第1章 物联网及其体系结构
物联网技术与应用_第1章 概述
1.1.3 物联网概念解析
物联网仍以互联网为基础和核心，其用
户端由互联网中的人扩展为一般物品；
物联网在互联网的接入方式和端系统上 进行了延伸，利用射频识别技术和传感 器网络等使物品具有自我表达能力，从 而实现人与物、物与物间的信息交流和 资源共享； 物联网的本质是将世界上的人、物、网与社会融合为一个整体，将人类社 会的所有活动，包括经济活动、社会活动、生产活动和个人活动等融合到 统一的物联网基础之上运行，构成一个动态全球信息基础设施。
在物联网时代，会有大量的信息需要传输和处理，这要求有一个与之匹配的
网络化管理平台，完成数据管理和整合，在平台上对各种感知信息进行收集，然后 对其分门别类的管理，并进行有指向性的传输，建立一个如此庞大的网络体系结构 仅凭单个企业难以完成。
1.4 物联网发展中面临的问题--5
中科院感知中国对概念的解读
物联网是全球信息化发展的新阶段，从信息化向智能化提升。
在已经发展起来的传感、识别、接入网、无线通讯网、互联网、云计
算、应用软件、智能控制等技术基础上的集成、发展和提升。
物联网本身是针对特定管理对象的“有限网络”，是以实现控制和管
理为目的，通过传感/识别器和网络将管理对象连接起来，实现信息感 知、识别、情报处理、态势判断和决策执行等智能化的管理和控制。
1.2.1 互联网是物联网的实现基础
互联网的发展经历了研究网、运行网、商业网三个阶段，目前所使用的通信 技术都可以支持物联网的信息传输，因此不需要为物联网专门建行基础的通信网络， 但物联网所需要的底层感知技术和上层的智能信息处理技术是传统的互联网所不具
备的，所以，在物联网的实现过程中互联网为其通信服务提供了基础，而物联网的
1.4 物联网发展中面临的问题--2
物联网体系结构
物联网体系结构物联网（Internet of Things）是指通过各种传感器和通信设备连接物体，使之能够互相沟通和交互，从而实现信息的收集、传输和处理。
物联网的核心组成部分是其体系结构，即通过各个层次和组件的有机组合，构建一个完整的物联网系统。
本文将介绍物联网体系结构的基本架构和主要组成部分。
一、边缘层边缘层是物联网体系结构的最底层，也是最接近物体的一层。
它包括各类传感器、执行器以及相关的通信、存储和处理设备。
传感器负责感知环境中的各种参数和状态，并将其转化为数字信号；执行器则负责根据指令执行相应的操作。
边缘设备通过无线或有线网络与上层网关进行通信，传输采集到的数据和接收控制指令。
二、网关层网关层是连接边缘设备和核心网络的桥梁，在整个物联网体系结构中起到重要的作用。
它负责实现不同通信协议之间的转换和数据格式的处理，以便边缘设备能够与上层的网络进行交互。
网关层还可以具备一定的存储和计算能力，用于边缘数据的缓存和预处理。
同时，网关层也承担着数据安全和隐私保护的责任，通过身份验证和加密等手段保护物联网系统的安全。
三、核心网络层核心网络层是物联网的中间层，负责连接各个网关和云平台、应用程序等核心组件。
它采用各种通信协议和网络技术，实现不同设备之间的互联互通。
核心网络层也具备一定的路由和转发能力，用于数据的分发和传输。
此外，核心网络层还要满足物联网系统对带宽、延迟和可靠性等性能指标的要求，保证数据的快速和可靠传输。
四、云平台层云平台层是物联网的上层，负责数据的存储、处理和分析。
它提供了丰富的云服务和应用程序接口（API），使开发者可以基于物联网数据进行应用开发和创新。
云平台层具备强大的计算和存储能力，可以处理和分析海量的数据，并提供实时的决策支持。
同时，云平台还提供了对物联网系统进行远程管理和监控的功能，方便用户对设备进行集中控制和维护。
五、应用层应用层是物联网体系结构的最顶层，是向用户提供服务和功能的界面。
第1章 物联网及其体系结构
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第1章 物联网及其体系结构
1.4物联网的体系结构
物联网分为三个层次：感知层、网络层和应用层。
应 用 层
环境监测
智能电力
„„
智能交通
工业监测
公共 技术
公共中间件
信息开放平台
云计算平台
服务支撑平台 标识 解析
网 络 层
异构网融合
资源和存储管理
专用网络
远程控制 安全 技术
主要的功能和作用是完成信息采集和信号处理工作。
