物联网感知、识别与控制技术（第2版）

前言

目前，国内已有近两百所高校、高职、高专院校设置了物联网技术应用专业，可见，物联网相关专业人才的培养达到了高潮。物联网专业的教学目标是培养面向现代信息处理技术，从事物联网领域的系统设计、分析与科技开发及研究方面的工程技术人才。需要学生及相关科研人员具备扎实的电子技术、现代传感器、有线和无线网络通信理论、信息处理、计算机技术、系统工程等基础理论知识，掌握物联网系统的感知、识别与控制层，网络传输层与综合服务应用层关键设计等专门知识和技能，并且建立在本专业领域对新理论、新知识、新技术的跟踪能力以及较强的创新实践能力。目前在国内的院校中，物联网工程专业下设置的具体专业课程一般为通信、网络、传感器、计算机等传统学科所开设的课程，这些课程之间的衔接缺少各科知识的系统性、针对性和连续性，没有突出物联网的专业特色。物联网专业教学大纲按照物联网三层结构规划了如下培养目标。（1） 感知、识别与控制层： 掌握传感器与RFID无源有源标签设计技术，无线节点硬件和核心协议栈软件设计，低功耗系统设计以及智能装置、设备的控制技术。（2） 网络传输层： 掌握多种网络网关设计，主流无线和无线网络标准，主要路由算法和网络监视、网络安全和加密原理等方面的设计。（3） 综合管理服务应用层： 掌握应用系统设计技术关键，物联网应用软件开发，应用数据结构，数据流和数据库的设计，能够独立设计不同需要的物联网管理服务应用。其中，感知、识别与控制层作为物联网的神经末梢，是联系物理世界和信息世界的纽带。随着物联网的发展，大量的智能传感器件、物体识别设备及智能控制装置也将获得更广泛的应用。针对上述培养目标，本书结合当前我国新设立的物联网工程专业建设和发展的需要进行编写，重点介绍在物联网感知、识别与控制层中涉及的设计和应用等相关技术。本书以培养会设计、能发展、具有创新精神和实践能力的人才为目的，以提高学生及相关科研人员的分析问题和解决实际问题的能力为出发点，全面、系统地介绍了物联网系统中感知、识别与控制层次的相关概念、关键技术以及基本组成、结构与设计方法和应用实例。本书第1版已经发行4年时间，感谢国内数十所院校同行将此书作为物联网专业课程教材。由于物联网工程应用技术发展较快，许多知识和内容有了更新。本书第2版做了如下方面的优化和调整。在第1章中，重新进行了规划，增加了1.2节物联网关键技术的介绍； 在第2章中，细化了RFID工作原理及应用的介绍，增加了智能传感器方面的内容； 在第3章中，调整了3.3节的内容，增添了数字滤波知识的介绍； 在第4章中，增添了红外触摸屏相关内容； 第5章中，增添了CAN总线、WiFi、4G/5G通信和北斗卫星导航系统方面的内容。另外，对第6~8章内容重新进行了调整和优化。同时，对各章之后的习题与思考题进行了适当调整，增添了选择题方面的内容。本书作为专业课程教材，建议全部内容讲授32~48学时。其中，6.3节计算机控制技术简介为选学内容。建议本课程实践教学环节设为24~36学时。在本书的编写过程中，得到了谭国真、陈志奎和王雷教授的指导，在此表示感谢。还要感谢清华大学出版社的支持，使本书很快地出版发行。另外，本书在编写过程中参考和引用了国内外的相关著作、论文和网上资料，编者对所有被参考和引用论著的作者表示感谢。如果有的资料因没有查到出处或疏忽而未列出，请原作者原谅。　由于本书作者的经验与水平有限，书中如出现不准确、不适宜或疏漏的内容，希望读者给予批评指正，在此表示感谢。同时也欢迎读者，尤其是使用本书的教师和学生，共同探讨相关教学内容、教学方法等问题。敬请通过电子信箱（mhl@dlut.edu.cn）与编者联系。
编者2016年11月

