物联网系统架构课件

1、2019 主讲人：赵捷 日期：2019-7-10 物联网系统架构 04 物联网的DNA 03 LoRa技术简介 01 02 物联网典型应用 场景 目录 CONTENTS 物联网简介 05 通信原理 1 1 物联网简介 物联网概念 物联网的发展 物联网：从感知到做事 物联网下一步是什么 1.物联网概念 物联网（通常缩写为IoT）一词由Kevin Ashton 于1999年创造，并且最近才出现在主流公众视野中。 物联网代表了网络对象收集来自我们周围世界的 数据并在互联网上共享数据的能力的一般概念， 在互联网上可以处理和利用这些数据用于各种有趣 的目的。以下视频介绍了物联网这一术语，并概述 了它为何

2、成为通信技术中最有趣的发展之一。 我们将生活在一个超连接的世界，拥有数以千计 的传感器和解决方案，汇集数据以帮助我们在日常 生活，工作中，还能驾驶我们的汽车，运输集装箱 ，节省建筑物和街道照明的能源，以帮助优化在 全球范围内使用农田，连接偏远地区甚至保护野生 动植物。 2.物联网：从感知到做 物联网的真正价值在于其重新构想业务流 程的颠覆性潜力，并最终重新布局业务，政 府和社会。意识到这种潜力意味着将物联网 应用的战略重点转向不仅仅是感知，而且还 要做。 以制造业为例。在位于德国安贝格的西门 子工厂，机器和计算机可以自动处理大约75 的价值链，整个生产线上有大约1,000个自 动化控制器在运行

3、。制造的每个零件都有自 己的产品代码，可以让机器了解其生产要求 以及接下来要采取的步骤。所有流程都针对 IT控制进行了优化，从而将故障率降至最低。 在该工厂中，员工基本上监督生产和技术资 产，处理可能出现的任何意外事件。 3.物联网的发展 物联网（IoT）正在迅速而无情地扩张。 如今根据 Business Insider 的预测数据显示， 物联网设备安装数量将在接下来的几年中呈现 爆发式发展： 截止 2021 年，预估将有 225 亿个连接的物联网设备。 随着物联网的增长，它产生的数据量也在增长。据估计，到2019年，连接设备每年将 产生507.5 zettabytes（ZB）的数据（每月42

4、.3 ZB），高于2014年每年134.5 ZB（每月 11.2 ZB）。（zettabyte为1万亿千兆字节）。在全球范围内，物联网设备在2019年创建 的数据将比从最终用户设备传输到数据中心的数据大269倍，比数据中心总流量高49倍。 4.物联网：下一步是什么 AI与IoT结合将形成AIoT，也就是万物智慧互联，在这个领域未来有着巨 大的发展空间。AI和IoT技术的结合成为了一种新的技术趋势，AIoT是未 来的核心驱动力，也将成为企业布局的热门领域。 AIoT”即“AI+IoT”，指的是人工智能技术与物联网在实际应用中的落地融 合。IoT覆盖范围比较广泛，IDC预计，2018年全球IoT支

5、出金额预估将年 增14.6%至7,725亿美元。然而现实也许并没有那么美好，物联网火热之 时，大家纷纷把家电、门窗、窗帘都连上网，为了连接而连接，但我们 最终需要的是服务，仅靠联网意义甚小，解决具体场景的实际应用才是 技术发展的根本动力。 AI是大脑，IoT是连接。AI是IoT的大脑，让设备的简单连接上升为智能连接，让万 物互联进化到万物智联;IoT是让 AI 具备行动能力的身体。就像人类的眼睛，耳朵， 鼻子和皮肤感知我们周围的世界一样，IoT中数十亿的传感器和摄像头采集周围环境 的数据，并将这些数据发送给AI进行分析和处理。这些数据也是AI进行深度学习的 重要养料，协助AI变得越来越聪明，做

6、出的决定也越来越明智。 2 物联网典型应用场景 LoRa技术正在连接我们的智能地球 从测量影响作物生产的环境条件到跟踪牲畜健康指标，农业物联网 （IoT）技术可以提高效率，减少对环境的影响，最大限度地提高产量并 最大限度地降低费用。基于LoRa的智能农业用例已经显示出明显的改进， 例如商业农场减少50的水、提升农作物产量等。低功耗无线通信使得 能够使用低成本传感器将数据从服务器场发送到云，在那里可以对其进 行分析以改善运营。 智能农业 自主灌溉 LoRa自动灌溉系统可帮助种植 者最大限度地提高土壤类型的产 量，同时优化劳动力和其他投入 资源的使用。 真实世界部署 智能土壤传感器 基于LoRa的

