目录
[第一章 物联网概述](#第一章 物联网概述)
[1.2 物联网的内涵](#1.2 物联网的内涵)
[1.3 物联网的特性------泛在性](#1.3 物联网的特性——泛在性)
[1.4 物联网的基本特征与属性（五大功能域）](#1.4 物联网的基本特征与属性（五大功能域）)
[1.5 物联网的体系结构](#1.5 物联网的体系结构)
[1.6 物联网的关键技术](#1.6 物联网的关键技术)
[1.7 物联网的应用领域](#1.7 物联网的应用领域)
[第二章 感知与识别技术](#第二章 感知与识别技术)
[2.1 传感器及检测技术](#2.1 传感器及检测技术)
[2.2 自动识别技术](#2.2 自动识别技术)
[第三章 无线传感网技术](#第三章 无线传感网技术)
[3.1 无线传感网概述](#3.1 无线传感网概述)
[3.2 WSN的基本结构与协议体系](#3.2 WSN的基本结构与协议体系)
名词解释汇总
|----------------------------------------------|-----------------------------|
| 缩写 | 含义 |
| IoT(Internet of Things) | 物联网 |
| RFID(RadioFrequency Identification) | 射频识别，俗称电子标签 |
| Wi-Fi (Wireless Fidelity) | 无线保真，俗称"无线宽带" |
| ZigBee | 紫蜂协议 |
| CSMA/CA | 载波监听多路访问/冲突避免 |
| WSN (Wireless SensorNetwork) | 无线传感网 |
| AIDS | 自动识别系统 |
| CAN(Control Area Network) | 控制器局域网络 |
| ESS | 扩展服务单元 |
| DS | 分配系统 |
| BSS | 基本服务单元 |
| DSP | 数字信号处理器 |
| ISM | 工业/科学/医用 |
| LLC | 逻辑链路控制 |
| MAC | 介质访问控制 |
| PMD | 物理媒体相关 |
| PLCP | 物理汇聚过程 |
| SAP | 服务接入点 D-SAP:数据服务 M-SAP管理服务 |
| APS | 应用支持子层 APSDE 数据服务 APSME管理服务 |
| AF | ZigBee应用框架 |
| ZDO | ZigBee设备对象 |
| OSAL | 操作系统抽象层 |
| M2M（Machine to Machine） | 机器对机器 |
| GPRS（General Packet Radio Service） | 通用分组无线服务技术 |
| GSM（Global System for Mobile Communications） | 全球移动通信系统 |
| A/D（Analog to Digital） | 模拟/数字转换 |
| MPU（Microprocessor Unit） | 微处理器 |
| HMI（Human - Machine Interface） | 人机界面 |
| PLC（Programmable Logic Controller） | 可编程逻辑控制器 |
| IPC（Industrial Personal Computer ） | 工业个人计算机 |
| IED（Intelligent Electronic device） | 智能电子设备 |
| RTU（Remote Terminal Unit） | 远程终端单元 |
| DTOA（Difference of Time of Arrival） | 到达时间差定位 |
| WLAN（Wireless Local Area Network） | 无线局域网 |
| AP（Access Point） | 接入点 |
| RTS（Request To Send） | 请求发送 |
| CTS（Clear To Send） | 清除发送 |
| ACK（Acknowledge character） | 确认字符 |
| FCS（Frame Check Sequence） | 帧校验序列 |
| MSDU（MAC Service Data Unit） | MAC服务数据单元 |
| MPDU（MAC Protocol Data Unit） | MAC协议数据单元 |
| PPDU（Physical Protocol Data Unit） | 物理层协议数据单元 |
| PSDU（Physical Service Data Unit） | 物理层服务数据单元 |
| NPDU | 网络层协议数据单元 |
| APDU | 应用层协议数据单元 |
| ED | 信道的能量检测 |
| LQI | 链路质量指示 |
| CCA | 空闲信道评估 |
| GTS | 保证时系 |
| CAP | 竞争访同时段 |
| CFP | 非竞争访问时段 |
| ARS | 自动识别技术 |
| FFD | 全功能设备；路由器 |
| RFD | 精简功能设备：终端设备 |
| OCR | 光学字符识别 |
| Bpsk | 二进制相移键控 |
| Qpsk | 正交相移键键控 |
| LF | 低频卡 |
| HF | 高频卡 |
| UHF | 超高频卡 |
| ISO | 国际标准化组织 |
| IEC | 国际电工委员会 |
| DTOA | 到达时间差法 |
| QoS（Quality of Service） | 服务质量 |
第一章 物联网概述
【重点关注物联网的基本概念、实质内涵、基本特征与属性；物联网与通信网、传感网的关系；物联网的三层体系结构和五大关键技术】
1.1 物联网的基本概念及演进
1、什么是物联网：
（1）物联网（Internet of Things）,即物-物相联的互联网。
①是利用互联网将多种物体连接起来；
②通过网络有效实现人与物、物与物的信息沟通与共享；
③能够实现智能化的数据融合管理；
④对物体进行实时监控。
（2）物联网的两层意思：
①第一，物联网的核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础上延伸和扩展的网络；
