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1、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33第3章答案55第4章答案111第5章答案223第6章答案226第7章答案330第8章答案333第9章答案337第1章答案1-1简述物联联网的定义，分分析物联网的的“物”的条件。答：物联网是通通过射频识别别（RFIDD）、红外感感应器、全球球定位系统、激激光扫描器等等信息传感设设备，按约定定的协议，把把各种物体与互互联网相连接接，进行信息息交换和通信信，以实现对对物体的智能能化识别、定定位、跟踪、监监控和管理的的一种网络。特特别注意，物联网中的的“物”，不是普通通意义的万事事万物，这里里的“物”要满足以下下条件：1、要有相应应信息的接收收器
2、； 2、要有数数据传输通路路；3、要有一定定的存储功能能；4、要有处理理运算单元(CPU)；5、要有操作作系统；6、要有专门门的应用程序序；7、要有数据据发送器；88、遵循物联联网的通信协协议；9、在世界网网络中有可被被识别的唯一一编号。1-2简述物联联网应具备的的三个特征。答：一是全面感感知，即利用用射频识别技技术(RFIID)、传感感器、二维码码等随时随地地获取物体的的信息；二是是可靠传递，通通过各种电信信网络与互联联网的融合，将将物体的信息息实时准确地地传递出去；三是智能处处理，利用云云计算，模糊糊识别等各种种智能计算技技术，对海量量的数据和信信息进行分析析和处理，对对物体实施智智能化的
3、控制制。1-3简述155年周期定律律和摩尔定律律。答：15年周期期定律：计算算模式每隔115年发生一一次变革。摩摩尔定律：集集成电路上可可容纳的晶体体管数目，约约每隔18个月便会会增加一倍，性性能也将提升升一倍。1-4名词解释释：RFIDD、EPC、ZigBee。答：RFID即即射频识别，俗俗称电子标签签，一种自动动识别技术，可可以快速读写写、长期跟踪踪管理，通过过无线射频方方式进行非接接触双向数据据通信对目标标加以识别。EPC(Eleectronnic Prroductt Codee)，即产品品电子代码，为为每一件单品品建立全球的的、开放的标标识标准，实实现全球范围围内对单件产产品的跟踪与与
4、追溯。ZigBee技技术是一种近近距离、低复复杂度、低功功耗、低速率率、低成本的的双向无线通通信技术。主要要用于距离短短、功耗低且且传输速率不不高的各种电电子设备之间间进行数据传传输以及典型型的有周期性性数据、间歇歇性数据和低低反应时间数数据传输的应应用。1-5简要概述述物联网的框框架结构。答：物联网可以以简要分为核核心层、接入入层，软件核核心层主要是是应用服务层层，硬件接入入层包括网络络传输层和感感知控制层。感感知控制层一一般包括RFFID感应器器、传感器网网关、接入网网关、RFIID标签、传传感器节点、智智能终端等，网网络传输层包包括无线传感感器网络、移动通信网络、互联联网、信息中中心、网
5、管中中心等；软件件应用服务层层是为了管理理、维护物联联网以及为完完成用户的某某种特定任务务而编写的各各种程序的总总和。1-6分析物联联网的关键技技术和应用难难点。答：关键技术为为RFID、无无线网络技术术、传感技术术、人工智能能技术。应用用难点在于其其技术标准问问题、数据安安全问题、IIP地址问题题、终端问题题。1-7举例说明明物联网的应应用领域及前前景。答：物联网应用用领域很广，几几乎可以包含含各行各业。目目前在环境保保护、社区服服务、商务金金融等方面，例例如“移动支付”、 “移动购物物”、“手机钱包”、“手机银行”、“电子机票”等，前景广广阔可观，应应用潜力巨大大，无论是服服务经济市场场，
6、还是国家家战略需要，物物联网都能占占据重要地位位。第2章答案2-1 什么是是EPC？答：电子产品编编码(Eleectronnic Prroductt Codee）2-2 请简要要地叙述EPPC系统的组组成，以及各各个部分的英英文简写。答：EPC载体体、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 ( Objeect Naaming Serviicer，对象名称称解服务器)，它用来把把EPC转化成成IP地址，用用来定位相应应的计算机和和完成相应的的信息交互服服务。PML ( PPhysiccal Maarkup Languuage，实体标识语语言)服务器中，存存
