《物联网工程概论》习题及思考题答案.doc

1-1简述物联网的定义，分析物联网的“物”的条件。
答：物联网是通过射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把各种物体与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现对物体的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。特别注意，物联网中的“物”，不是普通意义的万事万物，这里的“物”要满足以下条件：1、要有相应信息的接收器； 2、要有数据传输通路；3、要有一定的存储功能；4、要有处理运算单元(CPU)；5、要有操作系统；6、要有专门的应用程序；7、要有数据发送器；8、遵循物联网的通信协议；9、在世界网络中有可被识别的唯一编号。
1-2简述物联网应具备的三个特征。
答：一是全面感知，即利用射频识别技术(RFID)、传感器、二维码等随时随地获取物体的信息；二是可靠传递，通过各种电信网络与互联网的融合，将物体的信息实时准确地传递出去；三是智能处理，利用云计算，模糊识别等各种智能计算技术，对海量的数据和信息进行分析和处理，对物体实施智能化的控制。
1-4名词解释：RFID、EPC、ZigBee。
答：RFID即射频识别，俗称电子标签，一种自动识别技术，可以快速读写、长期跟踪管理，通过无线射频方式进行非接触双向数据通信对目标加以识别。
EPC(Electronic Product Code)，即产品电子代码，为每一件单品建立全球的、开放的标识标准，实现全球范围内对单件产品的跟踪与追溯。
ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通信技术。主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用。
1-5简要概述物联网的框架结构。
答：物联网可以简要分为核心层、接入层，软件核心层主要是应用服务层，硬件接入层包括网络传输层和感知控制层。感知控制层一般包括RFID感应器、传感器网关、接入网关、RFID标签、传感器节点、智能终端等，网络传输层包括无线传感器网络、移动通信网络、互联网、信息中心、网管中心等；软件应用服务层是为了管理、维护物联网以及为完成用户的某种特定任务而编写的各种程序的总和。

1-6分析物联网的关键技术和应用难点。
答：关键技术为RFID、无线网络技术、传感技术、人工智能技术。应用难点在于其技术标准问题、数据安全问题、IP地址问题、终端问题。
1-7举例说明物联网的应用领域及前景。
答：物联网应用领域很广，几乎可以包含各行各业。目前在环境保护、社区服务、商务金融等方面，例如“移动支付”、 “移动购物”、“手机钱包”、“手机银行”、“电子机票”等，前景广阔可观，应用潜力巨大，无论是服务经济市场，还是国家战略需要，物联网都能占据重要地位。
2-4 条形码分为几种？请简要说明每种条形码的特点。
答：条形码可以有一维的，还有二维条形码，黑条和空白的排列就代表了商品的产品属性等特征信息，
在EPC条形码的编码方式中在水平和垂直方向的二维空间存储信息的条码，称为二维条码（2-dimensional bar code），可直接显示英文、中文、数字、符号、图形；存储数据量大，可存放1k字符，可用扫描仪直接读取内容，无需另接数据库；保密性高（可加密）；安全级别最高时，损污50%仍可读取完整信息。
2-5 RFID系统基本组成部分有哪些？
答：RFID系统主要由应答器、阅读器和高层组成。其中应答器是集成电路芯片形式，而集成芯片又根据它的封装不同表现的形式也不太一样。阅读器用于产生射频载波完成与应答器之间的信息交互的功能。高层功能是信息的管理和决策系统。
2-6应答器的组成。
答：应答器的基本是由天线、编/解码器、电源、解调器、存储器，控制器以及负载电路组成。从应答器传送信息到阅读器，状态数据在CPU的控制下，从存储器中取出经过编码器和负载调制单元发送到阅读器
2-7 RFID产品的基本衡量参数有哪些？
答：RFID产品的基本衡量参数有工作频率、读取距离、读写速度、方向性、采用通信接口协议。
2-8 简述天线的工作原理。
答：天线是一种以电磁波形式把前端射频信号功率接收或辐射出去的装置，是电路与空间的界面器件，用来实现导行波与自由空间波能量的转化，在电磁能量的转换过程中，完成信息的交互。
2-10 请说出RFID天线主要分为哪几种？每种的特点如何？
答：RFID天线主要分为近场天线、远场天线、偶极子天线、微带贴片天线和电感耦合射频天线等。近场天线系统工作在天线的近场，标签所需的能量都是通过电感耦合方式由读写器的耦合线圈辐射近场获得，工作方式为电感耦合。对于超高频和微波频段，远场天线要为标签提供能量或唤醒有源标签，工作距离较远，一般位于读写器天线的远场。偶极子天线也称为对称振子天线，由两段同样粗细和等长的直导线排成一条直线构成。信号从中间的两个端点馈入，在偶极子的两臂上将产生一定的电流分布，这种电流分布就会在天线周围空间激发起电磁场。微带贴片天线通常是由金属贴片贴在接地平面上的一片薄层，微带贴片天线质量轻、体积小、剖面薄
3-1传感器的定义是什么?它们是如何分类的？
答：传感器是一种能把特定的被测信号，按一定规律转换成某种可用信号输出的器件或装置，以满足信息的传输、处理、记录、显示和控制等要求。根据不同的分类方式，有不同的分类。
3-3传感器的动态特性、基本概念及主要性能指标的含意是什么?
答：传感器的动态特性，是指其输出对随时间变化的输入量的响应特性。
3-4传感器的主要特性有哪些?
答：主要分为静态特性 和动态特性。衡量静态特性的重要指标是线性度、灵敏度、迟滞和重复性等。
3-6什么叫传感器？由哪几部分组成？它们的作用与相互关系怎样？
答：传感器由两个基本元件组成：敏感元件与转换元件。具体由下图所示：

