物联网应用系统开发

1、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 物联联网应用用系统开开发6.1物物联网网应用系系统开发发概述6.1.1物物联网应应用系统统设计开开发6.1.2物物联网应应用系统统集成6.2RFID应用系统统开发6.2.1RFID硬件部分分开发6.2.2RFID读写程序序设计6.2.3PC机端程序序设计6.2.4项目案例例图书馆管管理系统统6.3传感器网网络的开开发6.3.1传感器网网络开发发概述6.3.2项目案例例孵化室温温度监控控系统6.4本章小结结本章主要要内容6.1物物联网网应用系系统开发发概述对于物联联网应用用，涉及及

2、到感知知与识别别技术、通信与与组网技技术和信信息处理理与控制制服务技技术等，总的来来说主要要包括以以下几方方面：物联网基基础技术术物联网基基础技术术主要包包括嵌入入式智能能技术、射频读读写器、传感器器与无线线传感网网和纳米米技术等等。物联网主主体支撑撑技术物联网主主体支撑撑技术主主要包括括物联网网系统中中间件技技术和信信息服务务技术等等。物联网安安全技术术物联网中中涉及到到的安全全问题包包括感知知识别技技术安全全性、相相关信息息传输的的安全性性、信息息保密及及隐私性性、物联联网业务务安全性性。 6.1物物联网网应用系系统开发发概述6.1.1物物联网应应用系统统设计开开发感知层设设计：感知层的的

3、设计主主要依赖赖于感知知与识别别技术，其中感感知技术术主要是是传感器器技术，而识别别技术主主要是RFID技术。6.1物物联网网应用系系统开发发概述6.1.1物物联网应应用系统统设计开开发数据传输输层设计计：数据传输输层是物物联网实实现物与与物、人人与物的的相连接接的关键键。数据据传输层层的设计计主要考考虑数据据传输的的方式、数据量量、传输输速度、传输距距离，选选择合适适传输和和通信网网络的协协议。6.1物物联网网应用系系统开发发概述6.1.1物物联网应应用系统统设计开开发应用层设设计：应用层的的支撑层层由各种种支撑平平台和中中间件组组成，如如信息协协同处理理平台、服务支支撑平台台、云计计算平台

4、台和公共共中间件件等，其其主要功功能包括括对采集集数据的的汇集、转换、分析，以及用用户层呈呈现的适适配和事事件的触触发控制制等。6.1物物联网网应用系系统开发发概述6.1.2物物联网应应用系统统集成由于各个个学科、专业领领域的技技术交叉叉融合和和应用，物联网网应用系系统设计计、开发发的方法法以及可可以应用用的技术术种类繁繁多，而而要实现现一个功功能完备备、使用用方便舒舒适、高高效、安安全的物物联网系系统，则则需要进进行系统统集成。6.1物物联网网应用系系统开发发概述6.1.2物物联网应应用系统统集成物联网应应用系统统的系统统集成是是指通过过结构化化、合理理化的感感知、识识别技术术和数据据信息传

5、传输的通通信、网网络系统统以及信信息处理理控制技技术，将将各个分分离的设设备（如如基站、个人电电脑、智智能终端端）、功功能（如如识别、数据传传输）和和信息（如环境境检测量量）等集集成到相相互关联联的、统统一和协协调的物物联网系系统之中中，使资资源达到到充分共共享，实实现集中中、高效效、便利利的管理理，使系系统性能能最优。6.1物物联网网应用系系统开发发概述6.1.2物物联网应应用系统统集成一个物联联网系统统集成例例子-智能社区区系统的的集成6.2RFID应用用系统开开发典型RFID应用系统统框图6.2RFID应用用系统开开发RFID的基本通通信原理理6.2RFID应用用系统开开发RFID系统的

