物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用

第 1章　物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)概論　1

1.1　物聯(lián)網(wǎng)的定義　1

1.2物聯(lián)網(wǎng)的體系架構(gòu)　2

1.2.1　物聯(lián)網(wǎng)的框架結(jié)構(gòu)　2

1.2.2　感知層　3

1.2.3網(wǎng)絡(luò)層　6

1.2.4應(yīng)用層　7

1.3　射頻識別（RFID）技術(shù)　9

1.3.1RFID的組成　9

1.3.2　RFID工作原理　10

1.3.3　RFID的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)　11

1.4　ZigBee技術(shù)　12

1.4.1　ZigBee技術(shù)概述　12

1.4.2　ZigBee協(xié)議規(guī)范　14

1.5無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)　15

1.5.1　無線傳感網(wǎng)絡(luò)概述　16

1.5.2無線傳感網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)　17

1.5.3　無線傳感網(wǎng)絡(luò)協(xié)議　18

1.6　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)　21

1.6.1　定位技術(shù)綜述　21

1.6.2　基于距離的定位方法　23

1.6.3基于非測距的定位算法　24

1.7　物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)　26

1.7.1　無線接入網(wǎng)技術(shù)　26

1.7.2基于光傳輸?shù)慕尤刖W(wǎng)技術(shù)　28

1.8　物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的應(yīng)用前景　29

課后題　31

第 2章　物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計所需基本儀器使用方法　31

2.1　示波器　32

2.1.1　功能檢查　33

2.1.2　設(shè)置垂直系統(tǒng)　34

2.1.3　設(shè)置水平系統(tǒng)　35

2.1.4　設(shè)置觸發(fā)系統(tǒng)　36

2.2　信號發(fā)生器　37

2.2.1信號發(fā)生器面板介紹　38

2.2.2　信號發(fā)生器的使用　39

2.3　頻譜分析儀　39

2.3.1　頻譜分析儀的技術(shù)指標(biāo)　41

2.3.2　頻譜分析儀的使用方法　42

2.3.2　測試流程　43

課后題　45

第3章　物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計與仿真　45

3.1物聯(lián)網(wǎng)電路原理圖設(shè)計　46

3.1.1項目說明　46

3.1.2電路原理圖設(shè)計的流程　46

3.1.3原理圖設(shè)計編輯界面　46

3.1.4原理圖菜單欄、工具欄及工作面板　47

3.1.5繪制儀用AD轉(zhuǎn)換電路原理圖　50

3.1.6層次化原理圖設(shè)計　65

3.2　物聯(lián)網(wǎng)電路仿真　73

3.2.1　項目說明　73

3.2.2電路仿真的基本概念　73

3.2.3放置電源及仿真激勵源　74

3.2.4仿真分析的參數(shù)設(shè)置　80

3.2.5特殊仿真元器件的參數(shù)設(shè)置　83

3.2.6電路仿真的基本方法　91

課后題　96

第4章　物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的印刷電路板設(shè)計　100

4.1　PCB編輯器的功能特點　100

4.2　PCB界面簡介　101

4.3　電路板物理結(jié)構(gòu)及環(huán)境參數(shù)設(shè)置　102

4.4　PCB的設(shè)計流程　105

4.5　設(shè)置電路板工作層面　105

4.6“Preferences”的設(shè)置　111

4.7在PCB文件中導(dǎo)入原理圖網(wǎng)絡(luò)表信息　112

4.8　元件的自動布局　117

4.9　元件的手動調(diào)整布局　121

4.10　電路板的自動布線　127

4.11　電路板的手動布線　155

4.12　添加安裝孔　157

4.13　覆銅和補(bǔ)淚滴　158

4.14　3D效果圖　162

4.15網(wǎng)絡(luò)密度分析　163

課后題　164

第5章　物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)軟件設(shè)計　167

5.1虛擬儀器及LabVIEW概述　167

5.2　LabVIEW軟件的安裝　168

5.3　LabVIEW的操作環(huán)境　170

5.3.1編輯面板　170

5.3.2工具欄　170

5.3.3工具模板（Tools　Palette）　171

5.4　LabVIEW基礎(chǔ)　171

5.4.1數(shù)據(jù)運算　171

5.4.2　布爾型　173

5.4.3　數(shù)組　175

5.4.4　簇　179

5.4.5　字符串　182

5.5　程序結(jié)構(gòu)　187

5.5.1　For循環(huán)　187

5.5.2　條件結(jié)構(gòu)　191

5.5.3　事件結(jié)構(gòu)　193

5.5.4　定時結(jié)構(gòu)　196

5.6　圖像顯示　199

5.6.1　波形圖表　199

5.6.2　波形圖　201

5.6.3　XY圖　203

5.6.4　強(qiáng)度圖　205

5.6.5　數(shù)字波形圖　205

5.7　文件系統(tǒng)　209

