物联网系统架构设计与边缘计算（原书第2版）

本书涵盖从物联网传感器到云计算的整个物联网解决方案谱系。首先研究现代传感器系统、通信理论，然后探讨局域网和广域网中基于IP的通信，包括80211ah、5G LTE蜂窝、Sigfox和LoRaWAN，讲解边缘计算、路由和网关及其在雾计算中的作用，以及MQTT 50和CoAP的消息传递协议。本书以统计分析、复杂事件处理和深度学习模型的应用来总结，还提供了物联网安全、密码学和shell安全的整体观点。

佩里· 利（Perry Lea）　国际电气和电子工程师协会（IEEE）的高级成员，国际计算机学会（ACM）的高级成员和杰出演讲者。拥有计算机科学和计算机工程学位，以及哥伦比亚大学电子工程博士学位，是具有30年丰富经验的技术专家，曾在惠普公司工作20多年，担任LaserJet业务的首席架构师和杰出技术专家，随后在Micron担任技术专家和战略总监，带领团队致力于研究利用内存处理进行机器学习和计算机视觉的新兴计算领域。又在Cradlepoint领导公司转向5G和物联网。他与合伙人共同创立了在边缘/物联网产品行业中处于领导地位的Rumble，还曾经是微软Xbox和xCloud的首席架构师，致力于新兴技术和超规模游戏流媒体服务的研究。他拥有40项专利。

推荐序
译者序
前言
关于作者
关于审校者
第1章　物联网和边缘计算的定义及用例 …… 1
11　物联网的历史 …… 3
12　物联网的潜力 …… 5
13　物联网的定义 …… 7
131　工业和制造业 …… 8
132　消费者 …… 10
133　零售、金融和营销 …… 10
134　医疗保健 …… 11
135　运输业和物流业 …… 11
136　农业和环境 …… 12
137　能源产业 …… 13
138　智慧城市 …… 13
139　军事和政府 …… 14
14　使用案例和部署示意 …… 14
141　案例研究——远程和缓医疗 …… 15
142　用例回顾 …… 22
15　小结 …… 23
第2章　物联网架构和核心物联网模块 …… 24
21　相连的生态系统 …… 24
211　物联网、机器对机器与SCADA …… 26
212　网络的价值、梅特卡夫定律和贝克斯特伦定律 …… 27
213　物联网和边缘架构 …… 29
214　架构师的作用 …… 30
22　第一部分——传感和电源 …… 31
23　第二部分——数据通信 …… 31
24　第三部分——边缘计算 …… 32
25　第四部分——计算、分析和机器学习 …… 33
26　第五部分——物联网中的威胁与安全 …… 34
27　小结 …… 34
第3章　传感器、终端和电力系统 …… 35
31　传感设备 …… 35
311　热电偶和温度传感器 …… 35
312　霍尔效应传感器和电流传感器 …… 38
313　光电传感器 …… 38
314　PIR传感器 …… 39
315　激光雷达和主动传感系统 …… 40
316　MEMS传感器 …… 41
32　高性能物联网终端 …… 44
321　视觉系统 …… 45
322　传感器融合 …… 47
323　输出设备 …… 47
33　功能示例（整合在一起） …… 48
331　功能示例——TI SensorTag CC2650 …… 48
332　传感器到控制器 …… 49
34　能源和电源管理 …… 51
341　电源管理 …… 51
342　能量收集 …… 52
343　储能 …… 56
35　小结 …… 60
第4章　通信和信息论 …… 61
41　通信理论 …… 62
411　射频能量和理论范围 …… 62
412　射频干扰 …… 65
42　信息论 …… 66
421　比特率限制和香农-哈特利定理 …… 66
422　误码率 …… 70
423　窄带通信与宽带通信 …… 71
43　无线电频谱 …… 74
44　小结 …… 77
第5章　基于WPAN的非IP协议 …… 78
51　80215标准 …… 79
