第6章-物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)

《物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)導(dǎo)論》課件

第6章物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)

東軟電子出版社羅漢江主編《物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)導(dǎo)論》教材配套課件6第6章物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)6.1物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)概述

6.1.1物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)

6.1.2物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)集成6.2RFID應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)

6.2.1RFID硬件部分開發(fā)6.2.2RFID讀寫程序設(shè)計(jì)

6.2.3PC機(jī)端程序設(shè)計(jì)

6.2.4項(xiàng)目案例—圖書館管理系統(tǒng)6.3傳感器網(wǎng)絡(luò)的開發(fā)6.3.1傳感器網(wǎng)絡(luò)開發(fā)概述

6.3.2項(xiàng)目案例—孵化室溫度監(jiān)控系統(tǒng)6.4本章小結(jié)

本章主要內(nèi)容6.1物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)概述對于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，涉及到感知與識別技術(shù)、通信與組網(wǎng)技術(shù)和信息處理與控制服務(wù)技術(shù)等，總的來說主要包括以下幾方面：物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)技術(shù)物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)技術(shù)主要包括嵌入式智能技術(shù)、射頻讀寫器、傳感器與無線傳感網(wǎng)和納米技術(shù)等。物聯(lián)網(wǎng)主體支撐技術(shù)物聯(lián)網(wǎng)主體支撐技術(shù)主要包括物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中間件技術(shù)和信息服務(wù)技術(shù)等。物聯(lián)網(wǎng)安全技術(shù)物聯(lián)網(wǎng)中涉及到的安全問題包括感知識別技術(shù)安全性、相關(guān)信息傳輸?shù)陌踩?、信息保密及隱私性、物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)安全性。

6.1物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)概述6.1.1物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)感知層設(shè)計(jì)：感知層的設(shè)計(jì)主要依賴于感知與識別技術(shù)，其中感知技術(shù)主要是傳感器技術(shù)，而識別技術(shù)主要是RFID技術(shù)。6.1物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)概述6.1.1物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)數(shù)據(jù)傳輸層設(shè)計(jì)：數(shù)據(jù)傳輸層是物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)物與物、人與物的相連接的關(guān)鍵。數(shù)據(jù)傳輸層的設(shè)計(jì)主要考慮數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞?、?shù)據(jù)量、傳輸速度、傳輸距離，選擇合適傳輸和通信網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議。6.1物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)概述6.1.1物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)應(yīng)用層設(shè)計(jì)：應(yīng)用層的支撐層由各種支撐平臺和中間件組成，如信息協(xié)同處理平臺、服務(wù)支撐平臺、云計(jì)算平臺和公共中間件等，其主要功能包括對采集數(shù)據(jù)的匯集、轉(zhuǎn)換、分析，以及用戶層呈現(xiàn)的適配和事件的觸發(fā)控制等。6.1物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)概述6.1.2物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)集成由于各個(gè)學(xué)科、專業(yè)領(lǐng)域的技術(shù)交叉融合和應(yīng)用，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)、開發(fā)的方法以及可以應(yīng)用的技術(shù)種類繁多，而要實(shí)現(xiàn)一個(gè)功能完備、使用方便舒適、高效、安全的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，則需要進(jìn)行系統(tǒng)集成。6.1物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)概述6.1.2物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)集成物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)的系統(tǒng)集成是指通過結(jié)構(gòu)化、合理化的感知、識別技術(shù)和數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)耐ㄐ?、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)以及信息處理控制技術(shù)，將各個(gè)分離的設(shè)備（如基站、個(gè)人電腦、智能終端）、功能（如識別、數(shù)據(jù)傳輸）和信息（如環(huán)境檢測量）等集成到相互關(guān)聯(lián)的、統(tǒng)一和協(xié)調(diào)的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)之中，使資源達(dá)到充分共享，實(shí)現(xiàn)集中、高效、便利的管理，使系統(tǒng)性能最優(yōu)。6.1物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)概述6.1.2物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)集成一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)集成例子---智能社區(qū)系統(tǒng)的集成