6、开开发设计计一般可可分为以以下几个个工作：需求分析析系统的总总体方案案设计系统性能能指标分分析6.2RFID应用用系统开开发6.2.1RFID硬件部部分开发发天线天线是RFID标签和读读写器之之间实现现射频信信号空间间传播和和建立无无线通讯讯连接的的设备。RFID系统中包包括两类类天线，一类是是RFID标签上的的天线，由于它它已经和和RFID标签集成成为一体体，因此此不再单单独讨论论。另一类是是读写器器天线，既可以以内置于于读写器器中，也也可以通通过同轴轴电缆与与读写器器的射频频输出端端口相连连。6.2RFID应用用系统开开发6.2.1RFID硬件部部分开发发天线应有有以下功功能：天线应能能将

7、导波波能量尽尽可能多多地转变变为电磁磁波能量量。这首首先要求求天线是是一个良良好的电电磁开放放系统，其次要要求天线线与发射射机或接接收机匹匹配。天线应使使电磁波波尽可能能集中于于确定的的方向上上，或对对确定方方向的来来波最大大限度的的接受，即方向向具有方方向性。天线应能能发射或或接收规规定极化化的电磁磁波，即即天线有有适当的的极化。天线应有有足够的的工作频频带。6.2RFID应用用系统开开发6.2.1RFID硬件部部分开发发天线设计计需要考考虑以下下几个重重要参数数天线的效效率天线的阻阻抗天线的极极化天线的方方向性频带宽度度6.2RFID应用用系统开开发6.2.1RFID硬件部部分开发发RFI

8、D电子标签签的组成成6.2RFID应用用系统开开发6.2.1RFID硬件部部分开发发标签IC芯片电电路设计计框图6.2RFID应用用系统开开发6.2.1RFID硬件部部分开发发读写器读写器的的功能首首先是激激活标签签，对于于被动和和半主动动标签，读写器器提供必必要的能能量激活活在读写写器读写写范围内内的标签签，并读读取存储储在电子子标签中中的数据据。对于于可读可可写的RFID系统，读读写器不不仅要从从标签读读出数据据，也能能将数据据写入到到标签内内。读写器不不仅与标标签进行行通信，而且要要与主机机通信，以此实实现RFID电子标签签与上位位机之间间的数据据传输。6.2RFID应用用系统开开发6.

9、2.1RFID硬件部部分开发发读写器的的硬件组组成框图图6.2RFID应用用系统开开发6.2.2RFID读写程程序设计计RFID的标签签读写程程序流程程图6.2RFID应用用系统开开发6.2.2RFID读写程程序设计计碰撞，即即冲突，是指多多个射频频标签进进入识别别区域时时信号互互相干扰扰的情况况。具有有防碰撞撞性能的的系统可可以同时时识别进进入识别别区域的的所有标标签，大大大提高高系统效效率。防碰撞有有硬件方方式和软软件方式式，考虑虑成本，一般采采用软件件防碰撞撞方式。防碰撞策策略空分多路路（SDMA）法频分多路路（FDMA）法时分多路路（TDMA）法6.2RFID应用用系统开开发6.2.2

10、RFID读写程程序设计计防碰撞算算法Aloha算法是一一种随机机接入方方法，其其基本思思想是采采取标签签先发言言的方式式，当标标签进入入读写器器的识别别区域内内就自动动向读写写器发送送其自身身的ID号，在标标签发送送数据的的过程中中,若有其他他标签也也在发送送数据,那么发生生信号重重叠导致致完全冲冲突或部部分冲突突，读写写器检测测判断接接收到的的信号有有无冲突突，如果果发生冲冲突，读读写器就就发送命命令让标标签停止止发送，随机等等待一段段时间后后再重新新发送以以减少冲冲突。6.2RFID应用用系统开开发6.2.2RFID读写程程序设计计ALOHA算法可分分为纯ALOHA算法时隙ALOHA算法帧

