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

6.2.3PC機端程序設(shè)計

6.2.4項目案例—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)計開發(fā)感知層設(shè)計：感知層的設(shè)計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)計開發(fā)數(shù)據(jù)傳輸層設(shè)計：數(shù)據(jù)傳輸層是物聯(lián)網(wǎng)實現(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)計開發(fā)應(yīng)用層設(shè)計：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)集成由于各個學科、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、開發(fā)的方法以及可以應(yīng)用的技術(shù)種類繁多，而要實現(xiàn)一個功能完備、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)，將各個分離的設(shè)備（如基站、個人電腦、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，使資源達到充分共享，實現(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)計一般可分為以下幾個工作：需求分析系統(tǒng)的總體方案設(shè)計系統(tǒng)性能指標分析

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標簽和讀寫器之間實現(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標簽上的天線，由于它已經(jīng)和RFID標簽集成為一體，因此不再單獨討論。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)能將導波能量盡可能多地轉(zhuǎn)變?yōu)殡姶挪芰俊＿@首先要求天線是一個良好的電磁開放系統(tǒng)，其次要求天線與發(fā)射機或接收機匹配。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?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)計需要考慮以下幾個重要參數(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)標簽IC芯片電路設(shè)計框圖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簽，對于被動和半主動標簽，讀寫器提供必要的能量激活在讀寫器讀寫范圍內(nèi)的標簽，并讀取存儲在電子標簽中的數(shù)據(jù)。對于可讀可寫的RFID系統(tǒng)，讀寫器不僅要從標簽讀出數(shù)據(jù)，也能將數(shù)據(jù)寫入到標簽內(nèi)。讀寫器不僅與標簽進行通信，而且要與主機通信，以此實現(xiàn)RFID電子標簽與上位機之間的數(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RFID的標簽讀寫程序流程圖6.2RFID應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)6.2.2RFID讀寫程序設(shè)計碰撞，即沖突，是指多個射頻標簽進入識別區(qū)域時信號互相干擾的情況。具有防碰撞性能的系統(tǒng)可以同時識別進入識別區(qū)域的所有標簽，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)計防碰撞算法

Aloha算法是一種隨機接入方法，其基本思想是采取標簽先發(fā)言的方式，當標簽進入讀寫器的識別區(qū)域內(nèi)就自動向讀寫器發(fā)送其自身的ID號，在標簽發(fā)送數(shù)據(jù)的過程中,若有其他標簽也在發(fā)送數(shù)據(jù),那么發(fā)生信號重疊導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)送命令讓標簽停止發(fā)送，隨機等待一段時間后再重新發(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ALOHA算法可分為純ALOHA算法時隙ALOHA算法幀時隙ALOHA算法動態(tài)幀時隙ALOHA算法6.2RFID應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)6.2.2RFID讀寫程序設(shè)計二進制樹算法二進制樹防沖突算法的基本思想是將處于沖突的標簽分成左右兩個子集0和1，先查詢子集0，若沒有沖突，則正確識別標簽，若仍有沖突則再分裂，把子集0分成00和01兩個子集，依次類推，直到識別出子集0中的所有標簽，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)計二進制搜索樹算法流程6.2RFID應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)6.2.3PC機端程序設(shè)計PC機端軟件程序流程

6.2RFID應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)6.2.4項目案例—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項目案例—圖書館管理系統(tǒng)下位機系統(tǒng)流程6.2RFID應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)6.2.4項目案例—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項目案例—圖書館管理系統(tǒng)上位機系統(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）、系統(tǒng)驗收、系統(tǒng)維護幾個方面?；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)點和控制節(jié)點的開發(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項目案例—孵化室溫度監(jiān)控系統(tǒng)項目需求：由于孵化室對溫濕度控制要求比較高，所以需要對室內(nèi)溫濕度進行實時監(jiān)測，當溫濕度過高或過低，就調(diào)節(jié)空調(diào)進行控制。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。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)點將環(huán)境中的溫度和濕度信息進行采集后，經(jīng)無線傳輸，把信息傳送給協(xié)調(diào)器，最終送給PC機顯示，實現(xiàn)人機交互，以達到對室內(nèi)環(huán)境中溫濕度變化監(jiān)測和控制