物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)導(dǎo)論第6章物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā).ppt

物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)導(dǎo)論課件 第6章 物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā),東軟電子出版社 羅漢江主編物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)導(dǎo)論教材配套課件6,第6章 物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā),6.1 物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)概述 6.1.1 物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計開發(fā) 6.1.2 物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)集成 6.2 RFID應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā) 6.2.1 RFID硬件部分開發(fā) 6.2.2 RFID讀寫程序設(shè)計 6.2.3 PC機端程序設(shè)計 6.2.4 項目案例圖書館管理系統(tǒng) 6.3 傳感器網(wǎng)絡(luò)的開發(fā) 6.3.1 傳感器網(wǎng)絡(luò)開發(fā)概述 6.3.2 項目案例孵化室溫度監(jiān)控系統(tǒng) 6.4 本章小結(jié),本章主要內(nèi)容,6.1 物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)概述,對于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，涉及到感知與識別技術(shù)、通信與組網(wǎng)技術(shù)和信息處理與控制服務(wù)技術(shù)等，總的來說主要包括以下幾方面：,物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)技術(shù) 物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)技術(shù)主要包括嵌入式智能技術(shù)、射頻讀寫器、傳感器與無線傳感網(wǎng)和納米技術(shù)等。 物聯(lián)網(wǎng)主體支撐技術(shù) 物聯(lián)網(wǎng)主體支撐技術(shù)主要包括物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中間件技術(shù)和信息服務(wù)技術(shù)等。 物聯(lián)網(wǎng)安全技術(shù) 物聯(lián)網(wǎng)中涉及到的安全問題包括感知識別技術(shù)安全性、相關(guān)信息傳輸?shù)陌踩?、信息保密及隱私性、物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)安全性。,6.1 物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)概述,6.1.1 物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計開發(fā),感知層設(shè)計： 感知層的設(shè)計主要依賴于感知與識別技術(shù)，其中感知技術(shù)主要是傳感器技術(shù)，而識別技術(shù)主要是RFID技術(shù)。,6.1 物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)概述,6.1.1 物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計開發(fā),數(shù)據(jù)傳輸層設(shè)計： 數(shù)據(jù)傳輸層是物聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)物與物、人與物的相連接的關(guān)鍵。數(shù)據(jù)傳輸層的設(shè)計主要考慮數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞健?shù)據(jù)量、傳輸速度、傳輸距離，選擇合適傳輸和通信網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議。,6.1 物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)概述,6.1.1 物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計開發(fā),應(yīng)用層設(shè)計： 應(yīng)用層的支撐層由各種支撐平臺和中間件組成，如信息協(xié)同處理平臺、服務(wù)支撐平臺、云計算平臺和公共中間件等，其主要功能包括對采集數(shù)據(jù)的匯集、轉(zhuǎn)換、分析，以及用戶層呈現(xiàn)的適配和事件的觸發(fā)控制等。,6.1 物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)概述,6.1.2 物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)集成,由于各個學(xué)科、專業(yè)領(lǐng)域的技術(shù)交叉融合和應(yīng)用，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計、開發(fā)的方法以及可以應(yīng)用的技術(shù)種類繁多，而要實現(xiàn)一個功能完備、使用方便舒適、高效、安全的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，則需要進(jìn)行系統(tǒng)集成。