物联网导论习题解答

-物联网导论习题解答第1章概述一、本章学习目标本章主要了解物联网的起源、物联网关键技术及其应用进展；掌握物联网的概念与定义、物联网的特征、信息处理流程与物联网框架构造、物联网的根本构造、物联网的层次框架。二、本章知识点l 物联网的概念与定义l 物联网的特征l 信息处理流程与物联网框架构造l 物联网的根本构造、物联网的层次框架三、习题及解答1. 物联网的含义包含哪些方面？答：物联网或The Internet of Things具有以下含义：1物联网依然是一个网，是一个在现有互联网根底上的网，应具有互联网的共性，这些共性应包括信息传输、信息交换、信息存储与信息的应用。2物联网中的物应具有英特网中的终端或端点的特性，即物可以被寻址，物可以产生信息、交换信息。3物联网中的物所产生的信息可以加以应用，或者说，人们可以应用物的信息。4物联网应为人效劳，能满足人的*些方面的需求，如果不能为人效劳，它是没有意义的。2. 学术界、我国及国际组织对物联网是如何定义的？答：学术界对物联网的定义有以下几个：1面向互联网的定义：全球化的根底设施，连接物理与虚拟的对象，以应用其捕获的数据和通信功能。这个根底设施包括了现存的和演进的英特网和网络，它将提供特殊的对象识别、感知和连接能力，以作为开发独立的、协作的、效劳和应用根底。这些将是由高度自治的数据捕获、事件传输、网络互联和交互为特征的。该定义是由CASAGRAS(Coordination and Support Action for Global RFID-related Activities and Standardisation，全球RFID运作及标准化协调支持行动)提出的。2面向物的定义：在智能空间，被辨识的、拟人化操作的物，通过界面连接，与社区、环境和用户进展交互。3面向语义的定义：利用适当的建模解决方案，对物体进展描述、对物联网产生的数据进展推理、适应物联网需求的语义执行环境和架构、可扩展性存储和通信根底设施。面向语义的定义来源于IPSO (IP for Smart Objects)联盟。我国及国际组织对物联网的定义为：1我国的定义：物联网是指通过信息传感设备，按照约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进展信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。它是在互联网根底上延伸和扩展的网络。2欧盟定义：将现有的互联的计算机网络扩展到互联的物品网络。3国际电信联盟(ITU)的定义：物联网主要解决物品到物品( Thing to Thing, T2T)，人到物品(Human to Thing，H2T)，人到人(Human to Human，H2H)之间的互连。3. 物联网的主要特征有哪些？试简要给以说明。答：感知、交互和信息处理特征。1物联网的感知特征，感知是物联网的根本特征之一。物的描述以及运动状态是通过感知得到的。感知的手段是采用监测的方法，即通过传感器、射频识别等设备对物的物理参数、化学参数、生物参数、空间参数等进展实时采集，所采集的这些参数表征了物的属性及运动状态，能客观、完整地描述物。2物联网的交互特征。物的感知信息需要与特定的应用相联系，也就是需要与相关的人或物进展交互，以到达信息共享或信息处理的目的。3物联网的信息处理特征。物联网不但应具有信息传送与存储能力，而且更重要的是具有信息处理能力。物联网感知的物是具有全局性，而全局性意味着信息的多样性和海量性，这些多样性、海量性的数据必须通过信息处理来为*个特定的应用效劳。基于以上特征，物联网中的物已不是简单的物，它应是装备*种特殊性能的物，因此物应具有信息通信与处理能力，信息的通信与处理应符合一定的标准和标准，按照一定的通信协议和标准进展通信，并且物要有能被全局识别或定位的唯一标识和编码。4. 一般的信息处理系统主要由哪些局部构成？其主要作用如何？答：一个信息处理系统一般由源信息采集与源信息处理或源信息预处理、信息传送和信息处理及应用三局部构成。源信息采集就是采用各种传感器获取监测对象的物理的、化学的、生物的信息，或采集监测对象的图形图像信息。源信息采集首先需要有监测对象，该对象可是物、人、或者是其他实体；其次，源信息的采集需要传感器，包括摄影摄像等方面的设备，因此，源信息采集所用的传感器的种类非常多；第三，源信息的采集不仅仅只采集监测对象的一种信息，可以同时采集多种信息。一般来说采集的源信息需要经过一定的处理才能通过通信系统的传输传送出去。这是因为传感器采集的信息一般是一个电压或电流信号，而这样一个信号不能直接由通信系统传送，需经过一定的处理、编码、变换才能传送。信息传送就是将经过处理的源信息通过通信系统传送到信息处理与应用局部。它主要由通信系统组成，包括有线与无线通信系统。最简单的传输系统是两根导线。经过传输到达的源信息需要进一步处理，将该信息处理为人或机器能理解的信息，如采集的温度信息，需要将它转换为具有物理含义的摄氏或华氏温度表示。处理后的源信息需要加以应用为人们提供各种效劳。5. 物联网的系统构造主要由哪些局部构成？其主要作用是什么？答：物联网是全球性的信息系统，它是由众多的、完成不同任务的子信息系统组成的，因此，物联网不但具有信息系统的一般构造，而且也有其特殊性。物联网的主要由感知控制系统、短距离会聚通信系统、网络通信系统以及信息处理与应用系统组成。感知控制系统一般由多个感知控制器构成。感知控制器一般由传感器、射频识别设备、图像图形获取设备摄像、摄影机等，以及控制装置组成。主要完成信息的获取，或完成*种控制。感知控制系统一般感知*一区域的信息，或在该区域实施*种控制。