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物联网技术与应用:课后作业答案.doc
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物联网技术与应用:课后作业答案.doc
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第一章作业
1-1 简述物联网的定义,分析物联网的“物”的条件。
答:物联网是通过射频识别(RFID)、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感
设备,按约定的协议,把任何物体与互联网相连接,进行信息交换和通信,以实现对物体的
智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。特别注意的是物联网中的“物”,不是
普通意义的万事万物,这里的“物”要满足以下条件:1、要有相应信息的接收器; 2、要
有数据传输通路;3、要有一定的存储功能;4、要有处理运算单元(CPU);5、要有操作系
统;6、要有专门的应用程序;7、要有数据发送器;8、遵循物联网的通信协议;9、在世界
网络中有可被识别的唯一编号。
1-2 简述物联网应具备的三个特征。
答:1、全面感知:利用射频识别、二维码、传感器等感知、捕获、测量技术随时随地对物
体进行信息采集和获取
2、可靠传送:通过将物体接入信息网络,依托各种通信网络,随时随地进行可靠的信
息交互和共享
3、智能处理:利用各种智能计算技术,对海量的感知数据和信息进行分析并处理,实
现智能化的决策和控制
1-3 简述十五年周期定律和摩尔定律。
答:十五年周期定律:计算模式每隔 15 年发生一次变革。摩尔定律:集成电路上可容纳的
晶体管数目,约每隔 18 个月便会增加一倍,性能也将提升一倍。
1-4 名词解释:RFID、EPC、ZIGBEE。
答:RFID (Radio Frequency Identification)即射频识别,俗称电子标签,一种自动识别技术,
可以快速读写、长期跟踪管理,通过无线射频方式进行非接触双向数据通信对目标加以识别。
EPC(Electronic Product Code),即产品电子代码,为每一件单品建立全球的、开放的标识标
准,实现全球范围内对单件产品的跟踪与追溯。ZigBee 技术是一种近距离、低复杂度、低
功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术。主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各
种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输
的应用。
1-5 简要概述物联网的框架结构。
答:物联网可以简要分为核心层、接入层,软件核心层主要是应用层,硬件接入层包括网络
层和感知层。感知层一般包括 RFID 感应器、传感器网关、接入网关、RFID 标签、传感器
节点、智能终端等,网络层包括无线传感网、移动通讯网络、互联网、信息中心、网管中心
等;软件应用层是为了管理、维护物联网以及为完成用户的某种特定任务而编写的各种程序
的总和。
1-6 分析物联网的关键技术和应用难点。
答:关键技术为 RFID、无线网络技术、传感技术、人工智能技术。应用难点在于其技术标
准问题、数据安全问题、IP 地址问题、终端问题。
1-7 举例说明物联网的应用领域及前景。
答:物联网应用领域很广,几乎可以包含各行各业。目前在环境保护、社区服务、商务金融
等方面,例如“移动支付”、 “移动购物”、“手机钱包”、“手机银行”、“电子机票”等,前
景广阔可观,应用潜力巨大,无论是服务经济市场,还是国家战略需要,物联网都能占据重
要地位。
第四章作业
1. 传感器节点在实现各种网络协议和应用系统时,存在哪些现实约束?
答:传感器节点在实现各种网络协议和应用系统时,存在以下一些现实约束:
电源能量有限。传感器节点体积微小,通常携带能量十分有限的电池。由于传感器节点个数
多、成本要求低廉、分布区域广,而且部署区域环境复杂,有些区域甚至人员不能到达,所
以传感器节点通过更换电池的方式来补充能源是不现实的。如何高效使用能量来最大化网络
生命周期是传感器网络面临的首要挑战。如何让网络通信更有效率,减少不必要的转发和接
收,不需要通信时尽快进入睡眠状态,是传感器网络协议设计需要重点考虑的问题。
通信能力有限。无线通信的能量消耗与通信距离的关系为:E=k*d^n,其中,参数 n 满足关系
2<n<4。n 的取值与很多因素有关,例如传感器节点部署贴近地面时,障碍物多干扰大,n
的取值就大;天线质量对信号发射质量的影响也很大。考虑诸多因素,通常取 n 为 3,即通
信能耗与距离的三次方成正比。随着通信距离的增加,能耗将急剧增加。因此,在满足通信
连通度的前提下应尽量减少单跳通信距离。由于节点能量的变化,受高山、建筑物、障碍物
等地势地貌以及风雨雷电等自然环境的影响,无线通信性能可能经常变化,频繁出现通信中
断。在这样的通信环境和节点有限通信能力的情况下,如何设计网络通信机制以满足传感器
网络的通信需求是传感器网络面临的挑战之一。
计算和存储能力有限。传感器节点是一种微型嵌入式设备,要求它价格低功耗小,这些限制
必然导致其携带的处理器能力比较弱,存储器容量比较小。为了完成各种任务,传感器节点
需要完成监测数据的采集和转换、数据的管理和处理、应答汇聚节点的任务请求和节点控制
等多种工作。如何利用有限的计算和存储资源完成诸多协同任务成为传感器网络设计的挑战。
