物联网概论

一. 知识点-基本概念 (五个概念题,共10分)

物联网传感网络
答：无线传感器网络（wireless sensor network, WSN）是由部署在监测区域内大量的成本很低、微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一种多跳自组织的网络系统。
现场总线
答：现场总线是用于现场电器、现场仪表及现场设备与控制室主机系统之间的一种开放的、全数字化、双向、多站的通信系统。
蓝牙
答：蓝牙是一种支持设备短距离通信（一般10m内）的无线电技术。能在包括移动电话、PDA、无线耳机、笔记本电脑、相关外设等众多设备之间进行无线信息交换。
物联网
答:物联网是一种通过射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按照约定协议，使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、监控和管理的网络。
什么是ZigBee
答：ZigBee是IEEE 802.15.4协议的代名词。根据这个协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。
ZigBee技术是一种面向自动化和无线控制的低速率、低功耗、低价格的无线网络方案。
智能空间
答:智能空间是“一个嵌入了计算、信息设备和多模态的传感器的工作空间，其目的是使用户能非常方便地在其中访问信息和获得计算机的服务来高效地进行单独工作和与他人的协同工作”。
云计算
答：云计算（cloud computing）是基于互联网的相关服务的增加、使用和交付模式，通常涉及通过互联网来提供动态易扩展且经常是虚拟化的资源。
美国国家标准与技术研究院（NIST）的定义：
云计算是一种按使用量付费的模式，这种模式提供可用的、便捷的、按需的网络访问， 进入可配置的计算资源共享池（资源包括网络、服务器、存储、应用软件、服务），这些资源能够被快速提供，只需投入很少的管理工作，或与服务供应商进行很少的交互。
数据挖掘
答：
数据挖掘是从海量数据中提取隐含在其中的、事先未知的、但又是潜在有用的信息和知识的非平凡过程。
① 技术上的定义
数据挖掘就是从大量的、不完全的、有噪声的、模糊的、随机的实际应用数据中，提取隐含在其中的、人们事先不知道的、但又是潜在有用的信息和知识的过程。
科学的定义：一种透过数理模式来分析企业内储存的大量资料，以找出不同的客户或市场划分，分析出消费者喜好和行为的方法。
② 商业角度的定义
数据挖掘是一种新的商业信息处理技术，其主要特点是对商业数据库中的大量业务数据进行抽取、转换、分析和其他模型化处理，从中提取辅助商业决策的关键性数据。

二. 基本知识点 (四个简答题,共20分)

