物联网技术与应用 PDF下载

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可作为高等院校物联网工程、自动化、电气工程、计算机、通信工程等专业的教材，相关专业的工程技术人员和管理人员；

内容简介

《物联网技术与应用》主要讲述物联网的基本理论与应用技术。首先介绍物联网的基本概念和知识、物联网技术的研究现状与发展趋势；然后重点介绍物联网领域的关键性技术问题，主要包括物联网传感技术、控制技术、通信网络及通信技术、物联网信息安全技术等；*后通过典型工程应用案例，介绍物联网技术的应用领域与特点。《物联网技术与应用》内容丰富，深入浅出，图文并茂，不仅讲述基本理论与关键性技术，而且结合典型工程应用案例进行介绍，具有较强的普适性。

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目录
前言
第1章 概论 1
1.1 物联网技术与定义 1
1.1.1 物联网的定义 1
1.1.2 物联网的概念解析 2
1.1.3 物联网的早期应用 4
1.1.4 物联网认识的误区 6
1.2 物联网与互联网 7
1.2.1 互联网是物联网的实现基础 7
1.2.2 物联网是对互联网的扩展和延伸 9
1.2.3 物联网与互联网特性的差别 10
1.3 物联网系统的基本构成 11
1.3.1 物联网的体系结构 11
1.3.2 泛在化的末端感知网络 12
1.3.3 融合化的网络通信基础设施 13
1.3.4 普适化的应用服务支撑体系 14
1.4 物联网技术的发展 15
1.4.1 国外物联网的发展现状 15
1.4.2 中国物联网的发展现状 19
1.4.3 物联网发展中面临的问题 20
1.5 物联网技术的主要应用领域 23
1.5.1 物流领域的应用 24
1.5.2 数字家庭领域的应用 24
1.5.3 医疗领域的应用 25
1.5.4 工业领域的应用 25
1.5.5 智能交通领域的应用 26
1.5.6 零售商贸领域的应用 27
1.5.7 电力管理领域的应用 27
1.5.8 农业领域的应用 28
1.6 物联网技术发展趋势 28
思考题 29
第2章 物联网传感技术 30
2.1 传感技术概述 30
2.1.1 传感技术的定义及作用 30
2.1.2 传感技术的现状及国内外发展趋势 31
2.1.3 传感技术与传感系统 32
2.1.4 物联网与传感技术 33
2.2 传感器技术分类 33
2.2.1 传感器概述 33
2.2.2 传感器的分类 34
2.3 射频识别技术 41
2.3.1 射频识别技术概述 41
2.3.2 射频识别系统基本构成 42
2.3.3 射频识别系统分类及典型应用 43
2.3.4 射频识别基本原理及关键技术 46
2.4 模式识别技术 48
2.4.1 模式和模式识别 48
2.4.2 模式识别的发展和应用 50
2.4.3 模式识别的研究方法及分类 52
2.4.4 模式识别的基本概念 53
2.5 图像处理技术 54
2.5.1 图像的定义 55
2.5.2 图像的分类 55
2.5.3 数字图像处理 55
2.5.4 图像变换 60
2.5.5 图像增强 60
2.5.6 图像恢复 62
2.5.7 图像的编码与压缩 62
2.6 无线传感器网络技术 64
2.6.1 无线传感器网络体系结构 64
2.6.2 传感器节点结构 65
2.6.3 传感器网络协议栈 65
2.6.4 传感器网络的特征 66
2.6.5 传感器网络的应用 69
2.6.6 传感器网络关键技术 71
2.7 纳米技术与小型化技术 72
2.7.1 纳米技术 73
2.7.2 微机电系统及装置 73
2.7.3 封装、组装与连接技术 76
思考题 78
第3章 物联网控制技术 79
3.1 概述 79
3.2 物联网控制系统构成 80
3.2.1 物联网控制系统结构 80
3.2.2 物联网控制关键技术 84
3.2.3 物联网控制模式 86
3.2.4 物联网控制系统设计原则 88
3.3 网络远程控制技术 89
3.3.1 移动通信远程控制 89
