物聯(lián)網(wǎng)是在互聯(lián)網(wǎng)的基礎上,利用射頻標簽與無線傳感器網(wǎng)絡等物理接入與傳輸技術,構建的覆蓋世界上所有人與物的網(wǎng)絡信息系統(tǒng),強調(diào)的是人與物、物與物之間信息的自動交互和共享。
《現(xiàn)代電子通信技術系列教材: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、安全、發(fā)展方向和應用領域等,主要包括感知自然界的各種技術:RFID射頻技術、傳感器與傳感網(wǎng)、PC感知、3G手機、數(shù)字電視等;現(xiàn)實社會中的信息網(wǎng)絡系統(tǒng)與技術:互聯(lián)網(wǎng)、通信網(wǎng)和無線技術等;面向用戶的物聯(lián)網(wǎng)的智能實現(xiàn):數(shù)據(jù)庫、信息安全、人工智能等,最后列舉了物聯(lián)網(wǎng)在幾個典型領域中的應用以增強讀者對物聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)的理解。
《現(xiàn)代電子通信技術系列教材:物聯(lián)網(wǎng)概述》內(nèi)容豐富,通俗易懂,技術實用,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、計算機科學、電子商務及相關專業(yè)的大學本科學生的教材,也可供從事物聯(lián)網(wǎng)學習、研究和生產(chǎn)應用的科技工作者和工程技術人員系統(tǒng)地把握物聯(lián)網(wǎng)。
1世紀人類社會已步入信息時代,人類正處在一場新的技術革命中。這次技術革命的中心就是物聯(lián)網(wǎng)。物聯(lián)網(wǎng)是在計算機互聯(lián)網(wǎng)的基礎上,利用RFID、無線數(shù)據(jù)通信等技術,構造覆蓋世界上萬事萬物的“Internet of Things" 。物聯(lián)網(wǎng)通過各種互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)物品的自動識別和信息的互聯(lián)與共享等。在這個網(wǎng)絡中,物品能夠彼此進行“交流”,而無需人的干預。物聯(lián)網(wǎng)概念的問世,打破了之前的傳統(tǒng)思維,即將物理基礎設施和IT基礎設施分開,一方面是機場、公路、建筑物等,另一方面是數(shù)據(jù)中心、個人計算機、寬帶等;而在物聯(lián)網(wǎng)時代,鋼筋混凝土、電纜將與芯片、寬帶整合為統(tǒng)一的基礎設施,在此意義上,基礎設施更像是一個新的地球。業(yè)內(nèi)人士認為物聯(lián)網(wǎng)與智能電網(wǎng)等是智慧地球的有機構成。
物聯(lián)網(wǎng)不局限于目前互聯(lián)網(wǎng)中信息系統(tǒng)和設備的連接與組合,還將繼承和極大地拓展大型計算、桌面計算、普適計算、CPS、物聯(lián)網(wǎng)、云等計算模式的應用范疇,徹底地整合物理世界與信息系統(tǒng),為未來人類建設統(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、控制器到云計算的各種應用,涉及產(chǎn)品服務、智能家居、交通物流、環(huán)境保護、公共安全、智能消防、工業(yè)監(jiān)測、個人健康等各種領域。
本書不是單純介紹物聯(lián)網(wǎng)的一些技術知識,而是結合物聯(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、知識全面、通俗易懂、“有地氣”的教材,使得學習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,從而推動國內(nèi)對其研究的進一步深入,為我國的國民建設、航空航天、國防軍事領域、多媒體產(chǎn)業(yè)和網(wǎng)絡化發(fā)展提供強有力的理論保障。
本書從物聯(lián)網(wǎng)技術體系結構的角度介紹物聯(lián)網(wǎng),將物聯(lián)網(wǎng)分為3個層次: 感知層、網(wǎng)絡層和應用層。本書分別從這3個層次來闡述和理解物聯(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)展歷程和未來發(fā)展方向,使讀者對物聯(lián)網(wǎng)有一個整體了解。第2章介紹物聯(lián)網(wǎng)中應用最廣泛的RFID射頻技術及其特性、工作原理和分類,它是物聯(lián)網(wǎng)最簡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)的技術以及傳感網(wǎng)的應用。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、掌上電腦(PDA) 、攝像機和數(shù)字電視。第5章介紹物聯(lián)網(wǎng)的核心和基礎--互聯(lián)網(wǎng),以及它的關鍵技術和與物聯(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)、移動通信網(wǎng)、第四代移動通信和物聯(lián)網(wǎng)中的通信網(wǎng)的應用和發(fā)展。第7章介紹無線網(wǎng)絡中的技術,包括WiFi技術、WiMax技術、藍牙技術、紅外技術和ZigBee技術等。第8章介紹數(shù)據(jù)庫的技術,分別介紹數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫的運行與維護、物聯(lián)網(wǎng)中的數(shù)據(jù)庫應用和分布式實時數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的構成等。第9章介紹物聯(lián)網(wǎng)各個層級的安全問題和面對這些安全問題的安全策略,在此基礎上介紹物聯(lián)網(wǎng)信息安全體系架構。第10章首先介紹人工智能中的知識表示方法、不確定性和確定性推理方法,以及物聯(lián)網(wǎng)中的人工智能的應用和物聯(lián)網(wǎng)的智能化模型,然后介紹神經(jīng)網(wǎng)絡的結構、模型以及物聯(lián)網(wǎng)中的神經(jīng)網(wǎng)絡和神經(jīng)計算機。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)境保護和減災防災等領域的應用。