1、物联网的本质体现
答:
1) 互联网特征，即对需要联网的物一定要能够实现互联互通的互联网络；
2) 识别与通信特征，即纳入物联网的“物”一定要具备自动识别、物物通信的功能；
3) 智能化特征，即网络系统应具有自动化、自我反馈与智能控制的特点。
物联网4大支撑技术
答:
1) RFID技术
2) WSN/ZigBee技术
3) 传感器技术
4) 智能服务技术
物联网标准体系组成
答:
1) 应用服务层标准
a. 行业应用类标准
智能交通、智能电力、智能环境等相关系列标准
b. 公众应用类标准
智能家居总体技术标准、智能家居联网技术标准、智能家居设备控制协议技术标准等
c. 应用中间件平台标准
物联网信息开放控制平台基本能力标准、物联网信息开放控制平台总体功能架构标准、信息服务发现平台标准、信息处理和策略平台标准等
2) 网络传输层标准
a. 物物通信无线接入标准
面向物物通信增强系统设备和接口的技术和测试标准等
b. 电信网增强标准
面向物物通信针对移动核心网络增强的技术标准等
c. 网络资源虚拟化标准
网络资源虚拟化调用技术标准、网络资源虚拟化的管理技术标准、网络虚拟化核心设备技术和测试标准等
d. 环境感知标准
认知无线电系统的技术标准，包括关键技术、未来应用、频谱管理的标准等
e. 异构网融合标准
不同无线接入网层面融合标准、不同无线接入技术在核心网层面融合标准等
3) 感知控制层标准
a. 短距离无线通信相关标准
基于NFC技术的接口和协议标准、低速物理层和MAC层增强技术标准，基于ZigBee的网络层和应用层标准等
b. RFID相关标准
空中接口技术标准、数据结构技术标准、一致性测试标准等
c. 无线传感网相关标准
传感器到通信模块接口技术标准，节点设备技术标准等
无线传感器网络体系结构
答：无线传感器网络（wireless sensor network, WSN）是由部署在监测区域内大量的成本很低、微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一种多跳自组织的网络系统。
其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖范围内感知对象的信息，并发送给观察者或者用户。
WSN通常包括传感器节点、汇聚节点、网关节点和基站。
节点随机或有规律地部署在监测区域内部或附近，通过无线多跳自组织方式构成网络。
监测的数据通过无线信道进行传输，在传输过程中监测数据可能被多节点处理，经过多跳后路由到汇聚节点，由汇聚节点将数据传送到网关节点，再由网关通过外部网络传输给管理基站、远程机器或用户终端。
网络管理者可以通过管理基站发送控制指令实现对传感器网络的配置和管理，或发布监测任务并收集传感器网络监测到的数据。
ZigBee的技术特点
答：ZigBee技术具有低功耗，低成本，低速率，近距离，短时延，高容量，高安全，免执照频段等特点。
(1) 数据传输速率低：数据率只有10kbps～250kbps，专注于低传输应用。
(2) 有效范围小：有效覆盖范围10～75m之间，具体依据实际发射功率的大小和各种不同的应用模式而定。
(3) 工作频段灵活：使用的频段分别为2.4GHz、868MHz（欧洲）及915MHz（美国），均为无需申请的ISM频段。
(4) 省电：由于工作周期很短，收发信息功耗较低，以及采用了休眠模式，ZigBee可确保两节五号电池支持长达6个月至2年左右的使用时间，当然不同应用的功耗有所不同。
(5) 可靠：采用碰撞避免机制，避免了发送数据时的竞争和冲突。
(6) 成本低：由于数据传输速率低，并且协议简单，降低了成本，另外使用ZigBee协议可免专利费。
(7) 时延短：设备搜索时延的典型值为30ms，休眠激活时延的典型值是15ms，活动设备信道接入时延为15ms。
(8) 网络容量大：一个ZigBee网络可容纳多达254个从设备和一个主设备，一个区域内可同时布置多达100个ZigBee网络。
(9) 安全：ZigBee提供了数据完整性检查和认证功能，加密算法采用AES-128，应用层安全属性可根据需求来配置。
物联网的主要特征
答:
1) 全面感知
利用射频识别、二维码、传感器等感知、捕获、测量技术随时随地对物体进行信息采集和获取
2) 可靠传送
通过将物体接入信息网络，依托各种通信网络，随时随地进行可靠的信息交互和共享
3) 智能处理
利用各种智能计算技术，对海量的感知数据和信息进行分析并处理，实现智能化的决策和控制
RFID系统的组成
答:RFID系统主要由应答器、阅读器和高层组成。
1) 应答器:应答器是由天线、编/解码器、电源、解调器、存储器、控制器以及负载电路组成。
2) 阅读器:典型的阅读器包含有高频模块(发送器和接收器)、控制单元、振荡电路以及阅读器天线几部分。
3) 高层软件:介于前端RFID读写器硬件模块和后端数据库。
蓝牙技术的特点
答：
1) 能传送语音和数据；
2) 全球范围适用，使用频段无需申请；
3) 低成本、低功耗和低辐射；
4) 安全性、抗干扰性和稳定性强；
5) 可以建立临时性的对等连接，支持点对多的通信方式；
智能网络空间技术的特点
答：
1) 智能空间是一个庞大的系统工程,涉及的领域甚广,要解决的问题繁多,须综合各种技术进行构建；
2) 是一个嵌入性和移动性都很高的计算环境；
3) 用普适网络联系物理世界,是物理世界和信息空间的融合；
4) 可做出实时的、上下文敏感的决策；
5) 系统具有适应性,能提供便捷性的应用；
6) 与智能空间相结合的物理范围，形成了所谓的“广域智能空间”。

