物联网技术与系统设计

前言
计算机的出现促使信息处理技术取得质的飞跃，形成信息技术的次产业化浪潮。互联网的发展使信息传输技术获得了巨大提升，形成第二次产业化浪潮。物联网的出现是信息产业革命的第三次浪潮，5G技术以及物联网技术的发展推动了整个信息产业的进步。我们需要确立物联网的典型应用，挖掘物联网应用的真实需求，以应用的需求为牵引，指导关键技术的突破。在攻克关键技术的同时，也应积极进行相关技术和产业标准的制定，为物联网的产业化奠定坚实的基础。
全书共分9章。第1章讨论物联网的概念、体系结构、技术体系和软硬件系统组成，以及物联网的应用与发展。第2章介绍物联网的关键技术，即物联网各层实现过程中所涉及的关键技术。第3章介绍射频识别技术，包括条形码、磁卡(条)、IC卡以及射频识别的概念和工作原理，并给出基于射频识别技术实现的过程以及应用的实例。第4章介绍无线传感网技术，包括无线传感网的实现过程和应用实例。第5章总结物联网设计规划的过程，以及构建物联网过程中所涉及的相关知识。第6章介绍物联网实现过程中所涉及的标准，为物联网的实现提供前提。第7~9章介绍物联网的相关实验、实践和应用，使读者由浅入深地全面认识物联网的应用过程。
本书知识结构系统完整，不仅使读者对物联网有一个全景性的认识和了解，而且为读者进一步理解和掌握物联网及其应用系统的规划设计提供参考。本书在内容上涵盖了物联网的基本概念、理论与技术，在表达方式上层次清楚，图文并茂，语言简洁。本书的特色是： 理论联系实际，强调实用性； 内容系统全面，体现先进性； 技术先进准确，突出工程性。
本书适用范围广，可作为物联网工程或计算机类、电子信息类、自动化类等相关专业的教材，供需要掌握物联网基础知识的高年级本科生和研究生选用，也可作为相关领域工程技术人员的参考书或培训教材。
物联网是信息技术的一次颠覆性创新，其应用发展日新月异，技术在进步，应用在拓展。物联网发展方兴未艾，前景光明。本书旨在既呈现对物联网探究认识之概貌，又抛砖引玉以期更多的物联网技术研究成果问世。但囿于编著者理论水平和时间仓促，书中难免存在一些不妥或疏漏之处，衷心希望广大读者批评指正。
编著者
2019年6月

本书基于物联网智能实训系统，以实用为导向，以实践为目标讲解物联网的相关内容。在介绍物联网的基本概念和关键技术的基础上，重点介绍射频识别技术以及无线传感器技术，结合物联网的实际应用，介绍物联网的规划与构建，并简单介绍智能家居、智能医疗等。*后给出物联网的一些基础实验和实践应用，结合经典的物联网产品，尽量做到理论、应用与实践的紧密结合，使读者掌握用物联网的基本方法解决实际的相关关问题。

本书基于物联网智能实训系统，以实用为导向，以实践为目标讲解物联网的相关内容。在介绍物联网的基本概念和关键技术的基础上，重点介绍射频识别技术以及无线传感器技术，结合物联网的实际应用，介绍物联网的规划与构建，并简单介绍智能家居、智能医疗等。*后给出物联网的一些基础实验和实践应用，结合经典的物联网产品，尽量做到理论、应用与实践的紧密结合，使读者掌握用物联网的基本方法解决实际的相关关问题。

刘洪丹  哈尔滨工程大学  讲师  可编程控制器原理及应用实例的编写与出版   

张兰勇，哈尔滨工程大学，副教授，硕士生导师
著作：
[1] 张兰勇，孙健，孙晓云，赵国宇.LabVIEW程序设计基础与提高.北京：机械工业出版社，2012年12月（ISBN：9787111402473）
[2] 刘胜，张兰勇等.LabVIEW2009程序设计.北京：电子工业出版社，2010年11月（ISBN：9787121120916）（撰写了第2章、第4章、第6章、第8章、第10章、第12章、第14章、第15章等章共20余万字）
[3] 李冰，郑秀丽，孙蓉，韩云涛，张兰勇.可编程控制器原理及实例应用.中国电力出版社，2011（撰写了第四篇第11章、第14章、第15章和附录共13余万字）
[4] 孙蓉，王臣业，张兰勇. 西门子S7-200/300/400PLC与实例.机械工业出版社，2012（撰写了第4、5、7、9、12、13章和附录共25余万字）
[5] 张兰勇.自动化专业课程设计.清华大学出版社，2015.4
[6] 刘胜，张兰勇.自动化专业导论.哈尔滨工程大学出版社，2017.6

