物联网应用系统设计

目录第1章概述1

1.1物联网系统的特点1

1.2物联网体系结构2

1.2.1物联网三维体系结构2

1.2.2三类功能部件的关系4

1.3物联网业务分类及系统架构5

1.3.1业务分类5

1.3.2系统架构6

1.4物联网相关标准9

1.4.1物联网相关的国际标准组织10

1.4.2中国标准11

1.4.3NBIoT标准12

1.4.4LTEV标准13

1.5物联网应用领域13

1.6物联网产业分析15

1.7中国物联网产业链发展趋势17

1.8物联网应用实例17

1.8.1智能家居概述17

1.8.2智能家居产业发展阶段18

1.8.3智能家居的组成18

1.9物联网系统设计和开发过程22

1.10小结24

第2章物联网系统需求分析25

2.1需求分析概述25

2.1.1需求分析的特点25

2.1.2需求分析的重要性25

2.1.3需求是创新的源泉26

2.1.4需求分析的任务27

2.2需求分析的过程27

2.2.1获取用户需求27

2.2.2分析用户需求28

2.2.3编写需求文档28

2.2.4需求分析评审292.3需求分析内容29

2.3.1市场需求分析29

2.3.2技术需求分析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面向过程的结构化方法32

2.4.3面向对象方法32

2.4.4用例建模33

2.5需求分析过程中需要注意的问题34

2.6需求规格说明书35

2.6.1高质量需求叙述的特性35

2.6.2高质量需求说明书的特征36

2.7需求分析实例36

2.7.1智能家居系统结构36

2.7.2业务需求38

2.7.3用户需求38

2.7.4功能需求45

2.7.5非功能需求46

2.8小结47

第3章物联网系统概要设计48

3.1概要设计概述48

3.1.1基本概念48

3.1.2设计任务49

3.1.3设计原则49

3.1.4图形工具51

3.1.5设计方法52

3.2接口设计55

3.3数据库设计56

3.3.1设计原则56

3.3.2设计方法57

3.3.3设计步骤57

3.3.4数据库设计组成583.4概要设计与详细设计的衔接59

3.5物联网系统总体设计59

3.5.1概述59

3.5.2系统架构61

3.5.3设计基本要求62

3.5.4设计实现方案63

3.5.5子层结构图63

3.5.6相关硬件知识65

3.6基于实例的概要设计69

3.6.1系统功能模块设计69

3.6.2软件模块结构设计72

3.6.3数据库设计76

3.7小结78

第4章物联网系统详细设计79

4.1详细设计概述79

4.1.1设计任务79

4.1.2表示工具79

4.1.3设计方法88

4.2面向对象设计89

4.2.1概述89

4.2.2UML90

4.2.3对象模型95

4.2.4动态模型97

4.2.5功能模型98

4.2.6设计原则98

4.2.7对象设计99

4.2.8设计模式100

4.3用户界面设计109

4.3.1概述109

4.3.2工作流程110

4.3.3用户界面设计规范111

4.4基于实例的详细设计113

4.4.1数据结构设计1134.4.2用户功能详细设计116

4.5小结122

第5章物联网系统网络层设计123

5.1物联网通信网络123

5.1.1内部网络123

5.1.2外部网络131

5.2网络层的拓扑结构136

5.2.1拓扑结构类型137

5.2.2拓扑结构的控制138

5.3基于网关的网络层设计140

5.3.1网络层分层设计140

5.3.2网关的设计142

5.3.3网络层的寻址和路由143

5.4基于IPv6的网络层设计144

5.4.1网络互连方式145

5.4.2引入6LoWPAN的原因146

5.4.36LoWPAN协议栈146

5.4.4LoWPAN适配层协议148

5.5基于实例的网络层设计156

5.5.1智能网关156

5.5.2基于6LoWPAN组网162

5.6小结170

第6章物联网系统设备选型171

6.1设备选型概述171

6.2传感器的选择172