短距离会聚通信系统的作用是将感知区域内的各个感知控制器所获取的信息进展会聚，以适合传送通信系统的方式。另外，还接收信息处理与应用系统的信息或命令完成感知和控制。目前应用短距离有线、无线通信技术实现。网络通信系统完成全球性的感知信息的传送与交换与共享。由各种无线、有线通信系统组成通信网，在通信网上由各种主机计算机、网络交换机、路由器等组成数据通信网络，以实现互联网功能，进而实现物联网的信息传送、交互与共享。信息处理与应用是将管辖区域内感知获取的信息进展处理与应用，它还可以处理应用其他非管辖区感知到信息，同时也可与其他的信息处理与应用系统的信息共享与交互。6. 物联网框架主要由哪些层次构成？答：物联网的层次框架由三个层次构成，即由信息的感知控制层、信息的传送网络层和信息的综合应用层构成。感知控制层包含三个子层次，即数据采集子层、短距离通信传输子层和协同信息处理子层次。传输网络层是将来自感知控制层的信息通过网络通信系统传送到综合应用层。网络通信系统包括了现有的各种公用通信网络、专业通信网络，目前这些通信网主要有移动通信网、固定通信网、互联网、播送电视网、卫星网等。综合应用层是将物联网框架构造的最高层次，是物的信息综合应用的最终表达。物的信息综合应用与行业有密切的关系，依据行业的不同而不同。综合应用层主要分为两个子层次，即效劳支撑层和行业应用层。效劳支撑层主要用于各种行业应用的信息协同、信息处理、信息共享、信息存储等，是一个公用的信息效劳平台；行业应用层主要面向诸如环境、电力、智能、工业、农业、家居等方面的应用。另外，物联网框架还应有公共支撑层，其作用是保障整个物联网平安、有效地运行，主要包括了网络管理、QoS管理、信息平安和标识解析等运行管理系统。7. 物联网的关键技术主要有哪些？答：物联网的关键技术主要有：RFID与EPC技术、感知控制技术、无线网络技术、中间件技术和智能处理技术等。8. 物联网主要应用在哪些领域？试举出几个应用场景。答：物联网主要应用在以下10大领域，它们是物流、交通、家居、环境监测、金融与效劳业、医疗安康、农业、工业、电网和国防军事。应用场景略9. 能否举出一些你身边物联网应用的例子？这些例子都应用了物联网哪些技术？答：二代身份证，应用了RFID技术。智能停车场，应用了无线传感器技术和RFID技术等。其他略。第2章 RFID与EPC编码一、本章学习目标了解RFID、EPC编码和条码的开展过程，掌握FRID的根本构成与根本原理、参数与应用场合；掌握EPC编码的标准构造与各字段的含义与应用；掌握一维与二维条码的特性。二、本章知识点l RFID的构成与特点l 标签的分类与主要技术参数、应用领域l GSI编码体系、SSCC编码构造、GLN编码构造l EPC编码规则及标准l 条码技术三、习题及解答1. 什么是RFID？试简述RFID开展历程。答：RFID是英语Radio Frequency Identification 射频识别的缩写。RFID技术是利用射频信号实现无接触自动识别的技术。1941-1950年，雷达技术催生了RFID技术，1948年奠定了RFID的理论根底；1951-1960年，早期RFID技术的探索阶段，处于实验室研究阶段；1961-1970年，RFID技术的理论得到进一步开展，人们开场尝试一些新应用；1971-1980年，RFID技术与产品研发处于高潮期，各种RFID技术测试加速，出现了早期应用；1981-1990年，RFID技术及产品进入商业应用阶段，各种规模应用开场出现；1991-2000年，RFID标准化问题日趋得到重视，RFID应用更加丰富，已成为人们生活中的一局部；2000年-至今，RFID产品种类更加丰富，各类标签得到大力开展，标签的本钱也不断降低，规模应用行业开场扩张。2. RFID系统主要由哪些局部构成？答：RFID系统由电子标签、阅读器和主机系统构成。3. RFID标签主要由哪些局部构成？试简述其的工作原理。答：RFID标签由天线、射频电路、控制电路、存储器和电源等组成。标签的根本工作原理：从读写器发送的射频信号经过标签的天线接收后，由射频电路进展解调和解码，获得数据、时钟和能量电能，时钟信号供标签系统进展同步工作，能量用于无源标签的电源。获得的数据送给控制电路用于控制存储器的读写操作。相反，如果从标签向读写器传送数据时，存储中存储的数据在控制电路(CPU)的控制下，传送到射频电路，经过编码、调制后经天线以射频信号的方式发送给读写器。4. RFID标签是如何分类的？各类的特点如何？答：根据标签是否有内置电源，可将其分为被动式、主动式和半主动式三类。被动式标签的工作电源由接收的射频信号的能量获得。被动式标签采用高频(HF)或超高频(UHF)通信频率。第一代被动式标签采用采用高频通信，通信中心频率为13.56MHz，通信距离较短，最长仅为1m左右，主要用于非接触式标识。第二代被动式标签采用超高频通信，通信频段为860960MHz，通信距离较长，可到达35m，并支持多标签识别。目前，第二代被动式标签是应用最广的，主要用于工业自动化、资产管理、物品监控、个人标识等领域。主动式标签内部具有电源，因此又称为有源标签。因其内部自带电源，所有它的体积比无源标签大，价格也昂贵。主动式标签的通信距离较远，可达百米以上。主动式标签有主动式和唤醒式两种工作模式。半主动式标签具有被动式和主动式标签的各种优点，内部携带电源，但该电源的用作多为维持存储器内部数据状态和标签与阅读器信息交互时的计算、控制等辅助工作，通信所用的电源依然由接收到的射频信号提供。这种标签可以携带传感器、可用于检测环境参数。5. 试述简述RFID阅读器的工作原理，可分几类，各类特点如何？