电子信息系统-系统概述
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• “实践出真知”，物联网丰富的内涵催生出更加丰富的外延 应用。
• 传统互联网经历了以数据为中心到以人为中心的转化，典型 应用包括文件传输、电子邮件、万维网、电子商务、视频点 播、在线游戏和社交网络等；而物联网应用以“物”或者物 理世界为中心，涵盖物品追踪、环境感知、智能物流、智能 交通、智能电网等等。物联网应用目前正处于快速增长期， 具有多样化、规模化、行业化等特点。
要求
了解电子信息系统的组成，了解或掌握其中 的传感器技术、模拟信号输入/输出技术、 数字信号处理与DSP技术、数据库技术、计 算机网络技术等关键技术。 提高理论联系实际的水平。
学习材料
目前没有覆盖全部内容的单本教材。 参考书
补充的材料来自Internet。
《计算机网络 第4版》，[荷] Andrew S. Tanenbaum 著，潘爱 民 译，清华大学出版社； 《计算机网络 第5版(英文版)》，[荷] Andrew S. Tanenbaum 著，潘爱民 译，清华大学出版社； 《电子信息系统基础》，蓝鸿翔、戴蓓倩 主编，高等教育出版 社； 《物联网导论（第2版）》，刘云浩编著，科学出版社。 《嵌入式微处理器模拟接口设计（第二版）》，[美] Stuart R. Ball 著，刘谦 译，电子工业出版社；
(1)感知识别层
物联网：感知识别层
•
通过感知识别技术，让物品“开口说话、发布信息”是融 合物理世界和信息世界的重要一环，是物联网区别于其他 网络的最独特的部分。
•
物联网的“触手”是位于感知识别层的大量信息生成设备 ，既包括采用自动生成方式的RFID、传感器、定位系统等 ，也包括采用人工生成方式的各种智能设备，例如智能手 机、PDA、多媒体播放器、上网本、笔记本电脑等等。
工作原理：
由于中心控制系统和两颗卫星的位置均是已知的，因此由上面两个 延迟量可以算出用户到第一颗卫星的距离，以及用户到两颗卫星距 离之和，从而知道用户处于一个以第一颗卫星为球心的一个球面， 和以两颗卫星为焦点的椭球面之间的交线上。 另外中心控制系统从已存储在数字化地形图查寻到用户高程值，又 可知道用户处于某一与地球基准椭球面平行的椭球面上。从而中心 控制系统可最终计算出用户所在点的三维坐标，这个坐标经加密由 出站信号发送给用户。
控制对象
C(t)
输 出
主反馈信号
并联校正元件
局部反馈
测量元件
主反馈
典型自动控制系统方块图
实例2：智能交通信号控制系统
功能
数据采集和监控 交通控制和优化 系统干预 系统监视 系统日志管理
实例3：3S系统
地理信息系统(Geographic Information System)
当感知识别层生成的大量信息经过网络层传输汇聚到管理服 务层，如果不能有效地整合与利用，那无异于入宝山而空返 ，望“数据的海洋”而兴叹。 管理服务层解决数据如何存储（数据库与海量存储技术）、 如何检索（搜索引擎）、如何使用（数据挖掘与机器学习） 、如何不被滥用（数据安全与隐私保护）等问题。
•
•
(4)：综合应用层
俄Glonass（GLObal NAvigation Satellite System）
欧盟伽利略计划
中国北斗
组成：空间端、地面端和用户。 四大功能：定位、导航、授时和 短报文通信服务 发展历程：
2000.10.31 北斗一号 2009.4.15 北斗二号 2012.2.25 北斗十一号 2012.4.30 北斗12、13号(长征3号乙火箭，一箭双星) 2012年，“北斗”系统已覆盖亚太地区， 2020年， 预计“北斗”系统左右覆盖全球。
三套全球卫星定位系统的比较
美GPS
Байду номын сангаас
