湖南大学物联网概论复习大纲

湖南大学物联网概论复习大纲第一页，共60页。1.物联网概述2.自动识别技术与RFID3.传感器技术4.定位系统5.智能信息设备6.互联网7.无线宽带网络8.无线低速网络9.移动通信网络第二页，共60页。第一章物联网概述物联网的起源与发展历程物联网与因特网的关系物联网的体系结构以及各层功能第三页，共60页。1.1历史进程2009

“感知中国”2008IBM“智慧地球”2005

国际电信联盟《ITU互联网报告2005：物联网》，指出无所不在的“物联网”通信时代即将来临

1995BillGates《未来之路》物物互联物联网的基本思想出现于20世纪90年代第四页，共60页。物联网时代概念的提出从1997年～2005年，ITU从研究互联网/移动互联网对电信业发展影响的角度，发布了七份“ITUInternetReports”研究报告“物联网”概念产生于20世纪90年代，而真正引起各国政府与产业界的重视是在2005年国际电信联盟（ITU）发布的互联网研究报告《物联网（InternetofThings，IOT）》之后第五页，共60页。

第六页，共60页。物联网的四层模型第七页，共60页。感知识别层位于物联网模型的最底端，是所有上层结构的基础。让物品“开口说话、发布信息”是融合物理世界和信息世界的重要一环，是物联网区别于其他网络的最独特的部分。第八页，共60页。网络构建层把感知识别层数据接入互联网，供上层服务使用。网络构建层在物联网模型中连接感知识别层和管理服务层，具有强大的纽带作用，高效、稳定、及时、安全地传输上下层的数据。第九页，共60页。核心技术-网络构建层互联网：IPv6扫清了可接入网络的终端设备在数量上的限制。互联网/电信网是物联网的核心网络、平台和技术支持。无线宽带网：WiFi/WiMAX等无线宽带技术覆盖范围较广，传输速度较快，为物联网提供高速可靠廉价且不受接入设备位置限制的互联手段。无线低速网：ZigBee/蓝牙/红外等低速网络协议能够适应物联网中能力较低的节点的低速率、低通信半径、低计算能力和低能量来源等特征。移动通信网：移动通信网络将成为“全面、随时、随地”传输信息的有效平台。高速、实时、高覆盖率、多元化处理多媒体数据，为“物品触网”创造条件。第十页，共60页。管理服务层管理服务层位于感知识别和网络构建层之上，综合应用层之下，是物联网智慧的源泉。人们通常把物联网应用冠以“智能”的名称，如智能电网、智能交通、智能物流等，其中的智慧就来自这一层。当感知识别层生成的大量信息经过网络层传输汇聚到管理服务层，如果不能有效地整合与利用，那无异于入宝山而空返，望“数据的海洋”而兴叹。管理服务层解决数据如何存储（数据库与海量存储技术）、如何检索（搜索引擎）、如何使用（数据挖掘与机器学习）、如何不被滥用（数据安全与隐私保护）等问题。第十一页，共60页。综合应用层“实践出真知”，无论任何技术，应用是决定成败的关键。物联网丰富的内涵催生出更加丰富的外延应用。传统互联网经历了以数据为中心到以人为中心的转化，典型应用包括文件传输、电子邮件、万维网、电子商务、视频点播、在线游戏和社交网络等；而物联网应用以“物”或者物理世界为中心，涵盖物品追踪、环境感知、智能物流、智能交通、智能电网等等。物联网应用目前正处于快速增长期，具有多样化、规模化、行业化等特点。第十二页，共60页。第二章自动识别技术与RFIDRFID系统组成标签的分类以及分类标准不同类型标签的工作模式以及工作原理第十三页，共60页。自动识别技术的发展背景数据采集与自动识别技术分类数据采集方法：自动识别：光符号识别技术语言识别技术生物计量识别技术。。。。。。第十四页，共60页。虹膜识别：合适的生物特征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。自动识别技术举例光符号识别语音识别虹膜识别指纹识别IC卡条形码第十五页，共60页。指纹识别技术从实用角度看，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。自动识别技术举例光符号识别语音识别虹膜识别指纹识别IC卡条形码第十六页，共60页。RFID的历史与现状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。RFID较其它技术明显的优点是电子标签和阅读器无需接触便可完成识别。射频识别技术改变了条形码依靠"有形"的一维或二维几何图案来提供信息的方式，通过芯片来提供存储在其中的数量巨大的"无形"信息。第十七页，共60页。RFID技术分析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，这三大组件一般都可由不同的生厂商生产。第十八页，共60页。RFID被动标签结构第十九页，共60页。理解RFID基本工作原理的电磁学基础法拉第电磁感应定律实验第二十页，共60页。被动式标签（PassiveTag）：因内部没有电源设备又被称为无源标签。被动式标签内部的集成电路通过接收由阅读器发出的电磁波进行驱动，向阅读器发送数据。主动标签（ActiveTag）:因标签内部携带电源又被称为有源标签。电源设备和与其相关的电路决定了主动式标签要比被动式标签体积大、价格昂贵。但主动标签通信距离更远，可达上百米远。半主动标签（Semi-activeTag）:这种标签兼有被动标签和主动标签的所有优点，内部携带电池，能够为标签内部计算提供电源。这种标签可以携带传感器，可用于检测环境参数，如温度、湿度、是否移动等。然而和主动式标签不同是它们的通信并不需要电池提供能量，而是像被动式标签一样通过阅读器发射的电磁波获取通信能量。标签分类第二十一页，共60页。2.4.3RFID

