1.本書從“全面感知、可靠傳送、智能處理”的物聯網特征出發，以物聯網的三個層次為主線，內容分為3大篇，在理論知識講解中貫穿了一些案例。附錄中給出了相關實驗。2.每章前給出了本章的學習目標、知識點、教學安排和教學建議。3.本書配套PPT、習題解答。

本書從"全面感知、可靠傳送、智能處理”的物聯網特征出發，以物聯網的三個層次為主線，較全面地介紹了物聯網所涵蓋的知識和技術。本書由13章構成，按物聯網的層次分為3篇。 第1篇為感知控制層，主要內容包括物聯網的基本概念和基本結構以及知識體繫、RFID與EPC編碼、傳感器技術和無線傳感器網絡方面的基本知識與技術。第2篇為傳輸網絡層，主要內容包括短距離通信技術、通信與網絡技術、移動通信技術。第3篇為綜合應用層，主要內容包括中間件技術、雲計算與大數據、物聯網定位技術、物聯網安全和一些綜合應用案例。在附錄1中提供了5個基本實驗，便於實踐性學習。另外，在每章前給出了本章的學習目標、知識點、教學安排和教學建議，以便於教學參考；在每章後給出了一些適當的習題，以便於練習與鞏固知識。本書配套PPT、習題解答。

曾憲武，青島科技大學副教授，碩士研究生導師。1987年7月畢業於北京郵電大學電信工程繫，1990―1993年於蘭州交通大學攻讀鐵道運輸自動化碩士學位，1996年―2002年任職於煙臺東方電子信息產業股份有限公司、從事電力自動化研發工作，2004―2008年於中國海洋大學攻讀海洋信息探測與處理方向博士學位。目前主要研究方向為：物聯網，海洋水聲通信及變結構控制。自2003年1月至今工作於青島科技大學信息科學技術學院。