3.3.2 网络遥操作 91
3.3.3 Web动态服务及控制 92
3.4 物联网控制终端 94
3.4.1 可编程控制器 94
3.4.2 数字控制器 100
3.4.3 物联网嵌入式控制器 103
3.5 物联网控制策略 106
3.5.1 物联网智能控制策略 106
3.5.2 物联网白适应控制系统 108
3.5.3 物联网能耗控制 110
3.5.4 物联网实时监控 111
3.6 物联网数据融合与优化决策 113
3.6.1 物联网数据融合的原理 113
3.6.2 物联网数据融合结构 114
3.6.3 物联网优化决策 116
思考题 118
第4章 物联网通信技术 119
4.1 概述 119
4.2 通信系统架构 119
4.2.1 物联网通信系统简介 119
4.2.2 感知网络层 120
4.2.3 通信网络层 121
4.3 因特网通信 121
4.3.1 因特网的构成 121
4.3.2 TCP/IP协议——因特网的标准通信协议 122
4.3.3 lPv6——支持物联网的新一代TCP/IP协议 123
4.4 嵌入式因特网技术 127
4.4.1 嵌入式因特网技术的发展 127
4.4.2 嵌入式Internet实现技术 127
4.4.3 嵌入式Internet系统应用 128
4.5 短距无线通信技术 129
4.5.1 ZigBee无线通信协议 129
4.5.2 蓝牙网络技术 134
4.5.3 WLAN通信技术 136
4.5.4 超宽带通信技术 139
4.6 现场控制网络通信 140
4.6.1 现场总线简介 140
4.6.2 基金会现场总线 141
4.6.3 局部操作网络LonWorks 143
4.6.4 过程现场总线PROFIBUS 145
4.6.5 CAN总线网络 146
4.7 网络融合技术 148
4.7.1 网络融合技术在物联网中的应用 148
4.7.2 物联网通信网关 149
思考题 151
第5章 物联网信息安全技术 152
5.1 物联网的信息安全体系 152
5.1.1 感知层 153
5.1.2 网络层 153
5.1.3 应用层 154
5.2 物联网中信息传递的安全性 155
5.2.1 物联网中信息传递的安全问题 155
5.2.2 物联网中信息传递的安全策略 156
5.3 信息隐私权与保护 159
5.3.1 物联网中的隐私保护 159
5.3.2 物联网中隐私保护面临的威胁 160
5.3.3 物联网中隐私权的保护策略 161
5.4 物联网中数据计算的安全性 165
5.4.1 物联网数据计算的关键技术——云计算 165
5.4.2 物联网中云计算的安全问题 167
5.4.3 云计算安全关键技术 167
5.5 业务认证与加密技术 171
5.5.1 物联网的业务认证机制 171
5.5.2 物联网的加密机制 174
5.6 物理设备安全问题 176
5.6.1 RFID装置 176
5.6.2 传感器网络的安全问题 178
5.6.3 其他物理设备 180
5.7 移动互联网安全漏洞与防范技术 181
5.7.1 移动互联网的基本概念 181
5.7.2 移动互联网面临的安全威胁 183
5.7.3 移动互联网的安全机制与保障体系 185
思考题 186
第6章 物联网技术应用 187
6.1 概述 187
6.2 物联网技术在物流领域的应用 188
6.2.1 物流与物联网 188
6.2.2 RFID技术在物流领域的应用 190
6.2.3 智能物流的建设 194
6.3 物联网技术在数字家庭领域的应用 199
6.3.1 数字家庭与物联网 199
6.3.2 数字家庭的应用与功能 200
6.3.3 数字家庭技术 203
6.3.4 物联网数字家庭系统结构 205
6.3.5 数字家庭应用案例 206
6.4 物联网技术在医疗领域的应用 211
6.4.1 智能医疗与物联网技术 211
6.4.2 物联网技术在医疗领域的应用案例 216
6.5 物联网技术在工业领域的应用 219
6.5.1 物联网工业应用案例 219
6.5.2 工业物联网支撑技术 227
