物联网技术导论与实践-图书-人邮教育社区

内容摘要

本书的编写围绕着物联网工程技术人员所需的专业知识展开，涵盖当前物联网工程领域所需的所有新技术及研究成果，主要内容包括：物联网的系统结构、物联网识别技术、传感与检测技术、物联网通信与网络技术、物联网数据融合技术、物联网的应用等。

前言

1．写作背景
随着互联网、移动互联网、各种短距离通信技术以及无线传感网技术的快速发展，物联网已成为一个热门的应用研究领域，受到各国政府的高度重视。这是因为物联网是化解当前人类与社会危机之戟，物联网的发展能大大促进以效率、节能、环保、安全、健康为核心诉求的全球信息化发展。
物联网应用包含6大核心技术，但这些技术主要是原有技术在物联网方面的应用，不是全新的物联网技术。尽管从国家层面或某一应用领域角度来看，物联网格局较大，需要的技术知识很多，好像无从下手，但从实现的角度看，初学者还是很容易进行物联网学习与设计的。例如，初学者利用一个开源的单片机实验板、一些无线传感模块和一个物联网开发平台就可以进行物联网应用的开发，通过物联网原型产品设计，逐步学习与积累经验。
2．本书主要内容
本书分为11章，主要内容如下。
第1章主要介绍了物联网的概念、意义、应用及未来发展的愿景。
第2章主要介绍了物联网的功能、体系结构、关键技术和产业结构。
第3章主要介绍了物联网识别技术的原理与应用。
第4章主要介绍了物联网常用传感技术与应用、无线传感技术。
第5章主要介绍了无线个域网（WPAN）中的蓝牙技术、ZigBee技术、超宽带技术（UWB）、红外通信技术、近距离通信技术、家庭射频（HomeRF）等技术的原理与应用；同时还介绍了无线局域网（WLAN）的组成、拓扑结构以及组网方法；最后介绍了无线城域网（WiMAX）、移动通信网络、M2M通信技术、Internet技术等内容。
第6章主要介绍了数据库技术、物联网海量数据存储与搜索技术、数据挖掘、云计算技术以及物联网中间件技术等内容。
第7章主要介绍了物联网的标识和解析技术、安全和隐私技术、服务平台技术以及物联网标准等共性技术。
第8章主要介绍了物联网开发基本素质要求、开发流程、开发资源等内容。
第9章、第10章首先重点介绍了物联网开发环境搭建过程与方法，然后介绍了ZigBee组网实训、有线网络控制实训、Wi-Fi控制实训和短信控制实训等4种物联网组网实训内容。
第11章以智能家居系统设计为例，详细介绍了物联网的设计过程与方法。
3．课程教学目标及建议学时
“物联网技术导论与实践”是物联网专业的技术基础课，是相关专业的必修课，也是学生进行物联网应用开发入门的重要实践课程之一。
课程的教学目标是通过学习，使学生了解物联网的基本概念、应用以及物联网的主要关键技术，通过实践培养学生在物联网方面的基本设计与基本操作技能，初步了解物联网应用的设计过程；熟悉物联网开发工具的使用，为后续课程学习积累必要的知识和技能。
本书是针对目前“物联网技术导论”等课程编写的，总学时为48学时，含理论与实验两部分，其中，理论36学时，实际操作12学时。
4．编写分工
本书由华中科技大学陈赜（第1章～第4章、第8章）、云南大学滇池学院钟小磊（第9章～第11章和附录）、湖北第二师范学院龚义建（第7章）、华中师范大学瞿少成（第6章）、芬兰奥卢大学机器视觉研究和信号分析中心（Center for machine vision research and signal analysis，University of Oulu）陈皓宇（第5章）等老师与研究人员编写，陈赜担任主编，负责全书的文稿组织和定稿工作。另外，黄莹参加了书稿的文字整理与录入工作，钟小磊、牛斌斌、钟小晶等参加了本书部分实验代码的编写调试与验证工作。
5．致谢
在本书出版之际，感谢华中科技大学盛德物联网应用研究团队、湖北省高等教育学会计算机教育专委会、天津民航大学计算机学院等单位的专家教授对本书出版的支持和帮助。在本书的编写过程中，还得到了云南大学滇池学院邓世昆、云南工商学院文华伟和李丽、云南机电职业技术学院姚汝等老师的帮助，本书还参考了许多同行专家的专著和文章，是他们的无私奉献帮助编者完成了书稿，在此也表示深深的谢意！
本书难免有不成熟乃至错误的地方，恳请读者谅解和指正！

