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編輯推薦

從信息物理和信息感知的角度展開論述

全麵闡述物聯網技術的理論基礎和知識體係

對物聯網的發展趨勢和應用前景做瞭前瞻性的展望

通過動手實驗讓讀者掌握智能傳感器産品的研發技能

注重實際應用，結閤相關實驗開展教學和研究

“物聯網工程實戰叢書”是由山東大學信息科學與工程學院高級工程師曾凡太策劃，並組織國內物聯網領域的一綫研發工程師和高校教研人員編寫的係列作品。叢書係統地介紹瞭物聯網的各種開發工具、設計語言、研發平颱和工程案例等內容，勾勒齣瞭物聯網工程的學科結構及其專業必修課的範疇，充分體現瞭工程專業“理論紮實，操作見長”的學科特色，可為相關院校的物聯網工程課程設置提供參考，並對工業、農業、商貿、物流、交通和醫療等行業的物聯網工程應用指明方嚮。

叢書全麵、係統地闡述瞭物聯網理論基礎、電路設計、專用芯片設計、物聯網協議、物聯網操作係統、雲服務平颱構建、智能硬件設計、物聯網工程實踐和智慧城市建設等內容，勾勒齣瞭物聯網工程的學科結構及其專業必修課的範疇，可以為相關院校的物聯網工程課程設置提供參考。

叢書從硬件電路、芯片設計、軟件開發、協議轉換，到智能硬件研發（小項目）和智慧城市建設（大工程）等內容，都用瞭大量篇幅進行闡述。叢書係統地介紹瞭各種開發工具、設計語言、研發平颱和工程案列等內容。充分體現瞭工程專業“理論紮實，操作見長”的學科特色，並對工業、農業、商貿、物流、交通和醫療等行業的物聯網工程應用指明瞭方嚮。

叢書前期推齣以下6捲：

《物聯網之源：信息物理與信息感知基礎》

《物聯網之芯：傳感器件與通信芯片設計》

《物聯網之魂：物聯網協議與物聯網操作係統》

《物聯網之雲：雲平颱搭建與大數據處理》

《物聯網之霧：基於霧計算的智能硬件快速反應與安全控製》

《物聯網之智：智能硬件開發與智慧城市建設》

內容簡介

本書從信息物理和信息感知的角度，全麵、係統地闡述瞭物聯網技術的理論基礎和知識體係，並對物聯網的發展趨勢和應用前景做瞭前瞻性的展望。

本書共10章。第1章闡述瞭信息物理的基本概念，給齣瞭物聯網發展過程中物聯網學說、定義和概念的演變過程。第2章闡述瞭信息理論的基礎知識，給齣瞭信源、信宿、信道、編碼和加密編碼的基本概念。第3、4章闡述瞭傳感器信號調理的基礎知識，以及模數轉換器和數模轉換器的基礎知識。第5章闡述瞭農業物聯網、畜牧業物聯網和醫用物聯網進行信息獲取的生化原理及電化學反應基礎，以及生物電信號分析等內容。第6章闡述瞭信息感知原理和信號測量基礎等知識。第7章闡述瞭半導體物理效應。第8章闡述瞭通用傳感器設計及其應用。第9章給齣瞭傳感電路設計的方法和案例。第10章闡述瞭智能傳感器技術，給齣瞭智能傳感器實驗係統和産品範例，展望瞭傳感器技術發展的前沿動嚮。

本書可以作為相關院校物聯網工程、通信工程、網絡工程和計算機等專業的本科生教材或研究生參考讀物，也可作為從事物聯網産品研發工程師的參考讀物，以及政府智慧城市建設管理部門公務員的決策讀物。

作者簡介

曾凡太，山東大學信息科學與工程學院高級工程師。已經齣版“EDA工程叢書”（共五捲，清華大學齣版社齣版）、《現代電子設計教程》（高等教育齣版社齣版）、《PCI總綫與多媒體計算機》（電子工業齣版社齣版）等書，發錶論文數十篇，申請發明專利4項。

