《物联网技术原理》复习提纲

物联网复习提纲

他郑重地说了：“看看课后题。”

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• 本课程复习提纲由我和@cheerg一起完成。

• 复习资料为《物联网技术原理》

第一章p22

物联网的体系架构、各层的功能及关键技术

1. 物联网三层体系结构

   1. 感知控制层：承担物体的标识、信息的采集和远程的控制。
   2. 数据传输层：承担各类设备的网络接入以及信息的传输。
   3. 数据处理层：完成信息的分析处理和决策。

2. 各层的功能及关键技术

   1. 感知控制层：

      1. 物联网的核心层，主要用于物品标识和信息的智能采集。

      2. 由【基本的感应器件】和【感应器组成的网络】两大部分组成。

      3. 关键技术：

      4. 	传感器技术：把物理量转化为计算机能识别和处理的数字量的一种技术条形码技术****RFID技术：射频识别，通过无线电信号识别特定目标并读写相关数据EPC技术：电子产品代码，为每个产品提供唯一的电子标识符移动定位技术：通过与多个已知坐标位置的固定基站交互，获得启动目标在空间中的技术无线传感器网络：分布式传感网络物联网控制技术

   2. 数据传输层：

      1. 主要完成接入和传输功能，是进行信息交换、传递的数据通路。

      2. 由【接入网】和【传输网】两部分组成。

      3. 传输网由公网与专网组成，样例：电信网、广电网、互联网

      4. 接入网包括：光纤接入、无线接入、以太网接入，卫星接入。

      5. 关键技术：

      6. 	短距离无线通信技术长距离无线通信技术有线通信技术

   3. 数据处理层：

      1. 由【业务支撑平台】、【网络管理平台】、【信息处理平台】、【服务支撑平台】等组成。

      2. 关键技术：

第二章

传感器的组成和各模块的功能

传感器的概念：能感受规定的被测量的信息，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、转换元件和转换电路等组成。

• 敏感元件

  • 概念：能直接感受或响应被测量，并输出与被测量物体成确定关系的某一物理量的元件。

• 转换元件

  • 概念：以敏感元件的输出作为输入，将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号。

• 转换电路

  • 概念：将转换元件输出的电路参数转换为一定范围内的电量输出。

传感器的特性（性能指标和物理意义）

• [P34]静态特性：被测量的值处于稳定状态时的输入/输出关系。

  • 静态特性的重要指标：
    • 线性度、灵敏度、迟滞性、重复性、量程、其他特性（分辨率、阈值、稳定性、漂移）（有印象就行，概念不用背）

• [P38]动态特性：其输出对随时间变化的输入量的响应特性。

  • 动态响应特性分为：稳态响应特性和瞬态响应特性
  • 动态特性往往从时域和频域两方面分析：
    • 时域响应和时域性能指标
    • 频域响应和频域性能指标

电阻应变式、电感式和电容式传感器的工作原理（基本的公式推导）

• 电阻应变效应原理

  • 原理：将电阻应变片粘贴到各种弹性敏感元件上，通过电阻应变片将应变转换为电阻变化。
  • 公式推导：
  • 

• 电感式传感器

  • 原理：利用线圈自感或互感系数的变化来实现非电量电测的一种装置。
  • 公式推导：
  • 

• 电容式传感器

  • 原理：以各种类型的电容器作为敏感元件，将被测物理量的变化转化为电容量的变化，再由转换电路转换为电压、电流或频率。

  • 变极距型：

  • 

  • 变面积型：

  • 

  • 变介质型：

  • 

第三章

1.[P75]一维条形码的组成(模块、单元、符号)和扫码原理。

一维条形码是集条形码理论、光电技术、计算机技术、通信技术、条形码印制技术于一体的一种自动识别技术。

构成条形码的基本单位是模块，模块是指条码中最窄的条或空，模块的宽度通常以mm或mil (1/1000in) 为单位。构成条码的一个条或空称为一个单元，一个单元包含的模块数是由编码方式决定的。

