本书是“十二五”职业教育国家规划教材，是物联网概论课程的教材，主要内容包括物联网概述、物联网体系结构与标准、传感技术概述、自动识别技术、物联网无线接入技术、物联网数据传输技术、定位技术与系统、物联网安全、物联网设计、物联网应用等。
本书注重应用实例设计方法与过程的描述，突出了对学生应用能力的培养。
本书适合作为高等职业院校物联网专业或相近专业的教材，也可作为物联网技术研究与产品开发人员的参考书。

互联网实现机器与机器互联，社会网实现人与人互联，物联网实现物
与物相联。任何复杂系统都可以映射到网络，通过研究网络的规律来研
究复杂系统的行为。人们对于网络寄予巨大的希望，如果说20世纪是量
子力学的世纪，那么21世纪，网络则是量子力学的后继。
物联网是一个复杂系统，所涉及的技术多，应用领域广泛，这对学习、
研究与开发物联网应用的人员提出了新的挑战。
物联网通信无所不在，所有的物体从洗衣机到冰箱、从房屋到汽车都
可以通过物联网进行连接。物联网技术融入了射频识别技术、传感器技术、
纳米技术、智能技术与嵌入技术等。物联网技术是改变人们生活和工作
方式的重要技术。
物联网是一个基于互联网、传统电信网等信息承载体，让所有能够被
独立寻址的普通物理对象实现互联互通的网络。物联网计算是大规模的
分布计算，物联网通过智能感知、识别技术与普适计算、泛在网络的融
合应用，被称为继计算机、互联网之后世界信息产业发展的第三次浪潮。
物联网的发展已经经历或将要经历下述阶段：2010年之前RFID（射
频试别）技术被广泛应用于物流、零售和制药领域；2010—2015年物体
互联；2015—2020年物体进入半智能化；2020年之后物体进入全智能化。
预测到2020年，世界上物物互联的业务，跟人与人通信的业务相比，将
达到30︰１。
本书以章为单位，介绍了物联网的主要技术之后，归纳式地介绍了物
联网设计的基本方法与原则，并以深入浅出的方式介绍了物联网应用案
例。全书共10章，内容包括物联网概论、物联网体系结构与标准、传感
技术概述、自动识别技术、物联网无线接入技术、物联网数据传输技术、
定位技术与系统、物联网安全、物联网设计、物联网应用等。
本书内容全面、注重概念与方法的介绍，尤其在介绍物联网应用设计
时，注重应用实例设计方法与过程的描述，突出了对学生应用能力的培养。
前 言 FOREWORD
本书是“十二五”职业教育国家规划教材，由博士生导师陈明教授任
主编，负责设计全书的体例，并编写了第1章和第2章的物联网体系结
构部分，李猛坤博士编写了第2章的物联网标准部分、第9章的通用接
口部分，王振武副教授编写了第3章，王丹丹编写了第4章、第10章的
智能家居部分，万冬副教授编写了第5章和第6章，李勇博士编写了第8章，
陈实如博士编写了第7章和第9章的网关设备部分、第10章的物联网应
用部分（包括智慧医院、防逃脱定位管理、智慧农业、社区矫正定位管
理部分），宋远行副教授编写了第9章（不包括通用接口和网关设备部分）、
第10章的物联网应用理念和物联网未来展望部分。最后，陈明教授对全
部书稿进行了统稿。
在本书编写过程中，得到北京信息职业技术学院、防实科技学院、北
大方正软件学院和克拉玛依理工学院筹建办的支持，在此表示感谢。
由于时间仓促，编者水平有限，书中疏漏与不足之处在所难免，敬请
读者批评指正。
陈 明
2015年3月于北京

第 1 章　物联网概述
1.1 物联网的产生与发展
1.2 物联网概念与相关概念
1.2.1 物联网概念 ...................................................................... 3
1.2.2 传感网与泛在网 ................................................................ 4
1.2.3物联网的关键技术............................................................ 5
1.3 物联网的特点与分类 .............................................................. 8
1.3.1 物联网的特点 ................................................................... 8
1.3.2 物联网的分类 ................................................................... 9
1.4 物联网研究的主要问题 .......................................................... 9
1.4.1 物联网的政策和法规 ......................................................... 9
1.4.2 技术标准 .......................................................................... 9
1.4.3 管理平台 .......................................................................... 9
1.4.4 后端与云计算 ................................................................. 10
1.4.5 安全体系 ........................................................................ 10
1.4.6 应用开发 ........................................................................ 10
1.5 物联网应用领域 ...................................................................10
1.5.1 城市管理 ........................................................................ 10
1.5.2 数字家庭 ........................................................................ 11
1.5.3 定位导航与卫星定位技术 ................................................. 11
1.5.4 现代物流管理 ................................................................. 11
1.5.5 食品安全控制 ................................................................. 12
1.5.6 零售 .............................................................................. 12
1.5.7 数字医疗 ........................................................................ 12
1.5.8 防入侵系统 .................................................................... 12
1.5.9 智能电网 ........................................................................ 12
1.5.10 环境监测 ...................................................................... 12
本章小结 ................................................................................. 12
思考与练习 .............................................................................. 13
第 2 章　物联网体系结构与标准 .............................................................. 15
2.1 物联网体系结构概述.............................................................16
2.1.1 物联网基本特征 .............................................................. 16
2.1.2 物联网体系结构 .............................................................. 16
2.2 感知层 ................................................................................17
2.2.2 感知层主要技术 .............................................................. 17
2.3 网络层 ................................................................................18
2.3.1 网络层功能 .................................................................... 18
2.3.2 网络层技术 .................................................................... 19
2.4 应用层 ................................................................................19
2.4.1 应用层功能 .................................................................... 19
2.4.2 应用层技术 .................................................................... 20
2.5 物联网标准 .........................................................................20
2.5.1 标准的意义、本质与作用 ................................................. 21
2.5.2 物联网国际标准化组织 .................................................... 21
