物联网技术与应用 第2版

本书从物联网基本概念出发，系统讨论物联网感知层、网络层、应用层与网络安全的关键技术，并选取物联网中的十个重点应用领域，介绍我国与世界各国物联网应用成功的案例与一些重要的物联网研究问题。本书适合高校物联网及相关专业作为专业导论课程的教材。

吴功宜，南开大学计算机与控制工程学院计算机与信息安全系教授，博士生导师。长期从事计算机网络与信息安全方向的与研究工作。历任南开大学计算机系系主任、院常务副院长、信息技术科学学院院长。从事“计算机网络”课程30年；主持和参加计算机网络与信息安全方向的科研项目20余项；发表学术50余篇；编著出版教材、学术著作30余部，其中计算机网络（第2版）被评为普通高等教育精品教材、“十二五”普通高等教育本科重量规划教材。参与起草“天津信息港工程规划纲要”、“天津信息产业发展策略研究”等工作；主持“天津市信息化建设‘十一五’发展规划（体）研究”工作。获南开大学很好教师特等奖；获天津市“十五”立功奖章；获天津市成果；享受院特殊津贴。吴英南，南开大学计算机与控制工程学院计算机与信息安全系副教授，博士，硕士生导师。主要研究方向为无线网络、网络存储与物联网技术。来，主持和参加科研项目8项；发表学术20余篇，其中ei检索16篇；参加编写与翻译教材10余本；从事本科生与计算机网络、软件编程相关课程，获天津市成果。 精彩内容： 前言物联网的出现预示着“世上万物凡存在，皆互联；凡互联，皆计算；凡计算，皆智能”的发展前景。作者认为，物联网是一个协同创新的台，它一方面支撑着大数据、云计算、智能、移动计算、下一代网络等新技术，另一方面支撑着智能、智能农业、智能医疗、智能交通等各行各业的应用。目前发展迅速的云计算、大数据、人工智能、深度学、虚拟现实与增强现实、可穿戴计算、智能机器人技术都在物联网应用中展现出了迷人的魅力。物联网为多学科、跨行业的科技创新与产业发展提供了千载难逢的机遇。来，经过科研、产业与教育界的共同努力，已对过去在物联网技术领域的一些认识模糊的问题形成了共识，这些共识主要表现在：1）物联网与互联网之间的关系渐明晰。2）支撑物联网发展的关键技术渐明晰。3）物联网应用对社会发展的影响渐明晰。4）物联网发展对计算机教育的影响渐明晰。物联网是在互联网基础上发展起来的，但它不是互联网应用简单的功能延伸和接入规模的扩展。物联网融入了普适计算与信息物理融合系统（c）的“人机物”融合与“环境智能”的理念，将催生大量具有“计算、通信、控制、协同与自治”特征的智能设备与智能系统，推动社会经济发展模式的转变，促进产业的快展。在修订、出版了“十二五”普通高等院校本科级规划教材、“十二五”重点图书出版规划、物联网工程专业规划教材物联网工程导论（第2版），初步完成物联网工程导论mooc课程之后，作者一直在思如何在新的技术形势下修订物联网技术与应用一书。编写物联网技术与应用（第2版）的指导思想是：保留版的结构，在内容上贴近物联网技术与应用发展的前沿，调整每一章节的内容，增加教材的科学、趣味与可读。在第6章中，作者选取了10个物联网的重要应用领域，每个领域涵盖物联网不同类型、不同层次的问题，挑选具有代表的案例，介绍我国与世界各国物联网应用的成功案例与当前一些重要的研究动向，以帮助读者开阔学术视野，通过实际问题加深对物联网概念与技术的理解，启发学兴趣。我们希望做到无论是理工科的，还是文、经、管、法、医、农以及军事学科的，只要具备信息技术的基础知识，有兴趣并能够读懂教材的内容。物联网技术具有典型的交学科特点，因此本书内容涉及多个学科，作者在准备和写作的过程中认真阅读了很多书籍和文献，请教了很多老师，这本书的内容实际上凝聚了很多智者的心血。作者利用互联网搜索引擎和专业挑选和编辑了相关插图，希望能以图文并茂的方式帮助读者理解知识。在选择图片时，作者虑了图片的新闻、正面引用、使用与不涉及个人肖像权等问题。本书的～3章由吴功宜执笔完成，第4～6章由吴英执笔完成。本书可以作为高等院校物联网工程专业，以及计算机类与工科类专业的教材或参书，可供文、经、管、法、医、农等专业作为选修课教材，也可供物联网技术研究与产品研发人员、技术管理人员阅读。感谢高等学校计算机类专业指导委员会王志英教授、傅育熙教授、李晓明教授、蒋宗礼教授，感谢物联网工程专业研究专家组上海交通大学王东教授、武汉大学黄传河教授、华中科技大学秦磊华教授、西北大学李士宁教授、国科技大学方粮教授、西安交通大学桂小林教授、吉林大学胡成全教授、四川大学朱敏教授，在与各位教授交流、讨论的过程中，作者学到了很多知识，受到很多启发。感谢在本书版使用过程中所有提出意见和建议的老师。感谢机械出版社华章公司的温莉芳副经理、朱劼编辑，她们经常将搜集到的意见与建议反馈给作者，向作者提供一些反映技术发展动态的资料和新出版的图书，并与作者商讨教材的编写方法和思路，给了作者很多学的机会与启示。限于作者的学识与经历，对物联网的认识难有片面之处，这本教材只能起到抛砖引玉的作用。若书中对某一方面技术的理解有错误或不准确，以及结中出现挂一漏万的问题，敬请读者不吝赐教。吴功宜吴英于南开大学信息技术科学学院计算机系wgy@nankai.edu.2018年5月