7、储用PMLL描述的实物物信息，如实实物名称、种种类、性质、生生产日期、生生产厂家信息息、实物存放放位置、实物物的使用说明明等。2-3 EPCC编码有几种种技术要求？每种要求具具体是如何要要求的？答：EPC数字字信息代表了了该产品的生生产地区、生生产商、生产产日期、产品品属性等数据据信息。目前的EPC系系统中应用的的编码类型主主要有三种：64位、96位和256位，EPC由版本本号、产品域域名管理、产产品分类部分分和序列号四四个字段组成成，版本号字字段代表了产产品所使用的的EPC的版本本号，这一字字段提供了可可以编码的长长度。 产品域名管理字字段标识了该该产品生产厂厂商的具体信信息，如厂商商名字，
8、负责责人以及产地地。产品的分类字段段部分可以使使商品的销售售商能够方便便地对产品进进行分类。序序列号用于对对具体单个产产品进行编码码。对于具体体的编码标准准现在已经推推出有：EPPC-96型，EPC-644型、型型、型，EEPC-2556型、型、型等等编码方案。 2-4 条形码码分为几种？请简要说明明每种条形码码的特点。答：条形码可以以有一维的，还还有二维条形形码，黑条和和空白的排列列就代表了商商品的产品属属性等特征信信息，因而在在许多领域有有广泛的应用用，因其各自自特点差异，其其用途也各不不相同，日常常我们多见到到的是一维条条码。在EPC条形码码的编码方式式中在水平和和垂直方向的的二维空间存
9、存储信息的条条码，称为二二维条码（22-dimeensionnal baar codde），可直直接显示英文文、中文、数数字、符号、图图形；存储数据量大大，可存放11k字符，可用用扫描仪直接接读取内容，无无需另接数据据库；保密性性高（可加密密）；安全级级别最高时，损损污50%仍可读读取完整信息息。 2-5 RFIID系统基本本组成部分有有哪些？答：RFID系系统主要由应应答器、阅读读器和高层组组成。其中应应答器是集成成电路芯片形形式，而集成成芯片又根据据它的封装不不同表现的形形式也不太一一样。阅读器器用于产生射射频载波完成成与应答器之之间的信息交交互的功能。高高层功能是信信息的管理和和决策系统
10、。 2-6 电子标标签分为哪几几种？简述每每种标签的工工作原理。答：应答器的基基本是由天线线、编/解码器、电电源、解调器器、存储器，控控制器以及负负载电路组成成。从应答器器传送信息到到阅读器，状状态数据在CCPU的控制制下，从存储储器中取出经经过编码器和和负载调制单单元发送到阅阅读器2-7 RFIID产品的基基本衡量参数数有哪些？答：RFID产产品的基本衡衡量参数有工工作频率、读读取距离、读读写速度、方方向性、采用用通信接口协协议。2-8 简述天天线的工作原原理。答：天线是一种种以电磁波形形式把前端射射频信号功率率接收或辐射射出去的装置置，是电路与与空间的界面面器件，用来来实现导行波波与自由空
11、间间波能量的转转化，在电磁磁能量的转换换过程中，完完成信息的交交互。2-9 对于抛抛物面天线，已已知它的抛物物面直径为2m，中心工工作波长为22cm，根据据统计出来的的经验数据，请请计算其增益益近似为多少少。答：对于抛物面面天线，可用用下式近似计计算其增益：G（dBi）= 10 lg 44.5 （D / 0）2 式中，D为抛物物面直径；0为中心工工作波长；44.5是统计计出来的经验验数据。 现在D=2m，中中心工作波长长0=0.02m，代代入公式得GG=95.442 dBii。2-10 请说说出RFIDD天线主要分分为哪几种？每种的特点点如何？答：RFID天天线主要分为为近场天线、远远场天线、
12、偶偶极子天线、微微带贴片天线线和电感耦合合射频天线等等。近场天线线系统工作在在天线的近场场，标签所需需的能量都是是通过电感耦耦合方式由读读写器的耦合合线圈辐射近近场获得，工工作方式为电电感耦合。对对于超高频和和微波频段，读读写器天线要要为标签提供供能量或唤醒醒有源标签，工工作距离较远远，一般位于于读写器天线线的远场。偶偶极子天线也也称为对称振振子天线，由由两段同样粗粗细和等长的的直导线排成成一条直线构构成。信号从从中间的两个个端点馈入，在偶极子的的两臂上将产产生一定的电电流分布，这种电流分分布就会在天天线周围空间间激发起电磁磁场。微带贴贴片天线通常常是由金属贴贴片贴在接地地平面上的一一片薄层，