李同濱，畢業於電子科技大學自動化工程學院，獲工學碩士學位。嵌入式研發工程師，主要從事嵌入式硬件電路的研發，主導並完成瞭多個嵌入式控製項目。

張士輝，畢業於青島科技大學。資深APP軟件研發工程師，在項目開發方麵成績斐然。曾經負責過復雜的音視頻解碼項目，並在互聯網萬兆交換機開發項目中負責過核心模塊的開發。

曾鳴，畢業於山東大學信息學院，獲碩士學位。資深網絡軟件開發工程師，精通多種網絡編程語言。現就職於山東大學微電子學院，從事教學科研管理工作。

徐勝朋，畢業於山東工業大學電力係統及其自動化專業。電力通信資深專傢、高級工程師。現就職於國網山東省電力公司淄博供電公司，從事信息通信管理工作。曾經在中文核心期刊發錶瞭多篇論文。榮獲國傢優秀質量管理成果奬和技術創新奬。申請發明專利和實用新型專利授權多項。

於桂波，畢業於華北電力大學通信專業。電力係統高級工程師，在國網山東省電力公司淄博供電公司從事信息通信管理工作。曾經在中文核心期刊發錶瞭多篇論文。榮獲國傢優秀質量管理成果奬。申請發明專利和實用新型專利多項。

目錄

叢書序
序言
第1章緒論
1.1信息物理概述
1.2物聯網概述
1.3從物理學到信息物理學的演進
1.4從互聯網到物聯網的演進
1.4.1物聯網對工業自動化的推動作用
1.4.2物聯網對信息化技術的推動作用
1.4.3物聯網的特徵
1.4.4物聯網類彆
1.4.5物聯網理解偏差
1.5小結
1.6習題
參考文獻
第2章信息論基礎
2.1信息論概述
2.1.1信息發展簡史
2.1.2信息定義
2.1.3信息科學發展
2.1.4信息推動社會進步
22狹義信息論
2.2.1信息係統的組成（以通信工程為例）
2.2.2信源的分類
2.2.3信息量
2.2.4 自信息量
2.2.5互信息量
2.2.6信息熵（平均自信息量）
2.2.7信源擴展
23信息編碼的概念
2.4信源編碼介紹
2.4.1編碼器
2.4.2信源等長編碼定理
2.4.3信源變長編碼定理
2.4.4哈夫曼編碼
2.5信道編碼
2.5.1信道編碼理論
2.5.2信道基本參數
2.5.3信道編碼基本概念
2.5.4奇偶校驗編碼與奇偶監督編碼
2.5.5信道編碼糾錯方式
2.5.6有噪信道編碼
2.6加密編碼
2.6.1信息加密的基本概念 4
2.6.2 DES、RSA和MD5 SSL加密方式
2.6.3硬件加密
2.6.4軟件加密
2.7小結
2.8習題
參考文獻
第3章傳感器信號調理
3.1 模擬信號獲取
3 .1.1模擬信號特徵
3 .1.2模擬信號采集
3.2小信號放大器設計
3.2.1 分立元件小信號放大器設計
3.2.2集成電路小信號放大器
3.3運算放大器信息處理設計
3.3.1運算放大器的指標
3.3.2運算放大器的分析方法
3.3.3運算放大器信號調理電路
3.3.4低噪聲放大器設計
3.3.5儀錶放大器設計
3.4小結
3.5習題
參考文獻
第4章模數轉換
4.1 ADC轉換器原理電路
4.1.1 逐次逼近型ADC
第5章生物信息學
第6章傳感器基礎
第7章半導體的熱、光、磁效應
第8章通用傳感器
第9章通用傳感器應用設計
第10章傳感器前沿技術發展

前言/序言

傳感器是物聯網信息之源

物聯網技術是繼計算機、互聯網及移動通信技術之後的又一次信息産業浪潮。物聯網技術的應用涉及國民經濟和社會生活的方方麵麵，使得人們的生活更加信息化和智能化。物聯網最基本的組成部分是位於最底層的感知層，它主要藉助各種傳感器獲取物體的基本信息，如車輛的行駛速度、橋梁受到的壓力和路燈的工作狀態等，然後通過該層的設備以有綫或無綫的方式將這些信息發送齣去。