52　蓝牙 …… 80
521　蓝牙的历史 …… 80
522　蓝牙5通信进程和拓扑 …… 81
523　蓝牙5栈 …… 82
524　BR/EDR操作 …… 87
525　低功耗蓝牙技术角色 …… 89
526　BLE运算 …… 90
527　蓝牙配置文件 …… 91
528　BR/EDR安全 …… 94
529　信标 …… 95
5210　蓝牙5的范围和速度增强 …… 100
5211　蓝牙网状网 …… 101
5212　蓝牙51技术 …… 107
53　IEEE 802154 …… 115
531　IEEE 802154架构 …… 115
532　IEEE 802154 拓扑结构 …… 119
533　IEEE 802154 地址模式和数据包结构 …… 120
534　IEEE 802154 启动序列 …… 120
535　IEEE 802154 安全性 …… 121
54　Zigbee …… 122
541　Zigbee的历史 …… 122
542　Zigbee概述 …… 122
543　Zigbee PHY和MAC（与IEEE 802154的区别） …… 124
544　Zigbee 协议栈 …… 124
545　Zigbee寻址和数据包结构 …… 125
546　Zigbee网状路由 …… 126
547　Zigbee安全性 …… 127
55　Z-Wave …… 128
551　Z-Wave概述 …… 129
552　Z-Wave协议栈 …… 130
553　Z-Wave寻址 …… 131
554　Z-Wave拓扑和路由 …… 132
56　小结 …… 133
第6章　基于IP的WPAN和WLAN …… 134
61　TCP/IP …… 134
62　具有IP的WPAN—— 6LoWPAN …… 136
63　IEEE 80211协议和WLAN …… 136
631　IEEE 80211 协议集及比较 …… 137
632　IEEE 80211架构 …… 138
633　IEEE 80211频谱分配 …… 140
634　IEEE 80211调制和编码技术 …… 141
635　IEEE 80211 MIMO …… 145
636　IEEE 80211数据包结构 …… 147
637　IEEE 80211操作 …… 149
638　IEEE 80211安全性 …… 150
639　IEEE 80211ac …… 151
6310　IEEE 80211p车联网 …… 152
6311　IEEE 80211ah …… 155
6312　6LoWPAN拓扑 …… 158
6313　6LoWPAN协议栈 …… 160
6314　网状网寻址和路由 …… 161
6315　报头压缩和分段 …… 163
6316　邻居发现 …… 165
6317　6LoWPAN安全性 …… 166
64　具有IP的WPAN——Thread …… 166
641　Thread架构

边缘计算和物联网（IoT）已经从炒作转向主流。各组织和各行业需要从对象中收集数据，并从信息中获取价值和洞察。同时，我们正在将更多的处理工作和功能由数据中心向数据生成源靠近。一个具有良好架构的系统需要多领域的专业知识，从传感器物理实体和能源到基于云的数据分析能力。在本书中，我们将讨论物联网和边缘计算的整个拓扑结构。在这里，你将了解每个组件作为系统的一部分是如何相互连接的。这些组件包括电信和无线电信令、嵌入式系统、远程通信、网络协议、边缘和云框架、整体安全和云机器学习。
读者对象
本书面向致力于理解精心设计的物联网和边缘系统的细节的架构师、系统工程师、学者、项目经理、学生和工程主管。个人可能在某个领域具有优势，但物联网中的每一个元素都会影响其他领域。我们还将关注已成功部署的实际商业、工业用例和技术。
本书内容
第1章对物联网和边缘市场进行整体介绍，并区分了炒作与现实。其中会定义物联网和边缘计算，然后揭示企业、商业和工业物联网解决方案的各种用例。在本章的最后，我们通过一个案例研究来分析典型物联网系统（硬件-软件-云）的完整系统架构。
