本书在介绍物联网发展背景与主要技术特征的基础上,对物联网中涉及的感知技术、网络通信技术、嵌入式技术、数据定位与处理技术等做了简要介绍,并介绍了物联网的典型应用,最后讨论了物联网的前沿研究领域,包括大数据、社会计算等内容。
物联网技术与应用
吴功宜 吴英 编著
随着物联网技术的发展,越来越多的物联网应用出现,对我们的经济生活、社会生活产生深刻的影响。物联网涉及的概念、原理、技术众多,本书为满足初学者了解物联网领域的相关技术和应用提供了通俗易懂的读本。
本书特点:
高度和广度兼顾。本书从信息技术以及我国信息产业的发展的高度介绍了物联网产生的背景和趋势;从物联网体系结构涉及的技术的广度组织内容,清晰描述了物联网的结构和关键技术,为初学者清晰展现了物联网的全景。
严谨与通俗相融。本书在严谨阐述概念、原理、技术的基础上,针对初学者的特点,采用通俗易懂、简洁生动的语言以及大量作者原创性的图表,以图文并茂的方式使读者轻松理解物联网的相关原理和知识。
经典与热点结合。本书既涉及大量经典的技术和原理,又有对当前大数据、云计算等技术热点在物联网中的应用与前景的独特理解,循序渐进,形成合理的知识体系。
技术与应用并重。本书既对物联网涵盖的各项技术进行了清晰的介绍,又选择了大量贴近读者生活的应用实例,分析世界各国在物联网方面的成功案例,激发学生的学习兴趣,启发学生的创造力。
本书每章后都设置了习题,最后一章给出一个综合设计题目,训练学生在生活中发现问题、学以致用的能力以及思考问题的深度。本书同时为教师提供PPT、习题答案等教学资源,方便教师授课。
前:
由于物联网是涉及计算机、通信、电子等多个领域的交叉学科,因此越来越多的读者需要了解物联网的基本知识。本书基于作者多年的教学、科研、学科建设经验,以及近几年来对物联网领域技术发展的跟踪、研究编写而成。
本书力求选择理解物联网需要掌握的基本知识,兼顾技术发展的前沿,构建出适合初学者的合理的知识体系。同时在讨论技术内容时注重图文并茂、通俗易懂的原则,选择大量贴近读者生活实际的案例,使读者在具备基本的信息技术知识的背景下也能掌握物联网的相关知识。
本书既适合作为物联网工程专业的导论课程教材,也适合作为其他专业了解物联网的课程教材。从事物联网相关工作的工程技术人员、管理人员也可通过本书掌握物联网的基础知识。
后:
吴功宜
南开大学信息技术科学学院教授、博士生导师。曾任南开大学计算机系主任、研究生院常务副院长、信息技术科学学院院长。研究方向包括。计算机网络与信息系统,计算机网络与信息安全;目前主要从事无线网络、P2P网络及其安全问题的研究。
从1984年开始为本科生和研究生讲授“计算机网络”等课程;主持组建信息安全专业;主持和参加完成计算机网络、数据通信与信息安全方向的科研项目20多项,获部委与省市科技奖6项,发表学术论文50余篇;参加编著和出版的教材、译著、专著30余部。主持“天津市信息化建设十一五发展规划(总体)研究”工作;参与“天津市科技发展十一五规划纲要”(基础研究、高新技术研究)的研究与起草工作。2000年获南开大学特等奖教金,2003年获天津市十五立功奖章,享受国务院政府特殊津贴。主要学术兼职:教育部考试中心全国计算机等级考试委员会委员、全国高等院校计算机基础教育研究会常务副会长、天津市计算机学会副理事长、天津市计算机用户协会理事长。
吴 英
南开大学信息技术科学学院副教授,硕士生导师。主要研究方向包括无线网络、网络安全、网络存储等。近年来,主持和参与部委级、天津市课题,以及横向合作项目共8项;在国内权威刊物和国内外高水平学术会议发表论文20余篇,其中ISTP检索8篇与EI检索13篇;编写教材与学术论著10余本。长期从事本科生及研究生的计算机网络相关课程的教学工作,曾获得天津市级教学成果一等奖1项。
物联网是新一代信息技术的重要组成部分,是继计算机、互联网之后全球信息产业的第三次浪潮。物联网为我们提供了感知中国与世界的能力,也为信息技术创新与信息产业发展提供了一个前所未有的机遇。物联网技术与产业的发展已经引起了世界各国政府、产业界与学术界的重视。我国政府高度重视物联网核心技术研究、标准制定与产业发展,将新一代信息技术与物联网作为重点发展的战略性新兴产业之一,并将其列入我国发展规划之中。目前,国内已有200余所大学开设了物联网工程专业。
