物聯(lián)網(wǎng)是在互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上,利用射頻標(biāo)簽與無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)等物理接入與傳輸技術(shù),構(gòu)建的覆蓋世界上所有人與物的網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng),強(qiáng)調(diào)的是人與物、物與物之間信息的自動(dòng)交互和共享。
《現(xiàn)代電子通信技術(shù)系列教材:物聯(lián)網(wǎng)概述》系統(tǒng)地論述物聯(lián)網(wǎng)的本質(zhì)、內(nèi)容、技術(shù)、安全、發(fā)展方向和應(yīng)用領(lǐng)域等,主要包括感知自然界的各種技術(shù):RFID射頻技術(shù)、傳感器與傳感網(wǎng)、PC感知、3G手機(jī)、數(shù)字電視等;現(xiàn)實(shí)社會(huì)中的信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與技術(shù):互聯(lián)網(wǎng)、通信網(wǎng)和無(wú)線技術(shù)等;面向用戶的物聯(lián)網(wǎng)的智能實(shí)現(xiàn):數(shù)據(jù)庫(kù)、信息安全、人工智能等,最后列舉了物聯(lián)網(wǎng)在幾個(gè)典型領(lǐng)域中的應(yīng)用以增強(qiáng)讀者對(duì)物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)的理解。
《現(xiàn)代電子通信技術(shù)系列教材:物聯(lián)網(wǎng)概述》內(nèi)容豐富,通俗易懂,技術(shù)實(shí)用,既突出了作為教科書的理論性和系統(tǒng)性,又具有一定的前瞻性,可作為電子信息、計(jì)算機(jī)科學(xué)、電子商務(wù)及相關(guān)專業(yè)的大學(xué)本科學(xué)生的教材,也可供從事物聯(lián)網(wǎng)學(xué)習(xí)、研究和生產(chǎn)應(yīng)用的科技工作者和工程技術(shù)人員系統(tǒng)地把握物聯(lián)網(wǎng)。
1世紀(jì)人類社會(huì)已步入信息時(shí)代,人類正處在一場(chǎng)新的技術(shù)革命中。這次技術(shù)革命的中心就是物聯(lián)網(wǎng)。物聯(lián)網(wǎng)是在計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上,利用RFID、無(wú)線數(shù)據(jù)通信等技術(shù),構(gòu)造覆蓋世界上萬(wàn)事萬(wàn)物的“Internet of Things" 。物聯(lián)網(wǎng)通過各種互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)物品的自動(dòng)識(shí)別和信息的互聯(lián)與共享等。在這個(gè)網(wǎng)絡(luò)中,物品能夠彼此進(jìn)行“交流”,而無(wú)需人的干預(yù)。物聯(lián)網(wǎng)概念的問世,打破了之前的傳統(tǒng)思維,即將物理基礎(chǔ)設(shè)施和IT基礎(chǔ)設(shè)施分開,一方面是機(jī)場(chǎng)、公路、建筑物等,另一方面是數(shù)據(jù)中心、個(gè)人計(jì)算機(jī)、寬帶等;而在物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代,鋼筋混凝土、電纜將與芯片、寬帶整合為統(tǒng)一的基礎(chǔ)設(shè)施,在此意義上,基礎(chǔ)設(shè)施更像是一個(gè)新的地球。業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為物聯(lián)網(wǎng)與智能電網(wǎng)等是智慧地球的有機(jī)構(gòu)成。
物聯(lián)網(wǎng)不局限于目前互聯(lián)網(wǎng)中信息系統(tǒng)和設(shè)備的連接與組合,還將繼承和極大地拓展大型計(jì)算、桌面計(jì)算、普適計(jì)算、CPS、物聯(lián)網(wǎng)、云等計(jì)算模式的應(yīng)用范疇,徹底地整合物理世界與信息系統(tǒng),為未來(lái)人類建設(shè)統(tǒng)一的賴以生存的智能化環(huán)境。并且物聯(lián)網(wǎng)擁有現(xiàn)有世界最完整的專業(yè)物聯(lián)產(chǎn)品系列,包括從傳感器、控制器到云計(jì)算的各種應(yīng)用,涉及產(chǎn)品服務(wù)、智能家居、交通物流、環(huán)境保護(hù)、公共安全、智能消防、工業(yè)監(jiān)測(cè)、個(gè)人健康等各種領(lǐng)域。
