物聯(lián)網(wǎng)核心技術和知識體系課件

物聯(lián)網(wǎng)核心技術和

知識體系

2011年5月11日1我們的實訓核心RFID(HF和UHFEPC),ZIGBEE,嵌入式WIFI,藍牙，無線定位和衛(wèi)星數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)；2物聯(lián)網(wǎng)技術開發(fā)實力技術資源和開發(fā)工具，從源代碼到價值數(shù)萬美元的開發(fā)設備；物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)實驗室一般都具有齊備的高頻無線測試設備和儀器和各種開發(fā)系統(tǒng)和工具。附圖其中主要物聯(lián)網(wǎng)設計需要的高頻儀器和設備。

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物聯(lián)網(wǎng)

核心技術/技術趨勢研究/最新應用5物聯(lián)網(wǎng)核心技術目前公認的概念：物聯(lián)網(wǎng)由傳感層，網(wǎng)絡層，應用層組成；物聯(lián)網(wǎng)是一個比互聯(lián)網(wǎng)更大的網(wǎng)絡我們的觀點一：物聯(lián)網(wǎng)的本質是網(wǎng)絡通訊，（網(wǎng)狀網(wǎng)絡）是關鍵；我們的觀點二：物聯(lián)網(wǎng)核心技術是無線技術，包括無線SOC、無線網(wǎng)絡標準、無線通訊的協(xié)議棧和其它相關嵌入式軟件，數(shù)據(jù)庫，中間件等；我們的觀點三：無線網(wǎng)絡通訊中的主流技術；衛(wèi)星數(shù)據(jù)通訊6

越來越小的無線網(wǎng)絡節(jié)點和功耗ZIGBEE傳感器網(wǎng)絡節(jié)點AA電池X25X3CM20-30微安電流WIFIGS1010傳感器網(wǎng)絡節(jié)點AA電池X14X3CM電池工作5年無線監(jiān)控手表微型電池3X3CM平均電流10微安有源433MHZ電子標簽CR2032鈕扣電池直徑2.2X3CM電池工作6年123456電子藥丸特殊微型電池小于直徑2.0X2CM無源EPC電子標簽無需電池直徑1.6X1.6X0.001CM總量0.002克物聯(lián)網(wǎng)傳感層7越來越小的無線網(wǎng)絡路由節(jié)點

逐步實現(xiàn)微功耗的能量收集運行無線傳感器網(wǎng)絡路由節(jié)點承擔路由轉發(fā)任務，必須要消耗一定功率，一般設計采用外加電源供電；但是隨著路由節(jié)點功耗和體積下降，使用最新的能量收集技術，作為路由節(jié)點供電可能性逐步加大；荒漠，草原，農業(yè)環(huán)境監(jiān)測，滴灌，根灌等野外傳感器網(wǎng)，物聯(lián)網(wǎng)應用將逐步實現(xiàn)；太陽能供電路由節(jié)點示意圖振動收集供電路由節(jié)點示意圖植物收集為無線網(wǎng)絡路由器供電，實現(xiàn)能量收集無線傳無線感器網(wǎng)絡示意圖可以監(jiān)視野外環(huán)境火災報警等9超高頻電子標簽（節(jié)點）微型化：

推動UHFEPC技術新應用－1超高頻電子標簽微型化的主要技術原因是：1、讀卡器輸出功率增加；2、標簽芯片靈敏度提高；標簽體積微型化，將帶來一系列新應用目前我們在美國實驗室測試，UHFEPC無源標簽讀寫距離已經可以達到30－40米這意味著貨物識別將具有更大準確性，快捷性；將有更多的商業(yè)應用可以實現(xiàn)小型藥瓶名酒酒瓶放心豬肉UHF標簽小型化和微型化，為防偽應用開辟了廣闊的天地；很多體積小，價格敏感的商品將也很容易實現(xiàn)跟蹤和識別10超高頻電子標簽（節(jié)點）微型化：

推動UHFEPC技術新應用－2長距離UHF標簽智慧公交系統(tǒng)UHF微型標簽可以在很遠的地方被準確讀取將大大加快智慧商業(yè)應用長距離標簽11低軌道衛(wèi)星數(shù)據(jù)通訊，

物聯(lián)網(wǎng)連接更遙遠美國最近發(fā)射了第二代低軌道衛(wèi)星；衛(wèi)星接收模塊實現(xiàn)了微型化，容易實現(xiàn)全球集裝箱，交通工具實時跟蹤聯(lián)網(wǎng)和監(jiān)控；低軌道衛(wèi)星M2M油管遠程監(jiān)控實例新一代低軌道衛(wèi)星系統(tǒng)13長距離有源電子標簽和網(wǎng)絡