13、微微带贴片天线线质量轻、体体积小、剖面面薄，馈线和和匹配网络可可以和天线同同时制作，与与通信系统的的印制电路集成在在一起，贴片片又可采用光光刻工艺制造造，成本低、易易于大量生产产。2-11 试说说明HRRFFD-NF009的近场天天线的性能参参数如何？答：HRRFDD-NF099的近场天线线的天线的物物理长度为1150mm。工工作的频率范范围为8655954GHHz，采用了了N/SMAA接口形式，天天线的极化方方式为线极化化。第3章答案3-1传感器的的定义是什么么?它们是如如何分类的？答：传感器是一一种能把特定定的被测信号号，按一定规规律转换成某某种可用信号号输出的器件件或装置，以以满足信息的
14、的传输、处理理、记录、显显示和控制等等要求。根据不同的分类类方式，有不不同的分类。3-2试分析传传感器在各领领域里的应用。答：略。3-3传感器的的动态特性、基基本概念及主主要性能指标标的含意是什什么?答：传感器的动动态特性，是是指其输出对对随时间变化化的输入量的的响应特性。3-4传感器的的主要特性有有哪些?答：主要分为静静态特性 和和动态特性。衡量静态特性的的重要指标是是线性度、灵灵敏度、迟滞滞和重复性等等。3-5传感器的的误差大小与与其精度、准确确度之间的关关系是什么?答：略。3-6什么叫传传感器？由哪哪几部分组成成？它们的作作用与相互关关系怎样？答：传感器由两两个基本元件件组成：敏感感元件
15、与转换换元件。具体体由下图所示示：3-7有两个传传感器测量系系统，其动态特性性可以分别用用下面两个微微分方程描述述，试求这两两个系统的时时间常数和静态灵敏敏度K。1）式中，y为输出出电压，V；T为 输入温度度，。2）式中，y为输出出电压，VV；x为输入压力，PPa。答：10s，00.5*10-5V/；0.33ss，2.299V/Paa。3-8用一只时时间常数=0.3118s的一阶阶传感器去测测量周期分别别为1s、22s和3s的的正弦信号，问问幅值相对误误差是多少？答：-55.22% ，-229.3% ，-16.8%。3-9查阅资料料，查找半导导体气敏传感感器有哪几种种类型？答：略。3-10什么
16、叫叫绝对湿度和和相对湿度？答：相对湿度，指指空气中水汽汽压与饱和水水汽压的百分分比。绝对湿度指的是是大气中水汽汽的密度，即即单位大气中中所含水汽的的质量。3-11试述湿湿敏电容式和和湿敏电阻式式湿度传感器器的工作原理理。答：略。3-12超声波波传感器的基基本原理是什什么？超声波波探头有哪几几种结构形式式？答：超声波传感感器是利用超超声波的特性性研制而成的的传感器。超超声波振动频频率高于可听听声波。由换换能晶片在电电压的激励下下，发生振动动能产生超声声波。超声波波对液体、固固体的穿透能能力强，在不不透明的固体体中它可穿透透几十米的深深度。超声波波碰到杂质或或分界面，会会发生显著反反射，形成反反射
17、成回波碰碰到活动物体体能产生多普普勒效应。超声波探头主要要由压电晶片片组成，既可可以发射超声声波也可以接接收超声波。小小功率超声探探头多用来探探测。它有许许多不同的结结构，可分直直探头、斜探探头、表面波波探头、兰姆姆波探头、双双探头等。3-13什么是是智能传感器器？智能传感感器有哪些实实现方式？答：智能传感器器（Inteelligeent Seensor）是是具有信息处处理功能的传传感器。智能传感器主要要由传感器、微微处理器（或或微计算机）及及相关电路组组成，包括传传感器、信号号调理电路、微微处理器、输输出接口等。3-14温度传传感器是怎么么分类的？答：水分子具有有较大的电偶偶极矩。在氢氢原子
18、附近有有极大的正电电场，因而它它具有很大的的电子亲和力力，使得水分分子易于吸附附在固体表面面并渗透到固固体内部。利利用水分子这这一特性制成成的湿度传感感器称为水分分子亲和力型型传感器。而而把与水分子子亲和力无关关的湿度传感感器，称为非非水分子亲和和力型传感器器。3-15试述湿湿度传感器的的应用。答：略。3-16什么是是气体的湿度度？什么叫露露点？答：大气的干湿湿程度通常用用绝对湿度和和相对湿度来来表示。露点：降低温度度可使未饱和和水汽变成饱饱和水汽。3-17电容式式湿度传感器器的工作原理理是什么？有有什么特点？使用时应注注意什么问题题？答：电容式湿度度传感器的敏敏感元件为湿湿敏电容，主主要材料