编者
2017年1月于华工园

目　录

第 1章　物联网概述　1
1.1　物联网的概念　1
1.1.1　物联网的定义　1
1.1.2　物联网的特征　2
1.1.3　物联网的发展史　3
1.2　物联网的意义　5
1.2.1　国家驱动力　5
1.2.2　人类社会急需　5
1.2.3　IT产业的机遇　5
1.3　物联网的应用　6
1.3.1　物联网的应用领域　6
1.3.2　交通运输与物流　7
1.3.3　电信服务业　7
1.3.4　智能建筑　8
1.3.5　生活与医疗保健　8
1.3.6　保险与安全　9
1.3.7　其他应用　10
1.4　物联网的愿景　11
思考与练习　12
第 2章　物联网体系结构　14
2.1　物联网的功能　14
2.1.1　物联网的功能特征　14
2.1.2　物联网的基本功能　15
2.2　物联网的体系结构　16
2.2.1　物联网的组成　16
2.2.2　物联网感知层　17
2.2.3　物联网网络层　18
2.2.4　物联网应用层　18
2.3　物联网的关键技术　19
2.4　物联网的产业结构　19
2.4.1　物联网行业的产业链结构　19
2.4.2　中国物联网产业的基本架构　20
思考与练习　21
第3章　物联网识别技术　23
3.1　感知识别技术　23
3.2　自动识别技术　24
3.2.1　光学字符识别　25
3.2.2　语音识别　26
3.2.3　生物计量识别技术　26
3.2.4　IC卡技术　27
3.2.5　条形码技术　29
3.2.6　磁卡　34
3.2.7　RFID技术　34
3.3　常用的自动识别技术比较　41
3.3.1　二维条码与一维条码的比较　41
3.3.2　自动识别技术比较　41
3.4　RFID标准体系　42
3.4.1　ISO/IEC的RFID标准体系　42
3.4.2　EPC global的RFID标准
体系　43
3.4.3　UID的RFID标准体系　44
思考与练习　45
第4章　感知与无线传感技术　48
4.1　物联网传感器概述　48
4.1.1　传感器的定义与功能　48
4.1.2　传感器的组成与工作原理　49
4.1.3　传感器的特性　50
4.1.4　传感器的发展趋势　52
4.1.5　制约物联网传感器性能提升
的因素　53
4.2　物联网传感器分类　53
4.2.1　按传感器工作原理分类　53
4.2.2　传感器其他分类　54
4.3　常用传感器介绍　55
4.3.1　热电式传感器　55
4.3.2　压电传感器　57
4.3.3　湿度传感器　57
4.3.4　光电式传感器　58
4.3.5　霍尔（磁敏）传感器　58
4.3.6　光纤传感器　59
4.3.7　微机电传感器　59
4.3.8　智能传感器　59
4.3.9　手机上的传感器　60
4.4　无线传感器网络技术　61
4.4.1　无线传感器网络的概念　61
4.4.2　无线传感器网络的特征　62
4.4.3　无线传感器网络的体系结构　63
4.4.4　传感器网络协议栈　64
4.4.5　无线传感器网络的应用　66
思考与练习　67
第5章　网络与通信技术　69
5.1　网络与通信技术概述　69
5.2　无线个域网　71
5.2.1　蓝牙技术　72
5.2.2　ZigBee技术　74
5.2.3　超宽带技术　82
5.2.4　红外通信技术　84
5.2.5　近距离通信技术　85
5.2.6　家庭射频　86
5.3　无线局域网　87
5.3.1　无线局域网概述　87
5.3.2　无线局域网标准　88
5.3.3　无线局域网的组成与
拓扑结构　89
5.3.4　Wi-Fi联盟　93
5.3.5　无线网络接入设备　93
5.3.6　无线网络架设　94
5.4　无线城域网　95
5.4.1　无线城域网基本概念　95
5.4.2　IEEE 802.16标准　96
5.4.3　WiMAX系统构成　96
5.5　移动通信网络　97
5.5.1　移动通信网基本概念　97
5.5.2　移动通信的发展　99
5.5.3　移动通信标准　101
5.5.4　移动通信系统的组成　104
5.6　M2M通信技术　106
5.6.1　M2M系统框架　106
5.6.2　M2M系统的组成与功能　106
5.7　6LoWPAN　107
5.7.1　6LoWPAN的技术简介　107
5.7.2　6LoWPAN的应用　108
5.8　几种无线网络的比较　108
5.9　Internet技术　109
5.9.1　Internet概念　109
5.9.2　Internet的物理结构与工作
模式　109
