物网概论2

导论

EPC——Electronic Product Code——电子产品代码

CPS——Cyber-Physical Systems——信息-物理融合系统

物联网的基本概念

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。普通对象设备化，自治终端互联化和普适服务智能化是其三个重要特征。

物联网的四层体系结构模型

根据信息生成、传输、处理和应用将物联网分为

• 感知识别层

  • ！！！感知识别技术，融合物理世界和信息世界，是物联网区别于其他网络的最独特的部分。

  • 感知识别层的大量信息生成设备，既包括采用自动生成方式的RFID、传感器、定位系统等，也包括采用人工生成方式的各种智能设备，例如智能手机、笔记本电脑等。

  • 感知识别层位于物联网四层模型的最底端，是所有上层结构的基础。

• 网络构建层

  • ！！！网络是物联网最重要的基础设施之一
  • 网络构建层连接感知识别层和管理服务层，具有强大的纽带作用，传输上下层的数据。

• 管理服务层

  • ！！！管理服务层解决数据如何存储（数据库与海量存储技术）、如何检索（搜索引擎）、如何使用（数据挖掘与机器学习）、如何不被滥用（数据安全与隐私保护）等问题。

• 综合应用层

  • ！！！物联网丰富的内涵催生出更加丰富的外延应用。

自动识别技术与RFID

OCR——Optical Character Recognition——光学字符识别

PR——Pattern Recognition——模式识别

FRAM——Ferroelectric Random Access Memory——铁电随机存取存储器

SRAM——Static Random Access Memory——静态随机存取存储器

S-ALOHA——slotted-aloha——分时隙的ALOHA防冲突算法

FSA——Frame Slotted Aloha——基于帧的分时隙的ALOHA防冲突算法

光学符号识别技术的基本概念

OCR技术是使设备通过光学机制识别字符。

语音识别的流程

语音信号输入——>预处理——>声学参数分析——>测度估计——>判决——>识别结果

虹膜识别的特点

1. 生物活性: 虹膜处在巩膜的保护下，生物活性强。
2. 非接触性: 从无需用户接触设备,对人身没有侵犯。
3. 唯一性: 形态完全相同虹膜的可能性低于其他组织。
4. 稳定性: 虹膜定型后终身不变，一般疾病不会对虹膜组织造成损伤。
5. 防伪性: 不可能在对视觉无严重影响的情况下用外科手术改变虹膜特征。

指纹的整体特征和局部特征

整体特征

1. 纹型：三种基本纹型包括：环型、弓型和螺旋型
2. **模式区：**指纹上包含总体特征的区域，即从模式区就能够分辨出指纹是属于那一种类型的
3. 三角点：位于从核心点开始的第一个分叉点或断点、或者两条纹路会聚处、孤立点、转折点、或者指向这些奇异点。
4. 纹数：模式区内指纹纹路的数量。

局部特征

1. 终结点（Ending）：一条纹路在此终结。
2. 分叉点（Bifurcation) ：一条纹路在此分开成为两条或更多的纹路。
3. 分歧点（Ridge Divergence）：两条平行的纹路在此分开。
4. 孤立点（Dot or Island） : 一条特别短的纹路，以至成为一点。
5. 环点（Enclosure）: 一条纹路分开成为两条之后，立即有合并成为一条，这样形成的一个小环称为环点。
6. 短纹（Short Ridge）: 一端较短但不至于成为一点的纹路。

IC卡系统的构成及分类方法

基本组成

IC卡——IC卡读写器——PC——主计算机

分类

条形码的分类

1. 一维条形码
2. 二维条形码

一维条形码的组成

1. 静区（前）
2. 起始符
3. 数据符（中间分割符，主要用于EAN码）、(校验符)
4. 终止符
5. 静区（后）

条形码模块的概念

构成条形码的基本单位是模块，模块是指条码中最窄的条或空

构成条形码的一个条或空称为一个单元，一个单元包含的模块数是由编码方式决定的。

一维条形码工作原理

激光扫描仪通过一个激光二极管发出一束光线，照射到一个旋转的棱镜上，反射光穿过阅读窗照射到条码表面，光线经过条或空的反射后返回阅读器，阅读器采集后，通过光电转换器转换成电信号，该信号将通过扫描器上的译码软件进行译码。