2.5.3 物联网数据交换标准 ....................................................... 24
2.5.4 物联网标准发展现状 ....................................................... 25
2.5.5 国内物联网标准进展情况 ................................................. 26
2.6 EPC 标准体系 ....................................................................26
2.6.1 EPC 标准体系概述 .......................................................... 26
2.6.2 EPC 编码标准 ................................................................ 26
2.6.3 EPC 对象名称解析服务（ONS） ....................................... 27
2.6.4 EPC 物联网信息服务 EPCIS ............................................ 28
本章小结 ................................................................................. 28
思考与练习 .............................................................................. 29
第 3 章　传感技术概述 ............................................................................. 31
3.1 传感器概述 .........................................................................32
3.1.1 传感器与传感技术 ........................................................... 32
3.1.2 传感器的组成 ................................................................. 32
3.1.3 传感器的分类 ................................................................. 33
3.1.4 传感器的发展趋势 .......................................................... 34
3.2 传感器的基本特性 ................................................................36
3.2.1 传感器的静态特性 .......................................................... 36
3.2.2 传感器的动态特性 .......................................................... 37
3.3 传感器的选型和设计原则 ......................................................37
3.3.1 传感器的选型 ................................................................. 37
3.3.2 传感器的设计原则 .......................................................... 38
3.4 传感技术的硬件和软件平台 ...................................................39
3.4.1 硬件平台 ........................................................................ 39
3.4.2 软件平台 ........................................................................ 40
3.5 无线传感器网络 ...................................................................42
3.5.1 无线传感器网络简介 ....................................................... 42
3.5.2 无线传感器网络的体系结构 ............................................. 43
3.5.3 无线传感器网络的支撑技术 ............................................. 44
3.5.4无线传感器网络的应用 ................................................... 45
本章小结 ................................................................................. 46
思考与练习 .............................................................................. 47
第 4 章　自动识别技术 ............................................................................. 49
4.1 自动识别技术概述 ................................................................50
4.1.1 基本概念 ........................................................................ 50
4.1.2 技术分类 ........................................................................ 50
4.1.3 应用原理 ........................................................................ 50
4.2 射频识别（RFID）技术 ........................................................51
4.2.1 RFID 电子标签技术 ......................................................... 51
4.2.2 RFID 读写器技术 ............................................................ 52
4.3 磁卡技术 ............................................................................56
4.3.1 磁卡简介 ........................................................................ 56
4.3.2 磁卡分类........................................................................ 57
4.3.3 应用现状 ........................................................................ 57
4.3.4 注意问题 ........................................................................ 57
4.4 IC 卡技术 ............................................................................57
4.4.1 IC 卡简介 ....................................................................... 58
4.4.2 工作原理 ........................................................................ 58
4.4.3 关键技术........................................................................ 58
4.4.4 产品分类 ........................................................................ 59
4.4.5 应用领域 ........................................................................ 60
4.4.6 产品前景 ........................................................................ 60
4.4.7 产品优劣 ........................................................................ 60
4.5 条形码技术 .........................................................................61
4.5.1 一维条形码技术 .............................................................. 61
4.5.2 二维条形码技术 .............................................................. 62
本章小结 ................................................................................. 67
思考与练习 .............................................................................. 68
第 5 章　物联网无线接入技术 .................................................................. 69
