一書讀懂物聯網：基礎知識+運行機制+工程實現

曹洪伟，全栈架构师，曾担任百度DuerOS布道师、渡鸦科技CTO等职位，并且是百度一款智能音箱产品的主要技术负责人之一。目前就职于鼎道智联，从事操作系统相关的研发工作。

具有20多年电信和互联网行业的软硬件研发与产品管理工作经验，先后服务于北电网络、斯伦贝谢、美国高通等世界500强企业，后以CTO/合伙人身份连续创业。

拥有50多项国内外专利，多次作为QCon等大会特邀讲师发表技术演讲，著有《BREW进阶与精通》，并与他人合著了《深入分布式缓存：从原理到实践》，译作包括《持续架构实践》《基于混合方法的自然语言处理》《计算机网络问题与解决方案》《区块链应用开发实战》等。

此外，还是wireless_com自媒体账号与CSDN同名博客的作者。

 

潘维，阿里巴巴天猫精灵智能音箱产品线（无屏方向）的负责人，曾任百度智能家居硬件终端负责人。具有15年的消费电子及通信行业的产品开发经验，熟悉手机等消费电子产品终端软硬件的开发。

专注于人工智能软硬件产品研究，先后参与了小度智能音箱、阿里巴巴天猫精灵等AI产品及相关算法的产品落地和商业化过程。

 

韩冬，中国通信标准化协会资深标准化项目管理负责人，从事通信标准化工作20余年，自2008年起专注于无线通信领域的标准化工作，组织并协调完成我国3G、4G、5G通信行业标准500余项，涵盖移动通信基站、终端、无线接入、蜂窝物联网、无线网络安全与加密、边缘计算、绿色节能、卫星通信、天馈系统等多个细分领域。