1.5.2感知层关键技术 1．RFID技术
无线射频识别技术(Radio Frequency Identification， RFID)，又称电子标签，是一种通信技术，可通过 无线电讯号识别特定目标并读写相关数据，而无 需在识别系统与特定目标之间建立机械或光学接 触。
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作业：一、二
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ห้องสมุดไป่ตู้
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1.6.2网络层关键技术 1．互联网
互联网是一个由各种不同类型和规模的、独立运 行和管理的计算机网络组成的世界范围的巨大计 算机网络——全球性计算机网络，它的英文名字 叫Internet。
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3．短距离无线通信技术
在一般意义上，只要通信收发双方通过无线 电波传输信息，并且传输距离限制在较短的范围 内，通常是几十米以内，就可以称为短距离无线 通信。 低成本、低功耗和对等通信，是短距离无线 通信技术的三个重要特征和优势。
物联网层次结构以及与互联网的关系(ppt 39张)
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感知层-RFID技术
• 是物联网中“让物品开口说话”的关键技 术，物联网中RFID标签上存着规范而具有 互通性的信息，通过无线数据通信网络把 他们自动采集到中央信息系统中实现物品 的识别。
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感知层-RFID技术
• RFID是一种非接触式的自动识别技术，它 利用射频方式进行非接触双向通信，以达 到自动识别目标对象并获取相关数据。 • 优点：精度高、适应环境能力强、抗干扰 能力强、操作快捷等。 • 从本质上看，RFID是一种特殊的传感器技 术。
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物联网的层次结构
• 如果将人对问题智慧处理的能力形式与物 联网工作过程做一个比较，不难看出两者 也有惊人的相似之处。 • 人的感官用来获取信息，人的神经用来传 输信息，人的大脑用来处理信息，使人具 有智慧处理各种问题的能力。 • 物联网处理问题同样也要经过三个过程： 全面感知、可靠传输、智能应用（处理）
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物联网感知层
• 感知层实现对物理世界智能感知识别、信 息采集处理和自动控制，并通过通信模块 将物理实体连接到网络层和应用层，是实 现互联网全面感知的基础。 • 感知层中的关键技术包括传感器技术、 RFID技术和传感器网络等。
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感知层-传感器
• 在物联网中传感器主要负责接收物品“讲 话”的内容。 • 传感器技术是从自然信源获取信息并对获 取的信息进行处理、变换、识别的一门多 学科交叉的现代科学与工程技术，它涉及 传感器、信息处理和识别的规划设计、开 发、制造、测试、应用及评价改进活动等 内容。
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物联网网络层
• 网络层处于物联网网络结构模型中的第二 层，使用感知层并向上为应用层服务。 • 网络层由各种私有网络、互联网、有线和 无线通信网、网络管理系统和云计算平台 等组成，相当于人的神经中枢和大脑，负 责传递和处理感知层获取的信息。
物联网体系结构
物联网体系结构
物联网体系结构由终端设备、数据处理平台、通信支持服务和应用层服务组成。
终端设备是物联网系统中最基本的部分，其功能是采集环境变量，如温度、湿度、压力、电流等，并把相应的信息处理成数据发送给数据处理平台或直接与应用端通信。
我们
可以使用传感器获取实时信息并将其发送给终端设备，终端设备负责收集、处理和发送信息。
数据处理平台的功能是存储和管理来自物联网系统的数据，一般使用数据库技术去进
