物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構設計與邊緣計算（原書第2版）
定 價：149 元
叢書名：物聯(lián)網(wǎng)核心技術叢書
- 作者：[美]佩里·利(Perry Lea)
- 出版時間：2021/7/1
- ISBN：9787111684732
- 出 版 社：機械工業(yè)出版社
- 中圖法分類：TP18
- 頁碼：
- 紙張：膠版紙
- 版次：
- 開本：16開
本書涵蓋從物聯(lián)網(wǎng)傳感器到云計算的整個物聯(lián)網(wǎng)解決方案譜系。首先研究現(xiàn)代傳感器系統(tǒng)、通信理論，然后探討局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)中基于IP的通信，包括802.11ah、5G LTE蜂窩、Sigfox和LoRaWAN，講解邊緣計算、路由和網(wǎng)關及其在霧計算中的作用，以及MQTT 5.0和CoAP的消息傳遞協(xié)議。本書以統(tǒng)計分析、復雜事件處理和深度學習模型的應用來總結，還提供了物聯(lián)網(wǎng)安全、密碼學和shell安全的整體觀點。
邊緣計算和物聯(lián)網(wǎng)（IoT）已經(jīng)從炒作轉向主流。各組織和各行業(yè)需要從對象中收集數(shù)據(jù)，并從信息中獲取價值和洞察。同時，我們正在將更多的處理工作和功能由數(shù)據(jù)中心向數(shù)據(jù)生成源靠近。一個具有良好架構的系統(tǒng)需要多領域的專業(yè)知識，從傳感器物理實體和能源到基于云的數(shù)據(jù)分析能力。在本書中，我們將討論物聯(lián)網(wǎng)和邊緣計算的整個拓撲結構。在這里，你將了解每個組件作為系統(tǒng)的一部分是如何相互連接的。這些組件包括電信和無線電信令、嵌入式系統(tǒng)、遠程通信、網(wǎng)絡協(xié)議、邊緣和云框架、整體安全和云機器學習。
讀者對象
本書面向致力于理解精心設計的物聯(lián)網(wǎng)和邊緣系統(tǒng)的細節(jié)的架構師、系統(tǒng)工程師、學者、項目經(jīng)理、學生和工程主管。個人可能在某個領域具有優(yōu)勢，但物聯(lián)網(wǎng)中的每一個元素都會影響其他領域。我們還將關注已成功部署的實際商業(yè)、工業(yè)用例和技術。
本書內(nèi)容
第1章對物聯(lián)網(wǎng)和邊緣市場進行整體介紹，并區(qū)分了炒作與現(xiàn)實。其中會定義物聯(lián)網(wǎng)和邊緣計算，然后揭示企業(yè)、商業(yè)和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)解決方案的各種用例。在本章的后，我們通過一個案例研究來分析典型物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)（硬件-軟件-云）的完整系統(tǒng)架構。
第2章提供構建物聯(lián)網(wǎng)或邊緣系統(tǒng)所需組件和互連關系的高層次視圖。本章將說明各個組件是如何相互連接的，以及它們發(fā)揮的作用。此外，本章將從價值和貨幣化的角度揭示如何對物聯(lián)網(wǎng)部署進行建模。
數(shù)據(jù)在物聯(lián)網(wǎng)和邊緣計算中的傳輸路徑始于傳感器和物理設備。在第3章中，我們將講授各種類型的傳感器以及相關物理設備。我們將展示傳感器如何捕獲數(shù)據(jù)和圖像，以及當恒定電源不可用時如何為它們供電。
為了理解無線通信的限制和能力，我們將在第4章探討通信和無線電信令的理論，諸如路徑損耗、射頻干擾、香農(nóng)–哈特利定理和比特率限制等，還將研究射頻頻譜管理和分配。
個人區(qū)域網(wǎng)包括一些覆蓋距離短、發(fā)射機和接收機之間距離很近的設備和系統(tǒng)。第5章將深入探討各種協(xié)議的廣度和深度，如藍牙5.1、藍牙信標、尋向技術和藍牙5.0網(wǎng)狀網(wǎng)絡。我們還將研究其他802.15.4協(xié)議（如Zigbee），后對Z-Wave進行描述。
第6章探討基于TCP/IP的通信在近距離和遠程通信中的應用，研究6LoWPAN、Thread等架構和各種802.11Wi-Fi協(xié)議，如802.11ac、802.11p和802.11ah。
遠程通信是將數(shù)據(jù)從遠程邊緣移動到數(shù)據(jù)中心、客戶和消費者所在地的前提條件。第7章全面介紹遠程協(xié)議，包括4G LTE蜂窩和新的5G蜂窩標準，還將探討CBRS、LoRa、Sigfox和Multefire等遠程技術。我們將深入研究這些技術是如何工作的，以及它們在構建系統(tǒng)時提供的功能。
第8章分析構建邊緣級計算基礎設施所需的硬件和軟件組件。這包括對硬件資源（如處理器架構、內(nèi)存、存儲、物理機箱、環(huán)境適應和互連）和軟件組件（如軟件框架、操作系統(tǒng)和中間件）的深入了解。此外，我們還將探討虛擬化和容器在邊緣管理中的應用（包括Microsoft Azure IoT edge的示例）。