②第二，其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间进行信息交换和通信。
2、物联网的演进（物联网的基本思想出现于20世纪90年代）
（1）1995年，比尔 盖茨最早提出"物-物"相联的物联网雏形，只是当时受限于感知及无线网络技术的发展，并未引起重视。
（2）1999年，美国麻省理工学院自动识别中心，提出了基于RFID技术和互联网的"物联网"构想，指出物联网是指各类传感器和现有互联网相互衔接的一种新技术形式。
（3）2005年国际电信联盟发布了《ITU互联网报告2005：物联网》：世界上所有物体都可以通过因特网进行信息交换；
（4）2008年欧洲智能系统集成技术平台在《物联网2020》中分析预测了未来物联网的发展阶段。
（5）2009年美国政府首次提出了"智慧地球"的概念，其基础和核心就是物联网。新一代智慧型基础设施。
（6）2010年中国政府提出建设"感知中国"中心，并在同年3月，在第十一届全国人民代表大会第五次 会议上，物联网被首次写入《政府工作报告》。自此，中国各行业物联网的研究和发展如火如荼。
1.2 物联网的内涵
1、从不同视角来看待物联网(IoT)：
①从实体用户角度来看，物联网就是"物-物"相联、"物-人-信息-社会"相通、无处不在的智能泛在网。
②从技术角度来看，物联网那个就是通过"物-物"互联来实现对物理世界的感知，是通过智能终端、3C(Computer、Communication、Control)和Internet等多种技术的渗透、融合、集成、创新与应用，构造的一个覆盖世界上万事万物的网络，即物联网。
2、IoT实质内容包括四个方面
①通过嵌入在物品和设施中的感测设备，将现实的物理世界极大程度地数字化。
②通过对每一件物品的识别和预处理，将数据的虚拟事物联入信息网络。
③利用信息技术对数据进行整理、加工、分析、融合和挖掘等智能处理。
④根据智能处理的结果，对物品做出管理和监控，是多个闭环组成的识别、处理、控制和智能服务系统。
3、物联网和通信网、互联网、传感网的关系
①通信网是人和人之间的信息传输网络；
②互联网是人类信息共享的网络；
③传感网是通过多个传感器组成的物体信息感知网络；
④通信网和互联网是"人-人"互联与共享，传感器是"物-物"互联与共享；
⑤物联网是通信网、互联网和传感网的渗透与融合，重要的是感知，它是一个一感知为目的的共享网络。
1.3 物联网的特性------泛在性
（1）物联网时代，全球上可以实现任何人之间、 任何人和任何物、在任何时间和任何地点的互联互通，即可实现四A通信：Anyone，Anytime， Anywhere，Anything。
（2）物联网时代，物联网的泛在性预示着真实的物理世界与虚拟的信息世界之间共生的互联互通。
（3）物联网的泛在性将使人类由Internet进入IoT，由"E社会"进入"U社会"：
①E社会---电子社会(Electronic Society) 。自从 Internet诞生特别是电子商务和电子金融出现后，传统社会便转型为电子社会。特点是可实现"三A通信 (Anyone，Anytime，Anywhere" 。------"电子化"
②U社会---泛在社会( Ubiquitous Society )，可实现"四A通信(Anyone,Anytime,Anywhere，Anything )",即把社会中所有的物体都可以纳入通信的对象。------"数字化"
1.4 物联网的基本特征与属性（五大功能域）
（1）基本特征
"物"可以是现实物体，也可以是虚拟物体
"物"有身份，可以自动地被识别出来
"物"在环境中是安全的
"物"通过协议与其它物体、设施通信
"物"包含着现实世界与虚拟世界的交流
（2）共同特征
"物"利用自己的服务类型作为与其它物体的接口
"物"与"物"之间竞争资源、服务
"物"安装着传感器，可以和环境互动
（3）社会型"物"的特征
"物"可以和人及其它的物体、计算机设备交流
"物"之间可以合作，形成团体或网络
"物"可以发起交流通信
（4）自动化"物"的特征
"物"可以自动处理任务
"物"可以协商、理解、适应所在的环境
"物"可以从环境中提取所需的模式，或者向其它物体学习
"物"可以通过自己的理解能力做出决定
"物"可以有选择地处理和传播信息
（5）物体的自我复制和控制能力
物"可以制造、管理、毁坏其它物体
1.5 物联网的体系结构
1、根据物联网的属性和应用特征，其体系架构分为三层：感知层（底层）、网络层（中间）和应用层（顶层）
（1）"感"---感知层，即全面的信息感知，是物联网的皮肤和五官，通过传感器、RFID、智能卡、条形码、人机接口等多种信息感知设备，解决数据获取和入网问题 。
（2）"知"---网络层，是物联网的神经中枢和大脑，解决信息的可靠传输问题 。
（3）"行"---应用层，即各行各业的应用平台，相当于物联网的社会分工，主要解决信息智能处理和人机界面 的问题。
2、"感"、"知"、"行"三者为互相循环关系
1.6 物联网的关键技术
1、感知与识别技术
（1）概念：感知与识别技术是指对各类物体的识别和信息获取技术，是物联网的信息源头和最底层的核心技术。
（2）特点：利用多种传感器、RFID、条形码、摄像头、智能设备等来全面感知物体的各种信息 ，具有节点数量多、成本低、计算能力弱等特点------"发现或被发现"
①传感器：是能够感受表征物体特征的非电物理量（如温度、压力等），并按照一定规律转换成易于测量、传输和处理的电量（如电流、电压等）的一种器件
或装置。主要完成信息检测任务。
②条形码：是指由一组规则排列的条、空及其对应字符组成的标识，用以表示商品信息，是识别商品的"身份证"。条形码编码原则：遵循全球唯一性原则。有三种：一维条码、二维条码和三维条码。
a、一维条形码：只是在一个方向（一般是水平方向）表达信息，而在垂直方向则不表达任何信息。特点是信息录入快，差错率低，但数量容量较小，容易损坏且不能还原。
b、二维条形码:在水平和垂直方向的二维空间都存储信息。其特点是信息密度高、容量大，能防错纠错，及时部分损坏，也能将正确的信息还原出来，且适用于多种阅读器。
