《物联网工程概论》习题与思考题答案

第1章答案 ............................................................................................................... 1 第2章答案 ............................................................................................................... 3 第3章答案 ............................................................................................................... 5 第4章答案 ............................................................................................................. 11 第5章答案 ............................................................................................................. 23 第6章答案 ............................................................................................................. 26 第7章答案 ............................................................................................................. 30 第8章答案 ............................................................................................................. 33 第9章答案 ............................................................................................................. 37

第1章答案

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，把各种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，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：一是全面感知，即利用射频识别技术(RFID)、传感器、二维码等随时随地获取物体的信息；二是可靠传递，通过各种电信网络与互联网的融合，将物体的信息实时准确地传递出去；三是智能处理，利用云计算，模糊识别等各种智能计算技术，对海量的数据和信息进行分析和处理，对物体实施智能化的控制。

1-3简述15年周期定律和摩尔定律。

答：15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信技术。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服务层，硬件接入层包括网络传输层和感知控制层。感知控制层一般包括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，网络传输层包括无线传感器网络、移动通信网络、互联网、信息中心、网管中心等；软件应用服务层是为了管理、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2章答案

2-1 什么是EPC？

答：电子产品编码(Electronic Product Code）

2-2 请简要地叙述EPC系统的组成，以及各个部分的英文简写。

答：EPC载体、读写器、EPC产品管理中间件、网络、ONS、PML服务器、数据库等。

其中ONS ( Object Naming Servicer，对象名称解服务器)，它用来把EPC转化成IP地址，用来定位相应的计算机和完成相应的信息交互服务。

PML ( Physical Markup Language，实体标识语言)服务器中，存储用PML描述的实物信息，如实物名称、种类、性质、生产日期、生产厂家信息、实物存放位置、实物的使用说明等。

2-3 EPC编码有几种技术要求？每种要求具体是如何要求的？

答：EPC数字信息代表了该产品的生产地区、生产商、生产日期、产品属性等数据信息。

目前的EPC系统中应用的编码类型主要有三种：64位、96位和256位，EPC由版本号、产品域名管理、产品分类部分和序列号四个字段组成，版本号字段代表了产品所使用的EPC的版本号，这一字段提供了可以编码的长度。

产品域名管理字段标识了该产品生产厂商的具体信息，如厂商名字，负责人以及产地。 产品的分类字段部分可以使商品的销售商能够方便地对产品进行分类。序列号用于对具体单个产品进行编码。对于具体的编码标准现在已经推出有：EPC-96Ⅰ型，EPC-64Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型，EPC-256Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型等编码方案。

2-4 条形码分为几种？请简要说明每种条形码的特点。

答：条形码可以有一维的，还有二维条形码，黑条和空白的排列就代表了商品的产品属性等特征信息，因而在许多领域有广泛的应用，因其各自特点差异，其用途也各不相同，日常我们多见到的是一维条码。

在EPC条形码的编码方式中在水平和垂直方向的二维空间存储信息的条码，称为二维条码（2-dimensional bar code），可直接显示英文、中文、数字、符号、图形；存储数据量大，可存放1k字符，可用扫描仪直接读取内容，无需另接数据库；保密性高（可加密）；安全级别最高时，损污50%仍可读取完整信息。

2-5 RFID系统基本组成部分有哪些？

答：RFID系统主要由应答器、阅读器和高层组成。其中应答器是集成电路芯片形式，而集成芯片又根据它的封装不同表现的形式也不太一样。阅读器用于产生射频载波完成与应答器之间的信息交互的功能。高层功能是信息的管理和决策系统。

2-6 电子标签分为哪几种？简述每种标签的工作原理。

答：应答器的基本是由天线、编/解码器、电源、解调器、存储器，控制器以及负载电路组成。从应答器传送信息到阅读器，状态数据在CPU的控制下，从存储器中取出经过编码器和负载调制单元发送到阅读器

2-7 RFID产品的基本衡量参数有哪些？

答：RFID产品的基本衡量参数有工作频率、读取距离、读写速度、方向性、采用通信接口协议。

2-8 简述天线的工作原理。

答：天线是一种以电磁波形式把前端射频信号功率接收或辐射出去的装置，是电路与空间的界面器件，用来实现导行波与自由空间波能量的转化，在电磁能量的转换过程中，完成信息的交互。

2-9 对于抛物面天线，已知它的抛物面直径D为2m，中心工作波长为2cm，根据统计出来的经验数据，请计算其增益近似为多少。

答：对于抛物面天线，可用下式近似计算其增益：G（dBi）= 10 lg { 4.5 ×（D / λ0）2} 式中，D为抛物面直径；λ0为中心工作波长；4.5是统计出来的经验数据。 现在D=2m，中心工作波长λ0=0.02m，代入公式得G=95.42 dBi。

2-10 请说出RFID天线主要分为哪几种？每种的特点如何？

答：RFID天线主要分为近场天线、远场天线、偶极子天线、微带贴片天线和电感耦合射频天线等。近场天线系统工作在天线的近场，标签所需的能量都是通过电感耦合方式由读写器的耦合线圈辐射近场获得，工作方式为电感耦合。对于超高频和微波频段，读写器天线要为标签提供能量或唤醒有源标签，工作距离较远，一般位于读写器天线的远场。偶极子天线也称为对称振子天线，由两段同样粗细和等长的直导线排成一条直线构成。信号从中间的两个端点馈入，在偶极子的两臂上将产生一定的电流分布，这种电流分布就会在天线周围空间激发起电磁场。微带贴片天线通常是由金属贴片贴在接地平面上的一片薄层，微带贴片天线质量轻、体积小、剖面薄，馈线和匹配网络可以和天线同时制作，与通信系统的印制电路集成在一起，贴片又可采用光刻工艺制造，成本低、易于大量生产。

2-11 试说明HRRFD-NF09的近场天线的性能参数如何？

答：HRRFD-NF09的近场天线的天线的物理长度为150mm。工作的频率范围为865～954GHz，采用了N/SMA接口形式，天线的极化方式为线极化。

第3章答案

3-1传感器的定义是什么?它们是如何分类的？

答：传感器是一种能把特定的被测信号，按一定规律转换成某种可用信号输出的器件或装置，以满足信息的传输、处理、记录、显示和控制等要求。

根据不同的分类方式，有不同的分类。

3-2试分析传感器在各领域里的应用。

答：略。

3-3传感器的动态特性、基本概念及主要性能指标的含意是什么?

答：传感器的动态特性，是指其输出对随时间变化的输入量的响应特性。

3-4传感器的主要特性有哪些?

答：主要分为静态特性 和动态特性。

衡量静态特性的重要指标是线性度、灵敏度、迟滞和重复性等。

3-5传感器的误差大小与其精度、准确度之间的关系是什么?

答：略。

3-6什么叫传感器？由哪几部分组成？它们的作用与相互关系怎样？

答：传感器由两个基本元件组成：敏感元件与转换元件。具体由下图所示：

3-7有两个传感器测量系统，

其动态特性可以分别用下面两个微分方程描述，试求这两个

系统的时间常数τ和静态灵敏度K。 1）

30dydt?3y?1.5?10?5T

式中，y为输出电压，V；T为 输入温度，℃。 2）

1.4dydt?4.2y?9.6x

式中，y为输出电压，μV；x为输入压力，Pa。

答：10s，0.5*10-5V/℃；0.33s，2.29μV/Pa。

3-8用一只时间常数τ=0.318s的一阶传感器去测量周期分别为1s、2s和3s的正弦信号，问幅值相对误差是多少？

答：-55.2% ，-29.3% ，-16.8%。

3-9查阅资料，查找半导体气敏传感器有哪几种类型？

答：略。

3-10什么叫绝对湿度和相对湿度？

答：相对湿度，指空气中水汽压与饱和水汽压的百分比。

绝对湿度指的是大气中水汽的密度，即单位大气中所含水汽的质量。

3-11试述湿敏电容式和湿敏电阻式湿度传感器的工作原理。

答：略。

3-12超声波传感器的基本原理是什么？超声波探头有哪几种结构形式？

答：超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。超声波振动频率高于可听声波。由换能晶片在电压的激励下，发生振动能产生超声波。超声波对液体、固体的穿透能力强，在不透明的固体中它可穿透几十米的深度。超声波碰到杂质或分界面，会发生显著反射，形成反射成回波碰到活动物体能产生多普勒效应。

