物联网导论复习.doc

第一章：概述v 物联网概念 物联网是一个基于互联网、传统电信网等信息载体，让所有能被独立寻址的普通物理对象实现互联互通的网络。普通对象设备化，自治终端互联化和普适服务智能化是其三个重要特征。v 物联网的特征（特点）（1）普通对象设备化，自治终端互联化和普适服务智能化是其三个重要特征；（2）联网终端规模化：物联网时代每一件物品均具通信功能成为网络终端，5-10年内联网终端规模有望突破百亿；（3）感知识别普适化：无所不在的感知和识别将传统上分离的物理世界和信息世界高度融合；（4）异构设备互联化：各种异构设备利用无线通信模块和协议自组成网，异构网络通过“网关”互通互联。（5）管理处理智能化：物联网高效可靠组织大规模数据，与此同时，运筹学，机器学习，数据挖掘，专家系统等决策手段将广泛应用于各行各业。（6）应用服务链条化：以工业生产为例，物联网技术覆盖从原材料引进，生产调度，节能减排，仓储物流到产品销售，售后服务等各个环节。v 物联网的起源与发展具有来源多样性v 物联网的核心技术(四层) 根据信息生成、传输、处理和应用将物联网分为感知识别层、网络构建层、管理服务层和综合应用层。v 物联网的发展趋势（1） 更广泛的互联互通：互联互通的对象从人延伸到物体互联互通方式的扩展；（2）更透彻的感知：通信功能使传感器能够协同工作；（3）更深入的智能：多传感器实现“人多力量大”的智能；多维感知数据实现“防患于未然”的智能；大数据挖掘实现“见微知著”的智能；v 物联网的应用领域（1）智能交通：通过在基础设施和交通工具当中广泛应用信息、通讯技术来提高交通运输系统的安全性、可管理性、运输效能同时降低能源消耗和对地球环境的负面影响。（2）智能物流：现代物流系统希望利用信息生成设备，如RFID设备、感应器或全球定位系统等种种装置与互联网结合起来而形成的一个巨大网络，并能够在这个物联化的物流网络中实现智能化的物流管理；（3）智能建筑：物联网技术为绿色建筑带来了新的力量。通过建立以节能为目标的建筑设备监控网络，将各种设备和系统融合在一起，形成以智能处理为中心的物联网应用系统，有效的为建筑节能减排提供有力的支撑。（4) 环境监测：通过对人类和环境有影响的各种物质的含量、排放量、以及各种环境状态参数的检测，跟踪环境质量的变化，确定环境质量水平，为环境管理、污染治理、防灾减灾等工作提供基础信息、方法指引和质量保证。第二章：v 自动识别技术的类别 （1）光符号识别、语音识别（2）虹膜识别（3）指纹识别（4）IC技术（5）条形码技术。v IC卡原理、特点、分类 原理：实际上是一种数据存储系统，如有必要还可附加计算能力。 特点：（1）存储容量大-几百个字符到百万个字符。 （2）安全保密性好-信息需要密码才能进行读取、修改和擦除。 （3）CPU卡具有数据处理能力，可以对数据进行加解密。 分类：（1）按芯片分类：存储器卡、CPU卡、逻辑加密卡； （2）其中CPU卡按与外界数据交换界面可分为接触式IC卡和非接触式IC卡，按应用领域可分为金融卡和非金融卡，按与外界数据传输形式分为串行通信卡和并行通信卡。v 条形码技术原理、特点、一维条形码类别、二维条形码类别。 技术原理：条形码是由一组规则排列的条、空以及对应的字符组成的标记。当使用专门的条形码识别设备如手持式条码扫描器扫描这些条码时，条码中包含的信息就转化为计算机可识别的数据。 特点:每种码制有其特定的字符集；每个字符占有一定的宽度；具有一定的校验功能等。同时还具有对不同行的信息自动识别功能、以及处理图形旋转变化等特点。 一维条形码类别；UPC码、EAN码、ITF25码、Code39码、Codabar码、ISBN码、Code128码、Code93码； 二维条形码类别：线性堆叠式二维码、矩阵式二维码、邮政码。v RFID技术原理与发展 技术原理：阅读器（可以通过标准网口、RS232串口或USB接口同主机相连，通过天线同RFID标签通信。有时为了方便，阅读器和天线以及智能终端设备会集成在一起形成可移动的手持式阅读器）。天线（同阅读器相连，用于在标签和阅读器之间传递射频信号。阅读器可以连接一个或多个天线）。标签（进入RFID阅读器扫描场以后，接收到阅读器发出的射频信号，凭借感应电流获得的能量发送出存储在芯片中的电子编码（被动式标签），或者主动发送某一频率的信号（主动式标签）。频率（是RFID系统的一个很重要的参数，它决定了系统工作原理、通信距离、成本、天线形状和应用领域等因素）。 