答：RFID的工作原理如下：接收时，天线接收标签发送的射频信号，经射频电路解调、解码后送到控制器、控制器将解码后的数据按照通信接口电路的要求及信息系统协议的要求进展转换，交通信接口电路输出到信息系统。发送时，通信接口将信息系统送来的数据交给控制电路，控制电路将其转换为标签约定的数据格式后，交射频电路该数据进展编码、并调制为射频信号，然后送天线发送出去。RFID阅读器一般是按照其工作的通信频率分类的，RFID阅读器分为低频(LF)、工作频点在125kHz附近；高频(HF)，工作频点在13.54MHz附近；超高频(UHF)，工作频段为850910MHz附近；2.4GHz微波频段。不同频率有不同的特点，其用途也不同。低频标签比超高频阅读器更廉价，更节能，穿透力更强，更适合于含水成分较高的物品。超高频阅读器作用范围较广，传输数据的速率较快，但应用区域不能有太多的干扰，适合于监测货物的运输及仓库管理。6. RFID阅读器的性能参数主要有哪些？如何防止阅读冲突？答：RFID阅读器，它有很多参数，常用的参数主要有：工作频率、输出功率、数据传输速率、输出端口形式、容量、读写速度、封装形式、读写数据的平安性等。在阅读器的应用中会出现阅读器冲突的问题，即一个阅读器接收到的信息和另一个阅读器接收到的信息发生冲突，产生重叠。解决该问题的方式是使用时分多址(TDMA)技术。7. 编码有何作用和意义？答：编码的终极目标就是将物质与信息编码之间建立完全的一一对应关系。普遍认为，这种结合并非是简单的组合，而是一种全新的具有极强生命力的事物。作为编码技术的一个典型的应用是在物流领域兴起的物流信息技术，物流信息技术对于加快物流各个环节提供了必要的信息技术，包括计算机、网络、信息编码技术、自动识别、电子数据交换、全球定位系统以及地理信息系统等技术。这些技术的综合应用对于改变传统物流企业业务的运作水平，完善物流管理中的管理手段、管理组织构造以及企业决策管理起到了积极的作用。8. 试简述EPC编码的主要组织。答：针对编码标准，目前已形成了两大协会组织：一是欧洲产品编码协会(European Article Numbering Association，EANA)，二是美国和加拿大的统一代码委员会(Uniform Code Council，UCC)。两大组织合并以后，形成了EANUCC组织，该组织于2005年后改名为GS1(Global Standard )，可认为是全球第一商务标准化组织，提供全球统一标识系统。中国物品编码中心ANCC成立于1988年，由国务院授权统一组织、协调、管理全国的条码工作。1991年，代表中国参加国际物品编码协会，是目前全世界140个国家地区编码组织之一，负责在我国推广应用EANUCC系统。依据EANUCC系统规则，编码中心经过二十多年的工作摸索与探索，研究制定了一套适合我国国情的、技术上与国际接轨的产品与效劳标识系统ANCC全球统一标识系统，简称ANCC系统。9. 试述GTIN、SSCC和GLN代码的构造。答：GTIN是为全球贸易工程提供唯一标识的一种代码，称其位代码构造。GTIN有GTIN-14、GTIN-13、GTIN-12和GTIN-8四种不同的编码构造。这四种构造可以对不同包装形态的商品进展唯一编码。标识代码无论应用在哪个领域的贸易工程上，每一个标识代码必须以整体方式使用。完整的标识代码可以保证在相关的应用领域内全球唯一。包装指示符包装内含工程的GTIN不含校验码校验码N1N2 N3 N4 N5 N6 N7 N8 N9 N10 N11 N12 N13N14(a) GTIN-14代码构造厂商识别代码 商品工程代码校验码N1 N2 N3 N4 N5 N6 N7 N8 N9 N10 N11 N12N13(b) GTIN-13代码构造厂商识别代码 商品工程代码校验码N1 N2 N3 N4 N5 N6 N7 N8 N9 N10 N11N12(c) GTIN-12代码构造商品工程识别代码校验码N1 N2 N3 N4 N5 N6 N7N8(d) GTIN-8代码构造图2.1 GTIN的四种代码构造SSCC系列货运包装箱代码(Serial Shipping Container Code，SSCC)的代码构造如表2.1所示。系列货运包装箱代码是为物流单元运输和/或储藏提供唯一标识的代码，具有全球唯一性。物流单元标识代码由扩展位、厂商识别代码、系列号和校验码四局部组成，是18位的数字代码。它采用UCC/EAN-128条码符号表示。表2.1 SSCC的构造种类扩展厂商识别代码系列号校验位构造一N1N2N3N4N5N6N7N8N2N3N4N5N6N7N8N9N10N11N12N13N14N15N16N17N18构造二N1N2N3N4N5N6N7N8N9N10N11N12N13N14N15N16N17N18构造三N1N2N3N4N5N6N7N8N9N10N11N12N13N14N15N16N17N18构造四N1N2N3N4N5N6N7N8N9N10N11N12N13N14N15N16N17N18GLN参与方位置代码(Global Location Number，GLN)是对参与供给链等活动的法律实体、功能实体和物理实体进展唯一标识的代码。参与方位置代码由厂商识别代码、位置参考代码和校验码组成，用13位数字表示，其构造如表2.2所示。表2.2 参与方位置代码构造构造厂商识别代码位置参考代码校验码构造1N1 N2 N3 N4 N5 N6 N7N8N9N10N11N12N13构造2N1 N2 N3 N4 N5 N6 N7 N8N9N10N11N12N13构造3N1 N2 N3 N4 N5 N6 N7 N8 N9N10N11N12N1310. EPC编码有哪些规则？