內容簡介
《物聯網關鍵技術與實踐教程/21世紀高等學校規劃教材·物聯網》重點介紹瞭物聯網相關的基本知識和運用物聯網技術解決各類實際問題的思路與方法,為物聯網初學者打開瞭一扇深入學習物聯網技術的大門。《物聯網關鍵技術與實踐教程/21世紀高等學校規劃教材·物聯網》從物聯網理論與實踐兩個方麵介紹瞭物聯網相關技術,主要內容包括物聯網綜述、物聯網與傳感器、ZigBee網絡技術、RFID技術、GPRS技術以及物聯網技術綜閤實訓案例的詳解。《物聯網關鍵技術與實踐教程/21世紀高等學校規劃教材·物聯網》的特色是突齣實踐,除第1章外,每章最後一節都配有與該章內容相關的實驗,且最後一章是一個具體的物聯網項目——智能車庫係統,通過開發這套物聯網綜閤實訓平颱,達到物聯網實際項目研究與教學實訓相結閤的目的。
《物聯網關鍵技術與實踐教程/21世紀高等學校規劃教材·物聯網》可以作為高等院校物聯網、電子、計算機等專業的教材,也可作為相關嵌入式開發人員的參考書,還可供廣大計算機愛好者參考使用。
內頁插圖
目錄
第1章 物聯網技術概述
1.1 物聯網概述
1.1.1 物聯網的起源
1.1.2 物聯網技術發展現狀
1.2 物聯網總體架構
1.2.1 物聯網的物理感知層
1.2.2 物聯網的傳輸網絡層
1.2.3 物聯網的智能處理層
1.2.4 物聯網的應用業務層
1.3 物聯網與泛在網
1.3.1 什麼是泛在網
1.3.2 物聯網和泛在網之間的比較
1.4 物聯網的應用
1.4.1 物流方麵
1.4.2 醫療方麵
1.4.3 智慧農業
1.4.4 智能傢居
1.5 影響物聯網發展的因素
1.6 本章小結
第2章 物聯網與傳感器
2.1 物聯網用傳感器概述
2.1.1 傳感器概述
2.1.2 物聯網用傳感器的發展趨勢
2.2 傳感器的技術基礎
2.2.1 工作原理
2.2.2 功能用途
2.2.3 輸齣信號標準
2.2.4 材料特性
2.2.5 製造工藝
2.3 物聯網傳感器應用原理
2.3.1 氣體傳感器原理
2.3.2 煙霧傳感器原理
2.3.3 熱釋紅外傳感器原理
2.3.4 紅外測距傳感器原理
2.3.5 火焰傳感器原理
2.3.6 語音傳感器原理
2.3.7 溫濕度傳感器原理
2.4 傳感器實驗
2.4.1 氣體傳感器實驗
2.4.2 煙霧傳感器實驗
2.4.3 熱釋紅外傳感器實驗
2.4.4 紅外測距傳感器實驗
2.4.5 火焰傳感器實驗
2.4.6 語音傳感器實驗
2.4.7 溫濕度傳感器實驗
第3章 ZigBee網絡技術
3.1 ZigBee概述
3.1.1 ZigBee網絡體係結構
3.1.2 ZigBee設備類型
3.1.3 原語
3.2 物理層
3.2.1 通信頻帶和信道
3.2.2 調製方式和頻譜擴散
3.2.3 物理層服務
3.2.4 物理層幀結構
3.3 MAC層
3.3.1 接入控製方式
3.3.2 超幀
3.3.3 數據傳輸模型
3.3.4 MAC層的服務
3.3.5 MAC層幀結構
3.4 網絡層
3.4.1 網絡拓撲結構
3.4.2 PAN ID與地址
3.4.3 鄰接錶
3.4.4 結點入網
3.4.5 路由
3.4.6 廣播
3.4.7 網絡層服務
3.4.8 網絡層幀結構
3.5 應用支持子層
3.5.1 Profile和Endpoint
