物联网工程开发与实践

目　录

第1章　物联网技术概述　1
1.1　世界物联网发展　1
1.1.1　物联网是信息技术发展的新阶段　1
1.1.2　美国物联网现状　6
1.1.3　日本物联网现状　7
1.1.4　欧盟物联网现状　9
1.1.5　我国物联网现状　11
1.2　物联网架构　12
1.2.1　物联网一般架构　12
1.2.2　EPC物联网架构　14
1.2.3　物联网的特征　15
1.3　物联网工程的提出　17
1.3.1　物联网示范应用　17
1.3.2　物联网工程质量　18
1.4　发展展望　19

第2章　物联网工程关键技术　23
2.1　关键技术概述　23
2.2　物品编码技术　24
2.2.1　一维条形码技术　24
2.2.2　二维条形码技术　24
2.2.3　射频识别技术　26
2.3　传感器技术　30
2.3.1　传感器在物联网中的地位　30
2.3.2　传感器是物联网感知的基础　31
2.3.3　我国“十二五”期间传感技术的研发重点　31
2.4　通信网络　32
2.4.1　近距离无线传输　32
2.4.2　远距离通信　33
2.4.3　无线传感网　33
2.5　智能处理系统　34
2.5.1　数据融合概念　34
2.5.2　多传感器数据融合技术　34
2.5.3　数据挖掘　36
2.6　云计算　37
2.6.1　云计算定义及服务模式　37
2.6.2　云计算的优点和存在的问题　41
2.6.3　物联网和云计算　42
2.6.4　“十二五”期间中国云计算发展的重点任务　43
2.7　物联网标准制定　43
2.7.1　物联网标准体系的构建　43
2.7.2　物联网标准化工作现状　44
2.7.3　我国物联网标准化进展　48
2.7.4　物联网标准化建设面临的问题　49
附录2-1　无锡传感网创新示范区制订的物联网标准(截至2012年)　50

第3章　物联网工程中的传感器设计与应用　52
3.1　传感器的选择　52
3.1.1　传感器的静态特性　52
3.1.2　传感器的动态特性　54
3.1.3　传感器种类　54
3.2　传感器的质量问题　56
3.2.1　传感器的可靠性　56
3.2.2　传感器的电磁兼容性能　56
3.2.3　传感器的故障诊断　57
3.2.4　传感器认证　58
3.3　传感器的定期维护和标定　59
3.3.1　典型传感器的定期维护　59
3.3.2　典型传感器的标定　60
3.4　传感器发展趋势　61
3.4.1　我国传感器技术现状　61
3.4.2　传感器的微型化　62
3.4.3　传感器的低功耗　62
3.4.4　传感器的无线通信　63
3.5　典型传感器的使用　63
3.5.1　温度传感器　63
3.5.2　湿度传感器　65
3.5.3　加速度传感器　67
3.5.4　力传感器　70
3.5.5　位移传感器　71
3.5.6　气体传感器　71
3.5.7　MEMS传感器　72
3.5.8　电参数测量传感器　73
3.5.9　光纤型传感器　75
3.6　基于PT100的温度仪开发　76
3.7　基于K型热电偶的温度仪开发　78
3.7.1　K型热电偶温度仪下位机设计　79
3.7.2　电源模块　79
3.7.3　信号传感电路　79
3.7.4　信号调理电路　80
3.7.5　A/D采样　80
3.7.6　通道选择　82
3.7.7　液晶显示　83
3.7.8　串口通信　84
3.7.9　单片机系统　85
3.7.10　通信接口　86
3.8　加速度传感器性能测试系统开发　86
3.8.1　测试原理　87
3.8.2　机械结构设计　88
3.8.3　系统硬件结构　88
3.8.4　系统软件开发　90
3.8.5　加速度传感器性能测试系统技术指标　91
附录3-1　铂金温度传感器电阻-温度对应关系表　91
附录3-2　PT100温度测试仪采集终端源代码　92

第4章　物联网通信网络构建　104
4.1　内部网络构建　104
4.1.1　无线网络通信方法　104
4.1.2　电力载波通信　109
4.1.3　G.hn标准简介　110
4.1.4　无线传感网　110
4.2　外部网络构建　112
4.2.1　有线通信技术　112
4.2.2　第2代移动通信技术　113
4.2.3　第2.5代移动通信技术　113
4.2.4　第3代移动通信技术　114
4.2.5　第4代移动通信技术　114
4.2.6　卫星移动通信网络　115
4.2.7　远程通信网关　116
4.2.8　下一代互联网——IPv6　119
4.3　物联网网络构建实例　120
4.3.1　美国Digi公司的M2M产品　120
4.3.2　GSM遥控单相电源装置　121

第5章　物联网工程的软件开发及算法　124
5.1　软件开发　124
5.2　软件成熟度　125
5.3　物联网中间件　126
5.4　数据挖掘　127
5.5　遗传算法　127
5.5.1　基本遗传算法的基本步骤　128
5.5.2　多目标遗传算法　129
5.5.3　多目标遗传算法基本步骤　131
5.6　神经网络算法　132
5.7　支持向量机法　133
5.8　预测控制　137
5.8.1　预测控制的目标函数　137
5.8.2　一步超前预测控制算法　138
5.8.3　预测控制的工作过程　138
5.8.4　预测控制的优势　139
5.8.5　预测控制应用于离散系统优化　140
5.9　滑模控制　141
5.10　滑模预测控制　142
5.11　PID控制算法　143
5.12　人脸识别算法　148
附录5-1　遗传算法程序　149