扫码原理：条形码的扫描需要用到扫描器，扫描器利用自身光源照射条形码，再利用光电转换器接受反射的光线，将反射光线的明暗转换成数字信号。

2.[P78]二五条码、交叉二五条码和三九条码的编码规则。

二五条码（最简单的条码）：是一种只有条表示信息的非连续型条码，每个字符由五个条组成，其中两个宽条，三个窄条，字符间隔是窄空，字符集为数字0~9。

交叉二五条码：在二五条码的基础上，扩展到空也表示信息。

三九条码：三九条码是一种一维条形码，是一种可供使用者双向扫描的分散式条码。

三九条码拥有编码规则简单、误码率低，能表示字符个数多等特点。

三九条码仅有两种单元宽度——宽单元和窄单元。宽单元的宽度为窄单元的1~3倍，一般多选用2倍、2.5倍或3倍。三九条码的每一个条码字符由九个单元组成，其中有三个宽单元，其余是窄单元，因此称为三九条码。三九条码的长度没有强迫性限制；三九条码的检查码可有可无；三九条码的起始码与终止码均为*字符。

3.[P82]二维矩形码相比于一维条形码的优势。

二维码的特点：

(1)信息容量大

(2)编码范围广

(3)保密、防伪性能好

(4)译码可靠性高

(5)修正错误能力强

(6)容易制作且成本很低

(7)条码符号的形状可变

4.[P88]快速反应(QR)码的码结构和各部分的意义。

• QR Code的结构：

• QR Code有五个部分：
  • 定位图形：用于对二维码的定位，不同的qrcode固定存在，大小规格会有差异
  • 校正图形：规格确定，校正图形的数量和位置也就确定了。
  • 格式信息：表示该二维码的纠错级别，分为L、M、Q、H.
  • 版本信息：二维码的规格，总共有40种规格矩阵。
  • 数据和纠错码：实际保存的二维码信息和纠错码字（用于修正二维码损坏带来的错误）。

5.[P92]射频识别(RFID)系统的组成和工作原理。

• RFID系统由电子标签、读写器和计算机网络组成的自动识别系统。

• 从工作原理来看，系统一般由信号发射机、信号接收机、发射接收天线三部分组成。

• 工作原理：

  • 电子标签和读写器利用各自携带的天线构筑两者之间进行数据传输的非接触式的通道。
  • 当标签处于读写器的工作范围时，读写器用天线发信号。
  • 电子标签接受信号产生感应电流，激活内部电路向读写器回送信号，或主动向读写器发送信号。
  • 读写器收到信号后对信号做处理，然后将处理后的数据上传到数据管理系统进行下一步处理。

6.[P118]两类定位技术(基于测距和非测距)的工作原理(结合实验内容)。

• 基于测距：

  • 通过超声波或者无线电信号，测量声波或信号发送端到接收端时的信号强度、信号相位差以及信号传播时间差获取节点间的角度或距离信息。再利用空间几何方法完成未知节点的定位。
  • [P125]定位算法：时间定位（TOA）、到达时差定位（TDOA）、方向测量定位(AOA)、信号强度定位(RSSI)

• 无需测距：

  • 通过节点之间的信息交换和整个网络的连通性来实现定位，不需要额外网络设备。
  • [P130]定位算法：DV-Hop定位、APIT定位算法、凸规划算法。
    • 

第四章

1.[P138]物联网通信系统模型和各模块的功能。

• 信源：传感器在感知层采集到的信息。

• 采样量化：模数变化，把作为模拟信号的原始信息在时间域和幅值域进行离散化处理，得到有限个幅度值的离散信号。

• 编码：

  • 信源编码：提高传输有效性：保证无失真的情况下用平均码长最短的码承载信源信息熵。
  • 信道编码：提高传输可靠性，引入额外监督位。
  • 编码后输出的数字信号叫基带信号。

• 调制：

  • 目的：适合信道的传输特性并实现多路复用和多址接入。
  • 实现：将低频基带信号搬移到高频载波信号处。

• 同步：

  • 载波同步：在接收端需要一个与发射端调制模块同频同相的载波信号，用于恢复出数字基带信号。
  • 帧同步：使接收端知道每一帧数据包中有用的信息的开始和结束。
  • 位同步：使接收端知道并判定每一位数字信号位。