超声波探头主要由压电晶片组成，既可以发射超声波也可以接收超声波。小功率超声探头多用来探测。它有许多不同的结构，可分直探头、斜探头、表面波探头、兰姆波探头、双探头等。

3-13什么是智能传感器？智能传感器有哪些实现方式？

答：智能传感器（Intelligent Sensor）是具有信息处理功能的传感器。

智能传感器主要由传感器、微处理器（或微计算机）及相关电路组成，包括传感器、信号调理电路、微处理器、输出接口等。

3-14温度传感器是怎么分类的？

答：水分子具有较大的电偶极矩。在氢原子附近有极大的正电场，因而它具有很大的电子亲和力，使得水分子易于吸附在固体表面并渗透到固体内部。利用水分子这一特性制成的湿度传感器称为水分子亲和力型传感器。而把与水分子亲和力无关的湿度传感器，称为非水分子亲和力型传感器。

3-15试述湿度传感器的应用。 答：略。

3-16什么是气体的湿度？什么叫露点？

答：大气的干湿程度通常用绝对湿度和相对湿度来表示。 露点：降低温度可使未饱和水汽变成饱和水汽。

3-17电容式湿度传感器的工作原理是什么？有什么特点？使用时应注意什么问题？

答：电容式湿度传感器的敏感元件为湿敏电容，主要材料一般为高分子聚合物、金属氧化物。这些材料对水分子有较强的吸附能力，吸附水分的多少随环境湿度而变化。由于水分子有较大的电偶极矩，吸水后材料的电容率发生变化。电容器的电容值也就发生变化。同样，把电容值的变化转变为电信号，就可以对湿度进行监测。

3-18超声波的基本特性？

答：它具有频率高、波长短、绕射现象小的特点，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等。

3-19简述半导体气敏元件制成的表面控制型电阻式传感器的基本结构及工作原理。

答：略。

3-20从超声波的行进方向来看可分为哪两种基本类型？

答：超声波是一种在弹性介质中的机械振荡，有两种形式：横向振荡（横波）及纵向振荡（纵波）。

3-21气敏传感器的特性？

答：气敏传感器的特性主要有灵敏度；响应时间；选择性；稳定性；温度特性；湿度特性；电源电压特性。

3-22查找文献最近有什么新型的气敏传感器。

答：略。

3-23什么是超声波？

答：低于16Hz的机械波称为次声波高于2×10Hz的机械波．称为超声波。

3-24简述超声波测厚度、液位和流量的原理。

答：略。

3-25 MEMS的英文名是什么？

答：Micro-Electro-Mechanical Systems

3-26 MEMS的定义是什么？

答：完整的MEMS是由微传感器、微执行器、信号处理和控制电路、通信接口和电源等部件组成的一体化的微型器件系统。

3-27 MEMS的优点和特点是什么？

答：MEMS器件和系统具有体积小、重量轻、功耗低、成本低、可靠性高、性能优异、功能强大、可以批量生产等传统机械无法比拟的优点。

3-28传感器接口特点是什么？传感器的输出信号有什么特点？

答：传感器输出信号的处理主要由传感器的接口电路完成。因此传感器接口电路应具有一定的信号预处理能力。经预处理后的信号应成为可供测量、控制使用及便于向微型计算机输入的信号形式。

一般来说传感器输出信号具有如下特点：

⑴输出信号比较微弱有的传感器输出电压仅有0.1μV。这就要求接口电路必须有一定的放大能力。

⑵输出阻抗比较高这样会使传感器信号输入到测量电路时产生较大的信号衰减。

⑶输出信号动态范围很宽。输出信号随着输入物理量的变化而变化，但它们之间的关系不一定是线性比例关系。

3-29传感器与微型计算机接口的一般结构是什么？输入通道和输出通道的特点是什么？

答：传感器与微型计算机接口的一般结构：

4

输入通道的特点：

⑴ 输入通道的结构类型取决于传感器送来的信号大小和类型。由于被测量和信号转换的差异，输入通道会有不同的类型。

⑵ 输入通道的主要技术指标是信号转换精度和实时性，后者为实时检测和控制系统的特殊要求。对输入通道技术指标的要求是选择通道中有关器件的依据。

⑶ 输入通道是一个模拟、数字信号混合的电路，其功耗小，一般没有功率驱动要求。 ⑷ 被测信号所在的现场可能存在各种电磁干扰。这些于扰会与被测信号一起从输入通道进入微机，影响测量和控制精度，甚至使微机无法正常工作，因此在输入通道中必采取措施。

输出通道的特点：

⑴ 通道的结构取决于系统要求，其中的信号有数字量和模拟量两大类，要用到的转换 器件是D－A转换器。

⑵ 微机输出信号的电平和功率都很小，而被控装置所要求的信号电平和功率往铰比较 大，因此在输出通道中要有功率放大，即输出驱动环节。

⑶ 输出通道连接被控装置的执行机构，各种电磁干扰会经通道进入被控装置，因此必 须在输出通道中采取抗干扰措施。

3-30电桥电路的主要作用是什么？可以分为哪几种？

答：电桥电路是传感器检测电路中经常使用的电路，主要用来把传感器的电阻、电容、电感变化转换为电压或电流。分为直流电桥、 交流电桥和放大电路

3-31绘出基本放大电路的电路图。

答：略。

3-32放大电路有哪3种形式?输出信号的表达形式分别是什么？ 答：

⑴ 反向放大：

Uout??RFR1Uin

⑵ 同向放大： ?RF??Uin Uout??1???R1??⑶ 差动放大：

Uout??U2?U1?RFR1

第4章答案

4-1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。 1.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。

2.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?kdn

其中，参数n满足关系2

3.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。

4-2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。

1.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。

2.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。

3.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。

4.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。

5.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。虽然地壳偶尔的小振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。

6.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。采用无线传感器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。

4-3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。

4-4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。这些管理平台使得传感器节点能够按照能源高效的方式协同工作，在节点移动的传感器网络中转发数据，并支持多任务和资源共享。各层协议和平台的功能如下：

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物理层提供简单但健壮的信号调制和无线收发技术； 数据链路层负责数据成帧、帧检测、媒体访问和差错控制； 网络层主要负责路由生成与路由选择；

传输层负责数据流的传输控制，是保证通信服务质量的重要部分； 应用层包括一系列基于监测任务的应用层软件；

能量管理平台管理传感器节点如何使用能源，在各个协议层都需要考虑节省能量； 移动管理平台检测并注册传感器节点的移动，维护到汇聚节点的路由，使得传感器节点能够动态跟踪其邻居的位置； ?