长期跟踪全球移动通信前沿技术的发展，并持续关注我国移动通信技术的新发展动向。

第 1部分 認知物聯網

第 1章　物聯網基礎　3

1.1 物聯網的起源與發展　4

1.1.1 國際組織對物聯網的關註　4

1.1.2 國際社會對物聯網的關註　5

1.1.3 我國對物聯網的關註　6

1.2 物聯網解決哪些問題　8

1.3 物聯網的領域界定—六域模型　9

1.4 物聯網的相關辨析　11

1.4.1 物聯網與CPS　11

1.4.2 物聯網與傳感網　11

1.4.3 物聯網和互聯網　12

1.4.4 物聯網與泛在網絡　13

1.5 技術發展對物聯網的影響　14

1.5.1 半導體技術的發展　14

1.5.2 傳感器技術的發展　15

1.5.3 近距離通信技術　15

1.5.4 互聯網的發展　16

1.5.5 雲計算的發展　17

1.6 小結　18

第２章　物聯網的體系結構　19

2.1 物聯網的概念模型　19

2.2 物聯網中的組成節點　20

2.3 物聯網的分層體系結構　22

2.3.1 感知層特徵　22

2.3.2 網絡層特徵　23

2.3.3 應用層特徵　23

2.4 物聯網的產業鏈　26

2.5 物聯網的價值網　27

2.6 物聯網的生態系統　29

2.7 小結　31

第３章　物聯網的應用　32

3.1 智能助手　33

3.2 智能家居　34

3.3 智能建築　35

3.4 智慧園區　36

3.5 智能工廠　38

3.6 智能交通　40

3.7 智慧城市　41

3.8 智慧地球　45

3.9 小結　46

第 2部分 數據的感知與採集

第４章　數據的感知　49

4.1 物體的數據表達　49

4.1.1 物體屬性　50

4.1.2 物體狀態　50

4.1.3 物體動作　51

4.1.4 物體能力　51

4.1.5 物體特徵的元數據描述　51

4.2 傳感器　52

4.2.1 傳感器的分類　52

4.2.2 傳感器的特性　53

4.2.3 傳感器的工作原理　54

4.2.4 傳感器的發展方向　55

4.3 傳感器在電子產品中的應用示例　55

4.3.1 iPhone一代與多點觸控屏幕　56

4.3.2 iPhone 2、iPhone 3中3G技術的應用與定位導航技術　58

4.3.3 iPhone 4的前置攝像頭、雙麥克風和陀螺儀　59

4.3.4 iPhone 5S的生物識別　59

4.3.5 iPhone 6/6 Plus和iPhone 6S/6S Plus　60

4.4 傳感器的選型原則　61

4.4.1 性能指標　62

4.4.2 硬件接口和信號輸出形式　64

4.4.3 成本分析　64

4.4.4 工作環境　65

4.4.5 關註故障分析　65

4.5 傳感器在物聯網系統中的應用示例：橋梁監測　65

4.5.1 橋梁監測的指標體系　65

4.5.2 數據採集　67

4.5.3 橋梁監測點管理　68

4.6 小結　69

第５章　物體的辨識　70

5.1 物聯網標識　71

5.1.1 對象標識　72

5.1.2 通信標識　72

5.1.3 應用標識　72

5.1.4 物聯網標識的發現服務　72

5.2 EPC系統　73

5.2.1 EPC 編碼標準　74

5.2.2 EPC編碼的解析技術進展　74

5.3 條碼和二維碼　75

5.4 磁卡與IC卡　76

5.4.1 磁卡　76

5.4.2 IC卡　77

5.5 電子標簽　78

5.5.1 什麽是RFID　78

5.5.2 RFID的工作原理和技術特點　78

5.5.3 RFID 的產品分類　79

5.6 生物特徵識別技術　80

5.6.1 人臉識別　80

5.6.2 語音識別　80

5.6.3 指紋識別　81

5.6.4 虹膜識別　81

5.6.5 皮膚識別　81

5.6.6 體形識別　81

5.6.7 簽字識別　82

5.7 小結　82

第６章　嵌入式系統　83

6.1 嵌入式系統基礎　83

6.1.1 嵌入式微處理器　84

6.1.2 嵌入式系統中的相關存儲　84

6.1.3 嵌入式系統的相關接口　85

6.1.4 嵌入式系統的初始化　85

6.1.5 嵌入式操作系統　85

6.2 嵌入式系統的設備類型　86

6.2.1 智能塵埃　86

6.2.2 一般計算能力的嵌入式設備　86

6.2.3 可穿戴設備　87

6.2.4 智能設備　88

6.3 物聯網終端的操作系統　89

6.4 嵌入式系統的應用框架　91

6.4.1 應用框架　91

6.4.2 手機上的應用框架　92

6.4.3 M2M的應用框架　93

6.4.4 面向JavaScript的嵌入式應用框架　95

6.5 嵌入式系統的更新升級—OTA　95

6.5.1 OTA方案的特點　96

