《物联网通信技术及应用》习题参考答案.pdf

1 物联网通信技术及应用 物联网通信技术及应用 清华大学出版社 清华大学出版社范立南范立南 莫晔莫晔 等编著等编著 习题参考答案习题参考答案 第第 1 章章 1 填空题 1 网络传输层 2 短距离通信技术 3 射频信号 4 无线传感器 5 控制室设备 6 扩频技术 7 业务融合 8 云计算 2 选择题 1 D 2 A 3 A 4 B 5 B 6 A 7 C 8 B 9 A 10 C 3 简答题 1 物联网就是物物相连的互联网 这有两层意思 其一 物联网的核心和基础仍然 是互联网 是在互联网基础上的延伸和扩展的网络 其二 其用户端延伸和扩展到了任何物 品与物品之间 进行信息交换和通信 也就是物物相息 它由三个层次构成 即信息的感知层 网络传输层和应用层 贯穿这三个层次是公共支 撑层 其作用是为整个物联网安全 有效地运行提供保障 2 RFID 射频识别技术 蓝牙技术 ZigBee 技术 IRDA 红外连接技术 近距离 无线通信 NFC Wi Fi 超宽带技术 UWB Ultra Wideband 3 M2M技术 Wireless HART技术 无线个域网 WPAN 移动通信 4 设计题 1 RFID 标签卡配置于每个老人的腕带上 当老人佩戴的腕带经过每一个检查点时 读写器将从老人的 RFID 卡上读取老人的身份信息 并把信息发送到监控终端 监控终端便知 道该老人刚从某个区域移动至另一个区域 2 人员管理 该功能允许管理人员在监控终端通过电脑查询全部老人的当前位置分布 情况 以及每个老人当前的具体位置和健康状态 如血压 体温 心率等 事件处理 该功能允许管理人员进行紧急事件处理 如接收老人腕带发出的警报以 便及时处理 或者接收老人的紧急呼叫请求等事件 语音广播 该功能允许管理人员在某些情况下进行广播 发送警报 该功能用于老人与监控终端进行通信 当佩戴腕带终端的老人摔倒 健 康信息异常 或者需要服务时向监控终端发出呼叫信息 2 第第 2 章章 1 填空题 1 信息 2 噪声 3 模拟 4 基带 频带 载波 5 并行 2 选择题 1 C 2 A 3 C 4 A 5 D 3 简答题 1 通信的目的是传递消息中包含的信息 2 发送端发出的消息 需要经过一个数据通道 才能将数据传送到对方 这个数据 通道称为信道 它是一个物理传输媒介 3 通信系统的一般模型是指由信息源 发送设备 信道 接收设备 受信者 噪声 源几个组成部分构成的模型 其中 信息源和发送设备可以合称为 发送端 接收设备和受信者可以合称为 接收 端 4 在模拟通信过程中 本质是利用模拟信号来传递信息 在这个传递过程中 有如 下两个变换 一个变换 是模拟消息和原始电信号之间的变换 模拟消息 原始电信号 基带信号 另一个变换 是基带信号与带通信号之间的变换 基带信号 已调信号 带通信号 5 发送端增加了信源编码 加密 信道编码部分 接收端增加了信道译码 解密 信源译码部分 信源编码与译码的目的是提高信息传输的有效性 完成模 数转换 加密与解密目的是 保证所传信息的安全 信道编码与译码目的是增强抗干扰能力 6 按通信业务分类 电报通信系统 电话通信系统 数据通信系统和图像通信系统 按调制方式分类 基带传输系统和带通传输系统 按信号特征分类 模拟通信系统和数字通信系统 按传输媒介分类 有线通信系统和无线通信系统 按工作波段分类 长波通信 中波通信 短波通信和微波通信 按信号复用方式分类 频分复用 时分复用 码分复用 波分复用 7 有效性 用传输速率和频带利用率来衡量 可靠性 常用误码率和误信率表示 4 计算题 此消息中 0 出现 23 次 1 出现 14 次 2 出现 13 次 3 出现 7 次 共有 57 个符号 所以该消息的信息量为 3 545 107 37213214415 123 87413414 3 8 23 8 1 7 4 1 13 4 1 14 8 3 23 loglogloglog loglogloglog 2222 2222 b I 每个符号的算术平均信息量为 符号 符号数 89 1 57 545 107 b I I 第第 3 章章 1 填空题 1 最短跳数 2 协议栈 3 IEEE802 15 4 4 CSMA CA 5 网络深度 6 AES 128 7 30 8 物理层 数据链路层 网络层 9 数据链路层 10 ZigBee 联盟 11 数据实体 12 PHD 13 868 915MHz 14 27 15 1 16 路由发现表 17 逻辑链路控制子层 18 0 19 0 20 维持绑定表 21 ZigBee 设备对象 ZDO 22 240 23 服务访问点 24 原语 25 请求原语 26 终端 27 全功能设备 28 16 bit 网络地址 4 29 ZigBee 协调器ZigBee 路由器节点ZigBee 终端节点 30 父节点 2 选择题 1 B 2 A 3 A 4 D 5 A 6 C 7 C 8 C 9 A 10 A 11 B 12 C 13 D 14 D 15 B 16 C 17 A 18 A 19 C 20 C 3 简答题 1 ZigBee 技术的数据传输率低 网络容量大 成本低 功耗低 安全 可靠 网络 速度快 时延短 2 通过 CSMA CA 机制解决信道访问时的冲突 并且可实现发送信标或检测 跟踪 