3-10什么叫绝对湿度和相对湿度？
答：相对湿度，指空气中水汽压与饱和水汽压的百分比。绝对湿度指的是大气中水汽的密度，即单位大气中所含水汽的质量。
3-12超声波传感器的基本原理是什么？超声波探头有哪几种结构形式？
答：超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。超声波振动频率高于可听声波。由换能晶片在电压的激励下，发生振动能产生超声波。超声波对液体、固体的穿透能力强，在不透明的固体中它可穿透几十米的深度。超声波碰到杂质或分界面，会发生显著反射，形成反射成回波碰到活动物体能产生多普勒效应。超声波探头主要由压电晶片组成，既可以发射超声波也可以接收超声波。小功率超声探头多用来探测。它有许多不同的结构，可分直探头、斜探头、表面波探头、兰姆波探头、双探头等。
3-14温度传感器是怎么分类的？
答：水分子具有较大的电偶极矩。在氢原子附近有极大的正电场，因而它具有很大的电子亲和力，使得水分子易于吸附在固体表面并渗透到固体内部。利用水分子这一特性制成的湿度传感器称为水分子亲和力型传感器。而把与水分子亲和力无关的湿度传感器，称为非水分子亲和力型传感器。
3-16什么是气体的湿度？什么叫露点？
答：大气的干湿程度通常用绝对湿度和相对湿度来表示。露点：降低温度可使未饱和水汽变成饱和水汽。
3-17电容式湿度传感器的工作原理是什么？有什么特点？使用时应注意什么问题？
答：电容式湿度传感器的敏感元件为湿敏电容，主要材料一般为高分子聚合物、金属氧化物。这些材料对水分子有较强的吸附能力，吸附水分的多少随环境湿度而变化。由于水分子有较大的电偶极矩，吸水后材料的电容率发生变化。电容器的电容值也就发生变化。同样，把电容值的变化转变为电信号，就可以对湿度进行监测。
3-18超声波的基本特性？
答：它具有频率高、波长短、绕射现象小的特点，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等。
3-20从超声波的行进方向来看可分为哪两种基本类型？
答：超声波是一种在弹性介质中的机械振荡，有两种形式：横向振荡（横波）及纵向振荡（纵波）。