4-5无线传感器网络具有何显著特点？

答：无线传感器网络具有以下的特点： 1.大规模网络

任务管理平台在一个给定的区域内平衡和调度监测任务。

为了获取精确信息，在监测区域通常部署大量传感器节点，传感器节点数量可能达到成千上万，甚至更多。传感器网络的大规模性包括两方面的含义：一方面是传感器节点分布在很大的地理区域内，如在原始大森林采用传感器网络进行森林防火和环境监测，需要部署大量的传感器节点；另一方面，传感器节点部署很密集，在一个面积不是很大的空间内，密集部署了大量的传感器节点。传感器网络的大规模性具有如下优点：通过不同空间视角获得的信息具有更大的信噪比；通过分布式处理大量的采集信息能够提高监测的精确度，降低对单个传感器节点的精度要求；大量冗余节点的存在，使得系统具有很强的容错性能；大量节点能够增大覆盖的监测区域，减少洞穴或者盲区。

2.自组织网络

在传感器网络应用中，通常情况下传感器节点被放置在没有基础结构的地方。传感器节点的位置不能预先精确设定，节点之间的相互邻居关系预先也不知道，如通过飞机播撒大量传感器节点到面积广阔的原始森林中，或随意放置到人不可到达或危险的区域。这样就要求传感器节点具有自组织的能力，能够自动进行配置和管理，通过拓扑控制机制和网络协议自动形成转发监测数据的多跳无线网络系统。

3．多跳路由

网络中节点通信距离有限，一般在几十到几百米范围内，节点只能与它的邻居直接通信。如果希望与其射频覆盖范围之外的节点进行通信，则需要通过中间节点进行路由。网络的多跳路由使用网关和路由器来实现，而无线传感器网络中的多跳路由是由普通网络节点完成的，没有专门的路由设备。这样每个节点既可以是信息的发起者，也可以是信息的转发者。

4.动态性网络

传感器网络的拓扑结构可能因为下列因素而改变：①环境因素或电能耗尽造成的传感器节点出现故障或失效；②环境条件变化可能造成无线通信链路带宽变化，甚至时断时通；③传感器网络的传感器、感知对象和观察者这三要素都可能具有移动性；④新节点的加入。这就要求传感器网络系统要能够适应这种变化，具有动态的系统可重构性。

4.可靠的网络

传感器网络特别适合部署在恶劣环境或人类不宜到达的区域，传感器节点可能工作在露天环境中，遭受太阳的暴晒或风吹雨淋，甚至遭到无关人员或动物的破坏。传感器节点往往采用随机部署，如通过飞机撒播或发射炮弹到指定区域进行部署。这些都要求传感器节点非常坚固，不易损坏，适应各种恶劣环境条件。

由于监测区域环境的限制以及传感器节点数目巨大，不可能人工―照顾‖每个传感器节点，网络的维护十分困难甚至不可维护。传感器网络的通信保密性和安全性也十分重要，要防止监测数据被盗取和获取伪造的监测信息。因此，传感器网络的软硬件必须具有鲁棒性和容错性。

5.以数据为中心的网络

传感器网络是任务型的网络，脱离传感器网络谈论传感器节点没有任何意义。传感器网络中的节点采用节点编号标识，节点编号是否需要全网唯一取决于网络通信协议的设计。由于传感器节点随机部署，构成的传感器网络与节点编号之间的关系是完全动态的，表现为节点编号与节点位置没有必然联系。用户使用传感器网络查询事件时，直接将所关心的事件通告给网络，而不是通告给某个确定编号的节点。网络在获得指定事件的信息后汇报给用户。这种以数据本身作为查询或传输线索的思想更接近于自然语言交流的习惯。所以通常说传感器网络是一个以数据为中心的网络。

6.应用相关的网络

传感器网络用来感知客观物理世界，获取物理世界的信息量。客观世界的物理量多种多样，不可穷尽。不同的传感器网络应用关心不同的物理量，因此对传感器的应用系统也有多种多样的要求。不同的应用背景对传感器网络的要求不同，其硬件平台、软件系统和网络协议必然会有很大差别。所以传感器网络不能像Internet一样，有统一的通信协议平台。对于不同的传感器网络应用虽然存在一些共性问题，但在开发传感器网络应用中，更关心传感器网络的差异。只有让系统更贴近应用，才能做出最高效的目标系统。针对每一个具体应用来研究传感器网络技术，这是传感器网络设计不同于传统网络的显著特征。

4-6基于距离的定位的方法分为：基于TOA的定位、基于TDOA的定位、基于AOA的定位和基于RSSI的定位等，比较这四种方法的优缺点。

答：基于TOA的定位精度高，但要求节点间保持精确的时间同步，因此对传感器节点的硬件和功耗提出了较高的要求。TDOA技术对硬件的要求高，成本和能耗使得该种技术对低能耗的传感器网络提出了挑战。但是TDOA技术测距误差小，有较高的精度。AOA定位不仅能确定节点的坐标，还能提供节点的方位信息。但AOA测距技术易受外界环境影响，且AOA需要额外硬件，在硬件尺寸和功耗上不适用于大规模的传感器网络。在实验环境中RSSI表现出良好的特性，但是在现实环境中，温度、障碍物、传播模式等条件往往都是变化的，使得该技术在实际应用中仍然存在困难。

4-7无线传感器网络为什么要使用时间同步机制，时间同步机制的主要性能参数包括哪些？

答：在无线传感器网络系统中，单个节点的能力非常有限，整个系统所要实现的功能需要网络内所有节点互相配合共同完成。时间同步在无线传感器网络中起着非常重要的作用。在分布式系统中，不同的节点都有自己的本地时钟。由于不同节点的晶体振荡器频率存在偏差，以及温度变化和电磁波干扰等，即使在某个时刻所有节点都达到时间同步，它们的时间也会逐渐出现偏差，而分布式系统的协同工作需要节点间的时间同步，因此时间同步机制是分布式系统基础框架的一个关键机制。

传感器网络应用的多样性导致了对时间同步机制需求的多样性，不可能用一种时间同步机制满足所有的应用要求。传感器网络的时间同步机制的主要性能参数如下：

（1）最大误差：一组传感器节点之间的最大时间差量，或相对外部标准时间的最大差量。通常情况下，最大误差随着需要同步的传感器网络范围的增大而增加。

（2）同步期限：节点间需要一直保持时间同步的时间长度，传感器网络需要在各种时间长度内保持时间同步，从瞬间同步到伴随网络存在的永久同步。

（3）同步范围：需要节点间时间同步的区域范围，这个范围可以是地理范围，如以米度量的距离；也可以是逻辑距离，如网络的跳数。

（4）可用性：指在范围内的覆盖完整性，有些时间同步机制能够同步区域内的每个节点，基于网络的机制通常能够同步每个节点，而有些机制对硬件要求高，仅能同步部分节点，如GPS系统。

（5）效率：达到同步精度所经历的时间以及消耗的能量。需要交换的同步消息越多，经历的时间越长，消耗的网络能量就越大，同步的效率相对就越低。

（6）代价和体积：时间同步可能需要特定硬件，在传感器网络中需要考虑部件的价格和体积，这对传感器网络非常重要。

4-8无线传感器网络的安全研究要解决哪些问题？

答：无线传感器网络的安全和一般网络安全的出发点是相同的，都要解决如下问题： （1）机密性问题。所有敏感数据在存储和传输的过程中都要保证其机密性，让任何人在截获物理通信信号的时候不能直接获得消息内容。

（2）点到点的消息认证问题。网络节点在接收到另外一个节点发送过来的消息时，能够确认这个数据包确实是从该节点发送出来的，而不是别人冒充的。

（3）完整性鉴别问题。网络节点在接收到一个数据包的时候，能够确认这个数据包和发出来的时候一模一样，没有被中间节点篡改或者在传输中通信出错。

（4）新鲜性问题。数据本身具有时效性，网络节点能够判断最新接收到的数据包是发送者最新产生的数据包。造成新鲜性问题一般有两种原因：一是由网络多路径延时的非确定性导致数据包的接收错序而引起，二是由恶意节点的重放（replay）攻击而引起。

（5）认证组播/广播问题。认证组播/广播解决的是单一节点向一组节点/所有节点发送统一通告的认证安全问题。认证广播的发送者是一个，而接收者是很多个，所以认证方法和点到点通信认证方式完全不同。在SPINS安全框架中将详细分析广播认证问题。

（6）安全管理问题。安全管理包括安全引导和安全维护两个部分。安全引导是指一个网络系统从分散的、独立的、没有安全通道保护的个体集合，按照预定的协议机制，逐步形成统一完整的、具有安全信道保护的、连通的安全网络的过程。