信标 能够处理和维护保护时隙 GTS 实现设备间链路连接的建立和断开 为设备提供 安全机制 3 初始化应用支持子层 APS 网络层 NWK 安全服务规范 SSS 从终端应 用中集合配置信息来确定和执行发现 安全管理 网络管理 以及绑定管理 4 ZigBee 设备在工作时 各种不同的任务在不同的层次上执行 通过层的服务 完 成所要执行的任务 每一层的服务主要完成两种功能 根据它的下层服务要求 为上层提供 相应的服务 另一种是根据上层的服务要求 对它的下层提供相应的服务 各项服务通过服 务原语来实现 5 ZigBee 原语有四种类型 分别是 request 请求原语 indication 指示原语 response 响应原语 confirm 确认原语 如下原语环境设置为一个具有 I 个用户的网络中 两个对等 用户及其与 J 层或子层对等协议实体建立连接的服务原语 请求原语是从第 I1 用户发送到它的第 J 层 请求服务开始 指示原语是从第 I1 用户的第 J 层向第 I2 用户发送 指出对于第 I2 用户有重要意义 的内部 J 层的事件 该事件可能与一个遥远的服务请求有关 或者可能是由一个 J 层的内部 事件引起 响应原语是从第 I2 用户向它的第 J 层发送 用来表示用户执行上一条原语调用过 程的响应 确认原语是由第 J 层向第 I1 用户发送 用来传递一个或多个前面服务请求原语的 执行结果 6 FFD 具备控制器的功能 可设置网络 FFD 可以和 FFD RFD 通信 而 RFD 只 能和 FFD 通信 RFD 之间需要通信时只能通过 FFD 转发 FFD 不仅可以发送和接收数据 还具备路由器的功能 RFD 的应用相对简单 例如在无线传感器网络中 它们只负责将采 集的数据信息发送给协调器节点 并不具备数据转发 路由发现和路由维护等功能 采用极 少的存储容量就可以实现 RFD 它相对于 FFD 具有较低的成本 7 ZigBee 协调节点在 IEEE 802 15 4 标准中也称作 PAN 协调节点 在无线传感器网 络中可以作为汇聚节点 需要注意的是 ZigBee 协调节点必须是全功能设备 也即 FFD 而且在一个 ZigBee 网络中只能有一个 ZigBee 协调节点 它往往相比网络中其他节点功能更 强大 是整个网络的主控节点 主要负责发起建立新的网络 设定网络参数 管理网络中的 节点以及存储网络中节点信息等 网络形成后也可以执行路由器的功能 ZigBee 协调节点 是三种类型 ZigBee 节点最为复杂的一种 一般由交流电源持续供电 8 ZigBee 网络层主要支持三种拓扑结构 分别是星状结构 网状结构和树状结构 星状网络是由一个 ZigBee 协调节点和一个或多个 ZigBee 终端节点组成的 ZigBee 协 调节点位于网络的中心 负责发起建立和维护整个网络 这种拓扑形式的优点是设计和同步 5 都比较简单 容易实现 缺点是节点间的通信路径只有一条 协调器节点有可能成为整个网 络的瓶颈 若协调器节点故障 可致使整个网络瘫痪 树状网络中枝干末端的叶子节点一般为 RFD 每一个在它的覆盖范围中充当协调点的 FFD 向与它相连的节点提供同步服务 这些协调点又受 ZigBee 协调点的控制 ZigBee 协调 节点具有较强的处理能力和较大的存储空问 优点 网络覆盖范围较大 可实现网络范围内 多跳的信息服务 具有一定的稳定性和可扩展性 缺点 信息的传输时延会增大 而且同步 也会变得比较复杂 网状网络一般是由若干个 FFD 连接在一起组成骨干网 它们之间是完全的对等通信 每个节点都可以与它的无线通信范围内的其他节点通信 但它们中也有一个会被推荐为 ZigBee 协调点 网状拓扑具有更加灵活的信息路由规则 在可能的情况下 路由节点之间 可以直接通信 通信效率高 而且一个路由路径出现了问题 信息可以自动的沿着其他的路 由路径进行传输 优点 自组织 自愈 缺点 实现复杂 9 规定每个父节点最多可以连接 C 个子节点 这些子节点中最多可以有 R 个路由节 点 网络的最大深度为 L Cskip d 是网络深度为 d 的父节点为其子节点分配的地址之间 的偏移量 它的值按照如下公式计算 10 对于一个具有路由能力的节点 当接收到一个从网络层的更高层发出的发送数据 帧的请求 且路由表中没有和目的节点对应的条目时 它就会发起路由发现过程 源节点首 先创建一个路由请求分组 并使用多播的方式向周围节点进行广播 11 AODVjr算法的优点是相对于有线网络的路由协议而言 它不需要周期性的路由 信息广播 节省了一定的网络资源 并降低了网络功耗 缺点是在需要时才发起路由寻找过 程 会增加数据到达目的地址的时间 由于ZigBee网络中对数据的实时性要求不大 而更重 视对网络能量的节省 因此AODVjr非常适合应用在ZigBee网络中 Cluster Tree算法的优点在于使不具有路由功能的节点间通过与各自的父节点间的通信 仍然可以发送数据分组和控制分组 但它的缺点是效率不高 为了提高效率 ZigBee中允许 具有路由功能的节点使用AODVjr算法去发现路由 让具有路由功能的节点可以不按照父子 关系而直接发送信息到其通信范围内的其他节点 12 第一个要求是初始组建网络的节点必须是全功能设备 简称FFD 也即要求该节 点具备Zigbee协调器的功能 