RFID技术标准与技术联盟显示v RFID系统组成 RFID系统由五个组件构成，包括：传送器、接收器、微处理器、天线、标签。传送器、接收器和微处理器通常都被封装在一起，又统称为阅读器(Reader)，所以工业界经常将RFID系统分为为阅读器、天线和标签三大组件v RFID标签特点、RFID标签的存储方式、标签分类 标签特点：（1）体积小、形状多样；（2）耐环境性；（3）可重复使用；（4）穿透性强；（5）数据安全性。 标签存储方式：（1）电可擦可编程只读存储器（EEPROM）：一般射频识别系统主要采用EEPROM方式。这种方式的缺点是写入过程中的功耗消耗很大，使用寿命一般为100,000次；（2）铁电随机存取存储器（FRAM）: 与EEPROM相比，FRAM的写入功耗消耗减小100倍，写入时间甚至缩短1000倍。FRAM属于非易失类存储器。然而，FRAM由于生产方面的问题至今未获得广泛应用。（3）静态随机存取存储器（SRAM）: SRAM能快速写入数据，适用于微波系统，但SRAM需要辅助电池不间断供电，才能保存数据。 标签分类：（1）被动式标签（Passive Tag）：因内部没有电源设备又被称为无源标签。被动式标签内部的集成电路通过接收由阅读器发出的电磁波进行驱动，向阅读器发送数据。（2）主动标签（Active Tag）：因标签内部携带电源又被称为有源标签。电源设备和与其相关的电路决定了主动式标签要比被动式标签体积大、价格昂贵。但主动标签通信距离更远，可达上百米。工作模式有主动模式和唤醒模式。（3）半主动标签（Semi-active Tag）：兼有被动标签和主动标签的所有优点，内部携带电池，能够为标签内部计算提供电源。这种标签可以携带传感器，可用于检测环境参数，如温度、湿度、是否移动等。然而与主动式标签不同的是它们的通信并不需要电池提供能量，而是像被动式标签一样通过阅读器发射的电磁波获取通信能量。v RFID标签工作频率及各自特点 低频（LF）范围为30kHz-300kHz，RFID典型低频工作频率有125kHz和133kHz两个，该频段的波长大约为2500m。低频标签一般都为无源标签，其工作能量通过电感耦合的方式从阅读器耦合线圈的辐射场中获得，通信范围一般小于1米。 高频（HF）范围为3 MHz -30 MHz，RFID典型工作频率为13.56MHz,该频率的波长大概为22米，通信距离一般也小于1米。该频率的标签不再需要线圈绕制，可以通过腐蚀活字印刷的方式制作标签内的天线，采用电感耦合的方式从阅读器辐射场获取能量。 超高频（UHF）范围为300MHz-3GHz，3GHz以上为微波范围。采用超高频和微波的RFID系统一般统称为超高频RFID系统，典型的工作频率为：433MHz，860-960MHz，2.45GHz，5.8GHz，频率波长大概在30厘米左右。严格意义上，2.45GHz和5.8GHz属于微波范围。 超高频标签可以是有源标签与无源标签两种，通过电磁耦合方式同阅读器通信。通信距离一般大于1米，典型情况为4-6米，最大可超过10米。v RFID标签防冲突算法第三章：无线传感器网v 无线传感器的发展趋势特点无线传感器节点并没有像摩尔定律预测的速度发展，及无线传感器性能是缓慢提升。v 传感器组成、无线传感器节点的组成 传感器组成：一般由敏感元件、转换元件和基本电路组成。 无线传感节点的组成：电池、传感器、微处理器、无线通信芯片v 无线传感器网络概念 是由大量的静止或移动的传感器以自组织和多跳的方式构成的无线网络，以协作地感知、采集、处理和传输网络覆盖地理区域内被感知对象的信息，并最终把这些信息发送给网络的所有者。v 制约传感器性能提升的因素有哪些？（1）功耗的制约：无线传感节点一般被部署在野外，不能通过有线供电。其硬件设计必须以节能为重要设计目标。（2）价格的制约：无线传感节点一般需要大量组网，以完成特定的功能。其硬件设计必须以廉价为重要设计目标。 （3）体积的制约：无线传感节点一般需要容易携带，易于部署。其硬件设计必须以微型化为重要设计目标。 v 大规模长时间部署传感器的设计要求？（1）低成本与微型化（2）低功耗（3）灵活性和扩展性（4）鲁棒性v 传感器的按工作原理的分类（1）电参数传感器（电阻式、电感式、电容式传感器）（2）压电式传感器（3）光电式传感器（一般光电式、光纤式、激光式、红外式等）（4）热电式传感器（5）半导体式传感器（6）波式和辐射式传感器。