1994年投入运行，24颗卫星，耗资120亿美元； 成功应用于军事和民用领域。 前苏联从1995年建成，24颗卫星，耗资30多亿美元； 2006年重新投入使用。 “伽利略卫星定位系统的最高精度比美国GPS高10倍，如果说GPS只 能找到街道，伽利略系统则可找到车库门。”——欧洲航空航天局 专家 欧盟2002年正式批准的一项战略科研项目，目标是建成一个覆盖全 球的卫星导航系统，计划耗资27亿美元，30颗卫星。 2005年12月28日，成功发射首枚实验卫星； 至2006年1月12日，共有中国、以色列、乌克兰、印度、摩洛哥和韩 国加入计划。
双星定位 过程与原理
工作过程：
(1)由中心控制系统向卫星I和卫星II同时发送询问信号， 经卫星转发器向服务区内的用户广播。 (2) 用户响应其中一颗卫星的询问信号，并同时向两颗卫 星发响应信号，经卫星转发回中心控制系统。 (3)中心控制系统接收并解调用户发来的信号，然后根据用 户的申请服务内容进行相应的数据处理。
课程特点
(1)广泛性：传感技术，模拟信号接口技术，数字信号处理与DSP 技术，数据库技术，计算机网络与信息传输技术 (2)实用性： (3)有机性：
课程学习目的
学会用所学的各门理论课知识(信号与系统、通 信原理、数字信号处理、电子技术等课程) 去解 释各行业的技术规范。反过来进一步加深对理论 的认识。 在提高理论联系实际能力的基础上，具备应对日 新月异的电子信息行业的适应能力。 灵活掌握电子信息系统的结构和关键技术，提高 工程设计能力，为日后工程设计实践打下基础。
闭环控制系统 开环系统精度不高、适应性不强。 将输出量引入到输入端，使输出量对控制作用产生直接 的影响。形成闭环控制系统。
Mc↑→n↓→uf↓→ue(=ur-uf)↑→ua↑→n↑
自动控制系统的组成
比较 元件 r(t) + e(t) 输入 信号 偏差 - 信号
扰动
串联 校正元件
+
放大元件
-
执行元件
实例1：自动控制系统
自动控制：在无人直接参加的情况下，利用控制装置使被控对象 和过程自动地按预定规律变化的控制过程。 自动控制系统：是由控制装置和被控对象所组成，它们以某种相 互依赖的的方式组合成为一个有机整体，并对被控对象进行自动 控制。 控制器：对被控对象起控制作用装置的总体。 被控对象：要求实现自动控制的机器，设备或生产过程。 输出量：表现于控制对象或系统输出端，并要求实现自动控制的 物理量。 输入量：作用于控制对象或系统输入端，并可使系统具有预定功 能或预定输出的物理量。 扰动：所有妨碍控制量对被控量按要求进行正常控制的因素，称 为干扰量或扰动量。
1995 Bill Gates 《未来之路》 物物互联 2005 国际电信联盟 《ITU互联网报告2005： 物联网》，指出无所不在的“物联网”通信时 代即将来临
2008 IBM “智慧地球”
2009 “感知中国”
物联网的其他定义
物联网组成
综合应用层 管理服务层 网络构建层 感知识别层
电子信息系统
黄翔东 Email: xdhuang@tju.edu.cn Office: 26D-334
第一章 电子信息系统概述
电子信息系统定义
目前尚无统一定义 由数据采集、数据处理、数据管理与传输（网络技术、数据 库）、数据输出等模块组成 ，即按照一定应用目的和规则对 信息进行采集、加工、存储、传输、检索等处理的系统。
是用于输入、存储、查询、分析和显示地理数据的计 算机系统。 指用间接的手段来获取目标物状态信息的方法。遥感 一般有三个要素，目标物、传感器和测量方法。
遥感(Remote Sensing)
全球定位系统(Global Positioning System)
是一个中距离圆型轨道卫星定位系统。它可以为地球 表面绝大部分地区提供准确的定位和高精度的时间基 准。
实例4：物联网
概念的提出