3-21气敏传感器的特性？
答：气敏传感器的特性主要有灵敏度；响应时间；选择性；稳定性；温度特性；湿度特性；电源电压特性。
3-23什么是超声波？
答：低于16Hz的机械波称为次声波高于2×104Hz的机械波．称为超声波。
4-1传感器节点在实现各种网络协议和应用系统时，存在哪些现实约束？
答：传感器节点在实现各种网络协议和应用系统时，存在以下一些现实约束。1.电源能量有限，传感器节点体积微小，通常携带能量十分有限的电池。由于传感器节点个数多、成本要求低廉、分布区域广，而且部署区域环境复杂，有些区域甚至人员不能到达，所以传感器节点通过更换电池的方式来补充能源是不现实的。2.通信能力有限无线通信的能量消耗与通信距离的关系为：其中，参数n满足关系2<n<4。n的取值与很多因素有关。在复杂的通信环境和节点有限通信能力的情况下，如何设计网络通信机制以满足传感器网络的通信需求是传感器网络面临的挑战之一。3.计算和存储能力有限传感器节点是一种微型嵌入式设备，要求它价格低功耗小，这些限制必然导致其携带的处理器能力比较弱，存储器容量比较小。
4-2举例说明无线传感器网络的应用领域。
答：传感器网络的应用前景非常广阔，能够广泛应用于军事、环境监测和预报、健康护理、智能家居、建筑物状态监控、复杂机械监控、城市交通、空间探索、大型车间和仓库管理，以及机场、大型工业园区的安全监测等领域。随着传感器网络的深入研究和广泛应用，传感器网络将逐渐深入到人类生活的各个领域。
4-3传感器节点由哪几部分组成？
答：传感器节点由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块四部分组成。传感器模块负责监测区域内信息的采集和数据转换；处理器模块负责控制整个传感器节点的操作，存储和处理本身采集的数据以及其他节点发来的数据；无线通信模块负责与其他传感器节点进行无线通信，交换控制消息和收发采集数据；能量供应模块为传感器节点提供运行所需的能量，通常采用微型电池。
4-4简述无线传感器网络各层协议和平台的功能。
答：协议栈包括物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层，与互联网协议栈的五层协议相对应。另外，协议栈还包括能量管理平台、移动管理平台和任务管理平台。这些管理平台使得传感器节点能够按照能源高效的方式协同工作，在节点移动的传感器网络中转发数据，并支持多任务和资源共享。各层协议和平台的功能如下：
l 物理层提供简单但健壮的信号调制和无线收发技术；
l 数据链路层负责数据成帧、帧检测、媒体访问和差错控制；
l 网络层主要负责路由生成与路由选择；
l 传输层负责数据流的传输控制，是保证通信服务质量的重要部分；
l 应用层包括一系列基于监测任务的应用层软件；
l 能量管理平台管理传感器节点如何使用能源，在各个协议层都需要考虑节省能量；
l 移动管理平台检测并注册传感器节点的移动，维护到汇聚节点的路由，使得传感器节点能够动态跟踪其邻居的位置；
l 任务管理平台在一个给定的区域内平衡和调度监测任务。
4-5无线传感器网络具有何显著特点？
答：无线传感器网络具有以下的特点：1.大规模网络2.自组织网络3．多跳路由4.动态性网络5.可靠的网络6.以数据为中心的网络7.应用相关的网络
4-6基于距离的定位的方法分为：基于TOA的定位、基于TDOA的定位、基于AOA的定位和基于RSSI的定位等，比较这四种方法的优缺点。
答：基于TOA的定位精度高，但要求节点间保持精确的时间同步，因此对传感器节点的硬件和功耗提出了较高的要求。TDOA技术对硬件的要求高，成本和能耗使得该种技术对低能耗的传感器网络提出了挑战。但是TDOA技术测距误差小，有较高的精度。AOA定位不仅能确定节点的坐标，还能提供节点的方位信息。但AOA测距技术易受外界环境影响，且AOA需要额外硬件，在硬件尺寸和功耗上不适用于大规模的传感器网络。在实验环境中RSSI表现出良好的特性，但是在现实环境中，温度、障碍物、传播模式等条件往往都是变化的，使得该技术在实际应用中仍然存在困难。
4-7无线传感器网络为什么要使用时间同步机制，时间同步机制的主要性能参数包括哪些？
答：在无线传感器网络系统中，单个节点的能力非常有限，整个系统所要实现的功能需要网络内所有节点互相配合共同完成。时间同步在无线传感器网络中起着非常重要的作用。在分布式系统中，不同的节点都有自己的本地时钟。由于不同节点的晶体振荡器频率存在偏差，以及温度变化和电磁波干扰等，即使在某个时刻所有节点都达到时间同步，它们的时间也会逐渐出现偏差，而分布式系统的协同工作需要节点间的时间同步，因此时间同步机制是分布式系统基础框架的一个关键机制。
传感器网络应用的多样性导致了对时间同步机制需求的多样性，不可能用一种时间同步机制满足所有的应用要求。传感器网络的时间同步机制的主要性能参数如下：（1）最大误差（2）同步期限（3）同步范围（4）可用性（5）效率（6）代价和体积
4-8无线传感器网络的安全研究要解决哪些问题？
答：无线传感器网络的安全和一般网络安全的出发点是相同的，都要解决如下问题：
（1）机密性问题。（2）点到点的消息认证问题（3）完整性鉴别问题（4）新鲜性问题（5）认证组播/广播问题（6）安全管理问题
4-9与传统网络的路由协议相比，无线传感器网络的路由协议具有哪些特点？
答：与传统网络的路由协议相比，无线传感器网络的路由协议具有以下特点：
（1）能量优先。（2）基于局部拓扑信息。（3）以数据为中心。（4）应用相关
4-10四种类型的路由协议分别是什么？
答：从具体应用的角度出发，根据不同应用对传感器网络各种特性的敏感度不同，将路由协议分为四种类型。四种类型的路由协议分别是：（1）能量感知路由协议。（2）基于查询的路由协议。（3）地理位置路由协议。
（4）可靠的路由协议。
4-11在设计无线传感器网络的MAC协议时，需要着重考虑哪几个方面？
答：在设计无线传感器网络的MAC协议时，需要着重考虑以下几个方面：
（1）节省能量。传感器网络的节点一般是以干电池、纽扣电池等提供能量，而且电池能量通常难以进行补充，为了长时间保证传感器网络的有效工作，MAC协议在满足应用要求的前提下，应尽量节省使用节点的能量。
（2）可扩展性。由于传感器节点数目、节点分布密度等在传感器网络生存过程中不断变化，节点位置也可能移动，还有新节点加入网络的问题，所以无线传感器网络的拓扑结构具有动态性。MAC协议也应具有可扩展性，以适应这种动态变化的拓扑结构。
（3）网络效率。网络效率包括网络的公平性、实时性、网络吞吐量以及带宽利用率等。
4-12在无线传感器网络中可能造成网络能量浪费的主要原因包括哪几方面？
答：可能造成网络能量浪费的主要原因包括如下几方面：
（1）如果MAC协议采用竞争方式使用共享的无线信道，节点在发送数据的过程中，可能会引起多个节点之间发送的数据产生碰撞。这就需要重传发送的数据，从而消耗节点更多的能量。（2）节点接收并处理不必要的数据。这种串音（over hearing）现象造成节点的无线接收模块和处理器模块消耗更多的能量。（3）节点在不需要发送数据时一直保持对无线信道的空闲侦听（idle listening），以便接收可能传输给自己的数据。这种过度的空闲侦听或者没必要的空闲侦听同样会造成节点能量的浪费。（4）在控制节点之间的信道分配时，如果控制消息过多，也会消耗较多的网络能量。