11、时隙ALOHA算法动态帧时时隙ALOHA算法6.2RFID应用用系统开开发6.2.2RFID读写程程序设计计二进制树树算法二进制树树防冲突突算法的的基本思思想是将将处于冲冲突的标标签分成成左右两两个子集集0和1，先查询询子集0，若没有有冲突，则正确确识别标标签，若若仍有冲冲突则再再分裂，把子集集0分成00和01两个子集集，依次次类推，直到识识别出子子集0中的所有有标签，再按此此步骤查查询子集集1。6.2RFID应用用系统开开发6.2.2RFID读写程程序设计计二进制搜搜索树算算法流程程6.2RFID应用用系统开开发6.2.3PC机端端程序设设计PC机端软件件程序流流程6.2RFID应用用系统开

12、开发6.2.4项项目案例例图书书馆管理理系统6.2RFID应用用系统开开发6.2.4项项目案例例图书书馆管理理系统读写器组组成模块块6.2RFID应用用系统开开发6.2.4项项目案例例图书书馆管理理系统下位机系系统流程程6.2RFID应用用系统开开发6.2.4项项目案例例图书书馆管理理系统初始化流流程6.2RFID应用用系统开开发6.2.4项项目案例例图书书馆管理理系统上位机系系统流程程6.3传感器网网络的开开发6.3.1传传感器网网络开发发概述传感器网网络开发发流程大大致有用用户需求求分析、系统方方案设计计与论证证、系统统开发、集成与与调试、系统施施工（调调试、集集成与改改进）、系统验验收、

13、系系统维护护几个方方面。基于ZigBee的传感器器网络应应用系统统的开发发主要是是硬件开开发，包包括协调调器、路路由器、传感节节点和控控制节点点的开发发；以及及软件开开发，包包括协议议栈应用用程序、上位机机程序的的开发。下面的案案例介绍绍基于片片上系统统和Z-Stack的无线传传感器网网络应用用系统的的开发。6.3传感器网网络的开开发6.3.2项项目案例例孵化室温温度监控控系统项目需求求：由于于孵化室室对温湿湿度控制制要求比比较高，所以需需要对室室内温湿湿度进行行实时监监测，当当温湿度度过高或或过低，就调节节空调进进行控制制。采用基于于ZigBee的无线传传感器网网络的监监控系统统，具有有低功

14、耗耗、低成成本、可可移动、高可靠靠的优点点。孵化室内内温湿度度监控系系统的目目的是通通过无线线传感器器网络中中的传感感控制节节点将环环境中的的温度和和湿度信信息进行行采集后后，经无无线传输输，把信信息传送送给协调调器，最最终送给给PC机显示，实现人人机交互互，以达达到对室室内环境境中温湿湿度变化化监测和和控制的的要求。6.3传感器网网络的开开发6.3.2项目案例例孵化化室温度度监控系系统硬件设计计硬件部分分主要由由协调器器和传感感控制节节点两部部分组成成。协调器芯芯片采用用TI公司的片片上系统统CC2430。6.3传感器网网络的开开发6.3.2项项目案例例-孵化化室温度度监控系系统传感器控控制

15、节点点分传感感部分和和控制部部分，传传感控制制节点采采用ZigBee射频模块块加传感感或控制制电路模模块形式式。6.3传感器网网络的开开发6.3.2项项目案例例-孵化化室温度度监控系系统CC2430射频电路路6.3传感器网网络的开开发6.3.2项项目案例例-孵化化室温度度监控系系统协调器底底板串口口电路6.3传感器网网络的开开发6.3.2项项目案例例-孵化化室温度度监控系系统程序设计计开发程序开发发部分主主要包括括下位机机程序，即基于于CC2430在ZigBee无线通信信协议栈栈基础上上开发应应用程序序开发；以及上上位机程程序，即即感知信信息收集集与处理理、用户户界面开开发等。通过ZigBee

