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物联网技术基础复习知识点

时间：2023-04-11 15:07:00 电感912

一、绪论

1. 物联网起源、发展、定义

起源

  • 比尔盖茨在1995年提出了物联网的想法

发展

  • 1999年提出“Internet of Things”
  • 2005年ITU宣布物联网时代的到来
  • 2009年IBM提出智慧地球的概念
  • 2010年中国物联网元年感知中国

定义

  • 通过传感器、射频识别技术、全球定位系统、激光扫描仪等信息传感设备，实时收集声、光、热、电、力学、化学、生物、位置等需要监控、连接、交互的物体或过程所需的信息，通过各种可能的网络接入，实现物与物、物与人的泛在连接，进行信息交换和通信。提供安全可控甚至个性化的实时在线监控、定位跟踪、报警联动、调度指挥、计划管理、远程控制、安全防范、远程维护、在线升级、统计报表、决策支持、领导桌面管理和服务功能，实现对项目和过程的智能感知、识别和管理。

2. 物联网的特点，基本架构

特点

  • 综合感知、可靠传输、智能处理

基本架构

  • 感知层、传输层、应用层

3. 物联网的主要技术及应用

RFID技术(无线射频识别技术)(感知层)

  • RFID非接触双向数据通信通过无线射频识别目标
  • 优点:无需直接接触、光学可视、人工干预

EPC编码技术(感知层)

ZigBee技术

  • 双向无线通信技术近距离、复杂性低、功耗低、速率低、成本低

无线传感器网络技术(感知层)

  • 数据采集模块、数据处理模块、数据控制模块、通信模块、供电模块

中间件技术

  • 在操作系统和应用程序之间提供简单的开发环境，减少工作量
  • 模块和运行环境支持不同的通信协议

云计算技术

  • 远程数据中心按需收费
  • 每秒运算10万亿次

UWB技术(超宽带)(网络层)

  • 优点：对信道衰落不敏感，发射信号功率谱密度低，截获能力低，系统复杂性低，可提供cm级定位精度
  • 高速无线接入适用于军事通信和室内等密集多径场所

MEMS技术(微机电系统)(感知层)

  • 一般指特征尺度在亚微米至亚毫米范围内的装置
  • 由微传感器、微执行器、信号处理和控制电路、通信接口和电源组成的集成微器件系统

物联网应用领域

  • 工业控制、精细农牧业、仓储物流、运输、医疗卫生、环境监测、安全监测、网上支付、智能家居、国防军事

发展与未来

  • 互联互通设备数量急剧增加，设备体积极度缩小
  • 物体通过移动网络连接，由用户永久携带并定位
  • 在现有和未来的应用中，系统和物体在互联过程中的异质性和复杂性变得非常强烈

二、感知技术

1. RFID分类、组成和原理

  • RFID无线射频识别系统

分类

  • 分为低频射频卡、中频射频卡、高频射频卡
  • 按供电方式分为:有源卡、无源卡(半有源卡、工作时供电、不工作时供电)
  • 按调制方式分为主动式和被动式：
  • 常用:低频、无源、被动

原理

  • 电感耦合(磁耦合)
  • 电磁反向散射耦合(电磁场耦合)

频段

  • 低频(LF)、高频(HF)、超高频(UHF)、微波(Microwave)

2. 传感器组成原理和结构框图

  • 感知层，感知外部物理信息

  • 将非电信号转换为电信号

  • 三部分组成： 敏感元件，转换原件，转换电路

不同标准的传感器分类

工作机理

  • 物理传感器、化学传感器、生物传感器

能量转换

  • 能量转换型、能量控制型

被测参量

输出信号

  • 模拟传感器
  • 数字传感器

3. DS18B20引脚、特性

引脚

  • DQ数字信号输入/输出端
  • GND为电源地
  • VDD外部供电电源输入端(寄生电源接接地)