第二个要求是该节点未与其他网络连接 13 第一步 确定网络协调器 在一个ZigBee网络中 哪个节点作为协调器一般由上 层规定 不在ZigBee协议规定的范围内 节点可以通过主动扫描的形式 发送一个信标请求 命令 并且设置一个扫描期限 如果在扫描期限内都没有检测到信标 就表明在其指定区域 内没有协调器 则该节点可作为网络的协调器 可以建立ZigBee网络 第二步 进行信道扫描 信道扫描包括能量扫描和主动扫描两个过程 能量扫描的目 的是避免可能的干扰 节点通过对指定的信道或者默认的信道进行能量检测 以能量值递增 的方式对信道进行排序 在主动扫描阶段 节点搜索通信半径内的网络信息 通过主动扫描 方式捕获网络中广播的信标帧 寻找一个最好的 相对安静的信道 该信道应存在最少的 ZigBee网络 最好是没有ZigBee设备 第三步 设置网络ID 在找到合适的信道后 协调器将为网络选定一个网络标识符 也即网络ID 网络 ID可以通过侦听或人为指定的方式获取 但要保证这个ID在所使用的信 6 道中必须是唯一的 也不能和其他ZigBee网络冲突 而且不能为广播地址0 xFFFF 14 节点首先会主动扫描 查找周围网络的协调器 如果在扫描期限内没有检测到信 标 则间隔一段时间后 可重新发起扫描 若检测到信标即表明有协调器存在 节点可向协 调器发送关联请求命令 协调器收到后立即回复一个确认帧 表示已经收到节点的连接请求 当节点收到协调器的确认帧后 节点将处于等待状态 在设置的等待响应时间内等待协调器 对其加入请求命令的处理 如果协调器在响应时间内同意节点加入 协调器会给节点分配 一个16位的短地址 并产生包含新地址和连接成功状态的连接响应命令 并存储这个命令 当响应时间过后 节点发送数据请求命令给协调器 协调器收到后立即回复一个确认帧 然 后将存储的关联响应命令发给节点 节点收到关联响应命令后 再立即向协调器回复一个确 认帧 以确认接收到连接响应命令 表明入网成功 15 当靠近协调器的全功能节点和协调器关联成功后 处于这个网络范围内的其他节 点就可以以该全功能节点作为父节点加入网络 具体加入网络有两种方式 一种是通过关联 方式 由待加入的节点发起加入网络 另一种是直接方式 指定将待加入的节点加入到某个 节点下 作为该节点的子节点 4 综合题 1 首先 计算偏移量 根据偏移量 Cskip 的计算公式 计算出不同网络深度的父节 点为其子节点分配的地址之间的偏移量 具体结果见下表 地址偏移量的计算结果 已知条件网络深度 d 偏移量 Cskip C 4 R 4 L 3 021 15 21 30 然后 计算各个节点的网络地址 具体结果见下表 节点的网络地址 节点编号网络深度 d 偏移量 Cskip 地址 Addr 10210 2151 31522 41543 51564 62170 72123 82144 92165 2 因为节点 2 是一个 RN 节点 所以它将发起路由建立过程 首先节点 2 创建 RREQ 并向周围节点广播此分组 节点 0 l 3 收到 RREQ 后建立到节点 2 的反向路由 并继续广 播 RREQ 节点 3 发现 RREQ 的目的节点是它的一个子节点 它便代替此目的节点沿着刚 刚建立的反向路径向 RREQ 的源节点 节点 2 回复一个 RREP 收到 RREP 的节点建立到 目的节点 节点 7 的正向路由 RREP 到达源节点 2 后 路由建立过程结束 数据分组沿 着刚刚发现的路径 2 3 7 传输 3 设计方案 组网方式 系统设计采用网状网络结构实现设备监控 系统基于 ZigBee2007 无线协 7 议通信 采用 TI 公司的 CC2530 31 芯片传输无线数据 各设备监控节点及中心协调器节点 组成一个分布式无线传感器网络 设备监控节点在现场检测车间设备情况 经无线传感器网 络将所有数据传输至远距离的带有协调器节点的中央监控中心 监控中心是基于 PC 机的监 控平台 实现友好的人机界面 系统历史记录查询等功能 系统监控中心 系统信息管理平台以 PC 机作为硬件平台 系统监控软件不仅需对 无线传感网络的数据进行接收和分析处理 还需针对系统的特殊应用领域进行功能的专门定 制 因此需融合程序设计 数据库设计 硬件接口设计 动画设计等多项计算机技术 该平 台通过 RS232 串口与 ZigBee 无线传感网络协调器连接来接收 处理 存储 显示各设备 监控节点的采集数据或向其发送配置和命令信息 系统允许用户远程管理和维护各设备监控 节点 并提供相应的查询和操作界面 如查询某个节点的实时数据或历史数据 设置采集周 期等 监控节点 通过合适的方式 如串口等 安放在设备端上的 Zig Bee 节点即设备监 控节点 节点上的传感器可采集设备的温度 工作环境和运行状态信息 并将所收集的设备 监控信息发送给系统监控中心 或接收系统监控中心的控制命令并执行相应的动作 如操作 设备端的一些状态指示和开关量 设备监控节点包括监控 数据采集 数据传输和电源管理 四个个模块 系统的总体框图如下 4 设计方案 在仓库的出入口处 任何货物进入仓库之前 需要在不同的货物区上面安置一个终端 设备 该终端设备会向仓库入口处的路由器申请加入网络 当终端设备加入无线网络后 终 端设备就会将采集到的信息经过路由器发送给网络协调器 网络协调器接收到由终端设备发 送来的货物信息后 