16、无线通信信协议栈栈应用程程序的开开发使系系统实现现对环境境温湿度度的信息息的采集集和无线线传输；上位机机用户界界面程序序用于实实现人与与系统的的交互，人对系系统的监监测和控控制。6.3传感器网网络的开开发6.3.2项项目案例例-孵化化室温度度监控系系统6.3传感器网网络的开开发6.3.2项项目案例例-孵化化室温度度监控系系统IAREW8051开发界面面6.3传感器网网络的开开发6.3.2项项目案例例-孵化化室温度度监控系系统Z-Stack工作过程程6.3传感器网网络的开开发6.3.2项项目案例例-孵化化室温度度监控系系统Z-Stack应用程序序开发流流程6.3传感器网网络的开开发6.3.2项项

17、目案例例-孵化化室温度度监控系系统IAR工程界面面6.3传感器网网络的开开发6.3.2项项目案例例-孵化化室温度度监控系系统添加头文文件sht10.h6.3传感器网网络的开开发6.3.2项项目案例例-孵化化室温度度监控系系统湿度测量量和测量量结果传传输6.3传感器网网络的开开发6.3.2项项目案例例-孵化化室温度度监控系系统上位机程程序开发发上位机程程序开发发可采用用各种编编程语言言，例如如C#、Java、C+、VB.net等，这里里介绍采采用VB.net编写上位位机程序序。协调调器作为为信息汇汇聚点，收到ZigBee网络中传传感控制制节点的的信息后后，通过过串口或或以太网网口将信信息发送送给

18、PC（上位机机）。协调器发发送接受串口口的数据据格式标志长度数据校验和接收数据对象网络地址数据对象命令标识数据低字节高字节低字节高字节数据负荷长度数据负荷6.3传感器网网络的开开发6.3.2项项目案例例-孵化化室温度度监控系系统协调器发发送获取取环境温温度的数数据格式式标志长度串口接收对象网络地址数据对象命令标识数据负荷长度校验位低位高位低位高位0207CB0100D30036002A数据发送开始数据帧长度协调器网络短地址地位网络短地址高位传感控制节点表示读取温度命令表示读取温度命令发送的命令数据长度为0校验位6.3传感器网网络的开开发6.3.2项项目案例例-孵化化室温度度监控系系统返回的数数

19、据格式式标志长度串口接收对象网络地址数据对象命令标识数据负荷长度数数据负荷校验位低位高位低位高位低位高位0209CB0100D3003602CC7116F5数据发送开始数据帧长度协调器网络短地址传感控制节点表示读取温度命令接收到的信息数据长度为02温度值（十六进制表示）校验位6.3传感器网网络的开开发6.3.2项项目案例例-孵化化室温度度监控系系统上位机程程序开发发如果是通通过串口口收发数数据，PC机程序需需要包含含串口打打开、串串口数据据接收和和发送的的程序。串口打开开程序Private SubopenPort()IfSerialPort1.IsOpen=True ThenMsgBox(串口

20、已经经打开,vbOKOnly,提示)bt_init.Enabled=TrueExit SubEndIfWith Me.SerialPort1.PortName=serialPortName.BaudRate=serialBaudRate波特率.Parity =IO.Ports.Parity.None奇偶校验验.StopBits=serialStopBits停止位.DataBits=serialDataBits数据位.WriteTimeout =serialTimeoutEndWithTryIfSerialPort1.IsOpen=FalseThenSerialPort1.Open()bt_in

21、it.Enabled=TrueEndIfMsgBox(串口打开开成功,vbOKOnly,提示)CatchexAsExceptionbt_boot.Enabled=TrueMsgBox(串口打开开失败,vbOKOnly,提示)EndTryEndSub串口数据据发送和和接受程程序Private SubSerialPort1_DataReceived(ByValsender As Object,ByValeAsSystem.IO.Ports.SerialDataReceivedEventArgs)Handles SerialPort1.DataReceived触发-串口收到到数据OnErrorResumeNexttxtDataReceived.Invoke(NewmyDelegate(AddressOfupdateTextBox),New Object() )EndSubPublicDelegateSub myDelegate()PublicSub updateTextBox()IfisAscii =1Then字符txtDataReceived.AppendText(SerialPort1.ReadExisting&vbCrLf)Else16进制DimiReceivedbytesAsInteger,iAsIntegerDimstrReceive