目　　录

前言

教学建议

第1章　物联网概论　/ 1

1.1　物联网发展的社会背景　/ 1

1.1.1　比尔·盖茨与《未来之路》　/ 1

1.1.2　Auto-ID实验室、RFID标签与物联网的概念　/ 2

1.1.3　ITU与物联网研究报告　/ 3

1.1.4　智慧地球与物联网　/ 5

1.1.5　各国政府发展物联网产业的规划　/ 7

1.1.6　我国发展物联网的战略规划　/ 8

1.2　物联网发展的技术背景　/ 9

1.2.1　普适计算与物联网　/ 9

1.2.2　CPS与物联网　/ 11

1.3　物联网的定义和技术特征　/ 15

1.3.1　物联网的定义　/ 15

1.3.2　从信息技术发展的角度认识物联网的技术特征　/ 16

1.3.3　从物联网功能的角度认识物联网的结构特征　/ 18

1.3.4　从物联网覆盖范围的角度认识物联网的应用特征　/ 21

1.3.5　从物联网工作方式认识物联网的运行特征　/ 21

1.4　物联网与互联网的异同点　/ 22

1.4.1　物联网提供行业性、专业性与区域性的服务　/ 23

1.4.2　物联网数据主要是通过自动方式生成的　/ 23

1.4.3　物联网是可反馈、可控制的闭环系统　/ 23

1.5　物联网产业的特点与产业链　/ 25

1.5.1　物联网产业的特点　/ 25

1.5.2　物联网的产业链结构　/ 26

1.5.3　物联网与“互联网+”的关系　/ 27

本章小结　/ 28

习题　/ 29

第2章　物联网感知层技术　/ 31

2.1　RFID与自动识别技术　/ 31

2.1.1　自动识别技术　/ 31

2.1.2　条码技术　/ 31

2.1.3　RFID标签的概念　/ 34

2.1.4　RFID标签的分类　/ 37

2.1.5　RFID标签的编码标准　/ 42

2.2　传感器与无线传感器网络　/ 43

2.2.1　感知的基本概念　/ 43

2.2.2　无线传感器与智能传感器　/ 50

2.2.3　无线传感器网络　/ 51

2.3　位置感知技术　/ 57

2.3.1　位置信息与位置感知的概念　/ 57

2.3.2　定位系统与定位技术　/ 59

2.4　智能感知设备与嵌入式技术　/ 66

2.4.1　嵌入式技术的基本概念　/ 66

2.4.2　物联网智能硬件　/ 69

2.4.3　可穿戴计算及其在物联网中的应用　/ 77

2.4.4　智能机器人及其在物联网中的应用　/ 83

本章小结　/ 89

习题　/ 89

第3章　物联网网络层技术　/ 93

3.1　物联网网络层的基本功能　/ 93

3.2　计算机网络技术　/ 95

3.2.1　互联网的研究与发展　/ 95

3.2.2　计算机网络的分类与特点　/ 99

3.3　移动通信网技术　/ 101

3.3.1　蜂窝系统的基本概念　/ 101

3.3.2　移动通信技术与标准的发展　/ 106

3.3.3　5G与物联网　/ 107

3.3.4　NB-IoT与物联网　/ 109

本章小结　/ 111

习题　/ 111

第4章　物联网应用层技术　/ 113

