《物联网工程概论》习题及思考题答案.doc 39页

'《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简述物联网的定义，分析物联网的“物”的条件。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，把各种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，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。1-2简述物联网应具备的三个特征。答：一是全面感知，即利用射频识别技术(RFID)、传感器、二维码等随时随地获取物体的信息；二是可靠传递，通过各种电信网络与互联网的融合，将物体的信息实时准确地传递出去；三是智能处理，利用云计算，模糊识别等各种智能计算技术，对海量的数据和信息进行分析和处理，对物体实施智能化的控制。1-3简述15年周期定律和摩尔定律。答：15年周期定律：计算模式每隔15 年发生一次变革。摩尔定律：集成电路上可容纳的晶体管数目，约每隔18个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。1-4名词解释：RFID、EPC、ZigBee。答：RFID即射频识别，俗称电子标签，一种自动识别技术，可以快速读写、长期跟踪管理，通过无线射频方式进行非接触双向数据通信对目标加以识别。EPC(ElectronicProductCode)，即产品电子代码，为每一件单品建立全球的、开放的标识标准，实现全球范围内对单件产品的跟踪与追溯。ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通信技术。主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用。1-5简要概述物联网的框架结构。答：物联网可以简要分为核心层、接入层，软件核心层主要是应用服务层，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器网络、移动通信网络、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。1-6分析物联网的关键技术和应用难点。答：关键技术为RFID、无线网络技术、传感技术、人工智能技术。应用难点在于其技术标准问题、数据安全问题、IP地址问题、终端问题。1-7举例说明物联网的应用领域及前景。答：物联网应用领域很广，几乎可以包含各行各业。目前在环境保护、社区服务、商务金融等方面，例如“移动支付”、“移动购物”、“手机钱包”、“手机银行”、“电子机票”等，前景广阔可观，应用潜力巨大，无论是服务经济市场，还是国家战略需要，物联网都能占据重要地位。 第2章答案2-1什么是EPC？答：电子产品编码(ElectronicProductCode）2-2请简要地叙述EPC系统的组成，以及各个部分的英文简写。答：EPC载体、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(ObjectNamingServicer，对象名称解服务器)，它用来把EPC转化成IP地址，用来定位相应的计算机和完成相应的信息交互服务。PML(PhysicalMarkupLanguage，实体标识语言)服务器中，存储用PML描述的实物信息，如实物名称、种类、性质、生产日期、生产厂家信息、实物存放位置、实物的使用说明等。2-3EPC编码有几种技术要求？每种要求具体是如何要求的？答：EPC数字信息代表了该产品的生产地区、生产商、生产日期、产品属性等数据信息。目前的EPC系统中应用的编码类型主要有三种：64位、96位和256位，EPC由版本号、产品域名管理、产品分类部分和序列号四个字段组成，版本号字段代表了产品所使用的EPC的版本号，这一字段提供了可以编码的长度。产品域名管理字段标识了该产品生产厂商的具体信息，如厂商名字，负责人以及产地。产品的分类字段部分可以使商品的销售商能够方便地对产品进行分类。序列号用于对具体单个产品进行编码。对于具体的编码标准现在已经推出有：EPC-96Ⅰ型，EPC-64Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型，EPC-256Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型等编码方案。2-4条形码分为几种？请简要说明每种条形码的特点。答：条形码可以有一维的，还有二维条形码，黑条和空白的排列就代表了商品的产品属性等特征信息，因而在许多领域有广泛的应用，因其各自特点差异，其用途也各不相同，日常我们多见到的是一维条码。 在EPC条形码的编码方式中在水平和垂直方向的二维空间存储信息的条码，称为二维条码（2-dimensionalbarcode），可直接显示英文、中文、数字、符号、图形；存储数据量大，可存放1k字符，可用扫描仪直接读取内容，无需另接数据库；保密性高（可加密）；安全级别最高时，损污50%仍可读取完整信息。