会将信息发送给上位机系统 上位机系统接到信息后 会将货物信息显 示给系统管理人员 因此 管理人员可以对货物出库入库进行实时的掌控与管理 在仓库的 各库区的不同的货物区都安装相应的终端设备 不同货区的终端设备会采集相应货区货物的 相关信息 然后经路由器将信息传递给网络协调器 网络协调器接收到信息后将信息发送给 上位机系统 上位机系统接收到信息后对系统进行管理 并将库区的货物情况显示给系统管 理人员 从而使得管理人员对仓库进行实时的管理与监控 系统的总体框图如下 8 5 设计方案 ZigBee作为一种低功耗 低数据速率 2 4GHz下最高为250Kb S 低成本的无线技术 采用网络通信模式 具备先进的路由器协仪功能 断线自动重新搜索路由路径 通信可靠 抗干扰能力很强 通过路由器可大范围延长通信距离 在复杂的工业环境中更有应用之处 在此楼层呼叫系统中 楼高达数十层 30层左右 每层分布一个ZigBee节点 节点类型有 三种 协调器 路由器 终端节点 系统以CC2530无线单片机作为ZigBee协议的载体 协 调器首先对协议栈和硬件初始化 然后进行能量扫描 以某一信道建立网络 完成组网后其 相当于路由器 路由器具有信息路由功能 终端节点不具路由功能 只能与具有路由功能的 协调器或路由器父设备发送数据 协调器和路由器须使用外接电源供电 终端节点进入网络 后直接进入睡眠状态 功耗极低 可用电池供电并维持很多时间 当某楼层有人需使用升降 机时 按下呼叫按扭 则呼叫信息直接或通过路由间接传送至安装了移动路由节点的升降机 上 从而响应楼层的呼叫要求 9 6 设计方案 无线体温监测系统利用给被测人员佩戴的终端采集节点即腕带终端来测量体温数据 无 线体温监测系统由协调器数据汇聚上传及指令发送节点 路由数据中继和转发节点 终端采 集节点组成 系统以病房楼为监测单位 在每栋病房楼内布置基于ZigBee技术的无线体温监 测网络 临床患者使用移动体温终端节点测量体温 体温数据通过ZigBee网络进行指令和数 据的传输和汇聚 最终通过协调器的串口接入每栋楼护士站的计算机 体温数据将显示在接 入的计算机上 便于护理人员观察 分析 处理体温数据 同时 设置体温阈值 如果体温 终端节点佩戴者的体温高于或低于体温阈值时 发出报警信号 便于病情的及时发现 系统的结构图如下 7 设计方案 底层的WSN主要用于监测室内的电池电压 光强和温度等环境信息 最终通过接入节 点转发到数据中心或者远端手机用户 整个网络所具备的完整功能如下 接入节点可以根据实际的外界环境的光线强弱 来自适应调整照明的亮度 这里可以根据周期性的更新整个网络的拓扑信息 实际上接入节点可以周期性的发 送网络地址和物理地址 及时的响应数据中心或者远端用户的信息查询命令 另外可以使用并且控制网络拓 扑更新命令或开 关灯控制命令 接入节点 WSN用于电压 光 温度之间的收集 最后通过GPRS实施定位 通过相 应的通信网络发送到手机和PC上 接入点能够根据实际情况实施信息数据的查询和开关的 控制 从而使得其产生新的命令 最后由此来传输到WSN的节点上 数据中心与远端用户 数据中心的主要功能是用于WSN的显示 同时进行即时的显示 和信息的查询 进而可以实施整个过程的及时统计和查询 另外 针对那些远端用户 这又 可以进行WSN信息的发送和实时查询 最终接收WSN进行反馈 8 系统的硬件设计 系统中硬件部分的设计主要包括无线传感器和ZigBee网络协调器节点 无线传感器节点 的硬件构成如图所示 包含电源模块 微控制器模块 传感器模块和无线发送模块 传感器 节点采用电池供电 为减少节点电流损耗 设计时无线传感器节点采用周期工作的方式 节 点模块空闲时进入休眠状态 CC2530在休眠模式下电流消耗小于1 A 在需要采集和上传 数据时采用定时唤醒方式 稳压芯片也选用 HOLTEK 公司生产的静态电流比较小的 HT7333芯片 网络协调器包括电源模块 微控制器模块 无线接收模块 串口电平变化模 10 块 由于网络协调器需长时间工作 供电方式采用PC机的USB供电 系统的软件设计 环境监控系统软件的设计主要包括上 下位机两部分 上位机软件是 指运行在中央监控端平板计算机上的系统监控软件即客户端软件 下位机软件包括 ZigBee 网络协调节点和无线传感器节点软件的设计 无线传感器节点结构图ZigBee 网络协调器节点结构图 9 设计思路 使用 ZigBee 技术来实现火灾报警 只要在各宿舍布置带有温度感应的 ZigBee 节点 并 且各个节点通过无线方式连接路由探测器 就能大面积覆盖宿舍楼层 保证实时监控与预警 由于信息传递距离的限制 采用多级树状拓扑结构布局路由器 对于 ZigBee 芯片采用 TI 公 司的 CC2530 芯片 它能以比较低的成本建立强大的网络节点 芯片本身有多种运行模式 特别适应低功耗要求的报警系统 节点硬件设备的核心部件为 CC2530 天线和电源 探测 器 路由器 CC2530 由电源模块供电 协调器与火灾控制器使用串口 RS 232 进行通信 10 设计思路 采用 ZigBee 技术实现温度数据采集系统 主要包括节点的硬件设计和软件编程工作 节点采用模块化的设计思想 主要包括微处理器模块 无线射频模块 数据采集模块和电源 模块 采用 MSP430F1611 作为终端节点和协调器的主控芯片 CC2530 