二维条形码与一维条形码的比较

一维条形码特点：

1.可直接显示内容为英文、数字、简单符号；

2.贮存数据不多，主要依靠计算机中的关联数据库：

3.保密性能不高；

4.损污后可读性差。

二维条形码特点：

1.可直接显示英文、中文、数字、符号、图型；

2.贮存数据量大，可存放1K字符，可用扫描仪直接读取内容，无需另接数据库；

3.保密性高（可加密），

4.安全级别最高时，损污50%仍可读取完整信息。

RFID的概念与现状

RFID是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识别目的。

RFID系统的组成

RFID系统由五个组件构成：传送器、接收器、微处理器、天线、标签。

传送器、接收器和微处理器通常都被封装在一起，又统称为阅读器(Reader)

工业界经常将RFID系统分为为阅读器、天线和标签三大组件

阅读器是RFID系统最重要也是最复杂的一个组件。因其工作模式一般是主动向标签询问标识信息，所以有时又被称为询问器（Interrogator）

天线同阅读器相连，用于在标签和阅读器之间传递射频信号

**标签（Tag）**是由耦合元件、芯片及微型天线组成，每个标签内部存有唯一的电子编码，附着在物体上，用来标识目标对象。

RFID标签的优点和特点

RFID的优点：

• RFID较其它技术明显的优点是电子标签和阅读器无需接触便可完成识别

• RFID改变了条形码依靠"有形"的一维或二维几何图案来提供信息的方式，通过芯片来提供存储在其中的数量巨大的"无形"信息。

RFID标签的优点：

• 体积小且形状多样：RFID标签在读取上并不受尺寸大小与形状限制，不需要为了读取精度而配合纸张的固定尺寸和印刷品质。

• 耐环境性：纸张容易被污染而影响识别。但RFID对水、油等物质却有极强的抗污性。另外，即使在黑暗的环境中，RFID标签也能够被读取。

• 可重复使用：标签具有读写功能，电子数据可被反复覆盖，因此可以被回收而重复使用。

• 穿透性强：标签在被纸张、木材和塑料等非金属或非透明的材质包裹的情况下也可以进行穿透性通讯。

• 数据安全性：标签内的数据通过循环冗余校验的方法来保证标签发送的数据准确性。

RFID标签的存储方式及分类

标签的存储方式

电可擦可编程只读存储器（EEPROM）：一般射频识别系统主要采用EEPROM方式。这种方式的缺点是写入过程中的功耗消耗很大，使用寿命一般为100,000次

铁电随机存取存储器（FRAM）: 与EEPROM相比，FRAM的写入功耗消耗减小100倍，写入时间甚至缩短1000倍。FRAM属于非易失类存储器。然而，FRAM由于生产方面的问题至今未获得广泛应用。

静态随机存取存储器（SRAM）: SRAM能快速写入数据，适用于微波系统，但SRAM需要辅助电池不间断供电，才能保存数据。

标签的分类

1. 被动式标签（Passive Tag）：因内部没有电源设备又被称为无源标签。被动式标签内部的集成电路通过接收由阅读器发出的电磁波进行驱动，向阅读器发送数据。
2. 主动标签（Active Tag）:因标签内部携带电源又被称为有源标签。电源设备和与其相关的电路决定了主动式标签要比被动式标签体积大、价格昂贵。但主动标签通信距离更远，可达上百米远。
3. 半主动标签（Semi-active Tag）:这种标签兼有被动标签和主动标签的所有优点，内部携带电池，能够为标签内部计算提供电源。这种标签可以携带传感器，可用于检测环境参数，如温度、湿度、是否移动等。然而和主动式标签不同是它们的通信并不需要电池提供能量，而是像被动式标签一样通过阅读器发射的电磁波获取通信能量。

RFID系统的常见频率及其优缺点

• 低频（LF）

• 高频（HF）

• 超高频（UHF Ultra high frequency）

RFID标签冲突及防冲突算法的概念

由于阅读器与所有标签共用一个无线通道，当两个以上的标签同一时刻向阅读器发送标识信号时，信号将产生叠加而导致阅读器不能正常解析标签发送的信号。这个问题通常被称为标签信号冲突问题（或碰撞问题），解决冲突问题的方法被称为防冲突算法（或防碰撞算法，反冲突算法）