行储存和处理工作。
同时，它还提供软件接口供下游应用端调用。
通信支持服务为物联网系统提供连接，包括宽带技术、无线技术等。
它主要负责提供
下行和上行数据通信服务，以及服务订阅，数据流控制，安全传输，等技术支持服务。
应用层服务是物联网系统最高层，它是系统的最终使用者和物联网系统的操作者。
应
用服务提供的功能包括数据可视化、数据分析、设备管理等，以及应用程序开发平台。
应用层服务提供了一个统一的界面，用户可以通过界面交互控制物联网系统中的设备，并获取设备的实时数据，进行自动化控制和管理。
另外，应用层还提供了一个开放平台，
开发者可以在平台上快速开发，部署和发布他们的应用程序，创造了丰富的应用场景。
上述是物联网体系结构的基本架构，它提供了系统的实时控制能力和数据分析能力，
为物联网的发展和研究提供了可能和帮助。
物联网的体系结构
把给出测的量参结反原据馈构件量的和检进方参测行式数的将推将比连便被动比直较接于控执较，接在调量行原求推系整实元件出动统的际件给他被中元值去出们控，部控与的的对改制件给偏偏象被善，定差差，控系用原信使对统串件号其象的联进被。性或行控能者放量。大发，生用变来化。
检测被控的物理量（若物理量是 非电量，一般转换为电量）
第二章第1章物联绪网论的体系结构
4 自动控制系统的基本控制方式 1 反馈控制方式 方式：按偏差进行控制。 特点：减小或消除这个偏差 作用：具有抑制任何内、外扰动对被控量产 生影响的能力，有较高的控制精度。 问题：系统使用的元件多、结构复杂，设计 麻烦。
第1章 绪论
4 自动控制系统的基本控制方式 2 开环控制方式
方式：把两者结合起来，对主要扰动采用适当补偿 的装置实现按扰动控制，同时再组成反馈控制系统 实现按偏差控制，以消除其余扰动产生的偏差。 特点：系统的主要扰动已被补偿，反馈控制系统就 比较容易被设计，控制效果也会更好。
第二章第1章物联绪网论的体系结构
2.5 物联网的反馈与控制
2.5.2 物联网系统的控制论解析
物联网中的“感、 智、控”分别构 成了物联网控制 系统的测量、比 较、执行等三大 部件，这三大部 件又在“联”这 种网络平台上得 以相互作用，形 成了“控制系 统”，最终实现 了“控”的目的。
第二章第1章物联绪网论的体系结构
2.5 物联网的反馈与控制
2.5.3物联网的控制特性
传统控制系统：
稳：通过控制可使被控对象稳定在期望值附近 准：被控对象的输出量与参据量之间的偏差在一个可容忍 的范围内 快：被控对象达到的期望值的时间延迟短
自本控制方式
第二章第1章物联绪网论的体系结构
第1章 物联网概论
第一类新型服务包括提高道路安全的 汽车通信， 汽车通信，通过操作能源家庭装置更加理 性地使用家庭能源的方式， 性地使用家庭能源的方式，而“周边协助 生活”目的在于不引人注视的情况下， 生活”目的在于不引人注视的情况下，在 日常生活中对老年人提供帮助。 日常生活中对老年人提供帮助。
第二类的服务范例包括一个虚拟的失 物招领办公室， 物招领办公室，这是一个接收来自失主的 呼求的移动基础设备， 呼求的移动基础设备，或者是其风险可以 被很好估计的保险（ 被很好估计的保险（而且甚至可以降低风 只有投保人是“明智的” 险）只有投保人是“明智的”。 另一个Internet的驱动是现实世界提 另一个 的驱动是现实世界提 供给信息系统的意识。 供给信息系统的意识。
在内网、专网或 环境下， 在内网、专网或Internet环境下，采用适 环境下 当的信息安全保障机制， 当的信息安全保障机制，提供安全可控乃至 个性化的实时在线监测、定位追溯、 个性化的实时在线监测、定位追溯、报警联 调度指挥、预案管理、远程控制、 动、调度指挥、预案管理、远程控制、安全 防范、远程维保、在线升级、统计报表、 防范、远程维保、在线升级、统计报表、决 策支持、领导桌面等管理和服务功能， 策支持、领导桌面等管理和服务功能，实现 万物” 高效、节能、安全、环保” 对“万物”的“高效、节能、安全、环保” 一体化TaaS（Everything 的“管、控、营”一体化 （ as a Service）服务。 ）服务。
EPC网络的目的不单是用 网络的目的不单是用RFID技术识别物 网络的目的不单是用 技术识别物 同样可以用来简化进程和交换所获数据。 体，同样可以用来简化进程和交换所获数据。 EPCIS（EPC Information Services）标准 （ ） 代表了该网络的一个基本组成部分， 代表了该网络的一个基本组成部分，而且它已 经被许多软件制造商支持。 经被许多软件制造商支持。