作为无线收发芯片 主控芯片和 CC2530 通过 SPI 总线进行数据通信和命令发送 温度传感器采用高精度的数字 式温度传感器 DS18B20 软件程序主要是在 Z STACK 协议栈的基础上进行的程序设计 包 括数据采集程序 组网程序 无线通信程序和串口通信程序 第第 4 章章 1 填空题 1 跳频 1MHz 2MHz 2 较复杂 功耗高 成本高 3 即时 4 高斯频移键或 GFSK 5 8 2 选择题 1 D 2 C 3 A 4 B 5 A 3 简答题 1 采用的协议包括 点对点协议 PPP 通过点对点链接传输 IP 数据报的互联网标准协议 11 TCP IP UDP TCP IP 协议组的基础协议 对象交换协议 OBEX 用于对象交换的会话层协议 为对象与操作表达提供模型 无线应用环境 无线应用协议 WAE WAP WAE 明确了无线设备的应用框架 WAP 是向移动用户提供电话和信息服务接入的开放标准 2 全球范围适用 可以同时传输语音数据 可建立临时对等连接 可以实现近距离 通信 功耗低体积小 具有很好的抗干扰能力和安全性 3 这 3 种无线技术 从传输距离来说 是 WIFI ZigBee 蓝牙 从功耗来说 是 WIFI 蓝牙 ZigBee 后两者仅靠电池供电即可 从传输速率来讲 是 WIFI ZigBee 蓝牙 目前来说 WIFI 的优势是应用广泛 已经普及到千家万户 ZigBee 的优势是低功耗和 自组网 电力载波的优势是传输速率 蓝牙的优势组网简单 然而 这 3 种技术 也都有各 自的不足 没有一种技术能完全满足智能家居的全部要求 4 微微网是通过蓝牙技术以特定方式连接起来的一种微型网络 首先提出通信要求 的设备称为主设备 Master 被动进行的设备称为从设备 Slave 一个 Master 最多可同 时与 7 个 Slave 进行通信 可以和大于 7 个 Slave 保持同步但不通信 散射网 Scatternet 是多个微微网在时空上相互重叠形成的比微微网覆盖范围更大的蓝牙网络 其特点是微微网 间有互连的蓝牙设备 5 蓝牙必有适合它生长的需要和自身的优势之处 开发它的一些应用功能要比作其 他事情需要更多的时间 从目前的蓝牙产品来看 蓝牙主要应用在这几个方面 蓝牙应用在手机上 蓝牙应用在掌上电脑上 蓝牙应用于其他数字设备 如数字照相机 数字摄象机等 篮牙技术构成的电子钱包和电子锁 篮牙系统嵌入微波炉 洗衣机 电冰箱 空调机等传统家用电器 4 设计题 利用 PC 端的命令模拟手机按键 发送按键代码 通过蓝牙 4 0 无线通信对红外电视进 行控制 实验连接示意图如下图所示 用蓝牙传输红外技术 达到一个无线控制家电的实验 学生可以举一反三 红外就是一 个执行器 我们可以接继电器来控制电源的开关 可以控制空调 控制洗衣机 冰箱 汽车 等等智能控制 此节实验连接示意图如下图所示 首先硬件连接 如下图所示 12 从节点的接线图如下图所示 打开串口调试助手 设置信息 查看加入进来的蓝牙是否是自己的蓝牙节点 如下图所 示 标识已加入节点 确定此地址为从节点的地址 可以在命令栏内输入 A1 F1 命令进行遥控控制 如果蓝牙 4 0 技术换成 zigbee 就是 zigbee 的控制 换成 wifi 就是 wifi 控制 换成 13 GPRS 3G 4G 就是其他无线方式控制 第第 5 章章 1 填空题 1 条形码 语音识别 指纹识别 人脸识别 2 Radio Frequency Identification 3 电子标签 读写器和计算机网路 4 近区场 中区场和远区场 5 电感耦合 电磁散射反向耦合 6 负载调制 反向散射调制 7 全双工 半双工 时序系统 8 密耦合系统 远耦合系统 远距离系统 9 天线 射频模块 逻辑控制模块 10 天线 调制器 编码发生器 时钟 存储电路 11 与电子标签通信 标签供能 多标签识别 移动目标识别 12 有源标签 半有源标签 无源标签 13 阅读天线线圈 和 电子标签天线线圈 14 低频 高频 超高频 微波 15 13 56MHz 16 1 10m 17 1kb s 2 选择题 1 A 2 B 3 B 4 C 5 D 6 A 7 D 8 B 9 B 10 C 11 A 3 简答题 1 典型的 RFID 系统是由读写器 Reader 或称阅读器 读卡器 电子标签及应用 软件系统三个部分所组成 电子标签内存有一定格式的电子数据 常以此作为待识别物品的标识性信息 应用中将 电子标签附着在待识别物品上 作为待识别物品的电子标记 读写器与电子标签可按约定的 通信协议互传信息 通常的情况是由读写器向电子标签发送命令 电子标签根据收到的读写 器的命令 将内存的标识性数据回传给读写器 这种通信是在无接触方式下 利用交变磁场 或电磁场的空间耦合及射频信号调制与解调技术实现的 应用软件是直接面向 RFID 应用最 终用户的人机交互界面 协助使用者完成对读写器的指令操作以及对中间件的逻辑设置 逐 级将 RFID 原子事件转化为使用者可以理解的业务事件 并使用可视化界面进行展示 2 低频和高频 RFID 基本上都采用电感耦合识别方式 由于低频和高频 RFID 的工 作波长较长 电子标签都处于读写器天线的近区 其工作能量是通过电感耦合方式从读写器 天线的近场中得到 电感耦合的电子标签几乎都是无源的 电子标签与读写器之间传递数据 