19、一般般为高分子聚聚合物、金属属氧化物。这这些材料对水水分子有较强强的吸附能力力，吸附水分分的多少随环环境湿度而变变化。由于水水分子有较大大的电偶极矩矩，吸水后材材料的电容率率发生变化。电电容器的电容容值也就发生生变化。同样样，把电容值值的变化转变变为电信号，就就可以对湿度度进行监测。3-18超声波波的基本特性性？答：它具有频率率高、波长短短、绕射现象象小的特点，特特别是方向性性好、能够成成为射线而定定向传播等。3-19简述半半导体气敏元元件制成的表表面控制型电电阻式传感器器的基本结构构及工作原理理。答：略。3-20从超声声波的行进方方向来看可分分为哪两种基基本类型？答：超声波是一一种在弹性介介
20、质中的机械械振荡，有两两种形式：横横向振荡（横横波）及纵向向振荡（纵波波）。3-21气敏传传感器的特性性？答：气敏传感器器的特性主要要有灵敏度；响应时间；选择性；稳稳定性；温度度特性；湿度度特性；电源源电压特性。3-22查找文文献最近有什什么新型的气气敏传感器。答：略。3-23什么是是超声波？答：低于16HHz的机械波波称为次声波波高于21104Hz的机械械波称为超声声波。3-24简述超超声波测厚度度、液位和流流量的原理。答：略。3-25 MEEMS的英文文名是什么？答：Microo-Elecctro-MMechannical Systeems3-26 MEEMS的定义义是什么？答：完整的ME
21、EMS是由微微传感器、微微执行器、信信号处理和控控制电路、通通信接口和电源源等部件组成成的一体化的的微型器件系系统。3-27 MEEMS的优点点和特点是什什么？答：MEMS器器件和系统具具有体积小、重重量轻、功耗耗低、成本低低、可靠性高高、性能优异异、功能强大大、可以批量量生产等传统统机械无法比比拟的优点。3-28传感器器接口特点是是什么？传感感器的输出信信号有什么特特点？答：传感器输出出信号的处理理主要由传感感器的接口电电路完成。因因此传感器接接口电路应具具有一定的信信号预处理能能力。经预处处理后的信号号应成为可供供测量、控制制使用及便于于向微型计算算机输入的信信号形式。一般来说传感器器输出
22、信号具具有如下特点点：输出信号比较较微弱有的传传感器输出电电压仅有0.1V。这这就要求接口口电路必须有有一定的放大大能力。 输出出阻抗比较高高这样会使传传感器信号输输入到测量电电路时产生较较大的信号衰衰减。输出信号动态态范围很宽。输输出信号随着着输入物理量的变变化而变化，但但它们之间的的关系不一定定是线性比例例关系。3-29传感器器与微型计算算机接口的一一般结构是什什么？输入通通道和输出通通道的特点是是什么？答：传感器与微微型计算机接接口的一般结结构：输入通道的特点点： 输输入通道的结结构类型取决决于传感器送送来的信号大大小和类型。由由于被测量和和信号转换的的差异，输入入通道会有不不同的类型。
23、 输输入通道的主主要技术指标标是信号转换换精度和实时时性，后者为为实时检测和和控制系统的的特殊要求。对对输入通道技技术指标的要要求是选择通通道中有关器器件的依据。 输输入通道是一一个模拟、数数字信号混合合的电路，其其功耗小，一一般没有功率率驱动要求。 被被测信号所在在的现场可能能存在各种电电磁干扰。这这些于扰会与与被测信号一一起从输入通通道进入微机机，影响测量量和控制精度度，甚至使微微机无法正常常工作，因此此在输入通道道中必采取措措施。输出通道的特点点： 通道的结构构取决于系统统要求，其中中的信号有数数字量和模拟拟量两大类，要要用到的转换换器件是DA转转换器。 微机输出信信号的电平和和功率都很
24、小小，而被控装装置所要求的的信号电平和和功率往铰比比较大，因此在输出出通道中要有有功率放大，即即输出驱动环环节。 输出通道连连接被控装置置的执行机构构，各种电磁磁干扰会经通通道进入被控装置，因因此必须在输出通道中中采取抗干扰扰措施。3-30电桥电电路的主要作作用是什么？可以分为哪哪几种？答：电桥电路是是传感器检测测电路中经常常使用的电路路，主要用来来把传感器的的电阻、电容容、电感变化化转换为电压压或电流。分分为直流电桥桥、 交流电桥桥和放大电路3-31绘出基基本放大电路路的电路图。答：略。3-32放大电电路有哪3种种形式?输出出信号的表达达形式分别是是什么？答：1 反向放大：2 同向放大：3