试简述之。答：企业在对商品进展编码时，必须遵守编码唯一性、稳定性及无含义性原则。1唯一性唯一性原则是商品编码的根本原则。是指一样的商品应分配一样的商品代码，根本特征一样的商品视为一样的商品；不同的商品必须分配不同的商品代码。根本特征不同的商品视为不同的商品。2稳定性稳定性原则是指商品标识代码一旦分配，只要商品的根本特征没有发生变化，就应保持不变。同一商品无论是长期连续生产、还是连续式生产，都必须采用一样的商品代码。即使该商品停顿生产，其代码也应至少在4年之内不能用于其他商品上。3无含义性无含义性原则是指商品代码中的每一位数字不表示任何与商品有关的特定信息。有含义的代码通常会导致编码容量的损失。厂商在编制商品代码时，最好使用无含义的流水号。对于一些商品，在流通过程中可能需要了解它的附加信息，如生产日期、有效期、批号及数量等，此时可采用应用标识符AI来满足附加信息的标注要求。应用标识符由24位数字组成，用于标识其后数据的含义和格式。11. 试简述条码的根本原理，常用的条码有哪些？答：条码是将线条与空白按照一定的编码规则组合起来的符号，用以代表一定的字母、数字等资料。在进展辨识的时候，是用条码阅读机扫描，得到一组反射光信号，此信号经光电转换后变为一组与线条、空白相对应的电信号，经解码后复原为相应的文数字，再传入电脑。条码辨识技术已相当成熟，其读取的错误率约为百万分之一，首读率大于98%，是一种可靠性高、输入快速、准确性高、本钱低、应用面广的资料自动收集技术。目前应用最多的是一维和二维条码。12. 试比拟一维、二维条码的特性。答：一维、二维条码的特性比拟特性一维条码二维条码资料密度与容量密度低、容量小密度高、容量大错误侦测与自我纠正能力可用检查码进展错误侦测、但无纠正能力有检错纠错能力，并可根据实际应用设置不同的平安等级垂直方向的资料不存储资料，垂直方向的高度为了只读方便，弥补印刷缺陷或局部损坏携带资料，因对印刷缺陷或局部损坏等可以纠错，并恢复资料主要用途主要用于对物品的标识主要用于对物品的描述资料与网络数据库的依赖性多数情况下必须配合数据库，依赖于网络通信可不依赖数据库及网络通信，可单独应用只读设备线扫描仪只读，如光笔、线型CCD，激光扫描枪等对排列式可用型线扫描器屡次进展扫描，或可用图像扫描仪只读，矩阵式则仅能用图像扫描仪只读13. 试述EPC编码的标准和构造。答：EPC标签编码标准对应于EPCglobal 最新发布的EPC Tag Data Standard v1.9版本中。EPCglobal的主要目标是实现任何物理系统的唯一标示，因此协议首先规定了EPC编码标准，并且实现跟现有的编码体系之间的兼容问题。编码标准覆盖两大问题：第一，电子产品编码的规格，包括EPCglobal框架下各个层次的表示以及与GS 1关键字和其它现存编码之间的对应关系。第二，定义Gen 2 标准下RFID电子标签的数据规格，包括EPC用户数据、控制信息和标签制造信息。EPC的目标是实现对任何物理实体全球统一的标识，它将需要追踪或其它应用的信息系统指向物理目标。EPC 的目标是为每一物理实体提供唯一标识，它是由一个版本号和另外三段数据依次为域名管理者、对象分类、序列号组成的一组数字。其中EPC 的版本号标识EPC 的长度或类型；域名管理者是描述与此EPC相关的生产厂商的信息；序列号唯一标识货品。14. 谈谈你对校园一卡通的认识与体会。略第3章传感器技术一、本章学习目标本章应掌握传感器的根本概念、所应用的物理定律、根本构造、分类和要求、掌握传感器的特性与技术指标，了解传感器的应用领域与开展趋势。了解电阻式与变磁阻式传感器、电容式传感器与磁电式传感器、压电式传感器与热电式传感器、光电式传感器与光纤传感器、化学传感器与生物传感器的根本原理，掌握常用的它的应用范畴。了解MEMS传感器与智能传感器的构成与特点。二、本章知识点l 传感器概念与定义l 传感器的物理定律l 传感器根本构造、传感器敏感元件l 传感器分类与要求l 传感器特性与性能指标电阻式与变磁阻式传感器、电容式传感器与磁电式传感器、压电式传感器与热电式传感器、光电式传感器与光纤传感器、化学传感器与生物传感器的根本、MEMS传感器与智能传感器三、习题及解答1. 国家标准GB766587对传感器是如何定义的？试述传感器的狭义与广义定义。答：国家标准GB766587对传感器给出了明确的定义：能感受规定的被测量物理量、化学量、生物量等，并按照一定规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件(Sensing Element)和转换元件(Transduction Element)组成。传感器狭义定义：能把外界非电信息转换成电信号输出的器件或装置。传感器广义定义：但凡利用一定的物质物理、化学、生物等法则、定理、定律、效应等进展能量转换与信息转换，并输出与输入严格一对应的器件或装置均。2. 传感器工作的物理根底的根本定律和法则主要有哪些类型？请给以简述。答：传感器之所以具有能量信息转换的机能，在于它的工作机理是基于各种物理的、化学的和生物的效应，并受相应的定律和法则所支配。传感器工作的物理根底的根本定律和法则有以下四种类型：1守恒定律主要有能量、动量、电荷量等守恒定律。这些定律是我们探索、研制新型传感器时、或在分析、综合现有传感器时，部必须严格遵守的根本法则。2场定律包括运动场、电磁场的感应定律等。其相可作用与物体在空间的位置及分布状态有关。 般可由物理方程给出，这些方程可作为许多传感器工作的数学模型。如，利用静电场定律研制的电容式传感器；利用电磁感应定律研制的自感、互感、电涡流式传感器。