物联网技术及应用-课件

物联网技术及应用《物联网技术及应用》(第2版)教材简介物联网技术及应用主要内容引言教材基本情况第1版教材内容及特点第2版修订原则第2版教材内容及特点本教材适应范围物联网技术及应用引言从新世纪初，物联网就已经悄悄地进入了人们的视野，并在各行各业“初露锋芒”。从射频识别到传感网技术从移动通信到网络通信从“智慧地球”到“感知中国”从“E-社会”到“U-社会”从“人-人相通”到“物-物相联”……构成了物联网的基本框架！目前，国内外、各行业对物联网高度重视，并把它作为技术发展的新引擎、开启智慧和财富大门的金钥匙！物联网技术及应用物联网并不是一门新技术，而是一种将现有的、遍布各处的传感设备和网络设施联为一体的应用模式，是计算机、通信、互联网、传感网、大数据、云计算、人工智能、智能控制等多个学科技术的渗透与融合，是一个在近几年形成并迅速发展的新概念和新产业，被称为继计算机、互联网之后，信息产业的一次新浪潮。物联网作为一个新生事物，正在快步向我们走来，开发应用前景巨大。目前，人们已经随处都能够感觉到它的存在。

如智能家居、智能交通、智能医疗、无人商场、各类电商平台及APP平台等。正所谓“一机在手

心想全有”....尤其是不平常的2020年，人们不用出家门，既做到了隔离防控疫情，又实现了工作和学习、生活两不误，这都得益于强大的物联网系统。物联网技术及应用教材基本情况教材名称：《物联网技术及应用》（第2版）编写人员：本书主要由江南大学物联网技术课程组教授、博士主编，另有招银网络科技（杭州）有限公司、西安华为技术有限公司、宁波高松电子有限公司等企业高级技术人员参与编写。出版社：机械工业出版社（国家级出版社）发行时间：2020年6月物联网技术及应用第1版内容及特点《物联网技术及应用》（第1版）教材2012年8月由机械工业出版社出版发行，是一本普通高等学校教材，迄今已有八年多的使用时间。当时，物联网概念刚刚兴起，本教材用通俗易懂的语言和图片，展示了物联网技术和业务应用的巨大魅力，涵盖了物联网领域的各种新技术及典型应用。第1版共7章内容，包括：物联网概述、感知与识别技术、无线传感网技术、通信与网络技术、智能处理技术、物联网应用系统设计和物联网的典型应用。本书自2012年出版发行以来，受到广大师生及社会读者的普遍青睐，反响较好。根据物联网及信息技术不断飞速发展的实际情况以及广大教师、学生和读者的教学和学习需求，2020年予以重新修订。物联网技术及应用第2版修订原则去除个别略显过时的概念和提法更新相关统计数据适当整合教材内容增加近几年发展和新出现的先进技术和新应用。如5G、大数据、边缘计算、人工智能以及智能制造等配套资料在原有多媒体课件的基础上，增加了复习思考题及参考答案的内容物联网技术及应用第2版教材内容及特点主要内容：共分8章第1章

物联网概述物联网的概念及属性物联网的体系结构物联网的关键技术国内外物联网的发展研究现状。第2章

感知与识别技术智能传感器及检测技术自动识别技术条码识别技术射频识别技术无线定位技术第3章

无线传感网技术WSN的特点及应用WSN的基本组成节点部署及基本结构协议体系结构关键技术。第4章

通信与网络技术现场总线技术常用的5种短距离无线通信技术8种新一代无线通信和网络技术等研究热点第5章

数据处理技术自动控制和智能控制人工智能技术嵌入式系统技术微机电M2M技术智能制造技术第6章

云计算与大数据云计算边缘计算大数据具体应用物联网技术及应用第7章

物联网应用系统设计物联网应用系统的基本要求设计步骤和设计原则以基于M2M“智慧城市”平台设计为例，介绍了物联网具体应用系统的设计方法第8章

物联网10种典型应用智能电网智能安防智能城市智能环境智能医疗智能农业智能交通智能物流智能家居智能旅游物联网技术及应用新修订（第2版）教材的特点结构模块清晰，每章主要包括导读、理论学习、小结和复习思考题等4个模块。既有利于教师讲解，也有益于学生学习。内容全面系统，从阐述物联网的概念、属性和体系结构入手；详细分析了感知与识别技术，无线传感网技术，通信与网络技术，智能处理技术，云计算与大数据等物联网的关键技术及物联网应用系统的设计原则与思路；引用大量实例诠释了物联网在智能电网、智能家居、智慧城市等10大领域内的典型应用。叙述深入浅出，层次清楚，语言简明，术语规范，在系统性、创新性、应用性、新颖性和前瞻性等方面形成特色。并在书的最后给出了物联网常用术语和关键词的英文缩略语及英中文对照表，便于读者学习。配套资源实用，包括图文并茂、言简意赅、适用于多元化课堂教学的多媒体课件，和形式多样的复习思考题及参考答案。复习思考题分为概念解释题、填空题、简答题和分析题等多种形式，涵盖了教材的全部内容，供教师教学和学生学习时选择参考。物联网技术及应用教材适应范围《物联网技术及应用》（第2版）是一本关于物联网基础技术及应用的普通高等学校教材可以作为高等院校电气信息类专业物联网技术基础、导论或物联网技术相关课程的教材或教学参考书也可以作为相关机构物联网技术培训教材同时，对有一定信息网络基础并希望在物联网技术方面有所提高的读者，也是一本较为理想的参考读物物联网技术及应用由于物联网技术仍处于快速发展阶段，新理论、新技术、新设备以及新应用也不断涌现，加之作者水平有限，书中难免出现错漏或不妥之处，敬请使用本教材的老师和读者批评指正，并提出宝贵意见。联系电邮：xyqwx@163.com。谢谢！物联网技术及应用第1章 物联网概述【主要内容】物联网的基本概念及演进物联网的体系结构物联网的关键技术国内外物联网的发展现状物联网技术及应用1.1 物联网的基本概念及演进物联网概念的提出背景物联网作为一个新生事物，和其它新事物一样，也有其产生背景。美国IBM计算机公司前CEO郭士纳总结了一个重要的观点被多数专家认可，即：计算机模式每隔15年发生一次变革。1965年前后发生的变革以大型机为标志1980年前后以PC个人计算机的普及为标志1995年前后则发生了互联网革命2010年又会是什么呢？专家、机构和业界人士普遍认为应该是将IT技术由人类引入物体的物联网—万物相联的网络，即“Internet

