[笔记]物联网概论

Ch1 物联网概述

1.物联网的定义：物联网是一个基于互联网、传统电信网等信息载体，让所有能被独立寻址的普通物理对象实现互联互通的网络
2.物联网四层模型：

• 信息应用----->综合应用层
• 信息处理----->管理服务层（大数据与海量存储）
• 信息传输----->网络构建层（wifi，wimax，bluetooth）
• 信息生成----->感知识别层（RFID，无线传感器，智能设备）

3.三个重要特征：普通对象设备化，自治终端互联化，普适服务智能化

Ch2 自动识别技术与RFID

1.IC卡，即集成电路卡，是一种数据存储系统，必要时附加计算能力
IC卡应用系统：IC卡<—>IC卡读卡器<—> pc <—>主计算机
分类：（1）存储器卡：卡内芯片为EEPROM或FLASH，无安全逻辑，价格低廉
（2）CPU卡：硬件有CPU和存储器（RAM，ROM，EEPROM等），ROM中存放有片内操作系统（cos），计算能力高，存储容量大，应用灵活，安全防伪能力强，如手机SIM卡
（3）逻辑加密卡：由非易失性存储器和硬件加密逻辑构成，有一定的安全保证

CPU卡的分类：按与外界数据交互界面（接触式IC卡，非接触式IC卡）
按传输形式分类（串行通信卡，并行通信卡）
2.一维条形码
模块：构成条形码的基本单位，值条码中最窄的条或空，构成条码的一个条或空称为一个单元，单元包含的模块数由编码方式决定
密度：指单位长度的条码表示的字符个数。模块尺寸越小，密度越大。7.5mil以下为高密度条码，15mil以上为低密度条码
宽窄比：只有两种宽度单元时，宽：窄
中间分隔符：条码符号中，位于两个相邻的条码符号之间且不代表任何信息的空（根据有无中间分隔符分为连续性条码和非连续性条码）
3.二维条形码
二维码定义：利用某种特定的几何图形按一定规律在平面上分布的黑白相间的图形记录数据符号信息
4.一维码，二维码对比
一维码

二维码

5.RFID（射频识别技术）
定义：利用射频信号通过空间耦合实现无接触信息传递，并通过所传递的信息达到识别目的
优点：电子标签和阅读器无需接触便可识别，用芯片存储大量信息

阅读器：其工作模式一般是主动向标签询问标识信息，通过天线和标签通信
天线：用于在阅读器和标签之间传送射频信号，阅读器可连接多个天线
标签：由耦合元件、芯片、微型天线组成，内部有唯一电子编码，用来标识目标对象
6.RFID与条形码相比的优点
体积小且形状多样，环境适应性，可重复使用，穿透型强，数据安全性
7.标签分类
被动式标签：无源，凭借感应电流获得的能量发出存储在芯片中的电子编码
主动式标签：主动发出某一频率的信号
半主动标签：内部有电池为标签内部计算提供电源，但通信能量通过阅读器发射的电磁波获取
8.RFID的频率
低频 LF（30—300KHZ）

高频 HF（3—30MHZ）

超高频 UHF （300MHZ—3GHZ）

Ch3 无线传感网

1.传感器定义：能感受被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置
2.无线传感节点的组成：电池，传感器，微处理器，无线通信芯片
3.无线传感器的“三化”发展方向：微型化，智能化，网络化
4.大规模长时间部署传感器的设计要求：

• 低成本与微型化
• 低功耗（硬件采用低功耗芯片，软件采用节能策略）
• 灵活性与扩展性（硬件满足一定得标准接口，软件可裁剪）
• 鲁棒性（是实现传感器网络长时间部署的重要保证）

5.无线传感节点的硬件平台

• 传感器
• 微处理器（无线传感节点中负责计算的核心，集成了内存，闪存，模数转化器，数字IO等）

影响节点工作整体性能的微处理器关键性能包括功耗特性，唤醒时间

• 通信芯片（通常消耗能量最多，通信芯片的传输距离是选择传感节点的重要指标）
• 供能装置

6.节点操作系统的要求
低功耗，轻量级（节点内存宝贵），实时和并发操作，模块化
节点OS区别于传统OS的最主要特点：微型化，硬件平台资源极其有限
7.如何选择节点OS
开发语言，应用需求，节点硬件，系统支持
8.TinyOS任务调度，核心使用了事件驱动的单线程任务调度机制
9.ETX：传输成功每个包需要的总传输次数
10.组网技术-数据收集协议（CTP）