7、无线传感器可检测 土壤中的氮，磷和钾（NPK）水 平，帮助农民减少浪费并提高作 物产量。 智能农业网络 实施由传感器和网关组成的基于 LoRa的精准农业解决方案可以 帮助农民提高作物产量，动物健 康和农场运营。 真实世界部署 聪明的牛牧场 支持LoRa的GPS跟踪器和生物 识别传感器监控奶牛的生命体和 位置，并在发生异常情况时立即 通知牧场主。 通过连接照明，停车，废物清除等城市服务，城市可以优化公用事业 和人员的使用，以节省时间和金钱。 智慧城市 住宅社区网络 基于LoRa技术的住宅LPWAN网络促进了 智能城市服务的部署，如智能街道照明， 土壤，空气和水质监测，智能停车，智能 垃圾收集和其

8、他绿化带管理服务。 智能照明为街灯增添了智能和控制， 有助于在不牺牲公共安全的情况下 降低典型城市的最大能源费用。 LoRa技术使其成为可能。 停车管理：采用LoRa技术，可通过 公共或专用网络实现停车资源的最 佳管理。 智能洪水监测：基于LoRa的端到端 洪水监测解决方案采用商用现成的 超声波传感器设计。 废物管理：使用LoRa技术的城市 降低了运营成本，简化了收集路线 并优化了垃圾箱的位置。 LoRa Technology的低功率质量和穿透密集建筑材料的能力使其成为 物联网连接智能家居和建筑设备的理想平台。此外，远程功能使LoRa 传感器能够跟踪偏离家庭的资产。智能家居和建筑应用中的传感器

9、可以 检测危险，优化公用事业使用等，以提高日常生活的安全性和便利性。 智能家居与建筑 智能消防疏散 动态疏散标志利用LoRa技术， 通过指示最快和最安全的方向， 帮助人们实时驾驭复杂的危险区 域。 漏水检测与损害预防 基于LoRa的湿度和温度传感器 可防止和消除智能家居和建筑物 中的水损害。 家庭安全 LoRa技术支持的安全系统通过 将门窗报警传感器与安全摄像头， 对讲机和自动门锁集成，为家庭 提供全天候保护。通过钥匙串传 感器和智能手机激活。 结构健康监测系统 基于LoRa的结构健康监测系统 可以远程和实时监控建筑结构的 安全性和完整性。 LoRa技术使智能供应链和物流变得简单且经济实惠，以

10、跟踪运输中的 高价值资产。由于LoRa技术的远程和低功耗质量以及无GPS的地理定位 能力，货物，车辆和其他资产可以在大的地理区域和恶劣的环境中轻松 监控。 智能供应链与物流 航空航天制造业资产追踪 LoRa传感器产品使生产经理和 工程师能够实时监控昂贵的航空 航天制造资产的使用，状态，功 能和位置。 海运集装箱跟踪 基于LoRa的传感器支持的物联网 网络解决方案，用于跟踪集装箱活 动，如温度，开/关状态和地理位置， 以改善船厂运营并提高效率。 自建仓库 供应商A 供应商B 供应商CCMC RDC 承运商中转库 仓储智能管理+货物追踪 传统的计量操作是劳动密集型的，并且利用现场人员的主观测量。另

11、 外，仪表通常位于密集的城市环境中，室内或甚至地下，这是许多无线 技术难以或不可能达到的。通过实施由嵌入LoRa技术的传感器和网关组 成的智能计量基础设施，公用事业公司可以远程收集数据并更有效地使 用人员来简化操作。 智能计量 智能燃气计量 智能燃气计量产品可帮助公用事 业公司提高效率并降低管理成本， 估计节省高达25。 城市智能电网 智能城市解决方案利用LoRa技 术通过大城市地区的智能计量解 决方案提高能源效率。 变压器监测设备 支持LoRa的变压器监控设备， 能在线监控状况，以防止导致服 务中断的中断。 实时水计量 基于LoRa的智能表将水系统的 实时消耗，状态和诊断数据传输 到中央数据