of

Things，IoT”物联网技术及应用物联网概念的演进过程1995年，比尔·盖茨最早设计出了“物－物”相联的物联网雏形，只是当时受限于感知及无线网络技术的发展，并未引起重视。1999年，美国麻省理工学院自动识别中心，提出了基于EPC系统、RFID技术和互联网的“物联网”构想，指出物联网是指各类传感器和现有互联网相互衔接的一种新技术形式。2005年国际电信联盟发布了《ITU互联网报告2005：物联网》2008年欧洲智能系统集成技术平台在《物联网2020》中分析预测了未来物联网的发展阶段。2009年美国政府首次提出了“智慧地球”的概念，其基础和核心就是物联网2010年中国政府提出建设“感知中国”中心，并在同年3月，在第十一届全国人民代表大会第五次会议上，物联网被首次写入《政府工作报告》。自此，中国各行业物联网的研究和发展如火如荼。物联网技术及应用什么是物联网物联网（Internet

of

Things），即物-物相联的互联网主要内涵是利用互联网将多种物体连接起来，能够实现智能化的数据融合管理，通过网络对物体进行实时监控，有效实现人与物、物与物的信息沟通和共享从用户实体角度来看，物联网就是“物-物”相联、“物-人-信息-社会”相通、无处不在的智能化泛在网从技术角度来看，物联网就是通过“物-物”互联来实现对物理世界的感知，是通过智能终端、3C（Computer、Communication、Control）和Internet等多种技术的渗透、融合、集成、创新与应用，构造的一个覆盖世界上万事万物的网络，即物联网AnythingAnyoneAnywhereAnytime图1-3

万物互联的物联网物联网技术及应用IoT实质内容包括四个方面：通过嵌入在物品和设施中的感测设备，将现实的物质世界极大程度地数字化。通过对每一件物品的识别和预处理，将数据化的虚拟事物联入信息网络。利用信息技术对数据进行整理、加工、分析、融合和挖掘等智能处理。根据智能处理的结果，对物品做出管理和监控。是多个闭环组成的识别、处理、控制和智能服务系统。通信网、互联网、传感网和物联网的关系通信网是人和人之间的信息传输网络，互联网是人类信息共享网络，传感网是通过多个传感器组成的物体信息感知网络；通信网和互联网是“人-人”互联与共享，传感网是“物-物”互联与共享。物联网则是传感网、通信网和互联网的渗透与融合，重要的是感知，它是一个以感知为目的的共享网络。物联网技术及应用任何时间联结Anytime任何物体联结Anything任何地点联结Anywhere在移动中在户外及室内在夜晚在白天在移动中在户外在室内(离开PC)通过PCPC之间联结人与人之间（H2H）不通过PC联结人与物之间（H2T）通过普通装置联结物与物之间（T2T）联结图1-4

物联网的泛在性—三个维度信息世界物理世界RFID人机接口 智能卡条形码传感器图1-5

物联网的泛在性—物理世界和信息世界的互联互通物联网的泛在性物联网时代，全球上可以实现任何人之间、任何人和任何物、在任何时间和任何地点的互联互通，即可实现四A通信：Anyone，Anytime，

Anywhere，Anything物联网的泛在性预示着真实的物理世界与虚拟的信息世界之间共生的互联互通物联网技术及应用从Internet到IoT用户连接Internet服务连接Internetof

Services物体连接Internetof

Things应用规模199820062009物体连接Internetof

Things物体定位目标跟踪环境感知智能家居虚拟现实智能计算人工智能…2017物体定位目标跟踪环境感知智能家居虚拟现实智能计算…商务在线网络银行政务在线在线点播在线支付…网上浏览电子邮件…时间图1-6

物联网的泛在性—从Internet到IoT物联网的泛在性将使人类由Internet进入IoT，由“E社会”进入“U社会”。E社会—电子社会(Electronic

Society)

。自从Internet诞生特别是电子商务和电子金融出现后，传统社会便转型为电子社会。特点是可实现“三A通信

(Anyone，Anytime，Anywhere）”

。U社会—泛在社会(

Ubiquitous

Society

)，可实现“四A通信(Anyone，Anytime，

Anywhere，

Anything

)”，即把社会中所有的物体都可以纳入通信的对象。物联网技术及应用IoT实质内容包括四个方面：通过嵌入在物品和设施中的感测设备，将现实的物质世界极大程度地数字化。通过对每一件物品的识别和预处理，将数据化的虚拟事物联入信息网络。利用信息技术对数据进行整理、加工、分析、融合和挖掘等智能处理。根据智能处理的结果，对物品做出管理和监控。是多个闭环组成的识别、处理、控制和智能服务系统。通信网、互联网、传感网和物联网的关系通信网是人和人之间的信息传输网络，互联网是人类信息共享网络，传感网是通过多个传感器组成的物体信息感知网络；通信网和互联网是“人-人”互联与共享，传感网是“物-物”互联与共享。物联网则是传感网、通信网和互联网的渗透与融合，重要的是感知，它是一个以感知为目的的共享网络。物联网技术及应用物联网的基本特征与属性表1-1

物联网的基本特征和属性基本特征“物”可以是现实物体，也可以是虚拟物体“物”有身份，可以自动地识别出来“物”在环境中是安全的“物”通过协议与其它物体、设施通信“物”包含着现实世界与虚拟世界的交流共同特征“物”利用自己的服务类型作为与其它物体的接口“物”与“物”之间竞争资源、服务“物”安装着传感器，可以和环境互动社会型“物”的特征“物”可以和人及其它的物体、计算机设备交流“物”之间可以合作，形成团体或网络“物”可以发起交流通信自动化“物”的特征“物”可以自动处理任务“物”可以协商、理解、适应所在的环境“物”可以从环境中提取所需的模式，或者向其它物体学习“物”可以通过自己的理解能力做出决定“物”可以有选择地处理和传播信息物体的自我复制和控制能力“物”可以制造、管理、毁坏其它物体物联网技术及应用物联网的体系结构根据物联网的本质属性和应用特征，其体系架构可分为三层：感知层（底层）、网络层（中间）和应用层（顶层）“感”—感知层，即全面的信息感知，是物联网的皮肤和五官，通过传感器、RFID、智能卡、条形码、人机接口等多种信息感知设备，解决数据获取和入网问题“知”—网络层，是物联网的神经中枢和大脑，解决信息的可靠传输和智能处理，“行”—应用层，即各行各业的应用平台，相当于物联网的社会分工，主要解决信息智能处理和人机界面的问题物联网技术及应用物联网的关键技术物联网应用支撑平台移动通讯、互联网和其它专网下一代承载网M2M无线接入移动通讯网互联网低速和中高速短距离传输技术数据融合和接入传

