概述
如果一把伞可以感知当地天气并提醒主人今天是否应该带伞,如果某种可穿戴设备能够监测病人的健康状况并预测病情是否恶化以便及时准确地通知医生,如果汽车上的计算和预测分析系统能够提醒用户保养计划以避免突如其来的部件故障,我们的生活将会如何?
物联网与访问互联网的云平台即服务(PaaS)能够将其变为现实。本书作者将带你了解物联网中所涉及的各种功能的重要设计和实现细节。例如,第1章介绍的智能伞能够使用特定的传感器和计算设备连接到互联网,然后实时给出天气情况。关于智能车或者网联车的内容阐述了这种汽车如何通过将服务相关数据直接传输到汽车保养和服务中心或者驾驶员/汽车用户服务器,进行服务需求的自动检测和服务预约的自动提醒,以提高服务效率。
现在,物联网已经得到广泛研究并正在快速部署和实施。2015年的TCS研究“物联
网:全新想象驱动力”引用Gartner的预测表明:
今年将有49亿个“连接的物体”或者哈佛商学院教授Michael Porter所说的“智能连接产品”,不过目前还没有看到任何东西。预计10年后,这一数字将增加到过去的5倍,达到约250亿个连接的物体,其中包括25亿辆汽车。Gartner表示,到2020年,25亿辆网联车能够提供更好的车载服务和自动驾驶能力。
适用对象
物联网设计和物联网产品、服务及应用开发需要一个由硬件和软件专业人员组成的团队。相应地,这些专业人员需要跟踪物联网领域的最新成果。因此,本书既能为这些专业人员提供参考,也能作为计算机科学和信息技术领域的本科生和研究生的参考教材。
关于本书
本书易于理解和学习,书中提供了一些示意图、实例、示例代码以及项目案例研究,主要面向本科生和研究生,详细阐述物联网的体系结构、设计原理、硬件和软件设计等内容。每一章开始定义了每一节的学习目标和之前内容的知识回顾,并介绍本章涉及的重要术语。每一节最后列出了所需掌握的要点并提供了三种不同难度级别的自测练习。此外,还提供了关键概念、学习效果,以及客观题、简答题、论述题和实践题等习题,以帮助读者更好地理解各章内容。
学习和评估工具
学习目标
本书已经为有关内容设定了相应的学习目标(LO),与常规学习相比,这个教育过程强调培养学生所需的技能,并检验该课程的学习效果。这种方法侧重于强调获取知识,以及应用这些基本原理分析问题和解决问题的能力。
自测练习
每个学习目标后面都有一组用于学生自我评测的问题,通过这种循环学习的方式来强化对知识的记忆。
难度等级
本书按照布卢姆法则(Bloom’s Taxonomy)定义的难度等级安排教学内容。所有考查的问题都与学习目标相关联,并标有难度等级,以帮助评估学生的学习情况。
★代表难度等级1和2,是基于知识和理解的易于解决的问题。
★★代表难度等级3和4,是基于应用和分析的比较难以解决的问题。
★★★代表难度等级5和6,是基于综合和评价的非常难以解决的问题。
. 学习效果
每章最后提供了每个学习目标相关的知识摘要,有助于将学习效果概括为一些研究思想。
课后习题
本书给出了500多个精心设计的课后习题,包括客观题、简答题、论述题和实践题,它们具有不同的难度等级,旨在进行知识强化和技巧检验。
突出特色
详细介绍了新的IoT/M2M架构、参考模型、标准和协议。
包含一些最新主题,比如工业物联网、工业4.0、交互式传感和网联车等。
详细解释了架构、设计原则、硬件和软件设计以及应用/服务/进程。
为师生提供在线学习资源。
教学内容丰富。
插图:101
案例研究:4
客观题:133
论述题:129
实例:88
自测练习:422
简答题:172
实践题:118
章节安排
第1章概述物联网。该章首先给出物联网的愿景和定义,以及支持物联网应用/服务的智能超连接设备的含义;接下来,描述物联网的概念框架和架构视图、物联网支撑技术、通信模块和MQTT等协议;然后,描述物联网的“源”,例如RFID和无线传感器网络,以及机器与机器之间的通信技术。此外,该章还介绍可穿戴手表、智能家居和智慧城市的概念。
第2章介绍连接设备的设计原则。该章描述物联网应用的IETF六层设计、ITU-T参考模型和ETSI M2M域以及高级功能;接下来,首先描述第一个架构层/设备和网关域的无线和有线通信协议与技术,然后描述第二个架构层/设备和网关域的功能,包括数据增强、转码、融合、隐私问题以及设备配置、管理和ID管理。此外,该章还解释了易于设计和经济实惠的必要性。
第3章介绍Web连接的设计原则。该章描述用于通信的数据格式标准JSON、TLV和MIME,以及用于Web连接的CoAP、CoAP-SMS、CoAP-MQ、MQTT和XMPP等协议。此外,该章还介绍SOAP、REST、HTTP RESTful和WebSocket等通信网关部署方法。
第4章介绍Internet连接原则。该章描述一些基本概念,包括IPv4、IPv6、6LowPAN和TCP/IP协议簇,以及物联网设备的IP寻址和通信电路的MAC地址。此外,该章还讨论物联网应用/服务/进程在IETF第6层(应用层)使用的HTTP、HTTPS、FTP、Telnet和其他协议。
第5章定义物联网/M2M应用/服务/业务流程中的数据获取、组织和分析方法,包括数据生成、获取、验证,数据和事件汇编(组装)以及数据存储过程等。