第2章提供构建物联网或边缘系统所需组件和互连关系的高层次视图。本章将说明各个组件是如何相互连接的，以及它们发挥的作用。此外，本章将从价值和货币化的角度揭示如何对物联网部署进行建模。
数据在物联网和边缘计算中的传输路径始于传感器和物理设备。在第3章中，我们将讲授各种类型的传感器以及相关物理设备。我们将展示传感器如何捕获数据和图像，以及当恒定电源不可用时如何为它们供电。
为了理解无线通信的限制和能力，我们将在第4章探讨通信和无线电信令的理论，诸如路径损耗、射频干扰、香农–哈特利定理和比特率限制等，还将研究射频频谱管理和分配。
个人区域网包括一些覆盖距离短、发射机和接收机之间距离很近的设备和系统。第5章将深入探讨各种协议的广度和深度，如蓝牙51、蓝牙信标、寻向技术和蓝牙50网状网络。我们还将研究其他802154协议（如Zigbee），最后对Z-Wave进行描述。
第6章探讨基于TCP/IP的通信在近距离和远程通信中的应用，研究6LoWPAN、Thread等架构和各种80211Wi-Fi协议，如80211ac、80211p和80211ah。
远程通信是将数据从远程边缘移动到数据中心、客户和消费者所在地的前提条件。第7章全面介绍远程协议，包括4G LTE蜂窝和新的5G蜂窝标准，还将探讨CBRS、LoRa、Sigfox和Multefire等远程技术。我们将深入研究这些技术是如何工作的，以及它们在构建系统时提供的功能。
第8章分析构建边缘级计算基础设施所需的硬件和软件组件。这包括对硬件资源（如处理器架构、内存、存储、物理机箱、环境适应和互连）和软件组件（如软件框架、操作系统和中间件）的深入了解。此外，我们还将探讨虚拟化和容器在边缘管理中的应用（包括Microsoft Azure IoT edge的示例）。
边缘系统的常见用途是提供网关、路由和网络安全功能。第9章介绍PAN到WAN桥接的方法、蜂窝网关功能、路由和流量整形，以及软件定义网络和VPN等安全方面的知识。
第10章探讨广域网上边缘–云协议的各种方法和特点，如MQTT 5、CoAP、AMQP和HTTP等数据传输的标准方法。
在云系统和边缘系统之间构建和分解问题的方法有很多。第11章介绍各种边缘框架，如EdgeX、OpenFog，以及Lambda架构，以构建一个更健壮的系统。
第12章讨论如何从传感器和物联网系统中提取有意义的数据。无法理解的数据是无用的。在这里，我们使用规则引擎、统计分析以及各种人工智能和机器学习技术探索基于边缘和云的分析。我们将探索如何正确分析问题，并深入研究这些工具的机制。
安全性对于强大的企业、工业物联网和边缘解决方案至关重要。在第13章中，我们从整体的角度来研究安全性。我们关注从传感器到云的物理安全、网络安全和数据安全并进行研究。
行业联盟和专业协会提供了许多标准和准则，这些标准和准则是将物联网和边缘系统连接在一起所必需的。第14章将介绍许多相关的行业团体，还将提供一份已完成商业部署的传感器、硬件和软件系统清单（推荐），这些系统已被证明可满足商业、企业和工业物联网的要求。
充分利用本书
本书涉及不同程度的技术深度和广度。你可能在一个或几个领域拥有丰富的经验，但对其他领域知之甚少。别灰心，本书试图提供技术的概述，并在可能相关的领域进行技术上的深入探讨。
我们精心挑选了一些需要深入研究的领域。这些领域是物联网和边缘系统一直存在的问题和容易出现设计挑战的方面，需要大量的深入研究和理解。
你可以按顺序阅读本书，也可以在不同的章节之间跳读，不受章节顺序的影响。
本书讨论的顺序是从传感器到近距离通信再到远程通信，然后迁移到边缘和云系统。我们试图模拟数据如何沿着从传感器到云端的路径移动。
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本书约定
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