25、差动放大：第4章答案4-1传感器节节点在实现各各种网络协议议和应用系统统时，存在哪哪些现实约束束？答：传感器节点点在实现各种种网络协议和和应用系统时时，存在以下下一些现实约约束。1.电源能量有有限传感器节点体积积微小，通常常携带能量十十分有限的电电池。由于传传感器节点个个数多、成本本要求低廉、分分布区域广，而而且部署区域域环境复杂，有有些区域甚至至人员不能到到达，所以传传感器节点通通过更换电池池的方式来补补充能源是不不现实的。如如何高效使用用能量来最大大化网络生命命周期是传感感器网络面临临的首要挑战战。如何让网网络通信更有有效率，减少少不必要的转转发和接收，不不需要通信时时尽快进入睡睡眠状态，
26、是是传感器网络络协议设计需需要重点考虑虑的问题。2.通信能力有有限无线通信的能量量消耗与通信信距离的关系系为：其中，参数n满满足关系2n4。n的取值与很很多因素有关关，例如传感感器节点部署署贴近地面时时，障碍物多多干扰大，nn的取值就大大；天线质量量对信号发射射质量的影响响也很大。考考虑诸多因素素，通常取nn为3，即通通信能耗与距距离的三次方方成正比。随随着通信距离离的增加，能能耗将急剧增增加。因此，在在满足通信连连通度的前提提下应尽量减减少单跳通信信距离。由于于节点能量的的变化，受高高山、建筑物物、障碍物等等地势地貌以以及风雨雷电电等自然环境境的影响，无无线通信性能能可能经常变变化，频繁出出
27、现通信中断断。在这样的的通信环境和和节点有限通通信能力的情情况下，如何何设计网络通通信机制以满满足传感器网网络的通信需需求是传感器器网络面临的的挑战之一。3.计算和存储储能力有限传感器节点是一一种微型嵌入入式设备，要要求它价格低低功耗小，这这些限制必然然导致其携带带的处理器能能力比较弱，存存储器容量比比较小。为了了完成各种任任务，传感器器节点需要完完成监测数据据的采集和转转换、数据的的管理和处理理、应答汇聚聚节点的任务务请求和节点点控制等多种种工作。如何何利用有限的的计算和存储储资源完成诸诸多协同任务务成为传感器器网络设计的的挑战。4-2举例说明明无线传感器器网络的应用用领域。答：传感器网络络
28、的应用前景景非常广阔，能能够广泛应用用于军事、环环境监测和预预报、健康护护理、智能家家居、建筑物物状态监控、复复杂机械监控控、城市交通通、空间探索索、大型车间间和仓库管理理，以及机场场、大型工业业园区的安全全监测等领域域。随着传感感器网络的深深入研究和广广泛应用，传传感器网络将将逐渐深入到到人类生活的的各个领域。1.军事应用传感器网络具有有可快速部署署、可自组织织、隐蔽性强强和高容错性性的特点，因因此非常适合合在军事上应应用。利用传传感器网络能能够实现对敌敌军兵力和装装备的监控、战战场的实时监监视、目标的的定位、战场场评估、核攻攻击和生物化化学攻击的监监测和搜索等等功能。通过过飞机或炮弹弹直接
29、将传感感器节点播撒撒到敌方阵地地内部，或者者在公共隔离离带部署传感感器网络，就就能够非常隐隐蔽而且近距距离准确地收收集战场信息息，迅速获取取有利于作战战的信息。传传感器网络是是由大量的随随机分布的节节点组成的，即即使一部分传传感器节点被被敌方破坏，剩剩下的节点依依然能够自组组织地形成网网络。传感器器网络可以通通过分析采集集到的数据，得得到十分准确确的目标定位位，从而为火火控和制导系系统提供精确确的制导。利利用生物和化化学传感器，可可以准确地探探测到生化武武器的成分，及及时提供情报报信息，有利利于正确防范范和实施有效效的反击。2.环境观测和和预报系统随着人们对于环环境的日益关关注，环境科科学所涉
30、及的的范围越来越越广泛。传感感器网络在环环境研究方面面可用于监视视农作物灌溉溉情况、土壤壤空气情况、牲牲畜和家禽的的环境状况和和大面积的地地表监测等，可可用于行星探探测、气象和和地理研究、洪洪水监测等，还还可以通过跟跟踪鸟类、小小型动物和昆昆虫进行种群群复杂度的研研究等。类似似地，传感器器网络可实现现对森林环境境监测和火灾灾报告，传感感器节点被随随机密布在森森林之中，平平常状态下定定期报告森林林环境数据，当当发生火灾时时，这些传感感器节点通过过协同合作会会在很短的时时间内将火源源的具体地点点、火势的大大小等信息传传送给相关部部门。3.医疗护理传感器网络在医医疗系统和健健康护理方面面的应用包括括