孙  蓉  哈尔滨工程大学  副教授 

目录

第1章物联网概述

1．1物联网的起源和发展

1．2物联网的相关概念

1．3物联网的特征

1．4物联网的组成

1．4．1物联网的硬件平台

1．4．2物联网软件平台的组成

1．5与物联网相关的网络概念

1．6物联网的体系结构

1．6．1物联网体系结构的构建原则

1．6．2物联网体系结构的模型

1．7物联网的应用

1．7．1物联网的主要应用领域

1．7．2物联网产业链

第2章物联网关键技术

2．1物联网感知技术

2．1．1传感器技术

2．1．2标示与识别技术

2．1．3特征识别技术

2．1．4定位技术

2．2信息处理技术

2．2．1数据融合

2．2．2数据预处理技术

2．2．3决策融合技术

2．3网络传输技术

2．3．1接入网传输技术

2．3．2汇聚层物联网技术

2．3．3承载网技术

2．3．4通信技术

2．3．5组网技术——网络拓扑控制技术

2．3．6可靠传输控制技术

2．3．7异构网络融合技术

2．3．8中间件技术

2．3．9网关技术

2．4应用层关键技术

2．4．1海量信息多粒度分布式存储

2．4．2海量数据智能处理

2．4．3海量数据并行处理技术

2．4．4云计算

2．4．5服务支撑技术

2．5安全管理技术

2．5．1物联网安全特征与目标

2．5．2物联网面临的安全威胁与攻击

2．5．3物联网安全体系

2．5．4物联网感知互动层的安全机制

2．5．5物联网网络传输层的安全机制

2．65G通信下物联网关键技术的发展

2．7本章小结

第3章物联网——射频识别技术

3.1自动识别技术

3.1.1条形码识别技术

3.1.2一维条码与二维条码

3.1.3条码的识读

3.2磁卡和IC卡技术

3.2.1磁卡技术

3.2.2IC卡技术

3.3RFID技术

3.3.1RFID技术的现状和发展

3.3.2射频识别技术概述

3.3.3RFID系统的组成

3.3.4RFID系统的工作原理

3.3.5RFID数据校验

3.3.6RFID技术分类

3.4RFID数据传输协议

3.4.1数据传输协议与方式

3.4.2RFID数据传输的安全性

3.4.3RFID数据传输的完整性

3.4.4RFID数据传输的干扰与抗干扰

3.4.5多电子标签同时识别与系统防冲撞

3.5RFID工作频率以及编码标准

3.6RFID技术应用

3.7RFID应用系统开发示例

3.7.1RFID读写器设计

3.7.2基于RFID技术的ETC系统设计

3.8本章小结

第4章物联网——无线传感器网络

4.1传感器概述

4.1.1传感器的定义

4.1.2传感器的性能参数及要求

4.1.3传感器的标定与校准

4.2传感器的工作原理

4.3无线传感器网络的发展历程

4.4无线传感器网络的概念

4.5无线传感器网络的特点

4.6无线传感器网络的体系结构

4.6.1传感网的拓扑结构

4.6.2传感网协议体系结构

4.7传感网的关键技术

4.8传感网节点部署与覆盖

4.8.1传感网节点部署

4.8.2传感网覆盖

4.8.3连接与节能

4.9无线传感器网络通信技术

4.9.1IEEE 802.15.4与ZigBee

4.9.2ZigBee协议框架

4.9.3基于ZigBee协议的传感器网络

4.9.4基于ZigBee的无线传感器网络与RFID技术的融合

4.10无线传感器网络开发

4.10.1无线传感器网络软件开发

4.10.2无线传感器网络硬件开发

4.11传感网路由协议

4.11.1基于平面结构的路由协议

4.11.2基于地理位置的路由协议

4.11.3基于分级结构的路由协议

4.12传感网操作系统

4.12.1TinyOS操作系统

4.12.2μC/OSⅡ操作系统

4.12.3MantisOS操作系统

4.13无线传感器网络应用实例

4.14无线传感器网络的应用前景

4.15无线传感器网络的安全管理技术

4.15.1无线传感器网络的信息安全需求和特点

4.15.2密钥管理

4.15.3安全路由

4.15.4安全聚合

4.15.5物联网安全问题

4.16本章小结

第5章物联网的设计与构建

5.1物联网设计概述

5.1.1物联网的设计前提

5.1.2物联网规划的设计步骤

5.1.3物联网分层设计

5.2物联网的构建