4-9与传统网络的路由协议相比，无线传感器网络的路由协议具有哪些特点？

答：与传统网络的路由协议相比，无线传感器网络的路由协议具有以下特点： （1）能量优先。传统路由协议在选择最优路径时，很少考虑节点的能量消耗问题。而无线传感器网络中节点的能量有限，延长整个网络的生存期成为传感器网络路由协议设计的重要目标，因此需要考虑节点的能量消耗以及网络能量均衡使用的问题。

（2）基于局部拓扑信息。无线传感器网络为了节省通信能量，通常采用多跳的通信模式，而节点有限的存储资源和计算资源，使得节点不能存储大量的路由信息，不能进行太复杂的路由计算。在节点只能获取局部拓扑信息和资源有限的情况下，如何实现简单高效的路由机制是无线传感器网络的一个基本问题。

（3）以数据为中心。传统的路由协议通常以地址作为节点的标识和路由的依据，而无线传感器网络中大量节点随机部署，所关注的是监测区域的感知数据，而不是具体哪个节点获取的信息，不取决于全网唯一的标识。传感器网络通常包含多个传感器节点到少数汇聚节点的数据流，按照对感知数据的需求、数据通信模式和流向等，以数据为中心形成消息的转发路径。

（4）应用相关。传感器网络的应用环境千差万别，数据通信模式不同，没有一个路由机制适合所有的应用，这是传感器网络应用相关性的一个体现。设计者需要针对每一个具体应用的需求，设计与之适应的特定路由机制。

4-10四种类型的路由协议分别是什么？

答：从具体应用的角度出发，根据不同应用对传感器网络各种特性的敏感度不同，将路由协议分为四种类型。四种类型的路由协议分别是：

（1）能量感知路由协议。高效利用网络能量是传感器网络路由协议的一个显著特征，早期提出的一些传感器网络路由协议往往仅考虑了能量因素。为了强调高效利用能量的重要性，在此将它们划分为能量感知路由协议。能量感知路由协议从数据传输中的能量消耗出发，讨论最优能量消耗路径以及最长网络生存期等问题。

（2）基于查询的路由协议。在诸如环境检测、战场评估等应用中，需要不断查询传感器节点采集的数据，汇聚节点（查询节点）发出任务查询命令，传感器节点向查询节点报告采集的数据。在这类应用中，通信流量主要是查询节点和传感器节点之间的命令和数据传输，同时传感器节点的采样信息在传输路径上通常要进行数据融合，通过减少通信流量来节省能量。

（3）地理位置路由协议。在诸如目标跟踪类应用中，往往需要唤醒距离跟踪目标最近的传感器节点，以得到关于目标的更精确位置等相关信息。在这类应用中，通常需要知道目的节点的精确或者大致地理位置。把节点的位置信息作为路由选择的依据，不仅能够完成节点路由功能，还可以降低系统专门维护路由协议的能耗。

（4）可靠的路由协议。无线传感器网络的某些应用对通信的服务质量有较高要求，如可靠性和实时性等。而在无线传感器网络中，链路的稳定性难以保证，通信信道质量比较低，拓扑变化比较频繁，要实现服务质量保证，需要设计相应的可靠的路由协议。

4-11在设计无线传感器网络的MAC协议时，需要着重考虑哪几个方面？

答：在设计无线传感器网络的MAC协议时，需要着重考虑以下几个方面：

（1）节省能量。传感器网络的节点一般是以干电池、纽扣电池等提供能量，而且电池能量通常难以进行补充，为了长时间保证传感器网络的有效工作，MAC协议在满足应用要求的前提下，应尽量节省使用节点的能量。

（2）可扩展性。由于传感器节点数目、节点分布密度等在传感器网络生存过程中不断变化，节点位置也可能移动，还有新节点加入网络的问题，所以无线传感器网络的拓扑结构具有动态性。MAC协议也应具有可扩展性，以适应这种动态变化的拓扑结构。

（3）网络效率。网络效率包括网络的公平性、实时性、网络吞吐量以及带宽利用率等。

4-12在无线传感器网络中可能造成网络能量浪费的主要原因包括哪几方面？

答：可能造成网络能量浪费的主要原因包括如下几方面：

（1）如果MAC协议采用竞争方式使用共享的无线信道，节点在发送数据的过程中，可能会引起多个节点之间发送的数据产生碰撞。这就需要重传发送的数据，从而消耗节点更多的能量。

（2）节点接收并处理不必要的数据。这种串音（over hearing）现象造成节点的无线接收模块和处理器模块消耗更多的能量。

（3）节点在不需要发送数据时一直保持对无线信道的空闲侦听（idle listening），以便接收可能传输给自己的数据。这种过度的空闲侦听或者没必要的空闲侦听同样会造成节点能量的浪费。

（4）在控制节点之间的信道分配时，如果控制消息过多，也会消耗较多的网络能量。

4-13按照采用固定分配信道方式还是随机访问信道方式可将传感器网络的MAC协议分为哪三类？

答：按照下列条件分类MAC协议：第一，采用分布式控制还是集中控制；第二，使用单一共享信道还是多个信道；第三，采用固定分配信道方式还是随机访问信道方式。按照第三种分类方法，将传感器网络的MAC协议分为三类：

（1）采用无线信道的时分复用方式，给每个传感器节点分配固定的无线信道使用时段，从而避免节点之间的相互干扰；

（2）采用无线信道的随机竞争方式，节点在需要发送数据时随机使用无线信道，重点考虑尽量减少节点间的干扰；

（3）其他MAC协议，如通过采用频分复用或者码分复用等方式，实现节点间无冲突的无线信道的分配。

4-14在传感器网络中，为什么要对网络进行拓扑结构控制与优化。

答：在传感器网络中，网络的拓扑结构控制与优化有着十分重要的意义，主要表现在以下几个方面：

（1）影响整个网络的生存时间。传感器网络的节点一般采用电池供电，节省能量是网络设计主要考虑的问题之一。拓扑控制的一个重要目标就是在保证网络连通性和覆盖度的情况下，尽量合理高效地使用网络能量，延长整个网络的生存时间。

（2）减小节点间通信干扰，提高网络通信效率。传感器网络中节点通常密集部署，如果每个节点都以大功率进行通信，会加剧节点之间的干扰，降低通信效率，并造成节点能量的浪费。另一方面，如果选择太小的发射功率，会影响网络的连通性。所以，拓扑控制中的功率控制技术是解决这个矛盾的重要途径之一。

（3）为路由协议提供基础。在传感器网络中，只有活动的节点才能够进行数据转发，而拓扑控制可以确定由哪些节点作为转发节点，同时确定节点之间的邻居关系。

（4）影响数据融合。传感器网络中的数据融合指传感器节点将采集的数据发送给骨干节点，骨干节点进行数据融合，并把融合结果发送给数据收集节点。而骨干节点的选择是拓扑控制的一项重要内容。

（5）弥补节点失效的影响。传感器节点可能部署在恶劣环境中，在军事应用中甚至部署在敌方区域中，所以很容易受到破坏而失效。这就要求网络拓扑结构具有鲁棒性以适应这种情况。

4-15传感器网络拓扑控制主要研究的问题是什么？

答：传感器网络拓扑控制主要研究的问题是：在满足网络覆盖度和连通度的前提下，通过功率控制和骨干网节点选择，剔除节点之间不必要的通信链路，形成一个数据转发的优化网络结构。具体地讲，传感器网络中的拓扑控制按照研究方向可以分为两类：节点功率控制和层次型拓扑结构组织。功率控制机制调节网络中每个节点的发射功率，在满足网络连通度的前提下，均衡节点的单跳可达邻居数目。层次型拓扑控制利用分簇机制，让一些节点作为簇头节点，由簇头节点形成一个处理并转发数据的骨干网，其他非骨干网节点可以暂时关闭通信模块，进入休眠状态以节省能量。

4-16 LR-WPAN具有哪些特点？

答：低速WPAN(LR-WPAN)是按照IEEE 802.15.4标准，为近距离联网设计的。IEEE 802.15.4标准包括工业监控和组网、办公和家庭自动化与控制、库存管理、人机接口装置以及无线传感器网络等。网络具有如下特点：

? ? ?