5.1 Bluetooth 技术 ....................................................................70
5.1.1 技术概况 ........................................................................ 70
5.1.2 系统构成 ........................................................................ 71
5.1.3 技术原理 ........................................................................ 73
5.1.4 典型应用 ........................................................................ 74
5.2 ZigBee 技术........................................................................76
5.2.1 技术概况 ........................................................................ 76
5.2.2 系统构成 ........................................................................ 76
5.2.3 技术原理........................................................................ 78
5.2.4 产品应用 ........................................................................ 78
5.3 WiFi 技术 ............................................................................80
5.3.1 技术概况 ........................................................................ 81
5.3.2 系统构成 ........................................................................ 81
5.3.3 典型应用 ........................................................................ 82
5.4 NFC 技术 ...........................................................................84
5.4.1 技术概况 ........................................................................ 85
5.4.2 工作模式 ........................................................................ 85
5.4.3 技术应用 ........................................................................ 86
本章小结 ................................................................................. 88
思考与练习 .............................................................................. 88
第 6 章　物联网数据传输技术 .................................................................. 91
6.1 移动通信系统 ......................................................................92
6.1.1 移动通信技术 ................................................................. 92
6.1.2 GSM 系统 ...................................................................... 93
6.1.3 CDMA 系统 .................................................................... 94
6.1.4 GPRS 系统 ..................................................................... 95
6.1.5 3G 通信系统................................................................... 96
6.1.6 LTE 通信系统 ................................................................. 98
6.2 光纤通信系统 ......................................................................99
6.2.1 光纤通信技术 ................................................................. 99
6.2.2 系统构成 ...................................................................... 100
6.2.3 HFC 系统 ..................................................................... 102
6.2.4 WDM 系统 ................................................................... 103
6.3 互联网通信系统 ................................................................. 104
6.3.1 技术概述 ...................................................................... 104
6.3.2 网络组成 ...................................................................... 105
6.3.3 交换技术 ...................................................................... 105
6.3.4 TCP/IP ......................................................................... 107
本章小结 ................................................................................110
思考与练习 ............................................................................. 111
第 7 章　定位技术与系统 ........................................................................113
7.1 基本概念 .......................................................................... 114
7.1.1 定位与位置 .................................................................. 114
7.1.2 定位精度 ...................................................................... 114
7.1.3 位置坐标系 .................................................................. 114
7.1.4 位置服务 ...................................................................... 115
7.2 定位参数的测量 ................................................................. 116
7.2.1 信号场强测量 ............................................................... 116
7.2.2 信号传输时延测量 ........................................................ 116
7.2.3 信号传输时延差测量 ..................................................... 116
7.2.4 信号到达方向角测量 ..................................................... 117
7.3 无线定位技术 .................................................................... 117
7.3.1 圆圆定位 ...................................................................... 117
7.3.2 双曲线定位 .................................................................. 118
7.3.3 指纹定位技术 ............................................................... 118
7.4 无线定位系统 .................................................................... 119
7.4.1 卫星定位系统 ............................................................... 119