,6.1 物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)概述,6.1.2 物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)集成,物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)的系統(tǒng)集成是指通過結(jié)構(gòu)化、合理化的感知、識別技術(shù)和數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)耐ㄐ拧⒕W(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)以及信息處理控制技術(shù)，將各個分離的設(shè)備（如基站、個人電腦、智能終端）、功能（如識別、數(shù)據(jù)傳輸）和信息（如環(huán)境檢測量）等集成到相互關(guān)聯(lián)的、統(tǒng)一和協(xié)調(diào)的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)之中，使資源達(dá)到充分共享，實現(xiàn)集中、高效、便利的管理，使系統(tǒng)性能最優(yōu)。,6.1 物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)概述,6.1.2 物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)集成,一個物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)集成例子-智能社區(qū)系統(tǒng)的集成,6.2 RFID應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā),典型RFID應(yīng)用系統(tǒng)框圖,6.2 RFID應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā),RFID的基本通信原理,6.2 RFID應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā),RFID系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計一般可分為以下幾個工作： 需求分析 系統(tǒng)的總體方案設(shè)計 系統(tǒng)性能指標(biāo)分析,6.2 RFID應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā),6.2.1 RFID硬件部分開發(fā),天線 天線是RFID標(biāo)簽和讀寫器之間實現(xiàn)射頻信號空間傳播和建立無線通訊連接的設(shè)備。 RFID系統(tǒng)中包括兩類天線，一類是RFID標(biāo)簽上的天線，由于它已經(jīng)和RFID標(biāo)簽集成為一體，因此不再單獨討論。 另一類是讀寫器天線，既可以內(nèi)置于讀寫器中，也可以通過同軸電纜與讀寫器的射頻輸出端口相連。,6.2 RFID應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā),6.2.1 RFID硬件部分開發(fā),天線應(yīng)有以下功能： 天線應(yīng)能將導(dǎo)波能量盡可能多地轉(zhuǎn)變?yōu)殡姶挪芰俊＿@首先要求天線是一個良好的電磁開放系統(tǒng)，其次要求天線與發(fā)射機或接收機匹配。 天線應(yīng)使電磁波盡可能集中于確定的方向上，或?qū)Υ_定方向的來波最大限度的接受，即方向具有方向性。 天線應(yīng)能發(fā)射或接收規(guī)定極化的電磁波，即天線有適當(dāng)?shù)臉O化。 天線應(yīng)有足夠的工作頻帶。,6.2 RFID應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā),6.2.1 RFID硬件部分開發(fā),天線設(shè)計需要考慮以下幾個重要參數(shù) 天線的效率 天線的阻抗 天線的極化 天線的方向性 頻帶寬度,6.2 RFID應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā),6.2.1 RFID硬件部分開發(fā),RFID電子標(biāo)簽的組成,6.2 RFID應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā),6.2.1 RFID硬件部分開發(fā),標(biāo)簽IC芯片電路設(shè)計框圖,6.2 RFID應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā),6.2.1 RFID硬件部分開發(fā),讀寫器 讀寫器的功能首先是激活標(biāo)簽，對于被動和半主動標(biāo)簽，讀寫器提供必要的能量激活在讀寫器讀寫范圍內(nèi)的標(biāo)簽，并讀取存儲在電子標(biāo)簽中的數(shù)據(jù)。對于可讀可寫的RFID系統(tǒng)，讀寫器不僅要從標(biāo)簽讀出數(shù)據(jù)，也能將數(shù)據(jù)寫入到標(biāo)簽內(nèi)。 讀寫器不僅與標(biāo)簽進(jìn)行通信，而且要與主機通信，以此實現(xiàn)RFID電子標(biāo)簽與上位機之間的數(shù)據(jù)傳輸。,6.2 RFID應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā),6.2.1 RFID硬件部分開發(fā),讀寫器的硬件組成框圖,6.2 RFID應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā),6.2.2 RFID讀寫程序設(shè)計,RFID的標(biāo)簽讀寫程序流程圖,6.2 RFID應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā),6.2.2 RFID讀寫程序設(shè)計,碰撞，即沖突，是指多個射頻標(biāo)簽進(jìn)入識別區(qū)域時信號互相干擾的情況。具有防碰撞性能的系統(tǒng)可以同時識別進(jìn)入識別區(qū)域的所有標(biāo)簽，大大提高系統(tǒng)效率。 防碰撞有硬件方式和軟件方式，考慮成本，一般采用軟件防碰撞方式。 