1、1物聯網工程概論習題與思考題答案第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簡述物聯網的定義，分析物聯網的“物”的條件。答：物聯網是通過射頻識別（RFID）、紅外感應器、全球定位系統、激光掃描器等信息傳感設備，按約定的協議，把各種物體與互聯網相連接，進行信息交換和通信，以實現對物體的智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡。特別注意，物聯網中的“物”，不是普通意義的萬事萬物，這里的“物”要滿足以下條件：1、要有相應信息的接收器； 2、要有數據傳輸通路；3、要有一定的存儲功能；4、要有處理運算單元(C

2、PU)；5、要有操作系統；6、要有專門的應用程序；7、要有數據發送器；8、遵循物聯網的通信協議；9、在世界網絡中有可被識別的唯一編號。1-2簡述物聯網應具備的三個特征。答：一是全面感知，即利用射頻識別技術(RFID)、傳感器、二維碼等隨時隨地獲取物體的信息；二是可靠傳遞，通過各種電信網絡與互聯網的融合，將物體的信息實時準確地傳遞出去；三是智能處理，利用云計算，模糊識別等各種智能計算技術，對海量的數據和信息進行分析和處理，對物體實施智能化的控制。1-3簡述15年周期定律和摩爾定律。答：15年周期定律：計算模式每隔15年發生一次變革。摩爾定律：集成電路上可容納的晶體管數目，約每隔18個月便會增加一

3、倍，性能也將提升一倍。1-4名詞解釋：RFID、EPC、ZigBee。答：RFID即射頻識別，俗稱電子標簽，一種自動識別技術，可以快速讀寫、長期跟蹤管理，通過無線射頻方式進行非接觸雙向數據通信對目標加以識別。EPC(Electronic Product Code)，即產品電子代碼，為每一件單品建立全球的、開放的標識標準，實現全球范圍內對單件產品的跟蹤與追溯。ZigBee技術是一種近距離、低復雜度、低功耗、低速率、低本錢的雙向無線通信技術。主要用于距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設備之間進行數據傳輸以及典型的有周期性數據、間歇性數據和低反應時間數據傳輸的應用。1-5簡要概述物聯網的框架結構

4、。答：物聯網可以簡要分為核心層、接入層，軟件核心層主要是應用服務層，硬件接入層包括網絡傳輸層和感知控制層。感知控制層一般包括RFID感應器、傳感器網關、接入網關、RFID標簽、傳感器節點、智能終端等，網絡傳輸層包括無線傳感器網絡、移動通信網絡、互聯網、信息中心、網管中心等；軟件應用服務層是為了管理、維護物聯網以及為完成用戶的某種特定任務而編寫的各種程序的總和。1-6分析物聯網的關鍵技術和應用難點。答：關鍵技術為RFID、無線網絡技術、傳感技術、人工智能技術。應用難點在于其技術標準問題、數據安全問題、IP地址問題、終端問題。1-7舉例說明物聯網的應用領域及前景。答：物聯網應用領域很廣，幾乎可以包

5、含各行各業。目前在環境保護、社區服務、商務金融等方面，例如“移動支付”、 “移動購物”、“ 錢包”、“ 銀行”、“電子機票”等，前景廣闊可觀，應用潛力巨大，無論是服務經濟市場，還是國家戰略需要，物聯網都能占據重要地位。第2章答案2-1 什么是EPC？答：電子產品編碼(Electronic Product Code）2-2 請簡要地敘述EPC系統的組成，以及各個部分的英文簡寫。答：EPC載體、讀寫器、EPC產品管理中間件、網絡、ONS、PML服務器、數據庫等。其中ONS ( Object Naming Servicer，對象名稱解服務器)，它用來把EPC轉化成IP地址，用來定位相應的計算機和完成

6、相應的信息交互服務。PML ( Physical Markup Language，實體標識語言)服務器中，存儲用PML描述的實物信息，如實物名稱、種類、性質、生產日期、生產廠家信息、實物存放位置、實物的使用說明等。2-3 EPC編碼有幾種技術要求？每種要求具體是如何要求的？答：EPC數字信息代表了該產品的生產地區、生產商、生產日期、產品屬性等數據信息。目前的EPC系統中應用的編碼類型主要有三種：64位、96位和256位，EPC由版本號、產品域名管理、產品分類部分和序列號四個字段組成，版本號字段代表了產品所使用的EPC的版本號，這一字段提供了可以編碼的長度。產品域名管理字段標識了該產品生產廠商的

7、具體信息，如廠商名字，負責人以及產地。產品的分類字段部分可以使商品的銷售商能夠方便地對產品進行分類。序列號用于對具體單個產品進行編碼。對于具體的編碼標準現在已經推出有：EPC-96型，EPC-64型、型、型，EPC-256型、型、型等編碼方案。2-4 條形碼分為幾種？請簡要說明每種條形碼的特點。答：條形碼可以有一維的，還有二維條形碼，黑條和空白的排列就代表了商品的產品屬性等特征信息，因而在許多領域有廣泛的應用，因其各自特點差異，其用途也各不相同，日常我們多見到的是一維條碼。在EPC條形碼的編碼方式中在水平和垂直方向的二維空間存儲信息的條碼，稱為二維條碼（2-dimensional bar co

8、de），可直接顯示英文、中文、數字、符號、圖形；存儲數據量大，可存放1k字符，可用掃描儀直接讀取內容，無需另接數據庫；保密性高（可加密）；安全級別最高時，損污50%仍可讀取完整信息。2-5 RFID系統基本組成部分有哪些？答：RFID系統主要由應答器、閱讀器和高層組成。其中應答器是集成電路芯片形式，而集成芯片又根據它的封裝不同表現的形式也不太一樣。閱讀器用于產生射頻載波完成與應答器之間的信息交互的功能。高層功能是信息的管理和決策系統。2-6 電子標簽分為哪幾種？簡述每種標簽的工作原理。答：應答器的基本是由天線、編/解碼器、電源、解調器、存儲器，控制器以及負載電路組成。從應答器傳送信息到閱讀器，

