本书分为6章，主要内容包括物联网概述、感知识别技术、网络通信技术、物联网数据处理技术、物联网的应用、物联网与智能电网等。
　　本书可作为普通高等学校计算机类和电子信息类、自动化类、电气类专业本科教材，还可作为从事物联网相关工作的研究人员、工程技术人员的参考用书。

	

　　前言
　　当今是一个知识日新月异、新技术层出不穷的时代，物联网被称为继计算机、互联网之后信息社会的第三次信息浪潮。物联网技术将人类生存的物理世界网络化、信息化，将分离的物理世界和信息空间互联整合，代表了未来信息技术的发展方向。物联网技术已成为未来社会经济发展、社会进步和科技创新的重要基础。
　　作为国家倡导的新兴战略性产业，我国高度关注、重视物联网的发展和研究，工业和信息化部会同有关部门，在新一代信息技术方面正在开展研究，以形成支持新一代信息技术发展的政策措施。目前有很多高校已经开设了物联网专业，或者相关专业开设了物联网课程，这反映出高校对新技术、新产业发展的敏感和重视。物联网已经在各行各业得到了快速发展，并成为就业前景广阔的热门领域。掌握物联网知识和技术的毕业生主要就业于与物联网相关的企事业单位，从事物联网的通信架构、网络协议和标准、无线传感器、信息安全等的设计、开发、管理与维护工作，以及在高校或科研机构从事科研和教学工作。
　　本书的特色主要体现在物联网技术在智能电网的应用和对研究生与本科生的创新创业指导两方面。智能电网是物联网技术重要的应用领域之一。物联网技术在智能电网的各环节均有广泛的应用前景。在智能电网建设中深入应用物联网技术，可以有效整合电力系统基础设施资源和信息通信资源，提高电力系统的智能化及电力流、信息流、业务流的一体化水平，促进电力生产向更高效、更清洁、更安全、更可靠和智能交互的方向发展。通过实际案例分析，使学习者能够全面地了解物联网的基本理论知识，掌握物联网关键技术及其应用方法，能够运用这些技术和方法构建物联网应用系统，培养创新创业能力。当前，大学生的创新创业能力是建立高校创新体系的关键性环节和基础性内容，能有效地支持和推动国家创新体系的建立，对建设创新型国家也会起到积极的作用。
　　全书共分6章。以物联网技术应用为主线，第1章介绍物联网的基本概念、基本原理和体系结构，第2章到第4章介绍应该掌握的物联网关键技术，如感知识别技术、网络通信技术和物联网的数据处理技术等，第5章叙述物联网的应用领域，第6章重点阐述物联网在智能电网中的应用。
　　本书由华北电力大学的张冀担任主编，负责全书的组稿工作。第1章和第2章由王晓霞编写，第3章由山西太原理工大学的刘双庆编写，第4章由宋亚奇编写，第5章由李天编写，第6章由张冀编写，庞春江老师对本书的编写做出了贡献。
　　本书在编写过程中参考了大量书籍、文献和网站资料，因为版面有限，未能全部一一列出，再次向这些资料的作者致以诚挚的谢意。
　　感谢清华大学出版社编校人员对本书的大力支持和帮助。
　　由于作者水平有限，书中难免存在缺点和不妥之处，敬请广大读者批评指正。
　　编者
　　2017年8月

　　张冀 博士，华北电力大学 副教授。在故障诊断、计算机测控、信息融合、多模型等领域有了较为稳定的学术研究方向，取得国内外专家认可的业绩成果，以*作者身份在本学科领域国内外*学术刊物上发表学术论文十余篇，其中SCI期刊2篇，一级学报2篇，EI检索十几篇.

