物联网导论【刘云浩】-笔记总结

第一章 物联网概述

在物联网时代，每一件物体均可寻址，每一件物体均可通信

一、核心技术

物联网分为四层：感知识别层，网络构建层，管理服务层，综合应用层
$$\text{1．感知识别层：核心技术}$$
是联系物理世界与信息世界的纽带，既包括RFID、无线传感器等信息自动生成设备，也包括各种智能电子产品用来人工生成信息。（信息生成方式多样化是物联网区别于其他网络的重要特征）
$$\text{2．网络构建层：把感知识别层的数据接入物联网，供上层服务使用}$$

互联网以及下一代互联网（包括IPV6等技术）是物联网的核心网络，而处在边缘的各种无线网络及其演进技术（包括3G4G通信技术），提供广阔范围内连续的网络接入服务。
$$\text{3．管理服务层：将数据进行有效组织，为上层应用提供智能支撑平台}$$
存储是信息处理的第一步，如何有效的组织和查询数据是核心问题。
$$\text{4．综合应用层：}$$

第二章 自动识别技术与RFID

条形码的进阶版——无线射频识别技术（RFID）,最大的特性是能够提供更细致，更精确的产品供货信息，并能实现货物供给过程的自动化。

一、自动识别技术

$$1．光符号识别技术$$
OCR：光符号识别器，最主要的有点事信息密度高，但是价格昂贵系统复杂
$$2．语音识别技术$$
语音识别技术的重大突破是隐马尔科夫模型的引入
$$3．生物计量识别技术$$
通过生物特征识别不同生物个体的方法，指纹识别、虹膜识别，语音识别，体型识别等。
$$4．IC（集成电路）卡技术：饭卡等$$
$$5．条形码技术$$
传统条形码是将宽度不等的多个黑条和空白按照一定的编码规则排列，用以表示一组信息的图形标识符。

将条形码转化为有意义的信息，需要经历扫描和译码两个过程，白色物体能反射各种波长的可见光，而黑色则吸收各个波长的可见光。当条形码扫描器光源发出的光经条形码反射后，反射光射入扫描器内部的光电转化器上，光电转化器将强弱不同的反射光信号转化为相应的电信号，电信号经过放大电路增强，再送到整形电路将模拟信号转化为数字信号

一维条形码的信息容量较小，仅能容纳几位或者几十位的信息，因此其职能识别一类产品，只有在数据库的辅助下人们才能通过条形码获得商品对应的信息，也就是说离开了数据库，它的作用显得鸡肋。
$$6．二维码技术$$
条形码从一个维度读取数据，而二维码可以从水平和竖直两个维度来获取信息，信息容量大而且具有纠错功能，工作方式类似，需要一个扫描装置，一个译码装置。

二、RFID

利用射频信号通过空间耦合（交变磁场或电磁场）实现无接触信息传递，并通过所传递的信息达到自动识别的目的。

最明显优点：电子标签和阅读器无需接触便可完成识别

RFID由五个组件构成：传送器，接收器，微处理器，天线和标签，其中传送器，接收器和微处理器通常被封装在一起，统称为阅读器，业界经常将RFID系统分为阅读器、天线和标签三大组件

1．工作原理

首先阅读器通过天线发出电磁波；标签收到信号后发射内部存储的标识信息；阅读器再通过天线接收并识别标签发回的信息；最后阅读器将识别结果发回主机

电子标签与阅读器之间通过耦合元件实现射频信号的空间无接触耦合，在耦合通道内，根据时序关系，可以实现能量的传递以及数据的交换。耦合有两种类型（i）电感耦合：变压器模型，通过空间高频交变磁场实现耦合。（ii）雷达模型，发射出去的电磁波碰到目标后反射，同时携带目标信息。

2．标签种类：

（i）被动式标签

内部没有电源设备，所以也称为无源标签。该标签内部的集成电路通过接受由阅读器发出的电磁波进行驱动，从而向阅读器发送数据

（ii）主动式标签

内部携带电源，又称为有源标签，有两种工作模式，一是主动模式，这种状态下标签主动向四周进行周期性广播，即使没有阅读器的存在也会这样做；第二种是唤醒模式，即一开始处于低耗电量的休眠状态，阅读器识别时需要先广播一个唤醒命令，标签接收到唤醒命令之后才开始广播自己的编码

（iii）半主动式标签

内部携带电池，这种标签可以携带传感器检测环境参数，但标签与阅读器的通信无需电池提供能量，而是从阅读器发送的电磁波获取通信能量。

第三章 无线传感网

一、关于传感器

传感器作为连接物理世界与电子世界的重要媒介，将在信息化的过程中发挥关键作用。

1．什么是传感器？

能感受被测量并按照一定规律转化成可用输出信号的器件或装置

2．传感器的组成

传感器一般由敏感元件，转换元件和基本电路组成。敏感元件是指传感器中能直接感受被测物理量的部分，转换元件将敏感元件的输出转换成电路参量（电压，电感等），最后基本电路将电路参数转化成电量输出

