物联网工程实训教程习题与思考题答案

物联网工程实训教程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 .5第 5 章答案 .7第 6 章答案 .9第 7 章答案 .10第 8 章答案 .11第 9 章答案 .13第 10 章答案 .15第 11 章答案 .18第 12 章答案 .20第 13 章答案 .23第 14 章答案 .24第 1 章答案1-1 无线传感器网络的定义和作用是什么？答：无线传感器网络(Wireless Sensor Network，WSN)是由密集部署于监控区域内的微型传感器节点组成的一种无中心节点的全分布系统。这些低成本、低功耗、具有感知、数据处理和通信能力的节点通过无线信道相连，自组织构成了网络系统。传感器节点借助于其内置的形式多样的传感器，探测包括温度、湿度、噪声、光强度、等众多人们感兴趣的物理现象。1-2 典型的无线传感器网络节点分为哪几种节点？答：一般包括传感器节点 (Sensor node)、汇聚节点 (Sink node)和任务管理节点。1-3 画出 TinyOS 的层次结构图。答：TinyOS 的组件层次结构就如同一个网络协议栈，底层的组件负责接收和发送最原始的数据位，而高层的组件对这些位数据进行编码、解码，更高层的组件则负责数据打包、路由和传输数据。T O S 调度器 （ M a i n ）应用指定的组件（ C o m p o n e n t s ）T O S 组件接口 组件库应用接 （ I n t e r f a c e ）应用配置（ C o n f i g u r a t i o n ）硬件表示 / 抽象层M o t e 设备系统组件传感器设备事件命令1-4 画出 NesC 的调用关系。答：NesC 的调用关系如下图：1-5 NesC 的应用程序分几类？答：NesC 的应用程序概括为以下三种类型： 1)接口定义文件 app.ncc ；2)模块文件app_P.nc 或 app_M.nc；3)配置文件appC.nc。1-6 Telosb 节点由哪些部件组成？答：Telosb 节点包括串口转 USB 编程和数据接口，一个基于 IEEE 802.15.4/ZigBee 协议，工作在 2.4G 频段的收发芯片，一个内置的射频天线，一个带有扩展内存的低功耗微处理器以及一些可以选择的传感器等。1-7 查阅资料理解无线传感器的串口通信方法。答：略。1-8 AODV 路由的原理是什么？答：AODV 是一种按需单路径路由协议。它借用了按需路由协议 DSR 中的路由发现和路由维护过程，以表驱动路由协议 DSDV 的逐跳（ Hop-by-Hop）路由、顺序编号和路由维护的周期更新机制。只有在需要时才去寻找路由，只有当源节点需要一条通往目的节点的路径时，它才在网络中发起一次路径发现过程。路径建立以后由维护程序进行维护。第 2 章答案2-1 什么是 NS2？NS2 能实现哪些功能？答：（1）NS2 的英文全称是 Network Simulator version 2，它是一种面向对象的网络仿真器，本质上是一个离散事件模拟器。它本身有一个虚拟时钟，所有的仿真都由离散事件驱动的。（2）NS2 能实现的功能网络拓扑的动画演示，对有线和无线网络多种协议的仿真，对丢包率、吞吐量、抖动率、端到端时延等网络性能参数的记录和分析、绘图等。2-2 NS2 有哪些功能模块和仿真元素？答：（1）NS2 的功能模块事件调度器、节点、链路、代理、分组、应用层、数据记录、动画演示、数据分析、绘图工具。（2）NS2 的仿真元素网络拓扑： 链路：连接器、分类器； 节点：TCP 代理，发送代理有：TCP，TCP/Reno，TCP/Vegas，TCP/Sackl，TCP/FACK，TCP/FULLTCP 等；接收代理有：TCPSINK，TCPSINK/DELACK ，TCPSINK/SACK1，TCPSINK/SACKl /DELACK 等。