物联网期末考试.doc

一、 简要概述物联网的框架结构。(5分)答：物联网的框架结构主要可以分为应用服务层，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网、移动通讯网络、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。
二、 简述物联网的定义，分析物联网的“物”的含义。(5分)
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，把任何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。

特别注意的是物联网中的“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。
三、RFID电子标签系统由哪几部分组成？简述RFID系统的工作原理。(10分)
RFID系统基本都由电子标签（tag）、阅读器(Reader)和数据交换与管理系统(Processor)三大部分组成。
电子标签或称射频卡、应答器等)，由耦合元件及芯片组成，其中包含带加密逻辑、串行EEPROM(电可擦除及可编程式只读存储器)、微处理器CPU以及射频收发及相关电路。电子标签具有智能读写和加密通信的功能，它是通过无线电渡与读写设备进行数据交换。工作的能量是由阅读器发出的射频脉冲提供。阅读器．有时也被称为查询器、读写器或读出装置，主要由无线收发模块、天线、控制模块及接口电路等组成。
RFID技术的基本工作原理并不复杂：标签进入磁场后，接收解读器发出的射频信号，凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息（Passive Tag，无源标签或被动标签），或者由标签主动发送某一频率的信号（Active Tag，有源标签或主动标签），解读器读取信息并解码后，送至中央信息系统进行有关数据处理。
四、阐述无线传感器网络的特征。(15分)
大规模: :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，在面积较小的空间内，密集部署了大量的传感器节点。
自组织：：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。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。
动态性：：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；
可靠性：：WSN特别适合部署在恶劣环境或人类不宜到达的区域，节点可能工作在露天环境中，遭受日晒、风吹、雨淋，甚至遭到人或动物的破坏。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。
以数据为中心：：互联网是先有计算机终端系统，然后再互联成为网络，终端系统可以脱离网络独立存在。在互联网中，网络设备用网络中惟一的IP地址标识，资源定位和信息传输依赖于终端、路由器、服务器等网络设备的IP地址。如果想访问互联网中的资源，首先要知道存放资源的服务器IP地址。可以说现有的互联网是一个以地址为中心的网络。
集成化：：传感器节点的功耗低，体积小，价格便宜，实现了集成化。其中，微机电系统技术的快速发展为无线传感器网络接点实现上述功能提供了相应的技术条件，在未来，类似“灰尘”的传感器节点也将会被研发出来。
五、简述ZigBee技术的特点，说明ZigBee网络拓扑结构类型和每种类型拓扑结构的特性。(15分)
ZigBee具有如下特点：
(1) 低功耗: 由于ZigBee的传输速率低,发射功率仅为1mW,而且采用了休眠模式，功耗低,因此ZigBee设备非常省电。
(2) 成本低： ZigBee模块的初始成本在6美元左右，估计很快就能降到1.5—2.5美元, 并且ZigBee协议是免专利费的。低成本对于ZigBee也是一个关键的因素。
(3) 时延短: 通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短，典型的搜索设备时延30ms,休眠激活的时延是15ms, 活动设备信道接入的时延为15ms。
(4) 网络容量大： 一个星型结构的Zigbee网络最多可以容纳254个从设备和一个主设备， 一个区域内可以同时存在最多100个ZigBee网络, 而且网络组成灵活。
(5) 可靠: 采取了碰撞避免策略，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙,避开了发送数据的竞争和冲突。MAC层采用了完全确认的数据传输模式， 每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息。如果传输过程中出现问题可以进行重发。
(6) 安全： ZigBee提供了基于循环冗余校验(CRC)的数据包完整性检查功能,支持鉴权和认证， 采用了AES-128的加密算法,各个应用可以灵活确定其安全属性。
从网络结构上看，zigbee网络有星形，树形，网状3种模式。