3.5.2 綁定和間接尋址
3.5.3 ACK與重發
3.5.4 APS層的服務
3.5.5 APS層幀結構
3.6 應用層
3.6.1 ZigBee結構
3.6.2 標準數據類型
3.6.3 AF幀結構
3.6.4 ZigBee幀結構匯總
3.6.5 描述符
3.6.6 ZigBee設備對象
3.7 ZigBee安全服務特性
3.7.1 安全服務概述
3.7.2 NWK層安全
3.7.3 APL層安全
3.8 ZigBee組網實驗
3.8.1 ZStack廣播通信實驗
3.8.2 ZStack星狀網絡實驗
3.8.3 ZStack樹狀網絡實驗
3.8.4 ZStack網狀網絡實驗
第4章 RFID技術
4.1 RFID概述
4.1.1 自動識彆技術
4.1.2 RFID簡史
4.1.3 RFID係統的組成
4.1.4 RFID的分類方法
4.1.5 RFID應用現狀與問題
4.2 RFID標準
4.2.1 標準簡介
4.2.2 ISO/IEC相關標準
4.2.3 UHF頻段空中接口標準的ISO/IEC 18000標準係列
4.2.4 EPC的相關標準
4.3 電子標簽
4.3.1 電子標簽的功能特點
4.3.2 電子標簽的組成與結構形式
4.3.3 電子標簽的技術參數
4.3.4 電子標簽的封裝
4.4 讀寫器
4.4.1 讀寫器的組成與功能特徵
4.4.2 讀寫器的結構形式
4.4.3 讀寫器的技術參數
4.4.4 讀寫器的選擇
4.5 中間件和管理係統
4.6 實驗
4.6.1 近距離ID卡讀取實驗
4.6.2 IEEE 14443尋卡實驗
4.6.3 IEEE 14443寫入標簽數據實驗
4.6.4 IEEE 14443讀取標簽數據實驗
4.6.5 UHF900M識彆單個標簽
4.6.6 UHF900M識彆多個標簽
4.6.7 IEEE 18000讀取標簽數據實驗
4.6.8 IEEE 18000寫入標簽數據實驗
第5章 GPRS技術
5.1 GPRS的主要接口及相關協議
5.1.1 GPRS的主要接口
5.1.2 GPRS數據傳輸和信令協議平颱
5.1.3 GTP協議(GPRS隧道協議)
5.1.4 分組路由和傳遞
5.2 GPRS數據傳輸過程
5.2.1 RLC數據塊傳輸
5.2.2 RLC/MAC控製消息
5.2.3 上行鏈路臨時塊流(TBF)的建立、傳輸與釋放程序
5.2.4 下行鏈路臨時塊流(TBF)的建立、傳輸與釋放程序
5.3 GPRS網絡技術
5.3.1 DNS
5.3.2 DHCP
5.3.3 GPRS網絡與外部數據網的連接
5.3.4 路由技術
5.3.5 漫遊技術
5.4 GPRS網絡實驗
5.4.1 AT指令實驗
5.4.2 AT指令控製手機
第6章 物聯網技術綜閤實訓
6.1 項目軟件功能與方案
6.1.1 軟件係統整體功能說明
6.1.2 智能車庫內部管理功能
6.1.3 數據庫服務器網絡通信程序功能
6.1.4 智能車庫Web端軟件主要實現功能
6.1.5 智能車庫的客戶端APP主要實現功能
6.2 係統整體結構
6.3 通信協議設計
6.3.1 ZigBee結點與嵌入式網關通信協議設計
6.3.2 嵌入式網關與TCP通信服務器通信協議設計
6.4 嵌入式網關設計與實現
6.4.1 需求分析
6.4.2 模塊設計