4.1　物联网应用层的基本概念　/ 113

4.1.1　管理服务层　/ 113

4.1.2　行业应用层　/ 114

4.2　物联网与云计算　/ 115

4.2.1　云计算产生的背景　/ 115

4.2.2　云计算的分类　/ 117

4.2.3　云计算的主要技术特征　/ 118

4.2.4　云计算应用与物联网　/ 118

4.3　物联网与大数据　/ 119

4.3.1　数据挖掘　/ 119

4.3.2　大数据　/ 121

4.3.3　大数据对物联网发展的影响　/ 124

4.3.4　物联网大数据及应用　/ 126

本章小结　/ 130

习题　/ 131

第5章　物联网网络安全技术　/ 132

5.1　物联网网络安全的概念　/ 132

5.1.1　网络空间安全的概念　/ 132

5.1.2　OSI安全体系结构　/ 133

5.2　物联网网络安全研究的主要内容　/ 137

5.2.1　物联网中可能存在的网络攻击方式　/ 137

5.2.2　RFID安全与隐私保护研究　/ 141

5.3　物联网网络安全的发展　/ 145

5.3.1　计算机病毒已经成为攻击物联网的工具　/ 146

5.3.2　物联网工业控制系统成为新的攻击重点　/ 146

5.3.3　网络信息搜索功能将演变成攻击物联网的工具　/ 147

5.3.4　僵尸物联网成为网络攻击的新方式　/ 148

本章小结　/ 149

习题　/ 149

第6章　物联网应用　/ 151

6.1　智能工业　/ 151

6.1.1　智能工业的基本概念　/ 151

6.1.2　工业4.0涵盖的基本内容　/ 153

6.1.3　中国制造2025　/ 156

6.2　智能农业　/ 157

6.2.1　智能农业的基本概念　/ 157

6.2.2　智能农业应用示例　/ 157

6.3　智能交通　/ 160

6.3.1　物联网智能交通与传统智能交通的区别　/ 160

6.3.2　无人驾驶技术　/ 161

6.4　智能电网　/ 163

6.4.1　智能电网的基本概念　/ 163

6.4.2　智能电网应用示例　/ 164

6.5　智能环保　/ 167

6.5.1　智能环保的基本概念　/ 167

6.5.2　智能环保应用示例　/ 168

6.6　智能医疗　/ 172

6.6.1　智能医疗的基本概念　/ 172

6.6.2　智能医疗应用示例　/ 173

6.7　智能安防　/ 178

6.7.1　智能安防的基本概念　/ 178

6.7.2　智能安防应用示例　/ 178

6.8　智能家居　/ 183

6.8.1　智能家居的基本概念　/ 183

6.8.2　智能家居应用示例　/ 185

6.9　智能物流　/ 187

6.9.1　智能物流的基本概念　/ 187

6.9.2　智能物流与物联网的关系　/ 187

6.9.3　未来商店与物联网　/ 188

6.10　物联网在军事领域的应用　/ 192

6.10.1　物联网与现代战争　/ 192

6.10.2　物联网军事应用研究的主要内容　/ 194

本章小结　/ 203

参考文献　/ 205