c、三维条形码：在二维条码的基础上，加入色彩或者灰度作为第三维，得到不同灰度或者具有不同色彩的三维条码。具有明显的优点，存储信息量大，清晰度，质量高等。
③RFID:是Radio Frequency Identification的缩写，属于为射频识别。俗称电子标签。
a、组成：标签（射频卡）、阅读器、天线
b、工作原理：
标签：附着在物体上，存储着物体的唯一标识和相关数据；
阅读器：通过RF天线发送射频信号激活标签，并读取标签中的数据；
计算机控制端（应用系统）：则负责处理这些数据，实现物体的追踪、管理和控制
c、优势：长距离（可以从几厘米到十米不等）；高数据容量、快速识别、耐用性高（防水防尘等）
2、网络传输技术
网络传输技术： 主要是指各种信息与互联网的组网、融合、传输和接入技术。包括移动4G/5G、Internet 、Wi-Fi、ZigBee、蓝牙技术、异构互联、协同技术、M2M等。从信号传递的形式来说分为有线网络及无线网络。
①**有线网络：**互联网、有线电话网（电信网）、有线电视网、现场总线等
②无线网络： 根据不同的应用有多种，如手机/GPRS网络、Wi-Fi、ZigBee、蓝牙 等。
3、无线传感网技术
（1）无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN），简称无线传感网。
（2）无线传感网的组成：
①是由有限或无限多个体积小巧的传感器节点组成；可以感受环境参数变化
②每一个节点都是微型计算机，可以将收集到的信息转化成为数字信号；
③通过自组织无线网络发送给具有更大处理能力的服务器。
（3）各种节点：
①传感器节点：随机分布自组织构成网络，感知环境信息，多跳路由到汇集节点。
②数据链路：由监测区域中的部分节点组成，直接将数据传送至Sink（网关、基站），最终传送到监控中心。
③汇集节点：是网络协调员，负责监控中心认证和消息缓冲，将接收到的数据进行融合、压缩及异构互联；最后通过Internet、卫星通信、移动通信等方式传送到监控中心。
④管理节点：对数据进一步加工、分析、处理和显示；同时，用户也可以通过监控中心发布控制命令，通知传感器节点收集指定区域的监测信息。
4、智能处理技术
（1）概念：是利用智能控制、嵌入式系统、云计算、大数据、区块链、人工智能和智能制造等高端智能技术，完成各种智能计算、海量数据挖掘与处理和智能化控制等智能服务功能。
（2）名词解释
①智能控制：就是通过智能机自动地完成其目标的控制过程。
②嵌入式系统：是嵌入到对象体系中的专用计算机系统。
③云计算：是一种海量数据并行运算体系。
④大数据：是指所涉及的数据规模非常巨大，需要通过新处理模式才能使之成为人类所能解读的数据集合。
⑤人工智能：是研究使计算机来模拟人的某些思维过程和智能行为（如学习 、推理、思考、规划等）的技术。
（3）物联网、云计算、大数据、人工智能的关系：
物联网是在数据的采集层，云计算是在承载层，大数据是在挖掘层，人工智能是在学习层，它们是层层递进的关系。
**物联网：**解决的是感知真实的物理数据，也就是将物理实体数字化；
**云计算：**解决的是提供强大的算力去承载这个数据；
**大数据：**解决的是对海量数据进行挖掘和分析，把数据变成信息；
人工智能：解决的是对数据进行学习和理解，把数据变成知识和智慧。
5、安全技术
（1）由于物联网安全的挑战不断加大，因此需要技术和生产同时来解决这些问题
（2）相较于传统的互联网安全机制，哪些安全要素是现在需要关注的？
①基础能力：密码算法、完整校验、时间基准、安全管理
②应用安全：身份鉴别、资产安全、隐私保护、访问控制、安全审计
③平台安全：边界防护、准入控制、系统安全、服务安全
④网络完全：身份认证、协议安全、异构网络、合规接入
⑤感知安全：安全启动、加密传输、密钥管理机制、物理安全、系统/固件安全、可信环境、旁路攻击保护、权限管控、介入安全
⑥安全防护：防暴力破解、入侵检测、APT检测、溯源分析、防病毒防木马
1.7 物联网的应用领域
1、华为"1+8+N"物联网全场景战略
（1）面向万物互联的智联世界，华为公司打造了物联智能体，其分为四层，分别为智能的感知层、智能的连接层 、智能的中枢层和智能的应用层；
（2）华为物联网战略聚焦在四大基础底座上做好三个连接：
p①首先是连接设备，华为利用在无线和有线通讯领域中心的各项连接技术连接当前的各类设备、各类终端，把数据接进去、采集出来。
p②第二是在五十多个行业中，从行业的应用到行业的连接，以及到行业的各个厂家设备之间的应用，把行业连接起来。
p③第三是把生态连接起来，各个行业都存在着成百上千家企业，把这些企业通过四层物联智能体架构，助力各个行业智能化发展。
2、我国的物联网应用领域主要有智慧医疗、智能交通、环境保护、征服工作、公共安全、平安家居、智能消防、工业监测、机械制造等。
第二章 感知与识别技术
【重点关注传感器的组成、工作原理； RFID 的组成及功能， RFID 系统的工作原理】
引言：感知层与外界环境最接近，是物联网的基础。感知层要解决的是数据的获取问题
2.1 传感器及检测技术
1 、传感器技术
（1）传感器的定义：
①传感器（Sensor或Transducer）是一种装置或器件。
②国家标准GB 7665-87给传感器的定义是："能够感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可输出信号的器件或装置。"
③
（2）传感器的组成及基本原理
①
②传感器一般由敏感元件、转换元件和变换电路3部分组成。
敏感元件：直接感受被测量并输出与被测量性质相同、有确定关系的物理量的元件。
转换元件：传感器的核心元件，它把敏感元件感知的非电量转换为电信号。
变化电路：将转换元件输出的电量，变换成适用于传输或被测量的标准电信号。
（3）传感器的分类
①按输入被测量分类：
②按工作原理分类：
③按敏感元件与被测对象之间的能量关系分类：
④按信号变换特征分类：
⑤按输出信号分类：
（4）常见普通传感器及工作原理
①温度传感器
a、温度传感器主要由热敏元件组成。
b、热敏元件是利用某些物体的物理性质随温度变化而发生变化的敏感材料制成。如：热敏电阻。