5.7.1　文件I/O　209

5.7.2　文本文件　212

5.7.3　電子表格文件　213

5.7.4　二進(jìn)制文件　215

5.7.5　波形文件　216

5.7.6　TDMS文件　218

5.8　數(shù)學(xué)計算　220

5.8.1　分析中的數(shù)學(xué)計算　220

5.8.2　信號分析　239

5.9　實例　247

5.9.1　PC與單個單片機(jī)串口通信　247

5.9.2　短信接收與發(fā)送　254

課后題　280

第6章　典型物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計　282

6.1在線超聲波測距儀　283

6.1.1電子模塊準(zhǔn)備　283

6.1.2設(shè)計步驟　285

6.1.3　程序分析　293

6.2基于物聯(lián)網(wǎng)的廢氣監(jiān)測儀　293

6.2.1電子模塊準(zhǔn)備　293

6.2.2設(shè)計步驟　294

6.2.3　程序分析　299

6.3　基于NRF2401無線模塊的溫度遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)　299

6.3.1電子模塊準(zhǔn)備　299

6.3.2設(shè)計步驟　301

6.3.3程序分析　306

6.4水質(zhì)遠(yuǎn)程智能化監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計　307

6.4.1總體設(shè)計　307

6.4.2　系統(tǒng)硬件設(shè)計　307

6.4.3系統(tǒng)下位機(jī)軟件設(shè)計　319

6.4.4　上位機(jī)軟件設(shè)計　333

6.4.5　網(wǎng)絡(luò)通信功能測試　341

6.4.6水質(zhì)遠(yuǎn)程智能化監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計總體　344

課后題　344

附錄A　在線超聲波測距儀程序

附錄B　基于物聯(lián)網(wǎng)的廢氣監(jiān)測儀設(shè)計程序

附錄C　基于NRF2401無線模塊的溫度遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)設(shè)計程序

參考文獻(xiàn)

本書結(jié)合國家物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)學(xué)生培養(yǎng)及物聯(lián)網(wǎng)新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，從面向?qū)嶋H應(yīng)用及培養(yǎng)大學(xué)生實踐能力出發(fā)，由淺入深講解物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計。教材包括6章，分別是物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)概論、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計所需基本儀器使用方法、物聯(lián)網(wǎng)電路設(shè)計及仿真、物聯(lián)網(wǎng)印刷電路板的設(shè)計、物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)軟件設(shè)計、典型物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計，本書各章節(jié)逐步進(jìn)行深入，符合大學(xué)生的實踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)規(guī)律。

本書是面向物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)，主要目的是為“物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計”課程提供一本實用的參考教材。全書共8章，系統(tǒng)地分析了物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)的特點、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)、物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的分類、物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)、物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計過程。

本書詳細(xì)介紹了物聯(lián)網(wǎng)的概念、實現(xiàn)技術(shù)和典型應(yīng)用。全書共11章，即物聯(lián)網(wǎng)概述、物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)、物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)環(huán)境的構(gòu)建、傳感器及檢測技術(shù)、射頻識別技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)安全技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)融合技術(shù)、云計算和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計。本書是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及應(yīng)用的一本實用指導(dǎo)書，通過案例詳細(xì)介紹了物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)。

