物联网技术导论教程

2019年5月30日，百度公司副总裁尹世明在年度物联网峰会上表示： “预计2022年，中国物联网行业市场规模将超过7．24万亿元，这是一个巨大的蛋糕，智能家居、智能汽车、智能交通、智能制造、智能能源、工业互联网、智能城市、智能农业，等等，一切‘智能X’皆为IoT，终都将在物联网上落地。”这个表达令人印象深刻。
当我们认真审视百度智能物联网系列产品的时候，不能不钦佩百度战略的广泛与深远。百度有先进的AI技术(尤其是百度大脑和PaddlePaddle)，有牢牢占据业界制高点的百度地图等优势资源，有小度和Apollo等垂直平台和场景，有天工智能云、边缘计算和芯片上的率先布局，这些对IoT（Internet of Things,物联网）都至关重要。
面对上述背景，作为高校教育工作者的我们，需要回答一个问题，就是： 物联网工程专业办学应当怎样跟上业界快速发展的步伐？
上述问题一直萦绕在我们心头。因势而谋，应势而动。于是，我们与北京百度网讯科技公司取得联系，提出合作创作一本《物联网技术导论教程》教科书，作为回答上述问题而迈出的实质性步伐。
幸运的是，百度科技向我们提供了可贵的技术支持，公司内部的开发培训文档向我们敞开，特别是在我们使用其天工物联网云平台的过程中，切身感受到百度物联网技术的精湛与高可用性，这大大拓展了我们的思维。归结到一点就是，我们需要把业界先进的物联网技术融合到学校专业教学中来，这是加快课程改革、提升人才培养质量的大道与坦途。
终于，在清华大学出版社的鼎力支持下，这本《物联网技术导论教程》面世了。
首先，作为面向专业导论教学的教材，本书把全面介绍物联网核心技术及应用作为根本任务，内容全面涵盖物联网系统架构、传感器原理与应用、近距离无线通信、射频识别、传感器网络、物联网定位技术、视频监控、平台与标准、物联网安全、物联网应用系统十个方面。
本书的特色在于把百度天工物联网平台的应用融合进来，不仅在阐述技术的过程中结合天工智能云平台架构与服务进行了介绍，更为重要的是，我们为读者提供了8个体验性的实验，其中5个围绕百度天工物联网平台展开，详细指导学生完成天工平台的注册、物接入服务的开通、数据型与设备型物接入的创建、物模型设计、物影子创建、时序数据库创建、数据采集与上传、物可视创建与应用等实践。我们相信这些实践为学生打开了一扇初步接触工业级物联网应用的窗口。除此以外，其他实验还包括温湿度传感器应用、GPS定位器应用、视频监控物联网应用等。
与以往物联网技术导论教科书不同，我们这次开发的新编物联网导论，是基于业界主流平台的融合型教材，它贯彻理论密切联系实际的基本原则，大力培养学生的动手能力，因此必将为学校专业教育带来新的活力。
本书的主要内容如下。
第1章物联网概述，介绍了物联网的概念模型和发展历史，重点描述了物联网的系统结构； 采用四层的观点，自底向上阐述物联网感知层、传输层、支撑层(或服务层)和应用层的概念及其关键技术。

第2章传感器及其应用，介绍了传感器的概念和发展历史，给出了传感器的分类，重点介绍了典型传感器的原理与应用，后描述了传感器的发展方向。本章提供了一个温湿度记录仪的应用实验（见附录实验指导书）。
第3章近距离无线通信技术，介绍了无线通信系统的一般概念及其发展历程，并对射频通信概念、射频通信系统的频段划分、使用情况及工作特点进行了介绍。本章重点介绍了典型近距离无线通信技术的特点及发展，并对近场通信技术进行了描述。
第4章射频识别技术，介绍了条码、磁卡、IC卡等与RFID类似自动识别技术的概念； 重点介绍了RFID技术的基本工作原理、系统构成、技术特点、技术标准和应用场景，阐述了RFID技术的发展前景。
第5章无线传感器网络(WSN)，介绍了WSN的概念与发展历史，阐述了WSN的特点和优势； 重点介绍了WSN的系统结构，从节点、软件、拓扑和协议四个方面描述了WSN的系统构成。
第6章物联网定位技术，介绍了定位技术的起源与发展历史，阐述了定位对物联网的意义和作用，描述了定位技术在军事、灾害救援、智能交通、智能物流等领域的应用。本章提供了一个基于GPS定位器的应用实验（见附录实验指导书）。
第7章视频监控物联网，介绍了视频监控系统的关键技术、应用和发展前景。本章提供了一个基于网络智能摄像机的视频监控系统搭建实验（见附录实验指导书）。
第8章物联网平台与标准，介绍了云计算、边缘计算、Web技术、嵌入式系统、大数据技术等内容，这几项技术都与物联网密切相关。本章提供了百度天工物联网云平台的物接入、时序数据库等服务的注册与开通实验（见附录实验指导书）。
第9章物联网安全技术，主要针对物联网中的安全问题和安全技术展开讨论，介绍了物联网多个层次存在的安全问题和相应技术方案，重点针对物联网感知层RFID系统和无线传感器网络中的安全问题展开了论述，对两者中存在的安全问题和现有解决方案进行了归类，并指出了相应安全技术的发展趋势。
第10章物联网应用系统，介绍物联网的应用模式和典型系统。本章提供了天工物联网平台的数据型物接入、设备型物接入、数据采集与上传、物可视4个实验(见附录实验指导书)。
本书在编写过程中力求语言通俗易懂，行文简洁明了，使其具有较高的可读性。为了帮助教师和学生使用好本教材，我们在每一章都给出了一定数量的思考与练习题，列出了撰写本书过程中用到的参考文献，此外，讲课用的PPT文件、实验资源我们也在出版社网站上发布。教师可根据具体教学目标选择实验项目。
本书由百度云智学院戴海竹副院长策划，她提出了写作要求和基本内容安排，特别就实验部分提出了系统的编写要求。中南大学计算机学院黄东军教授主持本书的编著，提出了整体写作架构、知识体系和实践环节内容安排，撰写了全书文稿。
本书在编写中参考了百度天工智能云平台的相关文档、百度公司培训教材等资源。本书的编写得到了中南大学计算机学院有关领导和老师的大力支持。在此，谨对上述人士表示诚挚的谢意。由于作者水平有限，本书的错误和疏漏在所难免，恳请广大读者提出宝贵意见和建议。
黄东军
2021年5月于长沙