6.2RFID應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)典型RFID應(yīng)用系統(tǒng)框圖6.2RFID應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)RFID的基本通信原理6.2RFID應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)RFID系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計(jì)一般可分為以下幾個(gè)工作：需求分析系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)系統(tǒng)性能指標(biāo)分析

6.2RFID應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)6.2.1RFID硬件部分開發(fā)天線天線是RFID標(biāo)簽和讀寫器之間實(shí)現(xiàn)射頻信號空間傳播和建立無線通訊連接的設(shè)備。RFID系統(tǒng)中包括兩類天線，一類是RFID標(biāo)簽上的天線，由于它已經(jīng)和RFID標(biāo)簽集成為一體，因此不再單獨(dú)討論。另一類是讀寫器天線，既可以內(nèi)置于讀寫器中，也可以通過同軸電纜與讀寫器的射頻輸出端口相連。

6.2RFID應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)6.2.1RFID硬件部分開發(fā)天線應(yīng)有以下功能：天線應(yīng)能將導(dǎo)波能量盡可能多地轉(zhuǎn)變?yōu)殡姶挪芰?。這首先要求天線是一個(gè)良好的電磁開放系統(tǒng)，其次要求天線與發(fā)射機(jī)或接收機(jī)匹配。天線應(yīng)使電磁波盡可能集中于確定的方向上，或?qū)Υ_定方向的來波最大限度的接受，即方向具有方向性。天線應(yīng)能發(fā)射或接收規(guī)定極化的電磁波，即天線有適當(dāng)?shù)臉O化。天線應(yīng)有足夠的工作頻帶。6.2RFID應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)6.2.1RFID硬件部分開發(fā)天線設(shè)計(jì)需要考慮以下幾個(gè)重要參數(shù)

天線的效率天線的阻抗天線的極化天線的方向性頻帶寬度6.2RFID應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)6.2.1RFID硬件部分開發(fā)RFID電子標(biāo)簽的組成6.2RFID應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)6.2.1RFID硬件部分開發(fā)標(biāo)簽IC芯片電路設(shè)計(jì)框圖6.2RFID應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)6.2.1RFID硬件部分開發(fā)讀寫器讀寫器的功能首先是激活標(biāo)簽，對于被動和半主動標(biāo)簽，讀寫器提供必要的能量激活在讀寫器讀寫范圍內(nèi)的標(biāo)簽，并讀取存儲在電子標(biāo)簽中的數(shù)據(jù)。對于可讀可寫的RFID系統(tǒng)，讀寫器不僅要從標(biāo)簽讀出數(shù)據(jù)，也能將數(shù)據(jù)寫入到標(biāo)簽內(nèi)。讀寫器不僅與標(biāo)簽進(jìn)行通信，而且要與主機(jī)通信，以此實(shí)現(xiàn)RFID電子標(biāo)簽與上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸。6.2RFID應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)6.2.1RFID硬件部分開發(fā)讀寫器的硬件組成框圖6.2RFID應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)6.2.2RFID讀寫程序設(shè)計(jì)RFID的標(biāo)簽讀寫程序流程圖6.2RFID應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)6.2.2RFID讀寫程序設(shè)計(jì)碰撞，即沖突，是指多個(gè)射頻標(biāo)簽進(jìn)入識別區(qū)域時(shí)信號互相干擾的情況。具有防碰撞性能的系統(tǒng)可以同時(shí)識別進(jìn)入識別區(qū)域的所有標(biāo)簽，大大提高系統(tǒng)效率。防碰撞有硬件方式和軟件方式，考慮成本，一般采用軟件防碰撞方式。防碰撞策略空分多路（SDMA）法頻分多路（FDMA）法時(shí)分多路（TDMA）法6.2RFID應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)6.2.2RFID讀寫程序設(shè)計(jì)防碰撞算法