防碰撞策略 空分多路（SDMA）法 頻分多路（FDMA）法 時分多路（TDMA）法,6.2 RFID應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā),6.2.2 RFID讀寫程序設(shè)計,防碰撞算法 Aloha算法是一種隨機接入方法，其基本思想是采取標(biāo)簽先發(fā)言的方式，當(dāng)標(biāo)簽進(jìn)入讀寫器的識別區(qū)域內(nèi)就自動向讀寫器發(fā)送其自身的ID號，在標(biāo)簽發(fā)送數(shù)據(jù)的過程中,若有其他標(biāo)簽也在發(fā)送數(shù)據(jù),那么發(fā)生信號重疊導(dǎo)致完全沖突或部分沖突，讀寫器檢測判斷接收到的信號有無沖突，如果發(fā)生沖突，讀寫器就發(fā)送命令讓標(biāo)簽停止發(fā)送，隨機等待一段時間后再重新發(fā)送以減少沖突。,6.2 RFID應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā),6.2.2 RFID讀寫程序設(shè)計,ALOHA算法可分為 純ALOHA算法 時隙ALOHA算法 幀時隙ALOHA算法 動態(tài)幀時隙ALOHA算法,6.2 RFID應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā),6.2.2 RFID讀寫程序設(shè)計,二進(jìn)制樹算法 二進(jìn)制樹防沖突算法的基本思想是將處于沖突的標(biāo)簽分成左右兩個子集0和1，先查詢子集0，若沒有沖突，則正確識別標(biāo)簽，若仍有沖突則再分裂，把子集0分成00和01兩個子集，依次類推，直到識別出子集0中的所有標(biāo)簽，再按此步驟查詢子集1 。,6.2 RFID應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā),6.2.2 RFID讀寫程序設(shè)計,二進(jìn)制搜索樹算法流程,6.2 RFID應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā),6.2.3 PC機端程序設(shè)計,PC機端軟件程序流程,6.2 RFID應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā),6.2.4 項目案例圖書館管理系統(tǒng),6.2 RFID應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā),6.2.4 項目案例圖書館管理系統(tǒng),讀寫器組成模塊,6.2 RFID應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā),6.2.4 項目案例圖書館管理系統(tǒng),下位機系統(tǒng)流程,6.2 RFID應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā),6.2.4 項目案例圖書館管理系統(tǒng),初始化流程,6.2 RFID應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā),6.2.4 項目案例圖書館管理系統(tǒng),上位機系統(tǒng)流程,6.3 傳感器網(wǎng)絡(luò)的開發(fā),6.3.1 傳感器網(wǎng)絡(luò)開發(fā)概述,傳感器網(wǎng)絡(luò)開發(fā)流程大致有用戶需求分析、系統(tǒng)方案設(shè)計與論證、系統(tǒng)開發(fā)、集成與調(diào)試、系統(tǒng)施工（調(diào)試、集成與改進(jìn)）、系統(tǒng)驗收、系統(tǒng)維護(hù)幾個方面。 基于ZigBee的傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)主要是硬件開發(fā)，包括協(xié)調(diào)器、路由器、傳感節(jié)點和控制節(jié)點的開發(fā)；以及軟件開發(fā)，包括協(xié)議棧應(yīng)用程序、上位機程序的開發(fā)。 下面的案例介紹基于片上系統(tǒng)和Z-Stack的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)。,6.3 傳感器網(wǎng)絡(luò)的開發(fā),6.3.2 項目案例孵化室溫度監(jiān)控系統(tǒng),項目需求：由于孵化室對溫濕度控制要求比較高，所以需要對室內(nèi)溫濕度進(jìn)行實時監(jiān)測，當(dāng)溫濕度過高或過低，就調(diào)節(jié)空調(diào)進(jìn)行控制。 采用基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控系統(tǒng)，具有低功耗、低成本、可移動、高可靠的優(yōu)點。 孵化室內(nèi)溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)的目的是通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的傳感控制節(jié)點將環(huán)境中的溫度和濕度信息進(jìn)行采集后，經(jīng)無線傳輸，把信息傳送給協(xié)調(diào)器，最終送給PC機顯示，實現(xiàn)人機交互，以達(dá)到對室內(nèi)環(huán)境中溫濕度變化監(jiān)測和控制的要求。,6.3 傳感器網(wǎng)絡(luò)的開發(fā),6.3.2 項目案例孵化室溫度監(jiān)控系統(tǒng),硬件設(shè)計 硬件部分主要由協(xié)調(diào)器和傳感控制節(jié)點兩部分組成。 協(xié)調(diào)器芯片采用TI公司的片上系統(tǒng)CC2430。,6.3 傳感器網(wǎng)絡(luò)的開發(fā),6.3.2 項目案例-孵化室溫度監(jiān)控系統(tǒng),傳感器控制節(jié)點分傳感部分和控制部分，傳感控制節(jié)點采用ZigBee射頻模塊加傳感或控制電路模塊形式。,6.3 傳感器網(wǎng)絡(luò)的開發(fā),6.3.2 項目案例-孵化室溫度監(jiān)控系統(tǒng),CC2430射頻電路,6.3 傳感器網(wǎng)絡(luò)的開發(fā),6.3.2 項目案例-孵化室溫度監(jiān)控系統(tǒng),協(xié)調(diào)器底板串口電路,6.3 傳感器網(wǎng)絡(luò)的開發(fā),6.3.2 項目案例-孵化室溫度監(jiān)控系統(tǒng),程序設(shè)計開發(fā) 程序開發(fā)部分主要包括下位機程序，即基于CC2430在ZigBee無線通信協(xié)議?