6.5.2 OTA系統的參考架構　97

6.5.3 OTA的服務流程　98

6.5.4 OTA中的交互協議　99

6.6 小結　100

第3部分 數據的傳輸與網絡

第７章　局域連接性　103

7.1 嵌入式系統的內部連接性　103

7.1.1 常見總線　104

7.1.2 常見接口　104

7.2 紅外通信　105

7.3 藍牙　106

7.3.1 藍牙設備的組網　107

7.3.2 經典藍牙的通信過程　107

7.3.3 低功耗藍牙的通信過程　108

7.4 Zigbee　108

7.4.1 Zigbee協議與網絡　109

7.4.2 Zigbee的通信機制　110

7.5 Wi-Fi與WLAN　110

7.5.1 Wi-Fi及其組網模式　111

7.5.2 WLAN　113

7.5.3 6LoWPAN　114

7.6 其他近距離無線通信技術　116

7.6.1 各種反向散射技術　116

7.6.2 反向散射通信技術在物聯網中的潛在應用　117

7.7 邊緣網絡　118

7.7.1 各種局域連接性技術的對比　118

7.7.2 從邊緣網絡到邊緣智能　119

7.8 小結　120

第８章　廣域傳輸與網絡　121

8.1 移動蜂窩通信技術　121

8.1.1 第三代移動通信—3G　122

8.1.2 第四代移動通信—4G　122

8.1.3 第五代移動通信—5G　123

8.2 低功耗廣域網　124

8.2.1 LoRa　124

8.2.2 Sigfox　125

8.2.3 窄帶物聯網　126

8.3 互聯網　128

8.3.1 IPv6的地址分配　128

8.3.2 物聯網與互聯網相融合的路由體系　129

8.4 軟件定義的廣域網（SD-WAN）　130

8.4.1 軟件定義網絡　131

8.4.2 SD-WAN的技術優勢　132

8.5 小結　133

第９章　物聯網的通信協議　134

9.1 連接性協議　135

9.1.1 802.11系列協議　135

9.1.2 連接性協議的對比分析　136

9.2 網絡協議　138

9.2.1 物理層、數據鏈路層和網絡層　138

9.2.2 傳輸層　139

9.3 應用協議　139

9.3.1 互聯網應用層協議在物聯網的應用　139

9.3.2 物聯網的應用層協議　140

9.3.3 應用層協議的對比　142

9.4 物聯網的通信協議選擇　144

9.4.1 協議棧的選擇與供應商的關系　145

9.4.2 協議選擇中的關鍵特性　145

9.4.3 協議實施時的其他考量　147

9.5 小結　148

第4部分 數據的存儲與處理

第 1０章　數據存儲　152

10.1 物聯網中數據的存儲位置　152

10.1.1 從設備存儲到邊緣存儲　153

10.1.2 從數據中心到雲存儲　154

10.2 數據存儲的服務—數據庫系統　155

10.2.1 關系數據庫　155

10.2.2 實時數據庫　156

10.2.3 時序數據庫　156

10.3 NoSQL與大數據　157

10.3.1 鍵值型NoSQL　157

10.3.2 文檔存儲型NoSQL　158

10.3.3 列存儲型NoSQL　158

10.3.4 圖存儲型NoSQL　159

10.4 分佈式存儲技術　159

10.5 物聯網中基於數據存儲的實體搜索　160

10.6 小結　164

第 1１章　數據分析與處理　165

11.1 物聯網的計算模型　165

11.1.1 面向物聯網的雲計算　166

11.1.2 面向物聯網的霧計算　166

11.1.3 面向物聯網的邊緣計算　168

11.2 物聯網的數據處理架構　169

11.2.1 批處理架構　170

11.2.2 流處理架構　171

11.2.3 Lambda 架構　172

11.3 物聯網中的數據分析　173

11.3.1 卡爾曼濾波器　174

11.3.2 貝葉斯分類與多貝葉斯估計　174

11.3.3 規則引擎　175

11.3.4 模糊邏輯與人工神經網絡　175

11.3.5 物聯網數據分析與處理示例　175

11.4 物聯網數據的價值挖掘　177

11.5 物聯網的數據可視化　178

11.5.1 數據可視化的概念　179

11.5.2 文本可視化　180

11.5.3 網絡可視化　181

11.5.4 時空數據可視化　181

11.5.5 多維數據可視化　182

11.5.6 支持可視化分析的人機交互技術　182

11.6 物聯網中的網絡控制系統　183

11.6.1 控制模型　183

11.6.2 物聯網控制系統架構　184

11.6.3 物聯網中的控制器　185

11.7 小結　186

第5部分 設計與工程實現

第 1２章　物聯網產品設計與工程實現　189

12.1 物聯網產品的業務特性　189