12、库进行计费和分析， 从而降低维护成本。 工业运营可以从物联网连接传感器的部署中受益，以实现各种始终在 线的监控功能。由于基于LoRa的设备具有远距离，低功耗和长电池寿命， 制造工厂或移动行业的传感器可以将关键数据传输到广域网，在那里可 以对其进行分析并优化业务运营。 智能工业控制 工业温度 温度监测对工业生产过程至关重 要。未被发现的异常可能会花费 数百万美元。通过基于LoRa技 术的工业温度监控系统，可以严 格控制生产过程。 智能建筑机械使用 将LoRa技术集成到其车队机器中， 以监控和防止空转，减少燃油使用 量并延长机器寿命 智能采矿解决方案 利用LoRa技术在传送带传感器 中检测危险，防

13、止皮带故障并降 低维护成本。 液体存在检测 水，天然气或化学管道泄漏造成 经济损失和环境问题。LoRa技 术提供智能液体存在检测系统所 需的网络覆盖范围和长电池寿命。 3 LoRa技术简介 03 请替换文字内容复制你的内容到此 （建议 使用主题字体）。如需更改请在（设置形 状格式）菜单下（文本选项）中调整 输入标题文本 请替换文字内容复制你的内容到此 （建议 使用主题字体）。如需更改请在（设置形 状格式）菜单下（文本选项）中调整 LoRa 01 02 04 05 请替换文字内容复制你的内容到此 （建议 使用主题字体）。如需更改请在（设置形 状格式）菜单下（文本选项）中调整 输入标题文本 请替换

14、文字内容复制你的内容到此 千图网58PIC.COM 如需更改请在（设置形状格式）菜单下（文本选项）中调整 输入标题文本 NB LPWAN（Low-Power Wide-Area Network，低功率广域网络）也称为LPWA (Low-Power Wide-Area) 或 LPN（Low-Power Network，低功率网络），是一 种用在物联网中可以用低比特率进行长距离通讯的无线网络。 “LPWAN”的兴起，得益于最近几年物联网的快速发展。大家知道，万物互联 的基础是利用通信技术把人与物、物与物连接，我们比较熟悉的通信技术包括 WIFI、蓝牙、ZigBee等短距离无线通信技术和2G、3G、

15、4G、5G等移动蜂窝 通信技术。 为满足越来越多远距离物联网设备的连接需求，LPWAN应运而生。LPWAN 低功耗广域网络，专为低带宽、低功耗、远距离、大量连接的物联网应用而设 计。正如短距离无线网络包含WIFI、蓝牙、ZigBee等多种技术，LPWAN也包 含多种技术，如LoRa、Sigfox、和NBIoT等。由于是“广域”网络，因此必然 会涉及网络运营。所以LPWAN网络一般是由电信运营商或专门的物联网运营 商部署，由于LPWAN网络连接的基本都是“物”，因此通常也叫“物联网专用网 络”。 什么是LPWAN LoRa（长距离的缩写）是源自CSS技术的扩频调制技术。Semtech的 LoRa

16、设备和无线射频技术（LoRa技术）是一种远程，低功耗无线平台， 已成为全球物联网（IoT）网络的事实上的技术。LoRa技术可实现智能 物联网应用，解决我们面临的一些最大挑战：能源管理，自然资源减少， 污染控制，基础设施效率，防灾等。 什么是LoRa LoRa技术为农村和室内用例中的实际问题提供了一种高效，灵活和经 济的解决方案，与其他可能在全球范围内采用缓慢的颠覆性技术不同， LoRa技术不是未来潜力的承诺，而是现在全球各地都可以使用。LoRa Technology拥有600多个已知用例（并且不断增长），每个有人居住的大 陆都部署了9700万台设备，正在创建一个智能地球。行业分析师IHS Ma

17、rket预计，到2019年，所有LPWAN连接中有40将基于LoRa技 术.LoRa Technology正在意识到物联网（IoT）的潜力。 为何选择LoRa 与Wi-Fi一样，LoRa在未经许可的频段运行，支持室内应用; 像蜂窝一 样，LoRa技术从终端设备到应用服务器都非常安全，适用于户外应用。 LoRa技术结合了Wi-Fi和蜂窝网络的这些功能，提供高效，灵活和经济的 连接解决方案，非常适用于室内或室外物联网应用，并安装在公共，私 人或混合网络中。简单的传感器数据可以为分析平台提供动力，例如用 于人工智能和机器学习的平台。这些需要数据多样性，这是通过低成本 的LoRa传感器实现的。 LoR