9、狀態數據在CPU的控制下，從存儲器中取出經過編碼器和負載調制單元發送到閱讀器2-7 RFID產品的基本衡量參數有哪些？答：RFID產品的基本衡量參數有工作頻率、讀取距離、讀寫速度、方向性、采用通信接口協議。2-8 簡述天線的工作原理。答：天線是一種以電磁波形式把前端射頻信號功率接收或輻射出去的裝置，是電路與空間的界面器件，用來實現導行波與自由空間波能量的轉化，在電磁能量的轉換過程中，完成信息的交互。2-9 對于拋物面天線，已知它的拋物面直徑為2m，中心工作波長為2cm，根據統計出來的經驗數據，請計算其增益近似為多少。答：對于拋物面天線，可用下式近似計算其增益：G（dBi）= 10 lg 4.5

10、 ×（D / 0）2 式中，D為拋物面直徑；0為中心工作波長；4.5是統計出來的經驗數據。 現在D=2m，中心工作波長0=0.02m，代入公式得G=95.42 dBi。2-10 請說出RFID天線主要分為哪幾種？每種的特點如何？答：RFID天線主要分為近場天線、遠場天線、偶極子天線、微帶貼片天線和電感耦合射頻天線等。近場天線系統工作在天線的近場，標簽所需的能量都是通過電感耦合方式由讀寫器的耦合線圈輻射近場獲得，工作方式為電感耦合。對于超高頻和微波頻段，讀寫器天線要為標簽提供能量或喚醒有源標簽，工作距離較遠，一般位于讀寫器天線的遠場。偶極子天線也稱為對稱振子天線，由兩段同樣粗細和等長的

11、直導線排成一條直線構成。信號從中間的兩個端點饋入，在偶極子的兩臂上將產生一定的電流分布，這種電流分布就會在天線周圍空間激發起電磁場。微帶貼片天線通常是由金屬貼片貼在接地平面上的一片薄層，微帶貼片天線質量輕、體積小、剖面薄，饋線和匹配網絡可以和天線同時制作，與通信系統的印制電路集成在一起，貼片又可采用光刻工藝制造，本錢低、易于大量生產。2-11 試說明HRRFD-NF09的近場天線的性能參數如何？答：HRRFD-NF09的近場天線的天線的物理長度為150mm。工作的頻率范圍為865954GHz，采用了N/SMA接口形式，天線的極化方式為線極化。第3章答案3-1傳感器的定義是什么?它們是如何分類的

12、？答：傳感器是一種能把特定的被測信號，按一定規律轉換成某種可用信號輸出的器件或裝置，以滿足信息的傳輸、處理、記錄、顯示和控制等要求。根據不同的分類方式，有不同的分類。3-2試分析傳感器在各領域里的應用。答：略。3-3傳感器的動態特性、基本概念及主要性能指標的含意是什么?答：傳感器的動態特性，是指其輸出對隨時間變化的輸入量的響應特性。3-4傳感器的主要特性有哪些?答：主要分為靜態特性 和動態特性。衡量靜態特性的重要指標是線性度、靈敏度、遲滯和重復性等。3-5傳感器的誤差大小與其精度、準確度之間的關系是什么?答：略。3-6什么叫傳感器？由哪幾部分組成？它們的作用與相互關系怎樣？答：傳感器由兩個基本

13、元件組成：敏感元件與轉換元件。具體由下圖所示：3-7有兩個傳感器測量系統，其動態特性可以分別用下面兩個微分方程描述，試求這兩個系統的時間常數和靜態靈敏度K。式中，y為輸出電壓，V；T為 輸入溫度，。式中，y為輸出電壓，V；x為輸入壓力，Pa。*10-5V/；0.33s，2.29V/Pa。3-8用一只時間常數=0.318s的一階傳感器去測量周期分別為1s、2s和3s的正弦信號，問幅值相對誤差是多少？答：-55.2% ，-29.3% ，-16.8%。3-9查閱資料，查找半導體氣敏傳感器有哪幾種類型？答：略。3-10什么叫絕對濕度和相對濕度？答：相對濕度，指空氣中水汽壓與飽和水汽壓的百分比。絕對濕度

14、指的是大氣中水汽的密度，即單位大氣中所含水汽的質量。3-11試述濕敏電容式和濕敏電阻式濕度傳感器的工作原理。答：略。3-12超聲波傳感器的基本原理是什么？超聲波探頭有哪幾種結構形式？答：超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器。超聲波振動頻率高于可聽聲波。由換能晶片在電壓的激勵下，發生振動能產生超聲波。超聲波對液體、固體的穿透能力強，在不透明的固體中它可穿透幾十米的深度。超聲波碰到雜質或分界面，會發生顯著反射，形成反射成回波碰到活動物體能產生多普勒效應。超聲波探頭主要由壓電晶片組成，既可以發射超聲波也可以接收超聲波。小功率超聲探頭多用來探測。它有許多不同的結構，可分直探頭、斜探頭、外表波

15、探頭、蘭姆波探頭、雙探頭等。3-13什么是智能傳感器？智能傳感器有哪些實現方式？答：智能傳感器（Intelligent Sensor）是具有信息處理功能的傳感器。智能傳感器主要由傳感器、微處理器（或微計算機）及相關電路組成，包括傳感器、信號調理電路、微處理器、輸出接口等。3-14溫度傳感器是怎么分類的？答：水分子具有較大的電偶極矩。在氫原子附近有極大的正電場，因而它具有很大的電子親和力，使得水分子易于吸附在固體外表并滲透到固體內部。利用水分子這一特性制成的濕度傳感器稱為水分子親和力型傳感器。而把與水分子親和力無關的濕度傳感器，稱為非水分子親和力型傳感器。3-15試述濕度傳感器的應用。答：略。3