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。感謝西北大學副校長高嶺教授、西北大學信息科學與技術學院院長張志勇教授、西北大學信息科學與技術學院耿國華教授(國家級教學名師)、房鼎益教授(陜西省教學名師)、彭進業(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,還得到西北大學信息科學與技術學院許多老師,研究生的幫助,在此表示衷心的感謝。
書中涉及的研究內(nèi)容得到中國博士后科學基金,陜西省自然科學基金,陜西省教育廳科技基金,西北大學“211”工程重點建設項目的資助。
限于水平,書中難免有錯誤與不妥之處,懇請讀者批評指正。
作 者
2013年1月于西北大學信息苑
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)的體系結構
1.3.1 感知層
1.3.2 網(wǎng)絡層
1.3.3 應用層
1.4 物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展現(xiàn)狀
1.4.1 國外物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展現(xiàn)狀
1.4.2 國內(nèi)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展現(xiàn)狀
1.5 物聯(lián)網(wǎng)應用
1.5.1 物聯(lián)網(wǎng)應用現(xiàn)狀
1.5.2 物聯(lián)網(wǎng)的主要應用領域
1.6 本章小結
習題
第2章 射頻識別技術
2.1 RFID簡介
2.1.1 RFID概述
2.1.2 RFID技術的發(fā)展歷程和趨勢
2.1.3 RFID技術的應用領域
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 相關的電磁場基本理論
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 聲表面波標簽的識別原理
2.4 RFID的技術分類
2.4.1 根據(jù)標簽的供電形式分類
2.4.2 根據(jù)標簽的工作頻率分類
2.4.3 根據(jù)標簽的可讀性分類
2.4.4 根據(jù)標簽的工作方式分類
2.4.5 根據(jù)標簽的工作距離分類
2.5 本章小結
習題
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為標準分類
3.2.4 傳感器按照其材料為標準分類
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)對傳感器的特性要求
3.3.3 傳感器技術發(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
3.3.5 傳感器行業(yè)國內(nèi)外狀況
3.3.6 傳感技術發(fā)展趨勢
3.4 傳感網(wǎng)
3.4.1 傳感網(wǎng)的結構
3.4.2 傳感器節(jié)點結構
3.4.3 無線傳感網(wǎng)絡協(xié)議結構模型
3.5 傳感網(wǎng)的技術
3.5.1 網(wǎng)絡拓撲控制
3.5.2 網(wǎng)絡協(xié)議
3.5.3 網(wǎng)絡安全
3.5.4 時間同步
……
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 無線網(wǎng)技術
第8章 數(shù)據(jù)庫系統(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
第11章 物聯(lián)網(wǎng)工程應用
參考文獻
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備,如無線射頻識別(RFID)、傳感器,以及全球定位系統(tǒng)等種種裝置與互聯(lián)網(wǎng)結合起來而形成一個巨大的網(wǎng)絡。類似于條形碼這種自動識別技術(Auto-ID),就是物聯(lián)網(wǎng)的最初應用。除了物流領域,物聯(lián)網(wǎng)還可以廣泛應用于道路、交通、醫(yī)療、能源、家用電器監(jiān)控等各個領域。物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展要求將新一代信息化技術充分運用在各行各業(yè)之中,具體就是把諸如感應器、RFID標簽等信息化設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設施中,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,形成“物聯(lián)”。但是物聯(lián)網(wǎng)不僅僅局限于物流領域,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展需求。
物聯(lián)網(wǎng)是指在物理世界的實體中部署具有一定感知能力、計算能力或執(zhí)行能力的各種信息傳感設備,通過網(wǎng)絡設施實現(xiàn)信息傳輸、協(xié)同和處理,從而實現(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)絡和應用3個層次,其中末端網(wǎng)包括各種實現(xiàn)與物互聯(lián)的技術,如傳感器網(wǎng)絡、RFID、二維碼、短距離無線通信技術、移動通信模塊等。傳感器網(wǎng)絡是物聯(lián)網(wǎng)末端采用的關鍵技術之一。
從架構上來說,物聯(lián)網(wǎng)由感知層、網(wǎng)絡層、應用層三部分組成。感知層由傳感器和傳感器網(wǎng)絡組成,通過感知識別技術,讓物品“開口說話、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)絡的最獨特的部分。物聯(lián)網(wǎng)的“觸手”是位于感知識別層的大量信息生成設備,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備,例如智能手機、個人數(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。感知識別層、位于物聯(lián)網(wǎng)四層模型的最低端,是所有上層結構的基礎。在《物聯(lián)網(wǎng)導論》一書中,有專家認為傳感網(wǎng)所感知的數(shù)據(jù)是物聯(lián)網(wǎng)海量信息的重要來源之一。例如說有多個溫度傳感器組成、通過巡檢方式工作的溫控網(wǎng),再例如具有多種聲、光、電、機械甚至圖像探測能力的安防網(wǎng)等?梢,傳感網(wǎng)技術為物聯(lián)網(wǎng)技術中的智能感知、數(shù)據(jù)獲取提供了支撐。
……