擴展RFID范圍和功能讀卡器網(wǎng)絡化有源標簽讀卡器和喚醒基站標簽具有網(wǎng)絡和定位功能14典型UHF有源標簽硬件和協(xié)議軟件UHF有源標簽工作距離：10-2000m(1.2mi)頻率：433MHz速率：28kbps標簽容量：數(shù)千個標簽具有multi-hop,sensors,security,IPv6和很多功能軟件協(xié)議C語言代碼1萬行編譯后執(zhí)行代碼典型8-16KB長距離有源電子標簽和網(wǎng)絡：標簽結構性能和軟件有源標簽電路板15802.11SWI－FI網(wǎng)狀網(wǎng)絡

無線網(wǎng)絡覆蓋范圍越來越大802.11S網(wǎng)絡拓撲802.11S都市無線網(wǎng)絡802.11S車載無線網(wǎng)絡17WI-FI網(wǎng)狀網(wǎng)實際應用舉例：

智慧醫(yī)院急診室無線定位系統(tǒng)802.11S路由器802.11S路由器－2輸液器標簽WIFISOCGS1010工作人員標簽WIFISOCGS1010病人標簽WIFISOCGS101014325618物聯(lián)網(wǎng)技術趨勢研究之三

無線SOC結構越來越復雜無線單片機（無線SOC）處理器內核從8位到16位，到32位到多處理器，結構越來越復雜；不僅實現(xiàn)了系統(tǒng)在芯片，而且實現(xiàn)了無線網(wǎng)絡在芯片；我們從分析GS1010WI－FI無線單片機來看這個技術趨勢；GS1010WI-FI無線單片機結構19無線SOC－GS1010

嵌入軟件實現(xiàn)WIFI傳感器網(wǎng)絡在芯片21無線SOC－GS1010

需要完備的軟件編譯開發(fā)平臺USEUCOS-II實時操作系統(tǒng)；KEIL編譯和調試平臺；加上完備的源代碼包和軟件資源；22物聯(lián)網(wǎng)技術趨勢研究之四

無線網(wǎng)絡協(xié)議棧設計越來越難低功耗藍牙協(xié)議棧23802.15.4ZIGBEE協(xié)議棧ZIGBEE協(xié)議棧25

物聯(lián)網(wǎng)