16、-16什么是氣體的濕度？什么叫露點？答：大氣的干濕程度通常用絕對濕度和相對濕度來表示。露點：降低溫度可使未飽和水汽變成飽和水汽。3-17電容式濕度傳感器的工作原理是什么？有什么特點？使用時應注意什么問題？答：電容式濕度傳感器的敏感元件為濕敏電容，主要材料一般為高分子聚合物、金屬氧化物。這些材料對水分子有較強的吸附能力，吸附水分的多少隨環境濕度而變化。由于水分子有較大的電偶極矩，吸水后材料的電容率發生變化。電容器的電容值也就發生變化。同樣，把電容值的變化轉變為電信號，就可以對濕度進行監測。3-18超聲波的基本特性？答：它具有頻率高、波長短、繞射現象小的特點，特別是方向性好、能夠成為射線而定向傳播

17、等。3-19簡述半導體氣敏元件制成的外表控制型電阻式傳感器的基本結構及工作原理。答：略。3-20從超聲波的行進方向來看可分為哪兩種基本類型？答：超聲波是一種在彈性介質中的機械振蕩，有兩種形式：橫向振蕩（橫波）及縱向振蕩（縱波）。3-21氣敏傳感器的特性？答：氣敏傳感器的特性主要有靈敏度；響應時間；選擇性；穩定性；溫度特性；濕度特性；電源電壓特性。3-22查找文獻最近有什么新型的氣敏傳感器。答：略。3-23什么是超聲波？答：低于16Hz的機械波稱為次聲波高于2×104Hz的機械波稱為超聲波。3-24簡述超聲波測厚度、液位和流量的原理。答：略。3-25 MEMS的英文名是什么？答：Mic

18、ro-Electro-Mechanical Systems3-26 MEMS的定義是什么？答：完整的MEMS是由微傳感器、微執行器、信號處理和控制電路、通信接口和電源等部件組成的一體化的微型器件系統。3-27 MEMS的優點和特點是什么？答：MEMS器件和系統具有體積小、重量輕、功耗低、本錢低、可靠性高、性能優異、功能強大、可以批量生產等傳統機械無法比較的優點。3-28傳感器接口特點是什么？傳感器的輸出信號有什么特點？答：傳感器輸出信號的處理主要由傳感器的接口電路完成。因此傳感器接口電路應具有一定的信號預處理能力。經預處理后的信號應成為可供測量、控制使用及便于向微型計算機輸入的信號形式。一般來

19、說傳感器輸出信號具有如下特點：輸出信號比較微弱有的傳感器輸出電壓僅有0.1V。這就要求接口電路必須有一定的放大能力。 輸出阻抗比較高這樣會使傳感器信號輸入到測量電路時產生較大的信號衰減。輸出信號動態范圍很寬。輸出信號隨著輸入物理量的變化而變化，但它們之間的關系不一定是線性比例關系。3-29傳感器與微型計算機接口的一般結構是什么？輸入通道和輸出通道的特點是什么？答：傳感器與微型計算機接口的一般結構：輸入通道的特點： 輸入通道的結構類型取決于傳感器送來的信號大小和類型。由于被測量和信號轉換的差異，輸入通道會有不同的類型。 輸入通道的主要技術指標是信號轉換精度和實時性，后者為實時檢測和控制系統的特殊

20、要求。對輸入通道技術指標的要求是選擇通道中有關器件的依據。 輸入通道是一個模擬、數字信號混合的電路，其功耗小，一般沒有功率驅動要求。 被測信號所在的現場可能存在各種電磁干擾。這些于擾會與被測信號一起從輸入通道進入微機，影響測量和控制精度，甚至使微機無法正常工作，因此在輸入通道中必采取措施。輸出通道的特點： 通道的結構取決于系統要求，其中的信號有數字量和模擬量兩大類，要用到的轉換器件是DA轉換器。 微機輸出信號的電平和功率都很小，而被控裝置所要求的信號電平和功率往鉸比較大，因此在輸出通道中要有功率放大，即輸出驅動環節。 輸出通道連接被控裝置的執行機構，各種電磁干擾會經通道進入被控裝置，因此必須在

21、輸出通道中采取抗干擾措施。3-30電橋電路的主要作用是什么？可以分為哪幾種？答：電橋電路是傳感器檢測電路中經常使用的電路，主要用來把傳感器的電阻、電容、電感變化轉換為電壓或電流。分為直流電橋、 交流電橋和放大電路3-31繪出基本放大電路的電路圖。答：略。3-32放大電路有哪3種形式?輸出信號的表達形式分別是什么？答：1 反向放大：2 同向放大：3 差動放大：第4章答案4-1傳感器節點在實現各種網絡協議和應用系統時，存在哪些現實約束？答：傳感器節點在實現各種網絡協議和應用系統時，存在以下一些現實約束。傳感器節點體積微小，通常攜帶能量十分有限的電池。由于傳感器節點個數多、本錢要求低廉、分布區域廣，

22、而且部署區域環境復雜，有些區域甚至人員不能到達，所以傳感器節點通過更換電池的方式來補充能源是不現實的。如何高效使用能量來最大化網絡生命周期是傳感器網絡面臨的首要挑戰。如何讓網絡通信更有效率，減少不必要的轉發和接收，不需要通信時盡快進入睡眠狀態，是傳感器網絡協議設計需要重點考慮的問題。無線通信的能量消耗與通信距離的關系為：其中，參數n滿足關系2<n<4。n的取值與很多因素有關，例如傳感器節點部署貼近地面時，障礙物多干擾大，n的取值就大；天線質量對信號發射質量的影響也很大?？紤]諸多因素，通常取n為3，即通信能耗與距離的三次方成正比。隨著通信距離的增加，能耗將急劇增加。因此，在滿足通信連