本書不是單純介紹物聯(lián)網(wǎng)的一些技術(shù)知識(shí),而是結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)最新研究現(xiàn)狀和作者的一些研究成果,推出的一本全新的深入淺出、知識(shí)全面、通俗易懂、“有地氣”的教材,使得學(xué)習(xí)和研究人員能夠比較全面地了解物聯(lián)網(wǎng)的內(nèi)容與發(fā)展,從而推動(dòng)國(guó)內(nèi)對(duì)其研究的進(jìn)一步深入,為我國(guó)的國(guó)民建設(shè)、航空航天、國(guó)防軍事領(lǐng)域、多媒體產(chǎn)業(yè)和網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展提供強(qiáng)有力的理論保障。
本書從物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)體系結(jié)構(gòu)的角度介紹物聯(lián)網(wǎng),將物聯(lián)網(wǎng)分為3個(gè)層次: 感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。本書分別從這3個(gè)層次來(lái)闡述和理解物聯(lián)網(wǎng)。
全書共分為11章。第1章總體敘述物聯(lián)網(wǎng)的概念、發(fā)展歷程和未來(lái)發(fā)展方向,使讀者對(duì)物聯(lián)網(wǎng)有一個(gè)整體了解。第2章介紹物聯(lián)網(wǎng)中應(yīng)用最廣泛的RFID射頻技術(shù)及其特性、工作原理和分類,它是物聯(lián)網(wǎng)最簡(jiǎn)單的感知自然界的感知途徑。第3章介紹傳感器的特征、分類,然后介紹物理網(wǎng)中的傳感器、傳感網(wǎng)的技術(shù)以及傳感網(wǎng)的應(yīng)用。第4章介紹物聯(lián)網(wǎng)的一些其他感知方式: PC感知、3G手機(jī)、掌上電腦(PDA) 、攝像機(jī)和數(shù)字電視。第5章介紹物聯(lián)網(wǎng)的核心和基礎(chǔ)--互聯(lián)網(wǎng),以及它的關(guān)鍵技術(shù)和與物聯(lián)網(wǎng)的聯(lián)系,互聯(lián)網(wǎng)連接的是虛擬世界,物聯(lián)網(wǎng)連接的是物理世界。物聯(lián)網(wǎng)是互聯(lián)網(wǎng)的下一代。第6章介紹通信網(wǎng)的概述、固定通信網(wǎng)、移動(dòng)通信網(wǎng)、第四代移動(dòng)通信和物聯(lián)網(wǎng)中的通信網(wǎng)的應(yīng)用和發(fā)展。第7章介紹無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的技術(shù),包括WiFi技術(shù)、WiMax技術(shù)、藍(lán)牙技術(shù)、紅外技術(shù)和ZigBee技術(shù)等。第8章介紹數(shù)據(jù)庫(kù)的技術(shù),分別介紹數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)的運(yùn)行與維護(hù)、物聯(lián)網(wǎng)中的數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用和分布式實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)的構(gòu)成等。第9章介紹物聯(lián)網(wǎng)各個(gè)層級(jí)的安全問題和面對(duì)這些安全問題的安全策略,在此基礎(chǔ)上介紹物聯(lián)網(wǎng)信息安全體系架構(gòu)。第10章首先介紹人工智能中的知識(shí)表示方法、不確定性和確定性推理方法,以及物聯(lián)網(wǎng)中的人工智能的應(yīng)用和物聯(lián)網(wǎng)的智能化模型,然后介紹神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)、模型以及物聯(lián)網(wǎng)中的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和神經(jīng)計(jì)算機(jī)。第11章介紹物聯(lián)網(wǎng)在物流業(yè)、交通管理、城市市政管理、工業(yè)方面、智能電網(wǎng)、智能家居、醫(yī)療業(yè)、環(huán)境保護(hù)和減災(zāi)防災(zāi)等領(lǐng)域的應(yīng)用。
本書由趙健教授統(tǒng)稿、執(zhí)筆、定稿,肖云、王瑞參與編寫部分內(nèi)容。感謝西北大學(xué)副校長(zhǎng)高嶺教授、西北大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院院長(zhǎng)張志勇教授、西北大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院耿國(guó)華教授(國(guó)家級(jí)教學(xué)名師)、房鼎益教授(陜西省教學(xué)名師)、彭進(jìn)業(yè)教授、潘建壽教授等在編寫過程中所提建議。在本書的編寫過程中,還得到西北大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院許多老師,研究生的幫助,在此表示衷心的感謝。
