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为了给物联网的参与者和初涉信息技术应用的年轻工程师们提供一个较为简单的系统知识结构和专业技术构成的入门类书籍，本书把基本知识和应用实践案例等联系在一起，主要内容包括物联网应用技术，物联网中物体的标记、定位与时间同步，物体信息传输网络与要素控制，物体特征数据的传输与路由，物联网与传感网中故障诊断、容错、修复与安全，无线传感网的设计与测评，传感网与物联网的服务管理与应用等。本书适用于物联网的参与者和初涉信息技术应用的工程师们，以及对物联网感兴趣的读者，也可作为高等院校物联网工程专业以及电气信息类专业的本科生、研究生教材和教学参考用书。

第1章  物联网应用技术概论	1
1.1  物联网、传感网与互联网基本概述	1
1.1.1  物联网	2
1.1.2  传感网	3
1.1.3  互联网、传感网与物联网	5
1.1.4  网络接入与管理	5
1.2  物联网与相关技术标准	7
1.2.1  ITU-T物联网标准	8
1.2.2  ETSI物联网标准	10
1.2.3  3GPP/3GPP2物联网标准	10
1.2.4  IEEE物联网标准	11
1.2.5  中国物联网标准	12
1.3  应用技术系统与物联网技术构架	13
1.4  物体的标识与定位	15
1.5  物体状态与特性的识别	16
1.5.1  物联网中的信息获取与管理	16
1.5.2  传感器	17
1.5.3  性能评价与选用原则	19
1.6  智能传感器与嵌入式系统	22
1.6.1  智能传感器	22
1.6.2  嵌入式系统	24
1.7  微传感器及MEMS技术	25
1.8  并行处理与云计算	29
第2章  物联网中物体的标识、定位与时间同步	31
2.1  条码技术	31
2.1.1  一维条码技术	31
2.1.2  二维条码技术	34
2.2  RFID技术	37
2.2.1  RFID的原理及特性	37
2.2.2  RFID的组成	40
2.2.3  RFID工作频率与分类	47
2.2.4  RFID中间件	49
2.2.5  RFID与条码的比较	55
2.2.6  RFID系统设计中的注意事项	57
2.2.7  射频技术典型应用	59
2.2.8  RFID遇到的挑战	60
2.3  中间件	61
2.3.1  中间件分类	61
2.3.2  中间件基本结构	64
2.3.3  中间件的设计原则	68
2.3.4  中间件设计目标与功能实现	71
2.3.5  设计平台	75
2.4  无线测距定位技术	77
2.4.1  结点间测距的基本方法	78
2.4.2  计算结点位置的基本方法	79
2.4.3  定位算法的分类	82
2.4.4  定位算法的性能评价	84
2.5  其他无线测距定位技术	85
2.6  典型卫星定位系统	87
2.7  物体间时间同步机制与方法	89
2.8  时间同步协议	95
2.8.1  基于Receiver-Receiver（接收方—接收方）机制的时间同步协议	95
2.8.2  基于成对机制的时间同步协议	96
2.8.3  基于Sender-Receiver（发送—接收方）机制的时间同步协议	99
2.8.4  典型时间同步协议的比较	100
第3章  物体信息传输网络与要素控制	101
3.1  有线与无线网络的选择	101
3.1.1  无线网络的基本概念	101
3.1.2  无线局域网与协议	102
3.2  网络频率分配	106
3.2.1  频率分配的核心内容	106
3.2.2  频率分配的数学模型	109
3.3  网络中的信道分配	110
3.4  结点的功率与功耗分配	111
3.4.1  功率分配的作用	111
3.4.2  功率分配对系统的影响	112
3.4.3  典型的功率控制协议与算法	114
3.5  接口技术与标准	115
3.5.1  SCSI小型计算机系统接口	115
3.5.2  USB	118
3.5.3  SATA接口	122
3.5.4  IDE电子集成驱动器	123
3.6  结构与散热设计	123
3.6.1  电子产品结构设计的一般要求与原则	123
3.6.2  电子产品的结构设计过程	124
3.6.3  散热设计	125
第4章  物体特征数据的传输与路由	127
4.1  数据中心式路由	127
4.1.1  数据中心式路由协议	127
4.1.2  以数据为中心的路由机制缺陷分析	131
4.2  集群结构式的路由	133
4.2.1  集群技术的组织形式	133
4.2.2  集群技术的交换结构	134
4.2.3  集群路由器	135
4.2.4  集群路由器分类	136
4.2.5  集群路由器的优点	139
4.3  位置信息路由	140
4.3.1  位置服务协议	141
4.3.2  几种典型的位置路由算法	145
4.4  无线传输路由与常用协议	151