时 电子标签需要位于读写器附近 这样电子标签可以获得较大的能量 3 微波 RFID 是电磁反向散射的识别系统 采用雷达原理模型 发射出去的电磁波 碰到目标后反射 同时携带目标的信息返回 微波 RFID 的工作波长较短 电子标签基本都 处于读写器天线的远区 电子标签获得的是读写器的辐射信号和辐射能量 电子标签接收读 写器天线的辐射场 读写器天线的辐射场为无源电子标签提供射频能量 或将有源电子标签 14 唤醒 微波 RFID 是视距传播 4 由读写器通过发射天线发送特定频率的射频信号 当电子标签进入有效工作区域 时 接收 RFID 读写器通过天线发出的特定频率射频信号 利用射频信号的空间耦合 电磁 感应或电磁传播 传输特性 产生感应电流获得能量被激活 驱动无源电子标签电路将存储 在芯片中的信息经过调制后 通过内置射频天线发送出去 有源电子标签则主动发送某一频 率的调制信号 读写器的接收天线接收到从电子标签发送来的调制信号 经天线调节器传送 到读写器信号处理模块进行解调和解码 将经解调和解码后有效信号送至后台信息处理系统 由相关的应用程序对接收的信息进行处理 信息处理系统根据逻辑运算识别该电子标签的身 份 针对不同的设定做出相应的处理和控制 最终发出指令信号控制读写器完成不同的读写 操作 5 读写器与电子标签之间的数据处理过程 读写器通过天线发送一定频率的射频信号 当电子标签进入发射天线工作区域时产生感应电流 电子标签获得能量被激活 电子标签将 自身编码等信息通过电子标签内置天线发送出去 读写器天线接收到从电子标签发送过来的 载波信号 对接收到的载波信号经过解调和解码后送到后台主系统进行相关处理 6 中间件包括读写器接口 处理模块以及应用接口 3 部分 读写器接口主要负责前 端和相关硬件的连接 处理模块主要负责读写器监控 数据过滤 数据格式转换和设备注册 应用程序接口主要负责后端与其他应用软件的连接 中间件还提供 EPC 系统的对象名称解 析服务和信息服务 7 RFID 标准体系主要由 4 部分组成 分别为技术标准 数据内容标准 性能标准和 应用标准 RFID 技术标准主要定义了不同频段的空中接口及相关参数 包括基本术语 物理参数 通信协议和相关设备等 RFID 数据内容标准设计数据协议 数据编码规则及语法 主要包括编码格式 语法标 准 数据对象 数据结构和数据安全等 RFID 性能标准涉及设备性能测试标准和一致性测 试标准 主要包括设计工艺 测试规范和试验流程 RFID 应用标准用于设计特定应用环境 RFID 的构架规则 4 设计题 设计思路 选取应用场景 分析应用功能需求 画出应用系统流程框图 5 实验题 实验步骤 将 TITRF7960 读卡器右下角的拨码开放拨向 USB 端 然后使用 mini USB 线将 TITRF7960 目标板与电脑连接起来 并查看相应端口号 确保 TI TRF7960RFID 与电脑连接正常 打开上位机软件选择可用 COMxx 端口连 机 标签类型选择 15693 并设置协议 点击设置协议命令时会发送 3 条命令 写寄存 器 设置 AGC 设置接收器模式 AM PM 设置 AGC 命令 0109000304F0000000 设 置接收器模式命令 0109000304F1FF0000 询卡 Inventory 0 x01 当标签接收到 inventory 的命令 芯片将执行防冲撞序列 设置标签标志位 双幅载波 搞数据率 选择数据编码模式 1 out of 4 或者 1 out 256 分别设置不同组合的参数 设置完成 单击 设置协议 主机会发送 3 条命令 写寄存器 设置 AGC 设置接收器模式 AM PM 其中在发送写寄存器命令时 将不同的设置写入 15 到相应寄存器中 第第 6 章章 1 填空题 1 无线 2 Wi Fi 联盟 3 发送数据 接受数据 4 BPSK QPSK 16 QAM 64QAM 5 基础网 6 接入点模式 7 平等 8 Ad Hoc 9 无线路由器 10 服务设置标识 2 选择题 1 A 2 B 3 A 4 D 5 A 6 C 7 C 8 B 9 B 10 A 3 简答题 1 WLAN 技术具有以下优势 灵活性强 终端设备可以在 WLAN 网络的覆盖范围内任意放置和低速移动 部署成本较低 省去了终端设备综合布线的费用 扩展能力好 增加 AP 就可以增大容量和覆盖范围 技术成熟 在国外已经得到广泛的应用 采用了扩频技术和加密机制 具有较强的抗干扰性和网络保密性 安装简单 2 帧的种类和用途如下 数据帧 用来传送数据 不含任何数据的空帧也属于数据帧 控制帧 控制媒体存储的各种帧 管理帧 与无线网络运作有关的帧 例如无线设备的连接 身份认证等等 3 Ad Hoc 网络的特点如下 无中心自组织 动态拓扑 带宽及终端能量受限 多跳路由 移动终端的自主性和局限性 安全性差 扩展性不强 存在单向的无线信道 4 当终端希望向 AP 发送数据时 终端首先向 AP 发送 RTS 请求帧 申请独占 AP 的一个数据接收时间段 如果 AP 处于空闲状态 则回复 CTS 帧 允许终端向 AP 发送数据 同时 AP 需要将 CTS 帧发送给其他终端 则其他终端在该时间段内不会向 AP 发送数据 当 终端收到 CTS 帧后 就开始向 AP 发送数据 AP 接收数据后 向终端发送 ACK 帧 