23、通度的前提下應盡量減少單跳通信距離。由于節點能量的變化，受高山、建筑物、障礙物等地勢地貌以及風雨雷電等自然環境的影響，無線通信性能可能經常變化，頻繁出現通信中斷。在這樣的通信環境和節點有限通信能力的情況下，如何設計網絡通信機制以滿足傳感器網絡的通信需求是傳感器網絡面臨的挑戰之一。傳感器節點是一種微型嵌入式設備，要求它價格低功耗小，這些限制必然導致其攜帶的處理器能力比較弱，存儲器容量比較小。為了完成各種任務，傳感器節點需要完成監測數據的采集和轉換、數據的管理和處理、應答會聚節點的任務請求和節點控制等多種工作。如何利用有限的計算和存儲資源完成諸多協同任務成為傳感器網絡設計的挑戰。4-2舉例說明無線

24、傳感器網絡的應用領域。答：傳感器網絡的應用前景非常廣闊，能夠廣泛應用于軍事、環境監測和預報、健康護理、智能家居、建筑物狀態監控、復雜機械監控、城市交通、空間探索、大型車間和倉庫管理，以及機場、大型工業園區的安全監測等領域。隨著傳感器網絡的深入研究和廣泛應用，傳感器網絡將逐漸深入到人類生活的各個領域。傳感器網絡具有可快速部署、可自組織、隱蔽性強和高容錯性的特點，因此非常適合在軍事上應用。利用傳感器網絡能夠實現對敵軍兵力和裝備的監控、戰場的實時監視、目標的定位、戰場評估、核攻擊和生物化學攻擊的監測和搜索等功能。通過飛機或炮彈直接將傳感器節點播撒到敵方陣地內部，或者在公共隔離帶部署傳感器網絡，就能夠

25、非常隱蔽而且近距離準確地收集戰場信息，迅速獲取有利于作戰的信息。傳感器網絡是由大量的隨機分布的節點組成的，即使一部分傳感器節點被敵方破壞，剩下的節點依然能夠自組織地形成網絡。傳感器網絡可以通過分析采集到的數據，得到十分準確的目標定位，從而為火控和制導系統提供精確的制導。利用生物和化學傳感器，可以準確地探測到生化武器的成分，及時提供情報信息，有利于正確防范和實施有效的反擊。隨著人們對于環境的日益關注，環境科學所涉及的范圍越來越廣泛。傳感器網絡在環境研究方面可用于監視農作物灌溉情況、土壤空氣情況、牲畜和家禽的環境狀況和大面積的地表監測等，可用于行星探測、氣象和地理研究、洪水監測等，還可以通過跟蹤鳥

26、類、小型動物和昆蟲進行種群復雜度的研究等。類似地，傳感器網絡可實現對森林環境監測和火災報告，傳感器節點被隨機密布在森林之中，平常狀態下定期報告森林環境數據，當發生火災時，這些傳感器節點通過協同合作會在很短的時間內將火源的具體地點、火勢的大小等信息傳送給相關部門。傳感器網絡在醫療系統和健康護理方面的應用包括監測人體的各種生理數據，跟蹤和監控醫院內醫生和患者的行動，醫院的藥物管理等。如果在住院病人身上安裝特殊用途的傳感器節點，如心率和血壓監測設備，醫生利用傳感器網絡就可以隨時了解被監護病人的病情，發現異常能夠迅速搶救。將傳感器節點按藥品種類分別放置，計算機系統即可幫助識別所開的藥品，從而減少病人用

27、錯藥的可能性。還可以利用傳感器網絡長時間地收集人體的生理數據，這些數據對了解人體活動機理和研制新藥品都是非常有用的。傳感器網絡能夠應用在家居中。在家電和家具中嵌入傳感器節點，通過無線網絡與Internet連接在一起，將會為人們提供更加舒適、方便和更具人性化的智能家居環境。利用遠程監控系統，可完成對家電的遠程遙控，例如可以在回家之前半小時打開空調，這樣回家的時候就可以直接享受適合的室溫，也可以遙控電飯鍋、微波爐、電冰箱、 機、電視機、錄像機、電腦等家電，按照自己的意愿完成相應的煮飯、燒菜、查收 留言、選擇錄制電視和電臺節目以及下載網上資料到電腦中等工作，也可以通過圖像傳感設備隨時監控家庭安全情況

28、。利用傳感器網絡可以建立智能幼兒園，監測孩童的早期教育環境，跟蹤孩童的活動軌跡，可以讓父母和老師全面地研究學生的學習過程。建筑物狀態監控（Structure Health Monitoring，SHM）是利用傳感器網絡來監控建筑物的安全狀態。由于建筑物不斷修補，可能會存在一些安全隱患。雖然地殼偶爾的小振動可能不會帶來看得見的損壞，但是也許會在支柱上產生潛在的裂縫，這個裂縫可能會在下一次地震中導致建筑物倒塌。用傳統方法檢查，往往要將大樓關閉數月。采用傳感器網絡，可以讓大樓、橋梁和其他建筑物能夠自身感覺并意識到它們本身的狀況，使得安裝了傳感器網絡的智能建筑自動告訴管理部門它們的狀態信息，并且能夠自

29、動按照優先級來進行一系列自我修復工作。未來的各種摩天大樓可能就會裝備這種類似紅綠燈的裝置，從而建筑物可自動告訴人們當前是否安全、穩固程度如何等信息。復雜機械的維護經歷了“無維護”、“定時維護”以及“基于情況的維護”三個階段。采用“基于情況的維護”方式能夠優化機械的使用，保持過程更加有效，并且保證制造本錢仍然低廉。其維護開銷分為幾個部分：設備開銷、安裝開銷和人工收集分析機械狀態數據的開銷。采用無線傳感器網絡能夠降低這些開銷，特別是能夠去掉人工開銷。尤其是目前數據處理硬件技術的飛速發展和無線收發硬件的發展，新的技術已經成熟，可以使用無線技術避免昂貴的線纜連接，采用專家系統自動實現數據的采集和分析。

