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简而言之，核心是数据处理和数据分析。

4、应用接口层

•物联网涉及面广，包含多种业务需求、运营模式、应用系统、技术标准、信息需求、产品形态均不同的应用系统。

•必须统一规划和设计系统的业务体系结构，才能满足物联网全面实时感知、多目标业务、异构技术融合的需要。

）

2感知识别层

（1）感知识别层的核心是要解决什么问题？

核心是要解决智能化、低能耗、低成本和小型化的问题

（2）感知一般包括哪两个部分？

感知一般包括数据采集和数据短距离传输两部分

（3）感知识别层的关键技术

A、传感器技术：

传感技术（感觉器官）和计算机技术（大脑）及通信技术（神经系统）一起被称为信息技术的三大支柱。

传感技术的核心是什么？

B、RFID技术（即射频识别技术）：

是20世纪90年代兴起的一种非接触式自动识别技术。

RFID系统由哪两部分组成？

（射频识别技术是20世纪90年代开始兴起的一种非接触式自动识别技术。

–主要利用反射功率通信，它通过射频信号等一些先进手段自动识别目标对象并获取相关数据。

–有利于人们在不同状态下对各类物体进行识别与管理。

射频识别系统通常由电子标签和阅读器组成。

C、微机电系统（MEMS）：

什么叫微机电系统？

（是指利用大规模集成电路制造工艺，经过微米级加工，得到的集微型传感器、执行器以及信号处理和控制电路、接口电路、通信和电源于一体的微型机电系统。

–MEMS是独立的智能系统，可大批量生产，其系统尺寸在几毫米乃至更小，其内部结构一般在微米甚至纳米量级。

D、条形码技术：

条形码技术包括哪两类？

（一维条形码和二维条形码）

E、自动识别技术：

自动识别技术有哪些？

（–自动识别技术就是应用一定的识别装置，通过被识别物品和识读装置之间的接近活动，自动地获取被识别物品的相关信息，并提供给后台的计算机处理系统来完成相关后续处理的一种技术。

–典型应用是生物识别技术，包括指纹识别、视网膜、虹膜扫描、手掌几何学、声音识别、面部识别等。

3网络传输层

（1）主要承担什么功能？

（物联网网络传输层与目前主流的移动通信网、国际互联网、企业内部网、各类专网等网络一样，主要承担着数据传输的功能。

（2）网络按地理范围划分可以分为哪几类？

通信网络按地理范围从大到小分为哪五类网

络？

（通信网络按地理范围从大到小分为体域网、个域网、局域网、城域网、广域网。

（3）短距离无线传输技术（ZigBee、WiFi（WLAN）、WiMAX、Bluetooth（蓝牙））

（4）长距离无线传输技术

（2G网络（GPRS、GSM）、3G网络（WCDMA、TD-SCDMA、CDMA2000）、4G网络、未来5G网络）

4应用支撑层

（1）应用支撑层一般包括哪两个部分？

（2）关键技术有哪些？

（1、嵌入式技术：

早期，IEEE给出嵌入式系统的定义：

指对仪器、机器和工厂运作进行控制、监视或支持的设备，通常表现为针对特定应用、对软硬件高度定制的专用计算机系统。

–当前定义：

嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。

2、云计算–云计算最基本的概念是通过网络将庞大的计算处理程序自动分拆成无数个较小的子程序，再交由多个服务器所组成的庞大系统，经搜索、计算分析之后将处理结果回传给用户。