物联网的结构体系
物联网的结构体系物联网（Internet of Things，简称IoT）是指通过将传感器、无线通信技术、云计算、大数据等技术与物体连接起来，实现物理世界与数字世界的互联互通。
物联网的快速发展使得各行各业都纷纷应用其技术，从而构建起复杂而庞大的结构体系。
本文将从物联网的组成部分、网络架构、数据处理和应用层面等方面进行论述，揭示物联网的结构体系。
一、物联网的组成部分物联网的组成部分包含物体、传感器、网络和应用四个主要方面。
1. 物体物体是指连接到网络中的实体，包括各类设备、传感器、智能终端等。
这些物体能够感知、收集和处理数据，并通过网络与其他物体进行通信。
2. 传感器传感器是物联网中的关键技术之一，用于感知物理世界的各种信息，如温度、湿度、光强等。
传感器能够将感知到的数据转换成可传输的数字信号，并通过网络发送到其他设备进行处理。
3. 网络物联网的网络是实现物体之间互联互通的基础设施。
它包括传输介质、通信协议和网络拓扑结构等要素。
常用的物联网网络包括无线传感网、蜂窝网络、以太网等。
4. 应用物联网应用是物联网的核心价值所在，它通过对感知数据的分析和处理，实现对物体的远程监控、智能控制和数据分析。
物联网应用广泛应用于智慧城市、智能交通、农业环保等领域。
二、物联网的网络架构物联网的网络架构是指物体之间的连接方式和关系。
常见的物联网网络架构有集中式架构、边缘计算架构和分布式架构。
1. 集中式架构集中式架构是指物联网中心节点负责接收、处理和分发感知数据。
这种架构适用于规模较小、数据量较少的场景，但缺点是中心节点容易成为单点故障。
2. 边缘计算架构边缘计算架构是指将计算任务从云端下沉到网络边缘，实现数据近端处理和响应。
这种架构具有低延迟、高可靠性的优势，并适用于物联网应用对实时性和隐私保护要求较高的场景。
3. 分布式架构分布式架构是指将计算和存储任务分发到多个节点中进行处理。
这种架构具有高可伸缩性和高容错性的特点，能够满足大规模物联网应用的需求。
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第1章 联网及其体系结构
1.6网络层功能及其关键技术 1.6.1网络层功能
网络层的主要功能是直接通过现有互联网 (IPv4/IPv6网络)、移动通信网（如GSM、TDSCDMA、WCDMA、CDMA2000、无线接入网、无 线局域网等）、卫星通信网等基础网络设施，对 来自感知层的信息进行接入和传输。
下一代承载网
M2M无线接入
移动通信网
互联网
传输层和感知层互通
QoS 管理
感 知 层
低速与中高速短距 离传输技术
自组织网技术
协同信息处理 技术
传感器中间件 技术 网络 管理
传感器
二维条码
RFID
多媒体信息
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第1章 物联网及其体系结构
1.5感知层功能及其关键技术 1.5.1感知层功能
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第1章 物联网及其体系结构
1.7.2应用层关键技术 1．云计算
云计算的核心思想，是将大量用网络连接的计算 资源统一管理和调度，构成一个计算资源池向用 户提供相应服务。 借助SaaS、PaaS、IaaS等先进的商业模式把这强大 的计算能力分布到终端用户手中。
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第1章 物联网及其体系结构
1.3物联网相关概念
1.物联网与互联网
对比内容 起源点在哪里 面向的对象是谁 咋样发展的过程 谁是使用者 技术核心在谁手里 创新的空间 什么样的文化属性 技术手段 互联网 （1） 计算机技术的出现 （2） 技术传播速度的加快 人 技术的研究到人类技术共享应 用 所使用的人 主流的操作系统和语言开发商 主要 的创新和体验创新 精英文化，无序世界 网络协议，web2.0 物联网 （1） 传感技术的创新 （2） 云计算 人和物质 芯片技术平台和应用过程 人和物质，人即信息体，物即信息体 芯片技术开发商和标准制定者 技术就是生活，想象就是科技，让一 切事物都有智能 草根文化， “活信息”世界 数据采集，传输介质，后台计算