物联网实际是中国人的发明，整合了美国CPS(Cyber-Physical Systems
欧盟IoT（Internet of Things)和日本U-Japan等概念。是一个基于互联网 传统电信网等信息载体，让所有能被独立寻址的普通物理对象实现互联 互通的网络。普通对象设备化，自治终端互联化和普适服务智能 化是其三个重要特征。 物联网的基本思想出现于20世纪90年代
电子信息系统典型结构
数据采集 (传感器、 ADC、接口) 单机 数字信号处理 (DSP) 模拟输出 (DAC) 数据管理 (数据库) 数据传输/通信网络 （计算机网络）
单机
单机
单机
双星定位 过程与原理
工作原理：
依据两个时间延迟： 延时1：从中心控制系统发出询问信号，经某一卫星转发到达用户，
用户发出定位响应信号，经同一颗卫星转发回中心控制系统的延迟； 用户发出响应信号，经另一颗卫星转发回中心控制系统的延迟。
延时2：从中心控制系统发出询问信号，经上述同一卫星到达用户，
双星定位 过程与原理
优势与劣势
优势：
(1)定位和通信双重作用,具有GPS不具备的短信通讯功能。 (2) 定位精度正逐步提高(20米→ 10米→ 7米) (3)成本低：需要卫星少，目前终端已经趋于GPS终端价格。 (4)采用接收终端不需铺设地面基站。
劣势： (1)主动式定位，需要客户机向卫星发送信息，这样 容易暴露； (2)定位计算过度依赖中心控制系统。
感知识别层位于物联网四层模型的最底端，是所有上层结 构的基础。
•
（2）网络构建层
1.2 核心技术：
（2）网络构建层
•
网络是物联网最重要的基础设施之一。
•
网络构建层在物联网四层模型中连接感知识别层和管理服 务层，具有强大的纽带作用，高效、稳定、及时、安全地 传输上下层的数据。
（3）管理服务层
•
管理服务层位于感知识别和网络构建层之上，综合应用层之 下，是物联网智慧的源泉。人们通常把物联网应用冠以“智 能”的名称，如智能电网、智能交通、智能物流等，其中的 智慧就来自这一层。
• 传统互联网经历了以数据为中心到以人为中心的转化，典型 应用包括文件传输、电子邮件、万维网、电子商务、视频点 播、在线游戏和社交网络等；而物联网应用以“物”或者物 理世界为中心，涵盖物品追踪、环境感知、智能物流、智能 交通、智能电网等等。物联网应用目前正处于快速增长期， 具有多样化、规模化、行业化等特点。
要求
了解电子信息系统的组成，了解或掌握其中 的传感器技术、模拟信号输入/输出技术、 数字信号处理与DSP技术、数据库技术、计 算机网络技术等关键技术。 提高理论联系实际的水平。
学习材料
目前没有覆盖全部内容的单本教材。 参考书
补充的材料来自Internet。
《计算机网络 第4版》，[荷] Andrew S. Tanenbaum 著，潘爱 民 译，清华大学出版社； 《计算机网络 第5版(英文版)》，[荷] Andrew S. Tanenbaum 著，潘爱民 译，清华大学出版社； 《电子信息系统基础》，蓝鸿翔、戴蓓倩 主编，高等教育出版 社； 《物联网导论（第2版）》，刘云浩编著，科学出版社。 《嵌入式微处理器模拟接口设计（第二版）》，[美] Stuart R. Ball 著，刘谦 译，电子工业出版社；
(1)感知识别层
物联网：感知识别层
•
通过感知识别技术，让物品“开口说话、发布信息”是融 合物理世界和信息世界的重要一环，是物联网区别于其他 网络的最独特的部分。
•
物联网的“触手”是位于感知识别层的大量信息生成设备 ，既包括采用自动生成方式的RFID、传感器、定位系统等 ，也包括采用人工生成方式的各种智能设备，例如智能手 机、PDA、多媒体播放器、上网本、笔记本电脑等等。
工作原理：