–云计算支撑物联网的应用发展的方式

A.单中心、多终端应用模式。

B.多中心、多终端应用模式

C.信息与应用分层处理、海量终端的应用模式。

3、中间件技术

–中间件是为了实现每个小的应用环境或系统的标准化以及它们之间的通信，在后台应用软件和读写器之间设置的一个通用的平台和接口。

5物联网发展面临的挑战

（1）物联网发展面临的挑战是哪些？

（一是物联网大多数领域的核心技术尚在发展中，距产业化应用有较大距离。

二是从物联网核心架构到各层的技术体制与产品接口大多未实现标准化。

三是技术和产业化的发展不足又导致物联网应用成本很高，从产品、技术、网络到解决方案都缺乏足够的经济性。

（2）感知识别层面临的挑战是什么？

（1）传感器方面。

–传感器产业发展相对滞后。

2）标准化问题。

–不同厂商采用不同的组网技术，要求运营商在部署物联网应

用时必须采用同一个厂商生产的传感器设备。

（3）网络传输层面临的挑战是什么？

（1、解决能源的消耗，使能耗降低；

2、如何有效整合传输层——不同网络之间的整合。

（4）应用支撑层面临的挑战？

（1）如何在大量无关软件模块中建立一个固有应用软件。

2）将不同环境下的软件整合成一个系统。

3）面向服务的计算松耦合组织网络服务，并建立一个虚拟网络。

4）互联网之上，定义一个新的协议来描述和解决服务实例。

5）分布式智能，解决可扩展性的关键。

（5）应用接口层面临的挑战？

（1、根据运营商目前网络的现状，物联网业务运营支撑平台要从小到大，循序渐进的完善。

2、前期应该着重从“商业模式”+“标准协议”+“平台功能”来综合考虑，主要是实现可管可控、规模化、标准化功能，然后逐步将运营商的能力叠加到平台。

（6）其他挑战

（•Skimming：

在末端设备或RFID持卡人不知情的情况下，信息被读取。

•Eavesdropping：

一个通道的中间，信息被中途截取。

•Spoofing：

伪造复制设备数据，冒名输入到系统中。

•Cloning：

克隆末端设备，冒名顶替。

•Killing：

损坏或盗走末端设备。

•Jamming：

伪造数据造成设备阻塞不可用•Shielding：

用机械手段屏蔽电信号让末端无法连接。

•除此之外，在计费方面、地址符标志以及IP地址管理等方面均存在新的挑战。

第三章物联网感知层技术

1、传感器技术

（1）传感器的定义是什么？

（传感器是一种能把特定的被测信号，按一定规律转换成某种“可用信号”输出的器件或装置，以满足信息的传输、处理、记录、显示和控制等要求。

我国国家标准（GB7665--87）对传感器（Sensor／transducer）的定义是：

“能够感受规定的被测量，并按照一定规律转换成可用输出信号的器件和装置”。

①传感器是测量装置；

②它的输入量是某一被测量；

③它的输出量是某种物理量；

④输出输入有对应关系。

（2）传感器由那几部分组成，分别有什么用？

（传感器一般由敏感元件、转换元件，转换电路三部分组成。

敏感元件（Sensitiveelement）：

它是直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。

转换元件（Transductionelement）：

以敏感元件的输出为输入，把输入转换成电路参数。

转换电路（Transductioncircuit）：

上述电路参数接入转换电路，便可转换成电量输出。

（3）传感器的分类

（结构型传感器：

利用结构参量变化来感受和转化信号，例如：

电容式压力传感器

固体型传感器：

20世纪70年代发展起来，由半导体、电介质、磁性材料等固体元件构成，利用材料的某些特性制成；

智能型传感器：

微型计算机技术与检测技术相结合的产物，使传感器具有一定的人工智能。

1、按被测量分类：

如被测量分别为温度、压力、位移、速度、加速度、湿度等非电量时，则相应的传感器称为温度传感器、压力传感器、位移传感器、速度传感器、加速度传感器、湿度传感器等。

2、按物理工作原理分类：

电学式传感器、磁学式传感器、光电式传感器、电势型传感器、电荷传感器、半导体传感器、谐振式传感器、电化学式传感器）

2、自动识别技术

（1）光符号识别技术的概念

（光学字符识别（OpticalCharacterRecognition，OCR）,目的是要使计算机知道它到底看到了什么，尤其是文字资料。

OCR技术能使设备通过光学机制识别字符。

（2）语音识别技术、生物计量识别技术、IC卡技术的概念。

（语音识别研究如何采用数字信号处理技术自动提取及决定语言信号中最基本有意义的信息，同时也包括利用音律特征等个人特征识别说话人。

生物计量识别技术：

利用人的生理特征或行为特征，来进行个人身份的鉴定。

有虹膜识别、指纹识别等。

虹膜识别是当前应用最方便精确的生物识别技术，虹膜的高度独特性和稳定性是其用于身份鉴别的基础。

•虹膜识别的特点：

•生物活性:

虹膜处在巩膜的保护下，生物活性强。

•非接触性:

从无需用户接触设备，对人身没有侵犯。

•唯一性:

形态完全相同虹膜的可能性低于其他组织。

•稳定性:

虹膜定型后终身不变，一般疾病不会对虹膜组织造成损伤。

•防伪性:

不可能在对视觉无严重影响的情况下用外科手术改变虹膜特征。

指纹识别是优于其他生物识别技术的身份鉴别方法。

因为指纹具有各不相同、终生基本不变的特点，且目前的指纹识别系统已达到操作方便、准确可靠、价格适中的阶段，正逐

步应用于民用市场。

•指纹识别的处理流程：

–通过特殊的光电转换设备和计算机图像处理技术，对活体指纹进行采集、分析和比对，可以迅速、准确地鉴别出个人身份。

系统一般主要包括对指纹图像采集、指纹图像处理、特征提取、特征值的比对与匹配等过程。

IC卡技术：

IC卡（IntegratedCircuitCard），即“集成电路卡”在日常生活中已随处可见。

实际上是一种数据存储系统，如有必要还可附加计算能力。

一个标准的IC卡应用系统通常包括：

IC卡、IC卡接口设备（IC卡读写器）、PC，较大的系统还包括通信网络和主计算机等）

（3）条形码技术：

条形码可以标出物品的生产国、制造商、产品名称、生产日期、图案分类等信息。

一维条形码是迄今为止使用最为广泛的一种自动识别技术。

二维条形码最早出现在20世纪70年代，是从传统条形码基础上发展起来的一种编码技术。

具有信息容量大、成本低、准确性高、编码方式灵活、保密性强等特点。

3、RFID技术

（1）RFID（RadioFrequencyIdentification）的组成及工作原理

（RFID系统由五个组件构成，包括：

传送器、接收器、微处理器、天线、标签。

传送器、接收器和微处理器通常都被封装在一起，又统称为阅读器（Reader），所以工业界经常将RFID系统分为为阅读器、天线和标签三大组件。

RFID是射频识别技术（RadioFrequencyIdentification）的英文缩写,利用射频信号通过空间耦合（交变磁场或电磁场）实现无接触信息传递并通过所传递的信息达到识别目的。

•它是上世纪90年代兴起的自动识别技术，首先在欧洲市场上得以使用，随后在世界范围内普及。

标签进入RFID阅读器扫描场以后，接收到阅读器发出的射频信号，凭借感应电流获得的能量发送出存储在芯片中的电子编码（被动式标签），或者主动发送某一频率的信号（主动式标签）。

（2）电子标签的概念及分类

（电子标签是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号来识别目标对象并获取相关数据，识别工作无需人工干预，作为条形码的无线版本，RFID技术具有条形码所不具备的防水、防磁、耐高温、使用寿命长、读取距离大、标签上数据可以加密、存储数据容量更大、存储信息更改自如等优点。

分类：

电子标签依内部保存信息注入方式的不同，可将其分为集成电路固化式、现场有线改写式和现场无线改写式三大类；

根据读取电子标签数据的技术实现手段，可将其分为广播发射式、倍频式和反射调制式三大类；

按能量供给方式（电池供电）的不同，射频识别技术又可分为有源、无源和半有源三种。

RFID通常流行的分类方法是，按照工作频率（单位：

Hz）的不同，分为低频（LF）、高频（HF）、超高频（UHF）和微波频段（MW）4种（p:

课件上无微波频）。

频率是RFID系统的一个很重要的参数，它决定了系统工作原理、通信距离、成本、天线形状和应用领域等因素。

•RFID典型的工作频率有125KHz、133KHz、13.56MHz、27.12MHz、433MHz、860-960MHz、2.45GHz、5.8GHz等。

按照工作频率的不同，RFID系统集中在低频、高频和超高频三个区域。

（3）RFID的典型工作频率是什么

（低频（LF）范围为30kHz-300kHz，RFID典型低频工作频率有125kHz和133kHz两个，该频段的波长大约为2500m。

•低频标签一般都为无源标签，其工作能量通过电感耦合的方式从阅读器耦合线圈的辐射场中获得，通信范围一般小于1米。

•除金属材料影响外，低频信号一般能够穿过任意材料的物品而不降低它的读取距离。

高频（HF）范围为3MHz-30MHz，RFID典型工作频率为13.56MHz,该频率的波长大概为22米，通信距离一般也小于1米。

•该频率的标签不再需要线圈绕制，可以通过腐蚀活字印刷的方式制作标签内的天线，采用电感耦合的方式从阅读器辐射场获取能量。

超高频（UHF）范围为300MHz-3GHz，3GHz以上为微波范围。

采用超高频和微波的RFID系统一般统称为超高频RFID系统，典型的工作频率为：

433MHz，860-960MHz，2.45GHz，5.8GHz，频率波长大概在30厘米左右。

•严格意义上，2.45GHz和5.8GHz属于微波范围。

•超高频标签可以是有源标签与无源标签两种，通过电磁耦合方式同阅读器通信。

通信距离一般大于1米，典型情况为4-6米，最大可超过10米。

（4）RFID标签与条形码相比的优点

（•体积小且形状多样：

RFID标签在读取上并不受尺寸大小与形状限制，不需要为了读取精度而配合纸张的固定尺寸和印刷品质。

•环境适应性：

纸张容易被污染而影响识别。

但RFID对水、油等物质却有极强的抗污性。

另外，即使在黑暗的环境中，RFID标签也能够被读取。

•可重复使用：

标签具有读写功能，电子数据可被反复覆盖，因此可以被回收而重复使用。

•穿透性强：

标签在被纸张、木材和塑料等非金属或非透明的材质包裹的情况下也可以进行穿透性通讯。

•数据安全性：

标签内的数据通过循环冗余校验的方法来保证标签发送的数据准确性。

（5）RFID和物联网

（基于RFID标签对物体的唯一标识特性，引发了人们对物联网研究的热潮。

•物联网是通过给所有物品贴上RFID标签，在现有互联网基础之上构建所有参与流通的物品信息网络。

•物联网的建立将对生产制造、销售、运输、使用、回收等物品流通的各个环节以及政府、企业和个人行为带来深刻影响。

•通过物联网，世界上任何物品都可以随时随地按需被标识、追踪和监控。

物联网被视为继Internet后IT业的又一次革命。

4、条形码技术

（1）条形码技术的分类及各自特征

（条形码技术是在计算机应用发展过程中，为消除数据录入的“瓶颈”问题而产生的，可以说是最“古老”的自动识别技术。

•条形码是由一组规则排列的条、空以及对应的字符组成的标记。

当使用专门的条形码识别设备如手持式条码扫描器扫描这些条码时，条码中包含的信息就转化为计算机可识别的数据。

•目前市场上常见的是一维条形码，信息量约几十位数据和字符；

二维条形码相对复杂，但信息量可达几千字符。

一维条形码——为了向计算机录入、读取数据方便

二维条形码：

二维码利用某种特定的几何图形按一定规律在平面（二维方向上）分布的黑白相间的图形记录数据符号信息的；

•在代码编制上巧妙地利用构成计算机内部逻辑基础的“0”、“1”比特流的概念，使用若干个与二进制相对应的几何形体来表示文字数值信息，通过图象输入设备或光电扫描设备自动识读以实现信息自动处理。

•二维码每种码制有其特定的字符集；

每个字符占有一定的宽度；

具有一定的校验功能等。

同时还具有对不同行的信息自动识别功能、以及处理图形旋转变化等特点。

目前，世界上应用最多的二维条码符号有AztecCode、PDF147、DataMatrix、QRCode、Code16K等。

（2）一维码和二维码的比较

（•一维条形码特点：

–可直接显示内容为英文、数字、简单符号；

–贮存数据不多，主要依靠计算机中的关联数据库；

–保密性能不高；

–损污后可读性差。

•二维条形码特点：

–可直接显示英文、中文、数字、符号、图形；

–贮存数据量大，可存放1K字符，可用扫描仪直接读取内容，无需另接数据库；

–保密性高（可加密）；

–安全级别最高时，损污50%仍可读取完整信息。

第四章网络传输层

网络传输层的主要作用是把感知识别层感知到的数据接入互联网，供上层服务使用。

物联网的核心网络是互联网和下一代网络，而各种无线网络则提供随时随地的网络接入服务，是物联网的边缘部分。

物联网网络传输层主要关注各种无线网络和移动通信网络及其主要网络协议。

1、无线网络的组成

无线网络既包括用户建立远距离无线连接的全球语音和数据网络，也包括为近距离无线连接进行优化的红外线技术及射频技术，与有线网络的用途十分类似，最大的不同在于传输媒介的不同。