感

器条形码RFID多媒体信息应用层自组织网技术协同信息处理技术传感网中间件技术数

据

采

集网络层感知层标识解析安全技术QoS管理网络控制公共技术GPS……物联网管理中心信息共享与交互平台专家系统平台云计算平台行业服务支撑平台物

联

网

应

用智能电网 智慧交通 智能家庭 智能物流 智能环保智慧医疗 智慧农业 智慧城市 智能工业 智慧旅游……………标准管理互通互通异构网融合资源和存储管理专用网络远程控制表1-2

物联网的关键技术技术层次关键技术智能处理技术智能控制、人工智能、嵌入式系统、云计算边缘计算、大数据、区块链、智能制造等高端数据处理技术。网络传输技术互联网、M2M、5G/移动通信网、无线宽带网、GIS/GPS等融合和接入技术现场总线(有线），蓝牙、Wi-Fi、ZigBee、无线传感网等短距离无线通信技术感知和识别技术传感器、RFID、条形码、各种智能卡、摄像机等物联网技术及应用智能芯片执行器感知和识别技术概念：感知和识别技术是指对各类物体的识别和信息获取技术，是物联网的信息源头和最底层的核心技术。特点是利用多种传感器、RFID、条形码、摄像头、智能设备等来全面感知物体的各种信息，具有节点数量多、成本低、计算能力弱等特点。传感器：是能够感受表征物体特征的非图1-10

机器人五官传感器电物理量（如温度、压力等），并按照一定规律转换成易于测量、传输和处理的电量（如电流、电压等）的一种器件或装置。主要完成信息检测任务，相当于物联网的“神经元”。条形码：是指由一组规则排列的条、空及其对应字符组成的标识，用以表示商品信息，是识别商品的“身份证”和进入国内外市场的通行证。物联网技术及应用条形码编码原则：遵循全球唯一性原则。有三种：一维条码、二维条码和三维条码。一维条形码：只是在一个方向（一般是水平方向）表达信息，而在垂直方向则不表达任何信息。特点是信息录入快，差错率低，但数据容量较小，容易损坏且不能还原。二维条形码：在水平和垂直方向的二维空间都存储信息。其特点是信息密度高、容量大，能防错纠错，即使部分损坏，也能将正确的信息还原出来，且适于多种阅读器。三维条码：在二维条码的基础上，加入色彩或者灰度作为第三维，得到不同灰度或者具有不同色彩的三维条码。具有明显的优点，存储信息量大，清晰度，质量高等。应用：条形码技术泛用于商业、图书、邮政、仓库、工业、农业、交通等多个领域，在当今自动识别技术中仍占有重要地位。二维条码一维条码图1-11

一维条码和二维条码图标图1-12

三维条码外形图物联网技术及应用名称速率距离频段GPRS/GSM几十至一百k

bps全球漫游4G手机网5G手机网最高100

Mbps左右0.1~1Gbps全球漫游全球漫游1880~2690MHz3~5GHzWi-Fi10~100M

bps50米以内2.4GHz蓝牙bps15米以内2.4GHzZigBee250k

bps1000米以内2.4GHzUWB100Mbps~1Gbps10米以内3.4~4.8

GHzRFID：俗称电子标签组成：标签（射频卡）、阅读器、天线。原理：是利用无线射频信号通过空间交变电磁场耦合原理，实现非接触、双向通信和信息的自动识别。网络传输技术网络传输技术：主要是指各种信息与互联网的组网、融合、传输和接入技术。包括移动4G/5G、Internet

、Wi-Fi、ZigBee、蓝牙技术、异构互联、协同技术、M2M等。从信号传递的形式来说分为有线网络及无线网络。有线网络：互联网、有线电话网（电信网）、有线电视网、现场总线等无线网络：根据不同的应用有多种，如手机/GPRS网络、Wi-Fi、ZigBee、蓝牙等。表1-3

无线通信网络比较物联网技术及应用无线传感网技术无线传感器网络（Wireless

Sensor

Network，WSN），简称无线传感网。WSN：是由有限或无限多个体积小巧的传感器节点组成，可以感受环境参数变化，每一个节点都是微微型计算机，可以将收集到的信息转化成为数字信号，通过自组织无线网络发送给具有更大处理能力的服务器。智能处理技术智能处理技术：是利用智能控制、嵌入式系统、云计算、大数据、区块链、人工智能和智能制造等高端智能技术，完成各种智能计算、海量数据挖掘与处理和智能化控制等智能服务功能。智能控制：就是通过智能机自动地完成其目标的控制过程。嵌入式系统：是嵌入到对象体系中的专用计算机系统。云计算：是一种海量数据并行运算体系。大数据：是指所涉及的数据规模非常巨大，需要通过新处理模式才能使之成为人类所能解读的数据集合。人工智能：是研究使计算机来模拟人的某些思维过程和智能行为（如学习、推理、思考、规划等）的技术。物联网技术及应用物联网、云计算、大数据、人工智能的递进关系物理实体物联网云计算大数据人工智能信息知识智慧采集和数字化 承载和支撑挖掘和分析 学习和理解数据 模式物联网：解决的是感知真实的物理数据，也就是将物理实体数字化；云计算：解决的是提供强大的能力去承载这个数据；大数据：解决的是对海量数据进行挖掘和分析，把数据变成信息；人工智能：解决的是对数据进行学习和理解，把数据变成知识和智慧。在这四个层次中，物联网是在数据的采集层，云计算是在承载层，大数据是在挖掘层，人工智能是在学习层，所以它们是层层递进的关系。物联网技术及应用安全技术安全威胁系统漏洞病毒入侵黑客攻击安全技术措施：主动防御安全免疫网络国内外物联网发展现状（略）物联网技术及应用本章结束！本章小结本章主要学习物联网的基本知识，包括物联网基本概念、实质内涵、基本特征与属性，以及物联网与通信网、互联网、传感网的关系；物联网的演进过程、国内外研究和发展现状，简要分析了物联网的三层体系结构和五大关键技术。需要掌握和物联网相关的一些关键词，如感知、识别、跟踪、定位、泛在、RFID、EPC、WSN、M2M、传感网、网络通信、无线通信、移动通信、4G/5G、云计算、大数据、区块链、人工智能、智能制造等。为后续章节的学习奠定基础。物联网技术及应用第2章 感知与识别技术【主要内容】传感器及检测技术自动识别技术条码识别技术射频识别技术无线定位技术物联网技术及应用传感器及检测技术传感器原理及应用普通传感器组成：传感器一般由敏感元件、转换元件和变换电路3部分组成。敏感元件被测量标准电量转换元件变换电路显示器记录仪数据处理仪器非电量电量辅助电源敏感元件：直接感受被测量并输出与被测量性质相同、有确定关系的物理量的元件。转换元件：传感器的核心元件，它把敏感元件感知的非电量转换为电信号。变换电路：将转换元件输出的电量，变换成适用于传输或测量的标准电信号。实际上，有些传感器很简单，仅由一个敏感元件（兼作转换元件）组成，它感受被测量时直接输出电量，如热电偶。有些传感器由敏感原件和转换元件组成，没有转换电路。物联网技术及应用应用：传感器一般由敏感元件、转换元件和变换电路3部分组成。控制算法约束条件系统输入控制变量控制和调节命令被控对象执行器控制器人机界面(HMI)远程诊断与维护传感器