3．无线传感节点的组成

包含传感器部件，集成了微型处理器、无线通信芯片和供能装置，能够对感知的信息进行综合分析处理和网络传输。

二、硬件平台

1．传感器

2．微处理器
微处理器是无线传感节点中负责计算的核心，目前的微处理器芯片同时也集成了内存、闪存、模数转化器，数字输入输出等

3．通信芯片
在一个无线通信节点种，通信芯片耗能所占的比重最大。

4．功能装置
（i）供电电池，优点是系统自放电少，电能利用率较高，但是充电效率较低且充电次数有限
（ii）超电容，充电效率高但是有一个很大的挑战：电容自放电很大

三、操作系统：传感器节点软件系统的核心

节点操作系统区别于传统操作系统的主要特点是其硬件平台资源极其有限

1．开发语言

tinyOS是使用nesC语言编写的。

2．任务调度

3．关键服务：

（1）OS核心服务：包括读取传感器、串口通信，读取程序闪存以及外部存储器，基本点对点传输服务等。
（2）数据收集协议：将多个节点上的数据通过多条路由器传到汇聚节点
（3）数据分发协议：通过会聚节点分发多种系统参数，并在网络内维持一致性。
（4）时间同步协议：在网络内交换同步信息，达到全网同步
（5）网络重编程协议：可以通过汇聚节点分发程序代码，通过节点自编程，达到应用程序更新以及程序重编程的目的。

四、组网技术

1．选路指标ETX

如果网络中的无线链路都是完全可可靠的，即收包率100%，则使用最小条跳数路由是合理的，这样的路由方式引起的总的传输开销是最小的，但是实际中无线链路不可靠，因此实际网络中较小的跳数并不代表着以最小次数能够把数据包传输到会汇聚节点。ETX是目前无线传感网中广泛使用的路径选择指标

2．路由协议

路由是大规模无线传感网需要实现的基本功能之一

（1）CTP：数据收集协议

（2）Drip：数据分发协议

五、发展前景

1．低成本与微型化

2．低功耗

由于通信的能量消耗占据了主导地位，如果不能配合一个高效的通信调度机制，则节点发送的数据可能会大量碰撞，网络极度拥塞，传感器网络会被大量的重复数据占用信道
如果节点多数都进入睡眠模式，数据发送方将长时间无法找到能够接受数据的节点，因此睡眠模式下的Mac协议调度显得尤为重要。

3．灵活性与扩展性

4．鲁棒性

第四章 定位技术

一、定位系统

1．GPS卫星定位系统

（1）GPS系统的三大组成部分

（2）GPS主要优缺点

2．蜂窝基站定位

（1）CoO定位（cell of origin）-单基站定位

最简单的定位方法，是一种单基站定位方法。非常直白，就是将移动设备所属基站的坐标视为移动设备的坐标。

• （i）精度很低，精度直接取决于基站覆盖的范围，覆盖半径500米那么误差最大就是500米。
• （ii）速度很快，通常只需要2-3秒时间就可以完成定位，因此使用与情况紧急的场合。

（2）多基站定位

最常用的是基于到达时间（time of arrival，TOA）或者到达时间差（time difference of arrival，TDoA）

3．室内精确定位

4．Wifi基站定位

通过wifi接入点来确定目标的位置。一个无线ap的Mac地址可以看作是全球唯一的，如果我们用一个数据库记录下全世界所有无线ap的mac地址以及该ap所在的位置，那么我们就可以通过查询数据库来得到附近ap的位置，然后通过信号强度来估算出精确的位置0。

二、定位技术

1．基于距离的定位（ToA）

（1）距离测量方法

① 利用波速差
我们可以记录接收到波的时刻，但是如何才能知道波的发送时刻呢，除了将其编码在数据包中之外，我们还可以采取以下方法：

② 测量往返时间

（2）已知距离，计算位置

2．基于距离差的定位（TDoA）

不需要进行测量目标与参考点之间的时钟同步，只需要保证所有参考点保持时钟同步即可。由于参考点是事先布置的，完全可以在布置的时候保证他们的时钟同步性

实际中，使用多组测量结果，通过最小二乘法来减小误差

3．基于信号特征的定位

第五章 互联网与移动互联网

一、1G

第一代移动通信技术（1G）是指最初的模拟、仅限语音的蜂窝电话标准，制定于上世纪80年代。网络标准有NMT、NMT、TACS、JTAGS等，基本上欧美的发达国家都有自己的标准。到现在为止，第一代模拟蜂窝服务移动通信已经被淘汰了。1G无线系统在设计上只能传输语音流量，并受到网络容量的限制。
贝尔实验室提出的小区制，蜂窝组网的理论在移动通信发展史上具有里程碑意义。

二、2G

与1G不同，2G用数字传输取代了模拟蜂窝网络，这提高了电话寻找网络的效率。从2G开始，移动通话慢慢变得普及，手机用户数量越来越多。
2G技术基本可被切为两种，一种是基于TDMA所发展出来的以GSM为代表，另一种则是CDMA规格，复用﹙Multiplexing﹚形式的一种。
（i）GSM利用时分复用技术将每一对频率分成许多时间槽，供多个用户在不同时间段内共享，还利用频分复用技术
（ii）CDMA（码分多址），3G的基础，利用编码技术区分并分离多个同时传输的信号，从根本上保证了时间和片段等资源的高效利用。