5 MIMO Multi Input Multi Output MIMO 是 802 11n 物理层的核心 指的是一个系 统采用多个天线进行无线信号的收发 它是 802 11n 的射频关键技术 16 MIMO OFDM 在室内等典型应用环境下 由于多径效应的影响 信号在接收侧很 容易发生多径干扰 从而导致高误码率 OFDM 调制技术是将一个物理信道划分为多个子 载体 sub carrier 将高速率的数据流调制成多个较低速率的子数据流 通过这些子载体进 行通信 从而减少多径干扰机会 提高物理层吞吐 FEC Forward Error Correction 为了使信息适合在无线信道这样不可靠的媒介中 传递 发射端将把信息进行编码并携带冗余信息 使接收端能够恢复原始信息 在 FEC 方 式中 接收端不但能发现差错 而且能确定二进制码元发生错误的位置 从而加以纠正 40MHz 绑定技术 对于无线技术 提高所用频谱的宽度 可以最为直接地提高吞吐 802 11n 支持将相邻两个传统 20MHz 频宽绑定为 40MHz 来使用 可以提高信道吞吐量 MRC Maximal Ratio Combining MRC 的目的是改善接收端的信号质量 对于 来自发射端的同一个信号 由于在接收端使用多天线接收 则该信号将经过多条路径 多个 天线 被接收端所接收 此时 接收端使用某种算法来对这些各接收路径上的信号进行加权 汇总 可以实现接收端的信号改善 4 设计题 1 为保证稳定的全覆盖 需要部署 2 台 AP 构成厂房内部的 Wi Fi 网络 部署方案 如下 在厂房横向的左右两边各布置一台 AP 如图所示 其中 AP1 与外部的光纤入口直连 AP2 通过双绞线与 AP1 进行连接 光纤入口可以是支持光纤连接的调制解调器 通过双绞 线与 AP1 连接 这里将 AP1 设置为主要 AP 设置拨号方式 SSID 和密码等 并提供 DHCP 功能 AP2 作为 AP1 的延伸 可以设置为 Repeater 模式 即与 AP1 采用同样的设置 但关闭 DHCP 功 能 此时由 AP1 和 AP2 组成的 Wi Fi 网络就可以无缝覆盖整个厂房 用户使用无线设备连 接 AP1 的 SSID 即可在整个厂房内无线上网 2 由于工厂的 3 个厂区间隔较远 任何 1 个 AP 都无法覆盖 2 个厂区 因此需要每 个 AP 负责 1 个厂区 部署方案如下 17 这里由 AP1 作为主要 AP 连接 ASDL 入口调制解调器 AP2 和 AP3 作为 AP1 的延伸 通过双绞线与 AP1 连接 并设置为 Repeater 模式 AP1 设置拨号方式 SSID 和密码等 并 提供 DHCP 功能 AP2 与 AP3 采用同样的设置 但关闭 DHCP 功能 此时 AP1 AP2 和 AP3 共同构成一个覆盖 3 个厂区的 Wi Fi 网络 用户连接同一个 SSDI 即可接入网络 3 为保证家庭 Wi Fi 的安全 最基本的方法是对无线路由器设置访问密码 首先 开启路由器的安全设置 其次 将安全类型设置为 WPA WPA2 或 WPA PSK WPA2 PSK 最后 指定无线路由器的访问密码 如果需要提升安全等级 则可以设置 IP 过滤 域名过滤和 MAC 地址过滤 此时 不 符合用户设定的 IP 地址 域名和 MAC 地址的设备将无法连接到 Internet 为设置过滤规则 用户需要开启无线路由器的防火墙功能 然后分别设置 IP 过滤 域名过滤和 MAC 地址过 滤的规则 此时系统将根据规则对数据包进行校验 如果符合用户设置的规则 数据包无法 通过防火墙 即阻断特定设备连接到 Internet 第第 7 章章 1 填空题 1 正交频分复用 2 移动台 移动用户 3 整个服务区 移动通信 4 圆内接正多边形 5 扩频多址 6 TD LTE FDD LTE 2 选择题 1 A 2 D 3 B 4 B 5 A 3 简答题 1 基站数量不同 大区制在一个服务区内只有一个基站 负责移动通信的联络和控制 小区制将整个服务区划分为若干个小无线区 每个小无线区域分别设置一个基站 负 18 责本区的移动通信的联络和控制 容量不同 大区制容量比较小 也被称为集群移动通信 小区制容量比较大 也被称为蜂窝移动通信 天线不同 大区制要求基站天线架设得高一些 发射功率大一些 小区制移动台和基站的发射功率减小 同时也减小了相互干扰 2 一个基本的移动通信系统 由移动台 MS 基站 BS 移动业务交换中心 MSC 构成 MSC 通过中继线与市话网 PSTN 相连接 从而完成与市话网终端的通信 3 根据无线小区内信号激励的方式不同 天线的类型选择和安装位置也有不同 采用全向天线 安装在小区中央 适用于中心激励方式 采用定向天线 安装在小区顶点 适用于顶点激励方式 4 每一台移动设备均有一个唯一的移动台设备识别码被称为 IMEI 5 IMSI 是国际移动用户识别码 是区别移动用户的标志 储存在 SIM 卡中 可用 于区别移动用户的有效信息 6 识别程序见下图 7 EDGE 技术是增强型数据速率 GSM 演进技术 是一种从 GSM 到 3G 的过渡技术 它主要是在 GSM 系统中采用了一种新的调制方法 即最先进的多时隙操作和 8PSK 调制技 术 由于 8PSK 可将现有 GSM 网络采用的 GMSK 