第1篇 感知控制層
第1章 概述\t2
1．1 物聯網的概念與定義\t2
1．1．1 物聯網的起源\t2
1．1．2 物聯網的概念與定義\t4
1．1．3 物聯網的特征\t6
1．2 信息處理流程與物聯網框架結構\t7
1．2．1 信息采集處理流程\t7
1．2．2 物聯網基本結構\t8
1．2．3 物聯網層次框架\t9
1．3 物聯網關鍵技術及其應用進展\t10
1．3．1 物聯網關鍵技術\t10
1．3．2 物聯網應用\t12
1．3．3 物聯網的發展\t15
1．4 物聯網涉及的主要學科及其知識體繫\t17
1．4．1 物聯網涉及的主要學科\t17
1．4．2 物聯網專業知識體繫\t17
小結\t18
習題\t19
第2章 RFID與EPC編碼\t20
2．1 RFID的發展\t20
2．2 RFID的構成與特點\t22
2．2．1 電子標簽\t22
2．2．2 閱讀器\t25
2．3 EPC編碼\t26
2．3．1 電子產品編碼概述\t26
2．3．2 電子產品編碼技術\t28
2．3．3 條碼技術\t30
2．3．4 EPC編碼\t32
2．4 校園一卡通\t34
2．4．1 基本結構\t34
2．4．2 管理子繫統\t35
2．4．3 終端子繫統\t36
小結\t37
習題\t37
第3章 傳感器技術\t38
3．1 傳感器基礎\t39
3．1．1 傳感器基本概念\t39
3．1．2 傳感器應用與發展趨勢\t41
3．1．3 傳感器的特性與指標\t43
3．2 電阻式與變磁阻式傳感器\t44
3．2．1 電阻式傳感器\t45
3．2．2 變磁阻式傳感器\t46
3．3 電容式傳感器與磁電式傳感器\t47
3．3．1 電容式傳感器\t47
3．3．2 磁電式傳感器\t48
3．4 壓電式傳感器與熱電式傳感器\t48
3．4．1 壓電式傳感器\t48
3．4．2 熱電式傳感器\t49
3．5 光電式傳感器與光纖傳感器\t51
3．5．1 光電式傳感器\t51
3．5．2 光纖傳感器\t52
3．6 化學傳感器與生物傳感器\t53
3．6．1 化學傳感器\t53
3．6．2 生物傳感器\t55
3．7 MEMS傳感器與智能傳感器\t57
3．7．1 MEMS傳感器\t57
3．7．2 智能傳感器\t57
小結\t58
習題\t58
第4章 無線傳感器網絡\t59
4．1 概述\t59
4．1．1 無線傳感器網絡的概念與特點\t60
4．1．2 無線傳感器網絡的關鍵技術與應用難點\t63
4．2 IEEE 802．15．4標準及ZigBee協議規範\t65
4．2．1 IEEE 802．15．4標準\t65
4．2．2 ZigBee協議規範\t65
4．3 無線傳感器網絡的路由協議與拓撲控制\t68
4．3．1 WSN路由協議\t68
4．3．2 WSN的拓撲控制\t71
4．4 WSN節點的定位\t72
4．4．1 節點定位的概念及基本原理\t73
4．4．2 距離定位\t76
4．4．3 距離無關的定位算法\t78
4．5 無線傳感器網絡的時間同步\t80
4．5．1 概述\t80
4．5．2 網絡時間同步機制\t81
4．5．3 RBS同步機制\t83
小結\t85
習題\t85
第2篇 傳輸網絡層
第5章 短距離通信技術與信息融合\t88
5．1 短距離有線通信技術\t89
5．1．1 數據終端間的通信及接口特性\t89
5．1．2 USB串行總線\t91
5．1．3 CAN工業總線\t92
5．2 近距離無線通信技術\t92
5．2．1 藍牙技術\t93
5．2．2 紅外通信技術\t94
5．2．3 超寬帶無線通信技術\t95
5．3 信息融合\t97
5．3．1 信息融合基本概念與原理\t97
5．3．2 信息融合數據\t99
5．3．3 傳感器管理\t101
5．3．4 無線傳感器網絡的數據融合\t103
小結\t104
習題\t104
第6章 物聯網通信繫統與傳輸網\t105
6．1 物聯網通信繫統基本結構\t105
6．2 通信網與SDH\t107
6．2．1 通信網的基本概念\t107
6．2．2 通信網的基本拓撲結構與分層\t108
6．2．3 SDH傳輸網\t112
6．3 數據通信網與計算機通信網\t116
6．3．1 數據通信網與計算機通信網基本概念\t116
6．3．2 數據交換\t116
6．3．3 數據通信網\t122
小結\t126
習題\t127
第7章 互聯網與IP通信網\t128
7．1 互聯網與因特網的結構\t129
7．1．1 互聯網的結構\t129
7．1．2 因特網的結構\t129
7．2 TCP/IP協議簇及其分層\t130
7．2．1 TCP/IP協議簇分層\t130
7．2．2 應用層\t130
7．2．3 傳輸層\t131
