物联网基础与应用

彭木根，北京邮电大学教授、博士生导师，信息与通信工程学院院长。IET 会士、中国通信学会青年工作委员会主任、中国电子学会青年科学家俱乐部副主席、北京科技人才研究会副理事长。获得第三十届北京五四青年奖章， 入选首届国家自然科学基金优秀青年基金、首届长江学者奖励计划青年学者、国家万人计划—青年拔尖人才项目等。发表本领域顶级期刊论文120余篇，Google 学术引用7200 余次。担任IEEE Communication Magazine、IEEE Access、IEEE IoT、IET Communications等期刊编委，出版专著译著12 部，包括英文专著1 部， 获得中华优秀出版物图书奖。曾获北京科学技术奖一等奖（排名1）、中国通信学会技术发明奖一等奖（排名1）、高等学校科学研究优秀成果奖（科学技术）技术发明奖一等奖（排名2）和自然科学奖二等奖（排名1）、茅以升科技奖北京青年科技奖、电气和电子工程师协会亚太区杰出青年科学家奖等。

第1章物联网概述

1.1物联网的起源、意义与发展

1.1.1物联网的起源

1.1.2物联网的价值意义

1.1.3物联网的发展概述

1.1.4我国物联网的发展

1.2物联网原理

1.2.1物联网的定义

1.2.2物联网与互联网的关系

1.2.3物联网与蜂窝网络的关系

1.2.4物联网与WiFi的关系

1.3物联网技术・

1.3.1物联网技术的特征

1.3.2物联网技术的体系

1.3.3物理网技术的挑战

1.4物联网产业及应用前景

1.4.1物联网产业链·

1.4.2物联网产业的特点

1.4.3物联网的应用领域

1.5物联网发展…

1.5.1互联网+物联网…

1.5.2边缘计算与雾计算.

1.5.3智能物联网·

1.5.4物联网与工业互联网本章习题

第2章物联网感知层

2.1感知层的基本概念

2.1.1感知层在物联网中的作用·

2.1.2感知节点的特点

2.2RFID与自动识别技术的发展

2.2.1自动识别技术的发展

2.2.2条码、磁卡与IC卡

2.2.3RFID标签

2.2.4RFID应用的结构与组成

2.2.5RFID标签编码标准

2.3传感器与无线传感器网络·

2.3.1传感器的基本概念

2.3.2智能传感器的发展

2.3.3无线传感器的发展

2.4位置信息感知技术

2.5智能信息感知设备与嵌入式技术

2.5.1嵌入式系统与智能信息设备

2.5.2RFID应用系统与智能感知设备的设计方法

2.5.3无线传感器网络与智能感知节点的设计方法

本章习题

第3章物联网网络层技术

3.1网络层概述

3.1.1物联网网络层的基本功能

3.1.2网络层的特点…

3.2移动互联网

3.2.1从计算机网络、互联网、移动互联网到物联网

3.2.2计算机网络的基本概念

3.2.3互联网、移动互联网的形成与发展

3.2.4IP网络：从IPv4到IPv6

3.2.5接入技术与物联网·

3.3蜂窝移动通信

3.3.1移动通信技术的发展历程

3.3.2移动通信系统的结构与原理…

3.3.3蜂窝移动通信的基本原理

3.3.4 4G 与OFDMA

3.3.55G及其应用

3.4空间通信网络·

3.4.1卫星通信系统

3.4.2低轨卫星通信系统·

……

9.1.1历史发展与挑战

9.1.2空间信息安全的内涵

9.1.3网络安全面临的主要问题

9.2空间信息安全技术

9.2.1网络安全

9.2.2信息系统安全技术

9.2.3信息对抗技术

9.2.4卫星通信系统安全技术

9.3区块链技术

9.3.1区块链的基础架构

9.3.2区块链技术的分类

9.3.3区块链的代表性系统

9.3.4共识算法

9.3.5智能合约

9.3.6区块链中的密码学技术本章习题…

参考文献…

第1章物联网概述

随着移动通信、大数据、云计算、人工智能、卫星互联网等的发展，智能家居、智能穿戴装备、医疗器械、虚拟现实版游戏、智慧社区、无人驾驶、智慧交通网络等应用不断涌现和蔓延，万物之间的互联互通成为可能，物联网也成为继计算机互联网、移动互联网之后的新网络模式。