傳感器是物聯網信息之源

簡單來說，物聯網就是在物體上安裝一個傳感器，傳感器將得到的信息通過網絡傳輸到人們的手持終端上，讓物體主動“說話”和“行動”，而不用人去查詢和跟蹤。

物聯網的定義不隻是指與颱式計算機、筆記本電腦和智能手機的連接，而是指“一切硬件的連接”，這種更廣泛、更深入的定義和發展貫穿於消費者和企業級應用及産業空間。

從根本上說，物聯網是關於任何客觀物體變成一串數字數據的轉換過程。一旦給某個物體加上傳感器，它就會像任何數字産品那樣運作：發齣用量、位置和狀態的數據；可被追蹤、控製、個性化和遠程升級；當與大數據和AI（人工智能）結閤，還可以變得智能、有預測性及能協同工作，甚至可自主工作。

傳感器好比人的眼、耳、口、鼻，但又不僅僅隻是人的感官那麼簡單，它甚至能夠采集到更多的有用信息。傳感器是整個物聯網係統工作的基礎。正是因為有瞭傳感器，物聯網係統纔能將內容傳遞給“大腦”。

傳感器網絡是物聯網最基礎、最底層的部分，是一切物聯網上層應用實現的基礎。傳感器網絡的應用是物聯網與互聯網的最大區彆所在，將會直接導緻很多互聯網的思維到瞭物聯網時代變得不再適用。互聯網是基於人的網絡，我們的信息在某種意義上是靠人來采集和分析的。物聯網是基於物的網絡，我們的信息是靠傳感器感知、采集和分析的。所以傳感器是物聯網信息之源。

傳感器應用無處不在

物聯網時代實現瞭人不參與其中，由設備本身完成智能運行和維護的整個過程。當電器在可能損壞之前，安裝在智能電器裏麵的傳感器就已經檢測到瞭異常，於是主動報修。傢用機器人和快遞公司的無人機也可以幫助返修電器。

這樣的生活場景就得歸功於傳感器和智能機器。因為傳感器的存在，智能電器纔能監測到自身的工作狀態。

傳感器對於自身工作狀態的監測，有助於人們完成從賣産品到賣服務的轉變。在物聯網時代，廠商提供的將是“冷凍保鮮服務”而不再是“冰箱”。用戶花的錢相當於支付享受冰箱所帶來的服務而發生的費用。

由傳感技術帶來的便利，基本上會讓未來的每一件物品都會被感知。例如，一盒雞蛋進入冰箱後，冰箱就知道雞蛋的數量、價格，以及購買的地方，甚至都可以知道是哪個農場的哪一隻母雞産的。

未來的空調和溫控器等設備一定是裝有溫度傳感器的；電燈等照明係統也一定是有光傳感器的；門窗等有紅外傳感器；隨身攜帶的手機和手環等穿戴設備則會集成更多傳感器。

傳感器是物聯網架構中的核心部件之一，也是決定物聯網産業發展速度的重要因素之一。盡管物聯網應用將是個長尾市場，産品形式多樣，涵蓋的産業鏈非常長，但從最核心的技術實現層麵來看，就是傳感和反饋、通信連接和數據處理。從智慧城市到智能傢居、智能泊車、智慧工業、智慧農業等，都是建立在各類傳感器之上。

智慧城市是基於對周圍環境的感知，從而對城市重要基礎設施實現實時控製。例如，在使用智能傳感器節點對交通控製設備進行升級改造後，路燈等基礎設施便可提供交通流量監測、氣象監測及覆蓋麵更大的治安監視等新的市政服務；智能泊車係統可以幫助駕駛員迅速地找到停車位，從而讓城市停車場的管理更加高效；藉助埋在路邊的汽車檢測傳感器、雷達偵測和攝像頭等輔助設備的自動停車係統，可以讓停車場管理企業更好地控製車位的使用，提供更加靈活的收費方式。

在個人健康領域，環境傳感器提供溫度、濕度和光照實時監測；慣性傳感器模塊和壓力傳感器完成運動量監測和定位；模擬傳感器監測心髒情況；慣性傳感器模塊通過活動量監測，幫助老年癡呆癥、肥胖癥或睡眠障礙患者康復。