31、监测人体的的各种生理数数据，跟踪和和监控医院内内医生和患者者的行动，医医院的药物管管理等。如果果在住院病人人身上安装特特殊用途的传传感器节点，如如心率和血压压监测设备，医医生利用传感感器网络就可可以随时了解解被监护病人人的病情，发发现异常能够够迅速抢救。将将传感器节点点按药品种类类分别放置，计计算机系统即即可帮助辨认认所开的药品品，从而减少少病人用错药药的可能性。还还可以利用传传感器网络长长时间地收集集人体的生理理数据，这些些数据对了解解人体活动机机理和研制新新药品都是非非常有用的。4.智能家居传感器网络能够够应用在家居居中。在家电电和家具中嵌嵌入传感器节节点，通过无无线网络与IInternn
32、et连接在在一起，将会会为人们提供供更加舒适、方方便和更具人人性化的智能能家居环境。利利用远程监控控系统，可完完成对家电的的远程遥控，例例如可以在回回家之前半小小时打开空调调，这样回家家的时候就可可以直接享受受适合的室温温，也可以遥遥控电饭锅、微微波炉、电冰冰箱、电话机机、电视机、录录像机、电脑脑等家电，按按照自己的意意愿完成相应应的煮饭、烧烧菜、查收电电话留言、选选择录制电视视和电台节目目以及下载网网上资料到电电脑中等工作作，也可以通通过图像传感感设备随时监监控家庭安全全情况。利用用传感器网络络可以建立智智能幼儿园，监监测孩童的早早期教育环境境，跟踪孩童童的活动轨迹迹，可以让父父母和老师全全
33、面地研究学学生的学习过过程。5.建筑物状态态监控建筑物状态监控控（Structture HHealthh Monitooring，SSHM）是利利用传感器网网络来监控建建筑物的安全全状态。由于于建筑物不断断修补，可能能会存在一些些安全隐患。虽虽然地壳偶尔尔的小振动可能不会会带来看得见见的损坏，但但是也许会在在支柱上产生生潜在的裂缝缝，这个裂缝缝可能会在下下一次地震中中导致建筑物物倒塌。用传传统方法检查查，往往要将将大楼关闭数数月。采用传感器网络络，可以让大大楼、桥梁和和其他建筑物物能够自身感感觉并意识到到它们本身的的状况，使得得安装了传感感器网络的智智能建筑自动动告诉管理部部门它们的状状态信息
34、，并并且能够自动动按照优先级级来进行一系系列自我修复复工作。未来来的各种摩天天大楼可能就就会装备这种种类似红绿灯灯的装置，从从而建筑物可可自动告诉人人们当前是否否安全、稳固固程度如何等等信息。6.其他方面的的应用复杂机械的维护护经历了“无无维护”、“定定时维护”以以及“基于情情况的维护”三三个阶段。采采用“基于情情况的维护”方方式能够优化化机械的使用用，保持过程程更加有效，并并且保证制造造成本仍然低低廉。其维护护开销分为几几个部分：设设备开销、安安装开销和人人工收集分析析机械状态数数据的开销。采采用无线传感感器网络能够降降低这些开销销，特别是能能够去掉人工工开销。尤其其是目前数据据处理硬件技技
35、术的飞速发发展和无线收收发硬件的发发展，新的技技术已经成熟熟，可以使用用无线技术避避免昂贵的线线缆连接，采采用专家系统统自动实现数数据的采集和和分析。传感感器网络可以以应用于空间间探索。借助助于航天器在在外星体撒播播一些传感器器节点，可以以对星球表面面进行长时间间的监测。这这种方式成本本很低，节点点体积小，相相互之间可以以通信，也可可以和地面站站进行通信。4-3传感器节节点由哪几部部分组成？答：传感器节点点由传感器模模块、处理器器模块、无线线通信模块和和能量供应模模块四部分组组成。传感器器模块负责监监测区域内信信息的采集和和数据转换；处理器模块块负责控制整整个传感器节节点的操作，存存储和处理本
36、本身采集的数数据以及其他他节点发来的的数据；无线线通信模块负负责与其他传传感器节点进进行无线通信信，交换控制制消息和收发发采集数据；能量供应模模块为传感器器节点提供运运行所需的能能量，通常采采用微型电池池。4-4简述无线线传感器网络络各层协议和和平台的功能能。答：协议栈包括括物理层、数数据链路层、网网络层、传输输层和应用层层，与互联网网协议栈的五五层协议相对对应。另外，协协议栈还包括括能量管理平平台、移动管管理平台和任任务管理平台台。这些管理理平台使得传传感器节点能能够按照能源源高效的方式式协同工作，在在节点移动的的传感器网络络中转发数据据，并支持多多任务和资源源共享。各层层协议和平台台的功能