6.4.3 整體框架設計
6.4.4 數據庫設計
6.5 服務器軟件設計與實現
6.5.1 需求分析
6.5.2 係統分層結構
6.5.3 係統接口設計
6.5.4 數據庫設計
6.6 Android程序設計與實現
6.6.1 需求分析
6.6.2 係統設計
6.6.3 數據庫設計
6.7 係統實現效果
前言/序言
隨著計算機和網絡技術的不斷發展,物聯網和雲計算的興起,國內外在物聯網應用這一領域已經取得瞭許多的進步。
國內對物聯網底層的理論研究尚處於萌芽時期,很少有高校、公司、研究機構對物聯網本身的理論展開研究,如傳感器理論、WSN通信理論、物聯網核心芯片設計、物聯網操作係統、物聯網安全體係等,大多數的高校或公司都集中在物聯網應用的研究上,並且取得瞭一係列的成果。
目前國內很多高校都紛紛開設瞭物聯網專業,部分是原來的傳感器專業取消之後,用物聯網替代,專門針對物聯網的傳感器這一細分方嚮進行研究與人纔培養;部分是計算機方嚮開設物聯網專業,利用計算機本身軟件與係統的優勢,開展物聯網應用研究;部分是將計算機、電子信息、通信等專業綜閤起來,建立物聯網從傳感器、無綫傳輸、行業應用的一係列綜閤應用。但是關於物聯網技術方麵的書比較缺乏,涉及實踐類的教材更是不多見。
本書側重實踐環節,這也是本書的特色,除瞭第l章外,每章最後一節都配有與該章內容相關的實驗,並且最後一章是一個具體的物聯網項目一一智能車庫係統,通過開發這套物聯網綜閤實訓平颱,達到物聯網實際項目研究與教學實訓相結閤的目的。
從內容安排上來看,本書由6章組成。
第l章物聯網技術概述,首先從物聯網的起源和發展現狀兩方麵來介紹什麼是物聯網及其應用;然後描述物聯網的總體架構,由物理感知層、傳輸網絡層、智能處理層和應用業務層組成;接著簡介物聯網與泛在網之間的關係;最後討論當前較熱門的物聯網的主要應用和影響它發展的因素。
第2章物聯網與傳感器,本章首先簡介傳感器的概念及其發展;然後從工作原理、功能用途、輸齣信號標準、材料特性和製造工藝等方麵來介紹傳感器技術;接著介紹常用的各類傳感器的基本原理及應用,如氣體、煙霧、紅外測距等傳感器;最後為實驗部分,主要包括各類傳感器的實驗方法與步驟,使學生進一步理解傳感器的工作原理。
第3章ZigBcc網絡技術,本章總體按ZigBcc網絡體係的結構來安排各小節的內容,分彆包括物理層、MAC層、網絡層、應用支持層、應用層等;對體係結構中各層所涉及的各項技術進行深入的探討,如控製方式、服務、幀結構等;最後通過ZigBec的組網實驗一節來展示各類型網絡結構中如何進行Z屯Bcc組網的。
第4章RFID技術,本章首先簡單介紹RFID的發展、組成、分類及應用情況;然後說明當前常用的相關標準,對RFID的核心內容一一電子標簽和讀寫器進行深入論述,包括其特點、結構、技術參數等;最後為實驗部分,對各類讀寫器寫入或讀取標簽數據進行詳細介紹,使學生進一步理解RFID的工作原理。
第5章GPRS技術,本章著重介紹GPRS的主要接口、協議和數據傳輸過程,實驗部分重點練習通過AT指令收發短信、打電話與接電話以及控製手機。
第6章物聯網技術綜閤實訓,本章以“智能車庫係統”這個項目為平颱,介紹該係統的總體架構、通信協議的設計、嵌入式網關、服務器軟件和Android程序的設計與實現過程’該項目集成許多物聯網現有的技術方案,讓學生從多方麵瞭解物聯網的應用技術,具有新穎性和技術上的先進性。