30、傳感器網絡可以應用于空間探索。借助于航天器在外星體撒播一些傳感器節點，可以對星球外表進行長時間的監測。這種方式本錢很低，節點體積小，相互之間可以通信，也可以和地面站進行通信。4-3傳感器節點由哪幾部分組成？答：傳感器節點由傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和能量供應模塊四部分組成。傳感器模塊負責監測區域內信息的采集和數據轉換；處理器模塊負責控制整個傳感器節點的操作，存儲和處理本身采集的數據以及其他節點發來的數據；無線通信模塊負責與其他傳感器節點進行無線通信，交換控制消息和收發采集數據；能量供應模塊為傳感器節點提供運行所需的能量，通常采用微型電池。4-4簡述無線傳感器網絡各層協議和平臺的功能。

31、答：協議棧包括物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層和應用層，與互聯網協議棧的五層協議相對應。另外，協議棧還包括能量管理平臺、移動管理平臺和任務管理平臺。這些管理平臺使得傳感器節點能夠按照能源高效的方式協同工作，在節點移動的傳感器網絡中轉發數據，并支持多任務和資源共享。各層協議和平臺的功能如下：l 物理層提供簡單但健壯的信號調制和無線收發技術；l 數據鏈路層負責數據成幀、幀檢測、媒體訪問和差錯控制；l 網絡層主要負責路由生成與路由選擇；l 傳輸層負責數據流的傳輸控制，是保證通信服務質量的重要部分；l 應用層包括一系列基于監測任務的應用層軟件；l 能量管理平臺管理傳感器節點如何使用能源，在各個協議層

32、都需要考慮節省能量；l 移動管理平臺檢測并注冊傳感器節點的移動，維護到會聚節點的路由，使得傳感器節點能夠動態跟蹤其鄰居的位置；l 任務管理平臺在一個給定的區域內平衡和調度監測任務。4-5無線傳感器網絡具有何顯著特點？答：無線傳感器網絡具有以下的特點：為了獲取精確信息，在監測區域通常部署大量傳感器節點，傳感器節點數量可能達到成千上萬，甚至更多。傳感器網絡的大規模性包括兩方面的含義：一方面是傳感器節點分布在很大的地理區域內，如在原始大森林采用傳感器網絡進行森林防火和環境監測，需要部署大量的傳感器節點；另一方面，傳感器節點部署很密集，在一個面積不是很大的空間內，密集部署了大量的傳感器節點。傳感器網絡

33、的大規模性具有如下優點：通過不同空間視角獲得的信息具有更大的信噪比；通過分布式處理大量的采集信息能夠提高監測的精確度，降低對單個傳感器節點的精度要求；大量冗余節點的存在，使得系統具有很強的容錯性能；大量節點能夠增大覆蓋的監測區域，減少洞穴或者盲區。在傳感器網絡應用中，通常情況下傳感器節點被放置在沒有基礎結構的地方。傳感器節點的位置不能預先精確設定，節點之間的相互鄰居關系預先也不知道，如通過飛機播撒大量傳感器節點到面積廣闊的原始森林中，或隨意放置到人不可到達或危險的區域。這樣就要求傳感器節點具有自組織的能力，能夠自動進行配置和管理，通過拓撲控制機制和網絡協議自動形成轉發監測數據的多跳無線網絡系統

34、。3多跳路由網絡中節點通信距離有限，一般在幾十到幾百米范圍內，節點只能與它的鄰居直接通信。如果希望與其射頻覆蓋范圍之外的節點進行通信，則需要通過中間節點進行路由。網絡的多跳路由使用網關和路由器來實現，而無線傳感器網絡中的多跳路由是由普通網絡節點完成的，沒有專門的路由設備。這樣每個節點既可以是信息的發起者，也可以是信息的轉發者。傳感器網絡的拓撲結構可能因為以下因素而改變：環境因素或電能耗盡造成的傳感器節點出現故障或失效；環境條件變化可能造成無線通信鏈路帶寬變化，甚至時斷時通；傳感器網絡的傳感器、感知對象和觀察者這三要素都可能具有移動性；新節點的參加。這就要求傳感器網絡系統要能夠適應這種變化，具有

35、動態的系統可重構性。傳感器網絡特別適合部署在惡劣環境或人類不宜到達的區域，傳感器節點可能工作在露天環境中，遭受太陽的暴曬或風吹雨淋，甚至遭到無關人員或動物的破壞。傳感器節點往往采用隨機部署，如通過飛機撒播或發射炮彈到指定區域進行部署。這些都要求傳感器節點非常鞏固，不易損壞，適應各種惡劣環境條件。由于監測區域環境的限制以及傳感器節點數目巨大，不可能人工“照顧”每個傳感器節點，網絡的維護十分困難甚至不可維護。傳感器網絡的通信保密性和安全性也十分重要，要防止監測數據被盜取和獲取偽造的監測信息。因此，傳感器網絡的軟硬件必須具有魯棒性和容錯性。傳感器網絡是任務型的網絡，脫離傳感器網絡談論傳感器節點沒有任

36、何意義。傳感器網絡中的節點采用節點編號標識，節點編號是否需要全網唯一取決于網絡通信協議的設計。由于傳感器節點隨機部署，構成的傳感器網絡與節點編號之間的關系是完全動態的，表現為節點編號與節點位置沒有必然聯系。用戶使用傳感器網絡查詢事件時，直接將所關心的事件通告給網絡，而不是通告給某個確定編號的節點。網絡在獲得指定事件的信息后匯報給用戶。這種以數據本身作為查詢或傳輸線索的思想更接近于自然語言交流的習慣。所以通常說傳感器網絡是一個以數據為中心的網絡。傳感器網絡用來感知客觀物理世界，獲取物理世界的信息量。客觀世界的物理量多種多樣，不可窮盡。不同的傳感器網絡應用關心不同的物理量，因此對傳感器的應用系統也