系统输出外界干扰信息获取的关键设备IED、RTU出口开关、继电器等PLC、IPC、单片机、触摸屏被测量物联网技术及应用几种现代传感器微型传感器通过MEMS加工技术产生的新一代传感器件，具有集成化、信噪比高、灵敏度高、微型化、低成本等特点，可以极大地提高传感器性能。面积大多在1mm2以下，体积只有传统传感器的几十分之一乃至几百分之一，质量从千克级下降到几十克乃至几克。在许多领域得到了越来越广泛的应用。目前常用的有力和压力微传感器、速度与加速度微传感器、热微传感器、磁微传感器、化学微传感器、生物微传感器、光电微传感器、以及声表面波微传感器等。智能传感器是传感器集成化与微处理机相结合的产物，具有信息采集、处理和交换能力。将传感器敏感元件、信号调理电路、微处理器及数字信号接口电路集成在一块芯片上构成。敏感元件信号调理电路被测量MPUA/D转换智能算法数据信号接口物联网技术及应用数字传感器是基于模拟传感器基础上，集成了A/D转换器、CPU处理等相关功能模块，输出为数字量(或数字编码)的传感器。主要由模拟传感器、放大器、A/D、CPU、存储器、通信接口电路等组成。模拟传感器被测量放大器A/D转换标准通信接口再现信号脉冲数出数字滤波及线性化处理CPU控制入口一体化传感器将若干种敏感元件组装在同一种材料或单独一块芯片上的一体化传感器。突出特点：能同时实现多种物理量的检测功能网络化传感器是利用TCP/IP协议，使现场测控数据就近接入网络，并与网络上有通信能力的节点直接进行通信，实现数据的实时发布与共享。物联网技术及应用智能检测系统组成：

传感器、调理电路、信号转换电路（A/D、D/A及其它转换元件）、微处理器（单片机、微控制器、DSP）、信号的传输及接口电路（RS232、RS485、现场总线或Ethernet/Internet等）类型：以单片机为核心的智能检测仪器、以PC机为核心的自动测试系统和专家系统结构形式：集中式和分布式两种传感器被测量信号调理电路数据处理仪器数据显示装置电源物联网技术及应用微处理器键盘、显示、打印等A-D转换信号预处理传感器1传感器2传感器n…数字接口数 数字 字传 传感 感器 器1 2数字传感器m…多路转换开关图2-7

集中式智能检测系统主计算机IPC人机口其它I/O口上一级SCADA分机1单片机系统A-D转换信号预处理传 传 传感感

感器器…

器

1

2 n分机2单片机系统A-D转换信号预处理传 传 传感感

感器器…

器

1

2 n分机n单片机系统A-D转换信号预处理传 传 传感感

感器器…

器

1

2 n通信接口RS-232/RS-485/RS-422/UBSBUS…图2-8

典型的分布式智能检测系统物联网技术及应用应用系统软件(Application

Software)应用程序接口API中间件(Middleware)自动识别系统(AIDS)基本类型及发展：磁卡识别技术→

IC卡技术→光学字符识别技术→生物识别技术语音、指纹、人脸、视觉等识别技术打印机、复印机扫描仪、数码相机各种智能卡：金融、交通、通讯、医疗、身份证明等众多领域2.2 自动识别技术概述定义：自动识别技术就是应用一定的识别装置，通过识别装置与物品的接近，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。简单模型：物联网技术及应用磁卡识别技术磁卡识别技术是最早使用的卡类信息识别技术，是以具有信息存储功能的特殊材料，如液体磁性材料或磁条为信息载体，将磁性材料涂印在基片上（如存折），或将宽约614mm的磁条压贴在基片上（如常见的银联卡）通过高温热压缩形成的一种卡片状的磁性记录介质，与各种读卡器配合使用。根据使用基片材料的不同，磁卡可分为PET卡、PVC卡和纸卡三种；视磁层构造的不同，又可分为磁条卡和全涂磁卡两种。优点：可方便地写入、储存、改写信息内容，具有可靠性强、记录数据密度大、误读率低，信息输入、读出速度快，信息读写相对简单容易，使用方便，成本低等，从而较早地获得了发展。缺点：信息存储量小、保密性差，需要计算机网络或中央数据库的支持等。物联网技术及应用IC卡识别技术将集成电路芯片镶嵌于塑料基片的指定位置上，利用集成电路的可存储特性，保存、读取和修改芯片上的信息。类型：卡内嵌装的芯片不同分为：存储器卡、逻辑加密卡和CPU卡3种。存储器卡：适合于仅以IC