教學體系和知識體系26物聯(lián)網(wǎng)技術教學知識體系主要結構物聯(lián)網(wǎng)技術基礎知識體系25個知識點每個知識點涵蓋一個物聯(lián)網(wǎng)技術方向傳感層使用基礎RF2510/2480/2431基礎RFWSN/PS實驗箱網(wǎng)絡層使用感知RF912/2440實驗箱應用層使用創(chuàng)新RF101/102系統(tǒng)完成全部直觀化課堂演示和實驗物聯(lián)網(wǎng)技術高級課程沿著25個知識點深度擴展重點在協(xié)議棧和微功耗無線網(wǎng)絡核心軟件物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)實驗室RFID實驗室藍牙實驗室WIFI實驗室ZIGBEE實驗室等電信網(wǎng)絡廣播電視光纖網(wǎng)絡3G/4G/TD無線基站車載網(wǎng)絡WIFI網(wǎng)狀網(wǎng)絡知識點擴展物聯(lián)網(wǎng)技術知識庫新一代專業(yè)實驗室設備29物聯(lián)網(wǎng)技術專業(yè)教材規(guī)劃12本30《物聯(lián)網(wǎng)技術導論》教材按照物聯(lián)網(wǎng)技術教育規(guī)劃了25個知識點。計劃由年底由北理工出版社出版，作為教育部物聯(lián)網(wǎng)技術應用工程師培訓教材和高校物聯(lián)網(wǎng)基礎教材；同時配備各種實驗箱；物聯(lián)網(wǎng)技術導論31物聯(lián)網(wǎng)技術教學必須解決如何教？物聯(lián)網(wǎng)知識體系前面1－5個知識群，是要打下必要基礎，初步明白單片機，C語言編程和簡單電子電路和高頻電路基礎；6－10個知識群，是應用前面的基礎，建立無線傳感器網(wǎng)絡初步概念；主要教學方法是采用C語言編程為骨干來串接無線，高頻，通訊和網(wǎng)絡技術；11－15個知識群，是進一步加入比較復雜的網(wǎng)狀網(wǎng)絡；網(wǎng)絡通訊算法和原理，循序漸進，由淺入深，每將復雜的高頻技術，進行難點分散到相關課程中，主要教學方法是采用C語言編程為骨干組織教學；17－25個知識群，加入物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡層知識，仍然主要教學方法是采用C語言編程為骨干，加入了實時操作系統(tǒng)的技術和概念；以軟件編程技術為核心，以無線SOC為基礎，以協(xié)議棧和網(wǎng)狀網(wǎng)絡算法為關鍵，多種網(wǎng)絡進行大范圍覆蓋和交互路由，這個物聯(lián)網(wǎng)教學知識體系，完成符合物聯(lián)網(wǎng)技術發(fā)展的4大趨勢和潮流；32物聯(lián)網(wǎng)技術教學知識體系知識點1－51高頻技術基礎信號和噪聲傳輸和損耗頻率和頻道，ISM波段典型的無線收發(fā)系統(tǒng)2數(shù)字模擬電路3微控制器4無線SOC5無線數(shù)字通訊基礎多路訪問，F(xiàn)DMATDMA，CSMAFHSS單片機和SOC內核單片機C語言編譯和調試工具33物聯(lián)網(wǎng)技術教學知識體系知識點6－106無線傳感器傳感器技術單片機傳感器接口無線傳感器系統(tǒng)7無線網(wǎng)絡微功耗8簡單無線網(wǎng)絡9感知層節(jié)點設計10無線網(wǎng)絡拓撲微功耗無線網(wǎng)絡拓撲和路由典型無線網(wǎng)絡協(xié)議棧解剖麻雀34物聯(lián)網(wǎng)技術教學知識體系知識點11－1511ZIGBEEZIGBEE的物理層和網(wǎng)絡拓撲；ZIGBEE的協(xié)議棧12無線通訊加密13高頻RFID14超高頻RFID15無線定位WIFI/ZIGBEE無線定位電子標簽國際標準電子標簽原理讀寫器原理和設計；35物聯(lián)網(wǎng)技術教學知識體系知識點17－2117標準和協(xié)調器IEEE802.11IEEE802.15.4IEEE802.15.118遠程網(wǎng)絡19M2M網(wǎng)絡20多網(wǎng)絡路由和互聯(lián)21數(shù)據(jù)庫和中間件程序設計語言；數(shù)據(jù)庫知識企業(yè)級應用系統(tǒng)GSM/GPRS3G網(wǎng)絡TD和CDMA多網(wǎng)絡融合軟件設計編程技術36物聯(lián)網(wǎng)技術教學具體如何做？

典型課程“微功耗簡單無線網(wǎng)絡”講原理講理論打基礎概念－1：什么是微功耗無線無線網(wǎng)絡？概念－2：什么是網(wǎng)絡拓撲？概念－3：什么是星狀拓撲？概念－4：什么是節(jié)點類型？典型的簡單無線網(wǎng)絡－SimpliciTI網(wǎng)絡

知識點介紹：典型的簡單無線網(wǎng)絡－SimpliciTI網(wǎng)絡終端節(jié)點，路由節(jié)點，網(wǎng)關節(jié)點概念各種實際拓撲和原理37典型課程“微功耗簡單無線網(wǎng)絡”

如何使用無線單片機構建節(jié)點？講電路講設計方法無線網(wǎng)絡節(jié)點電路板和模塊硬件設計和高頻設計知識；無線單片機構成了SimpliciTI網(wǎng)絡的基本部件，包括：網(wǎng)關（AP），終端節(jié)點（ED）轉發(fā)節(jié)點（RE），設計這些節(jié)點涉及電路，PCB設計，無線單片機，天線和電磁輻射等知識綜合知識點CC2510無線單片機電路圖

簡單無線網(wǎng)絡高頻電路板設計2.4GHZ天線設計和選擇38“微功耗簡單無線網(wǎng)絡”課堂演示需要器材PC機1套，基礎RF-1試驗箱中RF2510模塊現(xiàn)場演示所見所得實際感受無線網(wǎng)絡；實驗系統(tǒng)結構PC軟件直觀觀察和演示基礎RF-1實驗箱39“微功耗簡單無線網(wǎng)絡”深度課程，

解剖麻雀理解協(xié)議棧要素做分析典型協(xié)議棧；討論關鍵算法和源代碼實現(xiàn)深度代碼分析；SimpliciTI協(xié)議棧功能結構

SimpliciTI協(xié)議棧軟件分層

SimpliciTI協(xié)議棧軟件接口和數(shù)據(jù)格式

40“微功耗簡單無線網(wǎng)絡”深度課程，

分析理解如何實驗C代碼寫協(xié)議棧做協(xié)議棧C代碼2－3萬行源代碼；理解如何使用C語言代碼實現(xiàn)一個完整的無線網(wǎng)絡協(xié)議棧功能；協(xié)議棧C典型源代碼分析