6.5.3 工业物联网面临的技术问题 228
6.6 物联网技术在智能交通领域的应用 228
6.6.1 车联网系统 228
6.6.2 车联网的功能 229
6.6.3 车联网系统结构 229
6.6.4 车联网系统关键技术 230
6.7 物联网技术在零售商贸领域的应用 231
6.7.1 零售业物联网功能 231
6.7.2 零售业物联网应用案例 232
6.8 物联网应用有待解决的技术问题 234
6.8.1 物联网面临的技术问题 234
6.8.2 物联网面临的政策法规问题 235
6.8.3 物联网面临的商业问题 235
思考题 235
参考文献 236

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第1章概论
　　1.1 物联网技术与定义
　　从计算机的诞生到互联网的大规模应用，经过半个多世纪的发展，信息技术给人们的工作和生活带来了巨大变化。这些变化给人们带来惊喜的同时，由于通信、控制和感知等技术的快速发展，信息技术突破传统的人-机交互领域，向物理世界扩展和延伸，在人与物、物与物之间构成信息传输和控制的平台，这就是被称为继计算机、互联网之后掀起信息化发展第三次高潮的物联网(the Internet of things，IOT)技术。
　　如果说计算机技术的出现和发展实现了人机之间的直接对话，互联网技术的广泛应用满足了人人之间的快速交流，那么物联网的出现将实现人物交流、物物交流的场景。每天清晨，公文包会提醒你不要忘记带上重要的文件；洗衣机会自动根据放入衣物的质地和颜色选择清洁剂的投放量和洗涤时间；家里的窗户会在大雨来临之际自动闭合；房间里的灯光会根据天气情况的变化调节亮度；手中的遥控器可以随时随地操控家中的电器，等等。物联网将人类社会与物理系统进行整合，通过控制中心对网络内的人员、计算机、设备和基础设施等进行实时控制和管理，提高资源利用率和生产力水平，改善人与自然的关系。
　　1.1.1 物联网的定义
　　物联网的概念*早出现在1995年，比尔盖茨在《未来之路》中首次提到“物联网”的设想，只是受限于当时无线网络、硬件和传感设备的发展状况，这一设想并未引起重视。1998年，美国麻省理工学院( MIT)提出被称为电子产品编码(electronic product code，EPC)的物联网构想，并在随后的RFID( radio frequency identification)技术研究中，将RFID与互联网相结合提出EPC的解决方案，即在物品编码、RFID技术和互联网的基础上，建立把所有物品通过射频识别等信息传感设备与互联网连接起来、实现智能化识别和管理的物联网。这是物联网*初的定义。
　　2003年，美国的《技术评论》( Technical Review)杂志提出传感器网络技术将是未来改变人们生活的十大技术之首。2005年，国际电信联盟在突尼斯召开的信息社会世界峰会上，发布了《ITU互联网报告2005:物联网》，正式提出物联网的概念。报告指出，无所不在的物联网通信时代即将来临，通过在各种各样的日常用品上嵌入一种短距离的移动收发器，人类将获得与传统通信交流方式不一样的沟通渠道，在任何时间、任何地点，人与人的沟通连接将扩展到人与物、物与物的沟通连接。世界上的所有物体，大到房屋建筑、道路桥梁，小到毛巾牙刷、杯盘碗筷，都可以通过互联主动交换它们的感觉和信息。在这种场景下，射频识别技术、传感器技术、纳米技术和智能嵌入技术将得到更加广泛的应用。
　　图1-1所示为一个典型的物联网应用场景。
　　简单来说，物联网就是物物相连的互联网。一般认为，物联网的概念包括狭义和广义两种。狭义的物联网概念从物联网的实现技术出发，认为物联网是通过传感器、RFID等传感技术和识别技术实现人与物、物与物信息交流的网络，无论是否接入互联网都属于物联网的范畴。广义来说，物联网是能够实现任何时间、任何地点、任何人与任何物之间进行信息交互的网络，这是对互联网未来技术的延展，也称为未来的互联网或泛在网络。
　　图1-1 物联网中的物物相连