目錄第1章概述1

1.1物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的特點1

1.2物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)2

1.2.1物聯(lián)網(wǎng)三維體系結(jié)構(gòu)2

1.2.2三類功能部件的關(guān)系4

1.3物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)分類及系統(tǒng)架構(gòu)5

1.3.1業(yè)務(wù)分類5

1.3.2系統(tǒng)架構(gòu)6

1.4物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)9

1.4.1物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的國際標(biāo)準(zhǔn)組織10

1.4.2中國標(biāo)準(zhǔn)11

1.4.3NBIoT標(biāo)準(zhǔn)12

1.4.4LTEV標(biāo)準(zhǔn)13

1.5物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用領(lǐng)域13

1.6物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)分析15

1.7中國物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展趨勢17

1.8物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用實例17

1.8.1智能家居概述17

1.8.2智能家居產(chǎn)業(yè)發(fā)展階段18

1.8.3智能家居的組成18

1.9物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計和開發(fā)過程22

1.10小結(jié)24

第2章物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)需求分析25

2.1需求分析概述25

2.1.1需求分析的特點25

2.1.2需求分析的重要性25

2.1.3需求是創(chuàng)新的源泉26

2.1.4需求分析的任務(wù)27

2.2需求分析的過程27

2.2.1獲取用戶需求27

2.2.2分析用戶需求28

2.2.3編寫需求文檔28

2.2.4需求分析評審292.3需求分析內(nèi)容29

2.3.1市場需求分析29

2.3.2技術(shù)需求分析30

2.3.3安全需求分析31

2.4需求分析方法31

2.4.1原型化方法31

2.4.2面向過程的結(jié)構(gòu)化方法32

2.4.3面向?qū)ο蠓椒?2

2.4.4用例建模33

2.5需求分析過程中需要注意的問題34

2.6需求規(guī)格說明書35

2.6.1高質(zhì)量需求敘述的特性35

2.6.2高質(zhì)量需求說明書的特征36

2.7需求分析實例36

2.7.1智能家居系統(tǒng)結(jié)構(gòu)36

2.7.2業(yè)務(wù)需求38

2.7.3用戶需求38

2.7.4功能需求45

2.7.5非功能需求46

2.8小結(jié)47

第3章物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)概要設(shè)計48

3.1概要設(shè)計概述48

3.1.1基本概念48

3.1.2設(shè)計任務(wù)49

3.1.3設(shè)計原則49

3.1.4圖形工具51

3.1.5設(shè)計方法52

3.2接口設(shè)計55

3.3數(shù)據(jù)庫設(shè)計56

3.3.1設(shè)計原則56

3.3.2設(shè)計方法57

3.3.3設(shè)計步驟57

3.3.4數(shù)據(jù)庫設(shè)計組成583.4概要設(shè)計與詳細(xì)設(shè)計的銜接59

3.5物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)總體設(shè)計59

3.5.1概述59

3.5.2系統(tǒng)架構(gòu)61

3.5.3設(shè)計基本要求62

3.5.4設(shè)計實現(xiàn)方案63

3.5.5子層結(jié)構(gòu)圖63

3.5.6相關(guān)硬件知識65

3.6基于實例的概要設(shè)計69

3.6.1系統(tǒng)功能模塊設(shè)計69

3.6.2軟件模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計72

3.6.3數(shù)據(jù)庫設(shè)計76

3.7小結(jié)78

第4章物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計79

4.1詳細(xì)設(shè)計概述79

4.1.1設(shè)計任務(wù)79

4.1.2表示工具79

4.1.3設(shè)計方法88

4.2面向?qū)ο笤O(shè)計89

4.2.1概述89

4.2.2UML90

4.2.3對象模型95

4.2.4動態(tài)模型97

4.2.5功能模型98

4.2.6設(shè)計原則98

4.2.7對象設(shè)計99

4.2.8設(shè)計模式100

4.3用戶界面設(shè)計109

4.3.1概述109

4.3.2工作流程110

4.3.3用戶界面設(shè)計規(guī)范111

4.4基于實例的詳細(xì)設(shè)計113

4.4.1數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計1134.4.2用戶功能詳細(xì)設(shè)計116