37、如下下：l 物理层提供简单单但健壮的信信号调制和无无线收发技术术；l 数据链路层负责责数据成帧、帧帧检测、媒体体访问和差错错控制；l 网络层主要负责责路由生成与与路由选择；l 传输层负责数据据流的传输控控制，是保证证通信服务质质量的重要部部分；l 应用层包括一系系列基于监测测任务的应用用层软件；l 能量管理平台管管理传感器节节点如何使用用能源，在各各个协议层都都需要考虑节节省能量；l 移动管理平台检检测并注册传传感器节点的的移动，维护护到汇聚节点点的路由，使使得传感器节节点能够动态态跟踪其邻居居的位置；l 任务管理平台在在一个给定的的区域内平衡衡和调度监测测任务。4-5无线传感感器网络具有有何
38、显著特点点？答：无线传感器器网络具有以以下的特点：1.大规模网络络为了获取精确信信息，在监测测区域通常部部署大量传感感器节点，传传感器节点数数量可能达到到成千上万，甚甚至更多。传传感器网络的的大规模性包包括两方面的的含义：一方方面是传感器器节点分布在在很大的地理理区域内，如如在原始大森森林采用传感感器网络进行行森林防火和和环境监测，需需要部署大量量的传感器节节点；另一方方面，传感器器节点部署很很密集，在一一个面积不是是很大的空间间内，密集部部署了大量的的传感器节点点。传感器网网络的大规模模性具有如下下优点：通过过不同空间视视角获得的信信息具有更大大的信噪比；通过分布式式处理大量的的采集信息能能
39、够提高监测测的精确度，降降低对单个传传感器节点的精度要要求；大量冗冗余节点的存存在，使得系系统具有很强强的容错性能能；大量节点点能够增大覆覆盖的监测区区域，减少洞洞穴或者盲区区。2.自组织网络络在传感器网络应应用中，通常常情况下传感感器节点被放放置在没有基基础结构的地地方。传感器器节点的位置置不能预先精精确设定，节节点之间的相相互邻居关系系预先也不知知道，如通过过飞机播撒大大量传感器节节点到面积广广阔的原始森森林中，或随随意放置到人人不可到达或或危险的区域域。这样就要要求传感器节节点具有自组组织的能力，能能够自动进行行配置和管理理，通过拓扑扑控制机制和和网络协议自自动形成转发发监测数据的的多跳
40、无线网网络系统。3多跳路由网络中节点通信信距离有限，一一般在几十到到几百米范围围内，节点只只能与它的邻邻居直接通信信。如果希望望与其射频覆覆盖范围之外外的节点进行行通信，则需需要通过中间间节点进行路路由。网络的的多跳路由使使用网关和路路由器来实现现，而无线传传感器网络中中的多跳路由由是由普通网网络节点完成成的，没有专专门的路由设设备。这样每每个节点既可可以是信息的的发起者，也也可以是信息息的转发者。4.动态性网络络传感器网络的拓拓扑结构可能能因为下列因因素而改变：环境因素素或电能耗尽尽造成的传感感器节点出现现故障或失效效；环境条条件变化可能能造成无线通通信链路带宽宽变化，甚至至时断时通；传感器
41、网网络的传感器器、感知对象象和观察者这这三要素都可可能具有移动动性；新节节点的加入。这这就要求传感感器网络系统统要能够适应应这种变化，具具有动态的系系统可重构性性。4.可靠的网络络传感器网络特别别适合部署在在恶劣环境或或人类不宜到到达的区域，传传感器节点可可能工作在露露天环境中，遭遭受太阳的暴暴晒或风吹雨雨淋，甚至遭遭到无关人员员或动物的破破坏。传感器器节点往往采采用随机部署署，如通过飞飞机撒播或发发射炮弹到指指定区域进行行部署。这些些都要求传感感器节点非常常坚固，不易易损坏，适应应各种恶劣环环境条件。由于监测区域环环境的限制以以及传感器节节点数目巨大大，不可能人人工“照顾”每每个传感器节节点
42、，网络的的维护十分困困难甚至不可可维护。传感感器网络的通通信保密性和和安全性也十十分重要，要要防止监测数数据被盗取和和获取伪造的的监测信息。因因此，传感器器网络的软硬硬件必须具有有鲁棒性和容容错性。5.以数据为中中心的网络传感器网络是任任务型的网络络，脱离传感感器网络谈论论传感器节点点没有任何意意义。传感器器网络中的节节点采用节点点编号标识，节节点编号是否否需要全网唯唯一取决于网网络通信协议议的设计。由由于传感器节节点随机部署署，构成的传传感器网络与与节点编号之之间的关系是是完全动态的的，表现为节节点编号与节节点位置没有有必然联系。用用户使用传感感器网络查询询事件时，直直接将所关心心的事件通告