标签的分类第二十二页，共60页。2.按标签工作模式进行分类主动式RFID标签

—依靠自身能量主动向RFID读写器发送数据被动式RFID标签

—从RFID读写器发送的电磁波中获取能量，激活后才能够向RFID读写器发送数据半主动式RFID标签—

—自身的能量只提供给RFID标签中的电路使用，并不主动向RFID读写器发送数据；当它接收到RFID读写器发送的电磁波激活之后，才向RFID读写器发送数据第二十三页，共60页。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。耐环境性：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。RFID标签与条形码相比的优点？第二十四页，共60页。第三章传感器技术传感器的组成设计传感器软硬件需考虑的方面传感器网络的特点第二十五页，共60页。无线传感节点无线传感节点的组成：电池、传感器、微处理器、无线通信芯片；相比于传统传感器，无线传感节点不仅包括传感器部件（右下图），还集成了微型处理器和无线通信芯片等，能够对感知信息进行分析处理和网络传输。第二十六页，共60页。大规模长时间部署传感器的设计需求低成本与微型化低成本的节点才能被大规模部署，微型化的节点才能使部署更加容易

节点的软件设计也需要满足微型化的需求。例如TelosB节点的内存大小只有4KB，程序存储的空间只有10KB。因此，节点程序的设计必须节约计算资源，避免超出节点的硬件能力第二十七页，共60页。大规模长时间部署传感器的设计需求低功耗在硬件设计上采用低功耗芯片例如TelosB节点使用的微处理器，在正常工作状态下功率为3mW，而一般的计算机的功率为200到300W软件节能策略来实现节能软件节能策略的核心就是尽量使节点在不需要工作的时候进入低功耗模式，仅在需要工作的时候进入正常状态第二十八页，共60页。大规模长时间部署传感器的设计需求灵活性与扩展性传感器节点被用于各种不同的应用中，因此节点硬件和软件的设计必须具有灵活性和扩展性

节点的硬件设计需满足一定的标准接口，例如节点和传感板的接口统一有利于给节点安装上不同功能的传感器软件的设计必须是可剪裁的，能够根据不同应用的需求，安装不同功能的软件模块

第二十九页，共60页。大规模长时间部署传感器的设计需求鲁棒性鲁棒性是实现传感器网络长时间部署的重要保障对于普通的计算机，一旦系统崩溃了，人们可以采用重启的方法恢复系统，而传感器节点则不行，就整个网络而言，可以适当增加冗余性，增加整体系统的鲁棒性

第三十页，共60页。TinyOSTinyOS由加州伯克莱分校开发,是目前无线传感网络研究领域使用最为广泛的OS()TinyOS开发语言：nesCnesC语言是专门为资源极其受限、硬件平台多样化的传感节点设计的开发语言使用nesC编写的应用程序是基于组件的组件之间的交互必须通过使用接口用nesC编写的应用程序一般有一个最顶层的配置文件第三十一页，共60页。TinyOS（续）TinyOS任务调度TinyOS核心使用了事件驱动的单线程任务调度机制，这和传统OS的多线程调度机制截然不同任何一个时刻，处理器只能执行一个任务。因此，如果当前正在执行一个任务，处理器必须等这个任务处理完毕，才能开始处理另一个任务在单个TinyOS任务中不能有IO等阻塞的调用

第三十二页，共60页。无线传感网的网络结构sink-汇聚点sensornode-传感器节点sensorfield-监测区域第三十三页，共60页。2.无线自组网的基本概念Adhoc网络

物理结构与

拓扑结构第三十四页，共60页。Adhoc网络的特点自组织与独立组网无中心多跳路由动态拓扑无线传输的局限与节点能量的限制性网络生存时间的限制第三十五页，共60页。第四章定位系统常见定位系统（4.2）工作原理第三十六页，共60页。现存主流定位系统卫星定位：GPS蜂窝基站定位无线室内环境定位新兴定位系统：A-GPS，网络定位第三十七页，共60页。第五章智能信息设备什么是智能信息设备第三十八页，共60页。新时代智能设备物联网实现了信息空间和物理空间的融合，营造了以人为本的信息服务新环境。这种计算中心由计算机向人的迁移，引发了智能设备的飞速发展，多种多样的智能设备应运而生。智能车载设备智能数字标牌智能医疗设备智能家电智能手机第三十九页，共60页。第六章互联网互联网的五层架构以及每一层的主要功能应用层程序架构模式域名解析传输层可靠传输不可靠传输第四十页，共60页。6.1