此外，还提供有 UDP 代理及接收代理 Null、Loss Monitor 。路由协议：静态、动态和会话三种单播路由策略。链路的带宽、时延和丢弃模型：Drop-tail（FIFO ）队列、RED 缓冲管和 CBO。各种公平队列如 FQ、 SFQ 和 DRR 等。通信量的仿真：FTP；Telnet。此外，NS2 提供了 EXPOO、POO、CBR 和 Traffic Trace 四种不同类型的通信量产生器。2-3 NS2 的仿真流程是什么？涉及哪两个层次？答：（1）NS2 的仿真流程（2）NS2 的仿真层次NS2 仿真分两个层次： 基于 OTcl 编程的层次，利用 NS2 已有的网络元素实现仿真，无需修改 NS2 本身，只需编写 OTcl 脚本； 基于 C+和 OTcl 编程的层次，如果NS2 中没有所需的网络元素，则需要对 NS2 进行扩展，添加所需网络元素，即添加新的C+和 OTcl 类，编写新的 OTcl 脚本。2-4 生成 Tcl 脚本的方式有哪两种？答： 使用脚本编辑器（如 PSPad）手工输入进行编写； 使用网络脚本生成器（如 NSG）自动生成 Tcl 脚本，若需要进一步调整，再进行手工修改。2-5 什么是 NSG？如何使用 NSG2 进行仿真？答：（1）NSG 是一个专为 NS2 所设计的网络脚本生成器。（2）使用 NSG2 进行仿真的方法，见具体实验内容。2-6 NS2 仿真后会产生哪些档案？这些档案有什么作用？该如何进行分析？答：NS2 仿真后主要产生 nam 文件和 trace 文件：nam 文件：使用 nam 工具对仿真结果进行动画演示，主要观察网络的拓扑结构、网络的组网过程、节点加入网络的过程。trace 文件：使用 gawk 工具对仿真所得的 trace 文件进行分析，计算并分析丢包率、吞吐量、抖动率、端到端时延等网络性能参数。使用 gnuplot 工具将仿真所得到的参数绘制成图形，更加直观地进行分析。2-7 在物联网的理论研究和实际应用中，NS2 能起到什么样的作用？答：此题无标准答案，可从以下方面思考：（1）理论研究：物联网建模，物联网环境下新的网络模型、网络协议的模拟仿真。（2）实际应用：物联网感知环境下的网络设计。第 3 章答案3-1. Windows Azure 提供了哪几种存储方式？本实验中使用了哪种方式？为什么选择这种存储方式？答：Windows Azure 主要提供了四种数据存储方式以满足应用程序的不同需求，这四种存储方式分别为 Blob、Table、Queue 和 Drive(是 Windows Azure 为了提升兼容性而提供的一种存储方式，其底层实现实际上就是 Blob 的一种)。本实验使用了 Blob，因为 Blob 方式是专门为存储大型的二进制对象而设计，如图片、视频和音乐文件等。3-2Windows Azure 提供的存储服务和数据库系统提供的存储服务有何不同？答：Windows Azure 提供的存储不是一个关系型数据系统，并且它的查询语言也不是SQL，它主要被设计用来支持建于 Windows Azure 上的应用，它提供更简单容易扩展的存储。第 4 章答案4-1 射频识别（RFID ）系统由哪些组成？答：射频识别（RFID）系统是把内置微芯片的标签（Tag） 、标记（Label） 、卡（Card）等中储存的数据（UID=Unique Identification 唯一标识） ，通过无线电频率，在阅读器中自动识别。RFID 系统的基本目的是通过阅读器（Reader ）识别存储在标签中的ID，利用各种方法，把获取的 ID 使用在适当的目标对象上。 基本工作原理是通过标签天线与阅读器天线，利用无线电波进行通信和接收数据。标签内置的天线接收阅读器发送的电波，标签内置的标签芯片利用接收到的电波（wave ）获得驱动电源。获得驱动电源的标签 IC 对芯片内的信息进行编码，通过标签的天线发送信号。