防冲突算法分类

现有的基于时分多址的防冲突算法可以分为基于ALOHA机制的算法和基于二进制树两种类型

详细描述各种协议及其优缺点

基于帧的分时隙的ALOHA协议

在S-ALOHA基础上，将若干个时隙组织为一帧，阅读器按照帧为单元进行识别。

优点在于逻辑简单，电路设计简单，所需内存少，且在帧内只随机发送一次能够更进一步降低了冲突的概率。

FSA成为RFID系统中最常用的一种基于ALOHA的防冲突算法

Q协议

随机二进制树协议

查询二叉树协议

传感器技术

传感器——transducer/sensor

UWB——Ultra Wide Band——超宽带

现代传感器的基本组成

无线传感节点的组成：电池、传感器、微处理器、通信芯片

相比于传统传感器，无线传感节点不仅包括传感器部件，还集成了微型处理器和无线通信芯片等，能够对感知信息进行分析处理和网络传输。

掌握制约传感器性能提升的瓶颈以及相应的设计需求

制约传感器性能提升的因素

• 功耗的制约：无线传感节点一般被部署在野外，不能通过有线供电。其硬件设计必须以节能为重要设计目标。
• 价格的制约：无线传感节点一般需要大量组网，以完成特定的功能。其硬件设计必须以廉价为重要设计目标。
• 体积的制约：无线传感节点一般需要容易携带，易于部署。其硬件设计必须以微型化为重要设计目标。