互联网概述：网络协议及其分层结构为何需要分层结构？网络规模网络功能互联网一般可划分为5层应用层传输层网络层链路层物理层第四十一页，共60页。应用程序构架客户端－服务器模式服务器直接向所有用户提供服务成本高，可扩展性差对等网络模式每一个网络终端既是资源的使用者也是资源的提供者扩展性强，资源利用率高管理困难，服务不稳定6.2应用层：应用程序构架应用层描述业务逻辑，包括应用流程、程序状态、数据内容和形式第四十二页，共60页。域名：Web服务器在网络上的唯一标识（标识作用）用来在网络中定位一台Web服务器的标识（定位作用）域名一般具有可以直接理解的语义信息，如cn：服务器位于中国edu：服务器用于教育机构tsinghua：该web服务器为清华大学所有域名与IP地址：IP是互联网内部使用的标识，有固定的长度，域名没有长度限制。域名到IP地址的转换：域名系统6.2

应用层：域名系统t第四十三页，共60页。分层组织的DNS（域名系统）服务结构根域名系统服务器13台根域名服务器:在根域名服务器中虽然没有每个域名的具体信息，但储存了负责每个域（如.com,.cn,.ren,.top等）的解析的域名服务器的地址信息一级域名服务器负责如.com、.edu、.net的一级域名负责代表国家地区的.cn、.jp的一级域名权威域名服务器服务每一个拥有Web的机构两种服务方式自维护权威域名服务器第三方权威域名服务器6.2

应用层：域名系统（续）域名服务器共同协作完成域名解析第四十四页，共60页。6.2

应用层：域名解析交互式域名解析：逐级询问当用户向本地DNS服务器请求解析时，若本地DNS服务器已持有所需域名对应IP，则将信息返回给用户，否则从根服务器开始一层一层向下询问，直到获取域名对应IP并返回给用户。第四十五页，共60页。6.2

应用层：域名解析（续）递归式域名解析：本地DNS服务器代理每当一个DNS服务器被查询一个域名的IP地址时，如果该服务器没有记录，则该服务器亲自代表询问者去获取该域名的IP地址，直到得到该信息。第四十六页，共60页。6.3

传输层：套接字套接字：应用程序与传输层之间进行通信的一道门，使得当一个网络终端运行多个网络应用程序是，不同应用程序的收发信息不会产生混乱。套接字需要IP地址和端口号区别同一终端上正在运行的不同应用程序。IP地址用于区别不同终端，端口号用于区别同一终端上的不同应用程序。第四十七页，共60页。如何在传输层上建立端到端的逻辑连接？传输层上端到端的连接是进程与进程之间的连接（不是终端之间的连接）所需信息发送端的IP地址：标识发起者主机终端发送端的端口号：标识发起者主机具体进程接收端的IP地址：标识接收者主机终端接收端的端口号：标识接收者主机具体进程传输层协议UDP协议：提供没有可靠性保证的数据传递TCP协议：提供有可到性保障的数据传递第四十八页，共60页。6.3

传输层：UDP协议UDP协议：用户数据包协议（UserDatagramProtocol），为传输层提供简单的不可靠的信息传输服务。协议特点数据通讯不需要建立连接→较小的启动延迟数据通讯不需要维护连接状态→少量的资源消耗轻量级的通讯开销→较短的数据包格式应用场合网络电话，网络视频等数据包延迟造成的危害通常大于数据包丢失的危害的应用第四十九页，共60页。6.3

传输层：TCP协议TCP协议：传输控制协议（TransmissionControlProtocol），为上层应用提供可靠的、基于字节流的传输服务。由于TCP协议所基于的网络层协议（IP协议）不提供可靠传输保障，传输的可靠性完全是由TCP所包含的各种机制实现的。可靠性传输实现机制数据分割数据编号接收反馈第五十页，共60页。可靠性传输机制数据分割数据编号接收反馈TCP协议：可靠传输的实现TCP协议的可靠性保障机制示意数据分割三次握手数据传输第五十一页，共60页。可靠性传输机制数据分割数据编号接收反馈TCP协议的建立：三次握手第一次握手：由请求者发起，客户端发起的第一次握手报文称为SYN报文，其中包含发起者第一个真正数据报文的起始编号。第二次握手：服务器收到SYN报文后发送给客户端的确认信息，称为SYNACK报文，完成第二次握手后，服务器分配网络资源和带宽。第三次握手：由客户端发送，包含客户端想从服务器获取的数据资源，服务器收请求后，TCP连接成功建立。第五十二页，共60页。可靠性传输机制数据分割数据编号接收反馈TCP协议的特点面向连接的传输：需通信双方维护连接的状态。可靠性传输：确保传输不出现丢失和乱序。流控制：匹配发送端和接收端的速率。拥塞控制：避免网络过于拥挤，考虑了不同通信方之间的公平性。第五十三页，共60页。第七章无线宽带网络无线局域网WiFi第五十四页，共60页。6.2

Wi-Fi：无线局域网Wi-Fi（WirelessFidelity）是由Wi-Fi联盟