3物质定律它是表示各种物质本身内在性质的定律，如欧姆定律。通常以这种物质所固有的物理常数给予描述。因此，这此常数的大小决定着传感器的主要性能。例如，利用半导体物质法则压阻、热阻、磁阻、光阻、湿阻等效应，可分别做成压敏、热敏、磁做、光敏、湿敏等传感器件。4统计法则它是把微观系统与宏观系统联系起来的物理法则。这些法则，常常与传感器的工作状态有关，是分析*些传感器的理论根底。3. 试画出传感器的根本构造，并对各主要局部给以简要说明。答：传感器是一种能把非电输入信息转换成电信号输出的器件或装置。传感器一般由敏感元件和转换元件组成。其根本构造如图3.1所示。敏感元件构成传感器的核心。敏感元件转换元件测量电路辅助电源被测非电量有用非电量有用电参量可用电量图3.1 传感器根本构造敏感元件的主要作用是将被测的非电量转换为有用的非电量，以便于转换元件将其转换为电量；转换元件的作用是将有用的非电量转换为有用的、可测量的电量；测量电路的作用是将有用的电量给予度量，以便于用电量的形式表示被测的非电量；辅助电源，用来对传感器提供工作电源。4. 传感器的主要敏感元件有哪些？答：传感器主要敏感元件有多种，常用的敏感元件如表所示。功能主要敏感元件力(压)位移转换弹性元件环、梁、圆柱、膜片式，膜盒、波纹管、弹簧管位移敏电位器、电感、电容、差动变压器、电涡流线圈、容栅、磁栅、感应同步器、霍尔元件、光栅、码盘、应变片、光纤、陀螺力敏半导体压阻元件、压电陶瓷、石英晶体、压电半导体、高分子聚合物压电体、压磁元件热敏金属热电阻、半导体热敏电阻、PN结、热释电器件、热线探针、强磁性体、强电介质光敏光电管、光电倍增管、光敏二极管、色敏三极管、光导纤维、CCD、热释电器件磁敏霍尔元件、半导体磁阻元件、铁磁体金属薄膜磁阻元件超导器件声敏压电振子射线敏闪烁计数管、电离室、盖格计数器、PN二极管、外表障壁二极管、PIN二极管、MIS二极管、通道型光电倍增管气敏MOS气敏元件、热传导元件、半导体气敏电阻元件、浓差电池、红外吸收式气敏元件湿敏MOS湿敏元件、电解质湿敏元件、高分子电容式湿敏元件、高分子电阻式湿敏元件、热敏电阻、CFT湿敏元件物质敏固相化酶膜、周相化微生物膜、动植物组织膜、离子敏场效应晶体管5. 传感器是如何分类和要求的？答：传感器应用于不同领域，它的品类众多，分类也较多，可以按根本效应来分、也可以按照传感机理来分，等等。传感器，通常都必须满足快速、准确、可靠并经济地实现信息转换的根本要求。即：足够的容量；灵敏度高，精度适当；响应速度快，工作稳定、可靠性好；适用性和适应性强，体积小，重量轻，动作能量小，对被测对象的状态影响小，内部噪声小而又不易受外界干扰的影响，其输出力求采用通用或标难形式；使用经济，本钱低，寿命长，便于使用、维修和校准。6. 传感器的应用领域主要有哪些？答：传感器主要应用领域为：工业自动化，航空航天，资源探测与环境保护，医学，家电，军事等。7. 试述传感器的特性与指标。答：传感器的特性主要有静态特性和动态特性。静态特性表示传感器在被测输入量各个位处于稳定状态时的输出输入关系。静态特性主要应考虑其非线性和随机变化等因素；动态特性是反映传感器对随时间变化的输入量的响应特性。静态特性包括线性度、回差滞后、重复性、灵敏度、分辨率、阈值、稳定性、漂移、静态误差精度这些指标。8. 简述电阻式与变磁阻式传感器的根本原理、应用领域。答：通过电阻参数的变化来测量非电量的传感器称为电阻式传感器(Resistive Transducer)。它用来测力、加速度、位移和应变测量。变磁阻式传感器(Variable Reluctance Transducer)是一种利用磁路磁阻变化引起传感器线圈的电感自感或互感变化来检测非电量的机电转换装置。常用来检测位移、振动、力、应变、流量、密度等物理量。上述两类传感器广泛应用在机械、冶金、石油、建筑、交通、水利、生物、医学和宇航等部门的自动测量与控制或科学实验中。9. 简述电容式传感器与磁电式传感器的根本原理、应用领域。答：电容式传感器(Capacitance Transducer)是将被测非电量的变化转换为电容量变化的一种传感器。应用于位移、加速度、力和压力、物位等领域的测量。磁电式传感器(Magnetoelectric Transducer)是利用电磁感应原理，将输入运动速度或磁量的变化变换成感应电势输出的传感器。磁电式传感器各要用于振动测量，可应用在航空发动机、各种大型电机、空气压缩机、机床、车辆、轨轨道忱枕木振动台、化工设备、各种水、气管道、桥梁、高层建筑等的振动监测上。10. 简述压电式传感器与热电式传感器的根本原理、应用领域。答：压电式传感器(Piezoelectric Sensor)是以具有压电效应的压电器件为核心组成的传感器。压电器件已被广泛应用在超声、通信、宇航、雷达和引爆等领域，并与激光、红外、微声等技术相结合，成为一种重要器件。热电式传感器(Thermoelectric Sensor)是利用转换元件电磁参量随温度变化的特件、对温度和与温度有关的参量进展检测的装置。其中将温度变化转换为电阻变化的称为热电阻传感器；将温度变化转换为热电势变化的称为热电偶传感器。这两种热电式传感器应用非常广泛。热电式传感器广泛应用于工业、农业、医疗等领域中。11. 简述光电式传感器与光纤传感器的根本原理、应用领域。答：光电式传感器(Photoelectric Sensor)是以光为测量媒介、以光电器件为转换元件的传感器，它具有非接触、响应快、性能可靠等优良特性。激光技术和图像技已应用于传感器。在非接触测量领域光电式传感器具有非常重要的作用，在各个领域得到广泛应用。