树型拓扑结构
优点：（1）连结简单，维护方便，适用于汇集信息的应用要求。
（2） 易于扩展。
（3）故障隔离较容易。
缺点：资源共享能力较低，可靠性不高，任何一个工作站或链路的故障都会影响整个网络的运行。　并且各个节点对根的依赖性太大。
4. 星型拓扑结构
优点：结构简单、容易实现、便于管理，通常以集线器（Hub）作为中央节点，便于维护和管理。
（1）集中控制，控制简单。
（2）故障诊断和隔离容易。
（3）方便服务。
（4）网络延迟时间短，误码率低。
缺点：（1）电缆长度和安装工作量可观。
（2）中央节点的负担较重，形成瓶颈。 中心结点出现故障会导致网络的瘫痪。
（3）各站点的分布处理能力较低。
（4） 网络共享能力较差，通信线路利用率不高，
5.网状拓扑结构
优点：系统可靠性高，比较容易扩展，但是结构复杂，每一结点都与多点进行连结，因此必须采用路由算法和流量控制方法。目前广域网基本上采用网状拓扑结构。
六、简述GPS导航系统的基本原理。(15分)
GPS导航系统的基本原理是测量出已知位置的卫星到用户接收机之间的距离，然后综合多颗卫星的数据就可知道接收机的具体位置。要达到这一目的，卫星的位置可以根据星载时钟所记录的时间在卫星星历中查出。而用户到卫星的距离则通过记录卫星信号传播到用户所经历的时间，再将其乘以光速得到（由于大气层电离层的干扰，这一距离并不是用户与卫星之间的真实距离，而是伪距（PR）：当GPS卫星正常工作时，会不断地用1和0二进制码元组成的伪随机码（简称伪码）发射导航电文。GPS系统使用的伪码一共有两种，分别是民用的C/A码和军用的P(Y)码。C/A码频率1.023MHz，重复周期一毫秒，码间距1微秒，相当于300m；P码频率10.23MHz，重复周期266.4天，码间距0.1微秒，相当于30m。而Y码是在P码的基础上形成的，保密性能更佳。导航电文包括卫星星历、工作状况、时钟改正、电离层时延修正、大气折射修正等信息。它是从卫星信号中解调制出来，以50b/s调制在载频上发射的。导航电文每个主帧中包含5个子帧每帧长6s。前三帧各10个字码；每三十秒重复一次，每小时更新一次。后两帧共15000b。导航电文中的内容主要有遥测码、转换码、第1、2、3数据块，其中最重要的则为星历数据。当用户接受到导航电文时，提取出卫星时间并将其与自己的时钟做对比便可得知卫星与用户的距离，再利用导航电文中的卫星星历数据推算出卫星发射电文时所处位置，用户在WGS-84大地坐标系中的位置速度等信息便可得知。
七、利用物联网技术的一种或几种技术设计一个你感兴趣的系统，并简要阐述系统的工作原理。(35分)。
校园一卡通系统：包含多个子管理系统，如考勤管理，消费管理，图书馆借书管理等，每个系统又包含多个功能模块，整体的系统架构如下图：

软件架构 

手机一卡通软件功能大体上按下图结构来设计的。 1. 用户层：主要是用户界面的设计。用户可以通过软件来进行个性化管理，
用户可以通过手机查询个人信息，以及管理自己在各个系统的信息，如银行系统，教务系统，图书系统，消费系统等。 
2. 表现层：表现层是为用户层服务的，用户层通过表现层来进行各个系统
的操作。表现层的设计主要是各种服务类接口，如消费POS机接口，移动PDA接口，读写卡接口，WEB服务接口，以及各个子系统接口，子系统接口的设计，放置在综合前置中，便于维护。另外，还需提供业务逻辑入口，来连接业务逻辑控制即逻辑层。
3. 逻辑层：逻辑层是软件架构设计的一个重要部分。逻辑层大体上分为公
用组件和专用组件两大部分，公用组件是给每个子系统提供的服务。包括身份认证，权限管理，清算管理，卡务管理，财务结算管理，人员信息管理，单位信息管理，综合查询系统分析等。专用组件是为每个部门设计的，服务于不同的部门。专用组件大致上有以下方面：pos消费，机务管理，多媒体教室管理，电子阅览室管理，浴室管理，医疗收费管理等等。逻辑层是整个系统架构中的核心部分，也是整个系统中的主要部分。 
4. 存储层：存储层包含三个主要系统：一卡通金融相关信息，一卡通认证
相关信息，一卡通公共信息库。下面对三个系统作出详细介绍。
3.4  系统接口设计 