4-2 简述 HBE-RFID-REX 系统功能？答：HBE-RFID-REX 的原理部分是基于无线通信方式，学习 RFID 的标签与阅读器之间的空中接口工作原理。原理部分由编码（Encoding）模块和解码（Decoding）模块，以及 3 个调制解调模块构成。耦合到具备电源及其他 IO 的基础板上。4-3 HBE-RFID-REX 有哪些模块？答：HBE-RFID-REX 系统由编码模块、解码模块、ASK（ Amplitude Shift Keying）模块、FSK （Frequency Shift Keying）模块、PSK（Phase Shift Keying）模块、阅读器、LCD模块、X- 模块、基础板。4-4 HBE-RFID-REX 系统工作流程是什么？答：HBE-RFID-REX 原理部分是实现 RFID 阅读器与标签之间无线通信技术的部分。解码模块和解调模块实现了阅读器的功能，编码模块和调制模块实现了标签功能。载波信号通过代替了天线功能的变压器，传送到标签的调制部分后，进行调制过程。此时，可以通过各端的测试点（TestPoint） ，对调制部分结构的信号变化进行确认。被调制的信号在解调部分将经过增幅、滤波和再现等模块。此时，通过各端的测试点，可以确认信号的变化过程。被传送的信号在解码模块中确认为最终数据。4-5 HBE-RFID-REX 编码原理是什么？答：编码部分对数据进行编码，解码部分由编码模块和解码模块构成。编码部分生成数据，能够生成用于 RIFD 的编码（Coding）信号的部分。用户直接操作的部分是设置开关（Setting Switch）和指针开关（Cursor Switch）的开关。4-6 HBE-RFID-REX 解码步骤有哪些？答：与编码模块有相同的结构。在设置开关中，只有如下的 SW 被激活，其他处于非激活状态。 SW：选择编码种类 SW：选择调制种类 SW：编码系统重置 把 SW设定为 8bit 时，利用指针开关的数据变更只能为下位的 8bit。只有设定为64bit，才可以对全部 64bit 数据进行变更。4-7 HBE-RFID-REX 调制解调由哪些部分组成？答：HBE-RFID-REX 调制解调部分由 ASK、FSK、PSK 调制信号模块，确认标签背散射和电感耦合的数据传输。调制解调的基本模块由时钟发生器生成的时钟，经过增幅、变压器（Transformer） ，传送到在第二阶段生成标签电源的指示器（Indicator）部分。同时，与从编码模块传送的信号一起被调制。然后，再次传送到变压器第一阶段的调制信号，将进行解调过程。调制和解调过程的方式各由 ASK、FSK 和 PSK 构成。4-8 HBE-RFID-REX 嵌入式系统由哪些部分组成？答：HBE-RFID-REX 为了实现 RFID 的扩展概念手持阅读器，采用以 PXA255 处理器为基础的嵌入式系统模块。Intel PXA255 处理器由高性能和低功耗的微架构组成。X-Module 根据该处理器的应用规格支持系统开发的练习专用（开发用）模块，HBE-RFID-REX 整体结构中右侧下端的两个模块，为了使手持阅读器能够实现嵌入式系统，由 X-模块和 4”LCD 模块构成。第 5 章答案5-1 IEEE 802.15.4 技术中物理层和 MAC 层的作用是什么？答：根据标准的定义，物理层实现了如下功能：信道进行能量检测(Energy Detected)、对收到的包进行链路质量指示(Link Quality Indication，LQI)、接收发送数据、空闲信道评估(Clear Channel Assessment， CCA)等。MAC 层的完成如下六个方面的功能：协调器产生并发送信标帧，普通设备根据协调器的信标帧与协调器同步；支持 PAN 网络的关联(Association)和取消关联(Disassociation)操作；支持无线信道通信安全；使用 CSMA-CA 机制共享物理信道；支持时隙保障(Guaranteed Time Slot，GTS) 与机制；为两个对等的 MAC实体提供可靠的数据链路。