卡作为数据的转存介质或有软件加密而不担心被篡改的系统，价格较低；逻辑加密卡：通过设置卡上的密码区域来控制卡的读写，价格适中，目前应用数量最大；CPU卡：又名“智能卡”，集成电路中带有微处理器，自身就可以进行数据计算和信息处理，同时能够利用随机数和密钥进行卡与设备的相互验证，安全性高。按照数据传送形式不同，分为IC卡有接触式和非接触式两种。接触式IC卡的芯片金属触点暴露在外，可以直观看见，数据存储在卡体内嵌的集成电路中，通过芯片上的8个触点可与读写设备接触、交换信息。目前使用的IC卡多属这种。非接触式IC卡，又称“无触点IC卡”或“射频卡（FR卡）”，由IC芯片、感应天线组成，封装在一个标准的PVC卡片内，芯片及天线无任何外露部分。物联网技术及应用光学字符识别技术光学字符识别(OCR)：是指通过电子设备，如扫描仪或数码相机等，对文本资料进行扫描，然后对图像文件进行分析处理，获取文字及版面信息的过程。具体含义：利用扫描仪或数码相机检查纸上打印的字符，通过检测光线暗、亮的模式确定其形状，然后用字符识别的方法将形状翻译成计算机文字。识别过程：图像输入、预处理、版面分析、字符切割、字符识别、后处理，最后经人工文稿校正，输出结果。对比识别特征提取图像及文本输入预处理获取识别特征数据库版面分析字符切割后处理人工校对识别结束识别确认或纠错去噪、倾斜校正、二值化等物联网技术及应用生物技术生物识别技术：是指依靠人的身体特征来进行身份验证的对人的自动识别方法。身体特征：包括指纹、声音、面部、骨架、视网膜、虹膜和DNA等人体的生物特征，以及签名的动作、行走的步态、击打键盘的力度等个人的行为特征。常用的有：语音识别、指纹识别、人脸识别、视觉识别等技术。人脸识别语音识别DNA识别难易程度图2-14

几种常见生物识别技术物联网技术及应用条码识别技术条码技术：将多个黑色条和空白条，按照一定的编码规则排列，用以表达一组信息的图形标识符。条形码的编码遵循唯一性原则条码的类型及特点一维条码只是在一个方向（一般是水平方向）表达信息二维条码是一种在水平和垂直方向的二维平面均能存储信息的条码技术三维条码是近几年在二维条码的基础上研发的新型条码技术不同灰度或者不同色彩的平面三维条形码物联网技术及应用射频识别技术射频识别（RFID）技术，俗称电子标签RFID是一种非接触、双向通信、简单方便的自动识别技术系统的组成：电子标签（Tag）、阅读器（Reader）、射频天线(Antenna)以及后台处理计算机（Processor）4部分组成工作原理：利用无线射频信号通过空间耦合(交变磁场或电磁场)实现无接触信息采集和传递，并通过所传递的信息达到识别特定目标并读写相关数据的目的RFID2阅读器天线(Antenna)3电磁波1●●电子标签（Tag

）●●

1电子标签（Tag）（Reader）RS-485

或RS2321●●电子标签（Tag

）4后台处理器（Processor）物联网技术及应用分类方式种类说

明供电方式无源卡卡内无电池，利用波束供电技术将接收到的射频能量转化为直流电源为卡内电路供电，作用距离短，寿命长，对工作环境要求不高有源卡卡内有电源，作用距离较远，寿命有限、体积较大、成本高，且不适合在恶劣环境下工作载波频率与作用距离低频卡（LF）主要有125kHz和134kHz两种，常用于短距离、低成本应用中，如门禁、货物跟踪等。高频卡（HF）频率为13.56MHz，用于门禁控制和需传送大量数据的应用系统。超高频卡（UHF）频率为433

MHz、915

MHz、2.45

GHz、5.8

GHz等，应用于需要较长读写距离和高读写速度的场合，如火车监控、高速公路收费、以及供应链管理。调制方式主动式用自身的射频能量主动地发送数据给阅读器。被动式使用调制散射方式发射数据，它必须利用阅读器的载波调制自己的信号。耦合情况与作用距离密耦合卡作用距离小于1cm近耦合卡作用距离小于15cm疏耦合卡作用距离约1m远距离卡作用距离从1~10m，甚至更远芯片只读卡只读，唯一且无法修改的标识、价格低读写卡可擦写，可反复使用，价格较高CPU卡芯片内部包含CPU、存贮单元、I/O接口单元。存储容量大，可重复使用，价格高。表2-4

电子标签的分类物联网技术及应用通信接口收发模块发射机Transmitter接收机Receiver其它I/O接口控制模块编/译码器MEMALU串行接口网络接口数据交换管理系统天线接口电路图2-36

阅读器组成示意图表2-5

REID技术与传统条码识别技术比较

条码RFID扫描方式1次扫描1个条码可同时辨别和识读数个RFID标签数据量标签存贮信息有限标签体积小型化，形状多样化、数据记忆量大使用条码印刷后无法更改可重复读、写、修改数据抗污染能力和耐久性受污染及潮湿影响严重对水、油化学药品抵抗力强，数据存贮在芯片中，几乎不受影响读取距离近距离且无物体阻挡能够进行穿透性阅读和识别识别速度低快成本低高物联网技术及应用RFID中间件：连接RFID阅读器和用户应用程序的一组通用的应用程序接口（API）。RFIDReader

1RFIDReader

2RFIDReader

n…读写适配器事件管理器应用程序接口客户1客户2客户n…网络接口网络接口RFID阅读器RFID中间件企业应用图2-38

RFID中间件结构示意图读写适配器：是提供一种通用标准的阅读器应用接口，来消除不同阅读器与API之间的差别。事件管理器：是进行数据预处理，按照规则取得制定的数据。应用程序接口：是提供一个基于标准的服务接口，为RFID数据的收集提供应用程序层语义，以满足大量应用的需要。物联网技术及应用低 频高 频超高

频微 波工作频率125～134

kHz13.56

MHz868～915

MHz2.45～5.8

GHz读取距离（美国）（美国）速度慢中等快很快潮湿环境无影响无影响影响较大影响较大方向性无无部分有全球适用频率是是部分部分现有ISO标准11784/85，1422314443，18000-3，1569318000-618000-4/555表2-6

