物联网复习1.docx
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物联网复习1.docx
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物联网复习1
考试题型:
1.简答题(本大题共5小题,每小题3分,共15分)
2.名词解释(本大题共5小题,每小题3分,共15分)
3.问答题(本大题共4小题,每小题10分,共40分)
4.论述题(本大题共2小题,每小题15分,共30分)
第1章物联网概述
物联网英文名称为“InternetofThings”,由美国麻省理工大学Auto-ID的KevinAshton教授提出,IBM公司提出了“智慧地球”的构想。
物联网的定义:
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
信息应用→综合应用层
信息处理→管理服务层
信息传输→网络构建层
信息生成→感知识别层
物联网的主要特点:
①联网终端规模化:
物联网时代每一件物品均具通信功能成为网络终端,5-10年内联网终端规模有望突破百亿。
②感知识别普适化:
无所不在的感知和识别将传统上分离的物理世界和信息世界高度融合
③异构设备互联化:
各种异构设备利用无线通信模块和协议自组成网,异构网络通过“网关”互通互联。
④管理处理智能化:
物联网高效可靠组织大规模数据,与此同时,运筹学,机器学习,数据挖掘,专家系统等决策手段将广泛应用于各行各业。
⑤应用服务链条化:
以工业生产为例,物联网技术覆盖从原材料引进,生产调度,节能减排,仓储物流到产品销售,售后服务等各个环节。
第2章自动识别技术与RFID
自动识别技术:
①光符号识别技术;②语音识别技术;③生物计量识别技术:
指纹识别、虹膜识别、视网膜识别、人脸识别、掌纹识别、手形识别、红外温谱图、人耳识别、味纹识别、基因DNA识别、步态识别、击键识别、签名识别。
④IC卡技术;⑤条形码技术;⑥RFID技术
IC卡分类
IC卡工作的基本原理是:
①射频读写器向IC卡发一组固定频率的电磁波,卡片内有一个IC串联谐振电路,其频率与读写器发射的频率相同,这样在电磁波激励下,LC谐振电路产生共振,从而使电容内有了电荷;
②在这个电荷的另一端,接有一个单向导通的电子泵,将电容内的电荷送到另一个电容内存储,当所积累的电荷达到2V时,此电容可作为电源为其它电路提供工作电压,将卡内数据发射出去或接受读写器数据。
条形码Barcode:
是将宽度不等的多个黑条和空白,按一定的编码规则排列,用以表达一组信息的图形标识符。
一维码:
是由一组规则排列的条、空以及对应的字符组成的标记。
二维码:
利用某种特定的几何图形按一定规律在平面(二维方向上)分布的黑白相间的图形记录数据符号信息的。
目前,世界上应用最多的二维条码符号有AztecCode、PDF147、DataMatrix、QRCode、Code16K等。
一维码特点:
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;损污后可读性差。
二维码特点:
①可直接显示英文、中文、数字、符号、图形;
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);安全级别最高时,损污50%仍可读取完整信息。
RFID:
即射频识别(RadioFrequencyIdentification),俗称电子标签,一种自动识别技术,可以快速读写、长期跟踪管理,通过无线射频方式进行非接触双向数据通信对目标加以识别。
RFID系统主要由阅读器、天线和标签三大组件构成。
RFID的工作原理:
RFID标签进入磁场后,接收解读器发出的射频信号,凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息,或者由标签主动发送某一频率的信号,解读器读取信息并解码后,送至中央信息系统进行有关数据处理,实现对被识别物体的自动识别。
RFID标签分类:
被动式标签(PassiveTag):
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。
主动标签(ActiveTag):
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。
半主动标签(Semi-activeTag):
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。
然而与主动式标签不同的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标签与条形码相比的优点:
①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。
②环境适应性:
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。
③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。
④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。
⑤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的工作频段及特点:
低频LF(30kHz~300kHz):
典型工作频率有125kHz和133kHz,波长大约为2500m。
一般都为无源标签,其工作能量通过电感耦合的方式从阅读器耦合线圈的辐射场中获得,通信范围一般小于1米。
除金属材料影响外,低频信号一般能够穿过任意材料的物品而不降低它的读取距离。
高频HF(3MHz~30MHz):
典型工作频率为13.56MHz,波长大概为22米,通信距离一般也小于1米。
该频率的标签不再需要线圈绕制,可以通过腐蚀活字印刷的方式制作标签内的天线,采用电感耦合的方式从阅读器辐射场获取能量。
具有防冲撞特性,可以同时读取多个电子标签。
超高频UHF(300MHz~3GHz):
典型工作频率为433MHz,860~960MHz,2.45GHz,5.8GHz,波长大概在30厘米左右。
其中2.45GHz和5.8GHz属于微波范围。
超高频标签可以是有源标签与无源标签两种,通过电磁耦合方式同阅读器通信。
通信距离一般大于1米,典型情况为4~10米。
具备低发射功率、通信距离长、传输数据量大,可靠性高和兼容性好等特点。
第3章无线传感网
传感器定义:
能感受被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。
传感器一般有敏感元件,转换元件,基本转换电路三部分组成。
敏感元件:
它是直接感受被测量,并输出与被测量成确定关系的某一种物理量的元件。
转换元件:
敏感元件的输出就是它的输入,它把输入转换成电路量。
转换电路:
完成被测量参数至电量的基本转换输入到测控电路中,进行放大,运算,处理等进一步转换,以获得被测值或进行过程控制。
无线传感器节点由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块四部分组成。
传感器模块:
负责监测区域内信息的采集和数据转换;
处理器模块:
负责控制整个传感器节点的操作,存储和处理本身采集的数据以及其他节点发来的数据;
无线通信模块:
负责与其他传感器节点进行无线通信,交换控制消息和收发采集数据;
能量供应模块:
为传感器节点提供运行所需的能量,通常采用微型电池。
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要求:
一、低成本与微型化:
①低成本的节点才能被大规模部署,微型化的节点才能使部署更加容易;
②节点的软件设计也需要满足微型化的需求,必须节约计算资源,避免超出节点的硬件能力。
二、低功耗:
①在硬件设计上采用低功耗芯片;
②软件节能策略来实现节能:
核心就是尽量使节点在不需要工作的时候进入低功耗模式,仅在需要工作的时候进入正常状态。
三、灵活性与扩展性:
①传感器节点被用于各种不同的应用中,因此节点硬件和软件的设计必须具有灵活性和扩展性;
②节点的硬件设计需满足一定的标准接口,例如节点和传感板的接口统一有利于给节点安装上不同功能的传感器;
③软件的设计必须是可剪裁的,能够根据不同应用的需求,安装不同功能的软件模块。
四、鲁棒性:
①鲁棒性是实现传感器网络长时间部署的重要保障
对于普通的计算机,一旦系统崩溃了,人们可以采用重启的方法恢复系统,而传感器节点则不行,就整个网络而言,可以适当增加冗余性,增加整体系统的鲁棒性
无线传感器网络,WSN(Wireless Sensor Network),是由大量部署在作用区域内、具有无线通信与计算能力的微小传感器节点,通过自组织方式构成的能根据环境自主完成指定任务的分布式智能化网络系统
节点操作系统区别于传统操作系统的主要特点是:
硬件平台资源极其有限。
TinyOS由加州伯克莱分校开发,是目前无线传感网络研究领域使用最为广泛的OS。
ContikiOS是由瑞典计算机科学研究所开发的面向“物联网”的开源、高度克移植的节点操作系统。
第4章定位系统
位置信息:
空间、时间、人物
主流定位系统:
①GPS卫星定位系统
②蜂窝基站定位系统
③室内精确定位系统
④WiFi基站定位系统