5-2 ZigBee 技术中网络层和应用层的作用是什么？答： ZigBee 的网络层基于 IEEE 802.15.4 标准负责 ZigBee 网络的维持及管理，路由路径搜索及设定以及提供上层与下层间的通信接口等作用。 ZigBee 标准化文件中，新定义了可以在网络层和应用层间起接口作用的 Application Support Sub-layer (APS)层。对于ZigBee 设备提供的服务，APS 管理记述信息的 Binding table，肩负最终应用层间数据接收发送的作用。5-3 RSSI 定位的原理是什么？ 答：所谓 RSSI（Received Signal Strength Indicator） ，指对周围节点将传输的数据的电波强度进行测定的值。依据节点间的坐标和信号强度及以下公式可以计算出实际距离。RSSI=(10nlgd+A)上式中：RSSI 值为在工作信道上开始接收数据包后，8 个符号周期(symbol period)中测得的信号能量平均值，它被转换为一个 8bit 二进制数添加到数据包中向上层传输；d 为发射节点与接收节点之间的距离，单位为 m； n 反映了在具体的传播环境下信号能量随收发器间距离增加而衰减的速率，为了简化运算，实际写入定位引擎的 n 值是通过查表得到的整数索引值，具体可参考数据手册；A 为天线全向模式下距发射节点 1m处接收信号的 RSSI 绝对值，与信号发射强度有关。A 值和 n 值在程序中采用默认设置。盲节点首先向射频范围内的参考节点广播一系列（程序中为 5 次）信息 (ClusterID:0x0019)，等待一定时间后，盲节点在一跳范围内广播位置请求信息(ClusterID:0x0011) ，参考节点收到一系列的 Cluster ID 为 0x0019 的消息后将计算 RSSI 的平均值，然后将自己的坐标和计算的 RSSI 平均值回复给盲节点(Cluster ID:0x0012)。第 6 章答案6-1、什么是 M2M？M2M 架构包含哪五个重要技术部分？答：M2M（Machine/Man-to-Machine/Man）是一种以机器智能交互为核心的、网络化的应用与服务。简单地说，M2M 是指机器之间的互联互通。广义上来说，M2M 可代表机器对机器、人对机器、机器对人、移动网络对机器之间的连接与通信，它涵盖了所有实现在人、机器、系统之间建立通信连接的技术和手段。M2M 技术综合了数据采集、GPS、远程监控、通信、信息等技术，能够实现业务流程的自动化。M2M 技术使所有机器设备都具备连网和通信能力，它让机器、人与系统之间实现超时空的无缝连接。现有的 M2M 标准，都涉及 5 个重要的技术部分：机器、M2M 终端、通信网络、中间件、应用。机器机器具备信息感知、信息加工能力，即为 M2M(machine to machine)中的machine。M2M 终端进行信息的提取，从各种机器/设备那里获取数据，传送到通信网络，有一部分硬件封装了 M2M 协议。通信网络信息传送的通道，如 GPRS，3G 网络，因特网。中间件在通信网络和应用间起桥接作用。应用对获得数据进行加工分析，实现预期的功能。6-2、串口通信中用到的 RS232 串口，我们经常使用的是哪几个引脚？具体作用是什么？答：TXD ，RXD，GND。三者组成异步串行通信模式。TXD:数据发送口。RXD:数据接收口。GND:接地。6-3、什么是 AT 指令？常用的 AT 指令有哪些？答：AT 命令是用来控制 TE（Terminal Equipment） （如 PC 等用户终端）和 MT（Mobile Terminal） （如移动台等移动终端）之间交互的规则。常用的 AT 指令如下：功能 AT 指令 详细拨号命令 ATD 后面紧跟拨打电话号码挂机命令 ATH 挂机短