5.2.1物联网应用系统的硬件设计

5.2.2物联网应用系统的软件设计

5.3物联网系统集成

5.3.1物联网系统集成的目的

5.3.2物联网系统集成技术

5.3.3物联网系统集成内容

5.3.4物联网系统集成步骤

5.4物联网应用系统设计示例

5.4.1基于RFID传感网的智能家居及安防系统

5.4.2基于RFID传感网的工业智能控制系统应用示例

5.5传感网的广域互联

5.5.1传感网广域互联的方式

5.5.2基于IPv6的互联接入

5.6本章小结

第6章物联网的工作标准

6.1物联网标准制定的意义

6.1.1标准的通用意义

6.1.2标准对物联网的意义

6.2国内外物联网标准机构简介

6.3泛在网标准化

6.4国际物联网标准制定

6.4.1ISO/IEC JTC1

6.4.2IEEE

6.4.3ITUT

6.4.4IETF

6.4.5EPC Global

6.4.6ETSI

6.4.73GPP

6.4.8其他标准组织

6.5中国物联网标准制定

6.5.1传感器网络标准工作组

6.5.2电子标签标准工作组

6.5.3其他工作组

6.6RFID标签编码标准 

6.6.1ISO/IEC RFID标准体系

6.6.2EPC Global RFID标准

6.6.3UID编码体系

6.6.4国内RIFD标准体系的研究与发展

6.7无线传感器网络标准化

6.8本章小结

第7章物联网功能实验示例

7.1物联网平台资源

7.2Windows系统开发环境

7.3智能传感器模块部分

7.3.1光照传感器

7.3.2人体检测传感器

7.3.3声音检测传感器

7.3.4温湿度传感器

7.4无线通信模块的RFID通信实验

7.4.1RFID自动读卡实验

7.4.2基于RFID的电子钱包应用实验

7.5本章小结

第8章智能农业

8.1智能农业概述

8.1.1智能农业在国内外的发展现状

8.1.2基于物联网的智能农业的意义

8.1.3基于物联网的智能农业的优点

8.2农产品批发市场信息系统建设

8.2.1信息系统总体设计

8.2.2市场业务管理平台

8.2.3信息采集发布平台

8.2.4电子商务平台

8.2.5物流配送平台

8.2.6信息基础平台

8.2.7农产品质量安全信息平台

8.3基于物联网的智能大棚(中国电信方案)

8.3.1智能大棚系统总体设计

8.3.2监控软件功能

8.3.3智能大棚系统的关键技术

8.3.4技术方案

8.3.5系统集成方案

8.4智能温室远程监控系统的设计

8.4.1监控系统总体设计

8.4.2下位机系统设计

8.4.3上位机系统设计

8.55G在智能农业中的应用前景

8.6本章小结

第9章物联网技术应用实践

9.1仓储智能管理系统

9.1.1研究目的

9.1.2系统总体结构

9.1.3RFID系统的理论基础

9.1.4RFID系统传输模型与链路计算

9.1.5ISO/IEC 180006C协议与标签识别方法简析

9.1.6系统硬件设计

9.1.7固定式UHF RFID读写器硬件设计

9.1.8通信协议分析与软件设计

9.1.9标签到读写器通信

9.1.10ISO/IEC 180006C协议解码设计

9.1.11读写器与单标签通信

9.2仓储智能管理系统实现

9.2.1搭建测试平台

9.2.2货品操作测试

9.3智能物流监管系统研究

9.3.1智能物流监管系统总体方案设计

9.3.2智能物流监管系统工作流程

9.3.3智能物流监管系统子系统的构成

9.3.4系统硬件设计

9.3.5改进的自适应动态时隙ALOHA算法

9.3.6硬件实现

9.3.7基于云服务器的软件设计及实现

9.3.8客户端软件设计与实现

9.3.9数据库设计

9.4智能物流系统实现

9.4.1智能物流系统连接测试平台的搭建

9.4.2智能物流系统联机测试与结果分析

9.5本章小结

附录程序附件

参考文献

本书基于物联网智能实训系统，以实用为导向，以实践为目标讲解物联网的相关内容。在介绍物联网的基本概念和关键技术的基础上，重点介绍射频识别技术以及无线传感器技术，结合物联网的实际应用，介绍物联网的规划与构建，并简单介绍智能家居、智能医疗等。*后给出物联网的一些基础实验和实践应用，结合经典的物联网产品，尽量做到理论、应用与实践的紧密结合，使读者掌握用物联网的基本方法解决实际的相关关问题。