近年来,经过科研界、产业界与教育界的共同努力,我们对过去认识模糊的物联网技术方面的问题形成了一定的共识,这些共识主要包括:
1)物联网与互联网之间关系日渐明晰。
2)支撑物联网发展的关键技术日渐明晰。
3)物联网应用对社会发展的影响日渐明晰。
4)物联网发展对计算机教育的影响日渐明晰。
作者从长期从事计算机网络与互联网、移动互联网以及信息安全的教学和科研实践的角度,认识到物联网的发展将对未来社会、信息产业与计算机教育产生重大影响。这些影响表现在以下几个方面:
1)物联网是我国社会信息化的深化与发展,是工业化与信息化融合的切入点。物联网的发展将促进政府管理方式、社会经济发展方式与社会大众生活方式的转型,推动信息产业的高速发展。
2)物联网将会催生出很多具有“计算、通信、控制、协同和自治”特征的智能设备、智能软件与智能系统,实现对物理世界信息的实时感知、可靠传输、智慧处理,展现出信息技术与信息产业巨大的发展空间。
3)物联网的技术特征表现为:数据的海量、动态、多态与关联性,大规模、异构、“系统级”系统的互联,对海量实时感知数据的融合、存储、计算、挖掘与智能决策控制。
4)在研究如何利用物联网实现物理世界与信息世界的融合的过程中,必将推动普适计算、CPS研究、移动计算与大数据研究的发展。
5)物联网将会引发计算机、网络与信息技术在更大范围、更多领域与更深层次的应用,带动更为广泛的学科交叉与融合,为计算机研究与教学,以及毕业生能力需求与就业提供更大的发展空间,启动新一轮计算机教育改革的浪潮。
6)“物联网工程导论”的课程将从物联网工程专业逐步向计算机科学与技术、软件工程、网络工程等相关专业扩展。
在编写《物联网工程导论》一书之后,机械工业出版社华章分社的温莉芳总编辑、朱劼编辑希望作者再编写一本适合物联网工程及相关专业学时较少、年级较低的学生使用的物联网入门教材。在不同的会议上,很多老师也希望作者牵头做这件事。作者与学界、产业界的朋友们探讨过这个问题,他们一致认为,物联网工程专业目前处于起步阶段,各校在“物联网工程导论”课程设置方面的需求不同。虽已出版了内容比较全面和有一定深度的《物联网工程导论》一书,但仍有必要写一本适合学时安排比较少的学校的教材。综合出版社和学界、产业界朋友的意见,我们开始思考如何编写这本教程,在讨论了教材大纲与写作思路之后,认为本书在编写时应体现以下几个特色:
该书已由机械工业出版社于2012年出版,并入选“‘十二五’国家重点图书出版规划”,书号9787111388210。——编辑注
1)贴近技术发展的前沿,选择理解物联网需要掌握的基本知识,循序渐进,构成合理的知识体系。
2)讨论技术内容时尽可能使用准确和趣味性强的语言表述,借助大量的图片,力求做到图文并茂,语言通俗易懂,使这本书既适合于课堂教学、讨论,又适合课外自学。
3)选择大量贴近读者生活的应用实例,分析世界各国物联网成功应用的案例,激发学生学习的兴趣,启发学生的创造力。
本书包括6章内容,涉及物联网概论、物联网感知层技术、物联网网络层技术、物联网应用层技术、物联网信息安全技术以及物联网应用。本书试图通过大量的应用案例,帮助学生深入理解物联网的概念,开阔视野,启发学习的兴趣。希望做到无论是理工科的学生,还是文科以及经、管、法、医、农等专业的学生,只要具备基本的信息技术基础知识,就能够读懂教材的内容,并有兴趣读下去。
物联网技术具有典型的交叉学科特点,其内容涉及多个学科,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。书中收录了一些从互联网搜索引擎或专业网站上选择、编辑的图片,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,作者考虑了图片的新闻性、正面引用、教学使用与不涉及个人肖像权等问题。在此也向相关的作者表示感谢。本书的第1~4章由吴功宜执笔完成,第5、6章由吴英执笔完成。
