物联网复习 - 代码100分

大家好，我是考100分的小小码，祝大家学习进步，加薪顺利呀。今天说一说物联网复习,希望您对编程的造诣更进一步.

这是我参与更文挑战的第28天，活动详情查看：更文挑战

第一章：物联网及其体系结构

1.1 物联网的定义

物联网是指物体通过智能感知装置，经过传输网络，到达指定数据处理中心，实现人与人、物与物、人与物之间信息交互与处理的智能化网络。

这里包括三个层次：

传感网络：RFID，条码，传感器…

信息传输网络：远距离传输传感网所采集的巨量数据信息

信息应用网络：智能化数据处理和信息服务

**1.2 物联网的特点

物联网的全面感知
物联网的可靠传递
物联网的智能控制
物联网的多种数据融合

全面感知、可靠传递、智能控制是物联网的基本特点

**1.3 物联网相关概念

1.3.1 物联网 vs 互联网

1.3.2 物联网 vs 传感网

传感网：传感模块加组网模块共同构成的一个网络。传感器仅仅感知到信号，并不强调对物体的标识。例如可以让温度传感器感知到森林的温度，但并不一定需要标识那根树木

物联网：相对于传感网大。因为不但要感知物，而且需要标志物。不但可以让温度传感器感知到森林的温度，而且还要标识是哪棵树木的温度。

1.3.3 物联网 vs 泛在网

“泛在网”：即广泛存在的网络，它以无所不在、无所不包、无所不能为基本特征，以实现在任何时间、任何地点、任何人、任何物都能顺畅地通信为目标

物联网：与泛在网概念出发点和侧重点不完全一致，但其目标都是突破人与人通信的模式，建立物与物、物与人之间的通信。

1.4 物联网的体系结构

感知层

网络层

应用层

1.5 感知层功能及其关键技术

1.5.1 感知层功能

完成信息采集和信号处理

1.5.2 感知层关键技术

RFID技术：无线射频识别技术，又称电子标签

一种通信技术，可通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据，而无需在识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触

**传感器技术：**指能感受规定的被测量件，并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置
**嵌入式系统：**嵌入式技术执行专用功能并被内部计算机控制的设备或者系统
**微机电系统（MEMS)：**可批量制作的，集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路，直至接口、通信和电源等于一体的微型器件或系统
**GPS技术：**全球定位系统
**GIS技术：**地理信息系统。以测绘测量为基础，以数据库作为数据储存和使用的数据源，以计算机编程为平台的全球空间分析即时技术

1.6 网络层功能及其关键技术

1.6.1 网络层功能

直接通过现有互联网、移动通信网、卫星通信网等基础网络设施，对来自感知层的信息进行接入和传输

1.6.2 网络层关键技术

互联网
移动通信网
短距离无线通信技术

1.7 应用层功能及其关键技术

1.7.1 应用层功能

根据用户的需求可以面向各类行业实际应用的管理平台和运行平台，并根据各种应用的特点集成相关的内容服务。

1.7.2 应用层关键技术

云计算
**中间件：**一类连接软件组件和应用的计算机软件，它包括一组服务，以便运行在一台或多台机器上的多个软件通过网络进行交互。提供消息传递的服务者，把消息从一个对象传递到另一个对象中。
人工智能
数据挖掘