大规模长时间部署传感器的设计需求

• 低成本与微型化
• 低功耗
• 灵活性与扩展性
• 鲁棒性

定位系统

ToA——Time of Arrival——基于位置的定位

TDoA——Time Difference of Arrival ——基于位置差的定位

RSS——基于信号特征的定位（RSS）

位置信息的三要素

• 地理位置（空间坐标）

• 处在该位置的时刻（时间坐标）

• 处在该位置的对象（身份信息）

GPS的系统组成

• 宇宙空间

• 地面监控（全部在美国境内）

• 用户设备

GPS优缺点

• 优点

  • 精度高
  • 全球覆盖，可用于险恶环境

• 缺点

  • 启动时间长
  • 室内信号差
  • 需要GPS接收机

蜂窝基站定位（单基站和多基站）的方法以及优缺点。

GSM蜂窝网络

• 通讯区域被分割成蜂窝小区
• 每个小区对应一个通讯基站
• 通讯设备连接小区对应基站进行通讯

利用基站位置已知的条件，可对通讯设备进行定位

COO定位（Cell of Origin）——单基站定位法

• 方法：将移动设备所属基站的位置视为移动设备的位置

• 优点：简单、快速，适用紧急情况

• 缺点：误差巨大

ToA/TDoA定位法——多基站定位法

• 方法：需要三个基站才能定位

• 优点：精确度高

• 缺点：稀疏地区可能只能收到两个基站的信号，不适用

举例说明新兴定位技术

• A-GPS
• 无线AP定位
• 网络定位

了解基于信号特征的定位方法

• ToA和TDoA都需要接收端特殊装置
• 基于信号特征的定位直接利用射频信号定位，不需要额外设备
• **原理：**信号强度随传播距离衰减

举例说明物理网环境下定位技术的新挑战。

网络异构

环境多变

信息安全与隐私保护

大规模应用

智能信息设备

举例说明传统智能设备和新时代智能设备的应用

传统智能设备

• 个人计算机
• 个人数字助理（PDA）

新时代智能设备

• 智能车载设备
• 智能数字标牌
• 智能医疗设备
• 智能家电
• 智能手机

掌握智能设备运行平台的主要特点

物联网设备的智能性就体现在异构的设备构成的系统具有情境感知，任务迁移，智能协作和多通道交互的特点

了解并举例说明智能设备发展的新趋势

• 更深入的智能化

• 更透彻的感知

• 更全面的互联互通

互联网

ICMP（Internet Control Message Protocol）Internet控制报文协议

Internet 组管理协议称为IGMP协议（Internet Group Management Protocol）

文件传输协议（File Transfer Protocol，FTP）

SMTP——Simple Mail Transfer Protocol——简单邮件传输协议

SYN：同步序列编号（*Synchronize Sequence Numbers*）

ACK (Acknowledge character）确认字符

熟悉互联网中常用的接入方式

拨号上网、DSL、电力线、以太网、WiFi

重点理解电路交换与分组交换的原理和特点

电路交换

• 即时通讯，服务质量有保障
• 可扩展性差，准备时间长

分组交换

• **通讯数据单元：**分组
• **特点：**高效低成本，服务质量无保障

多数情况下物联网的服务不必苛求即时通信能力，因此，高效且低成本的分组交换将成为物联网中数据交换的首选方式。

牢记互联网的5层结构，包括每层中涉及的关键协议

应用层：为应用程序提供网络服务

传输层：负责向用户提供端到端的通信服务，实现流量控制以及差错检测。

网络层：主要负责创建逻辑链路，以及实现数据包的分片和重组，实现拥塞控制、网络互连等功能。

链路层：主要负责在通信的实体间建立数据链路连接

物理层：主要负责在物理线路上传输原始的二进制数据

了解应用程序构架：客户端－服务器和对等网络模式

• 客户端－服务器模式

  • 服务器直接向所有用户提供服务

• 对等网络模式

  • 每一个网络终端既是资源的使用者也是资源的提供者

理解Web和HTTP协议，重点学习域名系统，DNS的分层组织结构和域名解析方法

Web包含的三个重要概念

•超文本

•超媒体

•超文本传输协议（HTTP）

Web的特点

•图形化界面

•终端的独立性

•交互性和动态性

HTTP协议是Web的核心，负责Web服务器和客户端应用层之间的通信。定义了服务器和客户端之间通信的次序以及数据格式。

域名：

•Web服务器在网络上的唯一标识（标识作用）

•用来在网络中定位一台Web服务器的标识（定位作用）

域名与IP地址：

•IP是互联网内部使用的标识，有固定的长度，域名没有长度限制。

•域名到IP地址的转换：域名系统

分层组织的DNS（域名系统）服务结构

• 根域名系统服务器
• 一级域名服务器
• 权威域名服务器

域名服务器共同协作完成域名解析

交互式域名解析：逐级询问

当用户向本地DNS服务器请求解析时，若本地DNS服务器已持有所需域名对应IP，则将信息返回给用户，否则一层一层询问，直到获取域名对应IP并返回给用户。

递归式域名解析：本地DNS服务器代理

每当一个DNS服务器被查询一个域名的IP地址时，如果该服务器没有记录，则该服务器亲自代表询问者去获取该域名的IP地址，直到得到该信息。

掌握套接字的概念和功能原理并理解UDP协议的特点，重点学习TCP协议的原理和特点，以及与UDP的区别

**套接字：**应用层与传输层之间进行通信的一道门，使得当一个网络终端运行多个网络应用程序时，不同应用程序的收发信息不会产生混乱。

套接字需要IP地址和端口号区别同一终端上运行的不同应用程序。

IP地址用于区别不同终端，端口号用于区别同一终端上的不同应用程序。

UDP协议：用户数据包协议（User Datagram Protocol），为传输层提供简单的不可靠的信息传输服务。

UDP协议特点

不需要建立连接→较小的启动延迟

不需要维护连接状态→少量的资源消耗

轻量级的通讯开销→较短的数据包格式