三、3G

3G是第三代移动通信技术，是指支持高速数据传输的蜂窝移动通讯技术。3G服务能够同时传送声音及数据信息，速率一般在几百kbps以上。
3G是指将无线通信与国际互联网等多媒体通信结合的新一代移动通信系统，目前3G存在3种标准：CDMA2000、WCDMA、TD-SCDMA。
主要以蜂窝、码分多址为基础

四、4G

4G指的是第四代移动通信技术，它集3G与WLAN于一体，并能够快速传输数据、高质量、音频、视频和图像等。目前4G有TD-LTE和FDD-LTE两种制式，能够以100Mbps以上的速度下载，比目前的家用宽带ADSL（4兆）快25倍，并能够满足几乎所有用户对于无线服务的要求。
主要使用了时分双工（time division duplex, TDD）、频分双工（FDD）两种双工模式。又与时俱进的引入了多输入多输出与正交频分多路复用等技术，

五、5G

支持超快速响应应用并具有高可靠性。关键技术：
（1）大规模多天线技术
现有的4G蜂窝网络的多天线技术很难继续提升点到点链路的传输速率、扩展频谱资源、构建高密度部署的异构网络。在基站端采用超大规模天线阵列可以带来很多性能优势。
（2）高频段传输技术
使用的是28GHZ以上的频段，比4G所使用的1.8/2.6GHz频段高出很多，高频信号能带来极高的带宽，但是通信距离有限，需要更加密集的部署覆盖。
（3）密集网络接入技术

第六章 无线接入技术

互联网是物联网中网络构建层的基础，像是一条高速公路，满足主干城市之间的快速大容量交通运输；如果想实现门到门的便利通行，还需要省道、县道、城市道路的辅助。在网络技术中，实现“最后一公里互联互通”任务的是各种类型的无线接入技术。

Ad-hoc network（自组网）：无线网络用户通过无中心，自组织的方式形成自组网，特点是无需基站和上层网络支持，用户自身具备网络地址指派、路由选择以及域名解析的功能。无线传感网是典型的实例，他是无线领域的对等网（peer-to-peer network），每个节点既是数据的生产者也是数据的转发者

一、无线接入技术简介

1．基本组成元素

（1）无线网络用户：也成为无线网络节点，是指具备无线通信能力，并可以将无线通信信号转化为有效信息的终端设备。

（2）无线连接：无线网络用户与基站或者无线网络用户之间传输数据的通路，相比于有线网络采用电缆、光缆、同轴双鼓线等物理实体，无线连接主要通过无线电波、光波、声波等作为传输载体。

（3）基站：基站实际上也是一个无线网络用户，其特殊性在于他的职责是将一些无线网络用户连接到更大的网络。所以基站是能与公网以较高带宽交换数据的超级节点。无线网络用户通过基站接受和发送数据包，基站将用户的数据包转发给他所属的上层网络，并将上层网络的数据包转发给指定的无线网络用户。

WiFi基站：接入点AP（access point）覆盖范围几十米
蜂窝电话网：蜂窝塔（cell tower）城市中几千米，郊外几十千米

2．无线网络接入的技术特点

无线网络协议大多基于基站与上层网络之间的数据交互，基站代替了有线网络中的交换机，用户使用无线网卡取代了有线网卡。下面是有线连接和无线连接的重要区别：

（1）信号强度衰减：类似wifi
（2）非视线传输：发送者和接受者之间的部分传输路径被阻挡
（3）同频信号干扰：相同频段的信号以及外部的电磁噪声的影响
（4）多径传播干扰：由于阻挡物的折射和反射，沿不同路径传播的无线电波在接收端相互干扰。
（5）隐藏终端问题：如下图1和2都能感受到AP，但是1不能感受到2，所以1,2可能同时向AP发送数据，造成冲突

二、Wi-Fi：无线局域网

1．WiFi

2．Bluetooth

3．ZigBee
无线传感网作为物联网的一个典型应用，zigbee是无线传感网中最早出现的无线通信协议，也是最著名的无线通信协议。
基于IEEE802.15.4标准的低功耗局域网协议，用于实现类似于蜂群通信的低功耗、低复杂度、低速率、自组织的短距离无线通信网络，为了克服Bluetooth的昂贵而投入研发
（1）低功耗
（2）成本低
（3）时延短
（4）网络容量大
（5）可靠
（6）安全

4．60GHz毫米波通信

5．可见光通信（light Fidelity，Li-Fi）
利用可见光波普进行数据传输的全新无线传输技术。由于LED灯具有高速点调制性能，可以通过高速明暗闪烁信号传输信息（开表示1 关表示0），这些闪烁肉眼不可见，但是却能被电子接收器或者移动设备读取。试想一下每一个LED都可以作为access point

6．低功耗局域网