邊緣系統(tǒng)的常見用途是提供網(wǎng)關、路由和網(wǎng)絡安全功能。第9章介紹PAN到WAN橋接的方法、蜂窩網(wǎng)關功能、路由和流量整形，以及軟件定義網(wǎng)絡和VPN等安全方面的知識。
第10章探討廣域網(wǎng)上邊緣–云協(xié)議的各種方法和特點，如MQTT 5、CoAP、AMQP和HTTP等數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉藴史椒ā?br/>在云系統(tǒng)和邊緣系統(tǒng)之間構建和分解問題的方法有很多。第11章介紹各種邊緣框架，如EdgeX、OpenFog，以及Lambda架構，以構建一個更健壯的系統(tǒng)。
第12章討論如何從傳感器和物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中提取有意義的數(shù)據(jù)。無法理解的數(shù)據(jù)是無用的。在這里，我們使用規(guī)則引擎、統(tǒng)計分析以及各種人工智能和機器學習技術探索基于邊緣和云的分析。我們將探索如何正確分析問題，并深入研究這些工具的機制。
安全性對于強大的企業(yè)、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)和邊緣解決方案至關重要。在第13章中，我們從整體的角度來研究安全性。我們關注從傳感器到云的物理安全、網(wǎng)絡安全和數(shù)據(jù)安全并進行研究。
行業(yè)聯(lián)盟和專業(yè)協(xié)會提供了許多標準和準則，這些標準和準則是將物聯(lián)網(wǎng)和邊緣系統(tǒng)連接在一起所必需的。第14章將介紹許多相關的行業(yè)團體，還將提供一份已完成商業(yè)部署的傳感器、硬件和軟件系統(tǒng)清單（推薦），這些系統(tǒng)已被證明可滿足商業(yè)、企業(yè)和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的要求。
充分利用本書
本書涉及不同程度的技術深度和廣度。你可能在一個或幾個領域擁有豐富的經(jīng)驗，但對其他領域知之甚少。別灰心，本書試圖提供技術的概述，并在可能相關的領域進行技術上的深入探討。
我們精心挑選了一些需要深入研究的領域。這些領域是物聯(lián)網(wǎng)和邊緣系統(tǒng)一直存在的問題和容易出現(xiàn)設計挑戰(zhàn)的方面，需要大量的深入研究和理解。
你可以按順序閱讀本書，也可以在不同的章節(jié)之間跳讀，不受章節(jié)順序的影響。
本書討論的順序是從傳感器到近距離通信再到遠程通信，然后遷移到邊緣和云系統(tǒng)。我們試圖模擬數(shù)據(jù)如何沿著從傳感器到云端的路徑移動。
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本書約定
本書使
推薦序
譯者序
前言
關于作者
關于審校者
第1章 物聯(lián)網(wǎng)和邊緣計算的定義及用例 …… 1
1.1 物聯(lián)網(wǎng)的歷史 …… 3
1.2 物聯(lián)網(wǎng)的潛力 …… 5
1.3 物聯(lián)網(wǎng)的定義 …… 7
1.3.1 工業(yè)和制造業(yè) …… 8
1.3.2 消費者 …… 10
1.3.3 零售、金融和營銷 …… 10
1.3.4 醫(yī)療保健 …… 11
1.3.5 運輸業(yè)和物流業(yè) …… 11
1.3.6 農(nóng)業(yè)和環(huán)境 …… 12
1.3.7 能源產(chǎn)業(yè) …… 13
1.3.8 智慧城市 …… 13
1.3.9 軍事和政府 …… 14
1.4 使用案例和部署示意 …… 14
1.4.1 案例研究——遠程和緩醫(yī)療 …… 15
1.4.2 用例回顧 …… 22
1.5 小結 …… 23
第2章 物聯(lián)網(wǎng)架構和核心物聯(lián)網(wǎng)模塊 …… 24
2.1 相連的生態(tài)系統(tǒng) …… 24
2.1.1 物聯(lián)網(wǎng)、機器對機器與SCADA …… 26
2.1.2 網(wǎng)絡的價值、梅特卡夫定律和貝克斯特倫定律 …… 27
2.1.3 物聯(lián)網(wǎng)和邊緣架構 …… 29
2.1.4 架構師的作用 …… 30
2.2 部分——傳感和電源 …… 31
2.3 第二部分——數(shù)據(jù)通信 …… 31
2.4 第三部分——邊緣計算 …… 32
2.5 第四部分——計算、分析和機器學習 …… 33
2.6 第五部分——物聯(lián)網(wǎng)中的威脅與安全 …… 34
2.7 小結 …… 34
第3章 傳感器、終端和電力系統(tǒng) …… 35