本書由重慶理工大學計算機學院物聯網課題組的老師共同完成。全書分6章,第l章由王柯柯編寫;第2章由高羽舒編寫;第3章由崔貫勛編寫;第4章由張緒玉編寫;第5章由倪偉編寫;第6章由邱小平編寫,全書由王柯柯、崔貫勛統稿等。
本書的齣版得到瞭重慶理工大學實驗創新技術基金項目的支持,計算機實驗教學中心的很多老師也給予瞭很大幫助。這裏,特彆感謝清華大學齣版社的魏江江編輯’能很暢通地與我們溝通並達成瞭共識,使本書能在較短的時間內順利與讀者見麵。另外’撰寫本書時,我們參考瞭大量的文獻,在此對這些文獻的作者一並感謝。
由於作者水平有限,加上時間倉促,疏漏甚至錯誤之處在所難免,不當之處,敬請同行和讀者批判指正。
編者
2014年10月
傳感器網絡與智能互聯:開啓萬物感知的新時代 在信息爆炸的今天,我們正以前所未有的速度邁入一個高度互聯的智能時代。從智能傢居到智慧城市,從工業自動化到精準農業,一項項顛覆性的創新正悄然改變著我們的生活方式和社會運作模式。這一切的背後,是“物聯網”這一強大的技術浪潮在驅動。而要深入理解並駕馭這股浪潮,我們必須掌握其核心驅動力——傳感器網絡與智能互聯的關鍵技術。 本書正是旨在為讀者構建一個關於傳感器網絡與智能互聯的全麵而深入的認識框架。我們不僅僅關注技術的“是什麼”,更注重其“如何工作”以及“如何應用”的實踐性。通過係統性的講解和案例分析,本書將帶領您一步步揭開物聯網神秘的麵紗,領略其廣闊的應用前景,並為您未來的學習和職業發展奠定堅實的基礎。 第一篇:傳感器網絡——感知世界的基石 物聯網的本質在於“連接”與“感知”。而感知世界的第一步,便是通過無處不在的傳感器。本篇將深入探討傳感器網絡的技術原理、組成架構以及關鍵組成部分。 第一章:傳感器技術概覽 我們將首先介紹傳感器的基本概念,包括其工作原理、分類以及常用的物理量測量技術。您將瞭解到,傳感器並非單一的技術,而是涵蓋瞭從微觀的半導體材料到宏觀的物理化學效應的廣泛領域。我們會詳細介紹不同類型的傳感器,例如: 溫度傳感器: 熱敏電阻、熱電偶、紅外傳感器等,它們如何感知溫度的變化,並在工業控製、環境監測、醫療健康等領域發揮作用。 濕度傳感器: 電容式、電阻式濕度傳感器,它們如何測量空氣中的水分含量,對於氣象預報、農業灌溉、儲藏品管理至關重要。 光傳感器: 光敏電阻、光電二極管、CMOS/CCD圖像傳感器,它們如何捕捉光綫信息,實現亮度檢測、圖像識彆,支撐智能照明、安防監控、自動駕駛等應用。 壓力傳感器: 壓阻式、電容式壓力傳感器,它們如何測量氣體或液體的壓力,廣泛應用於航空航天、汽車工業、醫療設備等領域。 氣體傳感器: 半導體式、電化學式氣體傳感器,用於檢測空氣中的有害氣體或特定化學物質,保障環境安全和健康。 位移與運動傳感器: 加速度計、陀螺儀、磁力計,它們如何感知物體的位置、方嚮和運動狀態,是智能手機、可穿戴設備、無人機導航的核心。 生物傳感器: 用於檢測生物分子或生理信號,在疾病診斷、食品安全、環境監測等方麵具有巨大的潛力。 我們還將探討傳感器的關鍵性能指標,如靈敏度、精度、響應時間、穩定性、功耗等,以及如何根據具體應用場景選擇最閤適的傳感器。 第二章:傳感器網絡架構與通信協議 單一個體傳感器無法構建一個完整的物聯網。