三. 重要知识点 (六个应用题,共30分)

1、物联网8层架构结构
答:
1) 传感器/执行器层（域）
2) 传感网层（域）
3) 传感网管层（域）
4) 广域网络层（域）
5) 应用网关层（域）
6) 服务平台层（域）
7) 应用层（域）
8) 分析优化层（域）

物联网智能空间技术分类
答：
1) 通信介质的选取研究（WIFI,WSN,PLC,232）；
2) 服务中心/网关/控制器的研究；
3) 子网适配器/控制器的研究；
4) 软件中间件/MULTI-AGENT技术；
5) 智能算法与服务模型；
6) 数据挖掘技术；
7) 云计算技术；
8) 实时数据库技术。
物联网终端基本原理
答：物联网终端基本由外围感知（传感）接口，中央处理模块和外部通讯接口三部分组成；
通过外围感知接口与传感设备连接，将这些传感设备的数据进行读取并通过中央处理模块处理后，按照网络协议，通过外部通讯接口，发送到以太网的指定中心处理平台。
物联网智能终端发展趋势
答：
1）更深入的智能化
2）更透彻的感知
3）更全面的IP化
4）通过云计算获取服务
5）更高效的操作系统
6）新型网络接入
7）终端技术的融合与互动
食品安全的特性
答：
1) 食品安全的相对性
2) 食品安全的动态性
3) 食品安全的社会性
4) 食品安全的法律性
5) 食品安全的经济性

我国物联网发展的推动力
答：
1) 第一大推动力：政府
2) 第二大推动力：企业
3) 第三大推动力：教育界与科技界
物联网三层架构结构
答：
1) 应用服务层
应用领域：环境检测、智能电力、智能交通、工业监控、智能家居。
服务支撑：SOA、海量存储、分布数据处理、数据挖掘、数据资源。
2) 网络传输层
网络支撑技术：M2M、异构网、移动通信网、互联网、专用网络、业务管理。
3) 感知控制层
短距离通信技术和协同信息处理：低速和中高速短距离传输技术、自组织组网技术、协同信息处理技术、传感器网络中间件技术。
数据采集：传感器、二维条码、RFID、多媒体信息。
（公共技术：标志解析、安全技术、QoS管理、网络管理。
RFID技术的优点
答:
1) 非接触操作，长距离自动识别；
2) 无机械磨损，寿命长；
3) 可识别高速运动物体并可同时识别多个电子标签；
4) 读写器具有不直接对最终用户开发的物理接口，保障其自身的安全性；
5) 数据安全除电子标签的密码包户外，数据部分可用一些算法实现安全管理；
6) 读写器与标签之间存在相互认证的过程，实现安全通信和存储。
电力线通信技术的特点
答：
1)高压载波路由合理,通道建设投资相对较低；
2)传输频带受限,传输容量相对较小；
3)可靠性要求高；
4)线路噪声大；
5)受外界的干扰小；
6)网络应用要求更高。
物联网终端的应用
答：智能终端已应用于各个领域。与传统终端相比，智能终端最明显的特征是网络的终端，能够连接网络。
1．消费电子智能终端
1）可穿戴设备
2）移动智能终端
3）智能电视
2．工业智能终端
1）智能表
2）智能手持设备
3）现场智能设备

四.重要知识点 (两个设计题,共40分)