書中涉及的研究?jī)?nèi)容得到中國(guó)博士后科學(xué)基金,陜西省自然科學(xué)基金,陜西省教育廳科技基金,西北大學(xué)“211”工程重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目的資助。
限于水平,書中難免有錯(cuò)誤與不妥之處,懇請(qǐng)讀者批評(píng)指正。
作 者
2013年1月于西北大學(xué)信息苑
第1章 物聯(lián)網(wǎng)概述
1.1 物聯(lián)網(wǎng)概念
1.1.1 什么是物聯(lián)網(wǎng)
1.1.2 與互聯(lián)網(wǎng)等概念的區(qū)別與聯(lián)系
1.2 物聯(lián)網(wǎng)概念的產(chǎn)生和發(fā)展
1.2.1 物聯(lián)網(wǎng)概念的產(chǎn)生
1.2.2 物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展歷程
1.3 物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)
1.3.1 感知層
1.3.2 網(wǎng)絡(luò)層
1.3.3 應(yīng)用層
1.4 物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展現(xiàn)狀
1.4.1 國(guó)外物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展現(xiàn)狀
1.4.2 國(guó)內(nèi)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展現(xiàn)狀
1.5 物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用
1.5.1 物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用現(xiàn)狀
1.5.2 物聯(lián)網(wǎng)的主要應(yīng)用領(lǐng)域
1.6 本章小結(jié)
習(xí)題
第2章 射頻識(shí)別技術(shù)
2.1 RFID簡(jiǎn)介
2.1.1 RFID概述
2.1.2 RFID技術(shù)的發(fā)展歷程和趨勢(shì)
2.1.3 RFID技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域
2.2 RFID的特性
2.3 RFID的工作原理
2.3.1 RFID基本工作原理概述
2.3.2 相關(guān)的電磁場(chǎng)基本理論
2.3.3 電感耦合RFID系統(tǒng)
2.3.4 電磁反向散射RFID系統(tǒng)
2.3.5 聲表面波標(biāo)簽的識(shí)別原理
2.4 RFID的技術(shù)分類
2.4.1 根據(jù)標(biāo)簽的供電形式分類
2.4.2 根據(jù)標(biāo)簽的工作頻率分類
2.4.3 根據(jù)標(biāo)簽的可讀性分類
2.4.4 根據(jù)標(biāo)簽的工作方式分類
2.4.5 根據(jù)標(biāo)簽的工作距離分類
2.5 本章小結(jié)
習(xí)題
第3章 傳感器
3.1 傳感器概述
3.1.1 傳感器的定義
3.1.2 傳感器的基本特性
3.1.3 傳感器的基本應(yīng)用
3.2 傳感器分類
3.2.1 傳感器根據(jù)工作原理分類
3.2.2 傳感器按照用途分類
3.2.3 傳感器按照其輸出信號(hào)為標(biāo)準(zhǔn)分類
3.2.4 傳感器按照其材料為標(biāo)準(zhǔn)分類
3.2.5 傳感器按照其制造工藝分類
3.2.6 傳感器根據(jù)測(cè)量目的不同分類
3.3 物聯(lián)網(wǎng)中的傳感器
3.3.1 傳感器和物聯(lián)網(wǎng)
3.3.2 物聯(lián)網(wǎng)對(duì)傳感器的特性要求
3.3.3 傳感器技術(shù)發(fā)展階段及智能傳感器演變過程
3.3.4 傳感器產(chǎn)業(yè)特點(diǎn)
3.3.5 傳感器行業(yè)國(guó)內(nèi)外狀況
3.3.6 傳感技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)
3.4 傳感網(wǎng)
3.4.1 傳感網(wǎng)的結(jié)構(gòu)
3.4.2 傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)
3.4.3 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)協(xié)議結(jié)構(gòu)模型
3.5 傳感網(wǎng)的技術(shù)
3.5.1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂?br>3.5.2 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議
