適讀人群:物聯網工程、計算機、通信工程及電子信息專業的本科生和相關專業技術人員
從各種物聯網應用的特點出發,選取不同的知識點,每章都有自己獨特的知識點和針對該知識點的實例。
專門章節介紹物聯網在各行業的應用,列出物聯網各層次的主要技術標準。
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物聯網主要源自RFID、WSN和M2M這3種應用場合,近幾年,物聯網的各種關鍵技術處于升級換代的階段,新技術和熱點技術也層出不窮,如感知層的納米傳感器、ZigBee 3.0和Thread無線傳感器網絡;傳輸層的超密集網絡、綠色通信技術等;處理層的大數據分析和可視化呈現等;應用層的自動駕駛、“互聯網+”等。
從體系結構來看,各種物聯網應用的解決方案大同小異,但具體實施的技術又完全不同。本書從各種物聯網應用的特點出發,選取不同的知識點,每章都有自己獨特的知識點和針對該知識點的實例。
第1章“物聯網體系結構”,重點介紹了物聯網與其他通信網絡的關系和物聯網的體系結構。每種通信網絡都有其自己的體系結構,最著名是計算機網絡的ISO的OSI七層模型,該模型雖被淘汰,但其遺留下來的術語卻一直在被使用,并且是通信網絡新建體系結構的比較模型。其次是目前互聯網使用的TCP/IP協議模型,但它沒有一個標準的官方模型。本書采用的是ITU-T給出的物聯網4層體系結構,不過考慮到各種技術所用的基礎知識和習慣用法。本書沒有完全采用該模型的層次名稱,也沒有按照嚴格的層次結構來安排章節順序。感知層包括第2、3、4、6、7和12章,傳輸層包括第5、8、9章,處理層包括第10章,應用層包括第13章。第1章和第14章包含了所有層次,是對物聯網的概括和總結。
第2章“物品信息編碼”,單純介紹了物品的分類編碼,包括條碼和EPC,而把編碼的載體放在了第3章自動識別技術中。本章的重點是EPC及基于EPC的網絡信息系統的構成。離開了載體的物品信息編碼對初學者來說可能會感覺有些抽象,本章最后的業務流程和開發實例可以解決這些問題。
第3章“自動識別技術”的重點是RFID。物流系統中的物品信息編碼和RFID是物聯網的一個重要起源。RFID的電子標簽和閱讀器已經在生活中隨處可見,隨著一些軟件開發工具的發展,其他一些自動識別技術也能被初學者開發展示出來,例如,利用MATLAB仿真工具就可以實現聲紋識別和語音識別。
第4章“嵌入式系統”,可以說是目前物聯網應用系統開發有別于其他應用系統開發的標志性產物。盡管在智能手機等領域,嵌入式系統開發和通用計算機系統的開發幾乎沒有差別,但在資源受限環境下的開發還是有很大區別的。
第5章“通信技術”,介紹了信號傳輸的原理知識,是理解各種通信網絡數據傳輸和物聯網器件、設備選型的基礎。與物聯網其他關鍵技術不同,雖然通信技術是所有通信網絡的基礎,但在物聯網的建設中通常都采用集成技術,除了特定場合,如微弱信號處理等,很少直接涉及通信技術本身。不過,短距離無線通信技術、ICT技術的發展等都離不開通信技術的支持。
第6章“傳感器”和第7章“傳感器網絡”,介紹了物聯網的另一個起源,這次感知的不是物品信息而是環境信息。值得注意的是,傳感器網絡也從以前的環境檢測延伸到家用設備感控,從低功耗、低速延伸到常規功耗、高速的應用場合,如低功耗的IEEE 802.11ah和高速IEEE 802.11ad。傳感器網絡的IP化也是一個趨勢,ZigBee 3.0、6LoWPAN和Thread都提供了基于IP的協議棧。
第8章“互聯網”和第9章“物聯網的接入和承載”,介紹了物聯網的傳輸層技術。對于傳輸層,在某些場合下,把傳輸層分為接入層和承載層兩個層次可能更好,這種劃分方式符合網絡運營商對通信網絡的劃分——把整個通信網分為接入網和核心網兩部分。隨著物聯網和承載網絡的IP化,感知層的局部網絡和傳輸層的承載網絡能夠直接無縫連接,傳感網、接入網和核心網的組網技術之間的界限將會變得越來越模糊。
第10章“物聯網的數據處理”,介紹了從數據存儲、組織、挖掘到呈現的各個方面。處理層是典型的中間件層,本章主要介紹了開發物聯網應用系統時常用的一些基礎知識和技術。
第11章“物聯網的安全與管理”,是物聯網各個層次和組成部分都會遇到的公共問題。物聯網的分散特性比較強,難以像電信網一樣采用集中式管理者—代理模型。物聯網不但涉及虛擬世界的信息安全,還涉及真實世界的眾多傳感設備甚至控制設備,其安全問題遠比其他通信網絡復雜。
第12章“定位技術”,是感知層的內容。之所以安排在本書后面進行講述有兩個原因,一是定位技術涉及很多網絡方面的知識,二是基于定位技術的位置服務屬于應用層的內容。
第13章“物聯網應用”,介紹了應用層典型的應用實例。在選取各種應用解決方案時,避免知識點的重復,重點介紹目前關注的熱點問題。
第14章“物聯網標準及發展”,是對物聯網各種技術的綜合和歸納,所選取的標準實例都沒有在前面的章節中詳述過,但也都是具有普遍性或極具特性的技術,是對物聯網視野的擴展。
本書提供教學視頻、教學大綱、教學建議、習題參考答案、3套試卷(附評分標準)和PPT課件,讀者可通過封底的二維碼下載后瀏覽。習題答案不是書中知識點的羅列,很多答案實際上是對書中內容的擴充,但同時也考慮了學生做題時的知識基礎。PPT課件包含了很多書中限于篇幅而未描述的技術細節和圖片,可根據授課情況進行適當裁剪。
本書由韓毅剛、馮飛、楊仁宇、張天琦、任亞飛、章帆編寫,全書由韓毅剛統稿。感謝南開大學電光學院的趙風海副教授、北京