1、分析**系统功能，试设计基于物联网的系统解决方案。
要求：
（1）阐述系统功能（至少5项以上）；
（2）阐述系统解决思路及实现方法
（3）设计系统架构，要求画出结构框图；
（4）系统涉及的关键技术及其用法。
此处举例：智能家居系统
（1）系统功能：
① 家居安防和视频监控
② 灯光及窗帘等设备智能控制
③ 家庭影院智能控制
④ 家用电器智能控制
⑤ 小区接警中心接警
⑥ 远程控制
或者
1* 语音控制：控制内容包括语音开门、语音开灯、语音关灯、语音开风扇、语音关风扇；
2* GPRS远程控制：通过短信发送命令可控制窗帘、灯光、风扇开关和空调温度设定；
3* 数据库功能：可保存出现异常情况时各个传感器的状态
4* 无线报警功能：当可燃气体达到一定浓度时，会通过声音报警，并通过GPRS网络发送报警* 短信到用户主机。同时将当前传感器状态保存到系统数据库中进行备份。
5* 网络服务器功能（含视频服务器）：要求使用方可以利用任何能连接因特网的地方访问智能家居系统，保持两地数据同步并可以利用视频监测和控制家中的情况。
（2）解决思路和实现方法：
思路：（1）通过有线或无线网络构成的室内检测与报警系统，如安装于厨房的防止煤气泄漏的甲烷传感器、安装于浴室的检测燃气热水器的一氧化碳传感器。此外，还可以包括用于控制空调、电风扇、换气扇和空气加湿器等设备的终端（控制）节点；
（2）用于监测室内人员和物品状况的监控摄像头系统；
（3）用于存储数据、连接Internet网络的主控服务器。为方便用户查询历史数据、视频录像，以及通过网络远程查看室内状况，服务器应根据用户需求可以配备大容量硬盘并连接互联网；
（4）智能中央控制器。这个装置可以安装在客厅和卧室等处，通常用于控制灯光、窗帘、家电、安防系统以及房间的背景音乐等。
具体实现：本系统划分为五个子系统：门禁控制子系统、GPS定位子系统、移动物体监测子系统、流媒体远程监控子系统和ZigBee无线传感监控系统。
（1）中央服务器：硬件采用EC5-1719CLDNA嵌入式平台；软件方面，为了更好的配合各个子系统工作，使系统框架更为清晰，将服务器端软件分为五个模块，分别对应各个子系统。
（2）门禁控制子系统：门禁控制子系统作为本文的核心和亮点功能，创造性的引入了多元特征身份识别方法。硬件上由摄像头、麦克风（采集语音）、指纹采集器、电磁开关、可控旋转电机构成。可以选择被动、主动模式打开一个或多个生物特征采集模块，通过提供特征数据，请求身份认证。若系统识别申请人为合法用户，通过电磁开关控制门控电机开门；否则给出拒绝提醒。如若碰到恶意申请，向系统设定报警对象发出信号。
（3）GPS实时定位子系统：硬件设备自行开发设计，采用MSP430作为总控MCU（Micro Control Unit），GPS信息获取采用商业GPS模块，通讯采用深圳宏电的H7000 CDMA模块。在需要实时定位的私家车辆或特殊家庭成员身上装备定位设备，服务器端可以实时获取到观测实体的坐标信息，配合GIS地图，确定观测实体位置。如若发生特殊状况（车辆失窃、人员走失等等），能够为用户提供帮助。
（4）移动物体监测子系统：系统通过对监控摄像头采集到的视频数据切分成帧，然后通过差分方法比较相邻帧（为了减少误差、选用特定间隔的相邻帧），实现移动物体的监测功能。当监测到有移动物体时系统激活录像功能，向设定人员发送报警信息，并可以开启现场警报器。在报警的同时，还可以向受警人员发送监控摄像头拍摄的图片，以免误报，也能为用户追回损失提供法律依据。
（5）流媒体远程监控子系统：用户可以通过连入Internet的任意一个终端，连接到流媒体服务器，远程实时查看监控摄像头采集到的视频图像，实现远程监控功能。
（6）ZigBee无线传感监控系统：由各类传感器构成家居信息采集模块，经由ZigBee组建无线局域网，实时采集家居状况信息，存入数据库，供用户远程在线查看；通过设定预警阀值来实现报警功能；用户也可以在本地服务器端察看由ZigBee控制子系统采集到的所有安全信息，同时提供各种预警参数设置功能。
（3）结构框图：