本书可以作为物联网工程专业以及计算机科学与技术及相关理工科专业的教材或参考书,也可供文科以及经、管、法、医、农等专业作为选修课教材,从事物联网技术研究与产品研发人员、技术管理人员也可将本书作为参考资料。
感谢所有给我们提出意见和建议的老师们。感谢机械工业出版社华章分社的温莉芳总编辑、朱劼编辑,她们经常将搜集到的老师意见与建议反馈给作者,向作者提供一些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,给了作者很多学习的机会、帮助与启示。
作者清醒地认识到:和互联网发展一样,物联网的发展必然要经历一个漫长和艰苦的过程,绝不是一蹴而就的事。对于物联网的认识也必然要经历一个渐进的过程。界定物联网中的很多概念、技术与应用,回答存在的问题,前瞻性地思考技术发展,这些都需要有人试着去做,以引起大家的思考,但这些恰恰都是非常困难的事。作者希望做一颗推动物联网技术普及与教育发展的铺路石,也希望这本教材能起到“抛砖引玉”的作用。
限于作者的学识与经历,对物联网的认识难免有片面、误读的现象。书中对某一方面技术的理解有错误或不准确,以及总结中出现挂一漏万的问题,敬请读者不吝赐教。
吴功宜
于南开大学信息技术科学学院计算机系
wgy@nankai.edu.cn
2013.5
计算机\物联网
随着物联网技术的发展,越来越多的物联网应用出现,对我们的经济生活、社会生活产生深刻的影响。物联网涉及的概念、原理、技术众多,本书为满足初学者了解物联网领域的相关技术和应用提供了通俗易懂的读本。
本书特点:
高度和广度兼顾。本书从信息技术以及我国信息产业的发展的高度介绍了物联网产生的背景和趋势;从物联网体系结构涉及的技术的广度组织内容,清晰描述了物联网的结构和关键技术,为初学者清晰展现了物联网的全景。
严谨与通俗相融。本书在严谨阐述概念、原理、技术的基础上,针对初学者的特点,采用通俗易懂、简洁生动的语言以及大量作者原创性的图表,图文并茂使读者轻松理解物联网的相关原理和知识。
经典与热点结合。本书既涉及大量经典的技术和原理,又有对当前大数据、云计算等技术热点在物联网中的应用与前景的独特理解,循序渐进,形成合理的知识体系。
技术与应用并重。本书既对物联网涵盖的各项技术进行了清晰的介绍,又选择了大量贴近读者生活的应用实例,分析世界各国物联网方面的成功案例,激发学生的学习兴趣,启发学生的创造力。
本书每章后都设置了习题,最后一章给出了一个综合设计题目,训练学生在生活中发现问题、学以致用的能力以及思考问题的深度。本书同时为教师提供PPT、习题答案等教学资源,方便教师授课。
吴功宜:暂无
吴英:暂无
前言
教学建议
第1章物联网概论/
1.1物联网发展的背景/
1.1.1比尔·盖茨与《未来之路》/
1.1.2AutoID 实验室、RFID与物联网的概念/
1.1.3ITU与The Internet of Things研究报告/
1.1.4智慧地球与物联网/
1.1.5欧盟与各国政府发展物联网产业的规划/
1.1.6物联网在我国的发展与战略性新兴产业/
1.2物联网技术的特征/
1.2.1物联网的定义/
1.2.2物联网的主要技术特征/
1.2.3物联网与互联网的区别与联系/
1.3物联网关键技术与产业发展/
1.3.1物联网关键技术/
1.3.2物联网产业链结构/
1.3.3物联网产业的特点/
1.3.4物联网应用对我国经济与社会发展的影响/
1.4物联网与相关研究的发展/
1.4.1CPS的研究与发展/
1.4.2普适计算研究与发展/
1.4.3物联网、互联网、传感网与泛在网之间的关系/
习题/
第2章物联网感知层技术/
2.1感知层的基本概念/
2.1.1感知层在物联网中的重要性/
2.1.2感知节点的特点/
2.2RFID与自动识别技术的发展/
2.2.1自动识别技术的发展/
2.2.2条码、磁卡与IC卡/
2.2.3RFID标签/
2.2.4RFID应用系统结构与组成/
2.2.5RFID标签编码标准/
