物聯網規劃設計與構建2025年4月15日

8.1物聯網設計基礎8.1.1物聯網規劃設計的原則8.1.2物聯網規劃設計的步驟8.2物聯網的構建8.2.1物聯網應用系統規劃8.2.2物聯網應用系統設計8.2.3物聯網系統集成8.3物聯網應用系統設計示例智能家居物聯網系統應用示例工業智能控制系統應用示例8.4傳感網的廣域互聯8.4.1傳感網廣域互聯的方式8.4.2基于IPv6的互聯接入第8章物聯網規劃設計與構建2025年4月15日8.1物聯網設計基礎

由物聯網的英文名InternetofThings可知，物聯網就是物物互聯的信息網絡。這樣表述有兩層含義：一是物聯網的核心承載網絡是互聯網；二是物聯網的客戶端延伸和擴展到了任何物品與物品之間，并能進行數據交換和通信。這里的“物”要滿足以下條件才能夠被納入“物聯網”的范圍：①有相應信息的接收器和發送器；②要有數據傳輸通路；③有一定的存儲功能；④有CPU；⑤有操作系統；⑥有專門的應用程序；⑦遵循物聯網的通信協議；⑧在網絡中有可被識別的惟一編號。2025年4月15日8.1.1物聯網規劃設計的原則1.實用性和先進性原則2.安全性原則3.標準化、開放性和可擴展性原則4.可靠性與可用性原則2025年4月15日8.1.2物聯網規劃設計的步驟1.用戶需求調查與分析2.網絡系統初步設計3．物聯網系統詳細設計4．物聯網系統詳細設計5．系統測試和試運行8.2物聯網的構建

2025年4月15日目前看來，可以把物聯網看作是以電子標簽、傳感器等感知設施和EPC碼為基礎，建立在計算機互聯網基礎上的物物相聯網絡，傳感網是其最復雜的一個組成部分。一個應用系統可能有幾個到幾萬、上百萬不等的感知節點，應用環境除了室內外，還包括在不同溫度、濕度、電磁干擾下的戶外環境，因此，末梢感知節點采集控制設備、接入層技術是物聯網的關鍵和難點。8.2.1物聯網應用系統規劃

2025年4月15日物聯網技術和產業的發展將引發新一輪信息技術革命和產業革命，是信息產業領域未來競爭的制高點和產業升級的核心驅動力。隨著信息采集與智能計算技術的迅速發展和互聯網與移動通信網的廣泛應用，大規模發展物聯網及相關產業的時機日趨成熟，我國早在十多年前就開始了物聯網相關領域的研究，技術和標準與國際基本同步?，F階段，其應用主要為傳感網，可在以下各領域構建物聯網系統。2025年4月15日1.經濟領域的物聯網系統經濟領域物聯網系統主要是以提高生產效率、改善管理和節能減排為目的應用系統，包括智能工業、智能農業、智能物流和智能電網等。（1）智能工業1）工業智能控制系統。2）智能裝備產品。（2）智能農業1）數字大棚物聯網系統推廣平臺。2）農業服務、管理和遠程監測平臺。（3）智能物流1）危險品運輸車輛智能調度及監控系統。2）集裝箱智能物流調度系統及平臺。3）食品及藥品追溯系統。（4）智能電網1）電網電力設施智能監測網絡及平臺2）智能化遠程抄表系統及網絡。2025年4月15日2.公共管理領域的物聯網系統公共管理領域物聯網主要是以提高公共管理水平為目的應用系統，這可圍繞市政基礎設施建設管理、重大突發事件響應、重點區域環境監測等，建設城市智能交通、智能公共安全、智能環保和智能災害防控等物聯網系統。（1）城市智能交通1）交通流量與違規監測網絡及平臺。2）智能停車系統。（2）智能公共安全1）城市公共安全平臺2）重要基礎設施安全防護平臺。（3）智能環保1）水環境監測物聯網系統及預警平臺。2）生態城市大氣環境智能監測平臺。3）重點排污企業智能化遠程監控平臺.（4）智能災害防控1）水文智能監測及洪災預警平臺。2）氣象災害監測和預警系統。3）地質災害監測預警與防控系統。2025年4月15日3.公眾服務領域的物聯網系統公眾服務領域物聯網主要以提高人民生活水平為目的構建應用系統，可以物聯網與TD—SCDMA等3G網絡融合應用為突破口，建設譬如智能醫護、智能家居等應用系統。（1）智能醫護1）個人健康實時服務平臺。通過建設個人實時健康監測和服務平臺，提升對老年市民、離退休干部等實時醫療醫護服務水平。2）智能重癥監護病房平臺。通過建設重癥監護病房智能系統，對病人生理參數進行實時監測和分析，能夠降低醫療費用，提高衛生資源的使用效益。（2）智能家居1）智能小區：在住宅小區引入物聯網技術，建設聯入城市公共安全平臺的小區安防系統以及基于通信網絡的家庭環境監控、智能安防系統、電子支付等智能控制平臺，可實現小區、家居智能化。2）基于物聯網的節能建筑：在政府機關、科研院校和商業區寫字樓鋪設物聯網，實時收集水、電等資源使用信息，根據人員活動情況自動調節空調、電燈和水源等，達到節能減排的目的。8.2.2物聯網應用系統設計