7．2．4 網絡層\t132
7．2．5 數據鏈路層\t134
7．2．6 物理層\t135
7．3 IP通信及IP通信網\t135
7．3．1 寬帶IP城域網\t136
7．3．2 寬帶IP網的骨干傳輸技術\t138
7．4 IEEE 802．11無線局域網\t140
7．4．1 IEEE 802．11無線局域網基本概念與特點\t140
7．4．2 IEEE 802．11繫列協議\t142
7．4．3 IEEE 802．11數據鏈路層與CSMA/CA協議\t143
小結\t147
習題\t147
第8章 移動通信技術\t148
8．1 移動通信的概念和發展過程\t149
8．1．1 移動通信的概念及其特點\t149
8．1．2 移動通信的發展過程\t150
8．2 移動通信的組網技術\t151
8．3 第三代移動通信繫統\t153
8．3．1 第三代移動通信繫統的特點\t154
8．3．2 3G參數\t154
8．3．3 WCDMA\t155
8．3．4 CDMA2000\t158
8．3．5 TD-SCDMA\t163
8．3．6 WiMAX\t166
小結\t169
習題\t169
第3篇 綜合應用層
第9章 中間件技術\t172
9．1 物聯網與中間件\t172
9．1．1 中間件的基本概念\t172
9．1．2 中間件的體繫框架\t173
9．1．3 中間件分類\t174
9．2 感知控制層的中間件\t177
9．2．1 無線傳感器網絡中間件\t177
9．2．2 RFID中間件\t180
9．3 雲計算中間件、物聯網中間件及其面臨的挑戰\t184
9．3．1 雲計算中間件\t184
9．3．2 物聯網中間件及其面臨的挑戰\t186
小結\t187
習題\t188
第10章 雲計算與大數據\t189
10．1 雲計算基礎\t190
10．1．1 雲計算的起源與定義\t190
10．1．2 雲計算基本概念及模型\t192
10．1．3 虛擬化\t197
10．1．4 Web技術\t200
10．2 雲計算機制\t201
10．2．1 雲基礎設施機制\t201
10．2．2 特殊雲機制\t205
10．2．3 雲管理機制\t210
10．2．4 基本雲架構\t212
10．3 大數據技術\t214
10．3．1 大數據的發展及其相關概念\t214
10．3．2 典型的大數據處理繫統\t216
10．3．3 大數據處理的基本流程\t218
10．4 Hadoop：分布式大數據繫統\t218
小結\t221
習題\t222
第11章 物聯網定位技術\t223
11．1 概述\t223
11．2 GPS定位技術\t224
11．2．1 GPS的組成與應用\t224
11．2．2 軌道參數\t226
11．2．3 GPS定位、測速和授時原理\t227
11．2．4 GPS用戶接收機\t230
11．3 無線蜂窩定位\t231
11．3．1 蜂窩移動通信定位技術的體制\t231
11．3．2 主要蜂窩定位技術\t233
11．3．3 影響精度的因素\t235
11．4 WLAN室內定位技術\t237
11．4．1 概述\t237
11．4．2 無線局域網室內定位技術的分類\t238
11．4．3 基於WLAN和位置指紋的室內定位技術\t241
小結\t243
習題\t244
第12章 物聯網安全\t245
12．1 物聯網安全概述\t246
12．1．1 物聯網安全的要素\t246
12．1．2 物聯網安全的研究現狀\t247
12．1．3 物聯網安全架構\t248
12．2 感知控制層安全\t250
12．2．1 RFID安全\t250
12．2．2 無線傳感器網絡的安全\t251
12．2．3 移動智能終端\t252
12．3 傳輸網絡層的安全\t253
12．3．1 互聯網與物聯網分層模型比較\t253
12．3．2 互聯網的安全保護\t254
12．4 綜合應用層安全\t256
12．4．1 綜合應用層安全的關鍵技術和面臨的問題\t256
12．4．2 雲計算安全\t257
12．5 物聯網安全案例\t260
小結\t260
習題\t261
第13章 物聯網綜合應用案例\t262
13．1 智慧城市\t262
13．1．1 智慧城市的由來及其特點\t262
13．1．2 智慧城市的架構\t264
13．2 智慧校園\t267
13．2．1 智慧校園及其發展\t267
13．2．2 智慧校園的物聯網特征及關鍵技術\t268
13．2．3 智慧校園的總體方案和繫統架構\t270
13．3 物聯網在港口物流領域的應用\t272
13．4 智能家居\t275
小結\t276
習題\t276
附錄1 相關實驗\t277
附錄2 縮略語\t287
參考文獻\t290