2. 举例说明无线传感器网络的应用领域。
答:传感器网络的应用前景非常广阔,能够广泛应用于军事、环境监测和预报、健康护理、
智能家居、建筑物状态监控、复杂机械监控、城市交通、空间探索、大型车间和仓库管理,
以及机场、大型工业园区的安全监测等领域。随着传感器网络的深入研究和广泛应用,传感
器网络将逐渐深入到人类生活的各个领域。
军事应用。传感器网络具有可快速部署、可自组织、隐蔽性强和高容错性的特点,因此非常
适合在军事上应用。利用传感器网络能够实现对敌军兵力和装备的监控、战场的实时监视、
目标的定位、战场评估、核攻击和生物化学攻击的监测和搜索等功能。通过飞机或炮弹直接
将传感器节点播撒到敌方阵地内部,或者在公共隔离带部署传感器网络,就能够非常隐蔽而
且近距离准确地收集战场信息,迅速获取有利于作战的信息。传感器网络是由大量的随机分
布的节点组成的,即使一部分传感器节点被敌方破坏,剩下的节点依然能够自组织地形成网
络。传感器网络可以通过分析采集到的数据,得到十分准确的目标定位,从而为火控和制导
系统提供精确的制导。利用生物和化学传感器,可以准确地探测到生化武器的成分,及时提
供情报信息,有利于正确防范和实施有效的反击。
环境观测和预报系统。随着人们对于环境的日益关注,环境科学所涉及的范围越来越广泛。
传感器网络在环境研究方面可用于监视农作物灌溉情况、土壤空气情况、牲畜和家禽的环境
状况和大面积的地表监测等,可用于行星探测、气象和地理研究、洪水监测等,还可以通过
跟踪鸟类、小型动物和昆虫进行种群复杂度的研究等。类似地,传感器网络可实现对森林环
境监测和火灾报告,传感器节点被随机密布在森林之中,平常状态下定期报告森林环境数据,
当发生火灾时,这些传感器节点通过协同合作会在很短的时间内将火源的具体地点、火势的
大小等信息传送给相关部门。
医疗护理。传感器网络在医疗系统和健康护理方面的应用包括监测人体的各种生理数据,跟
踪和监控医院内医生和患者的行动,医院的药物管理等。如果在住院病人身上安装特殊用途
的传感器节点,如心率和血压监测设备,医生利用传感器网络就可以随时了解被监护病人的
病情,发现异常能够迅速抢救。将传感器节点按药品种类分别放置,计算机系统即可帮助辨
认所开的药品,从而减少病人用错药的可能性。还可以利用传感器网络长时间地收集人体的
生理数据,这些数据对了解人体活动机理和研制新药品都是非常有用的。
智能家居。传感器网络能够应用在家居中。在家电和家具中嵌入传感器节点,通过无线网络
与 Internet 连接在一起,将会为人们提供更加舒适、方便和更具人性化的智能家居环境。利
用远程监控系统,可完成对家电的远程遥控,例如可以在回家之前半小时打开空调,这样回
家的时候就可以直接享受适合的室温,也可以遥控电饭锅、微波炉、电冰箱、电话机、电视
机、录像机、电脑等家电,按照自己的意愿完成相应的煮饭、烧菜、查收电话留言、选择录
制电视和电台节目以及下载网上资料到电脑中等工作,也可以通过图像传感设备随时监控家
庭安全情况。利用传感器网络可以建立智能幼儿园,监测孩童的早期教育环境,跟踪孩童的
活动轨迹,可以让父母和老师全面地研究学生的学习过程。
建筑物状态监控。建筑物状态监控(structure health monitoring,SHM)是利用传感器网络
来监控建筑物的安全状态。由于建筑物不断修补,可能会存在一些安全隐患。虽然地壳偶尔
的小震动可能不会带来看得见的损坏,但是也许会在支柱上产生潜在的裂缝,这个裂缝可能
会在下一次地震中导致建筑物倒塌。用传统方法检查,往往要将大楼关闭数月。采用传感器
网络,可以让大楼、桥梁和其他建筑物能够自身感觉并意识到它们本身的状况,使得安装了
传感器网络的智能建筑自动告诉管理部门它们的状态信息,并且能够自动按照优先级来进行
一系列自我修复工作。未来的各种摩天大楼可能就会装备这种类似红绿灯的装置,从而建筑
物可自动告诉人们当前是否安全、稳固程度如何等信息。
其他方面的应用。复杂机械的维护经历了“无维护”、“定时维护”以及“基于情况的维护”
三个阶段。采用“基于情况的维护”方式能够优化机械的使用,保持过程更加有效,并且保
证制造成本仍然低廉。其维护开销分为几个部分:设备开销、安装开销和人工收集分析机械
状态数据的开销。采用无线传感网络能够降低这些开销,特别是能够去掉人工开销。尤其是
目前数据处理硬件技术的飞速发展和无线收发硬件的发展,新的技术已经成熟,可以使用无
线技术避免昂贵的线缆连接,采用专家系统自动实现数据的采集和分析。传感器网络可以应
用于空间探索。借助于航天器在外星体撒播一些传感器网络节点,可以对星球表面进行长时
间的监测。这种方式成本很低,节点体积小,相互之间可以通信,也可以和地面站进行通信。
3. 传感器节点由哪几部分组成?
答:传感器节点由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块四部分组成。传
感器模块负责监测区域内信息的采集和数据转换;处理器模块负责控制整个传感器节点的操
作,存储和处理本身采集的数据以及其他节点发来的数据;无线通信模块负责与其他传感器
节点进行无线通信,交换控制消息和收发采集数据;能量供应模块为传感器节点提供运行所
需的能量,通常采用微型电池。
4. 简述无线传感器网络各层协议和平台的功能。
答:协议栈包括物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层,与互联网协议栈的五层协
议相对应。另外,协议栈还包括能量管理平台、移动管理平台和任务管理平台。这些管理平
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