系统的接口是把各个子系统系统连接起来正常运转的关键。在系统接口设计上，可以考虑三大主要部分： 
① 校园现有的应用系统的对接
② ②与银行系统的接口  与银行系统的接口涉及到金融安全性问题。因此需要对接口网络的安全严格把关。而对于该接口的设计，学校方面和银行方面分别需要考虑一些功能的实现。学校方面需要考虑的功能： 
③  a. 一卡通消费短信提醒功能，以及账户余额变动提醒功能。 
④ b. 一卡通账户锁定及解锁功能，可通过手机短信和电脑终端进行锁定和解锁，并在操作过程中需要输入密码。

校园手机一卡通数据中心分为金融数据中心和身份数据中心两大部分，下面是详细介绍：  金融数据中心
一卡通的金融中心是所有金融交易的业务控制中心和所有金融交易的数据存贮中心。包括金融数据库和相应的后台服务进程。 
金融数据库包含以下几方面信息：开通登记表、卡销户表、商户和管理帐户数据字典、商户帐户字典、全局设置数据字典、学校代码、日报字典、操作费用设定、各种代码、持卡人消费折扣、系统管理和运行环境设置数据字典、组织部门、系统登记、系统参数、操作员、操作员权限、事件代码、系统信息、操作员日志、流水帐数据字典、交易流水、补助发放流水、历史流水、收费明细、报表部分数据字典、对帐不符清单、业务统计报表、清算报表、商户历史表、 按部门统计报表、日报表、核算单位统计报表等。    
身份数据中心  
一卡通的身份中心保存所有一卡通相关身份信息单位、部门和人员的信息包括身份认证数据库和相应的后台服务进程。身份数据基本字典信息、国籍信息、民族信息、身份类别信息、证件类型信息、校/厂区信息、卡样管理表、部门组织信息、黑名单信息表、技术职称、行政职务、文化程度、宿舍(苑/栋)、政治面貌信息、身份数据基本信息表、学生扩展信息表、教职工扩展信息表、校外人员扩展信息表、相片信息、学生相片信息表、教职工相片信息表、校外人员相片信息表、操作员及权限信息、操作员代码信息、操作员权限信息等。
手机一卡通消费系统 
校园手机一卡通消费系统适用于校内食堂、饮水、开水、洗衣、图书借阅、超市、医院消费，其他商业网点消费支付购物中心、商场等需要资金交流、流通的场所。消费者预先对RF-SIM卡进行充值，消费时营业员在收款机上输入消费额，消费者持卡在收款机的感应区轻轻掠过，便完成一次交易。同时系统将记录这笔交易的数据，并上传至管理系统，可按需求生成各种报表。便于用户查询消费额度和消费情况。 
手机一卡通消费系统有如下功能：
1. 电子钱包 
电子钱包是帮助用户进行金融管理的功能。用户通过电子钱包的更能，可以随时掌握自己的交易情况，交易过程可以实时反馈,当帐户余额发生变化(如扣款、充值、领到补助)时，手机会自动发送消息到用户，供用户查看。 
2. 消费管理 
消费管理是一项金融安全方面的功能。是为了应对手机可能丢失的情况下而采取的保险手段。系统可以通过密码消费、消费输出、分流控制、限额消费、出勤消费等方式来控制消费权限。这样在用户的消费过于频繁或者消费额过大等异常消费时，通过密码输入等不同方式来限制消费，尽量减小用户在手机卡丢失时造成的金融损失。 
3. 消费模式 
消费模式是一种人性化的消费管理模式功能。用户可以根据个人爱好选择自己喜欢的，并且用户还可以自定义消费模式，但是自定义消费需要通过申请，以4. 福利管理 
福利管理是为了吸引用户来使用本系统而才去的营销模式。根据用户使用本系统的时间长短，消费额度的多少给予用户一定的福利，是用户对于本系统产生依赖性。系统给予用户的福利可以是资金补贴，餐饮福利等，而福利管理就是系统提供福利补贴、福利餐次、搭伙管理等福利管理方式，以便用户对领取自己的福利。 
5. 功能扩展 
消费系统可以根据实际的情况作出新的调整或者功能的增删，因此，功能扩展部分，不用于显示在消费系统表面，而在与后台管理中，当需要对消费系统进行调整时，可由后台管理员进行宏观的控制。

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