光纤传感器是通过被测量对光纤内传输光进展调制，使传输光的强度振幅、相位、频率或偏振等特性发生变化，再通过对被调制过的光信号进展检测，从而得出相府被测量的传感器。光纤传感器可用于位移、振动、转动、压力、弯曲、应变、加速度、电流、磁场、电压、湿度、温度、声场、流量、浓度、PH位等70多个物理量的测量、应用十分广泛。12. 简述化学传感器与生物传感器的根本原理、应用领域。答：能将各种物质的化学特性，如成分、浓度等，定性或定量地转变成电信号输出的装置称为化学传感器(Chemical Sensor)。化学传感器的应用领域非常广泛，可应用在化工、生物、医疗、环境保护等领域。生物传感器(Biosensor)处指用生物活性材料，如酶、蛋出质、DNA、抗体、抗原、生物膜等作为感受器，通过其生化效应来检测被测量的传感器，是开展生物技术必不可少的一种先进的检测方法与监护方法，也是物质分子水平的快速、微量分析方法。生物传感器与国民经济的诸多领域关系非常密切，广泛应用在生化、医学、生物工程、环境、食品、工业控制与军事等领域。13. 简述MEMS传感器与智能传感器的根本构成，MEMS传感器有何优点？答：微电子机械系统(Micro-Electro-Mechanical System)技术简称MEMS技术，是指可批量生产的，集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路，包括接口、通信和电源等集成于一体的微型器件或系统。MEMS是随着半导体集成电路精细加工技术和超精细机械加工技术的开展而开展起来的，具有小型化、集成化的特点。目前已开展成了一门独立的新兴学科。MEMS传感器具有以下优点：第一，极大地提高了传感器性能。在信号传输前就可放大信号，从而减少扰和传输噪声，提高信噪比；在芯片上集成反应线路和补偿线路，可改善输出的线性度和频响特性，降低温差，提高灵敏度；第二，具有阵列特性。可以在一块芯片上集成敏感元件、放大电路和补偿电路，可将多个一样的敏感元件集成在一个芯片上；第三，具有良好的兼容性，便于与微电子器件集成封装；第四，利用成熟的硅微半导体工艺制造可批量生产，本钱低廉。智能传感器是一种以微处理器为核心单元，具有检测、判断和信息处理功能的传感器。智能传感器具有多种功能，且可靠性好、一体化集成度高、体积小、适宜大批量生产、使用方便、性价比高。它是传感器开展的必然趋势。目前广泛使用的智能式传感器是通过传感器的智能化来实现的。第4章无线传感器网络一、本章学习目标本章主要掌握无线传感器网络的根本构成与特点，了解无线传感器网络的关键技术与应用难点。了解标准及ZigBee协议标准，了解无线传感器网络的路由协议与拓扑控制、节点定位、时间同步的原理与算法。二、本章知识点l 标准、ZigBee协议标准l 无线传感器网络的路由协议与拓扑控制l 节点定位l 无线传感器网络时间同步三、习题及解答1什么是无线传感网络？无线传感网络的三要素指的是什么？答：无线传感器网络就是部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成的，通过无线通信方式形成的一个多跳自组织网络的网络系统，其目的是协作感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给观察者。传感器，感知对象和观察者是无线传感器网络具有三个要素。2. 一个无线传感器节点主要由哪些局部构成？各局部的功能是什么？答：一个无线传感器节点一般由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和电源模块四局部构成。传感器模块的功能是负责采集监测区域内的信息，并进展数据格式的转换，将原始的模拟信号转换成数字信号，不同的传感器采集不同的信息；处理器模块一般由嵌入式系统构成，用于处理存储传感器采集的信息数据并负责协同传感器节点各局部的工作。处理器模块还具有控制电源工作模式的功能，实现节能。处理器模块中还负责处理由其他节点发来的数据；无线通信模块的根本功能是将处理器输出的数据通过无线信道与其它节点或基站通信。一般情况下，无线通信模块具有低功耗、短距离通信的特点；电源模块就用来为传感器节点提供能量，一般都是采用微型电池供电。3. 无线传感器网络系统构造是怎样的？请画图给予说明。答：无线传感器网络系统通常由大量的传感器节点(Sensor node)、会聚节点(Sink node)和管理节点。大量传感器节点随机部署在监测区域(Sensor field)，通过自组织的方式构成网络。传感器节点采集的数据通过其它传感器节点以逐跳的方式在网络中传输，传输过程中数据可被多个节点处理，经过多跳路由后到达会聚节点，最后通过互联网或者卫星到达数据处理中心。同样，数据处理中心也可以沿着相反的方向，通过管理节点对传感器网络进展管理，发布监测任务以及收集监测数据。无线传感器网络系统构造如下图。Internet数据处理中心会聚结点监测区域传感器结点卫星4无线传感器网络协议体系主要由哪些层构成？简述各层的主要任务。答：无线传感器网络协议体系是对网络及其部件应完成功能的定义与描述。它由网络通信协议、传感器网络管理以及应用支撑技术组成。网络通信协议由物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层组成。物理层的功能包括信道选择、无线信号的监测、信号的发送与接收等。无线传感器网络采用的传输方式可以是无线、红外或者光波等。物理层的设计目标是以尽可能少的能量损耗获得较大的链路容量。数据链路层的主要任务是建立一条无过失的通信链路，该层一般包括媒体访问控制(MAC)子层与逻辑链路控制(LLC)子层，其中MAC层规定了不同用户如何共享信道资源，LLC层负责向网络层提供同意的效劳接口。