• 初始化阶段：每个节点广播自己到汇聚节点的路径的ETX
• 每个节点收到广播包后，依据邻居结点广播的路径ETX，动态选择父节点使自己到汇聚节点的路径ETX尽量小
• 经过不断更新，每个节点都能选择一条到汇聚节点ETX之和最小的路径

使用Trickle算法控制发包频率

• 网络稳定时，Trickle算法二进制增长发包间隔，以减少发包数量
• 发生环路或其他异常状况时，缩短发包间隔至最小，使网络能及时恢复正常状态

优点：网络不变化，发包数量很少，网络一旦变化，迅速更新整个网络

11.数据分发协议

• 为每个数据项分配一个版本号，版本号越高数据越新，网络中每个节点周期性广播关于一个数据项的版本信息
• 当一个Drip节点发现自己数据需要更新时，向邻居结点发送请求包
• Drip节点收到请求包后即广播关于被请求数据项的包

Ch4 定位系统

1.主流定位系统：卫星定位，蜂窝定位，室内定位，wifi基站定位
2.GPS优缺点：
优：one:全球覆盖，可用于险恶环境 two:精度高
缺：one:需要GPS接收机 two:室内信号差 three:启动时间长
3.蜂窝基站定位 ：利用基站已知的条件可对通信设备定位
单基站定位法（COO定位）：移动设备所属基站的位置视为移动设备的位置（简单，快速，适用于紧急情况）

4.蜂窝定位优缺点
优：one：信号穿透能力强，室内亦可收到
Two：启动速度快
Three：不需要接收机，可通讯即可定位
缺：one：基站需要有专门的硬件，成本高
Two：定位精度相对较低
5.室内精确定位
用短波信号定位（长波穿透障碍物能力弱）
利用已有设备与网络：蓝牙，wifi,zigbee
利用专门设备与网络：红外线，超声波，RFID，超宽带等
6.wifi基站定位（无线AP定位）
利用可见WIFI接入点定位
大城市中，无线AP众多，定位精确
7.定位技术的关键：有一个或多个已知坐标的参考点，测量待测物体和已知参考点的空间关系
定位技术的两个步骤：测量物理量，根据物理量确定目标位置
8.TOA（基于距离的定位）和TDOA（基于距离差的定位）比较
TOA的局限：需要参考点和测量目标时钟同步
TDOA：不需要参考点和测量目标时钟同步，但参考点之间仍需时钟同步

Ch5 智能信息设备

1.智能设备发展新趋势：横向智能化（让没有处理能力的简单设备也融入整个智能系统中，例如使用RFID标签链接传统设备），感知深入化（从简单物理数值的感知到复杂社会对象的感知），互联规模化（大量设备通过互联网的连接形成一个数量庞大，功能完备的设备群）

Ch6 无线宽带网络

1.自组网：无需基站，用户之间通过自组织的方式形成自组网。地址指派，路由选择等功能由用户自身完成
2.无线宽带网络和有线宽带网络的区别主要在于数据链路层和物理层
3.Wifi(无线局域网)802.11无线局域网
802.11系列尽管物理层使用技术差异大，但上层架构和链路访问协议相同：

• Mac层都是用带冲突避免的载波监听多路访问技术（CSMA/CA）
• 数据链路层数据帧结构相同
• 都支持基站和自组织（每个无线用户既是数据交互的终端也是数据传输过程中的路由）两种组网形式

4.802.11介质访问控制协议
介质访问控制协议的目的：避免多个用户同时访问信道
802.11采用带冲突避免的载波监听多路访问技术（CSMA/CA），以太网采用带冲突检测的载波监听多路访问技术（CSMA/CD）
5.为什么802.11采用CSMA/CA
冲突检测（CD）需要全双工（发送数据同时也可接收数据），硬件代价过高，无线网卡很难同时接收冲突探测帧和发送无线信号
无线信号的衰减特性和隐藏终端问题使冲突很难被检测
6.WiMax架构
基站以点对多点连接为用户提供服务（最后一英里）
基站之间或与上层网络以点对点连接（回程）
7.WiMax介质访问控制