SimpliciTI組網(wǎng)流程圖

SimpliciTI協(xié)議棧源代碼結構

NWK_DELAY(1);SMPL_Ioctl(IOCTL_OBJ_RADIO,IOCTL_ACT_RADIO_RSSI,(void*)&dbm);//監(jiān)聽當前信道的信號強度sSample[i]=dbm;//如果當前信道信號強度很強，則改變頻率if(dbm>INTERFERNCE_THRESHOLD_DBM){if(++inARow==IN_A_ROW){changeChannel();break;}}41大量實驗實訓讓學生動手做軟件硬件

設計自己的無線網(wǎng)絡協(xié)議棧打使用基礎RF,理想RF,感知RF進行各種動手實驗實訓；目前規(guī)劃4組實驗，每組3－8個實驗；通過實驗，讓學生能夠自己設計無線網(wǎng)絡協(xié)議棧和相關應用；使用在板仿真器調試和下載

C編譯調試環(huán)境課程實驗組一課后作業(yè)和實驗應用實驗組二學生練習和實訓畢業(yè)實驗組三工程項目實驗競賽實驗組四傳感器和擴展實驗協(xié)議分析儀跟蹤空中數(shù)據(jù)包裝

42讓學生使用簡單無線網(wǎng)絡協(xié)議棧，構建各種物聯(lián)網(wǎng)應用項目打使用學習到的簡單網(wǎng)絡基本技術和協(xié)議棧，動手構建應用實訓項目；外加傳感器和一些結構件，就可以構成各種應用平臺和簡單傳感器網(wǎng)絡；物聯(lián)網(wǎng)智能家居系統(tǒng)

物流RFID有源標簽系統(tǒng)SimpliciTI安防，無線抄表應用系統(tǒng)

43參考：

物聯(lián)網(wǎng)教學實驗新產品介紹44基礎RF－PS/2510

短距離無線和無線傳感實驗箱實驗箱由無線龍RF-2510和PS兩組產品拼裝完成，以無線方式互聯(lián)；PC軟件進行整合，使用一套軟件可以適應兩套系統(tǒng)原來實驗；每個高校專業(yè)實驗室建議配備30套；支持無線單片機叢書全部實驗和RF-2510全部實驗；產品命名：基礎RF-PS/2510;完善配合《物聯(lián)網(wǎng)技術概論》教材；RF-2510傳感器網(wǎng)絡節(jié)點光盤C51RF仿真器RF2510網(wǎng)關模塊PS節(jié)點模塊PS網(wǎng)關模塊PS擴展模塊RF-2510傳感器網(wǎng)絡節(jié)點RF-2510傳感器網(wǎng)絡節(jié)點RF-2510傳感器網(wǎng)絡節(jié)點PS擴展模塊PS擴展模塊PS節(jié)點模塊PS節(jié)點模塊PS擴展模塊45基礎RF－WSN/2431/2480

ZIGBEE/無線定位/傳感網(wǎng)實驗箱實驗箱由無線龍RF-2480和C51RF-WSN兩組產品拼裝完成，WSN節(jié)點改用CC2530以無線方式互聯(lián)；PC軟件進行整合，使用一套軟件可以適應兩套系統(tǒng)原來實驗；每個高校專業(yè)實驗室建議配備30套；產品命名：基礎RF-WSN/2480/2431完善配合《物聯(lián)網(wǎng)技術概論》教材；RF-2480傳感器網(wǎng)絡節(jié)點光盤C51RF仿真器DA300模塊RF-2480網(wǎng)關模塊PS節(jié)點模塊WSN網(wǎng)關模塊RF-2480傳感器網(wǎng)絡節(jié)點RF-2480傳感器網(wǎng)絡節(jié)點RF-2480傳感器網(wǎng)絡節(jié)點WSNDA100模塊WSNDA100模塊WSNDA100模塊WSNDA100模塊WSNDA100模塊46創(chuàng)新RF-101

－嵌入式WIFI實訓實驗箱實驗箱由兩組GS1010/GS1011傳感器節(jié)點組成，每組3個節(jié)點；外加五種擴展傳感器節(jié)點組成；（可以更換嵌入式藍牙模塊組網(wǎng)）可以完成高校物聯(lián)網(wǎng)嵌入式WIFI全部實驗實訓工作