隻有將它們組織成網絡,纔能實現信息的匯聚、傳輸和共享。本章將詳細闡述傳感器網絡的典型架構,包括: 感知層: 由各種傳感器節點構成,負責采集物理世界的數據。 網絡層: 負責數據的傳輸,包括有綫和無綫通信方式。 處理層: 對采集到的數據進行處理、分析和存儲。 應用層: 基於處理後的數據,提供各種麵嚮用戶的服務和應用。 我們將重點關注傳感器網絡中的通信技術。由於傳感器節點通常資源受限(如功耗、計算能力、存儲空間),因此需要專門的通信協議來優化數據傳輸效率和降低能耗。您將深入瞭解: 低功耗廣域網(LPWAN)技術: 如LoRa、NB-IoT,它們如何實現遠距離、低功耗的數據傳輸,是連接大量分散傳感器的理想選擇。 短距離無綫通信技術: 如Zigbee、Bluetooth Low Energy (BLE),它們適用於低功耗、近距離的設備互聯,構建傢庭或局部區域的智能網絡。 Wi-Fi與蜂窩網絡: 在需要更高帶寬或更廣覆蓋的場景下的應用。 路由協議: 在分布式傳感器網絡中,如何有效地路由數據,例如AODV、DSR等。 數據聚閤與分發機製: 如何在網絡中高效地匯總和分發傳感器數據。 第三章:傳感器節點設計與優化 每一個傳感器節點都是物聯網的“毛細血管”。它們的設計和優化直接關係到整個網絡的性能和生命力。本章將聚焦傳感器節點的關鍵組成部分和設計考量: 微控製器(MCU): 作為傳感器節點的核心,我們將介紹不同MCU的架構、性能特點,以及如何選擇適閤傳感器數據采集和處理的MCU。 電源管理: 傳感器節點往往需要長時間工作,低功耗設計至關重要。我們將探討能量收集技術(如太陽能、振動能)、低功耗模式、以及高效的電池管理策略。 數據采集與預處理: 如何高效地從傳感器讀取數據,並進行初步的處理(如濾波、校準、采樣率調整),以減少網絡傳輸負擔。 固件開發: 傳感器節點的嵌入式軟件開發,包括實時操作係統(RTOS)的應用、驅動程序的編寫、以及通信協議棧的實現。 第二篇:智能互聯——賦能萬物智慧 感知世界僅僅是第一步,真正讓物聯網發揮價值的是如何將海量感知數據進行智能分析,並驅動設備的互聯互通,實現自主決策和智能服務。本篇將深入探討智能互聯的核心技術。 第四章:數據采集、存儲與管理 海量的傳感器數據需要高效的采集、可靠的存儲和便捷的管理。本章將涵蓋: 數據采集技術: 從傳感器到網關,再到雲端,數據傳輸的各個環節。 數據存儲方案: 關係型數據庫、NoSQL數據庫、時序數據庫等,如何根據數據特性選擇閤適的存儲方式。 數據清洗與預處理: 識彆和處理異常數據、缺失數據,對數據進行格式化和標準化。 數據可視化: 將復雜的數據以直觀的方式呈現,便於用戶理解和分析。 第五章:物聯網平颱與雲計算 物聯網平颱是連接感知設備、數據處理和應用服務的橋梁。本章將介紹: 物聯網平颱架構: Device management, data processing, application enablement, security等關鍵模塊。 主流物聯網平颱分析: 如AWS IoT, Azure IoT Hub, Google Cloud IoT, 以及國內的華為雲IoT等,它們提供的服務和解決方案。 雲計算在物聯網中的作用: 如何利用雲計算的彈性計算、存儲和大數據分析能力,支撐海量設備接入和復雜數據處理。 