前 言

物聯網是近些年新興的信息科學技術，是計算機、通信、自動控制等學科的高度交叉融合。從2010年第一屆中國物聯網大會至今已經歷了6個年頭，在這短短的6年之間，物聯網從當時的概念已落實為具體的行動，全國的物聯網產業、工程示範、應用服務、科研以及物聯網專業教育和教學已逐漸發展壯大，初見成果。

物聯網是信息技術發展到一定高度的結果，是以計算機技術為代表的，包括通信技術、電子技術、自動控制技術、智能科學等在內的多種技術與科學的融合與擴展。20世紀90年代發展起來的互聯網是計算機技術與通信技術的一次融合創新，而近些年來發展起來的物聯網又是繼互聯網後的又一次融合拓展與創新。

物聯網的構建是一個復雜的繫統工程，涉及多個層次與多個領域。從物聯網的總體結構上來分，目前大多數學者認為它可分為感知控制、傳輸網絡與綜合服務三個層次。感知控制層主要負責信息的全面感知和相關反饋控制；傳輸網絡層負責信息的安全、可靠傳送；綜合服務層負責信息的處理、存儲、共享與服務應用。物聯網特征體現為“全面感知、可靠傳送、智能處理”。

本書是依據物聯網的發展背景、物聯網的層次結構和特征為主線進行編寫的，由3篇共13章構成。

第1篇為“感知控制層”，由4章構成，分別是“概述”、“RFID與EPC編碼”、“傳感器技術”、“無線傳感器網絡”。“概述”主要講述了物聯網的起源、發展現狀、涉及的應用領域與包含的科學與知識架構。“RFID與EPC編碼”主要講述了RFID的基本原理與構成、參數與應用場合，EPC編碼的標準結構與各字段的含義與應用。“傳感器技術”講述了傳感器的基本概念、所應用的物理定律、基本結構、分類，常用傳感器的基本原理和應用範疇。“無線傳感器網絡”講述了其基本構成與特點、關鍵技術與應用，介紹了IEEE 802.15.4標準及ZigBee協議規範、路由協議與拓撲控制、節點定位、時間同步的原理與算法等。

第2篇為“傳輸網絡層”，由4章組成，它們是“短距離通信技術與信息融合”、“物聯網通信繫統與傳輸網”、“互聯網與IP通信”以及“移動通信技術”。“短距離通信技術與信息融合”主要講述了常用的串行通信總線與工業總線、藍牙、紅外及超寬帶通信技術的基本概念和通信原理，以及信息融合、傳感器管理和無線傳感器網絡的數據融合等相關原理。“物聯網通信繫統與傳輸網”主要講述了物聯網通信繫統結構、通信網的基本概念與構成要素、SDH數字傳輸繫統、數據通信網、數據交換的基本原理與特點。“互聯網與IP通信”主要介紹了互聯網與因特網的結構、TCP/IP協議、IEEE 802.11無線局域網等方面的基本原理與結構。“移動通信技術”簡要講述了移動通信的概念，移動通信的組網技術，第三代移動通信中的WCDMA、CDMA2000、TD-SCDAM及WiMAX移動通信技術的頻譜分配、結構與組成。

第3篇為“綜合應用層”，由5章構成，分別是“中間件技術”、“雲計算與大數據”、“物聯網定位技術”、“物聯網安全”和“物聯網綜合應用案例”。“中間件技術”簡要講述了中間件的體繫框架、中間件分類，以及無線傳感器中間件的功能與體繫結構參考模型、雲計算中間件的基本概念等。“雲計算與大數據”主要講述了雲計算的基本概念、模型、雲機制以及雲計算基本架構，簡要講述了大數據的概念和典型大數據處理繫統、大數據處理基本流程和Hadoop分布式大數據繫統。“物聯網定位技術”簡要講述了GPS、移動蜂窩定位技術、WLAN室內定位技術、WSN定位技術的基本原理，及主要參數和應用場合。“物聯網安全”講述了物聯網安全要素、物聯網安全架構、感知控制層安全、無線傳感器網絡的安全、傳輸網絡層的安全和綜合應用層安全的關鍵技術等。“物聯網綜合應用案例”簡要介紹了智慧城市、智慧校園、智能物流和智能家居四種典型的應用範例。

另外，本書在附錄1相關實驗中給出了5個一般性實驗，它們分別是RFID實驗、溫濕度傳感器實驗、無線傳感器網絡的溫濕度實驗、網絡交換機與路由器的VLAN分析與設計實驗、虛擬機安裝與克隆實驗。通過這些基本實驗，讀者可以理解和領會物聯網的總體結構和應用。

本書在每章的開頭給出了本章的學習目標、知識點、教學安排和教學建議，以便於教學參考；在每章後給出了一些適當的習題，以便於練習與鞏固知識。

本書按照導論性、通俗性、全面性、實踐性和便於教學的原則來編著，概要性地講述了物聯網所涵蓋的相關學科知識與技術，使讀者能夠了解物聯網的基本概念、基本知識與相關技術，便於初學者掌握物聯網的全貌。本書突出物聯網的特色與關鍵技術、應用領域，突出了課堂教學與實驗教學的相結合，另外還將雲計算、大數據、物聯網安全等方面的物聯網新技術納入了本書。

本書可作為普通高校物聯網工程專業本科生教材和相近專業的研究生教材，也可以作為相關專業技術人員學習物聯網技術的參考資料。參考教學學時為80學時，其中課堂教學75學時，實驗教學5學時，也可根據具體教學大綱要求給予縮減。

本書由曾憲武組織統稿，第1、2篇由曾憲武編著，第3篇由包淑萍編著。在編著過程中得到了任春年、高劍、於旭老師及青島科技大學物聯網工程教研室其他老師的大力協助與支持，同時也得到了電子工業出版社任歡歡等編輯的指導與協助，在此表示衷心的感謝。

由於物聯網技術發展迅速，以及編著者的水平有限，書中難免有不當之處，敬請讀者批評指正。

編著者

2015年12月