目录
第1章物联网概述1
1.1物联网的起源与发展1
1.2物联网的相关概念2
1.2.1物联网的基本定义2
1.2.2物联网、互联网、传感网和泛在网3
1.3物联网的体系结构5
1.4物联网的关键技术14
1.5物联网的发展前景15
参考文献17
本章习题18第2章感知识别技术19
2.1自动识别技术19
2.1.1自动识别技术概述19
2.1.2光学字符识别技术20
2.1.3生物识别技术22
2.1.4磁卡识别技术25
2.1.5IC卡识别技术25
2.2条形码技术26
2.2.1条形码概述26
2.2.2条形码的结构与编码方法28
2.2.3条形码的识读原理与技术28
2.2.4常用条形码29
2.3射频识别技术34
2.3.1RFID技术概述34
2.3.2RFID系统的分类35
2.3.3RFID系统的组成37
2.3.4RFID的工作原理38
2.3.5RFID的典型应用39
2.3.6EPC技术41
2.4传感器技术47
2.4.1传感器技术概述47
2.4.2常用传感器简介55
2.4.3智能传感器65
2.4.4MEMS传感器71
2.5定位技术76
2.5.1卫星定位系统76
2.5.2蜂窝定位技术85
2.5.3室内无线定位技术87
2.5.4传感器网络节点定位技术89
参考文献93
本章习题93第3章网络通信技术95
3.1计算机网络概述95
3.2有线网络通信102
3.2.1因特网概述102
3.2.2万维网120
3.3无线网络通信122
3.3.1无线广域网125
3.3.2无线城域网126
3.3.3无线局域网129
3.3.4无线个域网155
3.3.5移动通信网183
思考题196
参考文献197第4章物联网数据处理技术198
4.1物联网大数据198
4.1.1什么是大数据198
4.1.2物联网大数据的产生199
4.1.3物联网大数据的分类201
4.1.4物联网大数据的特点和面临的技术挑战201
4.1.5物联网大数据的存储和处理需求204
4.1.6物联网大数据的应对策略205
4.2物联网大数据处理的核心技术——云计算207
4.2.1物联网大数据与云计算的关系207
4.2.2物联网大数据处理的研究现状207
4.2.3阿里云云计算技术209
4.2.4Hadoop大数据处理技术228
4.2.5Spark内存计算技术230
4.2.6Storm实时流数据处理技术235
4.2.7小结236
4.3物联网大数据挖掘237
4.3.1数据挖掘的概念和功能237
4.3.2物联网数据挖掘存在的挑战238
4.3.3基于云计算的物联网数据挖掘平台238
4.3.4大数据挖掘并行算法240
4.3.5数据流挖掘算法254
4.3.6小结257
4.4物联网多传感器数据融合257
4.4.1数据融合概述257
4.4.2数据融合算法261
4.4.3数据融合算法的新进展265
4.5小结266
习题266
参考文献267第5章物联网的综合应用269
5.1智能交通系统270
5.2智能物流278
5.3智慧城市284
5.4智能工业289
5.5智能农业292
5.6智慧港口298
思考题300
参考文献300第6章物联网与智能电网302
6.1智能电网概述303
6.2基于物联网的智能电网体系架构311
6.2.1智能电网体系架构311
6.2.2智能电网基础体系311
6.2.3智能电网技术支撑体系315
6.2.4智能电网应用体系321
6.2.5智能电网标准规范体系330
6.3智能电网中的物联网关键技术335
6.4基于物联网的智能电网安全340
6.5物联网在智能电网中的典型应用352
6.5.1面向智能电网的物联网架构分析352
6.5.2输电线路在线监测系统356
6.5.3智能变电站362
6.5.4智能用电服务369
思考题380
参考文献381

　　第5章物联网的综合应用
　　随着全球经济的不断发展,世界各国都希望加强自身的信息化建设来提高工作效率,同时降低生产成本,以增强自身在国际舞台的竞争力,从而应对日益激烈的市场竞争。物联网技术综合了半导体技术、通信网络技术、计算机技术和传感技术,将人们生活中的各种机器设备连接成一个网络,改变了人们的生活方式和理念。它是继计算机、互联网与移动通信网之后世界信息产业又一次革命。伴随着科学技术的发展,机器的数量几乎是人口数的4倍,因此说物联网有很大的市场潜力,物联网通信更是未来通信的主题。