12.2 商業化流程　190

12.2.1 需求分析及非功能屬性的設計　191

12.2.2 外觀設計　192

12.2.3 結構設計　193

12.2.4 電子設計　193

12.2.5 軟件開發　193

12.2.6 電路驗證　194

12.2.7 結構開模與電子備料　194

12.2.8 整機驗證　194

12.2.9 包材設計與生產　195

12.2.10 小批量試產　195

12.2.11 工廠量產　195

12.2.12 銷售和售後　196

12.3 一個物聯網網關的設計與實現　196

12.3.1 物聯網網關的功能　196

12.3.2 物聯網網關的設計　197

12.3.3 物聯網網關的架構　199

12.4 從物聯網產品設計到綠色物聯網　201

12.4.1 物聯網中的能耗分佈　201

12.4.2 物聯網產品的低功耗設計　204

12.4.3 綠色物聯網　208

12.5 小結　208

第 1３章　物聯網系統設計與工程實現　209

13.1 物聯網雲服務系統設計　210

13.1.1 雲服務的連接方式　210

13.1.2 產品級代理：雲服務連接性的黑箱方法　211

13.1.3 SDK：雲服務連接性的白箱方法　211

13.1.4 便攜式代理：雲服務連接的灰箱方法　212

13.2 設計與工程實現中的要點和技術選型　213

13.2.1 流量控制　213

13.2.2 緩存系統　214

13.2.3 服務支撐　214

13.2.4 運維體系　217

13.2.5 開放平臺　219

13.3 物聯網中的中間件服務　220

13.4 物聯網軟件系統設計與實現流程　221

13.4.1 瀑布模型開發方法　221

13.4.2 敏捷開發　223

13.4.3 物聯網軟件系統的相關依賴：供應鏈管理的敏捷性影響　224

13.5 物聯網系統的工程實現　225

13.6 物聯網系統設計案例：智能電網　226

13.6.1 用戶側智能電網的傳感層建設　226

13.6.2 用戶側智能電網物聯網的網絡層建設　227

13.6.3 用戶側智能電網物聯網的管理層/決策層建設　227

13.7 小結　228

第6部分 物聯網的熱門話題

第 14章　物聯網的標準化　231

14.1 標準的定義　231

14.2 物聯網的標準體系　232

14.2.1 物聯網感知層中的物理層標準　233

14.2.2 物聯網感知層中的MAC層標準　233

14.2.3 物聯網感知層中的網絡層標準　234

14.2.4 物聯網感知層中的主乾網接入層標準　234

14.2.5 物聯網感知層中的服務質量評估　234

14.3 物聯網標準化組織　235

14.4 ITU-T物聯網標準的發展　237

14.5 物聯網的產業聯盟　238

14.6 物聯網的開源社區　239

14.7 物聯網應用領域的標準化示例：智能照明　240

14.7.1 智能照明系統的網絡架構　241

14.7.2 智能照明系統的通信模式　242

14.8 小結　242

第 1５章　物聯網的安全性　243

15.1 信息系統的安全性　243

15.2 物聯網安全的特點　244

15.3 物聯網的安全問題與相關技術　245

15.3.1 傳感器中的安全問題　245

15.3.2 輕量級加密算法　246

15.3.3 物聯網操作系統的安全技術　246

15.3.4 邊緣網絡的安全技術　247

15.3.5 核心網絡的安全問題　248

15.3.6 物聯網中的隱私保護　248

15.4 可信網絡　250

15.4.1 可信終端　252

15.4.2 可信傳輸　253

15.4.3 可信用戶　254

15.5 區塊鏈與物聯網安全　256

15.5.1 區塊鏈的相關概念　256

15.5.2 基於區塊鏈的可信網絡　257

15.5.3 基於區塊鏈的邊緣網絡安全保障　258

15.5.4 區塊鏈隱私保護　259

15.5.5 面向物聯網的區塊鏈　260

15.6 小結　262

第 1６章　物聯網與人工智能　263

16.1 理解人工智能　263

16.1.1 從圖靈測試看人工智能　264

16.1.2 從電腦體系結構看人工智能　264

16.2 機器學習與人工智能　266

16.2.1 機器學習的類型　266

16.2.2 機器學習的常見算法　267

16.2.3 機器學習在物聯網中的應用示例　270

16.3 人工智能技術在物聯網中的應用　270

16.3.1 人工神經網絡在嵌入式系統中的應用　272

16.3.2 面向深度學習的物聯網系統設計　273

16.3.3 語義融合在物聯網中的應用　274

16.4 物聯網中的人工智能操作系統　275

16.5 人工智能與物聯網融合的典型案例：智能音箱　276

16.6 小結　278