物聯網技術導論（簡體書）

本書是依託中南大學國家級特色專業（物聯網工程）的建設，結合國內物聯網工程專業的教學情況編寫的。本書定位於技術導論，具有比較專業的內容和緊湊的結構，緊密聯繫了物聯網工程專業的專業課程設置。全書共分為8章，包括物聯網概述、傳感器及其應用、近距離無線通信技術、射頻識別技術、無線傳感器網絡、物聯網定位技術、物聯網的計算技術、物聯網安全技術等內容，這些內容都是物聯網的核心技術。．

《國家級特色專業(物聯網工程)規劃教材:物聯網技術導論》可作為普通高等學校物聯網工程專業的教材，也可供從事物聯網及其相關專業的人士閱讀。

第1章物聯網概述1
1.1物聯網的概念2
1.1.1物聯網的定義2
1.1.2物聯網的發展過程4
1.1.3物聯網的特征6
1.1.4深入理解物聯網時應注意的問題6
1.2物聯網的系統結構7
1.2.1感知層8
1.2.2傳輸層9
1.2.3支撐層9
1.2.4應用層9
1.3物聯網的應用10
1.3.1物聯網的應用模式11
1.3.2物聯網的典型應用11
1.4物聯網的關鍵技術20
1.4.1感知技術20
1.4.2傳輸技術22
1.4.3支撐技術23
1.4.4應用技術24
1.5物聯網的發展前景25
思考與練習27
參考文獻27
第2章傳感器及其應用29
2.1傳感器概述30
2.2傳感器分類31
2.2.1按傳感器的工作原理分類31
2.2.2按傳感器用途分類31
2.2.3按傳感器輸出信號分類33
2.3傳感器的應用34
2.3.1一線總線接口傳感器應用34
2.3.2I2C接口[22，23]傳感溫濕度傳感器SHT1038
2.3.3SPI總線接口傳感器溫度傳感器TC77[24]38
2.3.4RS系列接口傳感器應用40
2.3.5RJ—45接口傳感器應用42
2.3.6紅外熱釋電傳感器原理與應用42
2.3.7氣體傳感器的原理與應用45
2.3.8可見光光照度傳感器原理與應用47
2.3.9紅外對射傳感器原理與應用49
2.4傳感器的發展趨勢50
2.4.1改善傳感器性能的技術途徑50
2.4.2傳感器的發展方向52
2.5本章小結56
思考與練習56
參考文獻56
第3章近距離無線通信技術59
3.1無線通信系統概述60
3.2無線與移動通信的概念60
3.2.1無線與移動通信的發展歷程61
3.2.2寬帶無線接入技術63
3.3射頻通信63
3.3.1射頻的概念63
3.3.2頻譜的劃分64
3.3.3RFID使用的頻段67
3.4微波通信69
3.5近距離無線通信技術概覽70
3.5.1藍牙71
3.5.2Wibree75
3.5.3Wi—Fi75
3.5.4WiGig（60GHz）76
3.5.5IrDA77
3.5.6ZigBee78
3.5.7NFC79
3.5.8UWB80
3.5.9Z—Wave82
3.5.10小結82
3.6近場通信（NFC）83
3.6.1NFC發展概述83
3.6.2NFC的工作原理85
3.6.3NFC技術標準86
3.6.4NFC技術的特點86
3.6.5NFC技術的應用88
3.7本章小結90
思考與練習90
參考文獻91
第4章射頻識別技術93
4.1自動識別技術概述94
4.1.1自動識別技術的基本概念94
4.1.2自動識別技術的種類與特征比較95
4.1.3常見的自動識別技術及特征比較96
4.2RFID的基本原理99
4.2.1RFID的工作原理99
4.2.2RFID技術的特點102
4.2.3RFID技術標準103
4.3RFID技術的應用104
4.3.1RFID技術應用背景104
4.3.2RFID技術的重要參數105
4.3.3RFID技術的典型應用106
4.3.4RFID技術的應用前景107
4.4RFID技術的研究方向109
4.5本章小結111
思考與練習111
參考文獻112
第5章無線傳感器網絡115
5.1無線傳感器網絡概述116
5.1.1WSN對物聯網的支撐作用116
5.1.2WSN的概念117
5.1.3WSN的發展歷史118
5.1.4WSN的特點和優點120
5.1.5WSN的發展趨勢121
5.2無線傳感器網絡的系統結構123
5.2.1節點結構123
5.2.2軟件結構124
5.2.3拓撲結構126
5.2.4協議結構128
5.3無線傳感器網絡的應用131
5.3.1軍事領域131
5.3.2環境觀測和預報領域133
5.3.3空間、海洋探索134
5.3.4工業領域135
5.3.5農業領域136
5.3.6醫療健康與監護領域138
5.3.7建筑領域139
5.3.8其他領域140
5.4無線傳感器網絡的研究方向141
5.5本章小結142
思考與練習143
參考文獻143
第6章物聯網定位技術147
6.1定位的概念與發展歷史148
6.1.1定位的概念148
6.1.2定位技術發展簡史148
6.2定位技術在物聯網中的應用150
6.2.1定位技術在軍事領域中的應用150
6.2.2定位技術在災難救援中的應用151
6.2.3定位技術在智能交通中的應用152
6.2.4定位技術在智能物流中的應用153
6.2.5基于位置的服務154
6.3衛星導航系統154
6.3.1主要的幾種衛星導航定位系統154
6.3.2GPS全球定位系統簡介155
6.3.3北斗衛星導航系統簡介157
6.3.4北斗定位系統與GPS定位系統的比較159
6.4蜂窩系統定位技術159
6.4.1蜂窩系統定位技術簡介159
6.4.2蜂窩系統常用定位技術160
6.5RFID定位技術164
6.5.1基于RFID標簽的定位技術164
6.5.2基于RFID讀寫器的定位技術165
6.6無線傳感器網絡定位技術165
6.6.1無線傳感器網絡定位技術的研究內容166
6.6.2典型無線傳感器網絡定位算法167
6.7定位技術的發展前景168
6.8本章小結169
思考與練習169
參考文獻169
第7章物聯網的計算技術173
7.1云計算174
7.1.1什么是云計算174
7.1.2云計算的服務模型175
7.1.3開放的云計算基礎設施177
7.1.4融合云計算的物聯網181
7.2嵌入式系統183
7.2.1嵌入式系統的基本概念183
7.2.2嵌入式系統的體系結構186
7.2.3嵌入式操作系統187
7.2.4嵌入式處理器189
7.2.5嵌入式系統與物聯網190
7.3移動計算與物聯網191
7.3.1移動計算的發展191
7.3.2移動計算在物聯網中的應用191
7.4Web技術193
7.4.1Web技術的基礎知識193
7.4.2Web基本技術197
7.5物聯網中間件200
7.5.1物聯網中間件的概念200
7.5.2物聯網中間件的系統結構202
7.5.3物聯網中間件的技術平臺202
7.6本章小結204
思考與練習204
參考文獻205
第8章物聯網安全技術207
8.1物聯網面臨的安全問題208
8.1.1從信息處理過程看物聯網安全208
8.1.2從安全性需求看物聯網安全213
8.2RFID系統的安全問題214
8.2.1RFID的安全和隱私問題214
8.2.2RFID安全解決方案220
8.3WSN安全技術研究223
8.3.1WSN中的密鑰管理224
8.3.2WSN中的安全路由協議[32]228
8.4本章小結234
思考與練習234
參考文獻234