• 全双工信道传输（WiMax的宽频特性）
• 点到多点传输的可扩展性（单个WiMax基站可为多个用户提供服务）

Ch7 无线低速网络

1.为什么需要低速网络协议
为了适应物联网物体特征：多样性，低成本，低带宽，低功耗，低通信半径，低计算能力
2.常见无线低速网络协议
红外，蓝牙，zigbee，体域网协议，容迟网络协议
3.红外
缺点：设备之间必须互相可见对障碍物的衍射较差
4.蓝牙
物理层采用跳频扩频结合的方式调制技术
蓝牙设备分为主设备和从设备
建立连接时间长，功耗高，安全性不高，组网规模太小
5.ZigBee特点
低功耗，低成本，时延短，网络容量大，可靠（CSMA/CA,MAC层采用完全确认的数据传输模式，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息），安全
6.IEEE 802.15.4/ZigBee体系结构
IEEE 802.15.4规定了物理层，链路层的规范
ZigBee规定了网络层，传输层，应用层规范
7.MAC层设计，如何降低能耗
无线收发模块占据大部分能耗
无线收发器件工作处于三种状态：发送，侦听，空闲（空闲浪费能量）
可以采用低功率侦听协议或采样侦听
8.ZigBee网络层采用距离矢量路由协议（AODV)
9.体域网
定义：基于无线传感器网络的是人体上的或移植到人体内的生物传感器共同组成的一个无线网络

特点：

• 规模小，可扩展，近距离，以人体为中心的网络
• 动态，混合型的网络
• 数据业务多样性，以数据为中心的网络

体域网网络架构

• 第一层：包含一组具有检测功能的传感器节点或设备，用于数据采集，采集部分常用简单的星形拓扑结构
• 第二层：由移动个人服务器或BSN汇聚节点组成，负责和外部网络进行通信，并临时存储第一层收集上来的数据
• 第三层：包括提供各种应用服务的远程服务器的外部网络

传感器分类：植入式传感器，与体液接触的可穿戴式传感器，无接触可穿戴式传感器
10.容迟网络
是指网络中端到端的路径通常很难建立，网络中消息传播具有很大延时，使得传统因特网上基于TCP/IP的协、无线网络中面向端到端的路由协议变得失效

Ch8 移动通信网络

1.移动通信网络的发展
模拟语音—数字语音—数字语音与数据（3G，提供移动宽带多媒体业务）
2.移动的互联网
将移动通信和互联网结合

Ch9 大数据与海量存储

1.网络存储体系结构

• 直接附加存储（DAS）：将存储系统通过缆线直接与服务器或工作站相连，在存储设备和总线适配器之间不存在其他网络设备
• 网络附加存储（NAS）：文件级的计算机数据存储架构，计算机连接到一个仅为其他设备提供基于文件级数据存储服务的网络
• 存储区域网络（SAN）：通过网络方式连接存储设备和应用服务器的存储架构，由服务器、存储设备、SAN连接设备组成
  特点：存储共享，支持服务器直接从SAN启动

三种网络存储体系结构的比较

2.分布式文件系统GFS
将整个系统节点分为三类角色：客户端client（提供给应用程序的访问接口），主服务器master（保存系统的元数据，管理整个文件系统），数据块服务器chunk server（负责具体的存储工作）
3.分布式数据处理MapReduce（并行编程模式）
封装了并行处理，容错处理，本地化计算，负载均衡等细节，还提供了一个简单而强大的接口
Map函数：对原始数据进行指定的操作，每个Map操作针对不同的原始数据
Reduce操作：对每个Map产生的一部分中间结果进行合并，每个Reduce处理的Map中间结果互不交叉，所有Reduce产生的结果简单链接就是最终结果
4.BigTable
是一个分布式多维映射表表中数据通过一个行关键字，列关键字，以及一个时间戳索引

Ch10 数据库系统

1.数据存储模式

• 集中式存储：数据全部保存在sink节点（汇聚点），查询仅在sink端执行
• 分布式存储：数据可保存在“存储结点”上，查询被分发到网络上由存储结点返回查询结果

2.数据库与物联网
无线传感网络的重要特点：以数据为中心