3.1 傳感設備 …… 35
3.1.1 熱電偶和溫度傳感器 …… 35
3.1.2 霍爾效應傳感器和電流傳感器 …… 38
3.1.3 光電傳感器 …… 38
3.1.4 PIR傳感器 …… 39
3.1.5 激光雷達和主動傳感系統(tǒng) …… 40
3.1.6 MEMS傳感器 …… 41
3.2 高性能物聯(lián)網(wǎng)終端 …… 44
3.2.1 視覺系統(tǒng) …… 45
3.2.2 傳感器融合 …… 47
3.2.3 輸出設備 …… 47
3.3 功能示例（整合在一起） …… 48
3.3.1 功能示例——TI SensorTag CC2650 …… 48
3.3.2 傳感器到控制器 …… 49
3.4 能源和電源管理 …… 51
3.4.1 電源管理 …… 51
3.4.2 能量收集 …… 52
3.4.3 儲能 …… 56
3.5 小結 …… 60
第4章 通信和信息論 …… 61
4.1 通信理論 …… 62
4.1.1 射頻能量和理論范圍 …… 62
4.1.2 射頻干擾 …… 65
4.2 信息論 …… 66
4.2.1 比特率限制和香農(nóng)-哈特利定理 …… 66
4.2.2 誤碼率 …… 70
4.2.3 窄帶通信與寬帶通信 …… 71
4.3 無線電頻譜 …… 74
4.4 小結 …… 77
第5章 基于WPAN的非IP協(xié)議 …… 78
5.1 802.15標準 …… 79
5.2 藍牙 …… 80
5.2.1 藍牙的歷史 …… 80
5.2.2 藍牙5通信進程和拓撲 …… 81
5.2.3 藍牙5棧 …… 82
5.2.4 BR/EDR操作 …… 87
5.2.5 低功耗藍牙技術角色 …… 89
5.2.6 BLE運算 …… 90
5.2.7 藍牙配置文件 …… 91
5.2.8 BR/EDR安全 …… 94
5.2.9 信標 …… 95
5.2.10 藍牙5的范圍和速度增強 …… 100
5.2.11 藍牙網(wǎng)狀網(wǎng) …… 101
5.2.12 藍牙5.1技術 …… 107
5.3 IEEE 802.15.4 …… 115
5.3.1 IEEE 802.15.4架構 …… 115
5.3.2 IEEE 802.15.4 拓撲結構 …… 119
5.3.3 IEEE 802.15.4 地址模式和數(shù)據(jù)包結構 …… 120
5.3.4 IEEE 802.15.4 啟動序列 …… 120
5.3.5 IEEE 802.15.4 安全性 …… 121
5.4 Zigbee …… 122
5.4.1 Zigbee的歷史 …… 122
5.4.2 Zigbee概述 …… 122
5.4.3 Zigbee PHY和MAC（與IEEE 802.15.4的區(qū)別） …… 124
5.4.4 Zigbee 協(xié)議棧 …… 124
5.4.5 Zigbee尋址和數(shù)據(jù)包結構 …… 125
5.4.6 Zigbee網(wǎng)狀路由 …… 126
5.4.7 Zigbee安全性 …… 127
5.5 Z-Wave …… 128
5.5.1 Z-Wave概述 …… 129
5.5.2 Z-Wave協(xié)議棧 …… 130
5.5.3 Z-Wave尋址 …… 131
5.5.4 Z-Wave拓撲和路由 …… 132
5.6 小結 …… 133
第6章 基于IP的WPAN和WLAN …… 134
6.1 TCP/IP …… 134
6.2 具有IP的WPAN—— 6LoWPAN …… 136
6.3 IEEE 802.11協(xié)議和WLAN …… 136
6.3.1 IEEE 802.11 協(xié)議集及比較 …… 137
6.3.2 IEEE 802.11架構 …… 138
6.3.3 IEEE 802.11頻譜分配 …… 140
6.3.4 IEEE 802.11調(diào)制和編碼技術 …… 141
6.3.5 IEEE 802.11 MIMO …… 145
6.3.6 IEEE 802.11數(shù)據(jù)包結構 …… 147
6.3.7 IEEE 802.11操作 …… 149
6.3.8 IEEE 802.11安全性 …… 150
6.3.9 IEEE 802.11ac …… 151
6.3.10 IEEE 802.11p車聯(lián)網(wǎng) …… 152
6.3.11 IEEE 802.11ah …… 155
6.3.12 6LoWPAN拓撲 …… 158
6.3.13 6LoWPAN協(xié)議棧 …… 160
6.3.14 網(wǎng)狀網(wǎng)尋址和路由 …… 161
6.3.15 報頭壓縮和分段 …… 163
6.3.16 鄰居發(fā)現(xiàn) …… 165
6.3.17 6LoWPAN安全性 …… 166
6.4 具有IP的WPAN——Thread …… 166
6.4.1 Thread架構
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