2-5RFID系统基本组成部分有哪些？答：RFID系统主要由应答器、阅读器和高层组成。其中应答器是集成电路芯片形式，而集成芯片又根据它的封装不同表现的形式也不太一样。阅读器用于产生射频载波完成与应答器之间的信息交互的功能。高层功能是信息的管理和决策系统。2-6电子标签分为哪几种？简述每种标签的工作原理。答：应答器的基本是由天线、编/解码器、电源、解调器、存储器，控制器以及负载电路组成。从应答器传送信息到阅读器，状态数据在CPU的控制下，从存储器中取出经过编码器和负载调制单元发送到阅读器2-7RFID产品的基本衡量参数有哪些？答：RFID产品的基本衡量参数有工作频率、读取距离、读写速度、方向性、采用通信接口协议。2-8简述天线的工作原理。答：天线是一种以电磁波形式把前端射频信号功率接收或辐射出去的装置，是电路与空间的界面器件，用来实现导行波与自由空间波能量的转化，在电磁能量的转换过程中，完成信息的交互。2-9对于抛物面天线，已知它的抛物面直径为2m，中心工作波长为2cm，根据统计出来的经验数据，请计算其增益近似为多少。答：对于抛物面天线，可用下式近似计算其增益：G（dBi）=10lg{4.5×（D/λ0）2}式中，D为抛物面直径；λ0为中心工作波长；4.5是统计出来的经验数据。现在D=2m，中心工作波长λ0=0.02m，代入公式得G=95.42dBi。 2-10请说出RFID天线主要分为哪几种？每种的特点如何？答：RFID天线主要分为近场天线、远场天线、偶极子天线、微带贴片天线和电感耦合射频天线等。近场天线系统工作在天线的近场，标签所需的能量都是通过电感耦合方式由读写器的耦合线圈辐射近场获得，工作方式为电感耦合。对于超高频和微波频段，读写器天线要为标签提供能量或唤醒有源标签，工作距离较远，一般位于读写器天线的远场。偶极子天线也称为对称振子天线，由两段同样粗细和等长的直导线排成一条直线构成。信号从中间的两个端点馈入，在偶极子的两臂上将产生一定的电流分布，这种电流分布就会在天线周围空间激发起电磁场。微带贴片天线通常是由金属贴片贴在接地平面上的一片薄层，微带贴片天线质量轻、体积小、剖面薄，馈线和匹配网络可以和天线同时制作，与通信系统的印制电路集成在一起，贴片又可采用光刻工艺制造，成本低、易于大量生产。2-11试说明HRRFD-NF09的近场天线的性能参数如何？答：HRRFD-NF09的近场天线的天线的物理长度为150mm。工作的频率范围为865～954GHz，采用了N/SMA接口形式，天线的极化方式为线极化。第3章答案3-1传感器的定义是什么?它们是如何分类的？答：传感器是一种能把特定的被测信号，按一定规律转换成某种可用信号输出的器件或装置，以满足信息的传输、处理、记录、显示和控制等要求。根据不同的分类方式，有不同的分类。3-2试分析传感器在各领域里的应用。答：略。3-3传感器的动态特性、基本概念及主要性能指标的含意是什么?答：传感器的动态特性，是指其输出对随时间变化的输入量的响应特性。3-4传感器的主要特性有哪些? 答：主要分为静态特性和动态特性。衡量静态特性的重要指标是线性度、灵敏度、迟滞和重复性等。3-5传感器的误差大小与其精度、准确度之间的关系是什么?答：略。3-6什么叫传感器？由哪几部分组成？它们的作用与相互关系怎样？答：传感器由两个基本元件组成：敏感元件与转换元件。具体由下图所示：3-7有两个传感器测量系统，其动态特性可以分别用下面两个微分方程描述，试求这两个系统的时间常数τ和静态灵敏度K。1）式中，y为输出电压，V；T为输入温度，℃。2）式中，y为输出电压，μV；x为输入压力，Pa。答：10s，0.5*10-5V/℃；0.33s，2.29μV/Pa。3-8用一只时间常数τ=0.318s的一阶传感器去测量周期分别为1s、2s和3s的正弦信号，问幅值相对误差是多少？答：-55.2%，-29.3%，-16.8%。3-9查阅资料，查找半导体气敏传感器有哪几种类型？答：略。 3-10什么叫绝对湿度和相对湿度？答：相对湿度，指空气中水汽压与饱和水汽压的百分比。绝对湿度指的是大气中水汽的密度，即单位大气中所含水汽的质量。3-11试述湿敏电容式和湿敏电阻式湿度传感器的工作原理。答：略。3-12超声波传感器的基本原理是什么？超声波探头有哪几种结构形式？答：超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。超声波振动频率高于可听声波。由换能晶片在电压的激励下，发生振动能产生超声波。超声波对液体、固体的穿透能力强，在不透明的固体中它可穿透几十米的深度。超声波碰到杂质或分界面，会发生显著反射，形成反射成回波碰到活动物体能产生多普勒效应。超声波探头主要由压电晶片组成，既可以发射超声波也可以接收超声波。小功率超声探头多用来探测。它有许多不同的结构，可分直探头、斜探头、表面波探头、兰姆波探头、双探头等。3-13什么是智能传感器？智能传感器有哪些实现方式？答：智能传感器（IntelligentSensor）是具有信息处理功能的传感器。智能传感器主要由传感器、微处理器（或微计算机）及相关电路组成，包括传感器、信号调理电路、微处理器、输出接口等。