37、有多種多樣的要求。不同的應用背景對傳感器網絡的要求不同，其硬件平臺、軟件系統和網絡協議必然會有很大差別。所以傳感器網絡不能像Internet一樣，有統一的通信協議平臺。對于不同的傳感器網絡應用雖然存在一些共性問題，但在開發傳感器網絡應用中，更關心傳感器網絡的差異。只有讓系統更貼近應用，才能做出最高效的目標系統。針對每一個具體應用來研究傳感器網絡技術，這是傳感器網絡設計不同于傳統網絡的顯著特征。4-6基于距離的定位的方法分為：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，比較這四種方法的優缺點。答：基于TOA的定位精度高，但要求節點間保持精確的時間同步，因此對傳感

38、器節點的硬件和功耗提出了較高的要求。TDOA技術對硬件的要求高，本錢和能耗使得該種技術對低能耗的傳感器網絡提出了挑戰。但是TDOA技術測距誤差小，有較高的精度。AOA定位不僅能確定節點的坐標，還能提供節點的方位信息。但AOA測距技術易受外界環境影響，且AOA需要額外硬件，在硬件尺寸和功耗上不適用于大規模的傳感器網絡。在實驗環境中RSSI表現出良好的特性，但是在現實環境中，溫度、障礙物、傳播模式等條件往往都是變化的，使得該技術在實際應用中仍然存在困難。4-7無線傳感器網絡為什么要使用時間同步機制，時間同步機制的主要性能參數包括哪些？答：在無線傳感器網絡系統中，單個節點的能力非常有限，整個系統所要

39、實現的功能需要網絡內所有節點互相配合共同完成。時間同步在無線傳感器網絡中起著非常重要的作用。在分布式系統中，不同的節點都有自己的本地時鐘。由于不同節點的晶體振蕩器頻率存在偏差，以及溫度變化和電磁波干擾等，即使在某個時刻所有節點都達到時間同步，它們的時間也會逐漸出現偏差，而分布式系統的協同工作需要節點間的時間同步，因此時間同步機制是分布式系統基礎框架的一個關鍵機制。傳感器網絡應用的多樣性導致了對時間同步機制需求的多樣性，不可能用一種時間同步機制滿足所有的應用要求。傳感器網絡的時間同步機制的主要性能參數如下：（1）最大誤差：一組傳感器節點之間的最大時間差量，或相對外部標準時間的最大差量。通常情況下

40、，最大誤差隨著需要同步的傳感器網絡范圍的增大而增加。（2）同步期限：節點間需要一直保持時間同步的時間長度，傳感器網絡需要在各種時間長度內保持時間同步，從瞬間同步到伴隨網絡存在的永久同步。（3）同步范圍：需要節點間時間同步的區域范圍，這個范圍可以是地理范圍，如以米度量的距離；也可以是邏輯距離，如網絡的跳數。（4）可用性：指在范圍內的覆蓋完整性，有些時間同步機制能夠同步區域內的每個節點，基于網絡的機制通常能夠同步每個節點，而有些機制對硬件要求高，僅能同步部分節點，如GPS系統。（5）效率：達到同步精度所經歷的時間以及消耗的能量。需要交換的同步消息越多，經歷的時間越長，消耗的網絡能量就越大，同步的效

41、率相對就越低。（6）代價和體積：時間同步可能需要特定硬件，在傳感器網絡中需要考慮部件的價格和體積，這對傳感器網絡非常重要。4-8無線傳感器網絡的安全研究要解決哪些問題？答：無線傳感器網絡的安全和一般網絡安全的出發點是相同的，都要解決如下問題：（1）機密性問題。所有敏感數據在存儲和傳輸的過程中都要保證其機密性，讓任何人在截獲物理通信信號的時候不能直接獲得消息內容。（2）點到點的消息認證問題。網絡節點在接收到另外一個節點發送過來的消息時，能夠確認這個數據包確實是從該節點發送出來的，而不是別人冒充的。（3）完整性鑒別問題。網絡節點在接收到一個數據包的時候，能夠確認這個數據包和發出來的時候一模一樣，沒

42、有被中間節點篡改或者在傳輸中通信出錯。（4）新鮮性問題。數據本身具有時效性，網絡節點能夠判斷最新接收到的數據包是發送者最新產生的數據包。造成新鮮性問題一般有兩種原因：一是由網絡多路徑延時的非確定性導致數據包的接收錯序而引起，二是由惡意節點的重放（replay）攻擊而引起。（5）認證組播/播送問題。認證組播/播送解決的是單一節點向一組節點/所有節點發送統一通告的認證安全問題。認證播送的發送者是一個，而接收者是很多個，所以認證方法和點到點通信認證方式完全不同。在SPINS安全框架中將詳細分析播送認證問題。（6）安全管理問題。安全管理包括安全引導和安全維護兩個部分。安全引導是指一個網絡系統從分散的、

43、獨立的、沒有安全通道保護的個體集合，按照預定的協議機制，逐步形成統一完整的、具有安全信道保護的、連通的安全網絡的過程。4-9與傳統網絡的路由協議相比，無線傳感器網絡的路由協議具有哪些特點？答：與傳統網絡的路由協議相比，無線傳感器網絡的路由協議具有以下特點：（1）能量優先。傳統路由協議在選擇最優路徑時，很少考慮節點的能量消耗問題。而無線傳感器網絡中節點的能量有限，延長整個網絡的生存期成為傳感器網絡路由協議設計的重要目標，因此需要考慮節點的能量消耗以及網絡能量均衡使用的問題。（2）基于局部拓撲信息。無線傳感器網絡為了節省通信能量，通常采用多跳的通信模式，而節點有限的存儲資源和計算資源，使得節點不能