RFID系统主要频段标准与特性RFID技术标准3个主要的技术标准体系：国际ISO/IEC、美国EPC

global和日本Ubiquitous

ID。物联网技术及应用ISO/IEC

国际标准体系标签驱动应用层命令与响应空中接口协议阅读器应用程序应用层数据编码数据协议与处理数据压缩与转换逻辑内存器

ISO/IEC15961

ISO/IEC15962

ISO/IEC24753

ISO/IEC1800-n(n=1-7)空中硬件/软件标签编码ISO/IEC15963接口图2-39

ISO/IECRFID标准体系框图EPC

global美国标准体系安全认证标准CP 谱系标准PS（Certificate

Profile） （PedigreeStandard）发现服务DS（Discovery

Services）对象名解析服务ONS(ObjectName

Services)EPC信息服务EPCIS 核心业务词汇CBV（EPC

Information

Services） （CoreBusinessVocabulary）数据交换层中间件ALE（Applicationlevel

Events）组网和初始化 阅读器管理标准RM（Discovery,Configuration

&

Initialisation） （Reader

Management）底层阅读器协议标准LLRP 阅读器协议标准RP（LowLevel

Reader

Protocol） （Reader

Protocol）数据获取层RFID标签协议UHF

Gen2 RFID标签协议HF

Gen2（TagProtocolUHFClass

1

Gen2） （TagProtocolHFClass1

Gen2）RFID标签数据标准TDS RFID标签数据转换标准TDT（Tag

Data

Standard） （TagData

Translation）数据识别层图2-40

EPCglobal

RFID标准框架物联网技术及应用RFID的典型应用应用领域具体应用物流业RFID技术为物流过程中的货物清点、查询、发货、追踪、仓贮配送、港口、邮政、快递等跟踪、管理及监控提供了快捷、准确、自动化的手段。以RFID技术为核心的集装箱自动识别，成为全球范围最大的货物跟踪管理应用领域。随着RFID技术在开放的物流环节统一表针的研发，物流业将成为RFID技术重要的收益行业。交通系统RFID技术可用于智能交通管理，出租车管理，公交枢纽管理，铁路机车识别等。铁路车号自动识别是RFID技术最普遍的应用，高速公路自动收费系统是RFID技术最成功的应用之一，它充分体现了非接触识别的优势，解决了交通瓶颈问题，提高了车行速度和收费结算效率，避免拥堵。零售业RFID技术可用于商品的销售数据实时统计、补货、防盗、结算等。电子钱包、电子票据、电子证件等射频识别卡是RFID技术的一个重要应用，可用来制作电子钱包实现非现金结算。也可用来制作各种电子票据和用于身份识别的电子护照、身份证、学生证等各种电子证件。使用方便快捷加工制造业实现实时监控、质量追踪、品牌管理、自动化生产。提高生产效率，节约成本。动物跟踪管理采用RFID技术建立饲养、预防、接种档案等，实现动物训养、牲口畜牧、宠物识别等自动化跟踪与管理，同时为食品安全提供了保障。还可用于信鸽比赛、赛马识别，以准确测定到达时间。医疗RFID技术可用于病人健康实时监测、远程诊断、身份识别和管理，婴儿防盗等。防伪RFID标签可用于贵重物品的防伪，票证的防伪等。食品RFID技术可用于水果、蔬菜、生鲜、食品等跟踪与保鲜管理。图书RFID技术可用于书店、图书馆、出版社等图书的跟踪、分类与管理。物联网技术及应用无线定位技术无线定位技术：是指用来判定移动用户位置的测量和计算方法，即通过对接收到的无线电波的一些参数进行测量，再利用定位算法计算出被测目标的具体位置。室外GPS定位技术GPS系统组成：由以下3个独立的部分组成。宇宙空间部分：由24颗人造卫星构成，其中21颗工作卫星，3颗备用卫星。24颗卫星均匀分布在6个轨道面上，每个平面4颗卫星，使得地球表面任何地方在任一时刻都有至少6颗卫星在视线之内，从而达到准确定位和跟踪。地面监控系统：由1个主控制站（位于美国科罗拉多州）、6个监测站、4个地面天线组成。负责收集由卫星传回的信息，并计算卫星星历、相对距离、大气校正等数据。用户设备部分：即GPS信号接收机。包括硬件和软件以及GPS数据的后处理软件包，其硬件一般由主机、天线和电源组成。主要功能是接收GPS卫星发射的信号，以获得必要的导航和定位信息，经数据处理，完成导航和定位工作。物联网技术及应用GPS导航系统基本原理当用户接收机捕获到跟踪的卫星信号后，就可测量出接收天线至卫星的“伪距离”和距离的变化率，然后综合多颗卫星的数据解调出卫星轨道参数等数据；根据这些数据，接收机中的微处理计算机就可按定位解算方法进行定位计算，计算出用户所在地的位置信息，包括经纬度、高度、速度、时间等，并根据周围环境和路线标志给予语音和图形提示。GPS定位原理基于到达时间原理和空间距离后方交会的方法确定目标位置。由图中四个方程即可解算出待测点的坐标(x0,y0,z0)2221 01 01 01 02222 0 2 0 2 0 2 032224 0 4 04 04 0)

(y

y)

(z

z)

c(VtVt

)d1

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y)

(z

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c(VtVt

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(x

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(z

z)2

c(VtVt

)3 0 3 0 3 0 3 0d4

(x

x)

(y

y)

(z

z)

c(VtVt

)待测点xyz(x0,y0,

z0).物联网技术及应用室内定位技术红外线/超声波测距定位技术ZigBee/UWB定位技术RFID定位技术Wi-Fi/蓝牙定位技术基于计算机视觉定位光跟踪定位基于图像分析的定位技术信标定位三角定位技术定位主机红外发射定位

从机1超声发射1定位从机2超声发射2定位

从机3超声发射3发射红外编码指令固定点1固定点2固定点3待测点d1d2d3图2-46

IR-UW结合定位原理物联网技术及应用本章结束！本章小结本章主要学习物联网的底层技术，即感知与识别技术，是本课程的重点内容之一。内容包括：传感器的组成、工作原理、作用，及微型传感器、智能传感器、数字传感器、一体化传感器、网络传感器等现代传感器的特点；自动检测系统的组成及各部分的功能；自动识别技术的基本原理及常见的几种识别技术的特点及应用；；RFID的组成及功能，RFID系统的工作原理、特点、标准体系及应用；GPS导航及常用几种定位技术的原理及特点。物联网技术及应用第3章 无线传感网技术主要内容WSN概述WSN的基本结构WSN的协议体系结构WSN的关键技术物联网技术及应用3.1 WSN概述3.1.1