第二章：物联网感知技术

2.1 常见自动识别技术

2.1.1 自动识别技术的基本概念

识别的基本概念：

人们认识和了解事物的特征及信息就是一种识别

自动识别的含义

自动识别技术：指通过非人工手段获取被识别对象所包含的标识信息或特征信息，并且不使用键盘即可实现数据实时输入计算机或其他微处理器控制设备的技术。

自动识别技术分类

数据采集技术（定义识别）

特征提取技术（模式识别）

自动识别技术的一般性原理

被识别信息—>获取信息—>信息处理—>识别信息–>已识别信息

2.1.2 条码自动识别技术

条码的编码
条码的结构
- 左右侧空白区
- 起始字符
- 数据字符
- 校验字符
- 终止字符
条码种类
- 一维条码
- 二维条码

2.1.3 射频自动识别技术

RFID系统构成
- 射频标签
- 射频识别读写设备（读写器）
- 应用软件
RFID系统的基本工作原理

由读写器发射特定频率的无线电波能量，当射频标签进入感应磁场后，接收读写器发出的射频信号凭借感应电流所获得的能量，发送出存储芯片中的产品信息

2.1.4 卡类自动识别技术

分类
磁卡技术

磁卡是利用磁性载体来记录信息的，磁卡技术应用了物理学和磁力学的基本原理
IC卡技术
- 原理
将一个微电子芯片嵌入符合ISO 7816标准的卡基中，做成卡片形式，利用集成电路的可存储特性，保存、读取和修改芯片上的信息
- 种类
非接触式IC卡

接触式IC卡
磁卡技术基础

磁条上数据的存储就是靠改变磁条上氧化粒子的磁性来实现的

2.1.5 生物特征自动识别技术

基本原理

核心在于如何获取这些生物特征，并将之转换为数字信号，存储于计算机中，在利用可靠的匹配算法来完成识别与验证个人身份的过程。

生物特征采集—>生成生物特征图像—>提取生物特征—>生物特征匹配—>输出结果
特点
1. 普遍性
2. 唯一性
3. 稳定性
4. 不可复制性

2.1.6 图像自动识别技术

数字图像处理的层次与基本特点
- 图像处理
- 图像识别（分析）
- 图像理解
光符识别技术

光学字符识别技术：对图像文件进行分析处理，获取文字及版面信息的过程

2.2 传感器技术

2.2.1 传感器概述

相当于人的五官
实际上是一种功能块，其作用是将来自外界的各种信号转换成电信号

2.2.2 微机电系统（MEMS）

可批量制作的，集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、直至接口、通信和电源等于一体的微型器件或系统

特点
- 微型化
- 以硅为主要材料
- 批量生产
- 集成化
- 多学科交叉

第三章：RFID技术

**3.1 RFID技术概述

3.1.1 RFID技术的特点

它是通过磁场和电磁波，利用无线射频方式进行非接触双向通信，以达到识别目的并交换数据，可识别高速运动的物体并同时识别多个目标

3.1.2 RFID系统的组成

阅读器（读写器）
主要负责与电子标签的双向通信，同时接受来自主机系统的控制指令

组成：
- 射频接口
- 逻辑控制单元
- 天线
电子标签

指由IC芯片和无线通信天线组成的超微型的小标签，其内置的射频天线用于和阅读器进行通信。

系统工作时，阅读器发出查询信号，标签在收到查询信号后将一部分整流为直流电源供电子标签内的电路工作；另一部分能量信号被电子标签内保存的数据信息调制后反射回阅读器
RFID中间件

电子标签和应用程序之间的中介角色
应用系统软件

对收集到的目标信息进行集中的统计与处理

一般把中间件和应用软件统称为应用系统

3.1.3 RFID的分类

按供电方式：
- 无源RFID产品
- 有源RFID产品
- 半有源RFID产品
按使用频率方式：
- 低频 $125KH_Z$
- 高频 $13.56MH_Z$
- 超高频 $860MH_Z–960MH_Z$
- 微波 $2.45GH_Z和5.8GH_Z$