　　2005年,国际电信联盟在一份报告中描绘出“物联网”时代的图景:当司机出现操作失误时汽车会自动报警;公文包会提醒主人忘带了什么东西;衣服会“告诉”洗衣机对颜色和水温的要求;物流公司应用了物联网系统的货车后,当装载超重时,汽车会自动提示司机超载了,并且超载了多少;当搬运人员卸货时,一只货物包装可能会大叫“你扔疼我了”,或者说“亲爱的,请你不要太野蛮”等等。
　　2009年温家宝总理在视察无锡以后,提出了“感知中国”的目标,在中国掀起了物联网发展的一个浪潮。2010年6月在中国科学院和中国工程院两院院士大会上,胡锦涛主席就指出,“互联网、云计算、物联网、知识服务及智能服务的快速发展为个性化制造和服务创新提供了有力工具和环境。”目前,我国已经将物联网传感器产品应用在上海浦东国际机场防入侵系统中,通过铺设3万多个传感器节点,实现对地面、栅栏和低空探测的覆盖,用来防止人员的翻越、偷渡、恐怖袭击等攻击性入侵。
　　美国权威咨询机构Forrester预测,到2020年,世界上“物物互联”的业务,跟“人与人通信”的业务比例将达到30∶1,物联网将成为一个万亿元级的超级产业。
　　物联网的本质就是把新一代信息技术充分运用在各行各业之中,将物联网与现有的互联网进行整合,通过将传感器装备到电网、铁路、桥梁、隧道、公路、供水系统等各种物体中,实现人类社会与物理系统的整合。在这个整合的网络中,存在能力超级强大的中心计算机群,能够对网络内的人员、机器、设备和基础设施实施实时的管理和控制。
　　虽然全物联网应用还没有完全实现,但物联网技术早已应用在传感、通信、智能方面的设备中。智能交通、智能物流、智慧城市、智能工业、智能农业等对物联网的大胆尝试和运用,无一不渗透着对物联网的诠释。所谓的“智能”是指从现场自动获取信息,然后与网络相连,随时把采集的信息通过网络传输到管理中心或平台,从系统的角度进行分析和判断,然后进行实时调整,从而实现流程的自动化、信息化和网络化;而对于“智慧”的理解,则是在“智能”的基础上实现流程的人性化。
　　物联网前景非常广阔,它将极大地改变目前的生活方式。本章重点介绍物联网的几种典型应用,包括各个应用系统的概述、组成和主要支撑技术。物联网规模的发展需要与智能化系统化产业融合,从这些智能化产业的应用可以看出物联网其实早已默默来到我们的生产和生活中,当然它也还将继续高调强攻,迅速渗透,物联网的应用将无处不在。
　　5.1智能交通系统
　　自19世纪末内燃机诞生之后,汽车工业得以迅速发展。如今人们在享受汽车带来的巨大便利的同时,越来越严重的交通拥挤、堵塞和环境污染问题也引起人们的注意,尤其是高速交通的发展,恶性交通事故呈不断上升趋势,这严重地制约了经济的可持续发展,迫使人们采用高、新技术以解决道路交通的诸多问题。作为以上问题解决之道的智能交通系统是未来交通运输系统的重要发展方向,已被世界各国重视。
　　智能交通系统（IntelligentTransportationSystem,ITS）是将物联网先进的信息通信技术、传感技术、控制技术以及计算机技术等有效地运用于整个交通运输管理体系,而建立起的一种在大范围内、全方位发挥作用,实时、准确、高效的综合运输和管理系统。其突出特点是以信息的收集、处理、发布、交换、分析、利用为主线,为交通参与者提供多样性的服务。各种交通信息传感器,将感知到车流量、车速、车型、车牌、车位等各类交通信息,通过无线传感器网络传送到位于高速数据传输主干道上的数据处理中心进行处理,分析出当前的交通状况。通过物联网的交通发布系统为交通管理者提供当前的拥堵状况、交通事故等信息来控制交通信号和车辆通行,同时发布出去的交通信息将影响人的行为,实现人与路的互动。
　　智能交通系统的功能主要包括表现在顺畅、安全和环境方面,具体表现为:增加交通的机动性,提高运营效率,提高道路网的交通能力,提高设施效率,调控交通需求;提高交通的安全水平,降低事故的可能性,减轻事故的损害程度,防止事故后灾难的扩大;减轻堵塞,降低汽车运输对环境的影响。
　　智能交通系统的主要目标是使汽车与道路的功能智能化,从而保证交通安全、提高交通效率、改善城市环境、降低能源消耗,将先进的交通理论与高新技术集成并运用于道路交通的整个过程,使得车、路、人相互影响,相互联系,融为一体。系统通过智能化地收集、分析交通数据,以及将交通信息反馈给系统操作者或驾驶员。系统操作者或者驾驶员根据反馈的交通信息,迅速做出反应以改善交通状况。智能交通系统强调的是系统性、实时性、信息交互性以及服务的广泛性,与原来的交通管理和交通系统有本质的区别。