（4）关键技术和用法：
综合布线技术、网络通信技术、安全防范技术、自动控制技术、音视频技术。
用法：
智能家居的软件系统设计部分主要包括三部分：嵌入式网关与智能控制中心程序、ZigBee中心节点程序和终端节点的检测和控制程序。
（1）其中网关与控制线中心程序 设计主要包含用户操作界面、数据库、网络通讯、数据处理等程序的设计；
（2）ZigBee根节点程序主要是与网关串行通讯、协调器程序设计；
（3）终端节点的检测和控制程序主要是从传感器节点获取数据，以及根据需要对家电设备进行控制。
1.网关与控制中心设计
（1）嵌入式Linux开发平台的建立
嵌入式网关与智能控制中心运行于嵌入式系统上，采用嵌入式Linux操作系统。因此首先应建立交叉编译环境，然后通过交叉编译环境在宿主机上完成系统的内核编译、应用程序的开发和调试工作，宿主机与嵌入式系统之间一般可以通过串口、以太网口建立连接。
（2）配置2.6版本的Linux内核
Linux内核中包含了丰富的驱动程序，能够支持主流的硬件设备和技术。但由于内核较大，为减小并使内核适合对应的硬件设备，需要对Linux内核进行适当的裁剪和配置，以选择一些系统必须的驱动程序。
（3）建立嵌入式Web服务器BOA
系统中嵌入式Web服务器的主要功能是监听客户端浏览器的服务请求，如下图所示。根据客户端请求的类型，返回静态页面或CGI页面应用程序作为响应。
由于嵌入式系统资源一般都比较有限，并且也不需要处理大量的浏览器请求，因此一般都选用简单的轻量级嵌入式WEB服务器，如HTTPD、BOA等。
BOA是目前嵌入式系统使用较多的Web服务器之一，支持CGI脚本，将BOA移植到嵌入式Linux平台步骤详见教材。
（4）嵌入式数据库SQLite的应用
SQLite数据库具有体积小、开放源码、具备较完善的API接口等，配置简单。移植时，宿主机按照SQLite网站配置后，复制至目标开发板即可。在本系统中，使用了嵌入式数据库中存储用户名、密码和必要的控制数据、检测数据等功能模块。
（5）Web界面的设计
用户通过浏览器，可访问嵌入式家庭网关。当远端用户登录系统后，首先进入用户验证页面，用户的用户名和密码保存在嵌入式数据库中，通过验证后即可登录管理系统。
（6）触摸屏控制的设计
除满足远端用户的控制与查询需求外，家庭网关还可以通过本地触摸屏和LCD界面实现，界面通过QT编写，可以实现本地家电设备的控制，检测状态显示等。
2.中心节点的设计：
节点在启动后，首先执行节点硬件和ZigBee网络的初始化，包括I/O设置、中断设置、外围硬件的初始化、网络的配置等。初始化成功后则进入到循环等待的状态中，一方面等待是否有其他节点发送来的信息，另一方面等待嵌入式网关通过UART发送来的指令，将接收到的指令信息经过转换后，进行转发。
（1）无线数据发送部分
Z-Stack协议栈中，应用层程序可以通过调用AF_DataRequest函数完成数据的发送，该函数的形参中包含了地址、数据长度、簇信息等必要的数据。在Z-Stack协议栈中，应用程序可以通过簇信息区分信息的类型，因此在设计ZigBee网络时，可以通过设定不同的簇信息(CID)区分数据类型。
（2）无线数据接收部分
按照Z-Stack协议栈的规定，在接收到数据时，系统抽象层将产生AF_INCOMING_MSG _CMD，用户只需要判断该消息类型，在该事件下处理消息即可。处理消息时可根据CID数据分别处理。
（3）串口通讯模块
Z-Stack已经已经将串口通讯单元进行了封装，因此在使用时仅需要对串口单元进行适当的配置即可实现数据的收发。
（4）中心节点与嵌入式网关之间的数据格式定义
中心节点与嵌入式网关之间使用UART协议通讯，设定必要的数据格式以便使用。下行数据时，数据由嵌入式网关发送至根节点。
（5）终端节点检测与控制的软件设计
终端节点检测与控制的功能相对于中心节点功能要简单，只需要按照接收到的指令完成数据采集或对家用电器控制即可。
终端节点的检测是在完成硬件初始化和网络初始化后，就进入监听状态，节点等待网络发送来的数据包。