目录

第1章物联网简介

1．1概述

1．1．1物联网定义及特点

1．1．2物联网的结构组成

1．1．3发展物联网的意义

1．2物联网关键技术

1．2．1感知识别层关键技术

1．2．2网络传输层关键技术

1．2．3综合服务应用层关键技术

1．3物联网应用领域简介

习题与思考题

第2章物联网感知与识别技术

2．1传感器及应用技术

2．1．1概述

2．1．2传感器的分类

2．1．3传感器的选用原则

2．1．4常用传感器简介

2．2自动识别技术

2．2．1概述

2．2．2自动识别技术的分类与特征

2．3无线射频识别技术

2．3．1RFID系统的组成

2．3．2RFID技术的分类方法

2．3．3RFID系统的基本工作原理

2．3．4RFID系统的技术参数

2．3．5RFID系统的运行环境与接口方式

2．3．6RFID技术的应用

2.4RFID应用实例

2.4.1汽车防盗系统读写器的设计

2.4.2不停车收费系统应用实例

习题与思考题

第3章物联网的数据获取与处理技术

3．1模拟信号的检测与数据采集

3．1．1检测系统的特性与性能指标

3．1．2系统的组成结构与工作方式

3．1．3模拟信号的检测方法

3．1．4模拟信号的调理电路

3．1．5模/数转换器原理及应用

3．2数字信号与非电量参数的检测技术

3．2．1开关量信号的检测

3．2．2时间型信号的检测

3．2．3频率及周期型信号的检测

3．2．4非电量参数的检测

3．3信息数据的处理技术

3．3．1数字滤波技术

3．3．2信息数据的标度变换

3．4多传感器信息融合技术

3．4．1概述

3．4．2数据融合的原理与结构

3．4．3数据融合的基本方法

习题与思考题

第4章微处理器与人机交互技术

4.1嵌入式系统简介

4.1.1概述

4.1.2嵌入式处理器

4.1.3嵌入式软件系统

4.2键盘接口技术

4.2.1概述

4.2.2工作原理与接口技术

4.3显示器接口技术

4.3.1液晶显示器

4.3.2LED显示器

4.4触摸屏接口技术

4.4.1电阻式触摸屏

4.4.2电容式触摸屏

4.4.3红外触摸屏

4.4.4触摸屏接口技术

习题与思考题

第5章物联网通信技术

5.1概述

5.2标准串行通信接口

5.2.1通用异步收发器UART

5.2.2RS232C标准串行通信

5.2.3通用串行总线USB

5.2.4内部集成电路串行通信

5.2.5串行外围设备接口

5.2.6CAN总线接口

5.3无线通信技术

5.3.1蓝牙无线通信技术

5.3.2ZigBee无线通信技术

5.3.3无线保真技术

5.3.4第2/3/4/5代移动通信技术简介

5.4无线传感器网络

5.4.1概述

5.4.2无线传感器网络体系结构

5.4.3ZigBee无线传感器网络及开发应用

5.5定位技术与卫星定位系统

5.5.1概述

5.5.2全球卫星定位系统

5.5.3北斗卫星导航系统

习题与思考题

第6章外部设备的驱动与控制技术

6.1模拟信号输出通道

6.1.1概述

6.1.2数字/模拟转换器组成与工作原理

6.1.3D/A转换器的技术参数

6.1.4D/A转换器接口应用

6.1.5模拟信号的功率驱动

6.2开关量输出与驱动

6.3计算机控制技术

6.3.1系统概述

6.3.2PID控制技术

6.3.3模糊控制技术

6.3.4神经网络控制技术

习题与思考题

第7章系统稳定性设计与低功耗技术

7.1系统的干扰源

7.2系统抗干扰技术

7.2.1系统硬件抗干扰的措施

7.2.2软件抗干扰措施

7.3系统低功耗设计技术

7.3.1硬件低功耗的设计

7.3.2软件低功耗的设计

习题与思考题

第8章设计应用实例

8.1感知与检测系统的设计

8.1.1系统的设计要求

8.1.2系统的设计方法

8.1.3系统的设计步骤

8.2智能家居系统

8.2.1系统总体方案设计

8.2.2硬件系统的设计与实现

8.2.3软件系统的设计与实现

习题与思考题

参考文献