　　随着物联网技术的发展和对未来应用的展望，广义的物联网概念更多地被人们接受。目前，一种被广泛接受的物联网的定义为：物联网是指通过传感器、射频识别技术、红外感应器、激光扫描器和全球定位系统等信息传感设备，实时采集并获取物体的声、光、热、电、位置等信息，并利用各种方式将物体接入互联网中，在物体之间进行信息的交流和传送，以达到对物体的感知、定位、监控、管理等目的的一种网络。
　　物联网的核心思想是实现物一物连接，不仅要实现连接和操控，更要通过新技术的扩展改变传统网络的工作模式，赋予其新的含义，实现人物交互、物物交流。
　　1.1.2 物联网的概念解析
　　从物联网的定义可以看出，物联网仍以互联网为基础和核心，是在互联网的基础上通过延伸和扩展产生的一种网络，物联网的用户端由互联网中的人扩展为一般物品，可以在任何物品和物品之间进行信息交换。此外，物联网还是一种具有智能属性的网络，能够进行智能控制、自动监测和自动操作。
　　互联网的基本功能是在人与人之间建立沟通的途径，使人与人的交流更加便捷和顺畅，实现资源快速广泛的共享。物联网在互联网的接人方式和端系统上进行了延伸，利用射频识别技术和无线传感器网络技术等使物品具有白我表达能力，进而构建一个物物相连的网络信息系统，实现人与物、物与物之间信息交流和资源共享。因此，物联网也可以看作是互联网在功能服务上的扩展。
　　欧盟委员会对物联网进行了如下描述，物联网是一个动态的全球网络基础设施，它具有基于标准和互操作通信协议的自组织能力，其中物理的和虚拟的“物”拥有身份标识、物理属性、虚拟特性和智能接口，并与互联网无缝连接。
　　IBM公司在“智慧地球”概念的基础上，对物联网的概念进行进一步的解读。智慧地球通过将感应器设备嵌入公路、桥梁、建筑、供水供电系统、输油输气管道等基础设施中，利用云计算方式和中心计算机群，整合物理世界的资源，实现网络内人员、机器、设备和基础设施的管理和控制，在此基础上，以更加准确和灵活的方式管理生产和生活，提高资源利用率，促进生产力提升，实现人与自然和谐发展。
　　因此，物联网技术的本质是将世界上的人、物、网与社会融合为一个整体，将人类社会的所有活动，包括经济活动、社会活动、生产活动和个人活动等融合到统一的物联网基础之上运行，构成一个动态的全球信息基础设施。
　　物联网的终端接入设备从互联网中的计算机和一般计算设备扩展到了各种基础设施和日常用品，使参与网络交互的实体更加丰富，网络发挥作用的范围更加广泛，互联网的服务更加普及和多样化。但是，并非任何物品都可以作为终端设备加入物联网当中，加入物联网的设备必须满足以下基本要求：
　　1) 具有感知能力
　　物联网中的“物”与一般物品的不同是具有自主表达能力，能够将它周围的情况及自身的感受明确地表达出来，并作为物联网处理和传递的信息。传感器技术是使物品具有感知能力的重要技术之一，嵌入物品中的各类传感设备是物品的重要感觉器官。通过传感器网络，物品及其周围的环境情况被实时采集，并利用无线网络将这些采集到的信息传递出去，实现物品的自主表达。因此，传感网往往被人们称为物联网。事实上，它是物联网的一种具体实现方式。随着传感器和无线传感器网络技术的发展，许多传感网已经在现实世界中得到了有效应用，并在多个领域内发挥重要作用。这些传感网的应用实例也正是物联网的早期应用。
　　RFID是一种重要的感知技术，它是一种非接触式的自动识别技术，通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无需人工干预，可工作于各种恶劣环境。RFID技术可识别高速运动物体并可同时识别多个标签，操作快捷方便。近年来，随着微型集成电路技术的进步，微型智能RFID标签技术得到快速发展。安装在物品上的RFID标签中存储物品的基本信息，当该物品进入磁场后，阅读器通过发射特定频率的无线电波传输能量给标签，驱动标签电路将内部的数据送出，此时阅读器便依序接收解读数据，并送至中央信息系统进行有关数据处理。RFID技术可以广泛应用于物流和供应链管理、生产制造和装配、航空行李处理、邮件和快运包裹处理、文档追踪、图书馆管理、动物身份标识、运动计时、门禁控制、电子门票、道路自动收费等领域，还可以根据客户的需求进行定制化的生产，以满足用户的各种需求。