44、存儲大量的路由信息，不能進行太復雜的路由計算。在節點只能獲取局部拓撲信息和資源有限的情況下，如何實現簡單高效的路由機制是無線傳感器網絡的一個基本問題。（3）以數據為中心。傳統的路由協議通常以地址作為節點的標識和路由的依據，而無線傳感器網絡中大量節點隨機部署，所關注的是監測區域的感知數據，而不是具體哪個節點獲取的信息，不取決于全網唯一的標識。傳感器網絡通常包含多個傳感器節點到少數會聚節點的數據流，按照對感知數據的需求、數據通信模式和流向等，以數據為中心形成消息的轉發路徑。（4）應用相關。傳感器網絡的應用環境千差萬別，數據通信模式不同，沒有一個路由機制適合所有的應用，這是傳感器網絡應用相關性的一個

45、體現。設計者需要針對每一個具體應用的需求，設計與之適應的特定路由機制。4-10四種類型的路由協議分別是什么？答：從具體應用的角度出發，根據不同應用對傳感器網絡各種特性的敏感度不同，將路由協議分為四種類型。四種類型的路由協議分別是：（1）能量感知路由協議。高效利用網絡能量是傳感器網絡路由協議的一個顯著特征，早期提出的一些傳感器網絡路由協議往往僅考慮了能量因素。為了強調高效利用能量的重要性，在此將它們劃分為能量感知路由協議。能量感知路由協議從數據傳輸中的能量消耗出發，討論最優能量消耗路徑以及最長網絡生存期等問題。（2）基于查詢的路由協議。在諸如環境檢測、戰場評估等應用中，需要不斷查詢傳感器節點采集

46、的數據，會聚節點（查詢節點）發出任務查詢命令，傳感器節點向查詢節點報告采集的數據。在這類應用中，通信流量主要是查詢節點和傳感器節點之間的命令和數據傳輸，同時傳感器節點的采樣信息在傳輸路徑上通常要進行數據融合，通過減少通信流量來節省能量。（3）地理位置路由協議。在諸如目標跟蹤類應用中，往往需要喚醒距離跟蹤目標最近的傳感器節點，以得到關于目標的更精確位置等相關信息。在這類應用中，通常需要知道目的節點的精確或者大致地理位置。把節點的位置信息作為路由選擇的依據，不僅能夠完成節點路由功能，還可以降低系統專門維護路由協議的能耗。（4）可靠的路由協議。無線傳感器網絡的某些應用對通信的服務質量有較高要求，如可

47、靠性和實時性等。而在無線傳感器網絡中，鏈路的穩定性難以保證，通信信道質量比較低，拓撲變化比較頻繁，要實現服務質量保證，需要設計相應的可靠的路由協議。4-11在設計無線傳感器網絡的MAC協議時，需要著重考慮哪幾個方面？答：在設計無線傳感器網絡的MAC協議時，需要著重考慮以下幾個方面：（1）節省能量。傳感器網絡的節點一般是以干電池、紐扣電池等提供能量，而且電池能量通常難以進行補充，為了長時間保證傳感器網絡的有效工作，MAC協議在滿足應用要求的前提下，應盡量節省使用節點的能量。（2）可擴展性。由于傳感器節點數目、節點分布密度等在傳感器網絡生存過程中不斷變化，節點位置也可能移動，還有新節點參加網絡的問

48、題，所以無線傳感器網絡的拓撲結構具有動態性。MAC協議也應具有可擴展性，以適應這種動態變化的拓撲結構。（3）網絡效率。網絡效率包括網絡的公平性、實時性、網絡吞吐量以及帶寬利用率等。4-12在無線傳感器網絡中可能造成網絡能量浪費的主要原因包括哪幾方面？答：可能造成網絡能量浪費的主要原因包括如下幾方面：（1）如果MAC協議采用競爭方式使用共享的無線信道，節點在發送數據的過程中，可能會引起多個節點之間發送的數據產生碰撞。這就需要重傳發送的數據，從而消耗節點更多的能量。（2）節點接收并處理不必要的數據。這種串音（over hearing）現象造成節點的無線接收模塊和處理器模塊消耗更多的能量。（3）節點

49、在不需要發送數據時一直保持對無線信道的空閑偵聽（idle listening），以便接收可能傳輸給自己的數據。這種過度的空閑偵聽或者沒必要的空閑偵聽同樣會造成節點能量的浪費。（4）在控制節點之間的信道分配時，如果控制消息過多，也會消耗較多的網絡能量。4-13按照采用固定分配信道方式還是隨機訪問信道方式可將傳感器網絡的MAC協議分為哪三類？答：按照以下條件分類MAC協議：第一，采用分布式控制還是集中控制；第二，使用單一共享信道還是多個信道；第三，采用固定分配信道方式還是隨機訪問信道方式。按照第三種分類方法，將傳感器網絡的MAC協議分為三類：（1）采用無線信道的時分復用方式，給每個傳感器節點分配固

50、定的無線信道使用時段，從而避免節點之間的相互干擾；（2）采用無線信道的隨機競爭方式，節點在需要發送數據時隨機使用無線信道，重點考慮盡量減少節點間的干擾；（3）其他MAC協議，如通過采用頻分復用或者碼分復用等方式，實現節點間無沖突的無線信道的分配。4-14在傳感器網絡中，為什么要對網絡進行拓撲結構控制與優化。答：在傳感器網絡中，網絡的拓撲結構控制與優化有著十分重要的意義，主要表現在以下幾個方面：（1）影響整個網絡的生存時間。傳感器網絡的節點一般采用電池供電，節省能量是網絡設計主要考慮的問題之一。拓撲控制的一個重要目標就是在保證網絡連通性和覆蓋度的情況下，盡量合理高效地使用網絡能量，延長整個網絡的