；A(chǔ)上開發(fā)應(yīng)用程序開發(fā)；以及上位機程序，即感知信息收集與處理、用戶界面開發(fā)等。 通過ZigBee無線通信協(xié)議棧應(yīng)用程序的開發(fā)使系統(tǒng)實現(xiàn)對環(huán)境溫濕度的信息的采集和無線傳輸；上位機用戶界面程序用于實現(xiàn)人與系統(tǒng)的交互，人對系統(tǒng)的監(jiān)測和控制。,6.3 傳感器網(wǎng)絡(luò)的開發(fā),6.3.2 項目案例-孵化室溫度監(jiān)控系統(tǒng),協(xié)議棧應(yīng)用程序開發(fā) TI公司為用戶提供了ZigBee聯(lián)盟認(rèn)證的全面兼容IEEE802.15.4協(xié)議規(guī)范和ZigBeeTM2006協(xié)議規(guī)范的協(xié)議棧源代碼和開發(fā)文檔。該文檔可以從TI公司官網(wǎng)/tool/cn/z-stack上注冊后下載。 Z-Stack根據(jù)IEEE802.15.4和ZigBee標(biāo)準(zhǔn)分為以下幾層：API（應(yīng)用編程接口）、HAL（硬件抽象層）、MAC（介質(zhì)訪問控制）、NWK（zigbee網(wǎng)絡(luò)層）、OSAL（操作系統(tǒng)抽象層）、安全服務(wù)和ZigBee設(shè)備。TI公司的ZigBee協(xié)議棧Z-Stack需要在IAR Embedded Workbench IDE上進(jìn)行開發(fā)。 采用Z-Stack的版本為ZStack-1.4.3-1.2.1，這個版本對應(yīng)CC2430的ZigBee協(xié)議棧，在IAR EW8051 7.3B 版本集成開發(fā)環(huán)境上開發(fā)。,6.3 傳感器網(wǎng)絡(luò)的開發(fā),6.3.2 項目案例-孵化室溫度監(jiān)控系統(tǒng),IAR EW8051 開發(fā)界面,6.3 傳感器網(wǎng)絡(luò)的開發(fā),6.3.2 項目案例-孵化室溫度監(jiān)控系統(tǒng),Z-Stack工作過程,6.3 傳感器網(wǎng)絡(luò)的開發(fā),6.3.2 項目案例-孵化室溫度監(jiān)控系統(tǒng),Z-Stack應(yīng)用程序開發(fā)流程,6.3 傳感器網(wǎng)絡(luò)的開發(fā),6.3.2 項目案例-孵化室溫度監(jiān)控系統(tǒng),IAR工程界面,6.3 傳感器網(wǎng)絡(luò)的開發(fā),6.3.2 項目案例-孵化室溫度監(jiān)控系統(tǒng),添加頭文件sht10.h,6.3 傳感器網(wǎng)絡(luò)的開發(fā),6.3.2 項目案例-孵化室溫度監(jiān)控系統(tǒng),濕度測量和測量結(jié)果傳輸,6.3 傳感器網(wǎng)絡(luò)的開發(fā),6.3.2 項目案例-孵化室溫度監(jiān)控系統(tǒng),上位機程序開發(fā) 上位機程序開發(fā)可采用各種編程語言，例如C#、Java、C+、VB.net等，這里介紹采用VB.net編寫上位機程序。協(xié)調(diào)器作為信息匯聚點，收到ZigBee網(wǎng)絡(luò)中傳感控制節(jié)點的信息后，通過串口或以太網(wǎng)口將信息發(fā)送給PC（上位機）。 協(xié)調(diào)器發(fā)送接受串口的數(shù)據(jù)格式,6.3 傳感器網(wǎng)絡(luò)的開發(fā),6.3.2 項目案例-孵化室溫度監(jiān)控系統(tǒng),協(xié)調(diào)器發(fā)送獲取環(huán)境溫度的數(shù)據(jù)格式,6.3 傳感器網(wǎng)絡(luò)的開發(fā),6.3.2 項目案例-孵化室溫度監(jiān)控系統(tǒng),返回的數(shù)據(jù)格式,6.3 傳感器網(wǎng)絡(luò)的開發(fā),6.3.2 項目案例-孵化室溫度監(jiān)控系統(tǒng),上位機程序開發(fā) 如果是通過串口收發(fā)數(shù)據(jù)，PC機程序需要包含串口打開、串口數(shù)據(jù)接收和發(fā)送的程序。,串口打開程序,Private Sub openPort() If SerialPort1.IsOpen = True Then MsgBox(“串口已經(jīng)打開“, 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 奇偶校驗 .StopBits = serialStopBits 停止位 .DataBits = serialDataBits 數(shù)據(jù)位 .WriteTimeout = serialTimeout End With Try If SerialPort1.IsOpen = False Then SerialPort1.Open() bt_init.Enabled = True End If MsgBox(“串口打開成功“, vbOKOnly, “提示“) Catch ex As Exception bt_boot.Enabled = True MsgBox(“串口打開失敗“, vbOKOnly, “提示“) End Try End Sub,串口數(shù)據(jù)發(fā)送和接受程序,Private Sub SerialPort1_DataReceived(ByVal sender As Object, ByVal e As System.IO.Ports.SerialDataReceivedEventArgs) Handles SerialPort1.DataReceived 觸發(fā)-串口收到數(shù)據(jù) 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進(jìn)制 Dim iReceivedbytes As Integer, i As Integer Dim strReceiveBytes As String Dim bReadByte() As Byte iReceivedbytes = SerialPort1.BytesToRead buffer中所有字節(jié)數(shù) ReD