实现250kbit/s，40kbit/s，20kbit/s三种传输速率。 支持星形或者点对点两种网络拓扑结构。 具有16位短地址或者64位扩展地址。

? 支持冲突避免载波多路侦听技术（carrier sense multiple access with collision avoidance，CSMA-CA）。

? ? ? ? ?

用于可靠传输的全应答协议。 低功耗。

能量检测（Energy Detection， ED）。

链路质量指示（Link Quality Indication，LQI）。

在2450MHz频带内定义了16个通道；在915MHz频带内定义了10个通道；在868MHz频带内定义了1个通道。

4-17简述IEEE 802.15.4定义的LR-WPAN网络中具有的两种拓扑结构。

答：IEEE定义了两种不同类型的设备：一种是完整功能设备（Full-Functional Device，FFD），另一种是简化功能设备（Reduced-Functional Device，RFD）。

全功能设备（FFD）具有以下几个特点：能够在任何拓扑结构中工作；能够成为网络中的主协调器；能够成为一个协调器；能够同任何其他设备进行通信。

简化功能设备（RFD）具有以下几个特点：被限制在星形网络拓扑中；不能够成为网络协调器；只能够同网络中的协调器进行通信；实现起来非常简单。由于RFD非常简单，就像一个电灯开关或者一个红外线传感器，它们不需要发送大量的数据，并且一次只能同一个FFD关联，因此，RFD能够使用很少的资源和存储空间。

4-18简述ZigBee协议与IEEE 802.15.4标准的联系与区别。

答：IEEE 802.15.4仅定义了物理层和MAC层的规范。基于IEEE 802.15.4标准的ZigBee技术是一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线通信技术。ZigBee协议栈建立在IEEE 802.15.4的PHY层和MAC子层规范之上。它实现了网络层和应用层。IEEE 802.15.4标准有IEEE负责制定，而ZigBee协议由ZigBee联盟制定。

4-19数据融合具有哪些显著特点。

答：数据融合具有如下4个显著特点：

1）信息的冗余性：同一个信号可能被不同传感器捕获，去除不必要的重复信息； 2）信息的互补性：一种传感器捕获一种特征，多种特征的结合将获得更全面信息； 3）信息处理的及时性：多传感器的并行采集与处理；

4）信息处理的低成本性：为获得准确信息，可用多种廉价的传感器协作来代替单个功能强大但高价的传感器。

4-20根据多传感器数据融合模型定义方法和无线传感器网络自身特点，数据融合可划分为哪些不同的型式？

答：根据多传感器数据融合模型定义方法和无线传感器网络自身特点，数据融合可根据节点处理层次、融合前后的数据信息量、信息抽象层次的不同而划分为不同的型式。

根据节点处理的层次，可分为集中式融合和分布式融合。 根据融合前后数据信息量的变化，可分为无损融合和有损融合。 根据信息抽象层次，可分为数据级融合、特征级融合、决策级融合。

第5章答案

5-1请简述M2M技术的定义。

答：随着各种信息通信手段（如Internet、遥感勘测、远程信息处理、远程控制等）的发展，加之地球上各类设备的不断增加，人们开始越来越多的关注于如何对设备和资产进行有效监视和控制，甚至如何用设备控制设备——―M2M‖理念由此起源。

M2M（Machine/Man-to-Machine/Man）是一种以机器智能交互为核心的、网络化的应用与服务。简单地说，M2M是指机器之间的互联互通。广义上来说，M2M可代表机器对机器、人对机器、机器对人、移动网络对机器之间的连接与通信，它涵盖了所有实现在人、机器、系统之间建立通信连接的技术和手段。

5-2为什么电联组织ITU要大力推广M2M技术，认为M2M技术是物联网核心技术？

答：各种技术的发展使得网络及其应用变得无所不能，未来网络将会是通信网、互联网、物联网的融合。物联网是一个具有创新的潜力无限的领域，被看作是继计算机、互联网与移动通信网之后的又一次信息产业浪潮，已被世界各国当作应对经济危机、振兴经济的重点技术之一。

5-3 M2M的业务模型是什么？

答：M2M的业务模型由三部分组成：行业终端、移动通信网络、M2M应用平台。各部

分的功能如下： ?

行业终端

1.符合相关行业标准，具备入网证、合格证等相关检测合格证书 2.符合行业生产、管理需求、集成数据采集和数据传输功能的设备 ?

移动通信网络

1.能安全、高效承载数据业务的中国移动通信网络

2.TD-SCDMA，具有高宽带、高速率及抗干扰等技术优势的第三代移动通信网络 ?

M2M应用平台

1.实现各行业移动信息化需求的业务平台集合 2.具有良好的可扩展性，易于新业务平台的接入

5-4 M2M的技术标准体系是什么？

答：虽然各大标准化组织及运营商积极制定相应的标准，但是现在并没有启动统一的标准。M2M的系统架构可参考图5-2所示。

5-5 M2M架构包含哪五个重要技术部分？

答：机器（具备信息感知、信息加工能力的设备）、M2M终端（进行信息的提取，传送到通信网络）、通信网络（信息传送的通道）、中间件(在通信网络和应用间起桥接作用)、应用(对获得数据进行加工分析)。

5-6 简述M2M两种应用模式的异同。

答：M2M应用分为管理流–业务流并行模式和管理流–业务流分离模式（P2P模式）。管理流指承载M2M终端管理相关信息的数据流，业务流是指承载M2M应用相关的数据流。对于终端管理流，两种模式都由终端发送给M2M平台，或再由M2M平台转发给应用。对于业务流，在管理流–业务流并行模式下，业务流通过终端传递到M2M平台，再由M2M平台转发给M2M应用业务平台或者对端的M2M终端；在管理流–业务流分离模式下，业务流直接从终端送到M2M应用业务平台或者对端的M2M终端，不通过M2M平台转发。

5-7 简述WMMP的作用。

答：WMMP规定了在M2M业务系统中所涉及的M2M终端铲平运行WMMP的基本要

求，供中国移动集团公司内部和合作厂商共同使用，是M2M业务开展、终端设备开发方面的技术依据，适用于GSM/GPRS网络环境。

使用WMMP便于管理终端,提高通信的安全性，提高M2M终端的兼容性。

5-8 给出搭建一个M2M应用系统的步骤。

答：（1）使用P2P模式

选择需要的终端与M2M模块，通过移动运营商接入通信网络，与自己架设的M2M网关交互信息（管理信息与业务信息），同时制定应用完成期望的功能。

（2）使用M2M平台的方案

选择需要的终端M2M模块，接入运营商的M2M平台，管理流与业务流的格式需要符合M2M平台的标准（如WMMP），M2M应用业务平台通过M2M平台管理M2M终端并获取业务信息。

5-9 M2M模块与手机通信模块有什么区别？

答：广义的M2M模块是使用AT指令或M2M协议进行数据通信的设备。而现有的M2M模块很大一部分与先有的手机通信模块无太大区别，甚至就是普通的手机模块，有一部分对M2M应用进行了相应的改进，比如缩小体积，取消不需要的功能（如语音通话），能够适应较为严苛的工作环境，内置M2M协议等。使用AT指令的GPRS模块和内置M2M协议的模块都是M2M模块。但是，目前较为成熟应用的是使用AT指令的GPRS模块。内置M2M协议的模块将会得到越来越多的应用。

5-10 M2M终端通过M2M模块接入互联网有哪几种方法，有何优缺点？

答：第一种方法：按照AT指令的规定，使用相应的AT指令接入网络，发送接收信息。 优点：对终端的要求比较低，只要可以进行串口变成的终端均可使用这种方法。缺点：功能单一，需要某些复杂功能时编程难度大。

第二种方法：对于安装有PPP协议的终端，可以用PPP协议与模块连接实现对网络的透明链接，此时模块相当于DTU (Data Transfer unit)数据传输单元，这时在终端上即可进行相应的网络编程。