　　智能交通系统的发展开始于1939年,美国在纽约世界博览会上展出新泽西与曼哈顿之间的乔治华盛顿大桥上设置的基于路车间通信的交通情报系统。这是智能交通系统的萌芽阶段,对以后大规模有组织的进行ITS项目研究则有很大影响。
　　20世纪80～90年代中期是智能交通系统（ITS）的发展阶段。西欧、北欧和日本竞相发展智能运输系统,成立了许多制订、实施开发计划的机构。其中包括美国的智能运输系统协会ITSAmerica、欧洲共同体的交通信息与控制组织ERTICO、日本的路车交通智能协会以及智能运输系统国际标准化机构ISO/TC204等。从20世纪90年代中期到现在,智能交通系统（ITS）研究已进入一个新的阶段。1994年第一次智能交通系统（ITS）世界大会在法国巴黎召开,以后每年举行一次,讨论ITS的研究进展和技术间的交流。到1996年,已经有难以计数的大小项目在开展,从理论规划到实际实施,从现场试验到形成产业,其发展规模和发展速度极其迅猛。人们日益认识到ITS的潜在价值,智能交通系统（ITS）已经发展成为一个综合系统。同时,智能交通系统（ITS）得到国际上的普遍承认,甚至渗透到整个信息技术领域。
　　我国非常重视对智能交通系统的研究,在交通运输管理中应用了通信和电子技术。全国大部分城市都建立了信号控制系统和交通指挥中心,对本地的交通状况进行管理和控制,为监视和快速处理城市交通拥堵和突发事件发挥了重要作用。高速公路沿线也建立了通信和监控系统、电子收费系统和IC卡收费系统,部分高速公路已实现了不停车自动收费。这些都是我国在智能化交通系统领域研究方面取得进步的表现。
　　1.智能交通系统概述
　　智能交通系统是一个复杂的综合性信息服务系统,主要着眼于交通信息的广泛应用与服务,以提高交通设施的运行效率。从系统组成的角度,智能交通系统（ITS）可以分成以下10个子系统:先进的交通信息服务系统（AdvancedTransportationInformationServiceSystem,ATIS）、先进的交通管理系统（AdvancedTrafficManagementSystem,ATMS）、先进的公共交通系统（AdvancedPublicTransportationSystem,APTS）、先进的车辆控制系统（AdvancedVehicleControlSystem,AVCS）、货物管理系统（FreightTrafficManagementSystem,FTMS）、电子收费系统（ElectronicTollCollectionSystem,ETC）、紧急救援系统（EmergencyRescueSystem,ERS）、运营车辆调度管理系统（CommercialVehicleOperationManagementSystem,CVOM）、智能停车场和旅行信息服务。
　　1)先进的交通信息服务系统（ATIS）
　　ATIS是建立在完善的信息网络基础上的。交通参与者通过装备在道路上、车上、换乘站上、停车场上以及气象中心的传感器和传输设备,向交通信息中心提供各地的实时交通信息;ATIS得到这些信息并通过处理后,实时向交通参与者提供道路交通信息、公共交通信息、换乘信息、交通气象信息、停车场信息以及与出行相关的其他信息;出行者根据这些信息确定自己的出行方式、选择路线。更进一步,当车上装备了自动定位和导航系统时,该系统可以帮助驾驶员自动选择行驶路线。
　　随着信息网络技术的发展,科学家们已经提出将AITS建立在因特网上,并采用多媒体技术,这将使AITS的服务功能大大加强,交通工具将成为移动的信息中心和办公室。
　　2)先进的交通管理系统（ATMS）
　　ATMS有一部分与ATIS共用信息采集、处理和传输系统,但是ATMS主要是给交通管理者使用的,用于检测控制和管理公路交通,在道路、车辆和驾驶员之间提供通信联系。它将对道路系统中的交通状况、交通事故、气象状况和交通环境进行实时的监视,依靠先进的车辆检测技术和计算机信息处理技术,获得有关交通状况的信息,并根据收集到的信息对交通进行控制,如信号灯、发布诱导信息、道路管制、事故处理与救援等。
　　3)先进的公共交通系统（APTS）
　　APTS的主要目的是采用各种智能技术促进公共运输业的发展,使公交系统实现安全便捷、经济、运量大的目标。如通过个人计算机、闭路电视等向公众就出行方式和事件、路线及车次选择等提供咨询,在公交车站通过显示器向候车者提供车辆的实时运行信息。在公交车辆管理中心,可以根据车辆的实时状态合理安排发车、收车等计划,提高工作效率和服务质量。
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