邊緣計算: 在靠近數據源的設備或網關上進行數據處理,減少延遲,提高響應速度,尤其適用於對實時性要求高的場景。 第六章:大數據分析與人工智能 物聯網的核心價值在於從海量數據中挖掘齣有用的信息和知識,並據此進行智能決策。本章將重點探討: 大數據分析技術: 統計分析、機器學習、深度學習等,如何應用於模式識彆、異常檢測、預測分析。 機器學習算法在物聯網中的應用: 分類算法: 如支持嚮量機(SVM)、決策樹、神經網絡,用於識彆設備狀態、檢測故障。 迴歸算法: 如綫性迴歸、嶺迴歸,用於預測設備壽命、能源消耗。 聚類算法: 如K-means,用於對設備進行分組、發現用戶行為模式。 異常檢測算法: 如孤立森林、LOF,用於識彆設備故障、安全威脅。 深度學習在物聯網中的應用: 尤其是在圖像識彆、語音識彆、自然語言處理方麵,如基於捲積神經網絡(CNN)的圖像識彆用於智能安防,基於循環神經網絡(RNN)的語音識彆用於智能語音助手。 數據挖掘與知識發現: 從海量數據中發現隱藏的規律和關聯,為業務決策提供支持。 第七章:物聯網安全與隱私保護 隨著物聯網設備的普及,安全和隱私問題日益凸顯。本章將深入探討: 物聯網安全威脅: 設備入侵、數據泄露、DDoS攻擊、隱私侵犯等。 安全防護技術: 身份認證、訪問控製、數據加密、安全審計、漏洞管理。 通信安全: TLS/SSL協議、VPN等。 設備安全: 安全啓動、固件更新安全、訪問控製策略。 數據隱私保護: GDPR、CCPA等法規要求,匿名化、差分隱私等技術。 安全的設計原則: 從設計之初就融入安全考慮,構建可靠的物聯網係統。 第三篇:物聯網實踐應用 理論知識的學習最終需要與實際應用相結閤。本篇將通過具體的行業案例,展示傳感器網絡與智能互聯在各個領域的廣泛應用。 第八章:智能傢居 設備互聯: 智能燈光、智能門鎖、智能傢電、環境傳感器等。 場景聯動: 離傢模式、迴傢模式、觀影模式等。 遠程控製與自動化: 通過手機APP或語音助手控製傢電設備。 能源管理: 智能電錶、智能溫控器,實現節能減排。 第九章:智慧城市 智能交通: 交通流量監測、信號燈優化、停車位管理。 智慧安防: 智能監控、入侵檢測、公共安全預警。 環境監測: 空氣質量、水質、噪聲監測。 智慧能源: 智能電網、智能水務。 智慧社區: 智能門禁、社區服務平颱。 第十章:工業物聯網(IIoT) 設備監控與預測性維護: 實時監測設備運行狀態,預測故障,減少停機時間。 生産過程優化: 實時數據分析,優化生産流程,提高生産效率。 供應鏈管理: 貨物追蹤、庫存管理、物流優化。 能源管理: 提高能源利用效率,降低生産成本。 安全生産: 監測危險環境,保障工人安全。 第十一章:智慧農業 精準種植: 土壤濕度、溫度、養分監測,實現精準灌溉和施肥。 環境調控: 溫室大棚內的溫度、濕度、光照智能調控。 病蟲害預警: 傳感器監測作物生長狀況,及時發現病蟲害。 牲畜監測: 監測牲畜的健康狀況、活動行為。 農産品溯源: 記錄農産品從生産到銷售的全過程信息。 結語 傳感器網絡與智能互聯是物聯網時代不可或缺的兩翼。本書希望能夠為您提供一個堅實的理論基礎和豐富的實踐視野,幫助您理解物聯網的核心技術,並激發您在這一充滿活力的領域進行探索和創新。我們相信,通過掌握這些關鍵技術,您將能夠更好地理解並參與到構建一個更加智能、高效、可持續的未來世界中來。