网络层的主要功能是完成分组路由、网络互连等功能。传输层负责数据流的传输控制，提供可靠高效的数据传输效劳。网络管理技术主要是对传感器节点自身的管理以及用户对传感器网络的管理。网络管理模块是网络故障管理、计费管理、配置管理、性能管理的总和。其他还包括网络平安模块、移动控制模块、远程管理模块。传感器网络的应用支撑技术为用户提供各种应用支撑，包括时间同步、节点定位，以及向用户提供协调应用效劳接口。5. 无线传感器网络的关键技术有哪些？答：无线传感器网络的关键技术主要有以下几个方面：通信协议；WSN的支撑技术；自组织管理技术；6. ZigBee与有何关系？答：ZigBee是一种基于标准的高层技术，该技术的物理层和MAC(Medium Access Control，MAC介质访问控制)直接引用。ZigBee协议标准的根底是，这两者之间有着非常密切的关系。可以说ZigBee是协议的代名词，是一种短距离、低功耗的无线通信技术。标准主要有哪些性能？答：该标准具有以下主要性能：1频段、数据传输速率及信道个数：在868MHz频段，传输为20kbit/s，信道数为1个；在915MHz频段，传输为40kbit/s，信道数为10个；在2.4GHz频段，传输为250kbit/s，信道数为16个。2通信范围室内：通信距离为10m时，传输速率为250kbit/s；室外：当通信距离为3075m时，传输速率为40kbit/s；当通信距离为300m时，传输速率为20kbit/s。3拓扑构造及寻址方式：支持点对点及星形网络拓扑构造；支持65536个网络节点；支持64bit的IEEE地址，8bit的网络地址。4应用领域：可应用于传感器网络、现场控制等领域。标准的物理层及拓扑构造是如何定义的？答：物理层定义了无线信道和MAC层之间的接口，提供物理层数据效劳和物理层管理服。网络层支持星形、树形和网状拓扑构造。假设采用星形拓扑构造组网，整个网络有一个协调器设备来进展整个网络的控制。协调器能够启动和维持网络正常工作，使网络内的终端设备实现通信。假设采用网状和树形拓扑构造组网，协调器则负责启动网络以及选择关键的网络参数。在树形网络中，路由器采用分级路由策略来传送数据和控制信息。网状网络中，设备之间使用完全对等的通信方式，在此网络构造中，路由器不发送通信信标。9. 试简述标准物理层的主要功能。答：主要完成以下功能：激活和去激活无线收发器功能；对当前信道进展能量检测；发送链路质量指示；载波侦听多址接入/冲突防止；信道频率的选择；数据发送与接收；媒质访问控制方式的空闲信道评估。10. ZigBee的频段是如何划分的？采用了何种扩频和调制方式？标准采用了三个频段，每个频段包含假设干个信道，各信道划分如下：868MHz频段：fc=868.3MHz，k=0，1个信道；915MHz频段：fc=906+2(k-1)MHz，10个信道；2.4GHz频段：fc=2405+5(k-11)MHz，16个信道；采用了DSSS(直接扩频序列)和模拟调制技术。11. ZigBee支持几种拓扑构造？答：ZigBee可以支持星形、网状和混合状拓扑等多种网络拓扑构造。12. WSN路由协议具有哪些特点和性能指标？答：WSN的路由协议具有以下特点：节点的能量消耗小且均衡；网络拓扑信息有限、计算资源有限；以数据为核心；与应用密切相关。评价一个WSN路由协议设计性能指标，一般包含WSN的生命周期、传输延迟、路径容错性、可扩展性等性能指标。13. WSN路由协议是如何分类的？它们的根本思想是什么？答：从具体应用的角度出发，根据不同应用对WSN各种特性的敏感度不同，可将路由协议分为4种类型，它们分别是： 1能量感知型：能量感知型路由协议从数据传输中的能量消耗出发，讨论最优能量消耗路径以及最长网络中存期等问题。2查询型在诸如环境检测、战场评估等应用中，需要不断查询传感器访点采集的数据，查询节点会聚节点发出查询命令，传感器节点向查询节点报告采集的数据。在这类应用中，通信流量主要是查询节点和传感器节点之间的命令和数据传输，同时传感器行点的采集信息在传输路径上通常要进展数据融合，以减少通信负荷，来节省能量。 3地理位置型在诸如目标跟踪类应用中，住住需要唤醒距离跟踪目标最近的传感器检点，以得到关于目标的准确位置等相关信息。在这类应用中，通常需要知到目的节点的准确或者大致地理位置。把节点的位置信息作为路内选择的依据，不仅能够完成节点路由功能，还可以降低系统专门维护路由协议的能耗。 4可靠型WSN的*些应用对通信的效劳质量有较高要求，如可靠性和实时性等。在WSN中，链路的稳定性难以保让、通信信道质量比拟低，拓扑变化比拟频繁，要实现效劳质量保证，需要设计相应的可靠的路由协议。以下分别介绍这些协议。14. 试述WSN的拓扑控制与优化具有的作用。答：WSN的拓扑控制与优化具有以下几个方面的作用：良好的网络拓扑构造可以延长WSN的生命周期；可有效减弱节点间通信干扰，通信效率；为路由协议的实施提供根底数据；可以更好地进展数据融合及有利于提高网络的鲁棒性。15. WSN的节点定位在WSN的应用中具哪些重要的作用？答：定位可以确定WSN节点确实切的地理位置，为感知提供更为全面的信息，尤其是对于环境监测、突发事件的监控、目标的跟踪等方面，节点的定位对于WSN的有效运行也具有非常重要作用，对于提高路由控制、网络管理、网络的覆盖质量等方面都有非常大的帮助。16. 试构建一WSN，应用三边测量法、三角测量法和极大似然估计法对其所构建的WSN中的未知节点进展定位。解：参见节点定位的根本原理。17. 试述质心算法的根本原理。如何提高算法的准确度？