2025年4月15日對于近距離無線通信，IEEE802.15委員會制訂了3種不同的無線個人局域網(WPAN)標準。其中，標準是高速率的WPAN標準，適合于多媒體應用，有較高的網絡服務質量（QoS）保證；標準即藍牙技術，具有中等速率，適合于蜂窩和PDA等的通信，其QoS機制適合于話音業務。標準和ZigBee技術完全融合，專為低速率、低功耗的無線互聯應用而設計，對數據速率和QoS的要求不高。目前，對于小范圍內的物品、設備聯網，ZigBee技術以其復雜度低、功耗低、數據速率低及成本低等特點在傳感網應用系統中引起了越來越多的關注；尤其在控制系統中，ZigBee自組網技術已經成為傳感網的核心技術。2025年4月15日基于ZigBee技術的傳感網在消費性電子設備中嵌入ZigBee芯片后，可實現信息家用電器設備的無線互聯。譬如，利用ZigBee技術可較容易地實現相機或者攝像機的自拍、窗戶遠距離開關控制、室內照明系統的遙控，以及窗簾的自動調整等。尤其是當在手機或者PDA中嵌入ZigBee芯片后，可以用來控制電視開關、調節空調溫度及開啟微波爐等。基于ZigBee技術的個人身份卡能夠代替家居和辦公室的門禁卡，記錄所有進出大門的個人信息，若附加個人電子指紋技術后，可實現更加安全的門禁系統。嵌入ZigBee芯片的信用卡可以較方便地實現無線提款和移動購物，商品的詳細信息也能通過ZigBee向用戶廣播。把ZigBee技術與傳感器結合起來，就可形成傳感網。一般，傳感網由感知節點、匯聚（Sink）節點、網關節點三種節點構成。感知節點、匯聚節點完成數據采集和多跳中繼傳輸。網關節點具有雙重功能，一是充當網絡協調器，負責網絡的自動建立和維護、數據匯聚；二是作為監測網絡與監控中心的接口，實現接入互聯網、局域網，與監控中心交換傳遞數據。基于ZigBee技術的傳感網由應用層、網絡層、介質接入控制層和物理層組成。2025年4月15日2.傳感網軟硬件系統設計圖

8-1傳感網系統組成示意圖（1）基于ZigBee技術的傳感網的組成對于基于ZigBee技術的傳感網，不同的具體應用，傳感網節點的組成有所不同。通常，就一項具體應用而言，感知節點、感知對象和觀察者是傳感網的3個基本要素。一個傳感網系統組成示意圖如圖8-1所示。2025年4月15日（2）網絡節點的硬件設計1）感知節點硬件結構?；赯igBee技術的感知節點硬件結構框圖如8-2所示。由該圖可以看出，感知節點主要由傳感器模塊和無線發送/接收模塊組成。在實際應用中，譬如對溫度和濕度測量的模擬信號需要經過一個多路選擇通道控制，依次送入微處理器后由微處理器進行校正編碼，然后傳送到基于ZigBee技術的收發端。圖8-2感知節點硬件結構框圖2025年4月15日2）網關節點硬件結構。圖8-3網關節點硬件結構框圖2025年4月15日（3）軟件設計ZigBee網絡屬于無線自組網絡，有全功能節點(FFD)和半功能節點(RFD)兩種設備類型。RFD一般作為終端感知節點，FFD可以作為協調器或路由匯聚節點。因此，軟件設計包括RFD程序和FFD程序兩部分，且均包括初始化程序、發射程序和接收程序、協議棧配置、組網方式配置程序以及各處理層設置程序。初始化程序主要是對CC2430、USAR串口、協議棧、LCD等進行初始化；發射程序將所采集的數據通過CC2430調制并通過DMA直接送至射頻輸出；接收程序完成數據的接收并進行顯示、遠傳及返回信息處理；PHY、MAC、應用層、網絡層程序設置數據的底層、上層的處理和傳輸方式。8.2.3物聯網系統集成