由于中心控制系统和两颗卫星的位置均是已知的，因此由上面两个 延迟量可以算出用户到第一颗卫星的距离，以及用户到两颗卫星距 离之和，从而知道用户处于一个以第一颗卫星为球心的一个球面， 和以两颗卫星为焦点的椭球面之间的交线上。 另外中心控制系统从已存储在数字化地形图查寻到用户高程值，又 可知道用户处于某一与地球基准椭球面平行的椭球面上。从而中心 控制系统可最终计算出用户所在点的三维坐标，这个坐标经加密由 出站信号发送给用户。
控制对象
C(t)
输 出
主反馈信号
并联校正元件
局部反馈
测量元件
主反馈
典型自动控制系统方块图
实例2：智能交通信号控制系统
功能
数据采集和监控 交通控制和优化 系统干预 系统监视 系统日志管理
实例3：3S系统
地理信息系统(Geographic Information System)
当感知识别层生成的大量信息经过网络层传输汇聚到管理服 务层，如果不能有效地整合与利用，那无异于入宝山而空返 ，望“数据的海洋”而兴叹。 管理服务层解决数据如何存储（数据库与海量存储技术）、 如何检索（搜索引擎）、如何使用（数据挖掘与机器学习） 、如何不被滥用（数据安全与隐私保护）等问题。
•
•
(4)：综合应用层
俄Glonass（GLObal NAvigation Satellite System）
欧盟伽利略计划
中国北斗
组成：空间端、地面端和用户。 四大功能：定位、导航、授时和 短报文通信服务 发展历程：
2000.10.31 北斗一号 2009.4.15 北斗二号 2012.2.25 北斗十一号 2012.4.30 北斗12、13号(长征3号乙火箭，一箭双星) 2012年，“北斗”系统已覆盖亚太地区， 2020年， 预计“北斗”系统左右覆盖全球。
三套全球卫星定位系统的比较
美GPS
Байду номын сангаас
1994年投入运行，24颗卫星，耗资120亿美元； 成功应用于军事和民用领域。 前苏联从1995年建成，24颗卫星，耗资30多亿美元； 2006年重新投入使用。 “伽利略卫星定位系统的最高精度比美国GPS高10倍，如果说GPS只 能找到街道，伽利略系统则可找到车库门。”——欧洲航空航天局 专家 欧盟2002年正式批准的一项战略科研项目，目标是建成一个覆盖全 球的卫星导航系统，计划耗资27亿美元，30颗卫星。 2005年12月28日，成功发射首枚实验卫星； 至2006年1月12日，共有中国、以色列、乌克兰、印度、摩洛哥和韩 国加入计划。
双星定位 过程与原理
工作过程：
(1)由中心控制系统向卫星I和卫星II同时发送询问信号， 经卫星转发器向服务区内的用户广播。 (2) 用户响应其中一颗卫星的询问信号，并同时向两颗卫 星发响应信号，经卫星转发回中心控制系统。 (3)中心控制系统接收并解调用户发来的信号，然后根据用 户的申请服务内容进行相应的数据处理。
课程特点
(1)广泛性：传感技术，模拟信号接口技术，数字信号处理与DSP 技术，数据库技术，计算机网络与信息传输技术 (2)实用性： (3)有机性：
课程学习目的
学会用所学的各门理论课知识(信号与系统、通 信原理、数字信号处理、电子技术等课程) 去解 释各行业的技术规范。反过来进一步加深对理论 的认识。 在提高理论联系实际能力的基础上，具备应对日 新月异的电子信息行业的适应能力。 灵活掌握电子信息系统的结构和关键技术，提高 工程设计能力，为日后工程设计实践打下基础。
闭环控制系统 开环系统精度不高、适应性不强。 将输出量引入到输入端，使输出量对控制作用产生直接 的影响。形成闭环控制系统。
Mc↑→n↓→uf↓→ue(=ur-uf)↑→ua↑→n↑
自动控制系统的组成
比较 元件 r(t) + e(t) 输入 信号 偏差 - 信号
扰动
串联 校正元件
+
放大元件
-
执行元件
实例1：自动控制系统
