器+网络”的误解。
本书试图在对物联网各技术领域做较全面详细介绍的基础上，给出实际工程案例及行业解决方案，达到技术全面、案例教学及工程实用的目的。