c、热敏电阻 的材料是半导体；其阻值会随着温度的升高而减小，具有负温度系数；敏电阻能够把温度这个物理热学量 转换成为电阻这个电学量。
②光照传感器
a、光照传感器主要由光敏元件组成。
b、光敏元件是利用某些物体的物理性质随光照强度变化而变化的敏感材料制成。如：光敏电阻。
c、光敏电阻 的材料是半导体（如硫化镉）；其阻值会随着光照强度的升高而减小；光敏电阻能够把光照强度这个物理光学量 转换成为电阻这个电学量。
③电容式位移传感器
a、电容式位移传感器能够把物体位移 这个力学量转换为电容这个电学量。
b、
④力敏元件：利用半导体材料的压阻效应（即对其某一方向施加压力，其电阻率就发生变化）和良好的弹性，广泛用于压力、加速度等物理力学量的测量。
⑤气敏元件：常用的主要有接触燃烧式气体传感器、电化学气敏传感器和半导体气敏传感器等。
⑥磁敏元件：指特性参数随外界磁性量变化而明显变化的敏感元件。典型的有霍尔器件。
（5）传统传感器与现代传感器
①传统传感器的局限性：体积、制造成本、数字化、信噪比、数据处理能力、智能化
②现代传感器：通过微电子机械系统MEMS加工技术产生的新一代传感器件，具有集成化、信噪比高、灵敏度高、微型化、低成本等特点，极大地提高了传感器性能。现代传感器特点：体积更小、一体化、成本更低、智能、网络化
a微型传感器：
• 体积小：体积只有传统普通传感器的几十分之一乃至几百分之一，面积大多在1mm^2以下。
• 在许多领域得到了越来越广泛的应用。目前常用的有力和压力微传感器、速度与加速度微传感器、热微传感器、磁微传感器、化学微传感器、生物微传感器、光电微传感器、以及声表面波微传感器等。
b智能传感器
• 是传感器集成化与微处理机相结合的产物，具有信息采集、处理和交换能力。
• 将传感器敏感元件、信号调理电路、微处理器及数字信号接口电路集成在一块芯片上构成。
• 大多应用于工业领域：航空、机器人等。
c数字传感器
• 基于模拟传感器基础上，集成了A/D转换器、CPU处理等相关功能模块，输出为数字量 (或数字编码)的传感器。
• 采用标准数字通信接口，可直接连入计算机或控制总线。
• 稳定性和抗干扰能力更强；
d一体化传感器
• 将若干种敏感元件组装在同一种材料或单独一块芯片上的一体化传感器。
• 突出特点：能同时实现多种物理量的检测功能
e网络传感器
• 是利用TCP/IP协议，使现场测控数据就近接入网络；
• 并与网络上有通信能力的节点直接进行通信；
• 实现数据的实时发布与共享。
2 、智能检测系统
（1）通过传感器得到了外界物理世界的信号，信号要送到哪里去呢？该怎么使用呢？物理世界------》传感世界------》检测系统------》应用系统
（2）自动检测系统是科学实验和生产生活中对被监测对象进行传递处理的一系列设备的总称
（3）检测技术是以信息与自动化技术的基础，涉及信息提取、转换和处理等技术。
（4）检测系统的组成
①传感器：信号的提取
②调理电路：信号的预处理（整形、放大和滤波）
③信号转换电路：A/D、D/A及其它转换元件
④数据处理：微处理器（单片机、微控制器、数字信号处理器DSP）
⑤信号的传输及接口电路：串行（RS232、RS485）、现场总线或Ethernet等
（5）检测系统的分类
①以单片机为核心的智能检测仪器
②以PC机为核心的自动测试系统和专家系统
2.2 自动识别技术
1、自动识别技术机器分类
（1）自动识别技术的定义
自动识别技术就是应用一定的识别装置------自动识别系统AIDS，通过识别装置与物品的接近、自动地获取别识别物品的相关信息，并提供给后台的计算机处理系统来完成相关后续处理的一种技术。
（2）自动识别技术的基本类型及发展
（3）磁卡识别技术
①磁卡识别是技术是最早使用的卡类信息识别技术，是以具有信息存储功能的特殊材料，如液体磁性材料或磁条为信息载体，将磁性材料涂印在基片上（如存折）或将宽约614mm的磁条压贴在基片上（如常见的银联卡）通过高温热压缩形成的一种卡片状的磁性记录介质，与各种读卡器配合使用。
②优点：可方便地写入、储存、改写信息内容，信息读写相对简单容易，使用方便，成本低等，从而较早地获得了发展。
③缺点：容易磨损和被其他磁场干扰，作为银行卡，其安全性相对较差。
④磁卡识别技术的工作原理：
磁卡识别技术是通过读卡器读取条中的数据来实现的，ISO7811规定了磁条卡上三条磁道的数据格式和记录信息的位置。
（4）IC卡识别技术
①IC卡的基本认识：将集成电路芯片镶嵌于塑料基片的指定位置上；利用集成电路的可存储性，保存、读取和修改芯片上的信息。
②IC卡的类型：
按照数据传送形式不同，分为IC卡有接触式和非接触式两种。
接触式IC卡的芯片金属点暴露在外，可以直观看见，数据存储在卡体内嵌的集成电路中，通过芯片上的8个触点可与读写设别接触。交换信息。目前使用的IC卡多属这种。
非接触式IC卡又称"无触点IC卡"或"射频卡（FR卡）"，由IC芯片、感应天线组成，封装在一个标准的PVC卡片内，芯片及天线无任何外露部分
③IC卡的工作原理：
a、读卡器是一台发射器，向外发射电磁波，"询问"附近的IC卡。如有多张IC卡同时应答，则分别处理。
b、IC卡的天线收到电磁波，产生感应电流，经二极管整流，在C2两端产生2V电压供芯片工作，并向读写器报告本卡的相关信息。
c、读卡器接收到来自IC卡的数据信号，并发出操作指令（应答或者对IC卡扣款）
（5）光学字符识别技术
①光学字符识别(OCR)：是指通过电子设备，如扫描仪或数码相机等，对文本资料进行扫描，然后对图像文件进行分析处理，获取文字及版面信息的过程。
②具体含义：利用扫描仪或数码相机检查纸上打印的字符，通过检测光线暗、亮的模式确定其形状，然后用字符识别的方法将形状翻译成计算机文字。
③识别过程：图像输入、预处理、版面分析、字符切割、字符识别、后处理，最后经人工文稿校正，输出结果。
（6）生物识别技术
①生物识别技术：是指依靠人的身体特征来进行身份验证的对人的自动识别方法。
②身体特征：包括指纹、声音、面部、骨架、视网膜、虹膜和DNA等人体的生物特征，以及签名的动作、行走的步态、击打键盘的力度等个人的行为特征
③常用的有：语音识别、指纹识别、人脸识别、视觉识别等技术。
2、条码识别技术