3.2 RFID技术基础

3.2.1 RFID通信方式

指读写器和标签之间的信息传输，传输的是无线电信号，特点：“通信距离很短`

3.2.2 RFID常见的编码与调制方式

RFID常见的编码方式

反向不归零码、曼彻斯特编码、单极性归零编码、差分二相编码、密勒编码、变形密勒编码和差分编码
RFID常见的调制方法

RFID主要采用数字调制方式
- 振幅键控
- 频移键控
- 相移键控

3.3 RFID电子标签

电子标签是携带物品信息的数据载体

3.3.1 一位电子标签

一位系统的数据量为一位，电子标签只有“1和0`两种状态

3.3.2 含有芯片的电子标签

含有芯片的电子标签是以集成电路芯片为基础的电子数据载体，是目前“使用最多的电子标签`

组成
- 天线
- 模拟前端（射频前端）
  
  电路主要有电感耦合和微波电磁反向散射两种工作方式
- 控制电路
分类
- 具有存储功能，但不含微处理器的电子标签
- 含有微处理器电子标签

3.3.3 具有存储功能的电子标签

数据存储器采用ROM、EEPROM或FRAM
地址与安全逻辑

这种标签没有微处理器，地址和安全逻辑是数据载体的心脏，通过状态机对所有的过程和状态进行有关的控制
状态机

有限状态机是指输出取决于过去输入部分和当前输入部分的时序逻辑电路。

一般来说，除了输入和输出部分外，有限状态机还含有一组具有“记忆”功能的寄存器，这些寄存器的功能是记忆有限状态机的内部状态，它们常被称为状态寄存器
分段存储的电子标签

当电子标签的存储容量较大时，可以将电子标签的存储器分为多个存储段

3.3.4 含有微处理器的电子标签

含有微处理器的电子标签可以更灵活的支持不同的应用需求，并提高了系统的安全性。含有微处理器的电子标签拥有独立的CPU处理器和芯片操作系统

3.4 RFID读写器

3.4.1 读写器的组成

读写器是读取或写入电子标签信息的设备，具有读取、显示和数据处理等功能

读写器的软件

读写器的所有行为均由软件控制完成
读写器的硬件

读写器的硬件一般由天线、射频模块、控制模块和接口组成

控制模块

由ASIC组件和微处理器组成
射频模块

射频前端主要由发送电路和接收电路构成
读写器的接口

读写器控制模块与应用软件之间的数据交换，主要通过读写器的接口来完成
天线

用来发射或接收无线电波的装置

**第四章：物联网通信技术

4.1 互联网

4.1.1 互联网的组成

互联网是由使用公用语言互相通信的计算机连接而成的全球网络

**边缘部分：**连接在互联网的所有的主机

在网络边缘端系统汇总运行的程序之间的通信方式通常可划分为两类：

客户服务器方式（C/S方式）

C/S：客户是服务的请求方，服务器是服务的提供方

B/S：是C/S方式的一种特例。用户工作界面是通过www浏览器来实现

C/S是建立在局域网的基础上的，B/S是建立在广域网的基础上的。

对等方式（P2P方式）

两个主机在通信是并不区分哪一个是服务请求方，还是服务提供方

核心部分：
- 网络核心部分起特殊作用的是路由器。路由器是一种专用计算机（但不是主机）
- 路由器是实现分组交换的关键构件，其任务是转发收到的组，这是网络核心部分最重要的功能
- 在网络中，将数据从发送端发送到接收端的过程称为数据交换。按照交换方式的不同，数据交换可以分为三种：电路交换、报文交换、分组交换
  - 分组交换：采用存储转发技术

4.1.2 互联网的接入技术

分类：窄带接入和宽带接入

宽带是指用户接入传输速率达到2Mb/s及以上、可以提供24小时在线的网络基础设备和服务

4.1.3 互联网的分层结构

开放系统互联基本参考模型OSI（7层协议的体系结构）

物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层

TCP/IP体系结构

网络接口层、网际层、传输层、应用层

TCP/IP协议族
- http：超文本传输协议
- www：Web服务器
- TCP：传输控制协议
- UDP：用户数据报协议
- IP：网际协议
- FTP：文件传输协议

4.1.4 从互联网到物联网

互联网把每一台个人计算机连接了起来，是针对人与人这个特定领域并且是虚拟的。
物联网使人和物、物与物之间有效通信变成了可能。物联网的诞生，真正标志着我们所在的世界彻底地互联互通了。