无线传感器网络WSN概念：无线传感器网络（WSN），简称无线传感网，是一种通过大量低成本、资源受限的传感节点协同工作，实现某一特定任务的多跳自组织网络。作用：主要用于周边环境温度、灯光、湿度等参数感知与监控，大气污染程度的监测，建筑结构的完整性检测，家庭环境情况监控，机场、商场、体育馆等公共场所化学、生物威胁的检测与预报等方面。WSN特点计算和存储能力有限较强的自组织性和动态性网络规模大和节点密度高具有较强的可靠性和鲁棒性贴近应用以数据为中心物联网技术及应用WSN应用前景目前WSN应用主要集中在以下领域：环境的监测和保护医疗卫生护理军事领域家庭自动化其它用途，如矿井、核电厂等危险的工业环境物联网技术及应用互联网/卫星通信/移动通信网sink/网关/基站监控区域数据链路监控中心(软件)Ethernet传感器节点管理节点汇集节点图3-1

无线传感器网络的组成WSN的基本结构基本组成三部分：传感器节点（

Sensor

）、汇集节点（Sink）（网关/基站）和管理节点（监控中心）传感器节点：随机分布自组织构成网络，感知环境信息，多跳路由到汇集节点。网关：是网络协调员，负责监控中心认证和消息缓冲，并连接有线以太网络；同时将接收到的数据进行融合、压缩及异构互联；最后通过Internet、卫星通信、移动通信等方式传送到监控中心。监控中心：对数据进一步加工、分析、处理和显示；同时，用户也可以通过监控中心发布控制命令，通知传感器节点收集指定区域的监测信息。数据链路：由监测区域中的部分节点组成，直接将数据传送至Sink，最终传送到监控中心。物联网技术及应用传感器节点组成：是一种微型嵌入式设备，主要由传感器模块、处理器模块、无线通信模块、电源模块和其它外围电路组成。电源模块微处理器存储器处理器模块传感器模块传感器A/D转换器无线发送器无线接收器无线通信模块传感器模块：各种传感器和A/D转换器，用于监控区域内众多环境数据的采集和转换；处理器模块：是节点的核心，用于完成数据处理、数据存储、执行通信协议和节点调度管理等工作。无线通信模块：负责和其它节点进行数据交换，包括数据的无线发送、接收和传输等通信任务。电源模块：是所有电子系统的基础，电源模块的设计直接关系到节点的寿命，一般采用微型电池。物联网技术及应用3.2.1 节点部署

节点部署：就是在指定的监测区域内，通过适当的方法布置传感器节点，以满足某种特定需求。一般通过一定的算法来实现，以期WSN在未来应用中获得最大的利用率或单个任务的最少能耗。应考虑的问题：如何实现对监测区域的全覆盖并保证整个网络的连通性如何减小系统消耗，最大化延长网络寿命当网络中有部分节点失效时，如何对网络进行重新部署节点部署算法三类：移动节点部署算法、静止节点部署算法和异构/混合节点部署算法。移动节点部署算法增量式节点部署算法基于虚拟力的算法基于网格划分的算法基于概率检测模块的算法静止节点部署算法确定性部署算法自组织部署算法异构/混合节点部署算法传感网技术主要以同构节点(同一类型)的传感网作为研究对象；在实际应用中，可能会引入一些不同类型，但性能更优的异构节点，提高传感网的数据传输功率，而且能有效地延长网络寿命。物联网技术及应用节点部署评价指标信息采集的完整性和精确性信息可传输性系统能耗(网络寿命)节点部署算法的评价指标覆盖性：

主要包括覆盖程度、覆盖时间和覆盖盲区。连通性：主要包括整个网络连通和路由连通。能耗性：主要包括网络覆盖所需的能耗和网络连通所需的能耗。物联网技术及应用3.3 WSN的协议体系结构3个模块组成：由网络通信协议模块、传感网管理模块、应用支撑技术模块。网络通信协议模块传感网管理模块应用支撑技术模块分布式网络服务接口 分布式网络管理接口应用层时间同步 节点定位能量管理网络/安全管理移动控制/远程管理传输层传输控制拓扑管理网络层路由协议/QoS服务数据链路层媒体访问 拓扑结构支持物理层射频 红外 光波图3-3

WSN协议体系结构物联网技术及应用3.3.1

网络通信协议模块5层结构：物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层。物理层：解决简单而又健壮的调制、发送、接收等技术问题，包括信道的区分和选择，无线信号的监测、调制与解调，信号的发送与接收。数据链路层：负责数据成帧、帧检测、媒体访问和差错控制，主要任务是加强物理层传输原始比特的功能，使之对网络显现为一条无差错链路。网络层：主要负责路由的生成与选择，包括网络互联、拥塞控制等。网络层路由协议有多种算法，如泛洪路由算法、能量路由算法、平面路由协议、层次路由协议、基于地理位置路由协议和可靠路由协议等。平面路由协议包括以下6种：SPIN：是一组基于协商并且具有能量自适应功能的信息传播协议；DD：是一种以数据为中心的信息传播协议，与已有的路由算法有着截然不同的实现机制；Rumor

Routing：是一种基于数据查询的WSN路由机制；HREEMR算法：利用多路径技术实现了能源有效的故障恢复，解决了能源浪费问题；SMENCE：是基于节点定位的路由协议，是对Ad

hoc网络设计的MECN协议的改进；SAR协议：是第一个具有QoS意识的路由协议。物联网技术及应用层次路由协议：有7种SAR协议：是第一个具有QoS意识的路由协议；LEACH：是一种基于多簇结构的路由协议；TEEN：是具有实时性的路由协议；PEGASIS：是在LEACH基础上改进设计的；EARSN：是基于三层体系结构的路由协议；APTEEN：是对TEEN

的改良协议，是一种结合响应型和主动型WSN的混合型网络路由协议；VGA：是LEACH算法的一个改进；SOP：协议主要适用于具有异构节点的传感器网络。基于地理位置路由协议：