18、a补充Wi-Fi，蓝牙和移动电话 LoRaWAN开放规范是基于LoRa技术的低功耗，广域网（LPWAN） 协议。LoRaWAN协议旨在通过区域，国家或全球网络将电池供电的 设备无线连接到互联网，利用工业，科学和医疗（ISM）频段中的未 经许可的无线电频谱。该规范定义了LoRa物理层参数的设备到基础 设施和LoRaWAN协议，并提供了设备之间的无缝互操作性。 LoRa是LoRaWan的一个子集，LoRa仅仅包括物理层定义， LoRaWan还包括了链路层。 什么是LoRaWAN？ 长距离 在农村地区连接距离最远30英里的设备，并穿透密集的城市或深度室内 环境 地理位置 实现无GPS跟踪应用，提供其

19、他技术未触及的独特低功耗优势 低电量 需要最少的能量，电池寿命长达10年，最大限度地减少电池更换成本 移动 保持与运动中的设备的通信，而不会对功耗造成压力 LoRa技术的主要特点 安全 具有端到端AES128加密，相互身份验证，完整性保护和机密性 大容量 支持每个基站数百万条消息，满足服务于大型市场的公共网络运营商的 需求 标准化 提供LoRaWAN网络的设备互操作性和全球可用性，以便在任何地方快速 部署物联网应用 低成本 减少基础设施投资，电池更换费用以及最终的运营费用 4 物联网的DNA LoRa技术专为物联网通信而设计，可实现远程设备与LPWAN （低功耗广域网）之间的连接，以便交付给分

20、析应用程序。 终端（即节点） 基站（即网关） 网络服务器 应用 采用LoRa技术配置的收发器嵌入到终端节点或传感器设备中，专为众 多行业应用而设计。 终端主要处理芯片MCU ：微控制单元(Microcontroller Unit；MCU)又称单片微型计算机(Single Chip Microcomputer )或者单片机，是把中央处理器(Central Process Unit； CPU)的频率与规格做适当缩减，并将内存(memory)、计数器(Timer)、 USB、A/D转换、UART、PLC、DMA等周边接口，甚至LCD驱动电路都 整合在单一芯片上，形成芯片级的计算机，为不同的应用场合做

21、不同组合 控制。 终端（节点） MCU 采用的是STM32L0X系列，STM32是一种功能比较强大的32位的单片机,它和8位 单片机最大的不同是，它不仅可以使用寄存器进行编程，还可以使用官方提供的库文件进行 编程，这样不仅编程方便，而且更容易移植。STM32的优异性主要表现下以下几个方面： 1. 超多的外设。STM32拥有包括：FSMC、TIMER、SPI、IIC、USB、CAN、IIS、SDIO、 ADC、DAC、RTC、DMA等众多外设及功能，具有极高的集成度。 2. 丰富的型号。STM32仅M3内核就拥有F100、F101、F102、F103、F105、F107、F207、 F217等8

22、个系列上百种型号，具有QFN、LQFP、BGA等封装可供选择。同时STM32还推出 了STM32L和STM32W等超低功耗和无线应用型的M3芯片。 3. 优异的实时性能。84个中断，16级可编程优先级，并且所有的引脚都可以作为中断输入。 4. 杰出的功耗控制。STM32各个外设都有自己的独立时钟开关，可以通过关闭相应外设的 时钟来降低功耗。 5. 极低的开发成本。STM32的开发不需要昂贵的仿真器，只需要一个串口即可下载代码， 并且支持SWD和JTAG两种调试口。 终端MCU-STM32 LoRa收发器具有远距离无线调制解调器，可提供超长距离扩频通信和 高抗干扰性，同时最大限度地降低电流消耗。

23、我们采用的SX1278是一款 性能高的物联网无线收发器，具备特殊的LoRa调制方式，在一定程度上 增加了通信距离。特性如下： 1.SX1278支持的频段为137-525MHz，拥有低功耗、高接收灵敏度、远 距离的优势。 2.SX1278仅有一种配电方式，最大发射功率20dBm。 3.SX1278有多种调制方式，其中包含LoRa以及传统的(G)FSK调制方式。 4.在LoRa调制下，SX1278的扩频因子6-12，BW 7.8-500kHz，空中速 率0.018-37.5kbps。 终端LoRa收发器 1、G-sensor：加速度传感器是一种能够测量加速度的传感器。通常由质量块、阻 尼器、弹性元