4.5小結(jié)122

第5章物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)層設(shè)計123

5.1物聯(lián)網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)123

5.1.1內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)123

5.1.2外部網(wǎng)絡(luò)131

5.2網(wǎng)絡(luò)層的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)136

5.2.1拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)類型137

5.2.2拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的控制138

5.3基于網(wǎng)關(guān)的網(wǎng)絡(luò)層設(shè)計140

5.3.1網(wǎng)絡(luò)層分層設(shè)計140

5.3.2網(wǎng)關(guān)的設(shè)計142

5.3.3網(wǎng)絡(luò)層的尋址和路由143

5.4基于IPv6的網(wǎng)絡(luò)層設(shè)計144

5.4.1網(wǎng)絡(luò)互連方式145

5.4.2引入6LoWPAN的原因146

5.4.36LoWPAN協(xié)議棧146

5.4.4LoWPAN適配層協(xié)議148

5.5基于實例的網(wǎng)絡(luò)層設(shè)計156

5.5.1智能網(wǎng)關(guān)156

5.5.2基于6LoWPAN組網(wǎng)162

5.6小結(jié)170

第6章物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)備選型171

6.1設(shè)備選型概述171

6.2傳感器的選擇172

6.2.1傳感器的組成172

6.2.2傳感器的分類172

6.2.3傳感器的選型原則173

6.3射頻標(biāo)簽的選擇175

6.3.1工作原理和通信頻率175

6.3.2標(biāo)簽供電方式176

6.3.3標(biāo)簽材質(zhì)及封裝177

6.3.4閱讀器的技術(shù)參數(shù)1776.3.5閱讀器安裝使用方式178

6.4中間件的選擇178

6.4.1中間件選擇原則178

6.4.2RFID中間件180

6.5無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的選擇181

6.5.1PHY/MAC層標(biāo)準(zhǔn)181

6.5.2其他無線個域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)183

6.5.3路由及高層標(biāo)準(zhǔn)185

6.6小結(jié)187

第7章物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)集成188

7.1物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu)188

7.2系統(tǒng)集成190

7.2.1系統(tǒng)集成技術(shù)的演變歷程191

7.2.2系統(tǒng)集成的特點192

7.2.3系統(tǒng)集成的分類192

7.3系統(tǒng)集成方案選型193

7.3.1數(shù)據(jù)集成方案193

7.3.2業(yè)務(wù)流集成方案195

7.3.3WebService集成方案196

7.4小結(jié)197

第8章物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)測試198

8.1系統(tǒng)測試概述198

8.2軟件測試199

8.2.1軟件測試分類199

8.2.2軟件測試過程201

8.2.3軟件測試的原則202

8.2.4靜態(tài)測試和動態(tài)測試203

8.2.5測試用例設(shè)計205

8.3硬件測試和軟件測試的區(qū)別208

8.4系統(tǒng)集成測試209

8.4.1集成測試概述209

8.4.2集成測試實例210

8.5無線傳感器網(wǎng)絡(luò)測試2118.5.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)故障類型211

8.5.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)故障診斷的特點213

8.5.3無線傳感器網(wǎng)絡(luò)故障檢測與診斷方式213

8.6小結(jié)216

附錄A家庭智能照明系統(tǒng)需求分析報告217

附錄B家庭智能照明系統(tǒng)概要設(shè)計報告227

附錄C家庭智能照明系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計報告236

附錄D家庭智能照明系統(tǒng)測試報告254

附錄E家庭智能照明系統(tǒng)課程設(shè)計總結(jié)報告259

參考文獻(xiàn)282 2100433B