2.[P140]通信指标的计算和物理意义。

• 数据传输速率

  • 第一种：
    • 
  • 例题：
    • 
  • 第二种：
    • 

• 误码率

  • 

• 信道容量

  • 对于有限带宽无噪声信道：
    • 
  • 对于有限带宽随机噪声信道：
    • 

3.[P143]采样定理及物理意义。

4.[P144]非均匀量化相比于均匀量化的优势及实现原理

• 量化特征有【均匀量化】和【非均匀量化】

• 【均匀量化】的分层间隔为等间隔，适用于幅度均匀的分布的信号。

  • 特点：概率密度大的区域分层间隔小，反之分层间隔大。
  • 缺点：在满足信噪比要求的输入信号取值范围内进行均匀量化时，信号动态范围将受到较大限制。

• 【非均匀量化】：根据信号的不同区间确定间隔。

  • 特点：小信号量化台阶减小，大信号的量化台阶增大。
  • 改善小信号的信噪比，并在不增大量化级数的条件下使信号在较宽动态范围内信噪比达到指标要求。

5.[P147]无失真离散无记忆信源编码定理和变长编码。

• 信息量：

  • 

• 信道熵：

  • 

• 信源编码定理：

  • 

• 变长编码：根据信源输出符号出现概率不同选择码字，出现概率大用短码，小的用长码，这样平均码长最短。

• 哈夫曼编码：

  • 

• 一个综合例题：

  • 

6.[P151]线性分组码的实现和相关概念（监督矩阵、生成矩阵）。

• k个信息位，r个监督位

• 监督矩阵和生成矩阵都是海明码，书上是（7，4）海明码，应该就考74乐

• 监督矩阵Q：

• 生成矩阵G：

7.[百度]同步的概念和不同层次（载波同步、帧同步、位同步）。

8.[P157]多址接入技术的基本概念和意义。

• 基本概念：通信系统通过信道来区分通信对象。一个用户一个信道，多个用户同时通话就是以不同信道加以区分。让众多的用户公用公共信道的一种技术。

• 常见的应用方式：

  • 频分多址：传输信号的载波频率不同来区分信道。
  • 时分多址：传输信号存在时间不同来区分信道。
  • 码分多址：传输信号的码型不同来区分信道。
  • 空分多址：通过空间的分割来区分信道。

9. 无线传感器网络中基于调度的 MAC 层[P206] TRAMA 协议、[P208]常见的路由协议（对比互联网中路由协议）、[P212]拓扑控制方法。

• 基于调度的MAC协议的基本思想：采用某种调度算法将时隙/信道/正交码字节分配给节点，让节点在给定的时隙/信道/正交码字内无冲突访问信道。

• TRAMA:包括邻居协议、调度交换协议、自适应时槽选择算法。将时间划分为交替性的随机访问周期和调度访问周期，周期长度不定。

• 常见路由协议：

  • 以数据为中心的路由协议：定向扩散协议、SPIN协议
  • 基于地理位置的路由协议：地理自适应保真路由协议、能量感知路由协议
  • 提供数据流和服务质量保障的路由协议：有序分配路由策略、SPEED协议。

• 拓扑控制：功率控制和层次性拓扑控制

第五章

1.[P240] 在基于 HDFS 的分布式文件存储系统中，文件的读取和写入过程。

• 文件的读取：

  • 客户端获取HDFS文件系统DistributedFileSystem实例，调用open()方法。
  • DistributeFileSystem通过RPC远程调用名称节点，确定文件组成单元块的位置信息。

    1. 名称节点返回每个单元块及其副本的数据节点地址，这些数据节点按照相对于客户机的距离排序。

    2. DistributedFileSystem向客户端返回FSDataInputStream，而FSDataInputStream封装了管理名称节点和数据节点I/O的DFSInpouStream。

  • 客户端调用FSDataInputStream的read()方法。
  • FSDataInputStream中的DFSInputStream保存前几个单元块的数据节点地址信息，然后连接存储着文件单元块的最近数据节点，重复调用read()方法读取数据，返回客户端。
  • 第一个单元块读完，DFSInputStream关闭与该节点的连接，然后寻找下一个单元块。
  • 最后，客户端调用FSDataInputStream的close()方法结束文件读取操作。
  • 

• 文件的写入：

  • 客户端调用DistributedFileSystem中的create()方法创建文件。
  • DistributedFileSystem通过RPC调用名称节点，创建新文件并分配单元块。

    1. 名称节点检查该文件之前不存在，并且客户端有权限创建文件，然后生成新文件记录，否则抛出异常。

    2. DistributedFileSystem向客户端返回FSDataOutStream开始写数据。

  • 客户端写入数据，DFSOutputStream将数据分包写入数据队列，同时询问名称节点、选择合适数据节点、分配新单元块。数据节点列表组成管道。
  • FSDataOutputStream向管道第一个数据节点传送数据，写完后依次向下继续。
  • DFSOutputStream等待所有数据节点写入。
  • DistributedFileSystem通知名称节点写文件结束。
  • 