本书分为两大部分，部分是物联网基础，介绍了物联网的基本概念，结合百度天工物联网平台，分析了物联网应用系统架构，结合百度案例介绍了物联网行业应用。第二部分是主体，以百度天工物联网平台为依托，以实战的形式，引导读者掌握传感器与接入、边缘设备SDK、数据存储与管理、业务分析与AI应用、物联网可视化呈现等具体技术。学习完本书，读者将能基于百度天工平台，搭建物联网应用系统。本书适合于大学本科物联网专业的“物联网导论”“物联网应用综合训练”等课程使用，也可供高等院校的相关专业作为专业训练教材。本书还可以作为物联网应用系统开发人员的参考书。本书特别适合自学，读者完全可以按照本书给出的案例和资源，自主完成物联网应用系统搭建。

黄东军，中南大学教授，博士生导师，致力于物联网、分布式系统、多媒体技术的教学、研究和应用；主持国家自然科学基金、省部级科研项目和校企合作项目多个；获得省部级科技进步二等奖；在国内外知名学术刊物及学术会议发表学术论文80余篇。出版《物联网技术导论》、《Hadoop大数据实战权威指南》、《多媒体原理及应用设计》等专著或教材。主持专业综合教改项目、湖南省教学改革项目、校级教改项目等。

第1章物联网概述

1.1物联网的概念

1.1.1物联网的定义

1.1.2物联网的发展过程

1.1.3物联网的特征

1.1.4深入理解物联网时应注意的问题

1.2物联网系统结构

1.2.1感知层

1.2.2传输层

1.2.3支撑层

1.2.4应用层

1.3物联网的关键技术

1.3.1感知技术

1.3.2传输技术

1.3.3支撑技术

1.3.4应用技术

思考与练习

第2章传感器及其应用

2.1传感器概述

2.2传感器分类

2.2.1按传感器的工作原理分类

2.2.2按传感器的用途分类

2.2.3按传感器的输出信号分类

2.3几种典型传感器的工作原理及应用

2.3.1温湿度传感器DHT11

2.3.2RS系列接口传感器

2.3.3RJ45接口传感器应用

2.3.4热释电红外传感器原理与应用

2.3.5气体传感器

2.3.6可见光光照度传感器

2.3.7红外对射传感器

2.4传感器的发展趋势

2.4.1改善传感器性能的技术途径

2.4.2传感器的发展方向

2.5本章小结

思考与练习

第3章近距离无线通信技术

3.1无线通信系统概述

3.1.1无线与移动通信的概念

3.1.2无线与移动通信的发展历程

3.1.3宽带无线接入技术

3.2射频通信

3.2.1射频的概念

3.2.2频谱的划分

3.2.3RFID使用的频段

3.3微波通信

3.4近距离无线通信技术概览

3.4.1蓝牙

3.4.2Wibree

3.4.3WiFi

3.4.4WiGig(60GHz)