v 微处理器的关键特性、通信芯片的重要指标 (1)微处理器关键特性:功耗特性、唤醒时间、供电电压、运算速度、内存大小。 (2)通信芯片的重要指标：睡眠功耗、唤醒时间、发射功率、接收灵敏度、接受功耗。v 常见的节点操作系统有哪些?TinyOS系统、Contiki OS系统、Mantis OS系统、Nanno-RK系统、SenSpire OS系统等。v 无线传感器网络中的选路指标-ETX（总传输次数） 传输成功每个包需要的总传输次数（ETX, Expected Transmission Count)：Link throughput =1/Link ETX 选路指标ETX的计算 课本P55；v 数据收集协议和数据分发协议 （1）数据收集协议：初始化阶段：网络中每个节点广播自己到汇聚节点的路径的ETX。每个节点收到广播包之后，依据邻居节点广播的路径ETX，动态选择父节点，使得自己到汇聚节点的路径ETX尽量小。经过不断更新，网络中的每个节点都能够选择到一条到汇聚节点ETX之和最小的路径。 （2）数据分发协议：Drip为每一个数据项分配一个版本号，版本号越高的数据为越新的数据。网络中每个节点周期性的广播关于一个数据项的版本信息。当一个Drip节点发现自己的数据需要更新时，则向邻居借点发送请求包。Drip节点在收到请求包后即广播关于被请求数据项的包。第四章：定位系统v 位置信息包括哪些方面？（1）所在的地理位置（2）处在该地理位置的时间（3）处在该地理位置的对象（人或设备）。v 现存的主流定位系统有哪些？GPS定位系统的组成部分 （1）卫星定位：GPS；（2）蜂窝基站定位；（3）室内精确定位；（4）WiFi基站定位；v 常见的定位技术有哪些？TOA、TDOA、RSS等（1）基于距离（时间）的定位（Time of Arrival, ToA）（2）基于距离（时间）差的定位（Time Difference of Arrival, TDoA）（3）基于信号特征的定位（Received Signal Strength, RSS）。v 每一种定位技术的特点及优缺点（1）ToA：特点：需要接收端特殊装置；缺点：需要参考点和测量目标时钟同步；（2）TDoA：特点：需要接收端特殊装置；优点：不需要参考点和测量目标时钟同步；缺点：参考点之间仍然需要时钟同步（3）RSS：缺点：需要事先建立精细的特征地图，不能应对动态变化。v LANDMARC定位法的特点 除了信号发送源，再布置一系列RFID标签作为参考标志；每个标志随时记录自己收到的RSS信号强度特征向量；将目标测得的信号特征向量与参考标志此时的特征向量进行比对，确定位置，误差在1m范围以内。v 室内定位有哪些技术方案 （1）一般不利用TOA、TDoA、AOA等技术，需要较贵的硬件支持，而一般采取基于RSS技术。（2）利用已有设备与网络：蓝牙，WiFi，ZigBee（部署方便、成本低、精度有限）（3）利用专门设备与网络：红外线、超声波、RFID、超宽带(UWB)等（精度高、部署成本高。）第六章：无线宽带网络v 无线网络的组成元素 （1）无线网络用户（2）基站（3）自组网（4）无线连接v 无线网络的类别、带宽分布等。 无线网络的类别（1）个域网（2）城域网（3）局域网（4）广域网v 无线网络的难点，多径传播等。（1）信号强度衰减：无线信号能量随着传输距离增长而减弱。（2）非视线传输：若发送者与接收者之间的路径部分被阻挡，则称其为非视线传输。无线信号可能会被阻挡物吸收或迅速衰减。（3）信号干扰：相同无线频段的信号会相互干扰，例如2.4GHz。外部环境的电磁噪声，例如微波炉、汽车、高压电线。（4）多径传播：无线信号由于阻挡物的反射和折射，到达接收端的时间可能略微不同。v Wifi技术标准 802.11v CSMA/CA协议工作原理。 是指即使侦听到信道为空，也为了避免冲突而等待一小段随机时间以后再发送数据帧。v 无线城域网的技术标准。 802.16a第七章 、无线低速网络v 常见无线低速网络协议有哪些？（1）红外(Infrared munication)（2）蓝牙(Bluetooth)通信协议（3）IEEE 802.15.4/ZigBee协议（4）体域网(Body Area Network) 协议（5）容迟网络(Delay/Disruption Tolerant Network)协议。v 蓝牙技术的背景与标准 蓝牙的标准：IEEE802.15.1标准v 蓝牙技术的特点（1）全球范围适用（2）同时传输语音数据（3）可建立临时对等连接（4）近距离通信（5）很好的抗干扰能力和安全性（6）设备功耗低，体积小v 蓝牙设备的工作模式（两种角色）蓝牙设备有两种可能的角色，分别为主设备和从设备。