（1）条码技术：将多个黑色条和空白条，按照一定的编码规则排列，用以表达一组信息的图形标识符。条形码的编码遵循唯一性原则。
（2）一维条码只在一个方向表达信息（一般是水平方向）
①是由一个接一个的"条"和"空"排列组成；靠条和空的不同宽度和位置来表达信息；
②这种由条、空组成的数据编码可以供机器识读，而且很容易译成二进制和十进制数；
（3）一维条码的组成要素
①条：条码中反射率较低的部分，一般印刷的颜色较深；
②空：条码中反射率较高的部分，一般印刷的颜色较浅；
③空白区：条码左右两端外侧与空的反射率相同的限定区域
④起始符：位于条码起始位置的若干条与空
⑤终止符：位于条码终止位置的若干条与空
⑥中间分隔符：位于条码中间位置的若干条与空
⑦条码数据符：表示特定信息的条码符号
⑧校验符：表示校验码的条码若干条与空
⑨供人识别字符：位于条码符的下方，与相应的条码相对应的、用于供人识别的字符
（4）一维条码的编码规则
①现在世界上约有255种以上的一维条码，广泛使用的有EAN码
②EAN码是国际物品编码协会（INTERNATIONAL ARTICLE NUMBERING ASSOCIATION）在全球推广应用的商品条码。
a连续定长的纯数字型条码；
b EAN码有两种版本，标准版和缩短版
c 标准版由13位数字组成，称为EAN-13码
d缩短版由 8位数字组成，称为EAN-8码
③
3、RFID 射频识别技术
（1）射频识别（RFID）系统的组成结构
①射频识别（RFID）技术，俗称电子标签；RFID是一种非接触、双向通信、简单方便的自动识别技术；
②系统的组成：电子标签（Tag）、阅读器（Reader）、射频天线(Antenna)以及后台处理计算机（Processor）4部分组成
③电子标签（Tag）
a电子标签，也称射频卡，或应答器（Transponder），装设在被识别物体中； 是射频识别系统的数据载体，存储着被识别物体的相关信息；具有读写和加密通信功能，通过无线电波与读写设备通信；
b电子标签的分类
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| 分类方式 | 种类 | 说 明 |
| 供电方式 | 无源卡 | 卡内无电池，利用波束供电技术将接收到的射频能量转化为直流电源为卡内电 路供电，作用距离短，寿命长，对工作环境要求不高 |
| | 有源卡 | 卡内有电源，作用距离较远，体积较大、成本高，且不适合在恶劣环境下工作 |
| 载波频率与作用距离 | 低频卡（LF） | 主要有125kHz和134kHz两种，常用于短距离、低成本应用中，如门禁等。 |
| | 高频卡（HF） | 频率为13.56MHz，用于门禁控制和需传送大量数据的应用系统。 |
| | 超高频卡（UHF） | 频率为433 MHz、915 MHz、2.45 GHz、5.8 GHz等，应用于需要较长读写距离和 高读写速度的场合，如火车监控、高速公路收费、以及供应链管理。 |
| 调制方式 | 主动式 | 用自身的射频能量主动地发送数据给阅读器。 |
| | 被动式 | 使用调制散射方式发射数据，它必须利用阅读器的载波调制自己的信号。 |
| 作用距离 | 密耦合卡 | 最小1cm（密耦合卡），最远10m甚至更远（远距离卡） |
| 芯片 | 只读卡 | 只读，唯一且无法修改的标识、价格低 |
| | 读写卡 | 可擦写，可反复使用，价格较高 |
| | CPU卡 | 芯片内部包含CPU、存贮单元、I/O接口单元。存储容量大，价格高 |
④阅读器（Reader）
阅读器，也称查询器，或读写器等，读取或写入电子标签信息的设备；主要职责：连通主机和电子标签的中间设备，将主机的读写命令加密后发送到电子标签，也将电子标签返回的数据解密后送到主机。
⑤天线（Antenna）：以电磁波的形式发射和接受信号的装置
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| 发射频率 | 说 明 |
| 低频（LF） | 主要有125kHz和134kHz两种，常用于短距离、低成本应用中，如门禁等。 |
| 高频（HF） | 频率为13.56MHz，用于门禁控制和需传送大量数据的应用系统。 |
| 超高频（UHF） | 频率为433 MHz、915 MHz等，应用于需要较长读写距离和高读写速度的场合，如火车监控、高速公路收费、以及供应链管理。 |
| 微波频段 | 频率为2.45 GHz，远距离 |
⑥RFID中间件技术
RFID中间件：连接RFID阅读器和用户应用程序的一组通用的应用程序接口（API）。
读写适配器：提供通用标准的阅读器应用接口，消除不同阅读器与API之间的差别。
事件管理器：是进行数据预处理，按照规则取得制定的数据。
应用程序接口：提供基于标准的服务接口，为RFID数据的收集提供应用程序层语义，以满足大量应用的需要。
（2）射频识别技术的工作原理
①读写器发出射频信号,产生磁场
②标签进入磁场后， 接收解读器发出的射频 信号，产生感应电流
③电子标签内的芯片被激活将数据传送至天线
④天线反射信号,回传信息至读写器
⑤读取信息并解码送至中央信息系统进行有关数据处理
（3）射频识别（RFID）的技术标准
①主要问题：
a合法的频率范围：读卡器与电子标签通信的无线电频率使用规范；
b空中接口标准：规定电子标签与读卡器之间的空中信息交换所需 的基本约定；
c其他标准，如数据格式定义，接口与应用
②解决方案：制定对应的标准体系
a射频识别标准化是指：制定、发布和实施射频识别标准，解决编码、
数据通信和空中接口等共性需求问题；
b促进射频识别在全球跨地区、跨行业和跨平台的应用。
③
④ISO/IEC标准体系：【ISO：国际标准化组织 IEC：国际电工委员会】
|--------------------------------|-----------------------|
| ISO/IEC l5961（数据协议/应用接口) | 规定了应用层命令与数据之间的数据交换标准 |
| ISO/IEC l5962（数据编码规则和逻辑存储功能协议） | 规定了数据的编码格式压缩格式 |