4-13按照采用固定分配信道方式还是随机访问信道方式可将传感器网络的MAC协议分为哪三类？
答：按照下列条件分类MAC协议：第一，采用分布式控制还是集中控制；第二，使用单一共享信道还是多个信道；第三，采用固定分配信道方式还是随机访问信道方式。按照第三种分类方法，将传感器网络的MAC协议分为三类：
（1）采用无线信道的时分复用方式（2）采用无线信道的随机竞争方式（3）其他MAC协议，采用频分复用或者码分复用等方式

4-14在传感器网络中，为什么要对网络进行拓扑结构控制与优化。
答：在传感器网络中，网络的拓扑结构控制与优化有着十分重要的意义，主要表现在以下几个方面：（1）影响整个网络的生存时间。（2）减小节点间通信干扰，提高网络通信效率。（3）为路由协议提供基础。（4）影响数据融合。（5）弥补节点失效的影响。

4-15传感器网络拓扑控制主要研究的问题是什么？
答：传感器网络拓扑控制主要研究的问题是：在满足网络覆盖度和连通度的前提下，通过功率控制和骨干网节点选择，剔除节点之间不必要的通信链路，形成一个数据转发的优化网络结构。具体地讲，传感器网络中的拓扑控制按照研究方向可以分为两类：节点功率控制和层次型拓扑结构组织。功率控制机制调节网络中每个节点的发射功率，在满足网络连通度的前提下，均衡节点的单跳可达邻居数目。层次型拓扑控制利用分簇机制，让一些节点作为簇头节点，由簇头节点形成一个处理并转发数据的骨干网，其他非骨干网节点可以暂时关闭通信模块，进入休眠状态以节省能量。

4-16 LR-WPAN具有哪些特点？
答：低速WPAN(LR-WPAN)是按照IEEE 802.15.4标准，为近距离联网设计的。IEEE 802.15.4标准包括工业监控和组网、办公和家庭自动化与控制、库存管理、人机接口装置以及无线传感器网络等。网络具有如下特点：
l 实现250kbit/s，40kbit/s，20kbit/s三种传输速率。
l 支持星形或者点对点两种网络拓扑结构。
l 具有16位短地址或者64位扩展地址。
l 支持冲突避免载波多路侦听技术（carrier sense multiple access with collision avoidance，CSMA-CA）。
l 用于可靠传输的全应答协议。
l 低功耗。
l 能量检测（Energy Detection， ED）。
l 链路质量指示（Link Quality Indication，LQI）。
l 在2450MHz频带内定义了16个通道；在915MHz频带内定义了10个通道；在868MHz频带内定义了1个通道。
4-18简述ZigBee协议与IEEE 802.15.4标准的联系与区别。
答：IEEE 802.15.4仅定义了物理层和MAC层的规范。基于IEEE 802.15.4标准的ZigBee技术是一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线通信技术。ZigBee协议栈建立在IEEE 802.15.4的PHY层和MAC子层规范之上。它实现了网络层和应用层。IEEE 802.15.4标准有IEEE负责制定，而ZigBee协议由ZigBee联盟制定。
4-19数据融合具有哪些显著特点。
答：数据融合具有如下4个显著特点：
1）信息的冗余性：同一个信号可能被不同传感器捕获，去除不必要的重复信息；
2）信息的互补性：一种传感器捕获一种特征，多种特征的结合将获得更全面信息；
3）信息处理的及时性：多传感器的并行采集与处理；
4）信息处理的低成本性：为获得准确信息，可用多种廉价的传感器协作来代替单个功能强大但高价的传感器。