4.2 移动通信

移动通信是指通信的一方或双方可以在移动中进行的通信过程

4.2.1 特点和分类

特点
1. 用户的移动性
2. 电波传播条件复杂
3. 噪声和干扰严重
4. 系统和网络结构复杂
5. 有限的频率资源
分类
1. 集群移动通信
2. 公用移动通信系统：大区制移动通信和小区制移动通信，小区制移动通信又称蜂窝移动通信。
3. 卫星移动通信
4. 无绳电话

4.2.2 移动通信网络

移动通信网的系统构成
1. 移动业务交换中心MSC
2. 基站BS
3. 移动台MS
4. 中继传输系统
5. 数据库：存储用户有关信息的
移动通信网的基本技术
1. 移动通信网的覆盖方式
  - 大区制
  - 小区制：将整个服务区划分为若干小区，在每个小区设置一个基站
  现在公用移动通信系统的网络结构均为蜂窝网结构，称为蜂窝移动通信系统
2. 移动通信网中的基本技术——用户多址技术
  - 频分多址：不同频率的信道
  - 时分多址：时间分成周期性的帧
  - 空分多址：不同方位的相同频率的天线光束
  - 码分多址：各自不同的编码序列来区分
移动通信与物联网

移动通信系统一般由移动终端、传输网络和网络管理维护等部分组成。
- 移动通信终端在物联网总能的应用
- 移动通信终端网络在物联网中的应用
- 移动通信网络管理平台在物联网中的应用

4.3 短距离无线通信技术

4.3.1 短距离无线通信概述

低功耗、微型化是用户对当前无线通信产品尤其是便捷产品的强烈追求

一般意义上，只要通信收发双方通过无线电波传输信息，并且传输距离限制在较短的范围内，通常是几十米以内，就可以称为短距离无线通信。

三大重要特征和优势：

低成本
低功耗
对等通信

分类：

高速短距离无线通信技术
低速短距离无线通信技术

4.3.2 短距离无线通信与物联网

在无线传感网中，由于需要在很小范围内布置大量无线节点，短距离无线通信技术因此脱颖而出

4.4 无线传感网

4.4.1 无线传感网络的概述

无线传感网络是一种由大量这样的微型传感器节点组成的面向任务的无线自组织网络系统

4.4.2 无线传感网与物联网

无线传感网络作为一种感知和数据采集的网络系统，是物联网的重要组成部分，是物联网的“神经末梢”
物联网正是通过无线传感器网络来实现对物理世界的感知，获取详尽、准确的环境数据或目标信息的

第五章：短距离无线通信技术

5.1 蓝牙

5.1.1 蓝牙技术概述

蓝牙技术特点

蓝牙是一种短距离无线通信的技术规范
- 全球范围适用：蓝牙工作在全球统一开放的 $2.4GHz$ 的ISM频段
- 可同时传输语音和数据
- 可以建立临时行的对等连接
几个蓝牙设备连接成一个微微网–>微微网重叠变成散射网
- 具有很好的抗干扰能力
采取了跳频方式来扩展频谱
- 具有很小的体积，以便集成到各种设备中
- 微小的功耗
四种工作模式：
- 激活模式（Active）
- 呼吸模式（Sniff）
- 保持模式（Hold）
- 休眠模式（Park）
Active模式是正常的工作状态，另外三种是为节能所规定的低功耗模式
- 开放的接口标准
- 低成本，使得设备在集成了蓝牙技术之后只需增加很少的费用
蓝牙系统组成

蓝牙的关键特征是：健壮性、低复杂性、低功耗和低成本
- 无线部分
- 链路控制部分
- 链路管理支持部分
- 主终端接口
一个微微网中最多可有7个活动从单元。另外，更多的从单元可被锁定于某一主单元，该状态称为休眠状态。