作為智能産品的第一波浪潮，可穿戴設備所使用的傳感器也越來越多。例如，智能手環和手錶，從最初智能地提供簡單的計步和跟蹤功能，到如今將計步、緊急呼叫、熱量、心率、位置、距離、鍛煉類型、睡眠質量、爬樓層數和音樂控製等功能融為一體。未來將會有更多的功能通過更多的傳感器來實現，從而驅動人們對這個世界的感知加深。

物聯網傳感器企業創業生存之道

對於從事物聯網傳感器生産的創業企業而言，可以藉鑒一些世界著名企業的成功經驗。這對其能夠在競爭激烈的行業中生存下來並做大、做強非常有價值。主要建議如下：

? 需要把低功耗作為傳感器産品研發的重要指標之一；

? 幫助開發者降低設計成本，幫助用戶降低運營成本；

? 進入量産階段，需要采取早投入、高産能策略，迅速搶占市場；

? 為二次開發者提供完善的硬件支持、軟件工具和應用示範；

? 硬件上，為物聯網設備開發者提供一套整體解決方案，包含傳感器、微控製器、存儲器、超低功耗通信部件、模擬信號元件、混閤信號元件和電源管理元件；

? 軟件上，需要提供應用開發所需要的全部軟件，如開發商提供的示範項目、中間件和預打包的應用軟件等，便於開發者能夠從零開始編寫應用代碼；

? 開放式軟件擴展庫可以使客戶很輕鬆地在其開發闆上進行二次開發，將其拓展到很多新的應用領域中。

開放式開發環境支持從原型設計到物理産品，再到最終産品的整個流程，可以快速、靈活、經濟地將開發者的創意變成産品，並推嚮市場。

快速開發模式可以讓任何有望進入物聯網領域的開發者有一個不錯的起點，特彆適閤初創型公司進入物聯網市場。下一個像三星和蘋果一樣的公司，可能就是從韆韆萬萬的小創業公司中走齣來的。

集成智能傳感器前沿進展

智能傳感器主要由主傳感器、輔助傳感器、微機硬件係統和網絡傳輸係統幾部分構成。智能傳感器是一種帶有微處理器的傳感器，兼有檢測判斷、信息處理和信息傳輸等功能。

近年來，人們開始將智能傳感器與人工智能相結閤，創造齣瞭各種基於模糊推理、人工神經網絡和專傢係統等人工智能技術的高度智能傳感器。智能傳感器將會進一步擴展到生物、化學、電磁、光學和核物理等研究領域。

集成智能傳感器采用微機械加工技術和大規模集成電路工藝技術，利用矽作為基本材料來製作敏感元件、信號調製電路及微處理器單元，並把它們集成在一塊芯片上。這樣，使智能傳感器微型化和結構一體化，從而提高瞭精度和穩定性。

集成智能傳感器技術發展非常迅速，已經有集成智能壓力傳感器和集成智能溫度傳感器等相關産品麵市。在集成電路工藝和微機械加工的基礎上研製與生産集成智能傳感器的模塊，使其成為未來智能傳感器發展的主流，這是半導體工藝的主要發展方嚮之一。電子設計自動化産業的迅速發展與進步，也促使傳感器技術，特彆是集成智能傳感器技術日趨活躍起來。國外一些著名公司和高等院校正在大力開展集成智能傳感器的研製，國內一些著名的高校和研究所也積極跟進，讓集成智能傳感器技術取得瞭令人矚目的發展。

本書是“物聯網工程實戰叢書”的第1捲。編寫本書的主要目的是帶領讀者理解傳感器的概念，並通過動手實驗掌握智能傳感器産品的研發技能。另外，我們還希望本書能對高校的物聯網及其相關領域的教學提供必要的幫助，給相關老師和學生提供切實可行的參考。

本書第1、2章由曾凡太撰寫，第3章由徐勝朋撰寫，第4章由於桂波撰寫，第5章由曾鳴撰寫，第6、7章由李同濱撰寫，第8、9章由張士輝撰寫，第10章由李同濱、張士輝和曾凡太閤作撰寫。

關於智能傳感器實驗和研發的更多細節，讀者可以通過叢書序中提供的讀者服務網站和微信公眾號與作者進一步探討。

曾凡太

於山東大學

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