优点：使用方便，对于现有的一些通信程序可以方便的移植，可以实现较为复杂的功能。 缺点：对终端的要求较高，一般都需要终端上运行操作系统。

5-11 请写出常用的AT指令集。

答：M2M模块常用的AT指令：

功能 拨号命令 挂机命令 短消息格式 读取短消息 新消息提示 发送短消息 TCP/UDP 连接初始化 建立TCP/UDP连接 服务器侦听命令 TCP/UDP 数据发送 TCP/UDP 接收数据缓存查询 TCP/UDP 数据到达指示 关闭TCP/UDP连接 AT指令 ATD ATH AT+GMGF AT+CMGR AT+CNMI AT+CMGS AT^IPINIT AT^IPOPEN AT^IPLISTEN AT^IPSEND AT^IPGETDATA AT^IPDATA AT^IPCLOSE 详细 后面紧跟拨打电话号码 挂机 选择短消息模式（TEXT或PDU） 读取短消息 选择新消息到来时的提示方式 发送短消息 初始化TCP/UDP连接 与设定的IP建立TCP/UDP连接 打开服务器侦听功能 选定链路发送数据 查询某链路是否有数据到达 当有数据到达时可主动上报 关闭指定的连接

第6章答案

6-1简述云和云计算的基本概念。

答：云也叫做资源池，是一些可以自我维护和管理的虚拟计算资源，通常是一些大型服务器集群，包括计算服务器、存储服务器和宽带资源等。

云计算是一种基于互联网的、大众参与的计算模式，其计算资源（计算能力、存储能力、交互能力）是动态、可伸缩、且被虚拟化的，以服务的方式提供。

6-2简述私有云、公用云和混合云的基本概念。

答：私有云也叫做专用云，是由单个客户所拥有的按需提供基础设施，该客户控制哪些应用程序在哪里运行，拥有服务器、网络和磁盘，并且可以决定允许哪些用户使用基础设施。

公用云是由第三方运行的云，第三方可以把来自许多不同客户的作业在云内的服务器、存储系统和其他基础设施上混合在一起。最终用户不知道运行其作业的同一台服务器、网络或磁盘上还有哪些用户。

混合云把公用云模式与私有云模式结合在一起。客户通过一种可控的方式对云部分拥有，部分与他人共享。

6-3简述云计算的四个本质特征。

答：云计算的本质包括：

(1) 虚拟化，即把软件、硬件等IT资源进行虚拟化，抽象成标准化的虚拟资源，放在云计算平台中统一管理，保证资源的无缝扩展；

(2) 多粒度和多尺度，即灵活的面对需求，提供不同的服务；

(3) 不确定性，因为云计算是一个人参与的计算，是群体智能的体现，表现出自然界不确定性特征；

(4) 软计算，即如何让网络明白一些定量、定性的转换，如一些大约的量词等。

6-4简述云计算与并行计算的关系。

答：并行计算式云计算的萌芽阶段。

在并行计算中，为了获得高速的计算能力，人们不惜采用昂贵的服务器和购买更多的服务器。因此，强大的并行计算能力需要巨额的投资。并且，传统的并行计算机的使用是一个相当专业的工作，需要使用者具有较高的专业素质。

而云计算将服务器等设施集中起来，最大程度地做到资源共享，能够动态地为用户提供计算能力和存储能力，随时满足用户的需求。

6-5简述分布式计算的基本原理，并指出云计算与分布式计算的关系。

答：分布式计算研究如何把一个需要非常巨大的计算能力才能解决的问题分成许多小的部分，然后把这些部分分配给许多计算机进行处理，最后把这些计算结果综合起来得到最终的结果。

分布式计算依赖于分布式系统。分布式系统由通过网络连接的多台计算机组成。网络把大量分布在不同地理位置的计算机连接在一起，每台计算机都拥有独立的处理器及内存。这些计算机互相协作，共同完成一个目标或者计算任务。

分布式计算是一个很大的范畴。在当今的网络时代，不是分布式计算的应用已经很少了。云计算是分布式计算的一种。

6-6简述云计算与网格计算的关系。

答：通常意义的网格是指云计算以前实现的以科学研究为主的网格。网格计算不仅要集成异构资源，还要解决许多非技术的协调问题，非常重视标准规范，也非常复杂，但缺乏成功的商业模式。云计算是网格计算的一种简化实用版本，有成功的商业模式推动。但如果没有网格计算打下的基础，云计算也不会这么快到来。所以说，云计算的成功也是网格的成功。

6-7论述云计算与物联网的关系。

答：物联网的规模足够大之后，需要与云计算结合起来。云计算中心对接入网络终端的普适性，最终解决了物联网中M2M应用的广泛性。物联网的行业应用，如智能电网、环境检测网等等，都需要借助云计算来解决海量信息和数据的管理问题。具体包括以下几个方面：

(1) 云计算解决了物联网中服务器节点的不可靠性问题，最大限度地降低服务器的出错 率。物联网中的海量数据和信息需要巨大数目的服务器。随着服务器数目的增多，服务器节点出错的概率也会随之变大。而利用云计算，云中有成千上万、甚至上百万台服务器，即使某些服务器出错了，也可以利用冗余备份等技术迅速恢复服务，保障物联网真正实现无间断的安全服务。

(2) 云计算可以解决物联网中访问服务器资源受限的问题。服务器相关硬件的资源的承 受能力是有限的，当访问超过服务器本身的限制时，服务器就会崩溃。物联网要求保障对服务器有很高的访问需求，来满足数据和信息的爆炸性增长。但这种访问需求是不确定的，它会随着时间而发生变化。通过云计算技术，可以动态地增加或减少云中服务器的数量和数目，随时满足物联网中服务器的访问需求。

(3) 云计算让物联网在更广泛的范围内进行信息资源共享。物联网中的信息直接存放在 云中，而每个云中的各个服务器分布在全国乃至全世界的各个角落。物体只要具有传感功能，就可以被感知到，云中的服务器就可以接收到它的信息，实现物体最新信息的共享。

(4) 云计算增强了物联网中的数据处理能力，并提高了智能化处理程度。物联网应用的 不断扩大，产生了大量的业务数据。通过云计算技术，云中大规模的计算机集群提供了强大的计算能力，通过庞大的计算机处理程序自动将任务分解成若干个较小的子任务，快速对海量业务数据进行存储、处理、分析和挖掘，在短时间内提取出有价值的信息。

因为云计算的核心就是以虚拟化的方式提供各种服务，而物联网的应用本身就是以―云‖的方式存在的，从这个意义上说，物联网也是云计算的一个重要范畴。因此，物联网需要借助于云计算技术解决某些问题，是云计算在现实中的一种应用形式。

6-8简述云计算服务的三个层次。

答：云计算的服务层次是根据服务类型即服务集合来划分的。在计算机网络中每个层次都实现一定的功能，层与层之间有一定关联。而云计算体系结构中的层次是可以分割的，即某一层次可以单独完成一项用户的请求而不需要其他层次为其提供必要的服务和支持。

IaaS (Infrastructure as a Service, 基础设施即服务)层位于云计算三层服务的最底端，提供基本的计算和存储能力。以计算能力的提供为例，其提供的基本资源就是服务器，包括CPU、内存、存储、操作系统及一些软件。IaaS层通常按照所消耗资源的成本进行收费。

PaaS (Platform as a Service, 平台即服务)层通常也称为―云计算操作系统‖。它提供给终端用户基于网络的应用开发环境，包括应用编程接口和运行平台等，并且支持应用从创建到运行整个生命周期所需的各种软硬件资源和工具。在PaaS层面，服务提供商提供的是经过封装的IT能力，如数据库、文件系统和应用运行环境等，通常按照用户登录情况计费。