TCP协议：传输控制协议（Transmission Control Protocol），为上层应用提供可靠的、基于字节流的传输服务。

由于TCP协议所基于的网络层协议（IP协议）不提供可靠传输保障，传输的可靠性完全是由TCP所包含的各种机制实现的。

可靠性传输实现机制

• 数据分割

• 数据编号

• 接收反馈

TCP协议的建立：三次握手

第一次握手：

由请客户端发起，客户端发起的第一次握手报文称为SYN报文，其中包含发起者第一个真正数据报文的起始编号。

SYN：同步序列编号（Synchronize Sequence Numbers）

第二次握手：

由服务器发送，服务器收到SYN报文后发送给客户端的确认信息，称为SYNACK报文，完成第二次握手后，服务器分配网络资源和带宽。

第三次握手：

由客户端发送，包含客户端想从服务器获取的数据资源，服务器收请求后，TCP连接成功建立。

TCP协议的特点

•面向连接的传输：需通信双方维护连接的状态。

•可靠性传输：确保传输不出现丢失和乱序。

•流量控制：匹配发送端和接收端的速率。

•拥塞控制：避免网络过于拥挤，考虑了不同通信方之间的公平性。

理解路由器的作用和工作原理，掌握IPv4协议的结构和分类，重点学习IPv6协议，包括结构以及与IPv4的兼容技术。

路由器

• 是网络互联互通的桥梁

• 路由器通过路由算法选择数据传输路径

• 路由表：IP地址，端口号

• 当路由器收到一个数据包后会查看该数据包网络层包头中接收终端的IP地址，根据路由表中的信息将该数据包通过对应的端口进行转发。

双栈技术

• 在IPv6设备中加入IPv4协议栈使得设备同时支持两种协议。

• 存在的问题：若通信过程中将IPv6数据包转换成IPv4数据包，则无法还原最初的IPv6数据包

隧道技术

• 构建传输隧道，将IPv6数据包打包为IPv4数据包
• IPv6数据包可以还原

掌握物联网中互联网的角色以及作用。

物联网是互联网应用的延伸和拓展，

无线宽带网络

电气与电子工程师协会（Institute of Electrical and Electronics Engineers），简称IEEE

基本服务组（Basic Service Set，BSS）

•了解无线网络按覆盖范围的分类和宽带网络的标准。

无线网络分类

• 个域网、局域网、城域网、广域网

传统宽带网络定义：带宽超过1.54Mbps的网络可称为宽带网络。

•重点理解802.11基站模式的架构

IEEE 802.11是现今无线局域网通用的标准

虽然经常将Wi-Fi与802.11混为一谈，但两者并不等同

基本服务组（Basic Service Set，BSS）是802.11架构中最重要的组成部分。

基站模式

• 无线用户（笔记本电脑、PDA、台式机等）：通过与接入点相关联获取上层网络数据。
• 接入点（基站）：通过有线网络设备（交换机/路由器）连入上层公共网络。“无线路由器”是接入点和路由器功能的结合体。

•重点掌握CSMA/CA的机制以及802.11不采用CSMA/CD的原因。

介质访问控制协议(MAC)的目的：避免多个用户同时访问信道

CSMA：（Carrier Sense Multiple Access）用户在发送数据之前先监听信道，信道占用则不发送数据。

CA：（Collision Avoidence）要求建立数据链路层确认/重传机制以避免冲突。

CD：（Collision Detected）检测冲突。

802.11采用带冲突避免的载波监听多路访问协议（CSMA/CA)，而以太网采用带冲突检测的多载波监听多路访问协议（CSMA/CD）

为什么802.11采用CSMA/CA？

•冲突侦测（CD）需要全双工（发送数据同时也可接受数据)，无线网卡很难同时接收和发送无线信号。

•无线信号的衰减特性和隐藏终端问题使冲突很难被侦测。

•掌握RTS和CTS避免“隐藏终端”问题的机制。

RTS和CTS机制：预留信道

为了避免冲突和“隐藏终端”，发送端可以请求预留信道而不是随机访问，通过RTS（Request to Send）和CTS（Clear to Send）实现。

• 发送端

  • 使用CSMA/CA向接入点发送RTS

• 接入点

  • 广播CTS

• 接收到CTS的用户

  • RTS发送者发送数据
  • 其它用户延后其发送

•了解802.11数据帧结构，重点掌握3个地址域的作用。

用于802.11数据帧和以太网数据帧格式中地址域的转换。

地址1 接入点MAC地址

地址1 用户MAC地址

地址1 路由器MAC地址

•掌握802.16的架构，802.16介质访问控制的新特点。

WiMAX架构

• 架构与802.11基站模式类似

WiMAX介质访问控制包含了全双工信道传输、点到多点传输的可扩展性以及对QoS的支持等特征。

• 全双工信道利用WiMAX的宽频特性提供更高效的宽带服务。
• 可扩展性指单个WiMAX基站可为多个用户同时提供服务。
• QoS是针对不同用户的不同需求提供更优质的数据流服务。

时分多址转换（TDM，Time Division Multiplex）帧提供了对上述特征的支持。

无限低速网络

•了解物联网需要低速网络协议的原因。

•物联网背景下连接的物体，既有智能的也有非智能的。

•适应物联网中那些能力较低的节点

• 低速率

• 低通信半径

• 低计算能力，和低能量的要求

•需要对物联网中各种各样的物体进行操作的前提就是先将他们连接起来，低速网络协议是实现全面互联互通的前提。

•对比Wi-Fi，理解蓝牙和红外技术的适用范围和特点。

蓝牙技术是一种短距离低功耗传输协议

•Wi-Fi的定位目标是为了取代网络应用中的有线设备，能够真正的实现从有线到无线的转变，他可以用来传送各种文件，视频，音频，实现互联网的各种应用。

•蓝牙主要是为了替换一些个人用户携带设备的有线，如耳机，键盘等。这些设备对带宽的要求相对较少，或者说不是经常使用，比如手机间的传送小文件，或者说这些设备的资源拥有量（电量，计算资源等等）相对较低。