有3种GEAR算法：是对DD算法的改进；MECN协议：引入符合标准的中继节点，以克服两个节点直接通信的代价的缺点；GEDIR算法：是在Sensor节点转发分组的时候，根据地理信息选择与Sink节点最近的邻居节点作为下一跳的目标。物联网技术及应用传输层：负责数据流的传输控制，帮助维护传感网应用所需要的数据流，提供可靠的、开销合理的数据传输服务。应用层：主要负责时间同步、节点定位、动态管理、信息处理等，因此需要开发和使用不同的应用层软件。网络管理技术主要任务：能量管理、拓扑管理及QoS服务支持、移动控制及远程管理、网络及安全管理等。能量管理：需要考虑的功耗问题有微控制器的操作模式；操作模式的转换；整体系统工作的功耗映射关系及低功耗网络协议设计；无线调制解调器的接收灵敏度和最大输出功率；附加品质因素，如发射前端的温漂和频率稳定度、接收信号强度指示RSSI（Received

SignalStrength

Indication）信号的标准。物联网技术及应用拓扑管理及QoS服务支持拓扑管理：制定节点休眠策略，保持网络畅通，以节约能量，提高系统扩展性，保证数据传输的可靠性QoS服务支持：是网络与用户之间以及网络上相互通信的用户之间，关于数据传输与共享的质量约定。为满足用户需求，WSN必须能够为用户提供足够的资源，并且以用户可以接受的性能指标进行工作移动控制及远程管理、网络及安全管理等。移动控制：管理用于监测和记录Sensor节点的移动状况，维护Sink节点的路由，并使Sensor节点能够跟踪它的邻居远程管理：可以进行系统缺陷修正、系统升级、关闭子系统、监测环境的变化等，使WSN工作更有效网络及安全管理网络管理：对网络设备及传输系统进行有效监视、控制、诊断和测试而采用的技术和方法。传感器多用于军事、商业领域，安全性是其重要的内容。传感网安全性研究主要集中在密钥管理、安全组播、身份认证和数据加密、高效加密算法、安全MAC协议、安全路由协议和稳私管理等方面。物联网技术及应用图3-4

WSN中信标节点M和未知节点SWSN的关键技术定位技术定义：利用传感器网络中少量预先设置的已知位置的节点（信标节点，）来获得其它大量未知位置节点（未知节点）的位置信息。特点：信标节点根据自身位置建立本地坐标系，未知节点根据信标节点计算出自己在本地坐标系里的相对位置——即自定位。常用的自定位算法：基于距离和与距离无关的定位算法：基于距离的定位算法有：到达时间差法（DTOA）、接收信号强度法（RSSI）

、到达角度法（AOA）。与距离无关的定位算法：根据网络的连通性，利用节点间的估计距离来计算节点位置坐标。主要算法有：质心法、基于距离矢量计算跳数算法（DV-Hop）、无定形（Amorphous）算法和以三角形内的点近似定位（APIT）算法等。物联网技术及应用紧密耦合与松散耦合定位算法紧密耦合定位系统是指信标节点不仅准确地部署在固定的位置，并且通过有线介质连接到中心控制器；松散型定位系统的节点采用无中心控制器的分布式无线协调方式。递增式和并发式定位算法递增式算法是指节点定位过程中以信标节点作为初始点，然后逐渐向外辐射定位其它未知节点，但是这种定位方法会造成误差积累，定位精度下降；并发式定位方法是所有节点同时进行定位计算，没有时间和空间顺序。绝对定位与相对定位绝对定位表示定位结果是在地球坐标系下的位置；相对定位是以网络节点中的某一节点位置作为参考原点，然后对应建立一个相对坐标系统。物理定位和符号定位物理定位是以地理位置信息（如经纬度）作为定位结果；符号定位是以某一建筑物作为标记来定位的。物联网技术及应用基于距离自定位3种常用算法三边测量定位方法理论依据：在二维空间中，当获得了一个未知节点到三个或者三个以上信标节点的距离时，就可以由此确定该未知节点的坐标。Ρ1Ρ2．Ρ3321(x

x)2(y

y)23 3

(x

x)2(y

y

)22 2

(x

x)2(y

y

)21 1

22

332 223

22121 3 321 313

231 3

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y

y2

x

2

y2

y3

x

x

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y

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x

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y3)2(x

x

)

y

2

x物联网技术及应用三角测量定位方法原理：根据未知节点到三个信标节点的角度来计算未知节点的位置坐标。方法：．．AB．CO1．DO2O3r2r1r32 2221 3 1311o1

1

o1

1

1o1

2

o1

2

1

(x

x)2

(

y

y)2

r

y)2

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(x

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(

y(x

x

)

(

y

y

)

2r

2r

cos先计算每个圆的圆心和半径，公式如下：再根据三边测量法计算未知节点的坐标。物联网技术及应用DΡ2Ρ1Ρ3Ρn极大似然估计法原理：根据未知节点到信标节点的距离计算未知节点的位置坐标。221 22111n n

n(x

x)2

(

y(x

x)2

(

y(x

x)2

(

y

y)2

y)2

y)2

2此式可表示为线性方程式：AX=b，其中221n1

n1

n

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n

n

x2

y

2xx

2x

2b

y2

2

2

x2

y2

y2

2

2n 1 n n 1

x2+

y2

y2

2

2n 2 n n 2

n1 n n

1 n

2 n 2 n2(

y

y

)2(

x

x

)

2(x

x

) 2(

y

y)

2(x1

xn

) 2(y1

yn)

A

使用标准的最小均方差估计方法，可以得到节点D的位置坐标为X

(ATA)1AT

b物联网技术及应用3.4.2

时间同步技术时间同步：使传感器网络各节点的时钟保持同步。时间同步的不确定性因素： 6个方面发送时间访问时间传送时间接收时间接受时间传播时间发送时间：指发送节点构造一条消息和发布发送请求到MAC层所需时间。访问时间：指消息等待传输信道空闲所需的时间。传输时间：指发送节点在无线链路的物理层按位(bit)发射消息所需时间。传播时间：指消息在发送节点到接受节点的传输介质中传播所需要的时间。接收时间：指接收节点按位（bit）接收信息并传递给MAC层的时间。接受时间：指接收节点重新组装信息并传递至上层应用所需的时间。节点之间的时钟模型：节点时钟通常用晶体振荡器脉冲来度量，任意一节点在物理时刻的本地时钟读数可表示为0titf0c(t)

1fi(

)d

ci(t0)物联网技术及应用在传感器网络中主要有以下3个原因导致传感器节点间时间的差异：节点开始计时的初始时间不同。每个节点的石英晶体可能以不同的频率跳动，引起时钟值的逐渐偏离，称为偏