调制技术的符号携带信息空间从 1 扩展到 3 从而使每个符号所包含的信息是原来的 3 倍 EDGE 技术有效地提高了 GPRS 信道编码 效率及其高速移动数据标准 它的最高速率可达 384Kb s 在一定程度上节约了网络投资 可以充分满足未来无线多媒体应用的带宽需求 由于 EDGE 是一种介于现有的第二代移动网络与第三代移动网络之间的过渡技术 比 GPRS 更加优良 因此也有人称它为 2 75G 技术 8 三种主流 3G 技术标准 CDMA2000 WCDMA TD SCDMA 9 FDD 系统空口上下行采用成对的频段接收和发送数据 而 TDD 系统上下行则使 用相同的频段在不同的时隙上传输 较 FDD 双工方式 TDD 有着较高的频谱利用率 如下 图所示为 TDD 与 FDD 的双工模式对比 19 4 分析题 1 正六边形小区的中心间隔最大 各基站间的干扰最小 交叠区面积最小 同频干扰最小 交叠距离最小 便于实现跟踪交换 覆盖面积最大 对于同样大小的服务区域 采用正六边形构成小区制所需的小区数 最少 即所需基站数少 最经济 所需的频率个数最少 频率利用率高 2 如果服务区内用户的密度比较均匀 那么在划分小区的时候 可以将小区划分成 同样大小的小区 每个小区内分配同样的信道数量 这样的小区分配方案是理想的 负载相 对均衡 但是在实际应用中 这样的情况是不可能出现的 同时 地形地貌 建筑环境 通信容量 频谱利用率等都是小区划分时所要考虑的因素 所以 在实际应用中 小区的划分是根据用户的密集程度再结合其他因素综合确定的 简单 的划分方式 可以按照用户密集程度来进行 3 从严格意义上来讲 LTE 只是 3 9G 尽管被宣传为 4G 无线标准 但它其实并未 被 3GPP 认可为国际电信联盟所描述的下一代无线通信标准 IMT Advanced 因此在严格意 义上其还未达到 4G 的标准 只有升级版的 LTEAdvanced 才满足国际电信联盟对 4G 的要求 第第 8 章章 1 填空题 1 Machine to Machine 机器之间自动的数据交换 机器终端智能交互 物联网 2 数据终端 数据集成点和通信网络 数据终端 数据集成点 通信网络 3 3 萌芽期 成长期 成熟期 4 中央主控处理模块 用户界面接口 无线通信模块 信息传感模块 能量供应模 20 块 5 面覆盖 点覆盖 栅栏覆盖 2 选择题 1 C 2 C 3 ABCD 4 ABCD 5 ABC 3 简答题 1 M2M 表达的是多种不同类型的通信技术有机的结合在一起 机器之间通信 机器 控制通信 人机交互通信 移动互联通信 M2M 让机器 设备 应用处理过程与后台信息 系统共享信息 并与操作者共享信息 它提供了设备实时地在系统之间 远程设备之间 或 和个人之间建立无线连接 传输数据的手段 2 M2M 系统架构包括终端 系统以及应用三层 第一层 M2M 终端 它具有接收远程 M2M 平台激活指令 本地故障报警 数据通信 远程升级 使用短消 息 彩信 GPRS 等几种接口通信协议与 M2M 平台进行通信 第二层 M2M 管理系统 它为客户提供统一的移动行业终端管理 终端设备鉴权 支持多种网络接入方式 提供 标准化的接口 使得数据传输简单直接 提供数据路由 监控 用户鉴权 内容计费等管理 功能 第三层 应用系统 该层是 M2M 终端获得了信息以后 本身并不处理这些信息 而是将这些信息集中到应 用平台上来 由应用系统来实现业务逻辑 把感知和传输来的信息进行分析和处理 做出正 确的控制和决策 实现智能化的管理 应用和服务 3 M2M 涉及 5 个重要的技术部分 包括智能化机器 M2M 硬件 通信网络 中间 件和应用 4 无线传感器网络 Wireless Sensor Network WSN 是由具有感知 处理和无线通 信能力的微型节点通过自组织方式形成的网络 5 WSN 是由一组传感器节点以自组织的方式构成的无线网络 其目的是借助于节点 中内置的形式多样的传感器协作地实时感知和采集周边环境中众多的信息 并对这些信息进 行处理 目的是无论何时 何地和在何种环境条件下都可以对大量信息进行获取 从 WSN 的硬件上分析 WSN 节点包括采集数据的模块 处理数据的模块 无线收发数据的模块 这些设备节点具有成本低 功耗低 种类丰富等特点 从软件设计上 这些节点内置的传感 器可以对所在区域的温度 湿度 光强度 压力等环境参数以及待测对象的电压 电流等物 理参数进行探测 并通过无线网络将探测信息传送到数据汇聚中心 进行处理 分析和转发 6 按照无线传感器网络节点的功能 每个节点包括 4 个基本单元 具体包括获取数 据信息的模块 处理信息数据的模块 传输数据信息的模块以及管理电源模块 各基本组成单元功能如下 获取数据信息的模块 在特定区域内 通过传感器节点感知环境内的数据信息 并借助 模数转换器将采集到的模拟信号转换为数字信号 并将数字信号交给处理器运算处理 处理信息数据的模块 在这个模块中 处理器可以对数字信号进行预处理 数据的运算 数据的管理等工作 传输数据信息的模快 借助无线收发的协议 使得当前节点与其他节点进行数据信息的 交互 同时可以交换不同网络间的信令或收发节点获取到的数据信息 管理电源模块 该模块可以为网络中的节点提供电能的支持 考虑到传感器节点在不同 环境下的体积大小限制 管理电源模块可以由