刘洪丹  哈尔滨工程大学  讲师  可编程控制器原理及应用实例的编写与出版   

张兰勇，哈尔滨工程大学，副教授，硕士生导师
著作：
[1] 张兰勇，孙健，孙晓云，赵国宇.LabVIEW程序设计基础与提高.北京：机械工业出版社，2012年12月（ISBN：9787111402473）
[2] 刘胜，张兰勇等.LabVIEW2009程序设计.北京：电子工业出版社，2010年11月（ISBN：9787121120916）（撰写了第2章、第4章、第6章、第8章、第10章、第12章、第14章、第15章等章共20余万字）
[3] 李冰，郑秀丽，孙蓉，韩云涛，张兰勇.可编程控制器原理及实例应用.中国电力出版社，2011（撰写了第四篇第11章、第14章、第15章和附录共13余万字）
[4] 孙蓉，王臣业，张兰勇. 西门子S7-200/300/400PLC与实例.机械工业出版社，2012（撰写了第4、5、7、9、12、13章和附录共25余万字）
[5] 张兰勇.自动化专业课程设计.清华大学出版社，2015.4
[6] 刘胜，张兰勇.自动化专业导论.哈尔滨工程大学出版社，2017.6

孙  蓉  哈尔滨工程大学  副教授 

第3章
CHAPTER 3

物联网——射频识别技术

射频识别技术是一种综合利用多门学科、多种技术的应用技术。所涉及的关键技术包括芯片技术、天线技术、无线收发技术、数据变换与编码技术以及电磁场与微波技术等。
3.1自动识别技术
自动识别技术就是应用一定的装置，通过被识别物件和识别装置之间的接近活动，主动地获取被识别物件的相关信息，并提供给后台计算机系统来完成相关后续处理的一种技术。常用的自动识别技术有条形码识别技术、磁卡(条)和IC卡技术、射频识别技术、图像识别技术、光学字符识别(OCR)技术和生物识别技术等。本章主要介绍条形码、磁卡(条)、IC卡和射频识别技术的基本概念和工作原理，并给出基于射频识别技术应用系统的开发案例，供读者参考。
3.1.1条形码识别技术
条形码技术是集条码理论、光电技术、计算机技术、图像技术、条码印制技术于一体的一种针对识别技术。条形码技术具有速度快、准确率高、可靠性强、寿命长、成本低等特点，因而被广泛应用。条形码(简称条码)由一组规则排列的条、空和对应的字符组成，用以表达一组信息的图形标识符。“条”指对光线反射率较低的部分，“空”指对光线反射率较高的部分，这些条和空组合的数据表达一定的信息，并能够用特定的设备识读，转换成与计算机兼容的二进制和十进制信息。
1. 条码的编码
条码的编码指按一定的规则，用条、空图案表示数字或字符集合。条码编码方法有两种： 宽度调节法和模块组配法。宽度调节法指条码的条(空)宽的宽窄设置不同，用宽单元表示二进制1，窄单元表示二进制0； 模块组配法指条码符号中每个字符的条与空分别由若干个模块组配而成，模块宽的条表示二进制1，模块宽的空表示二进制0。
2. 模块的概念
构成条码的基本单位是模块，模块是指条码中窄的条或空。模块的宽度通常以mm或mil1mil=0.0254mm。(千分之一英寸)为单位。构成条码的一个条或空称为一个单元，一个单元包含的模块数是由编码方式决定的。在有些码制中(如EAN码)，所有单元由一个或多个模块组成； 而另一些码制，如39码中，所有单元只有两种宽度，即宽单元和窄单元，其中的窄单元即为一个模块。
3. 条码符号的密度
密度指单位长度的条码所表示的字符个数。对于一种码制而言，密度主