物联网主要应用包括工业互联网、车联网、智能电网等。

1.1物联网的起源、意义与发展

物联网的概念最早可以追溯到比尔·盖茨1995年编写出版的《未来之路》一书。在该书中，比尔·盖茨提及了物物互联，但受限于当时的无线网络、硬件及传感设备，并未引起重视。1998年，美国麻省理工学院提出了物联网构想。1999年，在物品编码、射频识别（RFID）技术和互联网的基础上，美国Auto-ID中心首先提出了物联网的概念。

1.1.1物联网的起源

2008年，美国IBM提出了“智慧地球”的构想，物联网是其中不可缺少的一部分，2009年1月，美国将其提升到国家战略的高度。IBM公司首席执行官彭明盛认为，智能技术将应用到生活的各个方面，如智慧的医疗、智慧的交通、智慧的电力、智慧的食品、智慧的货币、智慧的零售业、智慧的基础设施甚至智慧的城市，这使地球变得越来越智能化。

智慧地球的核心是以一种更智慧的方法通过利用新一代信息技术来改变政府、公司和人们相互交互的方式，以便提高交互的明确性、效率、灵活性和响应速度。这将使得政府、企业和市民可以做出更明智的决策。该智慧方法有以下三个方面的特征：更透彻的感知、更广泛的互联互通、更深入的智能化。

这里的“更透彻的感知”是超越传统传感器、数码相机和RFID的更为广泛的一个概念。

（1）更透彻的感知

具体来说，它是指利用任何可以随时随地感知、测量、捕获和传递信息的设备、系统或流程进行感知。通过使用这些新设备，从人的血压到公司财务数据或城市交通状况等任何信息都可以被快速获取并进行分析，便于立即采取应对措施和进行长期规划。

（2）更广泛的互联互通

互联互通是指通过各种形式的高速的高带宽的通信网络工具，将个人电子设备、组织和政府信息系统中收集和储存的分散的信息及数据连接起来，进行交互和多方共享，从而更好地对环境和业务状况进行实时监控，从全局的角度分析形势并实时解决问题，使得工作和任务可以通过多方协作来得以远程完成，从而改变世界的运作方式。

(3）更深入的智能化

智能化是指深入分析收集到的数据，以获取更加新颖、更加系统和更加全面的洞察来解决特定问题。这要求使用先进技术(如数据挖掘和分析工具、科学模型和功能强大的运算系统）来处理复杂的数据分析、汇总和计算，以便整合和分析海量的跨地域、跨行业和职能部门的数据和信息，并将特定的知识应用到特定的行业、特定的场景、特定的解决方案中以更好地支持决策和行动。

1.1.2物联网的价值意义

（1）物联网应用创新了治理模式

物联网的广泛应用改变了传统的社会管理模式，在线监测、实时感知、远程监控成为管理的新亮点，极大地创新了社会治理模式。无论在安全生产、社会治安防控领域，还是在危险源监控和应急救灾领域，物联网应用都实现了在线实时管理，这极大地提高了突发事件预判和应急处置能力。

（2）物联网应用促进了绿色低碳

物联网应用促进了各领域用料、用能、用水的精细化，减少了资源浪费，提高了资源利用率，降低了污染物排放。例如，工业物联网技术的广泛应用，让工厂生产线具备了自我感知能力，根据材料配方需要，实时、精准地用料、用水和用能，提高生产资料的利用率，减少废水、废气等污染物的排放。能源物联网的发展促进了物联网技术在能源生产、传输、存储和利用等环节的应用，实现了实时感知、精准调度、故障判断、预测性维护。

(3)物联网应用促进了开放合作

物联网应用加强了人与人之间的连接，更加强了人与物、物与物之间的连接，打通了人与物、物与物之间的信息流通渠道，促进了物与物之间的协作。例如，工业物联网应用将不同流水线、不同车间、不同工厂内的机器连接在一起，组成了一个标准化通信的开放网络，强化了机器之间的信息流动，促进了机器之间、流水线之间、车间之间、工厂之间的协同协作。

（4）物联网应用促进了共建共享

由于物联网的软硬件接口、传输协议等标准化，促成了物联网网络互联和信息互动，使得各类开放式的物联网公共服务平台得到了快速发展。例如，视频监控物联网公共服务平台促进了公安、交通、金融、环保、国土等部门视频监控网络的共建共享，统一了视频探头，统一了视频监控网络，统一了数据存储中心，不仅减少了各部门重复投资建设，而且大大提高了网络利用率和覆盖率。