物联网应用技术导论第6章物联网应用系统开发.ppt

物联网应用技术导论课件 第6章 物联网应用系统开发,东软电子出版社 罗汉江主编物联网应用技术导论教材配套课件6,第6章 物联网应用系统开发,6.1 物联网应用系统开发概述 6.1.1 物联网应用系统设计开发 6.1.2 物联网应用系统集成 6.2 RFID应用系统开发 6.2.1 RFID硬件部分开发 6.2.2 RFID读写程序设计 6.2.3 PC机端程序设计 6.2.4 项目案例图书馆管理系统 6.3 传感器网络的开发 6.3.1 传感器网络开发概述 6.3.2 项目案例孵化室温度监控系统 6.4 本章小结,本章主要内容,6.1 物联网应用系统开发概述,对于物联网应用，涉及到感知与识别技术、通信与组网技术和信息处理与控制服务技术等，总的来说主要包括以下几方面：,物联网基础技术 物联网基础技术主要包括嵌入式智能技术、射频读写器、传感器与无线传感网和纳米技术等。 物联网主体支撑技术 物联网主体支撑技术主要包括物联网系统中间件技术和信息服务技术等。 物联网安全技术 物联网中涉及到的安全问题包括感知识别技术安全性、相关信息传输的安全性、信息保密及隐私性、物联网业务安全性。,6.1 物联网应用系统开发概述,6.1.1 物联网应用系统设计开发,感知层设计： 感知层的设计主要依赖于感知与识别技术，其中感知技术主要是传感器技术，而识别技术主要是RFID技术。,6.1 物联网应用系统开发概述,6.1.1 物联网应用系统设计开发,数据传输层设计： 数据传输层是物联网实现物与物、人与物的相连接的关键。数据传输层的设计主要考虑数据传输的方式、数据量、传输速度、传输距离，选择合适传输和通信网络的协议。,6.1 物联网应用系统开发概述,6.1.1 物联网应用系统设计开发,应用层设计： 应用层的支撑层由各种支撑平台和中间件组成，如信息协同处理平台、服务支撑平台、云计算平台和公共中间件等，其主要功能包括对采集数据的汇集、转换、分析，以及用户层呈现的适配和事件的触发控制等。,6.1 物联网应用系统开发概述,6.1.2 物联网应用系统集成,由于各个学科、专业领域的技术交叉融合和应用，物联网应用系统设计、开发的方法以及可以应用的技术种类繁多，而要实现一个功能完备、使用方便舒适、高效、安全的物联网系统，则需要进行系统集成。,6.1 物联网应用系统开发概述,6.1.2 物联网应用系统集成,物联网应用系统的系统集成是指通过结构化、合理化的感知、识别技术和数据信息传输的通信、网络系统以及信息处理控制技术，将各个分离的设备（如基站、个人电脑、智能终端）、功能（如识别、数据传输）和信息（如环境检测量）等集成到相互关联的、统一和协调的物联网系统之中，使资源达到充分共享，实现集中、高效、便利的管理，使系统性能最优。,6.1 物联网应用系统开发概述,6.1.2 物联网应用系统集成,一个物联网系统集成例子-智能社区系统的集成,6.2 RFID应用系统开发,典型RFID应用系统框图,6.2 RFID应用系统开发,RFID的基本通信原理,6.2 RFID应用系统开发,RFID系统的开发设计一般可分为以下几个工作： 需求分析 系统的总体方案设计 系统性能指标分析,6.2 RFID应用系统开发,6.2.1 RFID硬件部分开发,天线 天线是RFID标签和读写器之间实现射频信号空间传播和建立无线通讯连接的设备。 RFID系统中包括两类天线，一类是RFID标签上的天线，由于它已经和RFID标签集成为一体，因此不再单独讨论。 另一类是读写器天线，既可以内置于读写器中，也可以通过同轴电缆与读写器的射频输出端口相连。,6.2 RFID应用系统开发,6.2.1 RFID硬件部分开发,天线应有以下功能： 天线应能将导波能量尽可能多地转变为电磁波能量。这首先要求天线是一个良好的电磁开放系统，其次要求天线与发射机或接收机匹配。 天线应使电磁波尽可能集中于确定的方向上，或对确定方向的来波最大限度的接受，即方向具有方向性。 天线应能发射或接收规定极化的电磁波，即天线有适当的极化。 天线应有足够的工作频带。,6.2 RFID应用系统开发,6.2.1 RFID硬件部分开发,天线设计需要考虑以下几个重要参数 天线的效率 天线的阻抗 天线的极化 天线的方向性 频带宽度,6.2 RFID应用系统开发,6.2.1 RFID硬件部分开发,RFID电子标签的组成,6.2 RFID应用系统开发,6.2.1 RFID硬件部分开发,标签IC芯片电路设计框图,6.2 RFID应用系统开发,6.2.1 RFID硬件部分开发,读写器 读写器的功能首先是激活标签，对于被动和半主动标签，读写器提供必要的能量激活在读写器读写范围内的标签，并读取存储在电子标签中的数据。对于可读可写的RFID系统，读写器不仅要从标签读出数据，也能将数据写入到标签内。 读写器不仅与标签进行通信，而且要与主机通信，以此实现RFID电子标签与上位机之间的数据传输。