24、件、敏感元件和适调电路等部分组成。传感器在加速过程中，通过 对质量块所受惯性力的测量，利用牛顿第二定律获得加速度值。 2、温湿度传感器：是指能将温度量和湿度量转换成容易被测量处理的电信号的设 备或装置。 常用的传感器还有光强传感器、TOF、水质PH传感器、压力传感器等 终端传感器 DoubleQ是一款双任务的任务调度系统。主要工作方式是双任务的切换。 终端操作系统DoubleQ DoubleQ OS 的开发的开发 为什么开发 DoubleQ OS 开发的目的 核心技术理念 现有OS过于繁杂，没有完全适用物联 网低成本、低功耗、开发便利的需求。 降低MCU开发者开发物联网项目门槛。 极大缩短MC

25、U开发者开发物联网项目 时间。 通过对物联网技术的深度优化，利用独 有专利技术，推出了超快双线程调度系 统。 0202 移植简单移植简单运行稳运行稳 n 开发特性开发特性 线程运行时间片 1ms100ms 应用与系统之间耦合性小，仅需5 条语句即可完成任何应用移植到 系统 n 特色功能特色功能 配套基站具备精准系统时钟同步 网络存储单元 边缘计算单元 n 硬件硬件要求求 内核支持：51/ARM/90/PIC/AVR 内存最低：RAM 1K；ROM 1K 8位32位 n 系统特征系统特征 系统大小： 最小仅500 byte 线程切换开销，独有算法专利，仅 是其他OS线程切换开销的1/10 体积小

26、体积小速度快速度快 DoubleQ核心参数 我们做的是LoRa基站是传感终端将数据传输到云端的中介，网关肩负 着连接终端和服务器的重任，它是网络稳定运行的基石。 基站（网关） 操作系统：基站的应用运行在嵌入式linux操作系统，主控芯片在4G模块 中，LoRa收发器和外设是由4G模块控制的。 无线网络：支持国内三大运营商4G无线网络制式。 LoRa收发器：基站的LoRa收发器和终端一样，都是采用SX1278，不过 基站用的是3颗芯片，可以实现二收一发的全双工工作方式。 GPS定位：是全球定位的简称，这是一个由覆盖全球的24颗卫星组成的 卫星系统。这个系统可以保证在任意时刻，地球上任意一点都可以

27、同时 观测到4颗卫星，以保证卫星可以采集到该观测点的经纬度和高度，以便 实现导航、定位、授时等功能。 基站组成部分 平台： 网关通过Wi-Fi，以太网或蜂窝网络向网络服务器发送信息，网络 服务器负责网络管理功能，如无线激活，重复数据删除，动态帧路由， 自适应速率控制，流量管理，和管理。 APP：APP的作用就是将需要的功能以图形化的方式呈现，满足用户的 使用体验。 平台&APP 5 通信原理 LoRa通信原理 无线通信原理 在通信系统中，我们需要弄清模拟和数字的关系：一个模拟信号就是一 个连续变化的电磁波，一个数字信号是一个电压脉冲序列。看一个实例， 下图选自经典教材无线通信与网络（第二版），

28、电话通信是典型的 模拟数据（声波）通过模拟信号传输；家庭宽带拔号上网是典型的数字 数据（计算机只能处理数字信号）通过模拟信号（由“猫”完成调制） 传输，同时模拟信号也可以转换成数字信号（由“猫”完成解调）；计 算机局域共享 则是典型的 数字数据通过 数字信号传输。 无线通信原理 通信信号的第一个“敌人”是噪声，如下图所示，噪声会影响数字位，足以将1变 为0，或将0变为1。 无线传播主要有3种类型：地波传播、天波传播和直线传播，如下图所示。 无线信号除直线传播外，因为阻碍物的存在，还会发现如下图所示的3种传播机制： 反射（R）、散射（S）和衍射（D），因为传输路径的不同而引起多径衰退是无线 通信的一个挑战。 因为电磁波是连续的模拟信号，无线通信中数字数据都需要调制成模拟信号， 常见的方法有：ASK（幅移键控）、FSK（频移键控）和PSK（相移键控）， 如下图所示。 LoRa通信原理 1944年，好莱坞26岁女影星HedyLamarr（号称世界上最美丽的女人） 发明了扩频通信技术，这种跳频技术可以有效地抗击干扰 和实现加密。 扩频技术可以得到如下收益：从各种类型的噪声和多径失真中获得免疫性；得到信噪 比的增益。换句话说，使用扩频通信抗干扰性更强，通信距离更远。CDMA和WiFi都 使用了扩频技术。 扩频调制的示意图如下所示，用户数据的原始信号与