2）平均技術
在傳感器中普遍采用平均技術可產生平均效應，其原理是利用若干個傳感單元同時感受被測量，其輸出則是這些單元輸出的平均值，若將每個單元可能帶來的誤差均看成隨機誤差且服從正態分布，根據誤差理論，總的誤差將減小。
可見，在傳感器中利用平均技術不僅可以使傳感器誤差減小，而且可增大信號量，即增大傳感器靈敏度。
光柵、磁柵、容柵、感應同步器等傳感器，由于其本身的工作原理決定有多個傳感單元參與工作，可取得明顯的誤差平均效應的效果。這也是這一類傳感器固有的優點。另外，誤差平均效應對某些工藝性缺陷造成的誤差同樣起到彌補作用。在懂得這種道理之后，設計時在結構允許的情況下，適當增多傳感單元數，可收到很好的效果。例如圓光柵傳感器，若讓全部柵線都同時參與工作，設計成“全接收”形式，誤差平均效應就可較充分地發揮出來。
3）補償與修正技術
補償與修正技術在傳感器中得到了廣泛的應用。這種技術的運用大致是針對下列兩種情況：一種是針對傳感器本身特性的，另一種是針對傳感器的工作條件或外界環境的。
對于傳感器特性，可以找出誤差的變化規律，或者測出其大小和方向，采用適當的方法加以補償或修正。
針對傳感器工作條件或外界環境進行誤差補償，也是提高傳感器精度的有力技術措施。不少傳感器對溫度敏感，由于溫度變化引起的誤差十分可觀。為了解決這個問題，必要時可以控制溫度，搞恒溫裝置，但往往費用太高，或使用現場條件不允許。而在傳感器內引入溫度誤差補償又常常是可行的。這時應找出溫度對測量值影響的規律，然后引入溫度補償措施。
在激光式傳感器中，常常把激光波長作為標準尺度，而波長受溫度、氣壓、濕度的影響，在精度要求較高的情況下，就需要根據這些外界環境情況進行誤差修正才能滿足要求。補償與修正可以利用電子線路（硬件）來解決，也可以采用微型計算機通過軟件來實現。
4）屏蔽、隔離與干擾抑制
傳感器大都要在現場工作，現場的條件往往是難以充分預料的，有時是極其惡劣的，各種外界因素會影響傳感器的精度與各有關性能。為了減小量誤差，保證其原有性能，就應設法削弱或消除外界因素對傳感器的影響。其方法歸納起來有二：一是減小傳感器對影響因素的靈敏度；二是降低外界因素對傳感器實際作用的烈度。
對于電磁干擾，可以采用屏蔽、隔離措施，也可用濾波等方法抑制。對于如溫度、濕度、機械振動、氣壓、聲壓、輻射、甚至氣流等，可采用相應的隔離措施，如隔熱、密封、隔振等，或者在變換成為電量后對干擾信號進行分離或抑制，以減小其影響。