2. 云计算和海计算出现的背景和意义。

人话翻译：

• 云计算就是在互联网上有一群服务器能给你提供计算服务

  • 云计算能解决大规模数据处理问题，自己还不用买服务器，因此被业界认为是支撑物联网后端的最佳选择。

• 海计算就是一片海，海里每一滴水就是现实生活一个东西，这些东西能相互合作感知互动。

  • 海计算物理物体融入计算，每个个体可以单独计算还能协同组织。

3. [P268]预处理的常见类型和目的/意义。

• 预处理技术很多，常见的有：数据清洗、数据集成、数据转换、数据归约。

• 预处理目的是提高数据挖掘的对象的质量。（这个东西就相当于过筛，好数据筛下去了，坏数据留下被处理掉）

• 他的意义：帮助改善数据质量，提高数据挖掘进程的有效性和准确性，是整个数据处理的重要部分。

4. [P270]分类的概念和常见的分类算法（决策树、最近邻分类 KNN 和人工神经网络 ANN）。

• 分类的概念：将对象指定给预先定义的多种类型中的一种。

• 决策树：用于分类的一种树结构

  • 组成：
    • 叶子节点：某个类或者类的分布。
    • 其他节点：对某个属性的一次判定。
    • 边：代表一个测试结果
  • 决策树有【分类树】和【回归树】两种。决策树的结果是二叉树或多叉树。

• 最近邻分类KNN：一个样本在特征空间里寻找K个和他最像的样本，进入数量多的那一方的类别。

  • 缺点：样本不平衡的时候，新进去的样本会出现偏差。
  • 解决方案：加权值。

• 人工神经网络ANN：我说不清，大概就是一种运算模型，有大量的节点，每个节点是一种输出函数，两个节点之间是加权值。

5. [P275]关联分析的概念和基于 Apriori 的算法。

• 关联分析是在交易数据、关系数据或其他信息载体中，查找存在于项目集合或对象集合之间的频繁模式、关联、相关性或因果关系。

• Apriori算法：详见【P276】

6. [P278]聚类分析的概念和基于分层聚类和 K-means 的算法。

• 聚类分析：将物理或抽象对象的集合分组为由类似的对象组成的多个类的分析过程。

• 分层聚类：分为【凝聚】和【分裂】

• 【凝聚】：

  • AGNES:两个簇里面的对象之间距离最小，两个簇会被合并。
    • 
  • ROCK：没看懂：
    • 

• 【分裂】：DIANA

  • 所有对象成为一个簇，按照某个原则分类指导数量满足要求。
    • 

• K-means:看图说话

  • 

第六章

1. [P299]感知层安全中常见的物理安全机制和[P301]基于散列锁定的逻辑安全机制。

• 物理安全机制（标签）:kill命令机制、电磁屏蔽、主动干扰、阻塞标签、可分离的标签

• 散列锁定：

  • 给电子标签加锁。锁住的时候标签拒绝电子编码，只有发送给他正确的密钥才能解锁。
  • 锁定过程：
    • 阅读器有一个hash函数，他生成一个key，然后计算metaID=hash(key)，然后阅读器把metaID写入标签。
    • 标签进入锁定状态
    • 阅读器将（metaID，key）存到后台数据库
  • 解锁过程：
    • 读写器检测到标签进入范围之后，向标签发出查询信息，标签返回metaID给读写器
    • 读写器用metaID为索引在后台数据库找key，发给标签
    • 标签计算hash(key),得到的值和自己的metaID比较，相等就解锁，并发送真实ID给读写器。

2. [P314]经典密码学中基于变换和置换的加密方法。

• 变换：换换位置，统计概率就破解了

• 置换：凯撒加密这类的

3. [P316]现代密码学中基于流密码、DES 算法（私钥密码体制）和 RSA 算法（公钥密码体制）的基本原理。

• 流密码：明文密文连续加密解密，像水流一样。

• DES：

  • 

  • DES对64位明文分组M分为左半部分和右半部分，都是32位长。

  • 用函数f对两部分进行16轮完全相同的迭代运算。

  • 16轮运算完毕后，将左右两部分合在一起经过一个逆置换产生密文。

• RSA：

  • 

  • 可能会出计算：

  • 

4. [P322]云计算服务对密码设计的特殊需求。

需求：通过新型加密或扰动等方法对数据进行有效操作，以此来隐藏明文中的隐私信息，同时保证变换后数据仍能进行特定计算。

5. [P325]身份认证的常见形式。

常见形式：

• 用户名/密码方式：

• 智能卡认证

• 动态口令

• USB Key认证

• 生物识别

• 步态识别

6.[P327] 访问控制的基本概念和基本原则。

• 基本概念：在身份认证的基础上，依据授权对提出的资源访问请求加以控制。

• 基本原则：

  • 最小特权原则：用户所拥有的权利不超过他执行工作所需权限。
  • 多人负责原则：授权分散化，单人不能完成任务
  • 职责分离原则：不同责任分派不同的人以相互牵制