特性

  • 电压范围：3.0~5.5V
  • 温度范围：-55℃~ 125℃
  • 单线接口模式，数据线实现双向传输
  • 传送CRC校验码，抗干扰纠错能力强
  • 可编程的分辨率为912位（2^92^12)可实现高精度温度测量
  • 数字转换速度快
  • 可实现组网多点测温
  • 负压特性：当电源极性反转时，不能正常工作
  • 集成性好，无需外围电路

4. 视频监控过程、图像传感器

过程

图像传感器

电荷耦合器件（CCD）

  • 优点:灵敏度高，噪音低，信噪比大
  • 缺点：生产工艺复杂，成本高，功耗高

补充金属氧化物半导体（CMOS）

  • 优点:集成度高，功耗低(不到)CCD1/3)，成本低
  • 缺点:噪音大，灵敏度低，对光源要求高

5. GPS全球四大卫星定位系统的组成

组成

  • 空间、控制、用户

世界四大卫星定位系统

  • 中国北斗（BDS）
  • 美国的全球定位（GPS）
  • 欧盟伽利略（GNS）
  • 俄罗斯格洛纳斯（GLONASS）

6. 激光机理及应用

  • LASER 镭射

自发辐射

  • 高能级向低能级自发跳跃
  • 能量小，无方向，无法控制

受激辐射(光子的本质)

  • 在频率为v的电场的作用下，高能原子被激活并跳跃到低能级
  • 能量大，方向固定，可控(相位，频率可控)
  • 相干性

应用

7. 红外与激光区别及红外探测器

区别

波长不同

  • 红外线：波长长、频率低

产生原因不同

  • 红外：电磁辐射
  • 激光：受激辐射产生的光子

传感器不同

  • 红外：抗干扰能力差，需要定期校准
  • 激光：测量速度快、精度高、量程大、抗光干扰、点干扰能力强

红外探测器

  • 热探测器（温度传感器）
  • 光子探测器

8. 生物识别的过程，常见生物识别技术

  • 关键：如何获取特征，如何将特征转换成数据

过程

  • 采样→生物特征→数字→预处理→提取独有特征→匹配→结果

常见技术

  • 指纹识别、掌纹识别、视网膜识别、虹膜识别、签名识别、面部识别、基因识别

语音识别

难点

  • 语音信号多样性
  • 噪声影响
  • 词与词之间空间混叠

主要技术

  • 动态时间规整（DTW）把未知量均匀地伸长或缩短，直到与参考模式的长度一致
  • 隐马尔可夫法（HMM）识别长度较长的语音信号，建模
  • 矢量量化（VQ）用最少的搜索和计算失真的运算量，实现最大可能的平均信噪比
  • 人工神经网络法（ANN）常与传统识别方法结合，抗干扰

三、网络通信技术

1. 常见短距离无线通信技术及优缺点

  • Wi-Fi
    • 较广的无线电波覆盖范围
    • 传输速度快，可靠性高
    • 无需布线
    • 健康安全
    • 覆盖面有限（缺点）
  • ZigBee
    • 低功耗、低成本、低速率、近距离、短时延、网络容量大、高安全、数据传输可靠、免执照频段
  • 蓝牙Bluetooth
    • TDMA结构
    • 使用跳频技术
    • 全球范围适用
    • 组网灵活性强
    • 成本低
  • 超宽带（UWB）
    • 带宽极宽
    • 抗多径能力强
    • 定位精确
    • 抗干扰性能强，保密性好
    • 超高速、超大容量，抗截获性好
    • 系统结构简单，成本低，易数字化
    • 发送功率小，消耗电能少
  • NFC技术
    • 通信标准：ISO/IEC 18092 NFCIP-1为基准进行标准化
    • 电子标签、点对点通信、阅读器
    • 通信距离1~2cm

2. 无线传感器网络技术

按距离划分

  • 无线个域网技术（WPAN）几米~几十米
  • 无线局域网技术（WLAN）一百米～几百米
  • 无线城域网技术（WMAN）几千米～几十千米
  • 无线广域网技术（WWAN）全国～全球