2025年4月15日系統的意思是“體系、制度、體制、秩序、規律和方法”。集成的意思是“成為整體、組合、綜合及一體化”，它表示了將單個元件組裝成一臺或一種結構的過程。例如將大量的晶體管組裝成一個“集成”電路。集成也表示有某種規則的相互作用形式而聯結的部件組合體，即有組織的整體。例如，將軟件的多個功能模塊組合成“一體化”系統，使整體系統從一個程序到另一個程序能共享命令和數據流。集成以有機結合、協調工作、提高效率、創造效益為目的，將各個部分組合成具有全新功能、高效和統一的有機整體。2025年4月15日1.物聯網系統集成的目的物聯網系統集成的主要目的就是用硬件設備和軟件系統將網絡各部分連接起來，不僅實現網絡的物理連接，還要求能實現用戶的相應應用需求，也就是應用方案。因此，物聯網系統集成不僅涉及到技術，也涉及到企業管理、工程技術等方面的內容。目前，物聯網系統集成技術可劃分為兩個域：一個是接口域，即路由網關，另一個是物聯網的服務域。服務域的作用主要是為路由網關提供一個統一訪問物聯網的界面，簡化兩者的集成難度，更重要的是，通過服務界面能有效控制和提高物聯網的服務質量，保證兩者集成后的可用性。2025年4月15日2.物聯網系統集成技術物聯網系統集成技術包括兩個方面：一是應用優化技術；二是多物聯網應用系統的中間件平臺技術。應用優化技術主要是面向具體應用，進行功能集成、網絡集成、軟硬件操作界面集成，以優化應用解決方案。多物聯網應用的中間件平臺技術主要是針對物聯網不同應用需求和共性底層平臺軟件的特點，研究、設計系列中間件產品及標準，以滿足物聯網在混合組網、異構環境下的高效運行，形成完整的物聯網軟件系統架構。2025年4月15日3.物聯網系統集成的主要內容（1）物聯網軟硬件產品、技術集成物聯網軟硬件集成不僅是各種網絡軟硬件產品的組合，更是一種產品與技術的融合。無論是傳感器還是感知節點的元器件，無論是控制器還是自動化軟件，本身都需要進行單元的集成，能上的融合，而執行機構、傳感單元和控制系統之間的更高層次的集成，則需要先進適用、開放穩定的工業通信段來實現。（2）物聯網應用服務集成從應用角度看，物聯網是一種與實際環境交互的網絡，能夠通過安裝在微小感知節點上的各種傳感器、標簽等從真實環境中獲取相關數據，然后通過自組織的無線傳感網將數據傳送到計算能力更強的通用計算機互聯網上進行處理。物聯網應用服務集成就是指在物聯網基礎應用平臺上，應用系統開發商或網絡系統集成商為用戶開發或用戶自行開發的通用或專用應用系統。2025年4月15日4.物聯網系統集成步驟8.3物聯網應用系統設計示例

2025年4月15日物聯網是面向應用的、貼近客觀物理世界的網絡系統，它的產生、發展與應用密切相關聯。就傳感網而言，經過不同領域研究人員多年來的努力，已經在軍事領域、精細農業、安全監控、環保監測、建筑領域、醫療監護、工業監控、智能交通、物流管理、自由空間探索、智能家居等領域得到了充分的肯定和初步應用。傳感網、RFID技術是物聯網目前應用研究的熱點，兩者相結合組成物聯網可以較低的成本應用于物流和供應鏈管理、生產制造和裝配，以及安防等領域。在此僅以兩個具體應用案例簡單介紹物聯網應用系統的設計與組建。2025年4月15日8.3.1智能家居物聯網系統應用示例2025年4月15日8.3.2工業智能控制系統應用示例小結與進一步學習建議

2025年4月15日物聯網是在互聯網基礎之上，利用射頻識別、感知技術、無線通信技術、計算機技術等，構造一個覆蓋世界上萬事萬物的實物信息網絡。與其說物聯網是一個網絡，不如說是一個應用業務集合體，將千姿百態的各種業務網絡組成一個信息網絡。因此，本章首先介紹了規劃設計物聯網的一些基本原則和設計方法步驟；然后就物聯網應用系統規劃、設計、系統集成方法進行了討論，并給出了物聯網在經濟領域、公共管理領域和公眾服務領域的具體應用系統，以及相應地物聯網應用系統設計示例；最后討論了傳感網廣域互聯的技術和基于IPv6的互聯