Aloha算法是一種隨機(jī)接入方法，其基本思想是采取標(biāo)簽先發(fā)言的方式，當(dāng)標(biāo)簽進(jìn)入讀寫器的識別區(qū)域內(nèi)就自動向讀寫器發(fā)送其自身的ID號，在標(biāo)簽發(fā)送數(shù)據(jù)的過程中,若有其他標(biāo)簽也在發(fā)送數(shù)據(jù),那么發(fā)生信號重疊導(dǎo)致完全沖突或部分沖突，讀寫器檢測判斷接收到的信號有無沖突，如果發(fā)生沖突，讀寫器就發(fā)送命令讓標(biāo)簽停止發(fā)送，隨機(jī)等待一段時(shí)間后再重新發(fā)送以減少沖突。6.2RFID應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)6.2.2RFID讀寫程序設(shè)計(jì)ALOHA算法可分為純ALOHA算法時(shí)隙ALOHA算法幀時(shí)隙ALOHA算法動態(tài)幀時(shí)隙ALOHA算法6.2RFID應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)6.2.2RFID讀寫程序設(shè)計(jì)二進(jìn)制樹算法二進(jìn)制樹防沖突算法的基本思想是將處于沖突的標(biāo)簽分成左右兩個(gè)子集0和1，先查詢子集0，若沒有沖突，則正確識別標(biāo)簽，若仍有沖突則再分裂，把子集0分成00和01兩個(gè)子集，依次類推，直到識別出子集0中的所有標(biāo)簽，再按此步驟查詢子集1。6.2RFID應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)6.2.2RFID讀寫程序設(shè)計(jì)二進(jìn)制搜索樹算法流程6.2RFID應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)6.2.3PC機(jī)端程序設(shè)計(jì)PC機(jī)端軟件程序流程

6.2RFID應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)6.2.4項(xiàng)目案例—圖書館管理系統(tǒng)6.2RFID應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)6.2.4項(xiàng)目案例—圖書館管理系統(tǒng)讀寫器組成模塊6.2RFID應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)6.2.4項(xiàng)目案例—圖書館管理系統(tǒng)下位機(jī)系統(tǒng)流程6.2RFID應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)6.2.4項(xiàng)目案例—圖書館管理系統(tǒng)初始化流程

6.2RFID應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)6.2.4項(xiàng)目案例—圖書館管理系統(tǒng)上位機(jī)系統(tǒng)流程6.3

傳感器網(wǎng)絡(luò)的開發(fā)6.3.1傳感器網(wǎng)絡(luò)開發(fā)概述傳感器網(wǎng)絡(luò)開發(fā)流程大致有用戶需求分析、系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)與論證、系統(tǒng)開發(fā)、集成與調(diào)試、系統(tǒng)施工（調(diào)試、集成與改進(jìn)）、系統(tǒng)驗(yàn)收、系統(tǒng)維護(hù)幾個(gè)方面?；赯igBee的傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)主要是硬件開發(fā)，包括協(xié)調(diào)器、路由器、傳感節(jié)點(diǎn)和控制節(jié)點(diǎn)的開發(fā)；以及軟件開發(fā)，包括協(xié)議棧應(yīng)用程序、上位機(jī)程序的開發(fā)。下面的案例介紹基于片上系統(tǒng)和Z-Stack的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)。

6.3

傳感器網(wǎng)絡(luò)的開發(fā)6.3.2項(xiàng)目案例—孵化室溫度監(jiān)控系統(tǒng)項(xiàng)目需求：由于孵化室對溫濕度控制要求比較高，所以需要對室內(nèi)溫濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，當(dāng)溫濕度過高或過低，就調(diào)節(jié)空調(diào)進(jìn)行控制。采用基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控系統(tǒng)，具有低功耗、低成本、可移動、高可靠的優(yōu)點(diǎn)。孵化室內(nèi)溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)的目的是通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的傳感控制節(jié)點(diǎn)將環(huán)境中的溫度和濕度信息進(jìn)行采集后，經(jīng)無線傳輸，把信息傳送給協(xié)調(diào)器，最終送給PC機(jī)顯示，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，以達(dá)到對室內(nèi)環(huán)境中溫濕度變化監(jiān)測和控制