•红外通信技术利用红外线传输数据，比蓝牙技术出现更早，是一种较早的无线通信技术。

设备体积小、成本低、功耗低、不需要频率申请等优势。设备之间必须互相可见

•了解802.15.4对物理层和链路层的规定。

802.15.4/ZigBee是无线传感网领域最为著名的无线通信协议

ZigBee主要定义了网络层、传输层以及之上的应用层的规范

802.15.4主要定义了短距离通信的物理层以及链路层规范

802.15.4规定物理层的三个频段，规定链路层采用CSMA/CA

•理解距离矢量路由协议的原理。

ZigBee网络层采用距离矢量路由协议（AODV）

源节点广播一个路由请求给它的所有邻居

邻居节点在收到消息后，再广播收到的消息给它们的邻居，如此直到消息到达目的节点。

当目的节点收到路由请求消息以后，目的节点返回一个路由回复给源节点。

回复不再以广播方式发送到源节点，而是沿着路由请求数据包从源节点到目的节点的路径，这样源节点就可以按照这条路径发送消息到目的节点了

•理解无线传感网物理层和MAC层的链路特点。

无线传感网组网：物理层设计

• 动态性（Dynamic)
• 非对称性（Asymmetric）：两个节点之间一个方向链路质量好，另一个方向质量非常差。
• 空间关联性（Spatial Correlation）：因为位置相近的节点通常有相似的环境。
• 时间关联性（Temporal Correlation）

无线传感网组网：MAC层设计

• 沿用CSMA/CA

•掌握MAC层为降低功耗采用的低功耗侦听协议（采样侦听和调度）。

无线收发器件占用大部分电量消耗

无线收发器件工作时处于三种状态（发送，侦听，空闲状态）,空闲状态浪费能量

低功率侦听协议

• 采样侦听
  • 无线收发模块定时采样获取信道的信息
• 链路层调度
  • 同步发送者和接收者以达到更高效率→调度

•理解无线传感网网络层设计时链路质量的重要性。

• 无线传感器网络中的链路不可靠

• 无线传感器节点的功能和资源极其受限，不能进行维护庞大的路由表。

• 链路质量是影响路由协议性能的重要指标。

•掌握链路质量的评价标准ETX的原理和计算。

ETX： （Expected Transmission Count），传输成功每个包需要的总传输次数，一条路径的ETX越小代表在这条路径上引起的总传输次数最小。

•了解无线传感网网络层典型路由协议CTP和Drip。

CTP：（Collection Tree Protocol）是目前广泛使用的数据收集协议之一

数据分发协议DDS（data distribution service）的作用是将数据包可靠传输到网络中的每个节点。无线传感网中广泛使用的是Drip协议

移动通信网络

LTE是long Term Evolution（长期演进）的缩写

4G——the 4th generation mobile communication technology

数据库管理系统

•数据库定义

数据库是存储在一起的相关数据的集合

• 这些数据是结构化的
• 数据库的存储独立于使用它的程序
• 对数据库插入，修改和检索数据均按一种公用的和可控制的方式进行

•掌握关系、属性、度、元组、基数、域、模式的基本概念。

关系数据库是一组具有不同名称的关系的集合

•关系即数据库中的表

关系表的每一列称为一个属性

关系表包含的属性数目叫做度

•关系表中的每一行都叫做一个元组

关系表包含的元组数目叫做基数

•域是一组具有相同数据类型的值的集合

•关系的名称及其所含属性的集合统称为模式

•掌握物联网数据管理的特点（数据特点，数据查询、存储和融合的方法）。

传感器数据的特点

• 海量性

• 多态性

• 关联性及语义性

传感器网络的数据存储方法

分布式存储

• 数据可保存在“存储节点”上，即传感器端存储
• 查询被分发到网络中去，由存储节点返回查询结果

集中式存储

• 数据全部保存在sink端（汇聚点），即数据汇聚点存储
• 查询仅在sink端进行

传感器网络的数据查询方法

• 查询分为快照查询和连续查询。
• 快照查询特点：查询不固定，数据不固定
• 连续查询特点：查询固定，数据不固定

海量信息存储

•了解物联网对海量数据存储的迫切需求。

数据中心是解决海量数据存储的主要手段。

•重点掌握三种基本的网络存储体系结构（DAS，NAS，SAN）的基本概念以及各自的优缺点。

直接附加存储(Direct-Attached Storage, DAS)

• 将存储系统直接与服务器相连

网络附加存储(Network Attached Storage, NAS)