该章描述数据中心和服务器管理功能:其一是数据组织,主要包括数据库、空间和时间序列数据库、SQL和NoSQL方法;其二是查询处理、事务和事件处理、OLTP、业务流程、商业智能和接入Internet的嵌入式设备及其网络协议等概念。
该章最重要的概念主要包括分布式业务流程、复杂应用集成和面向服务的体系结构、企业系统集成、IoT/M2M描述、事件、实时、数据库和大数据的预测分析等,此外还描述了知识获取、管理和存储的概念。
第6章介绍针对物联网/M2M应用/服务的云平台数据收集、存储和计算的概念。该章描述了云计算模式、云部署模型(SaaS、IaaS、PaaS和DaaS)、一切皆服务模型(XaaS)和云服务模型。该章进一步解释了在云端进行设备收集、设备数据存储和计算的云平台方法,并使用Xively(Pachube/COSM)和Nimbits作为实例讲述云服务的使用方法。
第7章介绍传感器的工作原理和使用技术。该章重点介绍交互式传感和工业物联网的最新进展,所描述的汽车物联网包括物联网新概念如何重塑未来汽车、汽车互联网应用以及车辆到基础设施(V2I)技术。该章还详细介绍了执行器、射频识别和无线传感网技术的应用。
第8章描述物联网嵌入式设备的原型设计。该章介绍嵌入式计算的基础原理及其相关的嵌入式设备软硬件,同时介绍Arduino、Intel Galileo、Edison、Raspberry Pi、Beagle-Bone和mBed等开发板的特点,这些都是常用于原型设计的嵌入式平台。此外,还介绍了手机和平板电脑用于物联网设备和应用程序的使用方法。
第9章描述嵌入式设备软件、网关、互联网、网络/云服务和软件组件的原型设计。该章介绍使用Arduino集成开发环境进行嵌入式设备原型程序设计的方法,以及嵌入式Galileo、Raspberry Pi、BeagleBone和mBed等物联网程序设计平台。该章还讲述了在线API和Web API的原型设计方法,它们经常用于物联网应用程序、Web APP和Web服务等物联网设备的数据存储、数据库和分析应用中。
第10章涵盖物联网应用程序和设备使用中最重要的问题—数据隐私、安全和漏洞解决方案。首先描述漏洞、安全需求和威胁分析以及为物联网提供正确安全的用例和误用案例的重要性,然后描述物联网安全断层扫描、分层攻击者模型以及连接源的身份管理、标识建立和访问控制。
第11章提供商业模式及其创新的见解。该章解释了物联网应用的价值创造概念,介绍工业4.0模型以及适用于物联网设备、移动API和客户数据的商业模式场景。
第12章首先讲述物联网原型设计和产品开发的设计层次(阶段),并用实例讲述物联网系统设计的6个层次。该章用实例介绍PssS云的使用方法,包括用于加速M2M、IoT、IIoT应用程序和服务的设计、开发和部署的AWS物联网平台及TCS通用互联平台。该章进一步概述了IoT/IIoT在四个核心业务类别/领域中的PaaS平台应用及全球发展趋势。该章还以特斯拉为例,介绍概念车、网联车及其在未来汽车中的应用。该章以实例讲述各种物联网应用:智能家居、智能城市、智能环境监测、智慧农业和智慧生产,最后给出了一个新的物联网项目设计案例—“智能城市路灯控制和监测”。
教辅资源
网络已经成为师生重要的学习资料来源,可以从http://www.mhhe.com/rajkamal/iot网站获得本书的补充材料。
对于教师一
简答题、论述题和实践题的参考答案。
用于交互式演示的章节幻灯片,并且带有图表和注释。
对于学生
新的案例研究。
通过作者网站回答学生提出的问题:http://www.rajkamal.org。
致谢
感谢名誉校长Shri R. C. Mittal、名誉副校长Shri Gopal Agrawal、校长Sunil K Somani博士和前首席执行官Shamsher Singh博士,感谢Medi-Caps大学提供了一个在计算机科学和工程领域开展教学和研究活动的良好平台。
感谢Sanjay K. Tanwani教授、Maya Ingle教授、Preeti Saxena博士、Shraddha Masih
博士、Abhay Kumar教授、Manju Chattopadhaya博士以及印多尔市Devi Ahilya Vishwavi-
dyalaya的其他同事的诸多帮助和鼓励。
感谢我的家人在本书编写过程中给予我的长期大力支持,他们是:妻子Sushil Mittal、
女儿Shilpi Kondaskar博士、女婿Atul Kondaskar博士、儿子Shalin Mittal、儿媳Needhi Mittal,以及孙子Arushi Kondaskar、Atharv Raj Mittal、Shruti Shreya Mittal和Ishita Kondaskar。
感谢McGraw Hill Education团队对本书出版给予的大力支持。
反馈
希望学生和专业人士喜欢这本书,它将有助于学生掌握物联网体系结构、设计原则和应用等领域的设计能力和核心概念。
尽管非常努力,但书中难免存在一些错误。作者非常感谢读者指出这些错误,也非常感谢对本书内容和补充资料中存在问题的反馈。读者可以通过professor@rajkamal.org或dr_rajkamal@hotmail.com与作者取得联系。
Raj Kamal