物联网与传感网工程实践

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