43、告给网络，而而不是通告给给某个确定编编号的节点。网网络在获得指指定事件的信信息后汇报给给用户。这种种以数据本身身作为查询或或传输线索的的思想更接近近于自然语言言交流的习惯惯。所以通常常说传感器网网络是一个以以数据为中心心的网络。6.应用相关的的网络传感器网络用来来感知客观物物理世界，获获取物理世界界的信息量。客客观世界的物物理量多种多多样，不可穷穷尽。不同的的传感器网络络应用关心不不同的物理量量，因此对传传感器的应用用系统也有多多种多样的要要求。不同的的应用背景对对传感器网络络的要求不同同，其硬件平平台、软件系系统和网络协协议必然会有有很大差别。所所以传感器网网络不能像IInternnet一样
44、，有有统一的通信信协议平台。对对于不同的传传感器网络应应用虽然存在在一些共性问问题，但在开开发传感器网网络应用中，更更关心传感器器网络的差异异。只有让系系统更贴近应应用，才能做做出最高效的的目标系统。针针对每一个具具体应用来研研究传感器网网络技术，这这是传感器网网络设计不同同于传统网络络的显著特征征。4-6基于距离离的定位的方方法分为：基基于TOA的的定位、基于于TDOA的的定位、基于于AOA的定定位和基于RRSSI的定定位等，比较较这四种方法法的优缺点。答：基于TOAA的定位精度度高，但要求求节点间保持持精确的时间间同步，因此此对传感器节节点的硬件和和功耗提出了了较高的要求求。TDOAA技术
45、对硬件件的要求高，成成本和能耗使使得该种技术术对低能耗的的传感器网络络提出了挑战战。但是TDDOA技术测测距误差小，有有较高的精度度。AOA定定位不仅能确确定节点的坐坐标，还能提提供节点的方方位信息。但但AOA测距距技术易受外外界环境影响响，且AOAA需要额外硬硬件，在硬件件尺寸和功耗耗上不适用于于大规模的传传感器网络。在在实验环境中中RSSI表表现出良好的的特性，但是是在现实环境境中，温度、障障碍物、传播播模式等条件件往往都是变变化的，使得得该技术在实实际应用中仍仍然存在困难难。4-7无线传感感器网络为什什么要使用时时间同步机制制，时间同步步机制的主要要性能参数包包括哪些？答：在无线传感感器
46、网络系统统中，单个节节点的能力非非常有限，整整个系统所要要实现的功能能需要网络内内所有节点互互相配合共同同完成。时间间同步在无线线传感器网络络中起着非常常重要的作用用。在分布式式系统中，不不同的节点都都有自己的本本地时钟。由由于不同节点点的晶体振荡荡器频率存在在偏差，以及及温度变化和和电磁波干扰扰等，即使在在某个时刻所所有节点都达达到时间同步步，它们的时时间也会逐渐渐出现偏差，而而分布式系统统的协同工作作需要节点间间的时间同步步，因此时间间同步机制是是分布式系统统基础框架的的一个关键机机制。传感器网络应用用的多样性导导致了对时间间同步机制需需求的多样性性，不可能用用一种时间同同步机制满足足所有
47、的应用用要求。传感感器网络的时时间同步机制制的主要性能能参数如下：（1）最大误差差：一组传感感器节点之间间的最大时间间差量，或相相对外部标准准时间的最大大差量。通常常情况下，最最大误差随着着需要同步的的传感器网络络范围的增大大而增加。（2）同步期限限：节点间需需要一直保持持时间同步的的时间长度，传传感器网络需需要在各种时时间长度内保保持时间同步步，从瞬间同同步到伴随网网络存在的永永久同步。（3）同步范围围：需要节点点间时间同步步的区域范围围，这个范围围可以是地理理范围，如以以米度量的距距离；也可以以是逻辑距离离，如网络的的跳数。（4）可用性：指在范围内内的覆盖完整整性，有些时时间同步机制制能够同步区区域内的每个个节点，基于于网络的机制制通常能够同同步每个节点点，而有些机机制对硬件要要求高，仅能能同步部分节节点，如GPPS系统。（5）效率：达达到同步精度度所经历的时时间以及消耗耗的能量。需需要交换的同同步消息越多多，经历的时时间越长，消消耗的网络能能量就越大，同同步的效率相相对就越低。（6）代价和体体积：时间同同步可能需要要特定硬件，在在传感器网络络中需要考虑虑部件的价格格和体积，这这对传感器网网络非常重要要。4-8无线传感感器