SaaS(Software as a Service,软件即服务)层提供最常见的云计算服务，如邮件服务等。用户通过Web浏览器来使用网络上的软件，服务提供商负责维护和管理这些软件，并以免费或按需租用方式向用户提供服务。SaaS服务模式是未来管理软件的发展趋势，它不仅减少甚至取消了传统的软件授权费用，而且服务提供商将应用软件部署在统一的服务器上，免除了最终用户的服务器硬件、网络安全设备和软件升级维护的支出。

6-9画出MapReduce编程思想的模型示意图。

答：

在MapReduce模型中，程序员通过Map函数指定对各分块数据的处理过程，然后通过Reduce函数指定如何对分块数据处理的中间结果进行归约。这样，程序员只需要指定map和reduce函数就可以编写分布式并行程序。当在机群上运行MapReduce程序时，程序员不需要关心如何将输入的数据进行分块、分配和调度，系统还将自动处理机群内节点失败以及节点间通信的管理等问题。

6-10简述云存储的基本概念。

答：云存储(Cloud Storage)是在云计算概念上延伸和发展出来的一个新的概念，是指通过集群应用、网格技术或分布式文件系统等功能，将网络中大量各种不同类型的存储设备通过应用软件集合起来协同工作，共同对外提供数据存储和业务访问功能的一个系统。

第7章答案

7-1 物联网作为一个开放复杂智能系统，给我们带来了新的挑战，我们需要如何应对？

答：物联网作为一个复杂的系统，它的推广与普及，给智能系统带来了新的挑战，促使我们在指导思想、技术路线、系统体系结构、计算模式等方面为智能系统的研究融入新的思想与技术源泉，使得智能系统的研究迈入新的阶段，即以开放复杂智能体统(Open Complex Intelligent System)特别是开放巨型智能系统(Open Giant Complex Intelligent System)为研究对象、以社会智能为研究重点的综合集合阶段。

7-2 信息在物联网中是运动和转化的，请抽象物联网中信息运动和转化过程模型，并释以说明。

答：世界无时无刻不在产生巨量的信息(本体论信息)，要想认识世界，必须将本体论信息转变为感知信息，这个过程，就是信息获取的过程，包括信息感知、信息识别等。获取到信息之后，需要进行信息传递，包括信息发送、传输、接收等环节。然后，对信息所进行变换和加工，即信息处理，加工得到知识。而后，进行决策制定，得到求解实际问题的策略。最后，执行相关的策略，产生行动，作用于外部环境。在物联网中，信息、知识、策略在这个回路中进行相互转换，整个过程构成一个完整的回路。

目的 信息处理 感知信息 信息传递 感知信息 本体论信息 信息获取 问题与环境 行为 策略执行 决策制定 策略传递 知识 策略 (再生信息) 策略 (再生信息)

7-3 什么是本体论信息？什么是认识论信息？

答：本体论信息指事物运动的状态和状态变化方式。认识论信息是主体所感知的事物运动的状态及其变化方式。

7-4 简述数据、信息、知识、策略、智能之间的关系。

答：数据、信息、知识、策略、智能之间的关系可以这样表述：信息是数据的语义；知识是对信息进行加工得到的抽象化产物；策略是知识加工的产物；智能是把信息加工成知识、进而把知识激活成解决问题的策略并在策略的引导下解决问题的能力。

智能活动 策略(再生信息) 知 识 感知信息 本体论信息 数 据

7-5 物联网将物理世界与虚拟世界连接起来，这一点在数据库系统中是如何体现的？ 答：数据库以信息和数据作为其来源，将物理世界中人工管理的各种形式的信息和数据交给计算机中来完成，以便于被充分、高效地处理和使用。物理世界与计算机虚拟世界中术语的对应关系为：

物理世界 计算机虚拟世界 实 体----------------------记 录 属 性----------------------字 段 实体集----------------------文 件

实体标识符----------------------记录关键字

7-6 简述数据挖掘和知识发现在物联网中的重要作用。

答：随着物联网的广泛应用，加上使用先进的自动数据生成和采集工具，人们所拥有的数据量急剧增大。如果使用传统的数据分析工具，很难对数据进行深层次的处理。数据挖掘和知识发现正式为了解决传统分析方法的不足，并针对大规模数据的分析处理而出现的。数据挖掘从大量数据中提取出隐藏在数据之后的有用信息，在物联网中将会有重要的用武之地。

7-7 简述分布智能在物联网中的重要作用。

答：物联网是一个传感器密集、大规模并行的自治系统，它的传感器和效应器分布在物理世界的各个地方，各种不同用户的任务同时在网络上传送和加工处理，各种任务互相交互。环境保护监控系统、电网系统、大型化工厂控制系统、交通管制系统等物联网系统都可以利用分布智能来解决实际问题。

7-8 给出智能Agent与环境的交互模型。

答：智能Agent可以被认为是任何能够通过感应器感知它周围的环境，并能够通过效应器作用于其周围环境的实体。Agent与环境的交互模型如图所示。

感应器 环境 感知 作用 效应器

第8章答案

1、选择题

8-1 下面哪个不是杂凑函数。___________ A. MD5 C. SHA

B. MD4 D. RSA

8-2 电子ID身份识别技术主要包括：___________。 A. 通行字识别方式 C. 脸型识别方式

B. 持证的方式 D. 数字签名

8-3 一个视网膜血管的图样可压缩为小于___________字节的数字信息。根据对图样的节点和分支的检测结果进行分类识别。 A. 34 C. 30

B. 35 D. 40

8-4 如果主体Alice和Bob通信时需要一个密钥，那么，Alice需要在通信之前先从KDC获得一个密钥。这种模式又称为___________。 A. 拉模式 C. 互模式

B. 推模式 D. 拽模式

8-5 ___________是另一种公开密钥算法，它不能用作加密，只用作数字签名。

A. RSA C. DES

参考答案：

B. DSA D. Session Key

8-1.D 8-2.A、B

2、填空题

8-3.B 8-4.A 8-5.B

8-1 ___________是巩膜的延长部分，是眼球角膜和晶体之间的环形薄膜，其图样具有个人特征，可以提供比指纹更为细致的信息。

8-2 零知识证明条件包括：___________和___________。

8-3 基于中心的密钥分发利用可信任的第三方，进行密钥分发。可信第三方可以在其中扮演两种角色：（1）___________；（2）___________。

8-4 信息隐藏相关术语包括：信息隐藏（Information Hiding）、隐写术（Steganography）和___________。

8-5 密钥托管加密系统按照功能的不同，逻辑上可分为五大部分：用户安全部分（Use rSecurity Component，USC），___________，政府监听部分（数据恢复部分（Data Recovery Component，DRC）），法律授权部分（Court Authorization Component，CAC），外部攻击部分（Outsider Attack Component，OAC）。

参考答案： 8-1 虹膜

8-2 最小泄露证明(Minimum Disclosure proof) 8-3 密钥分发中心 密钥转换中心 8-4 数字水印（Digital Watermarking）

8-5 密钥托管部分（Key Escrow Component，KEC）

3、简答题

8-1 找到MD5程序的源代码，熟悉代码流程，并能使用代码进行字符串的MD5加密。

答：略。

零知识证明(Zero Knowledge proof)

8-2 找到SHA-1程序的源代码，熟悉代码流程，并能使用代码进行字符串的SHA-1加密。

答：略。

8-3 简述个人特征身份证明的常用方式，并能简要说明其原理。

答：个人特征身份证明是利用个人的生理特征来实现。因人而异、随身携带，不会丢失且难以伪造，极适用于个人身份认证。个人特征身份证明的几种常用方式为：（1）手写签名识别技术；（2）指纹识别技术；（3）语音识别技术；（4）视网膜图样识别技术；（5）虹膜图样识别技术；（6）脸型识别。

8-4 简述零知识证明系统的原理。

答：零知识证明的基本思想是向别人证明你知道某种事物或具有某种东西，而且别人并不能通过你的证明知道这个事物或这个东西，也就是不泄露你掌握的这些信息。零知识证明条件包括：最小泄露证明(Minimum Disclosure proof)和零知识证明(Zero Knowledge proof)。 现在假设用P表示示证者，V表示验证者，要求：