| ISO/IEC 24753（数据处理能力扩展） | 规定扩展了具有辅助电源和传感器功能的场景 |
| ISO/IEC 18000-n（空中接口参数） | 规定了信号形式、命令格式、多标签碰撞协议等 |
| ISO/IEC 15963（射频标签的唯一标识） | |
（4）射频识别的通信协议分析
①协议格式
②协议字段含义
|---------|-------------------------------------------------------|
| 字段 | 说 明 |
| SYNC | 通信协议同步帧，两个字节，固定为0xff 0x55 |
| ID | 从设备地址，主机通过设定从设备地址，将通信内容发送给从设备，当ID等于0xFF 0xFF时，表示是广播方式 |
| Command | X1 主命令，X2从命令，协议的核心内容 |
| Size | 数据段大小，一个字节，最大0xFF |
| Data | 数据区 |
| CRC | CRC16校验值，校验段：ID+Command+Size+Data |
③Command字段
|-----------|-------|------------------------|
| Command字段 | | 说 明 |
| X1主命令 | X2从命令 | 主命令0x00为系统定义功能区，用户不能添加 |
| 0x00 | 0x00 | 关闭CRC16校验 |
| | 0x01 | 使能CRC16校验 |
| | 0x02 | 查询设备信息 |
| | 0x03 | Ping从设备 |
| | 0x04 | 设置设备ID |
|-----------|-------|---------------------------|
| Command字段 | | 说 明 |
| X1主命令 | X2从命令 | 主命令非0x00为用户定义功能区，用户可以自己定制 |
| 0x01 | | 查询主命令 |
| 0x02 | | 设置主命令 |
| 0x03 | | 数据传输主命令 |
| 0x04 | | 从机随机发送 |
④T5557射频卡通信协议分析示例
|-----|-----|------------------------------------|-----------------------------------------------------|
| 主命令 | 从命令 | 描述 | 样例 |
| 01 | 01 | 读取低频卡信息 | FF 55 00 00 01 01 00 50 74 |
| 响应 | | 返回数据长度为01，为错； 返回数据长度为08，说明读取 到卡号信息 | FF 55 00 00 81 01 08 07 A8 5 0 32 49 5A 05 70 42 53 |
| 02 | 04 | 低频初始化卡片（无密码） | FF 55 00 00 02 04 00 00 87 |
| 响应 | | 返回数据域为0，说明操作成功 返回数据域为1，说明操作失败 | FF 55 00 00 82 04 01 00 EE 33 请尝试写出失败时返回的数据串 |
| 02 | 05 | 低频卡加密 | FF 55 00 00 02 05 04 12 34 5 6 78 91 A3 |
| 响应 | | 返回数据域为0，说明操作成功 | 请尝试填写返回的数据是什么？ |
| 02 | 06 | 低频卡密码清除 | FF 55 00 00 02 06 04 12 34 5 6 78 A2 A3 |
| 响应 | | 返回数据域为0，说明操作成功 | 请尝试填写返回的数据是什么？ |
（5）RFID技术与传统条码识别技术比较
|-----------|------------|-------------------------------|
| | 条码 | RFID |
| 扫描方式 | 1次扫描1个条码 | 可同时辨别和识读数个RFID标签 |
| 数据量 | 标签存贮信息有限 | 标签体积小型化，形状多样化、数据记忆量大 |
| 使用 | 条码印刷后无法更改 | 可重复读、写、修改数据 |
| 抗污染能力和耐久性 | 受污染及潮湿影响严重 | 对水、油化学药品抵抗力强，数据存贮。在芯片中，几乎不受影响 |
| 读取距离 | 近距离且无物体阻挡 | 能够进行穿透性阅读和识别 |
| 识别速度 | 低 | 快 |
| 成本 | 低 | 高 |
（6）RFID技术的典型应用
|--------|----------------------------------------------------------------------------------------|
| 应用领域 | 说明 |
| 物流业 | RFID技术为物流过程中的货物清点、查询、发货、追踪、仓贮、配送。 以RFID技术为核心的集装箱自动识别，全球范围最大的货物管理应用领域 |
| 交通系统 | RFID技术可用于智能交通管理，出租车管理，公交枢纽管理，铁路机车识 别等。铁路车号自动识别是RFID技术最普遍的应用，高速公路自动收费系统是RFID技术最成功的应用之一。 |
| 动物跟踪管理 | 采用RFID技术建立饲养、预防、接种档案等，实现动物训养、牲口畜牧、宠物识别等自动化跟踪与管理 |
| 医疗 | RFID技术可用于病人健康实时监测、远程诊断、身份识别等。 |
| 防伪 | RFID标签可用于贵重物品的防伪，票证的防伪等。 |
| 食品 | RFID技术可用于水果、蔬菜、生鲜、食品等跟踪与保鲜管理。 |
|----------------|-------|------|---------------------|-----------------------------|
| 频段 | 读写距离 | 通讯方式 | 应用场合 | 技术标准 |
| 低频135KHZ | 1m以下 | 电感耦合 | 1动物识别与监控 2货物、防盗管理 | ISO1800-2 ISO11784/ 11785 |
| 高频13.5MHZ | 3m以下 | 电感耦合 | 1门禁系统 2废弃物管理 3智能卡系统 | ISO1800-3 ISO15693 ISO14443 |