2.3传感器与无线传感器网络/
2.3.1传感器的基本概念/
2.3.2智能传感器的研究与发展/
2.3.3无线传感器的研究与发展/
2.3.4无线传感器网络的研究与发展/
2.4位置信息感知技术/
2.4.1位置信息与位置信息感知的基本概念/
2.4.2GPS与定位技术/
2.5智能信息感知设备与嵌入式技术/
2.5.1智能信息感知设备的研究与发展/
2.5.2RFID应用系统与智能感知设备的设计方法/
2.5.3无线传感器网络与智能感知节点的设计方法/
习题/
第3章物联网网络层技术/
3.1物联网网络层概述/
3.1.1物联网网络层的基本功能/
3.1.2物联网网络层的特点/
3.2互联网、移动互联网技术/
3.2.1从计算机网络、互联网、移动互联网到物联网/
3.2.2计算机网络的基本概念/
3.2.3互联网、移动互联网的形成与发展/
3.2.4IP网络:从IPv4到IPv6/
3.2.5接入技术与物联网/
3.3移动通信技术/
3.3.1移动通信技术的发展历程/
3.3.2移动通信系统的基本结构与基本工作原理/
3.3.33G技术的发展与应用/
3.3.44G技术的研究与应用/
3.3.5M2M技术及其在物联网中的应用/
习题/
第4章物联网应用层技术/
4.1物联网应用层的基本概念/
4.1.1物联网应用层的特点/
4.1.2物联网数据的特点/
4.1.3物联网数据处理的关键技术/
4.2海量数据存储与云计算技术/
4.2.1物联网对海量数据存储的需求/
4.2.2IDC的基本概念/
4.2.3云计算在物联网中的应用/
4.3数据挖掘的基本概念/
4.3.1数据、信息与知识/
4.3.2数据挖掘与知识发现/
4.3.3物联网与智能决策、智能控制/
4.4大数据的研究与发展/
4.4.1大数据研究的背景/
4.4.2大数据的基本概念/
4.4.3大数据:创新与竞争/
习题/
第5章物联网信息安全技术/
5.1物联网信息安全中的四个重要关系问题/
5.1.1物联网信息安全与现实社会的关系/
5.1.2物联网信息安全与互联网信息安全的关系/
5.1.3物联网信息安全与密码学的关系/
5.1.4物联网安全与国家信息安全战略的关系/
5.2物联网信息安全技术研究/
5.2.1信息安全需求/
5.2.2物联网信息安全技术内容与分类/
5.2.3物联网中的网络防攻击技术研究/
5.2.4物联网安全防护技术研究/
5.2.5密码学及其在物联网中应用的研究/
5.2.6网络安全协议研究/
5.3RFID安全与隐私保护研究/
5.3.1RFID标签的安全缺陷/
5.3.2对RFID系统的攻击方法/
5.3.3基于RFID的位置服务与隐私保护/
习题/
第6章物联网应用/
6.1智能电网/
6.1.1智能电网的基本概念/
6.1.2物联网技术在智能电网中的应用/
6.1.3智能电网的研究与发展/
6.2智能交通/
6.2.1智能交通的基本概念/
6.2.2物联网技术与智能交通/
6.2.3车载网技术的研究/
6.2.4物联网技术在民航领域中的应用/
6.3智能医疗/
6.3.1智能医疗的基本概念/
6.3.2智能医疗环境中的医院信息系统/
6.3.3物联网技术在健康监控中的应用/
6.4智能环保/
6.4.1智能环保与物联网技术/
6.4.2物联网技术在智能环保中的应用/
6.5智能安防/
6.5.1智能安防的基本概念/
6.5.2物联网技术在智能安防中的应用/
6.6智能农业/
6.6.1智能农业的发展背景/
6.6.2物联网技术在智能农业中的应用/
6.6.3物联网技术在农产品质量安全溯源中的应用/
6.7智能家居/
6.7.1智能家居与物联网技术/
6.7.2物联网技术在智能家居中的应用/
6.8智能物流/
6.8.1智能物流与物联网/
6.8.2RFID技术在智能物流中的应用/
6.8.3物联网技术与未来商店/
6.8.4智能物流系统网络体系结构/
6.9物联网军事应用/
6.9.1物联网与现代战争/
6.9.2物联网军事应用研究的主要内容/
思考题/
参考文献/