（1）示证者P几乎不可能欺骗验证者，若P知道证明，则可使V几乎确信P知道证明；若P不知道证明，则他使V相信他知道证明的概率几近于零。

（2）验证者几乎不可能得到证明的信息，特别是他不可能向其他人出示此证明。 （3）而零知识证明除了以上两个条件外，还要满足：验证者从示证者那里得不到任何有关证明的知识。

8-5 简述Diffie-Hellman密钥交换协议的原理。

答：Diffie-Hellman协议是三方秘密传输，首先，Alice、Bob和Coral三方首先要协商确定一个大的素数n和整数g（这两个数可以公开），其中g是n的本原元。由此产生密钥过程为：

（1） Alice首先选取一个大的随机整数x，并且发送X=gx mod n给Bob。Bob首先选取一个大的随机整数y，并且发送Y= gy mod n给Coral。Coral首先选取一个大的随机整数z，并且发送Z=g mod n给Alice。

（2） Alice计算X1 = Z mod n给Bob。Bob计算Y1 = X mod n给Coral。Coral计算Z1 = Yz mod n给Alice。

（3） Alice计算k = Z1x mod n 作为秘密密钥。Bob 计算k = X1y mod n作为秘密密钥。

x

y

z

Coral计算机 k= Y1 mod n作为秘密密钥。

8-6 简述数字签名的基本原理。

答：数字签名以电子方式存储签名消息，是在数字文档上进行身份验证的技术。接收者和第三方能够验证文档来自签名者，并且文档签名后没有被修改，签名者也不能否认对文档的签名。数字签名必须保障：（1）接收者能够核实发送者对文档的签名；（2）发送者事后不能否认对文档的签名；（3）不能伪造对文档的签名。

8-7 简述密钥管理系统的原理以及管理流程。

答：一个完整得密钥管理系统应该包括：密钥管理、密钥分配、计算机网络密钥分配方法、密钥注入、密钥存储、密钥更换和密钥吊销。密钥管理是处理密钥自产生到最后销毁的整个过程中的关键问题，包括系统的初始化，密钥的产生、存储、备份/恢复、装入、分配、保护、更新、控制、丢失、吊销和销毁等内容。密钥的管理需要借助于加密、认证、签字、协议、公证等技术。

8-8 简述数字隐藏的基本原理。

答：A打算秘密传递一些信息给B，A需要从一个随机消息源中随机选取一个无关紧要的消息c，当这个消息公开传递时，不会引起怀疑，称这个消息c为载体对象。把需要秘密传递的信息m隐藏到载体对象c中，此时，载体对象c就变为伪装对象c’。秘密信息的嵌入过程需要密钥，此密钥称为伪装密钥。

载体对象是正常的，不会引起怀疑，伪装对象与载体对象无法区分，无论从感观上，还是从计算机的分析上，不可视通信的安全性取决于第三方有没有能力将载体对象和伪装对象区别开来，对伪装对象的正常处理，不应破坏隐藏的信息。

8-9 简述数字水印的基本原理。

答：数字水印(Digital Watermark)技术，是指在数字化的数据内容中嵌入不明显的记号。被嵌入的记号通常是不可见或不可察的，但是通过计算操作可以检测或者被提取。水印与源数据紧密结合并隐藏其中，成为源数据不可分离的一部分，并可以经历一些不破坏源数据使用价值或商用价值的操作而存活下来。

z

第9章答案

9-1 从理论基础、研究对象、分析问题方式、数学描述、研究方法等方面比较经典控制理论和现代控制理论。

答：从理论基础、研究对象、分析问题方式、数学描述、研究方法等方面比较经典控制理论和现代控制理论,并进行归纳后得出答案。

9-2 简述自适应控制的定义和原理。

答：自适应控制的定义：不论外界发生巨大变化或系统产生不确定性，控制系统能自行调整参数或产生控制作用，使系统仍能按某一性能指标运行在最佳状态的一种控制方法。

自适应控制的理论原理：自适应控制是一种基于数学模型的控制方法，它是自适应控制所依据的关于模型和扰动的先验知识比较少，需要在系统的运行过程中去不断提取有关模型的信息，使模型逐步完善。

9-3 简述鲁棒控制的定义和原理，举出一个应用鲁棒控制的实例。

答：所谓―鲁棒性‖，是指控制系统在一定（结构，大小）的参数摄动下，维持某些性能的特性。根据对性能的不同定义，可分为稳定鲁棒性和性能鲁棒性。以闭环系统的鲁棒性作为目标设计得到的固定控制器称为鲁棒控制器。如何设计一个固定的控制器，使具有不确定性的对象满足控制品质，也就是鲁棒控制。

鲁棒控制的理论原理：鲁棒控制在设计控制器时尽量利用不确定性信息来设计一个控制器,使得不确定参数出现时仍能满足性能指标要求。

鲁棒控制的算法原理：鲁棒控制认为系统的不确定性可用模型集来描述,系统的模型并不唯一,可以是模型集里的任一元素,但在所设计的控制器下,都能使模型集里的元素满足要求。

9-4 简述模糊控制的定义和基本原理。

答：模糊逻辑控制(Fuzzy Logic Control)简称模糊控制(Fuzzy Control)，是以模糊集合论、模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的一种计算机数字控制技术。

模糊控制的理论原理：模糊控制在控制方法上应用模糊集理论、模糊语言变量及模糊逻辑推理的知识来模拟人的模糊思维方法,用计算机实现与操作者相同的控制。该理论以模糊

集合、模糊语言变量和模糊逻辑为基础,用比较简单的数学形式直接将人的判断、思维过程表达出来,从而逐渐得到了广泛应用。

9-5 解释人工神经网络的理论原理和算法原理。

答：人工神经网络控制是20世纪80年代末期发展起来的自动控制领域的前沿学科之一。它是智能控制的一个新的分支，为解决复杂的非线性、不确定、不确知系统的控制问题开辟了新途径。

神经网络控制是（人工）神经网络理论与控制理论相结合的产物，是发展中的学科。它汇集了包括数学、生物学、神经生理学、脑科学、遗传学、人工智能、计算机科学、自动控制等学科的理论、技术、方法及研究成果。

人工神经网络的理论原理：人工神经网络控制就是利用神经网络这种工具从机理上对人脑进行简单结构模拟的新型控制和辨识方法。

9-6 举出一个基于网络控制的实例,并尝试针对其中的一个实际问题进行建模研究。

答：略。

9-7 一阶马尔可夫信源的状态图如题9-17图所示。信源X 的符号集为{0,1, 2}。

(1) 求平稳后信源的概率分布； (2) 求信源的熵H

题9-17图

答：

9-8 设二元对称信道的传递矩阵为，

(1) 若P(0) = 3 4, P(1) =1 4,求H (X ),H (X Y ),H (Y X )和I (X ;Y )； (2) 求该信道的信道容量及其达到信道容量时的输入概率分布。

答：

9-9 解释 ―数字物理系统概念‖，阐述数字物理系统和物联网的关系。

答：数字物理系统（Cyber-Physical Systems，CPS）是计算机驱动的数字世界和物理世界交互的网络系统，该系统通过传感器和执行器将数字系统连接到物理世界，具有关键的监视和控制功能，业界常把这种连接物理系统的网络成为物联网。

对照国际电信联盟有关物联网的定义以及PCAST咨询报告有关CPS定义,我们认为CPS是物联网的专业称呼,侧重于物联网内部的技术内涵;而物联网是CPS的通俗称呼,侧重于CPS在日常生活中的应用。从专业角度看, CPS提供了物联网研究和开发所需要的理论和技术内涵;从应用角度看,物联网提供了CPS未来应用的一个直观画面,更加适合于普及CPS方面的科学知识。物联网的研究和开发应该从CPS入手和深入,而CPS技术和产品的普及和应用可以从物联网角度介绍和举例。

9-10 总结物联网的科学问题及需要解决的难题

答：略