无线网络的组成元素

基站

•将用户与公共基础网络相连的设备。

•蜂窝塔（CellTower）

•WiFi接入点（AccessPoint）

•根据不同协议，覆盖范围及传输速率不同。

无线连接

•用户与基站、用户与用户或基站与基站之间的数据传输通路。

•以无线电波、光波为载体。

•支持多种多样的传输速率和传输距离。

自组网

•无须基站。

用户之间通过自组织的方式形成自组网（Ad-hocNetwork）。

•地址指派、路由选择等功能由用户自身完成。

2、无线宽带网络有哪些？

（无线宽带网络包括：

•3G\4G：

无线广域网•WiMAX：

无线城域网•Wi-Fi：

无线局域网

•UWB：

超宽带无线个域网

无线局域网的发展：

尽管物理层使用技术差异很大，一系列IEEE802.11协议的上层

架构和链路访问协议是相同的。

•如MAC层都使用带冲突避免的载波监听多路访问（CSMA/CA）技术，数据链路层数据帧结构相同以及都支持基站和自组织两种组网模式

无线宽带网络的难点：

•信号强度衰减–无线信号能量随着传输距离增长而减弱。

•非视线传输–若发送者与接收者之间的路径部分被阻挡，则称其为非视线传输。

–无线信号可能会被阻挡物吸收或迅速衰减。

•信号干扰–相同无线频段的信号会相互干扰，例如2.4GHz。

–外部环境的电磁噪声，例如微波炉、汽车、高压电线。

•多径传播–无线信号由于阻挡物的反射和折射，到达接收端的时间可能略微不同。

无线宽带网络和有线宽带网络的主要区别在于：

数据链路层和物理层。

3、无线低速网络有哪些？

（红外线通信、蓝牙、802.15.4/ZigBee、体域网、容迟网络）

为什么需要低速网络协议？

应用需求牵引技术发展•“长尾效应”：

人类20%需求是高带宽，比如视频服务等；

人类还存在80%泛在需求，比如查询冰箱状态，个人生命体征监

测等。

•需要对物联网中各种各样的物体进行操作的前提就是先将他们连接起来，低速网络协议是实现全面互联互通的前提。

低速网络协议为了适应物联网物体特征：

多样性低成本、低带宽、低功耗、低通信半径、低计算能力

4、zigBee网络

（1）ZigBee网络的概念

（ZigBee，又称为IEEE802.15.4标准，其目标是实现类似于蜂群的低功耗、低复杂度、低速率、自组织的短距无线通信网络，为个人或者家庭范围内不同设备之音的低速互连提供统一标准。

ZigBee网关支持64位和16位的两种地址结构，16位主要用于子网内的地址，能够支持65536个节点）

（2）ZigBee的拓扑结构

指网络中各个站点相互连接的形式。

有星型网、网状网、混合网。

（3）ZigBee网络系统的构建过程

（4）ZigBee网络的特点

（•低功耗:

•ZigBee的传输速率低,发射功率仅为1mW,而且采用了休眠模式，功耗低。

•ZigBee设备仅靠两节5号电池就可以维持长达6个月到2年左右的使用时间。

•低成本：

•ZigBee模块的初始成本在6美元左右，估计很快就能降到1.5—2.5美元。

•ZigBee协议是免专利费的。

•时延短:

•典型的搜索设备时延30ms,

•休眠激活的时延是15ms,

•活动设备信道接入的时延为15ms。

•适用于对时延要求苛刻的无线控制（如工业控制场合等）应用。

•网络容量大:

•一个星型结构的Zigbee网络最多可以容纳254个从设备和一个主设备。

•一个区域内可以同时存在最多100个ZigBee网络。

•可靠：

•支持冲突避免的载波多路侦听技术（CSMA-CA）。

•MAC层采用了完全确认的数据传输模式，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息。

•安全:

•基于循环冗余校验（CRC）的数据包完整性检查。

•支持鉴权和认证。

•采用了AES-128的加密算法。

•各个应用可以灵活确定其安全属性。

（5）ZigBee网络的应用

在