具有重叠覆盖区域的多个微微网构成一个散射网络结构
蓝牙协议体系结构

蓝牙技术规范的目的是：使符合改规范的各种应用之间能够互通。为此，本地设备与远端设备需要使用相同的协议栈

5.1.2 蓝牙组网与蓝牙路由机制

蓝牙网络拓扑结构

蓝牙支持点对点和点对多点通信。蓝牙基本的网络组成是微微网，而微微网实际上是一种个人区域网
蓝牙路由机制

它可以在微微网或散射网络之间切换，但是每次切换都必须断开与当前APN的连接

5.1.3 蓝牙技术的应用

替换线缆

蓝牙从一开始就定位于结合语言和数据应用的基本传输技术。最简单的一种应用就是点对点的替代线缆
因特网桥
蓝牙标准更进一步定义了“网络接入点”的概念，它允许一台设备通过此网络接入点来访问网络资源。

建立这样一个安全和灵活的蓝牙网络需要：
- 蓝牙接入点
- 本地网络服务器
- 网络管理软件
临时组网

其中没有固定的路由设备，网络中所有的节点都可以自由移动，并以任意方式动态连接

**5.2 ZigBee

5.2.1 ZigBee技术概述

低复杂度、低成本和低功耗的低速率无线连接技术

ZigBee技术特点
- 低功耗
- 低成本
- 数据传输速率低
- 短时延
- 有效范围小
- 大容量
- 安全性高
- 免执照频段且工作频段灵活
ZigBee的应用目标
ZigBee协议栈
ZigBee协议栈由高层应用规范、应用汇聚层、网络层、数据链路层和物理层组成
- 物理层
- 数据链路层
- 网路层
- 应用层
- 安全层

5.2.2 ZigBee组网技术

ZigBee网络层

主要实现组建网络，为新加入网络的节点分配地址、路由发现、路由维护等功能，支持星状网、Mesh网和树状网

采用两种无线设备：

全功能设备、精简功能设备

节点类型（3种）

ZigBee协调点、ZigBee路由节点和ZigBee终端节点

ZigBee网络节点的结构
组建网络

两种拓扑结构：星状拓扑和点对点拓扑

5.2.3 ZigBee的应用

ZigBee在网络中传输的数据分为3类：
- **周期性数据：**如传感器中传递的数据，数据速率是根据不同的应用定义的
- **间断性数据：**如控制电灯开关时传输的数据，数据速率是由应用或外部激励定义的
- **反复性的低反应时间的数据：**如无线鼠标传输的数据，数据速率根据分配的时隙定义
具体应用
- **在消费电子方面：**可以替代现在的红外遥控
- **在家庭和楼宇自动化领域：**智能家居
- 在医学领域
- 在传感器网络领域
- 工业领域
- 精准农业领域
- 汽车领域
- 道路指示、方便安全行路方面