　　除此之外，红外线识别、模式识别等也是物联网中的重要感知技术。
　　2) 具有通信能力
　　具有感知能力的物品不仅要有感觉和表达能力，还要能够把它的感觉告诉其他人或物品，这就需要物品具有一定的通信能力，能够把感知到的信息传递出去。无论物联网是构建在局域网上还是互联网上，若要实现通信，参与通信的终端就必须具有收发数据的能力，即在物品上要有数据发送器和接收器。对于收发的数据，物品还必须能够暂时存储以保证信息处理的顺利进行，因此，这些物品上一定存在着某一形式的存储器。在与网络中其他终端进行通信的过程中，通信双方遵循统一的通信协议是通信工作的基础，无论物品采用传感器还是RFID标签作为其感觉器官，都需要遵循适合其工作的相应的通信协议。
　　3) 能够被识别
　　在网络通信中，通信双方必须在网络中具有**标识，以便通信过程中对发送方和接收方的正确识别，确保数据的正确发送和接收。接入物联网中的物品是通信的参与者，这些物品必须具有可被识别的编码。在组建物联网系统时，需要给具有感知能力的物品进行标识认定。对于传感器，首先将传感器编号，然后将带有编号的传感器安装在指定位置上，成为传递传感信息的主体。如果物品采用RFID技术进行智能感知，那么物品的编号将和物品的基本信息一起写入RFID标签中进行存储，利用RFID阅读器可以读出物品的编号，进而确认物品的身份。当所有的物品都具有可被标识的编号之后，就能够通过无线网络或互联网随时掌握具有不同编号的传感器或RFID标签目前所处的位置，读取物品传递出来的信息，并将信息传送给中央处理设备。利用中央处理设备的计算能力和数据分析能力，可以明确接下来对物品的操作，将相应的控制信息发送回指定编号的传感器或RFID标签。
　　4) 可以被控制
　　物联网中的物品都具有智能性，除了利用各种感知技术使物品可以表达它们自身的情况和周围环境的相关信息外，它们还需要能够完成双向的信息交流，即除了发送传感信息和标签信息外，还能够作为通信的接收方接收由控制设备发送给它们的控制信息，并按照控制指令完成相应的操作。比如，一套安装了传感器的照明系统，在周期性地将当前环境的亮度信息发送给中央控制器的同时，中央控制器会根据实时的环境光线情况来向照明灯具发出控制信息，如果光线过暗，控制器会要求照明系统调高照明光线的亮度，如果光线过亮，控制器会发出要求照明系统降低光线亮度的控制信号。因此，照明系统必须能够接收控制器向其发出的控制信息，并依照控制命令的要求完成相应的操作。为了对控制信息进行识别并遵照信息执行动作，物联网中的物品需要嵌入基本的数据处理单元，并安装简单的操作系统和具有针对性功能的应用软件，通过硬件与软件的协同工作*终实现人物交流或物物交流。
　　物联网概念的出现彻底改变了人们的传统思维。过去人们总是将计算设施与实际的设施分开对待，通常认为处理数据的是专门的IT设施，比如计算机和互联网，而基础设施，比如建筑物、道路、桥梁仅仅是没有感觉和思想的静态物体。而在物联网时代，这些冷冰冰的钢筋混凝土等基础设施将与处理芯片、特定网络整合为统一的基础设施。由此看来，这些统一的基础设施更像是一个地球工地，世界就在它上面运转，其中包括社会管理、经济管理、生产运行乃至个人生活。
　　1.1.3 物联网的早期应用
　　物联网的思想是在普适计算思想上发展而来的。普适计算的思想由Weiser在1991年提出，并从20世纪90年代后期开始被广泛关注。它描述了一种无处不在、以人为本的计算模式，计算真正为人的需求而存在和服务，在任何时候任何地方，人们都可以根据自己的需要通过合适的终端设备获取，无需刻意感知的计算资源。大部分物品上都装有被动式的识别标签，它们可以被自动识别和定位，利用大量安装在物品中的传感器，物品可以随时将它们的“感觉”传递出来。在此基础上又出现了泛在网络和智能感知等概念，尽管概念的具体内容不同，但它们的理念都是一致的。
　　在物联网世界中，物体通过感知技术获取自身及周围环境的信息，利用通信技术传递这些信息，并提供对其进行进一步控制和处理的建议方案，这使人和物体的关系从以往的由人单方面主动发出控制管理命令转变为人与物体通过互动交流来协作完成控制管理。这种由物体主动发出的交流信