自动控制：在无人直接参加的情况下，利用控制装置使被控对象 和过程自动地按预定规律变化的控制过程。 自动控制系统：是由控制装置和被控对象所组成，它们以某种相 互依赖的的方式组合成为一个有机整体，并对被控对象进行自动 控制。 控制器：对被控对象起控制作用装置的总体。 被控对象：要求实现自动控制的机器，设备或生产过程。 输出量：表现于控制对象或系统输出端，并要求实现自动控制的 物理量。 输入量：作用于控制对象或系统输入端，并可使系统具有预定功 能或预定输出的物理量。 扰动：所有妨碍控制量对被控量按要求进行正常控制的因素，称 为干扰量或扰动量。
1995 Bill Gates 《未来之路》 物物互联 2005 国际电信联盟 《ITU互联网报告2005： 物联网》，指出无所不在的“物联网”通信时 代即将来临
2008 IBM “智慧地球”
2009 “感知中国”
物联网的其他定义
物联网组成
综合应用层 管理服务层 网络构建层 感知识别层
电子信息系统
黄翔东 Email: xdhuang@tju.edu.cn Office: 26D-334
第一章 电子信息系统概述
电子信息系统定义
目前尚无统一定义 由数据采集、数据处理、数据管理与传输（网络技术、数据 库）、数据输出等模块组成 ，即按照一定应用目的和规则对 信息进行采集、加工、存储、传输、检索等处理的系统。
是用于输入、存储、查询、分析和显示地理数据的计 算机系统。 指用间接的手段来获取目标物状态信息的方法。遥感 一般有三个要素，目标物、传感器和测量方法。
遥感(Remote Sensing)
全球定位系统(Global Positioning System)
是一个中距离圆型轨道卫星定位系统。它可以为地球 表面绝大部分地区提供准确的定位和高精度的时间基 准。
实例4：物联网
概念的提出
物联网实际是中国人的发明，整合了美国CPS(Cyber-Physical Systems
欧盟IoT（Internet of Things)和日本U-Japan等概念。是一个基于互联网 传统电信网等信息载体，让所有能被独立寻址的普通物理对象实现互联 互通的网络。普通对象设备化，自治终端互联化和普适服务智能 化是其三个重要特征。 物联网的基本思想出现于20世纪90年代
电子信息系统典型结构
数据采集 (传感器、 ADC、接口) 单机 数字信号处理 (DSP) 模拟输出 (DAC) 数据管理 (数据库) 数据传输/通信网络 （计算机网络）
单机
单机
单机
双星定位 过程与原理
工作原理：
依据两个时间延迟： 延时1：从中心控制系统发出询问信号，经某一卫星转发到达用户，
用户发出定位响应信号，经同一颗卫星转发回中心控制系统的延迟； 用户发出响应信号，经另一颗卫星转发回中心控制系统的延迟。
延时2：从中心控制系统发出询问信号，经上述同一卫星到达用户，
双星定位 过程与原理
优势与劣势
优势：
(1)定位和通信双重作用,具有GPS不具备的短信通讯功能。 (2) 定位精度正逐步提高(20米→ 10米→ 7米) (3)成本低：需要卫星少，目前终端已经趋于GPS终端价格。 (4)采用接收终端不需铺设地面基站。
劣势： (1)主动式定位，需要客户机向卫星发送信息，这样 容易暴露； (2)定位计算过度依赖中心控制系统。
感知识别层位于物联网四层模型的最底端，是所有上层结 构的基础。
•
（2）网络构建层
1.2 核心技术：
（2）网络构建层
•
网络是物联网最重要的基础设施之一。
•
网络构建层在物联网四层模型中连接感知识别层和管理服 务层，具有强大的纽带作用，高效、稳定、及时、安全地 传输上下层的数据。
（3）管理服务层
•
管理服务层位于感知识别和网络构建层之上，综合应用层之 下，是物联网智慧的源泉。人们通常把物联网应用冠以“智 能”的名称，如智能电网、智能交通、智能物流等，其中的 智慧就来自这一层。