51、生存時間。（2）減小節點間通信干擾，提高網絡通信效率。傳感器網絡中節點通常密集部署，如果每個節點都以大功率進行通信，會加劇節點之間的干擾，降低通信效率，并造成節點能量的浪費。另一方面，如果選擇太小的發射功率，會影響網絡的連通性。所以，拓撲控制中的功率控制技術是解決這個矛盾的重要途徑之一。（3）為路由協議提供基礎。在傳感器網絡中，只有活動的節點才能夠進行數據轉發，而拓撲控制可以確定由哪些節點作為轉發節點，同時確定節點之間的鄰居關系。（4）影響數據融合。傳感器網絡中的數據融合指傳感器節點將采集的數據發送給骨干節點，骨干節點進行數據融合，并把融合結果發送給數據收集節點。而骨干節點的選擇是拓撲控制的一

52、項重要內容。（5）彌補節點失效的影響。傳感器節點可能部署在惡劣環境中，在軍事應用中甚至部署在敵方區域中，所以很容易受到破壞而失效。這就要求網絡拓撲結構具有魯棒性以適應這種情況。4-15傳感器網絡拓撲控制主要研究的問題是什么？答：傳感器網絡拓撲控制主要研究的問題是：在滿足網絡覆蓋度和連通度的前提下，通過功率控制和骨干網節點選擇，剔除節點之間不必要的通信鏈路，形成一個數據轉發的優化網絡結構。具體地講，傳感器網絡中的拓撲控制按照研究方向可以分為兩類：節點功率控制和層次型拓撲結構組織。功率控制機制調節網絡中每個節點的發射功率，在滿足網絡連通度的前提下，均衡節點的單跳可達鄰居數目。層次型拓撲控制利用分簇

53、機制，讓一些節點作為簇頭節點，由簇頭節點形成一個處理并轉發數據的骨干網，其他非骨干網節點可以暫時關閉通信模塊，進入休眠狀態以節省能量。4-16LR-WPAN具有哪些特點？答：低速WPAN(LR-WPAN)是按照IEEE802.15.4標準，為近距離聯網設計的。IEEE 802.15.4標準包括工業監控和組網、辦公和家庭自動化與控制、庫存管理、人機接口裝置以及無線傳感器網絡等。網絡具有如下特點：l 實現250kbit/s，40kbit/s，20kbit/s三種傳輸速率。l 支持星形或者點對點兩種網絡拓撲結構。l 具有16位短地址或者64位擴展地址。l 支持沖突避免載波多路偵聽技術（carrier

54、 sense multiple access with collision avoidance，CSMA-CA）。l 用于可靠傳輸的全應答協議。l 低功耗。l 能量檢測（Energy Detection， ED）。l 鏈路質量指示（Link Quality Indication，LQI）。l 在2450MHz頻帶內定義了16個通道；在915MHz頻帶內定義了10個通道；在868MHz頻帶內定義了1個通道。4-17簡述IEEE的兩種拓撲結構。答：IEEE定義了兩種不同類型的設備：一種是完整功能設備（Full-Functional Device，FFD），另一種是簡化功能設備（Reduced-Fu

55、nctional Device，RFD）。全功能設備（FFD）具有以下幾個特點：能夠在任何拓撲結構中工作；能夠成為網絡中的主協調器；能夠成為一個協調器；能夠同任何其他設備進行通信。簡化功能設備（RFD）具有以下幾個特點：被限制在星形網絡拓撲中；不能夠成為網絡協調器；只能夠同網絡中的協調器進行通信；實現起來非常簡單。由于RFD非常簡單，就像一個電燈開關或者一個紅外線傳感器，它們不需要發送大量的數據，并且一次只能同一個FFD關聯，因此，RFD能夠使用很少的資源和存儲空間。4-18簡述ZigBee協議與IEEE802.15.4標準的聯系與區別。答：IEEE802.15.4僅定義了物理層和MAC層的標

56、準?；贗EEE802.15.4標準的ZigBee技術是一種新興的近距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低本錢的無線通信技術。ZigBee協議棧建立在IEEE802.15.4的PHY層和MAC子層標準之上。它實現了網絡層和應用層。IEEE802.15.4標準有IEEE負責制定，而ZigBee協議由ZigBee聯盟制定。4-19數據融合具有哪些顯著特點。答：數據融合具有如下4個顯著特點：1）信息的冗余性：同一個信號可能被不同傳感器捕獲，去除不必要的重復信息；2）信息的互補性：一種傳感器捕獲一種特征，多種特征的結合將獲得更全面信息；3）信息處理的及時性：多傳感器的并行采集與處理；4）信息處理的低本

57、錢性：為獲得準確信息，可用多種廉價的傳感器協作來代替單個功能強大但高價的傳感器。4-20根據多傳感器數據融合模型定義方法和無線傳感器網絡自身特點，數據融合可劃分為哪些不同的型式？答：根據多傳感器數據融合模型定義方法和無線傳感器網絡自身特點，數據融合可根據節點處理層次、融合前后的數據信息量、信息抽象層次的不同而劃分為不同的型式。根據節點處理的層次，可分為集中式融合和分布式融合。根據融合前后數據信息量的變化，可分為無損融合和有損融合。根據信息抽象層次，可分為數據級融合、特征級融合、決策級融合。第5章答案5-1請簡述M2M技術的定義。答：隨著各種信息通信手段（如Internet、遙感勘測、遠程信息處理、遠程控制等）的發展，加之地球上各類設備的不斷增加，人們開始越來越多的關注于如何對設備和資產進行有效監視和控制，甚至如何用設備控制設備“M2M”理念由此起源。M2M（Machine/Man-to-Machine/Man）是一種以機器智能交互為核心的、網絡化的應用與服務。簡單地說，M2M是指機器之間的互聯互通。廣義上來說，M2M可代表機器對機器、人對機器、機器對人、移動網絡對機器之間的連接與通信，它涵蓋了所有實現在人、機器、系統之間建立通信連接的技術和手段。5-2為什么