同一个蓝牙设备可以在这两种角色之间转换。v 蓝牙系统的组成 （1）天线单元（2）链路控制（固件）单元（3）软件（协议栈）单元（4）链路管理单元v Zigbee标准及特点 标准：IEEE 802.15.4 特点：（1） 低功耗（2） 低成本（3） 时延短（4） 网络容量大（5） 可靠（6） 安全v IEEE 802.15.4/ZigBee体系结构v ZigBee的设备类型及角色两种设备类型:精简功能设备(RFD)全功能设备(FFD)FFD 与RFD 的差别：FFD 有能力成为协调者并选取一个频道建立新的网络，而RFD 只能透过向协调者注册并连结后才能使用网络；另一个差别在于，并不是任何节点都有资格向协调者提出GTS使用申请，此节点必须属于FFD 才可向协调者要求保证传输时槽使用权。三种设备角色:端设备 End device (RFD or FFD)：只具有简单的收发功能，不能进行分组的转发。协调器 Coordinator (FFD)：通常通过发送信标实现与周围节点的同步，且具有转发分组的功能。网络协调器 PAN Coordinator (FFD)：为整个网络的主控节点，并且每个IEEE 802.15.4网络只能有一个网络协调点v ZigBee的网络拓扑结构类型（1） 星形网（2）网状网（3）树状网v ZigBee协议栈中MAC层设计，如何降低能耗？（1）低功率侦听协议（LPL，low power listening）：采样侦听、链路层调度（2）采样侦听：无线收发模块在没有数据的时候关闭、定时采样获取信道的信息。v ZigBee无线收发模块的工作特点1. 无线收发模块占据大部分的能量消耗。2. 无线收发器件（radio transceiver）工作时通常处于三种状态，发送，侦听和空闲状态。3. 空闲侦听（idle listening）：是指节点处于侦听状态，但是并未侦听到任何数据，从而浪费掉了能量。4. 空闲（idle）：空闲状态是指节点物理地关闭一些硬件功能，从而达到较低的能耗。v ZigBee网络层路由协议 网络层采用的基本路由协议是按需距离矢量路由协议（AODV）v 体域网概念及标准 （1）概念：体域网（wireless body sensor network , WBSN或BSN）是基于无线传感器网络（WSN）的，是人体上的或移植到人体内的生物传感器共同形成的一个无线网络，它不仅是一种新的普适医疗保健、疾病监控和预防的解决方案，还是物联网（Internet of things）的重要感知及组成部分。（2）标准：IEEE 802.15.6v 容迟网概念及典型应用领域 （1）概念：容迟网络(Delay Tolerant Network，DTN)：是指网络中端到端的路径通常很难建立，网络中消息传播具有很大延时，使得传统因特网上基于TCP/IP的协议、无线Ad Hoc网络中面向端到端的路由协议变得失效。DTN并不侧重于构建一种新的数据链路层，而是根据网络应用的特点，抽象出的一种新的网络结构。 （2）典型应用领域：深空监测、野生斑马研究、湖水质量检测、乡村通信、移动机会网络。第八章：移动通信网络v 了解移动通信发展历史v 蜂窝网络工作原理（1） GSM（一种蜂窝网络系统）后台网络系统包括以下模块系统：1）基站系统，包括基站和相关控制器2）网络和交换系统，也称为核心网，负责衔接各个部分3）GPRS核心网，可用于基于报文的互联网连接，为可选部分4）身份识别模块，也称为SIM卡，主要用于保存手机用户数据。（2） CDMA：它利用编码技术可以区分并分离多个同时传输的信号。它允许用户可以任何时刻在任何频段发送信号，对于冲突的信号，可以从混合信号中提取出期望的数据信号，同时拒绝所有其他的噪音信号。v 3G技术发展历史，3G技术标准有哪些？（2）3G技术标准：a.我国自主研究制定的TD-SCDMA标准；b. CDMA技术以其特有的优势为众多标准的基础 c. WCDMA d. CDMA2000v 3G技术在我国的发展情况中国移动获得TD-SCDMA牌照中国联通WCDMA中国电信获得CDMA2000牌照v 了解4G技术的发展情况第九章：大数据与海量存储v 网络存储分类、三种网络存储特点（1） 网络存储分类：a.直接附加存储（DAS）。b.网络附加存储（NAS）。c.存储区域网络（SAN）。