物聯(lián)網(wǎng)應用系統(tǒng)設計

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)務分類及系統(tǒng)架構(gòu)5

1.3.1業(yè)務分類5

1.3.2系統(tǒng)架構(gòu)6

1.4物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)標準9

1.4.1物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的國際標準組織10

1.4.2中國標準11

1.4.3NBIoT標準12

1.4.4LTEV標準13

1.5物聯(lián)網(wǎng)應用領域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)概要設計48

3.1概要設計概述48

3.1.1基本概念48

3.1.2設計任務49

3.1.3設計原則49

3.1.4圖形工具51

3.1.5設計方法52

3.2接口設計55

3.3數(shù)據(jù)庫設計56

3.3.1設計原則56

3.3.2設計方法57

3.3.3設計步驟57

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

3.5物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)總體設計59

3.5.1概述59

3.5.2系統(tǒng)架構(gòu)61

3.5.3設計基本要求62

3.5.4設計實現(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基于實例的概要設計69

3.6.1系統(tǒng)功能模塊設計69

3.6.2軟件模塊結(jié)構(gòu)設計72

3.6.3數(shù)據(jù)庫設計76

3.7小結(jié)78

第4章物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)詳細設計79

4.1詳細設計概述79

4.1.1設計任務79

4.1.2表示工具79

4.1.3設計方法88

4.2面向?qū)ο笤O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設計原則98

4.2.7對象設計99

4.2.8設計模式100

4.3用戶界面設計109

4.3.1概述109

4.3.2工作流程110

4.3.3用戶界面設計規(guī)范111

4.4基于實例的詳細設計113

4.4.1數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設計1134.4.2用戶功能詳細設計116

4.5小結(jié)122

第5章物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)網(wǎng)絡層設計123

5.1物聯(lián)網(wǎng)通信網(wǎng)絡123

5.1.1內(nèi)部網(wǎng)絡123

5.1.2外部網(wǎng)絡131

5.2網(wǎng)絡層的拓撲結(jié)構(gòu)136

5.2.1拓撲結(jié)構(gòu)類型137

5.2.2拓撲結(jié)構(gòu)的控制138

5.3基于網(wǎng)關(guān)的網(wǎng)絡層設計140

5.3.1網(wǎng)絡層分層設計140

5.3.2網(wǎng)關(guān)的設計142

5.3.3網(wǎng)絡層的尋址和路由143

5.4基于IPv6的網(wǎng)絡層設計144

5.4.1網(wǎng)絡互連方式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)絡層設計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)設備選型171

6.1設備選型概述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射頻標簽的選擇175

6.3.1工作原理和通信頻率175

6.3.2標簽供電方式176

6.3.3標簽材質(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)絡的選擇181

6.5.1PHY/MAC層標準181

6.5.2其他無線個域網(wǎng)標準183

6.5.3路由及高層標準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)絡測試2118.5.1無線傳感器網(wǎng)絡故障類型211

8.5.2無線傳感器網(wǎng)絡故障診斷的特點213

8.5.3無線傳感器網(wǎng)絡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)概要設計報告227

附錄C家庭智能照明系統(tǒng)詳細設計報告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)課程設計總結(jié)報告259

參考文獻282 2100433B

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)應用系統(tǒng)設計”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)應用系統(tǒng)的特點、物聯(lián)網(wǎng)應用系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)、物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務的分類、物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的標準、物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設計過程。

本書結(jié)合國家物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)學生培養(yǎng)及物聯(lián)網(wǎng)新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，從面向?qū)嶋H應用及培養(yǎng)大學生實踐能力出發(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)設計所需基本儀器使用方法、物聯(lián)網(wǎng)電路設計及仿真、物聯(lián)網(wǎng)印刷電路板的設計、物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)軟件設計、典型物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設計，本書各章節(jié)逐步進行深入，符合大學生的實踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)規(guī)律。

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)絡層　6

1.2.4應用層　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)標準　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)絡技術(shù)　15

1.5.1　無線傳感網(wǎng)絡概述　16

1.5.2無線傳感網(wǎng)絡關(guān)鍵技術(shù)　17

1.5.3　無線傳感網(wǎng)絡協(xié)議　18

1.6　無線傳感器網(wǎng)絡定位技術(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)的應用前景　29

課后題　31

第 2章　物聯(lián)網(wǎng)設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　設置垂直系統(tǒng)　34

2.1.3　設置水平系統(tǒng)　35

2.1.4　設置觸發(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　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)設計與仿真　45

3.1物聯(lián)網(wǎng)電路原理圖設計　46

3.1.1項目說明　46

3.1.2電路原理圖設計的流程　46

3.1.3原理圖設計編輯界面　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)設置　80

3.2.5特殊仿真元器件的參數(shù)設置　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)設置　102

4.4　PCB的設計流程　105

4.5　設置電路板工作層面　105

4.6“Preferences”的設置　111

4.7在PCB文件中導入原理圖網(wǎng)絡表信息　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　覆銅和補淚滴　158

4.14　3D效果圖　162

4.15網(wǎng)絡密度分析　163

課后題　164

第5章　物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)軟件設計　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　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　二進制文件　215

5.7.5　波形文件　216

5.7.6　TDMS文件　218

5.8　數(shù)學計算　220

5.8.1　分析中的數(shù)學計算　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)設計　282

6.1在線超聲波測距儀　283

6.1.1電子模塊準備　283

6.1.2設計步驟　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電子模塊準備　293

6.2.2設計步驟　294

6.2.3　程序分析　299

6.3　基于NRF2401無線模塊的溫度遠程傳輸系統(tǒng)　299

6.3.1電子模塊準備　299

6.3.2設計步驟　301

6.3.3程序分析　306

6.4水質(zhì)遠程智能化監(jiān)測系統(tǒng)設計　307

6.4.1總體設計　307

6.4.2　系統(tǒng)硬件設計　307

6.4.3系統(tǒng)下位機軟件設計　319

6.4.4　上位機軟件設計　333

6.4.5　網(wǎng)絡通信功能測試　341

6.4.6水質(zhì)遠程智能化監(jiān)測系統(tǒng)設計總體　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)測儀設計程序

附錄C　基于NRF2401無線模塊的溫度遠程傳輸系統(tǒng)設計程序

參考文獻

物聯(lián)網(wǎng)工程應用實驗室概述

物聯(lián)網(wǎng)工程應用實驗室應用實踐技能鍛煉為核心，涵蓋條碼、RFID、WSN等物聯(lián)網(wǎng)核心技術(shù)，有針對性的培養(yǎng)學生的物聯(lián)網(wǎng)應用規(guī)劃、物聯(lián)網(wǎng)軟件開發(fā)、物聯(lián)網(wǎng)工程實施等實踐能力，讓學生能夠滿足企業(yè)用人的基本需求。

物聯(lián)網(wǎng)工程應用實驗室總體目標

培養(yǎng)物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)急需的應用型技術(shù)人才

物聯(lián)網(wǎng)工程應用實驗室建設目的

1.讓學生了解物聯(lián)網(wǎng)及相關(guān)核心技術(shù)

2.讓學生掌握物聯(lián)網(wǎng)應用開發(fā)技能

3.讓學生掌握物聯(lián)網(wǎng)工程實施技術(shù)

4.讓學生能夠具備物聯(lián)網(wǎng)應用規(guī)劃能力