,6.2 RFID应用系统开发,6.2.1 RFID硬件部分开发,读写器的硬件组成框图,6.2 RFID应用系统开发,6.2.2 RFID读写程序设计,RFID的标签读写程序流程图,6.2 RFID应用系统开发,6.2.2 RFID读写程序设计,碰撞，即冲突，是指多个射频标签进入识别区域时信号互相干扰的情况。具有防碰撞性能的系统可以同时识别进入识别区域的所有标签，大大提高系统效率。 防碰撞有硬件方式和软件方式，考虑成本，一般采用软件防碰撞方式。 防碰撞策略 空分多路（SDMA）法 频分多路（FDMA）法 时分多路（TDMA）法,6.2 RFID应用系统开发,6.2.2 RFID读写程序设计,防碰撞算法 Aloha算法是一种随机接入方法，其基本思想是采取标签先发言的方式，当标签进入读写器的识别区域内就自动向读写器发送其自身的ID号，在标签发送数据的过程中,若有其他标签也在发送数据,那么发生信号重叠导致完全冲突或部分冲突，读写器检测判断接收到的信号有无冲突，如果发生冲突，读写器就发送命令让标签停止发送，随机等待一段时间后再重新发送以减少冲突。,6.2 RFID应用系统开发,6.2.2 RFID读写程序设计,ALOHA算法可分为 纯ALOHA算法 时隙ALOHA算法 帧时隙ALOHA算法 动态帧时隙ALOHA算法,6.2 RFID应用系统开发,6.2.2 RFID读写程序设计,二进制树算法 二进制树防冲突算法的基本思想是将处于冲突的标签分成左右两个子集0和1，先查询子集0，若没有冲突，则正确识别标签，若仍有冲突则再分裂，把子集0分成00和01两个子集，依次类推，直到识别出子集0中的所有标签，再按此步骤查询子集1 。,6.2 RFID应用系统开发,6.2.2 RFID读写程序设计,二进制搜索树算法流程,6.2 RFID应用系统开发,6.2.3 PC机端程序设计,PC机端软件程序流程,6.2 RFID应用系统开发,6.2.4 项目案例图书馆管理系统,6.2 RFID应用系统开发,6.2.4 项目案例图书馆管理系统,读写器组成模块,6.2 RFID应用系统开发,6.2.4 项目案例图书馆管理系统,下位机系统流程,6.2 RFID应用系统开发,6.2.4 项目案例图书馆管理系统,初始化流程,6.2 RFID应用系统开发,6.2.4 项目案例图书馆管理系统,上位机系统流程,6.3 传感器网络的开发,6.3.1 传感器网络开发概述,传感器网络开发流程大致有用户需求分析、系统方案设计与论证、系统开发、集成与调试、系统施工（调试、集成与改进）、系统验收、系统维护几个方面。 基于ZigBee的传感器网络应用系统的开发主要是硬件开发，包括协调器、路由器、传感节点和控制节点的开发；以及软件开发，包括协议栈应用程序、上位机程序的开发。 下面的案例介绍基于片上系统和Z-Stack的无线传感器网络应用系统的开发。,6.3 传感器网络的开发,6.3.2 项目案例孵化室温度监控系统,项目需求：由于孵化室对温湿度控制要求比较高，所以需要对室内温湿度进行实时监测，当温湿度过高或过低，就调节空调进行控制。 采用基于ZigBee的无线传感器网络的监控系统，具有低功耗、低成本、可移动、高可靠的优点。 孵化室内温湿度监控系统的目的是通过无线传感器网络中的传感控制节点将环境中的温度和湿度信息进行采集后，经无线传输，把信息传送给协调器，最终送给PC机显示，实现人机交互，以达到对室内环境中温湿度变化监测和控制的要求。,6.3 传感器网络的开发,6.3.2 项目案例孵化室温度监控系统,硬件设计 硬件部分主要由协调器和传感控制节点两部分组成。 协调器芯片采用TI公司的片上系统CC2430。,6.3 传感器网络的开发,6.3.2 项目案例-孵化室温度监控系统,传感器控制节点分传感部分和控制部分，传感控制节点采用ZigBee射频模块加传感或控制电路模块形式。,6.3 传感器网络的开发,6.3.2 项目案例-孵化室温度监控系统,CC2430射频电路,6.3 传感器网络的开发,6.3.2 项目案例-孵化室温度监控系统,协调器底板串口电路,6.3 传感器网络的开发,6.3.2 项目案例-孵化室温度监控系统,程序设计开发 程序开发部分主要包括下位机程序，即基于CC2430在ZigBee无线通信协议栈基础上开发应用程序开发；以及上位机程序，即感知信息收集与处理、用户界面开发等。 通过ZigBee无线通信协议栈应用程序的开发使系统实现对环境温湿度的信息的采集和无线传输；上位机用户界面程序用于实现人与系统的交互，人对系统的监测和控制。,6.3 传感器网络的开发,6.3.2 项目案例-孵化室温度监控系统,协议栈应用程序开发 TI公司为用户提供了ZigBee联盟认证的全面兼容IEEE802.15.4协议规范和ZigBeeTM2006协议规范的协议栈源代码和开发文档。