（2） 网络存储特点：a.DAS ： 优点：管理容易，结构简单；缺点：集中式体系结构，不能满足大规模数据访问的需求；存储资源利用率低，资源共享能力差，造成“信息孤岛”。 b.NAS：优点：网络的存储实体，容易实现文件级别共享；缺点：性能严重依赖于网络流量，用户数过多，读写过频繁时性能受限。 c.SAN：优点：存储共享 、支持服务器从SAN直接启动，存储管理简化，存储容量利用率提高；缺点：无直接文件级别的访问能力，但可在SAN基础上建立文件系统。v 了解数据中心概念（1） 维基百科：“数据中心是一整套复杂的设施。它不仅仅包括计算机系统和其它与之配套的设备（例如通信和存储系统），还包含冗余的数据通信连接、环境控制设备、监控设备以及各种安全装置。”（2） Google：“多功能的建筑物，能容纳多个服务器以及通信设备。这些设备被放置在一起是因为它们具有相同的对环境的要求以及物理安全上的需求，并且这样放置便于维护。”v 了解数据中心技术（Hadoop、HDFS、MapReduce、Hbase等）（1） GFS（Google File System）的设计观念：组件失效不再被认为是意外，而是被看做正常的现象GFS的文件非常巨大对文件的操作具有特定的模式应用程序和文件系统API的协同设计提高了整个系统的灵活性。（2） MapReduce是一种针对超大规模数据集的编程模型和系统；用MapReduce开发出的程序可在大量商用计算机集群上并行执行、处理计算机的失效以及调度计算机间的通信。（3） BigTable是一种用来在海量数据规模下（例如包含以PB为单位的数据量和数千台廉价计算机的应用）管理结构化数据的分布式存储系统。（4） Apache开源组织的一个分布式计算开源框架；用于在大型集群的廉价服务器设备上运行的数据密集型分布式应用程序；在早期实际上是Google文件系统与MapReduce分布式计算框架及相关IT基础服务的开源实现。（5） Hadoop:最重要的三个组成部分分别是：HOFS（Hadoop Distributed File System），MapReduce，Hbase。a.其中HDFS是设计用来在大规模集群中存储海量数据文件的分布式文件系统，它的灵感来自于Google的GFS。b.Hadoop中的MapReduce实际上就是Google MapReduce的开源实现。c.Hbase是一种仿照Google BigTable的开源、分布式、面向列存储的数据库。第十章：数据库系统v 了解数据库发展历史（1） 早期的数据库系统： 导航式数据库；（2）关系数据库：RDBMSv 有哪些类型数据库系统导航示数据库：SABRE、IBM的IMS、Cullinet的IDMS等；关系数据库：美国加州大学伯克利分校开发的Ingres、IBM开发的System R等。v 当前主流的关系型数据库系统有哪些？微软的SQL Server、Sybase、Oracle、IBM的DB2。v NoSQL数据库有哪些？（1）键值(Key-Value)存储数据库(2) 列存储数据库(3) 文档型数据库(4) 图形(Graph)数据库v 关系数据库的一些基本概念（关系、元组等）关系数据库是一组具有不同名称的关系的集合;(1) 关系（Relation）:关系即数据库中的表 关系表仅是数据逻辑上的组织形式，物理上可以用B+树等数据结构进行索引 可以直观表达真实世界的物理量。(2) 属性（Attribute）：关系表的每一列称为一个属性，描述了数据某一方面的信息 表的每一列包含且仅包含一个属性的值 属性的值可以有多种整数、实数、日期时间等多种类型。(3) 域（Domain）：域是一组具有相同数据类型的值的集合 表中的任何属性都必须定义在域上。(4) 元组（Tuple）：关系表中的每一行都叫做一个元组 元组是关系的基本组成元素 在关系中，元组排列的顺序并不重要。(5) 度（Degree）：关系表包含的属性数目叫做度。(6) 基数（Cardinality）：关系表包含的元组数目叫做基数。(7) 模式（Schema）：关系的名称及其所含属性的集合统称为模式 用“关系名称（属性1，属性2，属性3，）”的方法来表示模式 属性在模式中的排列顺序是无序的。v 物联网数据的特点（1）海量性（2）多态性（3）关联性及语义性：v 了解SQL语言SQL（Structured Query Language）结构化查询语言是现代数据库中应用最广泛的查询语言。语法中支持的查询部分与关系代数十分接近。