5.9.3　Internet通信协议　110
5.9.4　域名与域名服务器　111
5.9.5　Internet接入技术　113
5.9.6　IPv6　118
思考与练习　118
第6章　数据与管理技术　122
6.1　数据库技术　122
6.1.1　物联网数据的特点　122
6.1.2　支撑物联网的数据库技术　123
6.2　物联网海量数据存储与搜索　127
6.2.1　常见数据存储方式　127
6.2.2　数据搜索　129
6.3　数据挖掘　131
6.3.1　数据挖掘技术的发展需求　131
6.3.2　数据挖掘的定义　132
6.3.3　数据挖掘系统的体系结构
与任务　132
6.3.4　物联网数据挖掘　134
6.4　云计算技术　136
6.4.1　云计算定义　136
6.4.2　云计算的技术发展　136
6.4.3　云计算系统的体系结构　137
6.4.4　云计算服务层次　138
6.4.5　云计算的核心技术　139
6.4.6　典型云计算平台　141
6.5　物联网中间件技术　142
6.5.1　中间件的概念　142
6.5.2　中间件的分类　142
6.5.3　物联网中间件　143
思考与练习　147
第7章　共性技术　150
7.1　共性技术概述　150
7.2　标识和解析技术　150
7.2.1　物联网标识概念　150
7.2.2　物联网标识体系　151
7.2.3　物联网标识解析　151
7.2.4　物联网标识管理　151
7.3　安全和隐私技术　152
7.3.1　物联网安全性概述　152
7.3.2　物联网安全的层次　152
7.4　物联网的服务平台技术　154
7.5　物联网标准　155
思考与练习　155
第8章　物联网应用设计基础　157
8.1　实践是**好的学习　157
8.1.1　推荐的学习模式　157
8.1.2　能力的培养　158
8.2　物联网开发流程　159
8.2.1　物联网开发概述　159
8.2.2　物联网产品需求分析　160
8.2.3　物联网产品规格说明　161
8.2.4　物联网产品总体设计　161
8.2.5　物联网产品详细设计　161
8.2.6　物联网产品调试与验证　162
8.3　物联网开发资源　163
8.3.1　电子电路基础　163
8.3.2　嵌入式系统基础　164
8.3.3　嵌入式操作系统　165
8.3.4　物联网解决方案示例　168
思考与练习　168
第9章　物联网开发环境搭建　171
9.1　开发环境IAR Systems安装　171
9.2　TI ZStack协议栈安装　176
9.3　烧写器DEBUGGER驱动安装　178
9.4　烧写软件SmartRF Flash
Programmer安装　178
9.5　物联网开发平台调试助手　180
9.6　串口通信软件配置　181
9.7　GenericApp项目工程配置　182
9.7.1　工程目录简介　182
9.7.2　生成设备程序　183
9.7.3　修改生成程序为HEX文件　184
9.7.4　代码添加　185
9.7.5　实验现象及讲解　193
思考与练习　194
第 10章　物联网组网实训　195
10.1　ZigBee组网实训　195
10.1.1　进入ID修改模式　195
10.1.2　动态修改个域网ID　195
10.1.3　测试终端模块　197
10.1.4　常见问题及解决方法　201
10.2　有线网络控制实训　201
10.2.1　配置有线网络　201
10.2.2　安装软件与软件设置　202
10.2.3　终端模块测试　203
10.3　Wi-Fi控制实训　204
10.3.1　配置无线网络　204
10.3.2　安装软件与软件设置　204
10.3.3　终端模块测试　205
10.4　短信控制实训　208
10.4.1　安装软件与软件设置　208
10.4.2　终端模块测试　209
思考与练习　212
第 11章　物联网设计实践　213
11.1　智能家居概述　213
11.1.1　智能家居的概念　213
11.1.2　智能家居的发展　213
11.2　智能家居主要功能分析　214
11.3　智能家居的系统设计　215
11.3.1　系统设计目标　215
11.3.2　总体设计　215
11.3.3　硬件系统设计　216
11.3.4　系统软件架构设计　217
11.4　智能家居的实现　219
11.4.1　系统硬件实现　219
11.4.2　控制器软件设计与实现　221
附录　物联网综合应用开发
实验平台　230
参考文献　232