• 计算机连接到一个仅为其它设备提供基于文件级数据存储服务的网络

存储区域网络 (Storage Area Network, SAN)

• 通过网络方式连接存储设备和服务器
• 由服务器、存储设备和SAN连接设备组成

三种网络存储结构的比较

DAS

• 管理容易，结构简单；集中式体系结构，不能满足大规模数据访问的需求；存储资源利用率低，资源共享能力差，造成“信息孤岛”。

NAS

• 网络的存储实体，容易实现文件级别共享

SAN

• 存储管理简化，存储容量利用率提高；无直接文件级别的访问能力，但可在SAN基础上建立文件系统。

•了解数据中心的概念，以Google数据中心为例，了解GFS，MapReduce，BigTable等技术的基本概念和特点。了解Hadoop分布式计算开源框架的特点。

数据中心：能容纳多个服务器和通信设备的建筑物

google针对数据中心自行研发的软件技术Google File System

•掌握保证性能前提下降低数据中心成本的方法。

服务器：及时应对需求的动态变化

网络设备：新的网络结构

• 以交换机为中心的多层树形结构
• 以服务器为中心的互联结构

能源：

• 降低服务器能耗

• 减少降温系统能耗

搜索引擎

•掌握Web搜索引擎的三大模块（网络爬虫模块，索引模块，搜索模块）的作用。

Web搜索引擎定义

在合理响应时间内，根据查询关键词，返回一个结果列表的服务

Web搜索引擎的结构

• 网络爬虫模块：对Web页面进行解析，根据Web页面之间的连接关系抓取这些页面，并交给索引模块处理
• 索引模块：对抓取的数据进行预处理建立关键字索引以便搜索模块输出
• 搜索模块：根据数据库的索引知识给出合理的搜索结果。

搜索引擎的体系结构

• 信息采集

• 索引技术

• 搜索服务

•了解搜索引擎需要解决的三个问题。

• 响应时间
• 关键词搜索
• 搜索结果排序

•掌握搜索引擎信息采集的基本流程以及网络爬虫程序的基本结构和工作流程。

网络爬虫程序根据HTTP协议，发送请求，并通过TCP连接接受服务器的应答。

•理解优化网络爬虫程序的途径。掌握常见的网页抓取算法的特点和流程。

信息采集优化

• 网络连接优化策略：持久性连接 、多进程并发设计

• 域名系统的缓存策略

网页抓取算法

• 深度优先算法

• 广度优先算法

• 基于内容算法

• 基于HITS的算法

•了解索引技术预处理的困难，了解倒排文件模型。

•举例说明Google Web搜索引擎的架构。

类Google搜索引擎的架构

•URL服务器

•Web页面抓取器

•存储服务器

•URL解释器

•排序器

•Page Rank

•搜索器

物联网中的智能决策

•了解数据挖掘的概念以及特点

• 从大量数据中获取有用的且人类理解的模式的过程
• 是一个反复迭代的人机交互的过程（反复迭代，人机交互）。

•熟悉数据挖掘的过程。

• 数据预处理
• 挖掘知识
• 知识评估与表示

•理解关联分析的相关概念：关联规则（支持度/置信度），Apriori算法，频繁项集。

数据挖掘的基本类型

描述性挖掘任务：刻画数据库中数据的一般特性

• 关联分析(Association Analysis)

• 聚类分析(Clustering Analysis)

预测性挖掘任务：在当前数据上进行推断和预测

• 离群点分析(Outlier Analysis)

• 分类与预测(Classification and Prediction)

• 演化分析(Evolution Analysis)

•理解分类和预测的相关概念：判定树，期望信息，信息增益。

分类与预测的区别：分类通常指预测数据对象属于哪一类，而当被预测的值是数值数据时，通常称为预测

•理解聚类分析与分类的区别

聚类的目的是将数据对象划分为多个类或簇

聚类与分类的区别：要划分的类是事先未知的

•了解离群点分析的三种方法（基于统计，距离偏移

离群点(Outlier)：数据集合中存在的一些数据对象，它们与其余绝大多数数据的特性或模型不一致

•了解演化分析的基本概念。

演化分析的目的是挖掘数据随时间变化的规律和趋势

•举例说明物联网环境下数据挖掘技术的广泛应用。

金融安全

市场营销

精准农业

物联网中的信息安全与隐私保护

•了解网络信息安全的一般性指标。

• 可靠性
• 可用性
• 可控性
• 不可抵赖性
• 保密性
• 完整性

•掌握主要的RFID安全隐患。

窃听(eavesdropping)