3-14温度传感器是怎么分类的？答：水分子具有较大的电偶极矩。在氢原子附近有极大的正电场，因而它具有很大的电子亲和力，使得水分子易于吸附在固体表面并渗透到固体内部。利用水分子这一特性制成的湿度传感器称为水分子亲和力型传感器。而把与水分子亲和力无关的湿度传感器，称为非水分子亲和力型传感器。3-15试述湿度传感器的应用。答：略。 3-16什么是气体的湿度？什么叫露点？答：大气的干湿程度通常用绝对湿度和相对湿度来表示。露点：降低温度可使未饱和水汽变成饱和水汽。3-17电容式湿度传感器的工作原理是什么？有什么特点？使用时应注意什么问题？答：电容式湿度传感器的敏感元件为湿敏电容，主要材料一般为高分子聚合物、金属氧化物。这些材料对水分子有较强的吸附能力，吸附水分的多少随环境湿度而变化。由于水分子有较大的电偶极矩，吸水后材料的电容率发生变化。电容器的电容值也就发生变化。同样，把电容值的变化转变为电信号，就可以对湿度进行监测。3-18超声波的基本特性？答：它具有频率高、波长短、绕射现象小的特点，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等。3-19简述半导体气敏元件制成的表面控制型电阻式传感器的基本结构及工作原理。答：略。3-20从超声波的行进方向来看可分为哪两种基本类型？答：超声波是一种在弹性介质中的机械振荡，有两种形式：横向振荡（横波）及纵向振荡（纵波）。3-21气敏传感器的特性？答：气敏传感器的特性主要有灵敏度；响应时间；选择性；稳定性；温度特性；湿度特性；电源电压特性。3-22查找文献最近有什么新型的气敏传感器。答：略。3-23什么是超声波？ 答：低于16Hz的机械波称为次声波高于2×104Hz的机械波．称为超声波。3-24简述超声波测厚度、液位和流量的原理。答：略。3-25MEMS的英文名是什么？答：Micro-Electro-MechanicalSystems3-26MEMS的定义是什么？答：完整的MEMS是由微传感器、微执行器、信号处理和控制电路、通信接口和电源等部件组成的一体化的微型器件系统。3-27MEMS的优点和特点是什么？答：MEMS器件和系统具有体积小、重量轻、功耗低、成本低、可靠性高、性能优异、功能强大、可以批量生产等传统机械无法比拟的优点。3-28传感器接口特点是什么？传感器的输出信号有什么特点？答：传感器输出信号的处理主要由传感器的接口电路完成。因此传感器接口电路应具有一定的信号预处理能力。经预处理后的信号应成为可供测量、控制使用及便于向微型计算机输入的信号形式。一般来说传感器输出信号具有如下特点：⑴输出信号比较微弱有的传感器输出电压仅有0.1μV。这就要求接口电路必须有一定的放大能力。⑵输出阻抗比较高这样会使传感器信号输入到测量电路时产生较大的信号衰减。⑶输出信号动态范围很宽。输出信号随着输入物理量的变化而变化，但它们之间的关系不一定是线性比例关系。3-29传感器与微型计算机接口的一般结构是什么？输入通道和输出通道的特点是什么？答：传感器与微型计算机接口的一般结构： 输入通道的特点：⑴输入通道的结构类型取决于传感器送来的信号大小和类型。由于被测量和信号转换的差异，输入通道会有不同的类型。⑵输入通道的主要技术指标是信号转换精度和实时性，后者为实时检测和控制系统的特殊要求。对输入通道技术指标的要求是选择通道中有关器件的依据。⑶输入通道是一个模拟、数字信号混合的电路，其功耗小，一般没有功率驱动要求。⑷被测信号所在的现场可能存在各种电磁干扰。这些于扰会与被测信号一起从输入通道进入微机，影响测量和控制精度，甚至使微机无法正常工作，因此在输入通道中必采取措施。输出通道的特点：⑴通道的结构取决于系统要求，其中的信号有数字量和模拟量两大类，要用到的转换器件是D－A转换器。⑵微机输出信号的电平和功率都很小，而被控装置所要求的信号电平和功率往铰比较大，因此在输出通道中要有功率放大，即输出驱动环节。⑶输出通道连接被控装置的执行机构，各种电磁干扰会经通道进入被控装置，因此必须在输出通道中采取抗干扰措施。3-30电桥电路的主要作用是什么？可以分为哪几种？答：电桥电路是传感器检测电路中经常使用的电路，主要用来把传感器的电阻、电容、电感变化转换为电压或电流。分为直流电桥、交流电桥和放大电路3-31绘出基本放大电路的电路图。答：略。3-32放大电路有哪3种形式?输出信号的表达形式分别是什么？答： ⑴反向放大：⑵同向放大：⑶差动放大：第4章答案4-1传感器节点在实现各种网络协议和应用系统时，存在哪些现实约束？答：传感器节点在实现各种网络协议和应用系统时，存在以下一些现实约束。1.电源能量有限传感器节点体积微小，通常携带能量十分有限的电池。由于传感器节点个数多、成本要求低廉、分布区域广，而且部署区域环境复杂，有些区域甚至人员不能到达，所以传感器节点通过更换电池的方式来补充能源是不现实的。如何高效使用能量来最大化网络生命周期是传感器网络面临的首要挑战。如何让网络通信更有效率，减少不必要的转发和接收，不需要通信时尽快进入睡眠状态，是传感器网络协议设计需要重点考虑的问题。2.通信能力有限无线通信的能量消耗与通信距离的关系为：其中，参数n满足关系2