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作业：一、二
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GPS是英文Global Positioning System(全球定位系统) 的简称，是20世纪70年代由美国陆海空三军联合 研制的新一代空间卫星导航定位系统。
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第1章 物联网及其体系结构
6．GIS技术
GIS(Geographic Information System，地理信息系统) 是以测绘测量为基础，以数据库作为数据储存和 使用的数据源，以计算机编程为平台的全球空间 分析即时技木。
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第1章 物联网及其体系结构
3.物联网与泛在网 “泛在网”即广泛存在的网络，它以无所不在、无所不包、无所不能为 基本特征，以实现在任何时间、任何地点、任何人、任何物都能顺畅 地通信为目标。 物联网、泛在网概念的出发点和侧重点不完全一致，但其目标都是突 破人与人通信的模式，建立物与物、物与人之间的通信。
嵌入式技术执行专用功能并被内部计算机控制的 设备或者系统。
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第1章 物联网及其体系结构
4．微机电系统（MEMS）
微机电系统是指可批量制作的，集微型机构、微 型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路， 直至接口、通信和电源等于一体的微型器件或系 统。
5．GPS技术
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第1章 物联网及其体系结构
3．人工智能
人工智能(Artificial Intelligence，简称AI)是研究人 类智能活动的规律，构造具有一定智能的人工系 统，研究如何让计算机去完成以往需要人的智力 才能胜任的工作，也就是研究如何应用计算机的 软硬件来模拟人类某些智能行为的基本理论、方 法和技术。
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第1章 物联网及其体系结构
1.7应用层功能及其关键技术 1.7.1应用层功能
应用层包括各类用户界面显示设备以及其他管理 设备等，这也是物联网体系结构的最高层。应用 层根据用户的需求可以面向各类行业实际应用的 管理平台和运行平台，并根据各种应用的特点集 成相关的内容服务，如智能交通系统、环境监测 系统、远程医疗系统等。
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1.6.2网络层关键技术 1．互联网
互联网是一个由各种不同类型和规模的、独立运 行和管理的计算机网络组成的世界范围的巨大计 算机网络——全球性计算机网络，它的英文名字 叫Internet。
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第1章 物联网及其体系结构
1.1 物联网的定义
物联网是指物体通过智能感知装置，经过传输网络，到达指定 数据处理中心，实现人与人、物与物、人与物之间信息交互与 处理的智能化网络。这里包括三个层次：首先是传感网络，也 就是目前所说的包括RFID、条码、传感器等设备在内的传感网； 其次是信息传输网络，主要用于远距离传输传感网所采集的巨 量数据信息；最后则是信息应用网络，也就是智能化数据处理 和信息服务。 物联网就是“物物相连的互联网”。这有两层意思：第一，物 联网的核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础上延伸和扩 展的网络；第二，其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之 间进行信息交换和通信。 物联网的英文名称为“The Internet of Things”。