| 超高频860~960MHZ | 10m以下 | 电磁传播 | 1全球供应链管理 2集装箱追踪 | ISO18000-6 ISO18000-7 |
| 微波2.45或5.8GHZ | 大于10m | 电磁传播 | 1车辆识别 2区域定位 | ISO1800-4 |
（7）基于物联网RFID技术的智能门禁系统
请参考另一个博客物联网实验------
a、系统硬件设计
①主控制器模块是整个系统的核心，其主要功能是连接各模块、处理其他模块传送的数据，并控制继电器模块。
② RFID 射频识别模块由非接触式IC卡和射频读写器模块两部分组成。
③ WIFI模块实现门控装置和系统管理平台的数据传输。
④ 电磁锁模块是由继电器模块和电磁锁组成。继电器实现电磁锁的通断电来控制门锁的打开与关闭。
a、系统软件设计
主要功能： 读IC 卡；控制门锁状态；通过WIFI网络连接其他系统；上传数据
4、无线定位技术
（1）定位:查询和确定目标的位置信息。------我要找到你，还要能描述你的位置；
（2）无线定位技术:用来判定移动用户位置的测量和计算方法，即通过对接收到的无线电波的一些参数进行测量，再利用定位算法计算出被测目标的具体位置。
（3）定位技术的分类
（4）无线室外定位技术
宇宙空间部分：由24颗人造卫星构成，均匀分布在6个轨道面上，每个平面4颗卫星，使得地球表面任何地方在任一时刻都有至少6颗卫星在视线之内（含备用卫星）。 地面监控系统：由1个主控制站（位于美国科罗拉多州）、6个监测站、4个地面天线组成。负责收集由卫星传回的信息，并计算卫星星历、相对距离、大气校正等数据。用户设备部分：即GPS信号接收机。主要功能是接收GPS卫星发射的信号，以获得必要的导航和定位信息，经数据处理，完成导航和定位工作。
（5）GPS定位原理
当用户接收机捕获到跟踪的卫星信号后，就可测量出接收天线至卫星的"伪距离"和距离的变化率；然后综合多颗卫星的数据解调出卫星轨道参数等数据；根据这些数据，接收机中的微处理计算机就可按定位解算方法进行定位计算，计算出用户所在地的位置信息；包括经纬度、高度、速度、时间等，并根据周围环境和路线标志给予语音和图形提示。
（6）无线室内定位技术
①红外线/超声波测距定位技术
红外线的优势在于其传输速度极快； 超声波的传播速度较慢，通过测量超声波的传播时间可以计算出距离。然而，超声波的测量距离受限于其能量损耗，当距离较远时，超声波的能量会因为扩散而迅速衰减；结合红外线的快速响应和超声波的精确测距能力，提高效率和精度。
②ZigBee/UWB定位技术
③RFID定位技术
④Wi-Fi/蓝牙定位技术
⑤基于计算机视觉定位
⑥光跟踪定位
⑦基于图像分析的定位技术
⑧信标定位
⑨三角定位技术
第三章 无线传感网技术
3.1 无线传感网概述
1 、 WSN 的基本概念
（1）WSN的定义：
①无线传感器网络（Wireless Sensor Network,WSN），简称无线传感网；是一种通过大量低成本、资源受限的传感节点协同工作，实现某一特定任务的多跳自组织网络。
②1999年商业周刊将传感器网络列为二十一世纪最具有影响力的21项技术之一
【感知能力+计算能力+通信能力】。由部署在监测区域内大量廉价微型传感器节点组成；通过无线通信方式形成的一个多跳自组织网络系统；其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息；并发送给观察者。
（2）IoT与WSN的关系
|------|-------------------------------------------|--------------------------------------------------------------------------|
| 比较项 | 传感器网络 | 物联网 |
| 定义 | 利用各种传感器加上中低速的近距离无线通信技术构成的传感器模块和组网模块构成独立网络 | 是通信网和互联网的拓展应用和网络延伸 利用感知技术和智能装置对物理世界进行感知识别，通过网络传输互联，进行计算处理，实现人与物、物与物的信息交互 |
| 终端 | 大量的传感器节点 | 传感器、RFID、二维码、GPS等 |
| 基础网络 | 无 | 传感网、互联网、移动网等 |
| 通信对象 | 物对物 | 物对物、物对人 |
2 、 WSN 的特点
（1）计算和存储能力有限
（2）较强的自组织性和动态性
（3）网络规模大的节点密度高
（4）具有较强的可靠性和鲁棒性
（5）应用相关的网络
（6）以数据为中心
3、WSN 的约束
（1）有限的电源能量
①传感器节点的绝大部分能量消耗在无线通信模块。
②传感器节点传输信息时要比执行计算时更消耗电能；
③传输1比特信息100m距离需要的能量大约相当于执行3000条计算指令所消耗的能量。
（2）受限的通信距离
①通常无线通信的能量消耗与通信距离的关系符合如下规律： E=k*d^n
②n满足关系2<n<4。n的取值与很多因素有关，如传感器节点部署贴近地面时，障碍物多、干扰大，n取值就大；天线质量对信号发射质量影响也很大。
③通常取n为3，假定通信能耗与距离三次方成正比。
④随着通信距离的增加，能耗会急剧增加；在满足通信连通性的前提下应尽量减少单跳的通信距离；
⑤一般而言，传感器节点的无线通信半径在100m以内比较合适。
（3）计算和存储能力受限
①节点是微型嵌入式设备，价格低、功耗小，导致其携带的处理器能力比较弱，存储器容量比较小。
②节点需要完成监测数据的采集和转换、数据的管理和处理、应答汇聚节点的任务请求和节点控制等多种工作。
③如何利用有限的计算和存储资源完成诸多协同任务成为传感器网络设计所需要考虑的问题。
3.2 WSN 的基本结构与协议体系
1、WSN 的基本组成
WSN由**传感器节点（ Sensor ）、汇集节点（Sink）（网关/基站）和管理节点（监控中心）**3部分组成。
（1）传感器节点
①定义：随机分布自组织构成网络,感知环境信息，多跳路由到汇集节点
②组成：是一种微型嵌入式设备，主要由传感器模块、处理器模块、无线通信模块、电源模块和其它外围电路组成。
a传感器模块：用于环境数据的采集和转换；