第6章　物联网工程电气安全要求　152
6.1　电气安全概论　152
6.1.1　国内外电气安全标准化组织　153
6.1.2　电气设备几个电气安全重要概念　155
6.1.3　电器产品安全防护设计　160
6.2　物联网终端产品电气安全分类　161
6.2.1　按触电保护型式分类　161
6.2.2　按防尘、防固体异物和防水等级分类　164
6.2.3　其他分类方式　165
6.3　物联网终端产品电气安全一般要求　166
6.3.1　灯具安全标准　166
6.3.2　灯具安全检测主要内容　166
6.3.3　家电安全标准　171
6.3.4　信息技术设备安全标准　174
6.4　自镇流LED灯的安全要求　174
6.5　LED控制装置电气安全　175
6.5.1　LED控制装置安全标准　175
6.5.2　LED控制装置分类　175
附录6-1　IEC 60598-1(7.0版)项目分包　177
附录6-2　温度对人体和材料产生的效应　179

第7章　物联网工程电磁兼容要求　180
7.1　电磁兼容基本概念　180
7.1.1　电磁兼容定义　180
7.1.2　电磁骚扰　181
7.1.3　电磁干扰　181
7.1.4　电磁抗干扰　182
7.1.5　电磁兼容设计　182
7.1.6　电磁兼容测试分类　183
7.2　电磁兼容标准　184
7.2.1　IEC/CISPR标准　184
7.2.2　FCC法规　184
7.2.3　GB标准　185
7.2.4　欧盟EEC法规　187
7.2.5　日本标准　188
7.2.6　无线、有线通信产品认证标准　189
7.3　电磁骚扰测量　190
7.3.1　传导骚扰测量　190
7.3.2　辐射骚扰测量　193
7.3.3　骚扰功率测量　197
7.3.4　谐波测试　198
7.3.5　电磁场辐射　198
7.4　电磁抗干扰测量　199
7.4.1　静电放电抗扰度试验　199
7.4.2　射频辐射电磁场抗扰度试验　200
7.4.3　电快速瞬变脉冲群抗扰度试验　201
7.4.4　雷击浪涌抗扰度试验　202
7.4.5　射频场感应的传导骚扰抗扰度　203
7.4.6　工频磁场抗扰度试验　203
7.4.7　电压跌落和短时中断的抗扰度试验　204
7.4.8　辐射抗扰度试验　204
7.5　电磁兼容检测设备　205
7.5.1　常用测试场地　205
7.5.2　测量仪器　207
7.5.3　线性阻抗稳定网络　208
7.5.4　测试天线　208
7.5.5　电磁干扰测试所需仪器基本配备需求　209
7.5.6　电磁抗扰度测试仪器基本配置　209
7.6　欧洲对无线通信产品的电磁兼容要求　209
7.6.1　近距离通信装置　210
7.6.2　移动通信装置　210
7.7　美国对无线通信产品的电磁兼容要求　211
7.8　中国对无线通信产品的电磁兼容要求　212
7.9　日本对无线通信产品的电磁兼容要求　212
附录7-1　EMC实验室测试设备基本清单　213

第8章　物联网工程的信息安全　215
8.1　信息安全　215
8.1.1　信息安全定义　215
8.1.2　信息安全影响因素　217
8.1.3　信息安全认证标准　219
8.1.4　信息安全技术　221
8.2　物联网信息安全　222
8.3　信息安全技术　224
8.3.1　数据加密技术　224
8.3.2　数据加密算法　224
8.3.3　数字签名算法　228
8.3.4　PKI技术　229
8.4　数据备份　229
8.4.1　数据备份的需求　229
8.4.2　数据备份解决方案　231
8.5　云计算条件下的信息安全　234
8.6　信息安全风险评估　235

第9章　物联网产品可靠性试验　237
9.1　物联网产品的可靠性问题　237
9.1.1　可靠性理论　237
9.1.2　可靠性试验　239
9.1.3　传感器寿命　239
9.1.4　加速寿命试验　239
9.2　产品寿命试验　242
9.2.1　传感器寿命预测模型　242
9.2.2　传感器加速老练和寿命测试　245
9.3　可靠性试验方法　245
9.3.1　气候环境试验　246
9.3.2　力学环境试验　249
9.3.3　化学环境试验　250
9.3.4　综合环境试验　251
9.4　可靠性试验设备　251
9.4.1　气候环境试验设备　251
9.4.2　力学环境试验设备　255
9.4.3　化学环境试验设备　255
9.4.4　高加速寿命试验设备　256
9.5　智能终端的信赖性评价　256
9.5.1　可靠性评价流程　257
9.5.2　基于退化数据的可靠性评价　257
9.5.3　可靠性失效分析手段　257
9.5.4　平均无故障时间计算(MTBF)　265
附录9-1　美国工业界和军方指定的加速寿命试验标准汇总　267
附录9-2　各种有毒气体的国家安全标准　268

第10章　国内外典型的物联网工程　270
10.1　物联网从概念走向应用　270
10.2　典型物联网工程　273
10.2.1　智能家居　273
10.2.2　智能交通　276
10.2.3　智能环保　278
10.2.4　智能农业　279
10.2.5　智能医疗　281
10.2.6　智能工业　283
10.2.7　智能电网　284
10.2.8　智能园区　285
10.2.9　智能购物　286
10.2.10　智能防伪　287
10.2.11　智能物流　288
10.2.12　智慧城市　289
10.3　物联网终端产品认证　291
10.3.1　CE认证　292
10.3.2　ENEC认证　293
10.3.3　CB认证　293
10.3.4　GS认证　294
10.3.5　UL认证　294
10.3.6　ETL认证　295
10.3.7　FCC认证　295
10.3.8　日本的相关认证　296
10.3.9　CCC认证　297
10.4　物联网工程评估认证　298
10.4.1　第三方评估认证的必要性　298
10.4.2　如何开展物联网工程第三方评估认证　299

参考文献　301