7.4.2 蜂窝基站定位系统 ........................................................ 125
7.4.3 无线局域网定位系统 ..................................................... 126
7.5 定位技术在物联网系统中的应用........................................... 130
7.5.1 GPS 在物流车辆监控中的应用 ....................................... 130
7.5.2 WiFi 定位系统在矿井行业的应用 .................................... 131
本章小结 ............................................................................... 132
思考与练习 ............................................................................ 132
第 8 章　物联网安全 .............................................................................. 135
8.1 物联网安全性分析 .............................................................. 136
8.2 物联网信息安全基础 .......................................................... 137
8.2.1 物联网信息安全的基本属性 ........................................... 138
8.2.2 物联网信息安全的主要威胁 ........................................... 139
8.2.3 物联网信息安全的安全机制 ........................................... 141
8.3 物联网信息安全体系 .......................................................... 142
8.3.1 物联网安全层次模型及体系结构 ..................................... 142
8.3.2 物联网感知层安全 ........................................................ 142
8.3.3 物联网网络层安全 ........................................................ 144
8.3.4 物联网应用层安全 ........................................................ 146
8.4 物联网认证和加密机制 ....................................................... 146
8.4.1 物联网中的业务认证机制 ............................................... 147
8.4.2 物联网中的加密机制 ..................................................... 147
8.5 物联网感知层数据的完整性和保密性 .................................... 147
8.5.1 数据的完整性 ............................................................... 148
8.5.2 数据的保密性 ............................................................... 148
本章小结 ............................................................................... 148
思考与练习 ............................................................................ 148
第 9 章　物联网设计 .............................................................................. 149
9.1 物联网组网规划 .................................................................. 149
9.1.1 组网技术概述 ............................................................... 150
9.1.2 组网规划原则 .............................................................. 151
9.1.3 系统设计步骤 ............................................................... 152
9.2 物联网系统设计 ................................................................. 153
9.2.1 应用背景与需求分析 ..................................................... 1154
9.2.2 系统架构与分层设计 .................................................... 156
9.2.3 设备选型与信息处理 ..................................................... 160
9.3 物联网互连技术 ................................................................. 162
9.3.1 传感器通用接口 ............................................................ 163
9.3.2 物联网网关设备 ............................................................ 167
9.3.3 物联网网络协议 ...........................................................169
本章小结 ............................................................................... 171
思考与练习 ............................................................................ 171
第 10 章　物联网应用 ............................................................................ 172
10.1 物联网应用理念 ............................................................... 172
10.1.1 智慧地球 ....................................................................173
10.1.2 感知中国 .................................................................... 173
10.1.3 数字城市 .................................................................... 173
10.2 物联网应用案例 ...............................................................176
10.2.1 智能家居 .................................................................... 173
10.2.2 智慧医院 .................................................................... 179
10.2.3 智慧农业 .................................................................... 184
10.2.4 防逃脱定位管理 ......................................................... 187
10.2.5 社区矫正定位管理 ....................................................... 189
10.3 物联网未来展望 ............................................................... 191
10.3.1 微型化、智能化 .......................................................... 191
10.3.2 低成本、可复用 .......................................................... 192
10.3.3 低辐射、低能耗 .......................................................... 192
10.3.4 促经济稳健运行 .......................................................... 193
10.3.5 助社会和谐发展 .......................................................... 193
本章小结 ............................................................................... 194
思考与练习 ............................................................................ 194
参考文献 ..................................................................................194

陈明 中国石油大学教授