4.4.1  表驱动路由协议	151
4.4.2  源发起按需路由	154
4.5  ZigBee、Wi-Fi与蓝牙技术	157
4.5.1  ZigBee	157
4.5.2  Wi-Fi	172
4.5.3  蓝牙技术	186
第5章  物联网与传感网中故障诊断、容错、修复与安全	195
5.1  物联网与传感网常见故障类别	195
5.1.1  传感器网络故障原因	195
5.1.2  传感器网络故障分类	196
5.2  物联网与传感网常见故障诊断	197
5.2.1  故障诊断目的及性能标准	197
5.2.2  故障诊断技术	199
5.2.3  传感器故障诊断技术	199
5.2.4  传感器网络故障诊断技术	201
5.2.5  无线传感器网络与传统IP网络故障诊断区别	201
5.3  物联网与传感网常见纠错与修复	202
5.3.1  物联网与传感网故障修复的特点	202
5.3.2  几种常见的威胁分析与对策	203
5.4  结点与组件安全	205
5.4.1  物联网和传感网的特点	205
5.4.2  WSN网络结点安全	205
5.4.3  密钥管理机制	206
5.4.4  网络结点的能耗问题和节能技术	207
5.5  无线传感网安全	207
5.5.1  无线传感器网络安全问题分析	207
5.5.2  无线传感网安全要求	208
5.5.3  无线传感网安全问题	208
5.6  加密技术	212
5.6.1  密钥	212
5.6.2  数据加密的实现	216
5.6.3  加密技术的应用	217
第6章  无线传感网的设计与测评	219
6.1  WSN协议框架设计	219
6.2  WSN路由设计	228
6.2.1  WSN路由协议的特点	228
6.2.2  无线传感器网络路由协议的要求	230
6.2.3  无线传感器网络路由协议的分类	231
6.3  WSN协议测评	232
6.4  WSN协议试运行与验收	238
6.5  典型系统应用案例	243
第7章  传感网与物联网的服务、管理与应用	246
7.1  传感网服务质量与评价原则	246
7.1.1  服务质量	246
7.1.2  无线传感网的服务质量	251
7.1.3  服务质量保障	253
7.2  传感网管理	257
7.3  传感网常用的操作系统	261
7.3.1  无线传感器网络特点及其对操作系统的特殊需求	261
7.3.2  TinyOS开放源代码操作系统	262
7.4  传感网系统设计与分析	264
7.5  典型系统设计与应用案例	265
7.5.1  在ETC系统中的应用	265
7.5.2  在水环境监测中的应用	267
7.5.3  在家庭监护中的应用	269
7.5.4  在商城中的应用	269
7.5.5  在机场安全系统中的应用	277
7.5.6  在电网故障诊断中的应用	278
7.5.7  在制造系统中的应用	279
7.5.8  在工业中的应用	280
7.5.9  在远程医疗中的应用	282

前    言
 物联网是新一代信息技术的重要组成部分，对于许多非专业人员很难用简单的语言表述它是什么样的技术。为了使读者，尤其是初学者，尽快掌握其内涵及在工程中的实现方法，本书从直观的感性知识角度入手，让读者认识到物联网就是物流和电子信息流融为一体的有针对性的服务网络。也可以简单地说，实现这样的信息服务网络主要解决四个问题：人与物、人对人、物对物之间的信息交流，以及各种需求的配送与交换。现有的各种网络技术体系更多地体现了服务和信息交流，这就是现阶段的物联网。
对于学习物联网技术的人们来说，只有了解它的基本原理、系统组成、关键技术、典型案例等问题，才能较全面地掌握其系统知识。为帮助非电子信息类的毕业生、工作不久的工程师及非电子信息类的成熟工程师了解物联网的基本理论和工程实现所涉及的基本技术。本书用了较大篇幅讲解了物联网工程实现中所涉及的基本理论、概念。中间部分介绍了传感网、物联网技术和面对应用的服务等技术。从对象之间的时间、空间关系出发，根据人们对物联网的要求，将人与人、物与物、物与人之间的联络和服务联系在一起。从人们在任何时间、地点的各种需求都能被及时满足的角度出发，将各种需求与现有的技术和网络相结合。从互联网、物流网、远程教学、远程医疗、网上购物、网上交友等信息技术现实的应用等方面，让人们感受到物联网技术已融入到我们的生活之中。
在物联网中，随着新技术的不断加入，工程实现中必须考虑将许多新的软件和硬件更新到应用终端中，以满足用户对服务不断增长的需求。如果站在服务与被服务的角度来看，物联网所涉及的信息技术除了经典的三大关键技术，即信息采集——传感器技术、信息传输——有线无线通信及网络技术、信息处理——计算机与信息处理技术外，更多的是信息处理方面的内容和面向对象的服务。