该文档可以从TI公司官网/tool/cn/z-stack上注册后下载。 Z-Stack根据IEEE802.15.4和ZigBee标准分为以下几层：API（应用编程接口）、HAL（硬件抽象层）、MAC（介质访问控制）、NWK（zigbee网络层）、OSAL（操作系统抽象层）、安全服务和ZigBee设备。TI公司的ZigBee协议栈Z-Stack需要在IAR Embedded Workbench IDE上进行开发。 采用Z-Stack的版本为ZStack-1.4.3-1.2.1，这个版本对应CC2430的ZigBee协议栈，在IAR EW8051 7.3B 版本集成开发环境上开发。,6.3 传感器网络的开发,6.3.2 项目案例-孵化室温度监控系统,IAR EW8051 开发界面,6.3 传感器网络的开发,6.3.2 项目案例-孵化室温度监控系统,Z-Stack工作过程,6.3 传感器网络的开发,6.3.2 项目案例-孵化室温度监控系统,Z-Stack应用程序开发流程,6.3 传感器网络的开发,6.3.2 项目案例-孵化室温度监控系统,IAR工程界面,6.3 传感器网络的开发,6.3.2 项目案例-孵化室温度监控系统,添加头文件sht10.h,6.3 传感器网络的开发,6.3.2 项目案例-孵化室温度监控系统,湿度测量和测量结果传输,6.3 传感器网络的开发,6.3.2 项目案例-孵化室温度监控系统,上位机程序开发 上位机程序开发可采用各种编程语言，例如C#、Java、C+、VB.net等，这里介绍采用VB.net编写上位机程序。协调器作为信息汇聚点，收到ZigBee网络中传感控制节点的信息后，通过串口或以太网口将信息发送给PC（上位机）。 协调器发送接受串口的数据格式,6.3 传感器网络的开发,6.3.2 项目案例-孵化室温度监控系统,协调器发送获取环境温度的数据格式,6.3 传感器网络的开发,6.3.2 项目案例-孵化室温度监控系统,返回的数据格式,6.3 传感器网络的开发,6.3.2 项目案例-孵化室温度监控系统,上位机程序开发 如果是通过串口收发数据，PC机程序需要包含串口打开、串口数据接收和发送的程序。,串口打开程序,Private Sub openPort() If SerialPort1.IsOpen = True Then MsgBox(“串口已经打开“, vbOKOnly, “提示“) bt_init.Enabled = True Exit Sub End If With Me.SerialPort1 .PortName = serialPortName .BaudRate = serialBaudRate 波特率 .Parity = IO.Ports.Parity.None 奇偶校验 .StopBits = serialStopBits 停止位 .DataBits = serialDataBits 数据位 .WriteTimeout = serialTimeout End With Try If SerialPort1.IsOpen = False Then SerialPort1.Open() bt_init.Enabled = True End If MsgBox(“串口打开成功“, vbOKOnly, “提示“) Catch ex As Exception bt_boot.Enabled = True MsgBox(“串口打开失败“, vbOKOnly, “提示“) End Try End Sub,串口数据发送和接受程序,Private Sub SerialPort1_DataReceived(ByVal sender As Object, ByVal e As System.IO.Ports.SerialDataReceivedEventArgs) Handles SerialPort1.DataReceived 触发-串口收到数据 On Error Resume Next txtDataReceived.Invoke(New myDelegate(AddressOf updateTextBox), New Object() ) End Sub Public Delegate Sub myDelegate() Public Sub updateTextBox() If isAscii = 1 Then 字符 txtDataReceived.AppendText(SerialPort1.ReadExisting & vbCrLf) Else 16进制 Dim iReceivedbytes As Integer, i As Integer Dim strReceiveBytes As String Dim bReadByte() As Byte iReceivedbytes = SerialPort1.BytesToRead buffer中所有字节数 ReD