5.2.4 基于ZigBee的无线传感器网络

它是由汇节点和大量的无线传感器节点组成的分布式系统
汇节点和传感器节点之间通过ZigBee技术实现无线的信息交换

结构与原理
- ZigBee通信传输模块及工作原理
  
  由ZigBee传输模块及其外围设备组成
- 无线传感器节点
  
  由ZigBee通信传输模块、检测电路和内部定时器等几部分组成
- 汇节点
  
  用于接收传感器节点上报的数据，并将其进行数据融合处理，通过公共网络或专用线路传递给中央信息处理控制中心
- 中央信息处理控制中心
  
  中央信息处理控制中心由监控模块、配置模块、数据库三部分组成
ZigBee无线传感器网路的工作模式

ZigBee汇节点和传感器节点之间的通信，采用了基于需求时唤醒的工作模式
- ZigBee通信传输模块初始化过程

5.3 WLAN

无线信道作传输媒介的计算机局域网

5.3.1 WLAN技术标准及特点

是计算机网络与无线通信技术相结合的产物
主要协议标准有802.11系列

802.11系列协议

802.11：定义物理层和媒体访问控制规范
WLAN的技术特点
它是对有线连网方式的一种补充和扩展，使网上的计算机具有可移动性。

WLAN优点：
- 安装便捷
- 使用灵活
- 经济节约
- 易于扩展

5.3.2 WLAN的拓扑结构

常用：基础架构结构模式

5.3.3 WLAN的应用

广泛应用于需要在移动中连网和在网间漫游的场合

5.4 IrDA

5.4.2 IrDA协议

3个强制性规范：

物理层
连接建立协议层
连接管理协议层

5.4.3 IrDA的应用

由于红外通信的技术特点，应用于各种低成本、近距离的数据通信中

5.5 NFC

5.5.1 NFC概念

近场通信技术是一种短距离的高频无线通信技术，允许电子设备之间进行非接触式点对点数据传输和交换数据

技术特点：距离近、响应快

5.5.2 NFC的技术原理

工作原理
- NFC由非接触式识别和互联技术发展而来
- 在一对一通信中，把主动发起连接的一方称为发起设备，另一方称为目标设备。发起和目标设备都支持主动和被动两种通信模式
工作模式
- 卡模拟模式
- 点对点模式
- 读卡器模式

5.5.3 NFC的应用

可以当做RFID无源标签使用，用来支付费用；也可以当做RFID读写器用作数据交换与采集

4个基本类型：

付款和购票
电子票证
智能媒体
交换、传输数据

第六章：无线传感器网络技术

是一种综合信息采集、信息处理和信息传输功能于一体的智能网络信息系统。

无线传感器网络技术是实现物联网的重要基础，它涉及微电子、网络通信和嵌入式计算等主要技术

**6.1 无线传感器网络的体系结构

6.1.1 无线传感器网络的特征

无线传感器网络是一种面向任务的无线自组织网络系统

自组织特性
分布式控制
拓扑动态性

6.1.2 无线传感网络的关键技术

微机电系统技术
无线通信技术
硬件与软件平台
- 硬件平台：增强型通用个人计算机、专用传感器节点、基于片上系统的传感器节点
- 软件平台：可以是一个提供各种服务的操作系统，包括文件管理、内存分配、任务调度、外设驱动和联网，也可以是一个为程序员提供组件库的语言平台

6.1.3 无线传感器网络的应用领域

环境监测
国防军事
工业监控
健康医疗
智能家居
公共安全

6.1.4 无线传感网络的网络结构

无线传感器节点结构（4个功能模块）
- 感知模块
- 处理模块
- 通信模块
- 电源模块
无线传感器网络结构

通常由大量密集部署在指定地理区域的传感器节点以及一个或多个位于区域内或区域附近的数据汇聚节点构成
- 单跳网络结构：将各自的数据直接发送给汇聚节点
- 多跳网络结构：传感器节点通过一个或多个网络中间节点将采集到的数据传送给汇聚节点，从而有效地降低通信所需的能耗
无线传感器网络分类：

6.2 无线传感器网络的协议

6.2.1 无线传感器网络的协议栈

应用层
传输层
网络层
数据链路层
物理层

6.2.2 无线传感器网络的MAC协议

主要特点：
- 能量效率
- 可扩展性
- 公平性
- 传输效率
分类：
- 竞争型MAC协议：按需使用信道
当节点需要发送数据时，通过竞争方式使用信道。如果发生冲突，节点按照事先设定的某种策略重传数据，知道数据发送成功或放弃
- 非竞争型MAC协议：固定使用信道
将共享信道根据时间、频率或伪噪声码划分为一组子信道，并将这些子信道分配给各结点，使得每一个节点拥有一个专用的子信道，用于数据的发送
- 混合型MAC协议
将竞争型和非竞争型MAC协议有效地进行结合，以减少节点间的数据冲突，同时改善网络的传输性能

6.2.3 无线传感器网络的路由协议

特点
- 节能优先
- 多对一传输
- 以数据为中心
- 应用相关
作用：

在传感器节点和汇聚节点之间寻找和建立高效的数据传输路径，以提高网络的能量效率，延长网络的生存时间，并在此基础上提高网络的传输性能和服务质量
分类
- 平面路由协议
- 分层路由协议
- 基于能量的路由协议
- 基于多路径的路由协议
- 基于移动性的路由协议
- 基于位置的路由协议
- 基于机会的路由协议
- 以数据为中心的路由协议