中间人攻击(man-in-the-middle attack, MITM)

欺骗、重放、克隆

拒绝服务攻击(Denial-of-service attack,DoS)：通过不完整的交互请求消耗系统资源

物理破解(corrupt)

篡改信息(modification)

RFID病毒(virus, malware)

•了解RFID安全保护机制，重点掌握基于密码学的安全机制。

如何面对安全和隐私挑战？

• 法律法规
• 其他技术结合
  • 生物识别
  • 近场通信(Near field communication, NFC)

综合应用层

•举例说明物联网背景下智能电网的应用

• 新能源发展与应用
• 输变电检测与监控
• 配用电管理
• 实时电力调度
• 电网安全

•理解智能交通的概念，举例说明智能交通中的物联网技术和典型的智能交通应用。

智能交通应用

• 不停车收费系统

• 实时交通信息服务

  实时的交通信息服务是智能交通系统最重要的应用之一，能够为驾驶员提供实时的信息例如交通线路，交通拥堵可能造成的时间延误，交通事故，安全提示，天气情况，前方道路修整工程等。

  智能交通系统还可以为乘客提供进一步的信息服务，例如车内的Internet访问服务以及音乐电影的下载和在线观看

  提供实时的交通信息服务包括三个主要的组成部分，信息的收集，信息的处理以及信息的散布。每一个部分都需要不同的平台和技术设备支持。

• 智能交通管理

• 智能交通管理主要包括交通控制设备例如交通信号、匝道流量控制和公路上的动态交通信息牌（为司机提供实时的交通流量和公路状态信息）。

  同时一个城市或者一个省份交通管理中心需要得到整个地区的交通流量状况以便及时检测事故、危险天气事件或其它对车道具有潜在威胁的因素。

  自适应的交通信号控制技术能够对交通信号进行动态控制，智能调整信号开关的时间。

  如果交通信号装置能够检测到等待车辆的信息或者车辆能够与信号装置通信将此信息发送给信号装置，我们就能够优化交通信号的时间控制方案，并提高道路的交通流量，缓解交通拥堵状况。

  智能的匝道流量控制也能够为交通管理带来巨大收益。

  大概有20个美国的大城市已经使用各种形式的匝道流量控制技术

•了解物流的发展历程，举例说明现代物流需要借助物联网技术实现（EPC，RF-ITV，食品物流）。

智能物流典型应用：食品物流

• 传感器搜集需监测的各种参数

• 条形码、RFID标签支持安全回溯

• 电子耳标方便快速通关

发展方向

• 丰富感知手段

• 提高智能化程度

•举例说明绿色建筑环保技术、节能技术、信息技术、网络技术的综合应用。

绿色建筑典型应用

建筑管理：建筑建设的智能化管理

• 建筑结构监测
• 建筑工地监控
• 建筑质量控制
• 建设过程的异常处理

低碳建筑

• 建筑低碳技术：低辐射玻璃，中水处理，内、外墙保温，太阳能，新风系统，雨水循环系统

智能楼宇：建筑内的设备互联

• 实现智能化节能
• 提供楼宇的智能安防
• 为楼宇内人员提供智能服务
• 楼宇设施的智能管理

智能办公室

• 智能办公平台，无线互联互通

• 视频会议系统，人性化服务

智能家居：

• 以住宅为平台，兼备建筑、网络通信、信息家电、设备自动化，集系统、结构、服务、管理为一体的高效、舒适、安全、便利、环保的居住环境。

比较环境监测传感网和环境监测物联网的监测过程，主要特点和典型应用

环境监测传感网的模式和特征

• 监测过程：单向的、一维的；
• 可完成局部的、有针对性的采集和测量；
• 不满足深度监控、全面测量和智能化利用

环境监测物联网的模式和特征

• 监测过程：立体的、进化的，双向的；
• 环境信息反作用于计划制定；
• 监测结果对客观环境的反映全面、真实；
• 传递环节信息传递与存储相结合，在网际实现异构网络融合。

环境监测物联网应用：森林生态物联网

•应用目标：对以森林生态为中心的地球环境进行长期大规模监测

•组成：

• 无线传感器网络
• 车载网
• 移动3G
• 互联网

应用背景：应对全球气候变化和保持自然生态平衡

•森林生态安全监测

•森林生态旅游导航与安全保障

•林业生产智能管理和城市森林规划