3.5.3 網(wǎng)絡(luò)安全
3.5.4 時(shí)間同步
……
第4章 其他感知方式
第5章 互聯(lián)網(wǎng)
第6章 通信網(wǎng)
第7章 無(wú)線網(wǎng)技術(shù)
第8章 數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)
第9章 物聯(lián)網(wǎng)的信息安全
第10章 人工智能和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)
第11章 物聯(lián)網(wǎng)工程應(yīng)用
參考文獻(xiàn)
3.7 物聯(lián)網(wǎng)中傳感網(wǎng)
物聯(lián)網(wǎng)理念的出現(xiàn)首先歸功于物流系統(tǒng)的現(xiàn)代化需要,F(xiàn)代物流系統(tǒng)希望利用信息生成設(shè)備,如無(wú)線射頻識(shí)別(RFID)、傳感器,以及全球定位系統(tǒng)等種種裝置與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合起來(lái)而形成一個(gè)巨大的網(wǎng)絡(luò)。類似于條形碼這種自動(dòng)識(shí)別技術(shù)(Auto-ID),就是物聯(lián)網(wǎng)的最初應(yīng)用。除了物流領(lǐng)域,物聯(lián)網(wǎng)還可以廣泛應(yīng)用于道路、交通、醫(yī)療、能源、家用電器監(jiān)控等各個(gè)領(lǐng)域。物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展要求將新一代信息化技術(shù)充分運(yùn)用在各行各業(yè)之中,具體就是把諸如感應(yīng)器、RFID標(biāo)簽等信息化設(shè)備嵌入和裝備到電網(wǎng)、鐵路、橋梁、隧道、公路、建筑、供水系統(tǒng)、大壩、油氣管道、商品、貨物等各種物理物體和基礎(chǔ)設(shè)施中,甚至人體內(nèi),將它們普遍互聯(lián),并與互聯(lián)網(wǎng)連接起來(lái),形成“物聯(lián)”。但是物聯(lián)網(wǎng)不僅僅局限于物流領(lǐng)域,它有著更廣泛的含義:一方面是物理世界的聯(lián)網(wǎng)需求,另一方面是信息世界的擴(kuò)展需求。
物聯(lián)網(wǎng)是指在物理世界的實(shí)體中部署具有一定感知能力、計(jì)算能力或執(zhí)行能力的各種信息傳感設(shè)備,通過網(wǎng)絡(luò)設(shè)施實(shí)現(xiàn)信息傳輸、協(xié)同和處理,從而實(shí)現(xiàn)廣域或大范圍的人與物、物與物之間信息交換需求的互聯(lián)。物聯(lián)網(wǎng)包括各種末端網(wǎng)、通信網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用3個(gè)層次,其中末端網(wǎng)包括各種實(shí)現(xiàn)與物互聯(lián)的技術(shù),如傳感器網(wǎng)絡(luò)、RFID、二維碼、短距離無(wú)線通信技術(shù)、移動(dòng)通信模塊等。傳感器網(wǎng)絡(luò)是物聯(lián)網(wǎng)末端采用的關(guān)鍵技術(shù)之一。
從架構(gòu)上來(lái)說(shuō),物聯(lián)網(wǎng)由感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層三部分組成。感知層由傳感器和傳感器網(wǎng)絡(luò)組成,通過感知識(shí)別技術(shù),讓物品“開口說(shuō)話、發(fā)布信息”,是融合物理世界和信息世界的重要一環(huán),是物聯(lián)網(wǎng)區(qū)別于其他網(wǎng)絡(luò)的最獨(dú)特的部分。物聯(lián)網(wǎng)的“觸手”是位于感知識(shí)別層的大量信息生成設(shè)備,包括RFID、傳感網(wǎng)、定位系統(tǒng)等,也包括采用人工生成方式的各種智能設(shè)備,例如智能手機(jī)、個(gè)人數(shù)字助理、多媒體播放器、上網(wǎng)本、筆記本電腦等。信息生成方式的多樣化是物聯(lián)網(wǎng)的重要特征之一。感知識(shí)別層、位于物聯(lián)網(wǎng)四層模型的最低端,是所有上層結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。在《物聯(lián)網(wǎng)導(dǎo)論》一書中,有專家認(rèn)為傳感網(wǎng)所感知的數(shù)據(jù)是物聯(lián)網(wǎng)海量信息的重要來(lái)源之一。例如說(shuō)有多個(gè)溫度傳感器組成、通過巡檢方式工作的溫控網(wǎng),再例如具有多種聲、光、電、機(jī)械甚至圖像探測(cè)能力的安防網(wǎng)等?梢,傳感網(wǎng)技術(shù)為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中的智能感知、數(shù)據(jù)獲取提供了支撐。
……