关键技术

  • 时钟同步技术
  • 定位技术
  • 网络拓扑控制
  • 网络安全
  • 其他关键技术

3. CAN总线特点及DeviceNet总线技术

CAN总线性能特点

  • 多主方式工作,网络上任一节点均可在任意时刻主动地向网络上的其他节点发送信息而不分主从,通信方式灵活,且无需站地址等节点信息
  • 不同优先级
  • 非破坏总线仲裁技术
  • 点对点、一点对多点及全局广播等方式传送接收数据
  • 采用短帧结构,传输时间段,受干扰概率低
  • 每帧信息都有CRC校验及其他检错措施,保证数据出错率极低

CAN:物理层和数据链路层

DeviceNet总线

网络结构:物理层、数据链路层、应用层

4. IPv4和IPv6

IPv4

  • IPv4=前缀+网段号+主机号

IPv6

  • 地址长度扩展到128位,字段与字段间用":"隔开,字段中最高位为0的数值可以省略
  • IPv6=前缀+接口标识(类似IPv4网络号)+主机号
  • 标准中允许使用"空隙"来表示一长串的0(如3000:0:0:0:0:0:0:1可表示为3000: :1,两个冒号在地址中只能出现一次)

四、智能技术

1. 人工智能应用案例

  • 智能计算,人工心理与人工情感
  • 机器思维、机器感知、机器行为、机器学习

2. 云计算

理念

  • 通过不断提高"云"的处理能力,进而减少用户终端的处理负担,最终使用户终端简化成一个单纯的输入输出设备,并能按需享受"云"的强大计算处理能力

概念

  • 云（资源池）：一些可以自我维护和管理的虚拟计算资源，通常是一些大型服务器集群，包括计算服务器、存储服务器和宽带资源等

  • 按用户不同分为：私有云（专用云）、公有云、混合云

特点

  • 系统超大规模
  • 数据可靠性和扩展性
  • 虚拟化
  • 数据共享

云计算与相关技术的关系

  • 云计算与分布式计算
  • 云计算与并行计算
  • 云计算与效用计算
  • 云计算与网格计算（网格计算：收集数据→处理 服务系统）

服务层次

  • 软件即服务层（SaaS）提供最常见的云计算服务，如邮件服务，服务提供商根据客户所订软件的数量、时间的长短等因素收费
  • 平台即服务层（PaaS）服务提供商提供的是经过封装的IT能力，如数据库、文件系统和应用运行环境等，通常按照用户登陆情况计费
  • 基础设施即服务层（IaaS）提供的基本资源就是服务器，包括CPU、内存、存储、操作系统及一些软件，通常按照所消耗资源的成本进行收费

3. 数据融合

过程

分类

  • 根据融合处理的数据种类分
    • 时间融合：指同一传感器对目标在不同时间的量测值进行融合处理
    • 空间融合：指在同一时刻，对不同的传感器的量测值进行融合处理
    • 时空融合：指在一段时间内，对不同传感器的量测值不断地进行融合处理
  • 根据融合处理的方法分
    • 集中式：各个传感器的数据都送到中央处理器（融合中心）进行融合处理
    • 分布式：各个传感器对量测数据单独进行处理，然后将处理结果送到融合中心，由融合中心对各传感器的局部结果进行融合处理
    • 混合式：以上两种方法组合，用于大型系统中

级别

  • 像素级融合、特征级融合、决策级融合

意义

  • 提高信息的准确性和全面性
  • 降低信息的不确定性
  • 提高系统的可靠性
  • 增加系统的实时性
  • 增加测量维数和置信度，提高容错功能
  • 降低信息获取的成本
  • 改进探测性能，增加响应的有效性
  • 扩展了空间和时间的覆盖，提高了空间分辨率，提高适应环境的能力

技术与算法

  • 加权平均
  • 卡尔曼滤波
  • 贝叶斯估计
  • 统计决策理论
  • Dempster-Shafer证据推理法
  • 模糊逻辑法
  • 产生式规则法
  • 神经网络方法

4. M2M对通信的优化

  • 增强网络能力
  • 增强接入能力
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