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第1章 物联网及其体系结构
2.物联网与传感网 • 传感器网可以看成是传感模块加组网模块共同构成的一个网络。传感 器仅仅感知到信号，并不强调对物体的标识。例如可以让温度传感器 感知到森林的温度，但并不一定需要标识哪根树木。 • 物联网的概念相对比传感器网大。这主要是因为不但要感知物，而且 要标识物。不但可以让温度传感器感知到森林的温度，而且还要标识 是哪棵树木的温度。
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第1章 物联网及其体系结构
3．短距离无线通信技术
在一般意义上，只要通信收发双方通过无线 电波传输信息，并且传输距离限制在较短的范围 内，通常是几十米以内，就可以称为短距离无线 通信。 低成本、低功耗和对等通信，是短距离无线 通信技术的三个重要特征和优势。
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第1章 物联网及其体系结构
1.2 物联网的特点
物联网的全面感知，物联网的可靠传递，物联网的智能控制。 总而言之，物联网的特点就是对物体具有全面感知的能力，对信息具 有可靠传递和智能控制的能力。也就是说，全面感知、可靠传递、智 能控制是物联网的基本特点。 物联网的多种数据融合： 物联网由多个异构系统组成； 数据融合，是指将多种数据或信息进行处理，组合出高效、符合用户 要求的信息的过程。
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第1章 物联网及其体系结构
1.4物联网的体系结构
物联网分为三个层次：感知层、网络层和应用层。
应 用 层
环境监测
智能电力
„„
智能交通
工业监测
公共 技术
公共中间件
信息开放平台
云计算平台
服务支撑平台 标识 解析
网 络 层
异构网融合
资源和存储管理
专用网络
远程控制 安全 技术
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第1章 物联网及其体系结构
2．中间件
中间件是一类连接软件组件和应用的计算机软件， 它包括一组服务，以便运行在一台或多台机器上 的多个软件通过网络进行交互。也有人将中间件 定义为分布式系统中位于操作系统和应用软件间 的软件层。
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主要的功能和作用是完成信息采集和信号处理工作。
1.5.2感知层关键技术 1．RFID技术
无线射频识别技术(Radio Frequency Identification， RFID)，又称电子标签，是一种通信技术，可通过 无线电讯号识别特定目标并读写相关数据，而无 需在识别系统与特定目标之间建立机械或光学接 触。
第1章 物联网及其体系结构
2．移动通信网
移动通信使电话摆脱了电缆的束缚，让人们可以 以更加灵活方便的方式进行交流。特别是在物联 网时代，移动通信将发挥更大的作用。一个完整 的物联网系统由前端信息生成、中间传输网络以 及后端的应用平台构成。如果将信息终端，通常 是RFID、传感器以及各种智能信息设备，局限在 固定网络中，期望中无所不在的感知识别将无法 实现。
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4．数据挖掘
数据挖掘(Data Mining)，就是从存放在数据库、数 据仓库或其他信息库中的大量的数据中获取有效 的、新颖的、潜在有用的、最终可理解的模式的 非平凡过程。 知识发现过程由三个阶段组成：①数据准备；② 数据挖掘；③结果表达和解释。数据挖掘可以与 用户或知识库交互。
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图1-2 RFID系统的组成
第1章 物联网及其体系结构
RFID是一种简单的无线系统
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第1章 物联网及其体系结构
2．传感器技术
传感器是指能感受规定的被测量件，并按照一定 的规律转换成可用输出信号的器件或装置。
3．嵌入式系统