各国的卫星定位系统:
美国:
GPS
俄罗斯:
GLONASS
欧盟:
伽利略
中国:
北斗一号(区域)、北斗二号(全球)
利用卫星,在全球范围内实时进行定位、导航的系统,称为全球定位系统,简称GPS。
GPS主要由空间卫星,地面监控,用户信号接受设备组成:
①空间部分:
由24颗卫星组成,均匀分布在6个轨道上。
②地面监控部分:
负责监控GPS的工作。
③用户设备部分:
主要由各种GPS接收机组成,其作用是接入、跟踪、变换和测量GPS信号。
特点:
优点是高精度,全天候,高效率,全球覆盖,可用于险恶环境;多功能,操作简便,应用广泛。
缺点是启动时间长、信号穿透能力弱,室内信号差、需要GPS接收机。
GPS卫星定位系统的工作原理:
①GPS卫星定位系统的工作原理是测量出已知位置的卫星到用户接收机之间的距离,然后综合多颗卫星的数据就可知道接收机的具体位置。
②要达到这一目的,卫星的位置可以根据星载时钟所记录的时间在卫星星历中查出。
而用户到卫星的距离则通过记录卫星信号传播到用户所经历的时间,再将其乘以光速得到(由于大气电离层的干扰,这一距离并不是用户与卫星之间的真实距离,而是伪距PR)。
③GPS卫星正常工作时会不断地发射导航电文。
当用户接受到导航电文时,提取出卫星时间并将其与自己的时钟做对比便可得知卫星与用户的距离,再利用导航电文中的卫星星历数据推算出卫星发射电文时所处位置,用户在大地坐标系中的位置速度等信息便可得知。
④然而,由于用户接受机使用的时钟与卫星星载时钟不可能总是同步,所以除了用户的三维坐标x、y、z外,还要引进一个Δt即卫星与接收机之间的时间差作为未知数,然后用4个方程将这4个未知数解出来。
所以如果想知道接收机所处的位置,至少要能接收到4个卫星的信号。
A-GPS
①GPS定位和蜂窝基站定位的结合体
②利用基站定位确定大致范围
③连接网络查询当前位置可见卫星
④大大缩短搜索卫星的时间
基于TOA的定位:
TOA定位精度高,但要求节点间保持精确的时间同步,因此对传感器节点的硬件和功耗提出了较高的要求。
基于TDOA的定位:
TDOA技术对硬件的要求高,成本和能耗使得该种技术对低能耗的传感器网络提出了挑战。
但是TDOA技术测距误差小,有较高的精度。
基于AOA的定位:
AOA定位不仅能确定节点的坐标,还能提供节点的方位信息。
但AOA测距技术易受外界环境影响,且AOA需要额外硬件,在硬件尺寸和功耗上不适用于大规模的传感器网络。
基于RSSI的定位:
在实验环境中RSSI表现出良好的特性,但是在现实环境中,温度、障碍物、传播模式等条件往往都是变化的,使得该技术在实际应用中仍然存在困难。
第5章智能信息设备
智能信息设备:
智能手机、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:
连接“人”和数字世界的重要纽带。
手机与感知:
①加速度传感器、陀螺仪、磁力计、距离传感器、光传感器、麦克风、喇叭、摄像头…
②内置传感器协同工作,用户行为交互感知。
手机与互联互通:
①智能手机可通过WiFi、3G、GPRS等网络接入方式连接互联网。
手机与智能生活:
①基于位置的服务:
大众点评
②社交网络服务:
③移动支付:
Passbook
无线网络的组成元素:
无线网络用户、无线连接和基站。
无线网络用户:
是指具备无线通信能力,并可将无线通信信号转化为有效信息的终端设备。
无线连接:
用户与基站、用户与用户或基站与基站之间的数据传输通路。
以无线电波、光波为载体。
支持多种多样的传输速率和传输距离。
基站:
也是一个无线网络用户,其特殊性在于它的职责是将一些无线网络用户连接到更大的网络中(校园网、互联网、电话网)。
无线网络用户通过基站接收和发送数据包,基站将用户的数据包发给它所属的上层网络,并将上层网络的数据包转发给指定的无线网络用户。
根据不同的无线连接协议,相应基站的名称和覆盖的范围是不同的。
自组网:
无须基站和上层网络支持。
用户之间通过自组织的方式形成自组网(Ad-hocNetwork)。
地址指派、路由选择等功能由用户自身完成。
根据无线网络分类,无线宽带网络包括:
①Wi-Fi:
无线局域网
②WiMAX:
无线城域网
③3G:
无线广域网
④UWB:
超宽带无线个域网
无线宽带网络和有线宽带网络的主要区别在于数据链路层和物理层。
无线网络不同于有线网络的技术难点
①信号强度衰减:
无线信号能量随着传输距离增长而减弱。
②非视线传输:
若发送者与接收者之间的路径部分被阻挡,则称其为非视线传输。
无线信号可能会被阻挡物吸收或者迅速衰减。
③同频信号干扰:
相同无线频段的信号会相互干扰,例如2.4GHz;外部环境的电磁噪声,例如微波炉、汽车、高压电线。
④多径传播干扰:
无线信号由于阻挡物的反射和折射,到达接收端的时间可能略微不同。
⑤隐藏终端:
A向基站B发送信息,C未能侦测到A,也向基站B发送信息,故A和C同时将信号发送至基站B,引起信号冲突,最终导致发送至基站B的信号都丢失了。
无线广域网:
WirelessWideAreaNetworks,连接信号可以覆盖整个城市甚至国家,其信号传播途径主要有两种:
一是信号通过多个相邻的地面基站接力传播;另一种是信号通过通信卫星系统传播。
当前主要的广域网有2G、3G系统。
无线城域网:
WirelessMetropolitanAreaNetworks,基站的信号可以覆盖整个城市区域,在服务区域的用户可以通过基站访问互联网等上层网络,WiMAX是实现无线城域网的主要技术。
无线个域网:
WirelessPersonalAreaNetwork,在更小的范围内(约10m)以自组织模式在用户之间建立用于相互通信的无线连接。
无线局域网:
WirelessLocalAreaNetwork,在一个局部的区域内(如教学楼、机场候机大厅、餐厅等)内为用户提供可访问互联网等上层网络的无线连接。
无线局域网是已有有线局域网的拓展和延伸,使得用户在一个区域内随时随地访问互联网。
无线局域网有两种工作模式:
第一种基于基站模式,无线设备(手机、上网本、笔记本)通过接入点AP访问上层网络;
第二种是基于自组织模式,例如在一个会议室内,所有与会者的移动设别可以不借助接入点组成一个网络用于相互之间的文件、视频数据的交换。
Wi-Fi:
是由Wi-Fi联盟所持有的一个无线网路通信技术品牌,目的是改善基于IEEE802.11标准的无线网路产品之间的互通性。
IEEE802.11:
是IEEE制定的一个无线局域网标准,主要用于解决办公室局域网和校园网中,用户与用户终端的无线接入。
由于802.11在速率和传输距离上都不能满足人们的需要,IEEE小组相继推出了一系列802.11标准。
不同802.11协议的差异主要体现在使用频段,调制模式和信道差分等物理层技术上。
IEEE802.11采用CSMA/CA(带冲突避免的载波监听多路访问协议),而以太网CSMA/CD(采用带冲突检测的多载波监听多路访问协议)
CSMA/CD:
CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionDetection,带冲突检测的载波监听多路访问协议。
其工作原理:
①发送数据前先侦听信道是否空闲,若信道空闲则立即发送数据。
若信道忙碌,则等待一段时间至信道中的信息传输结束后再发送数据;
②若在上一段信息发送结束后,同时有两个或两个以上的节点都提出发送请求,则判定为冲突。
③若侦听到冲突,则立即停止发送数据,等待一段随机时间,再重新尝试。
④可以用一句话简单总结:
先听后发,边发边听,冲突停发,随机延迟后重发。
CSMA/CA:
CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionAvoidance,带冲突避免的载波监听多路访问协议。
其工作原理:
①首先发送端检测信道是否有使用,如果检测出信道空闲,则在等待一段随机的时间后继续探测,如果信道仍然空闲,就发送数据。
②接收端如果正确收到该数据,则在经过一段时间间隔后,向发送端发送一个确认帧ACK。
③发送端如果收到ACK,则确定数据已经正确传输。
而无线信道在经历一段时间间隔后,又会出现一段空闲时间。
④如果发送端没有收到ACK,则或者发送的数据没有被完整地收到,或者ACK信号发送失败,不管是那种现象发生,数据报都会在发送端等待一段时间后被重传。
IEEE802.11协议采用CSMA/CA的原因:
①冲突检测(CD)需要全双工(发送数据同时也可接受数据),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。
②无线信号衰减特性和隐藏终端问题使冲突很难被侦测。
为了避免冲突和“隐藏终端”,CSMA/CA利用请求发送帧RTS(RequesttoSend)和允许发送帧CTS(CleartoSend),只为发送端预留无线信道的使用权,从而确保发送端在接下来传送资料时,不会发生碰撞。
第7章无线低速网络
常见无线低速网络协议:
红外(InfraredCommunication)
蓝牙(Bluetooth)通信协议
IEEE802.15.4/ZigBee协议
体域网(BodyAreaNetwork)协议
容迟网络(Delay/DisruptionTolerantNetwork)协议。
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。
特点:
①采用875nm左右波长的光波通信,通信距离一般为1米左右。
②设备体积小、成本低、功耗低、不需要频率申请等优势
缺点:
①设备之间必须互相可见
②对障碍物的衍射较差
蓝牙技术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。
蓝牙技术规范:
①标准IEEE802.15,频带2.4GHz,带宽为1Mb/s
②采用跳频扩频结合的调制技术,以时分方式进行全双工通信
③基带协议是电路交换和分组交换的组合
④距离:
Class1为100m、Class2为10m、Class3为2-3m
⑤蓝牙设备分主设备和从设备;主设备具有输入端;
⑥蓝牙匹配规则:
主设备与主设备之间、主设备与从设备之间,是可以互相匹配在一起的;而从设备与从设备是无法匹配的
ZigBee又称为IEEE802.15.4标准,其目标是实现类似于蜂群的低功耗、低复杂度、低速率、自组织的短距离无线通信网络,为个人或家庭范围内不同设备之间的低速互连提供统一标准。
ZigBee是一种无线连接,可工作在2.4GHz(全球流行)、868MHz(欧洲流行)和915MHz(美国流行)3个频段上,分别具有最高250Kb/s、20Kb/s和40Kb/s的传输速率,传输距离在10~180m的范围内。
ZigBee具有如下特点:
①低功耗:
ZigBee传输速率低,发射功率仅为1mW,而且采用了休眠模式,功耗低,因此ZigBee设备非常省电。
据估算ZigBee设备仅靠两节5号电池就可以维持长达6个月到2年左右的使用时间,这是其它无线设备望尘莫及的。
②成本低:
ZigBee模块初始成本在6美元左右,估计很快就能降到1.5~2.5美元,并且ZigBee协议是免专利费的。
③时延短:
通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短,典型的搜索设备时延30ms,休眠激活的时延是15ms,活动设备信道接入的时延为15ms。
因此ZigBee技术适用于对时延要求苛刻的无线控制(如工业控制场合等)应用。
④网络容量大:
一个Zigbee星型网络最多可以容纳254个从设备和一个主设备,一个区域内可以同时存在最多100个ZigBee网络,而且网络组成灵活。
⑤可靠:
采取了碰撞避免策略,同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙,避开了发送数据的竞争和冲突。
MAC层采用了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。
如果传输过程中出现问题可以进行重发。
⑥安全:
提供了基于循环冗余校验(CRC)的数据包完整性检查功能,支持鉴权和认证,采用了AES-128的加密算法,各个应用可以灵活确定其安全属性。
第8章移动通信网络
第一代移动通信:
模拟语音,典型代表AMPS;
第二代移动通信:
数字语音,典型代表GSM,CDMA;
第三代移动通信:
数字语音与数据,典型代表TD-SCDMA,W-CDMA和CDMA2000
AMPS
1982年,美国贝尔实验室发明了高级移动电话系统(AdvancedMobilePhoneSystem,AMPS),提出了“小区制”,“蜂窝单元”的概念,是第一种真正意义上的“蜂窝移动通信系统”,同时采用频分复用技术,解决了公用移动通信系统所需要的大容量要求和频谱资源限制的矛盾。
GSM
工作在900/1800MHz频段,124对单工信道,每对单工信道有200kHz频宽;
无线接口采用TDMA技术,核心网移动性管理协议采用MAP协议。
CDMA
无线接口采用窄带码分多址(CDMA)技术;
第三代移动通信系统的基础。
CDMA移动通信网是由蜂窝组网、扩频、多址接入以及频率复用等几种技术结合而成,含有频域、时域和码域等三维信号处理的一种协作。
因此它具有:
①抗干扰性好
②抗多径衰落
③保密安全性高
④容量和质量之间可做权衡取舍
⑤同频率可在多个小区内重复使用等属性
CDMA最明显的优势在于,它利用编码技术可以区分并分离多个同时传输的信号。
它允许用户可以任何时刻在任何频段发送信号,对于冲突的信号,可以从混合信号中提取出期望的数据信号,同时拒绝所有其他的噪音信号。
呼吸效应:
在CDMA系统中,基站的实际有效覆盖面积会随着用户增多(干扰增强)而缩小,反之则会增大。
导致“呼吸效应”的主要原因是CDMA系统是一个自干扰系统;
CDMA2000和W-CDMA属于同频自干扰系统,邻近用户之间自干扰现象明显,从而降低了实际传输速率。
TD-SCDMA的解决方案:
①利用低带宽的FDMA和TDMA限制了系统
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