b处理器模块：是节点的核心，用于完成数据 处理、数据存储、执行通信协议和节点调度管理等工作。
c无线通信模块：负责和其它节点进行数据交换，包括数据的无线发送、接收和传输等通信任务。
③WSN的传感器节点的部署
a、节点部署：就是在指定的监测区域内，通过适当的方法布置传感器节点，以满足某种特定需求。一般通过一定的算法来实现，以期WSN在未来应用中获得最大的利用率或单个任务的最少能耗。
b、节点部署应考虑的问题：
l 如何实现对监测区域的全覆盖并保证整个网络的连通性？
l 如何减小系统消耗，最大化延长网络寿命？
l 当网络中有部分节点失效时，如何对网络进行重新部署
④WSN的传感器节点部署算法
**a、**移动节点部署算法：
• 增量式节点部署算法
• 基于概率检测模块的算法
b、静止节点部署算法：确定性部署算法
c、异构/混合节点部署算法：
• 传感网技术主要以同构节点的传感网作为研究对象；在实际应用中，可能会引入一些不同类型，但性能更优的异构节点，提高传感网的数据传输功率。
（2）汇集节点
①定义：是网络协调员，负责监控中心认证和消息缓冲；同时将接收到的数据进行融合、压缩及异构互联；最后通过Internet、卫星通信、移动通信等方式传送到监控中心。
②汇集节点（观测节点）的各方面能力相对于上述节点群而言相对比较强，具有双重身份 。它连接传感器网络、Internet等外部网络，实现两种协议栈之间的通信协议转换。同时发布管理点的监测任务，并把收集的数据转发到外部网络上。
③通常假设观测节点能力较强，资源充分或可补充。 观测节点有被动触发和主动查询两种工作模式，前者被动地由传感节点发出的感兴趣事件或消息触发，后者则周期扫描网络和查询传感节点，较常用。
（3）管理节点
管理节点：对数据进一步加工、分析、处理和显示；同时，用户也可以通过监控中心发布控制命令，通知传感器节点收集指定区域的监测信息。
（4）数据链路
由监测区域中的部分节点组成，直接将数据传送至Sink，最终传送到监控中心
2、WSN 的协议体系
（1）体系结构是由网络通信协议模块、传感网管理模块和应用支撑技术3部分组成
（2）WSN网络通信协议模块
5层结构：物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层。
①物理层：解决简单而又健壮的调制、发送、接收等技术问题，包括信道的区分和选择，无线信号的监测、调制与解调，信号的发送与接收。
②数据链路层：负责数据成帧、帧检测、媒体访问和差错控制，主要任务是加强物理层传输原始比特的功能，使之对网络显现为一条无差错链路。
③网络层：主要负责路由的生成与选择，包括网络互联、拥塞控制等。
④传输层：负责数据流的传输控制，帮助维护传感网应用所需要的数据流，提供可靠的、开销合理的数据传输服务。
⑤应用层：主要负责时间同步、节点定位、动态管理、信息处理等，因此需要开发和使用不同的应用层软件。
（3）WSN的传感网管理模块
①能量分配：管理传感器节点如何使用能量，在各个协议层都需要考虑节省能量。------"功耗"
②移动控制：检测并注册传感器节点的移动，维护到汇集节点的路由，使得传感器节点能够动态跟踪其邻居的位置。
③应用优化：任务管理平台在一个给定的区域内平衡和调度检测任务。
④安全管理等。
3、WSN 的关键技术
（1）定时技术
①定义：利用传感器网络中少量预先设置的已知位置的节点（信标节点）来获取其它大量未知位置节点（位置节点）的位置信息。
②特点：信标节点根据自身位置建立本地坐标系，未知节点根据信标节点计算出自己在本地坐标系里的相对位置------即自定位。
③常用的自定位算法：
a基于距离的定位算法：如：到达时间差法（DTOA）
b与距离无关的定位算法：根据网络的连通性，利用节点间的估计距离来计算节点位置坐标。
④三边测量定位方法 (基于距离的自定位算法示例)
理论依据：在二维空间中，当获得了一个未知节点到三个或者三个以上信标节点的距离时，就可以由此确定该未知节点的坐标
（2）时间同步技术
①定义：使传感器网络各节点的时钟保持同步。
②节点时间不同步的原因：消息包在节点间传输时均需要处理时间。
发送时间：发送节点构造一条消息和发布发送请求到MAC层所需时间。
访问时间：消息等待传输信道空闲所需的时间。
传输时间：发送节点在无线链路的物理层按位(bit)发射消息所需时间。
传播时间：消息在发送节点到接受节点的传输介 质中传播所需要的时间。
接收时间：接收节点按位（bit）接收信息并传递给MAC层的时间。
接受时间：接收节点重新组装信息并传递至上层应用所需的时间。
③常见的同步机制算法：
a、TPSN同步算法：基于发送者-接收者的双向同步算法，采用层次结构实现整个网络节点的时间同步。
b、RBS同步算法：基于接收者-接收者的同步方式，同级节点通过交换接收到上一 级节点发来的同步消息来修改自己的时钟，较大程度的消除了发送方对同步精确度的影响。
c、DMTS同步算法：是基于发送者-接收者的单向时间同步方式**。**
（3）数据融合技术
①定义：将采集的大量随机、不确定、不完整、含有噪音的数据，进行整形、滤波等处理、得到可靠、精确、完整数据信息的过程。
②数据融合可以分为三级：
a、像素级融合：是最低层次的融合，又称数据级融合，是对传感器的原始数据及预处理各阶级上产生的信息分别进行融合处理。
b、特征级融合：属于中间层次，它先对来自各传感器的原始信息进行特征提取（特征可以是目标的边缘、方向、速度等），然后对特征信息进行综合性分析与和处理。
c、决策级融合：是在信息表示的最高层上进行的融合处理。
③常见的数据融合方法；加权平均法、卡尔曼滤波法、贝叶斯估计法、统计决策理论法、统计决策理论法、产生式规则法、神经网络方法等。
（4）网络安全技术
①WSN与安全相关的特点：
资源受限，通信环境恶劣；网络无基础框架；部署区域的安全无法保证，节点容易失效；地理位置具有不确定性
②WSN的安全需求：主要表现子啊通信和信息两个方面：
通信安全需求：Sensor节点的抗篡改能力；抵御入侵能力；反击入侵能力
信息安全需求：数据机密性；数据鉴别；数据完整性；数据时效性
③WSN事务安全技术及研究重点：
安全技术：密钥管理技术和防攻击技术
研究重点：数据机密性；数据鉴别；数据完整性；数据时效