从技术层面来看，这种服务的网络，面对各种需求引发的信息，其数据量几乎以每年一倍的速度增长。在硬件方面，全球生产的的存储器几乎都用到了这类商业服务之中；在软件方面，随着这种快速增长的需要，各种应用工具和管理软件应运而生。计算机走向了超大存储，大数据提出了云计算，这些都是在物联网概念产生之前就已经孕育出来的。再如应用中的软件问题：大数据处理和服务带来的应用和技术问题；服务中的软硬件结合的问题；大数据存储、分发与路由，分布式存储与信息处理等问题。今天人们常用的分布式处理和嵌入式技术、中间件到“云计算”为解决大数据的处理与信息汇聚提供了技术发展的支持；网络与通信中的有线无线传输，使电信运营商变成物联网的网络层；传感器与信息采集系统，成为传感网和感知层。尤其在感知的概念下，传感器和传感网更成为人们热议的话题。
从服务信息交换过程看，首先要获得对象的相关信息，通过传感器和汇聚结点组成的传感网，将信息传送到公共网络上，再由公共的网络——通信和网络，进行远距离传送、分发、交换，最后将众多的信息传送到信息处理中心——计算机，由计算机进行计算处理，物联网的服务商再将这些信息汇聚、存储、分类、归并，按用户的需要，分发传送给各个用户，为他们提供所需的各种信息服务。服务是物联网的最大特点，人们随时就能直接体会到谷歌、百度、维基解密等网站提供的信息服务，享受到物流公司提供的将在线购买的产品送到客户手中的服务，以及其他可通过网络实现的各种服务。而且，很多服务网站甚至可以跟踪我们的生活习惯，将我们每天上网观看的信息整理汇总、分析，当我们再次输入自己关心的词汇时，网站就会马上提供给我们相关的内容和链接。物联网的应用就在人们身边，并且相关技术还会不断进步与发展。
物联网是电子信息技术的应用，它会为人们提供所需要的数据和信息。利用档案技术建立日志、目录的方法，可以实现对所有信息的建档和检索。利用无线传感网和移动互联网技术实现的物联网信息服务技术，使网络应用从原来的信息资源由网络拥有者提供，变为网络信息资源可由使用者和拥有者共同提供，这就是物联网的技术特点之一。现在，人们只要将需要的服务和内容的关键词输入到搜索引擎中，各种信息就可被检索到。如果需要深度服务，可将它们汇聚一起，再通过后台的服务器及软件，筛选出人们所需要的内容。
随着物联网应用规模的扩大，数据存储、处理与服务必然会遇到大数据问题。大量用户同时使用，必然会出现因数据流量引起的冲突并发等问题。因篇幅限制，本书对此只做了简要的介绍，相关内容可参考更专业的书籍。最常见的数据汇聚方法，就是利用爬虫工具将想搜索的各种信息，通过引擎和对象特征在网上的数据和信息，“爬”到需要的资源数据库中。通过分类、排序为用户及时提供来自各方的信息，并完成数据的汇聚和提炼。
物联网中有关数据创造、连接和更新等问题，如对物体的语音与图像识别等，都是建立在传感和数据处理之上，通过统计与运算的技术方法实现的。物联网应用系统所涉及的技术，多是现有的电子技术，其产品形态就是现有的和正在开发的电子产品。现阶段具有代表性的产品就是智能手机，它就是物联网系统中的多功能终端的一种典型代表。
在物联网工程实践中，初学者能够尽快掌握主要技术是关键。本书编者多是来自教学和工程实践一线的专家、教授和工程师。在他们的精心提炼下，将分散复杂的相关知识归纳成7个章节来向读者介绍。由于各校的教学重点不同，专业目标不同，教师可根据各自的教学计划有选择地进行讲解。
对于学生和初学者来说，可从应用实践案例等入手，从繁杂无序的独立概念中解脱出来，认清物联网是一种应用技术的本质。掌握信息领域中的三大关键技术，在工作中根据各自工作对象的实际情况正确地选择相关的技术和产品，灵活准确地实现各自独特的任务要求，是成为一名具有解决工程问题能力的合格工程师的关键。
本书第1章介绍了互联网和传感网的概念和技术，在2、3章分别介绍了物体定位与标识的方法和物体信息传输网络与要素控制。第4至6章主要介绍了数据生成、传送、分发、故障分析等相关技术，并介绍了无线传感网的设计与测评。第7章介绍了物联网应用的信息服务及管理的问题，并介绍了相关的典型应用案例。在硬件方面，由于涉及内容繁多，本书只对在物联网应用中较独特的部分如定位和标识传感器、二维条码、RFID、MEMS和微传感器等作简单的介绍，对已经广泛使用的多种传感器不再赘述，更多的内容请读者参考传感器类相关书籍。
本书由中国电子科技集团公司第三研究所范茂军研究员担任主编，南京理工大学张丽教授和哈尔滨工业大学刘晓为教授担任副主编。参加编写的还有南京理工大学卜雄珠教授，上海大学付敬奇教授，哈尔滨工程大学孙为民教授，南京邮电大学于梅芳教授，黑龙江大学丁群教授，哈尔滨理工大学施云波教授，总装备部电子元器件合同管理办公室段成丽参谋，中国酒泉卫星发射中心周晓宁高工，中国白城兵器实验中心齐久成高工，工信部电子工业标准化研究院高鹏麟高工，航天科工集团雷垒，北京瑞普光电有限公司李明云总经理，黑龙江联通公司张新忠高工，南京理工大学唐洁博士、新西兰奥克兰大学王勃然博士。特别对为本书出版辛勤工作的电子工业出版社徐静、李洁两位编辑，以及为本书提供相关案例和工程素材的同志，在此一并表示感谢。


   范茂军

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物联网与传感网工程实践