7. [P330]数字签名的基本概念和实现过程。

• 基本概念：用户用自己的私钥对原始数据的哈希摘要进行加密所得的数据。

• 实现过程：

  • 

8. [P331]隐私保护的基本概念和实现方法。

• 隐私保护涉及两类信息标识：用户身份标识和位置信息标识。

• 位置匿名技术：k-匿名、假位置、空间加密。

押题

计算题：

第二章一个

第四章一个

浓缩版（）

第一章

1.物联网的体系架构和各层的功能及关键技术。

物联网的4层体系结构：感知控制层、数据传输层、数据组织与管理层、应用决策层

感知控制层（感知层）：它是物联网发展和应用的基础，由RFID读写器、智能传感节点和接入网关等组成。各种传感节点通过感知目标环境的相关信息，并自行组网传递到网关接入点，网关将收集到的数据通过互联网络提交到后台计算系统处理。后台计算系统处理的结果可以反馈到本层，作为实施动态控制的依据。

数据传输层：主要负责通过各种接入设备实现互联网、短距离无线网络和移动通信网等不同类型的网络融合，实现物联网感知与控制数据的高效、安全、和可靠传输。还提供路由、格式转换、地址转换等功能。

数据组织与管理层：提供物联网资源的初始化，监测资源的在线运行状况，协调多个物联网资源（计算资源、通信设备和感知设备等）之间的工作，实现跨域资源间的交互、共享与调度，实现感知数据的语义理解、推理、决策以及提供数据的查询、存储、分析、挖掘等。并利用云计算平台为感知数据的存储、分析提供支持。云计算平台是信息处理的重要部分，也是应用层各种应用的基础。

应用决策层：物联网应用决策层利用经过分析处理的感知数据，为用户提供多种不同类型的服务，如检索、计算和推理等。物联网应用可分为监控型、控制型、扫描型等。

物联网的3层体系结构：感知控制层、数据传输层、数据处理层。

感知控制层：感知控制层作为物联网的核心层，主要用于物品标识和信息的智能采集，它由基本的感应器件以及感应器组成的网络两大部分组成。

数据传输层：主要完成接入和传输功能，是进行信息交换、传递的数据通路，包括接入网与传输网。

数据处理层：数据处理层由业务支撑平台、网络管理平台、信息处理平台、服务支撑平台等组成，完成协同、管理、计算、存储、分析、挖掘以及提供面向行业和大众用户的服务等功能。

关键技术：

感知层：传感器技术、条形码技术、RFID技术、EPC技术、移动定位技术

第二章

1.传感器的组成和各模块的功能。

2.传感器的特性(静态和动态特性指标和物理意义)。

3.电阻应变式、电感式和电容式传感器的工作原理(基本的公式推导)。

第三章

1.二五条码、交叉二五条码的编码规则。

2.快速反应(QR)码的码结构和各部分的意义。

3.射频识别(RFID)系统的组成和工作原理。

4.两类定位技术(基于测距和非测距)的工作原理。

第四章(结合PPT资料)

1.物联网通信系统模型和各模块的功能。

2.采样定理及物理意义。p143

3.非均匀量化相比于均匀量化的优势及实现原理。p145

4.无线传感器网络中MAC层的TRAMA协议和网络层的常见路由协议。p206 p208

第五章

1.分类的概念和常见的分类算法(基于人工神经网络)。p270

2.聚类分析的概念和常见的聚类算法。p278

第六章

1.感知层安全中常见的物理安全机制和逻辑安全机制。p299

物理安全机制：

kill命令机制、电磁屏蔽、主动干扰、阻塞标签、可分离的标签

kill命令机制：

逻辑安全机制：

散列锁定、临时ID、同步方法与协议、重加密、其他方法（基于PFU的方法、基于掩码的方法）

2.现代密码学中DES算法(私钥密码体制)和RSA算法(公钥密码体制)的基本原理。p317

3.访问控制的基本概念和基本原则。p327

4.数字签名的基本概念和实现过程。p330