3.4.5IrDA

3.4.6ZigBee

3.4.7NFC

3.4.8UWB

3.4.9ZWave

3.4.10小结

3.5近场通信（NFC）

3.5.1NFC发展概述

3.5.2NFC工作原理

3.5.3NFC技术标准

3.5.4NFC技术特点

3.5.5NFC技术应用

3.6本章小结

思考与练习

第4章射频识别技术

4.1自动识别技术概述

4.1.1自动识别技术的基本概念

4.1.2自动识别技术的种类与特征比较

4.1.3常见的自动识别技术及特征比较

4.2RFID的基本原理

4.2.1RFID工作原理

4.2.2RFID技术的特点

4.2.3RFID技术标准

4.3RFID技术的应用

4.3.1RFID技术应用背景

4.3.2RFID技术的重要参数 

4.3.3RFID技术的典型应用

4.3.4RFID技术的应用前景

4.4RFID技术的研究方向

4.5本章小结

思考与练习

第5章无线传感器网络

5.1无线传感器网络概述

5.1.1WSN对物联网的支撑作用

5.1.2WSN的概念

5.1.3WSN的发展历史

5.1.4WSN的特点和优点

5.1.5WSN的发展趋势

5.2无线传感器网络的系统结构

5.2.1节点结构

5.2.2软件结构

5.2.3拓扑结构

5.2.4协议结构

5.3无线传感器网络的应用

5.3.1军事领域

5.3.2环境观测和预报领域

5.3.3空间、海洋探索

5.3.4工业领域

5.3.5农业领域

5.3.6医疗健康与监护领域

5.3.7建筑领域

5.3.8其他领域

5.4无线传感器网络的研究方向

5.5本章小结

思考与练习

第6章物联网定位技术

6.1定位的概念与发展历史

6.1.1定位的概念

6.1.2定位技术发展简史

6.2定位技术在物联网中的应用

6.2.1在军事领域的应用

6.2.2灾难救援

6.2.3定位技术在智能交通中的应用

6.2.4定位技术在智能物流中的应用

6.2.5基于位置的服务

6.3卫星导航系统

6.3.1几种主要卫星导航定位系统

6.3.2GPS全球定位系统简介

6.3.3北斗卫星导航系统简介

6.3.4北斗定位系统与GPS定位系统的比较

6.4蜂窝系统定位技术

6.4.1蜂窝系统定位技术简介

6.4.2蜂窝系统常用定位技术

6.5RFID定位技术

6.5.1基于RFID标签的定位技术

6.5.2基于RFID读写器的定位技术

6.6无线传感网定位技术

6.6.1无线传感器网络定位技术的研究内容

6.6.2典型无线传感器网络定位算法

6.7定位技术的发展前景

6.8本章小结

思考与练习

第7章视频监控物联网

7.1视频监控与物联网

7.1.1视频监控是物联网的重要组成部分

7.1.2基于物联网的智能安防应用

7.2视频监控关键技术

7.2.1视频信号压缩编码技术

7.2.2智能视频行为分析技术

7.2.3多摄像机的协同工作技术

7.2.4高速DSP嵌入式处理技术

7.2.5视频流的自适应流化和传输技术

7.3视频监控技术发展现状与趋势分析

7.3.1当前亟待解决的问题

7.3.2视频监控技术的发展趋势

7.4本章小结

思考与练习

第8章物联网平台与标准

8.1云计算

8.1.1什么是云计算

8.1.2云计算的服务模型

8.1.3开放的云计算基础设施

8.1.4融合云计算的物联网

8.2边缘计算

8.2.1什么是边缘计算

8.2.2边缘计算与物联网

8.3嵌入式系统

8.3.1嵌入式系统的基本概念

8.3.2嵌入式系统的体系结构

8.3.3嵌入式操作系统

8.3.4嵌入式处理器

8.3.5嵌入式系统与物联网

8.4移动计算与物联网

8.4.1移动计算的发展

8.4.2移动计算在物联网中的应用

8.5Web技术

8.5.1Web技术基础知识

8.5.2Web基本技术

8.6物联网中间件

8.6.1物联网中间件的概念

8.6.2物联网中间件的系统结构

8.6.3物联网中间件的技术平台

8.7大数据与物联网

8.7.1大数据的概念与特性

8.7.2物联网数据采集

8.7.3基于物联网的大数据应用

8.8本章小结

思考与练习

第9章物联网安全技术

9.1物联网面临的安全问题

9.1.1从信息处理过程看物联网安全

9.1.2从安全性需求看物联网安全

9.2RFID系统的安全问题

9.2.1RFID的安全和隐私问题

9.2.2RFID安全解决方案

9.3WSN安全技术研究

9.3.1WSN中的密钥管理

9.3.2WSN中的安全路由协议

9.4物联网安全解决方案

9.5本章小结

思考与练习

第10章物联网应用系统

10.1概述

10.2物联网的应用模式

10.3典型应用系统

10.4物联网的发展前景

思考与练习

附录实验指导书

实验一温湿度记录仪的应用

实验二移动定位终端的应用

实验三智能视频监控系统应用

实验四百度天工物联网云服务的订购

实验五创建物接入(数据型)

实验六创建物接入(设备型)

实验七数据采集与上传

实验八物可视

参考文献