答：质心是指多边形的几何中心，多边形顶点坐标的平均值就是质心节点的坐标。质心算法为一种估计算法，估计的准确度与信标节点的密度以及分布有很大关系，密度越大，分布越均匀，定位精度越高。18. WSN的时间同步有何作用与意义？答：WSN作为一个分布式系统，它们中的结点间相互协同工作时需要相互通信，要求结点间的时钟同步。因此，时间同步对分布式系统的协同工作非常重要。WSN的时间同步对TDMA调度机制、多传感器节点的数据融合和测距定位等应用都具有非常重要的根底作用。第5章短距离通信技术与信息融合一、本章学习目标掌握数据终端间的通信及接口特性，了解常用的RS232C、485、USB和CAN工业总线等串行通信接口，掌握蓝牙、红外及超宽带通信技术的根本概念和通信原理。物联网与信息融合具有非常密切的关系，本章还应掌握信息融合根本概念与原理，了解信息融合数据、传感器管理和无线传感器网络的数据融合相关的概念和原理。二、本章知识点l 数据终端间的通信及接口特性l RS232C、485、USB和CAN工业总线等串行通信接口l 蓝牙、红外及超宽带通信技术l 信息融合根本概念与原理l 无线传感器网络的数据融合三、习题及解答1数据通信的接口中的定义了哪四种特性？答：数据通信的接口中定义了机械特性、电气特性、功能特性和过程特性。2简述RS-485总线的特点及典型应用场合。答：RS-485接口标准的抗干扰能力强、传输速率高、传输距离远。采用双绞线，不用调制解调器等通信设备的情况下，当传输速率为100kbit/s时，传输距离可达1200m；在9600bit/s时，传输距离可达15km。在传输距离为15m时，它的最大传输速率可达10Mbit/s。RS-485允许在平衡电缆上连接32个发送器/接收器，因此它的应用非常广泛，尤其在工业现场总线等方面，同时也是物联网中物联网终端常用的接口方式。RS-485串行通信接口可用集成芯片实现，目前常用的芯片有MA*485/MA*491等。3. USB接口具有哪些特点？答：USB具有以下特点：使用方便，USB的传输速率快，功耗低、性能稳定，操作系统的支持性与灵活性。4. 简述CAN总线的特点。答：CAN总线属于总线式串行通信网络，由于采用了许多新技术以及独特的设计，与一般的通信总线相比，它的数据通信具有突出的性能、可靠性、实时性和灵活性。其特点可以概括如下：1通信方式灵活。2CAN网络上的节点信息分成不同的优先级，以满足和协调各自不同的实时性要求；3采用非破坏性总线仲裁技术，当多个节点同时发送信息时，按优先级顺序通信，大大节省总线冲突仲裁时间，防止网络瘫痪；4CAN通过报文滤波实现点对点、一点对多点及全局播送等几种方式传送数据，无需专门的调度；5传输速率最高可以到达1Mbit/s(40m)，直接传输距离最远可以到达10km(传输速率在5kbit/s以下)；6CAN上的结点数主要取决于总线驱动电路，目前可达110个。报文标志符可达2032种(CAN2.0A)，扩展标准(CAN2.0B)的报文标志符几乎不受限制；7短帧，传输时间短，抗干扰能力强,检错效果好。其中每帧字节数最多为8个，能够满足工业领域的一般要求，也能保证通信的实时性；8CAN每帧信息都有CRC校验及其他检错措施，保证了通信的可靠性；9CAN总线通信接口中集成了CAN协议的物理层和数据链路层功能，可完成数据通信的成帧处理，包括位填充、数据块编码、循环冗余检验、优先级判别等；10通信介质可以为双绞线、同轴电缆或光纤，选择灵活；11网络结点在错误严重的情况下可以自动关闭输出功能，使总线上其他节点的操作不受影响；12已经实现了标准化、标准化国际标准ISO11898。5. CAN总线的通信协议有哪些？答：CAN的通信协议基于如下5条根本规则进展通信协调：1总线访问CAN是共享媒体的总线，对媒体的访问机制类似于以太网的媒体访问机制，即采用载波监听多路访问(Carrier Sense Multiple Access, CSMA)的方式。CAN控制器只能在总线空闲时开场发送，并采用硬同步，所有CAN控制器同步都位于帧起始的前沿。为防止异步时钟因累计误差而错位，CAN总线在硬同步后，还应在满足一定条件的跳变下进展重新同步。2非破坏性的位仲裁方式CAN总线是由两条导线构成的，总线上的状态信号由两条导线上的电压决定，当处于隐性状态即隐性电平时，两条导线上的电压为0V；当处于显性状态即显性电平时，两条导线上的电压不低于2.5V。当总线空闲时呈隐形电平，此时任何一个节点都可以向总线发送一个显性电平作为一个帧的开场。如果有两个或两个以上的节点同时发送，就会产生总线冲突。CAN总线解决总线冲突的方法比以太网的CSMA/CD方法有很大的改良。3编码/解码帧起始域、仲裁域、控制域、数据域和CRC序列均使用位填充技术进展编码。在CAN总线中，每连续5个同状态的电平插入一位与它相补的电平，复原时每5个同状态的电平后的相补电平删除，从而保证了数据的透明。4出错标注当检测到位错误、填充错误、形式错误或应答错误时，检测出错条件的CAN控制器将发送一个出错标志。5超载标注一些CAN控制器会发送一个或多个超载帧以延迟下一个数据帧或远程帧的发送。6. 短距离无线通信技术主要有哪些？这些技术与物联网的关系如何？答：技术主要有蓝牙、红外技术、超宽带无线技术、WI-FI技术以及无线传感网络等。在物联网中，经常需要和物理空间较小范围的感知层物联网终端进展灵活的接入，实现感知控制层与网络传输层的通信。这就需要采用一种非接触式的近距离无线通信来承载信息的传输。7. 简述蓝牙技术的特点。答：蓝牙技术具有功耗低、通信速率高、传输距离短、工作频段不受限制、可靠性高、通信距离短、可灵活组网、自动搜索、本钱低廉和技术成熟