6.2.1传感器的组成172

6.2.2传感器的分类172

6.2.3传感器的选型原则173

6.3射频标签的选择175

6.3.1工作原理和通信频率175

6.3.2标签供电方式176

6.3.3标签材质及封装177

6.3.4阅读器的技术参数1776.3.5阅读器安装使用方式178

6.4中间件的选择178

6.4.1中间件选择原则178

6.4.2RFID中间件180

6.5无线传感器网络的选择181

6.5.1PHY/MAC层标准181

6.5.2其他无线个域网标准183

6.5.3路由及高层标准185

6.6小结187

第7章物联网系统集成188

7.1物联网产业链结构188

7.2系统集成190

7.2.1系统集成技术的演变历程191

7.2.2系统集成的特点192

7.2.3系统集成的分类192

7.3系统集成方案选型193

7.3.1数据集成方案193

7.3.2业务流集成方案195

7.3.3WebService集成方案196

7.4小结197

第8章物联网系统测试198

8.1系统测试概述198

8.2软件测试199

8.2.1软件测试分类199

8.2.2软件测试过程201

8.2.3软件测试的原则202

8.2.4静态测试和动态测试203

8.2.5测试用例设计205

8.3硬件测试和软件测试的区别208

8.4系统集成测试209

8.4.1集成测试概述209

8.4.2集成测试实例210

8.5无线传感器网络测试2118.5.1无线传感器网络故障类型211

8.5.2无线传感器网络故障诊断的特点213

8.5.3无线传感器网络故障检测与诊断方式213

8.6小结216

附录A家庭智能照明系统需求分析报告217

附录B家庭智能照明系统概要设计报告227

附录C家庭智能照明系统详细设计报告236

附录D家庭智能照明系统测试报告254

附录E家庭智能照明系统课程设计总结报告259

参考文献282 2100433B

本书是面向物联网工程专业，主要目的是为“物联网应用系统设计”课程提供一本实用的参考教材。全书共8章，系统地分析了物联网应用系统的特点、物联网应用系统的体系结构、物联网业务的分类、物联网相关的标准、物联网系统设计过程。

本书结合国家物联网专业学生培养及物联网新兴产业的发展，从面向实际应用及培养大学生实践能力出发，由浅入深讲解物联网系统的软硬件设计。教材包括6章，分别是物联网系统概论、物联网设计所需基本仪器使用方法、物联网电路设计及仿真、物联网印刷电路板的设计、物联网系统软件设计、典型物联网系统设计，本书各章节逐步进行深入，符合大学生的实践创新能力培养规律。

第 1章　物联网系统概论　1

1.1　物联网的定义　1

1.2物联网的体系架构　2

1.2.1　物联网的框架结构　2

1.2.2　感知层　3

1.2.3网络层　6

1.2.4应用层　7

1.3　射频识别（RFID）技术　9

1.3.1RFID的组成　9

1.3.2　RFID工作原理　10

1.3.3　RFID的技术标准　11

1.4　ZigBee技术　12

1.4.1　ZigBee技术概述　12

1.4.2　ZigBee协议规范　14

1.5无线传感网络技术　15

1.5.1　无线传感网络概述　16

1.5.2无线传感网络关键技术　17

1.5.3　无线传感网络协议　18

1.6　无线传感器网络定位技术　21

1.6.1　定位技术综述　21

1.6.2　基于距离的定位方法　23

1.6.3基于非测距的定位算法　24

1.7　物联网通信技术　26

1.7.1　无线接入网技术　26

1.7.2基于光传输的接入网技术　28

1.8　物联网系统的应用前景　29

课后题　31

第 2章　物联网设计所需基本仪器使用方法　31

2.1　示波器　32

2.1.1　功能检查　33

2.1.2　设置垂直系统　34

2.1.3　设置水平系统　35

2.1.4　设置触发系统　36

2.2　信号发生器　37

2.2.1信号发生器面板介绍　38

2.2.2　信号发生器的使用　39

2.3　频谱分析仪　39

2.3.1　频谱分析仪的技术指标　41

2.3.2　频谱分析仪的使用方法　42

2.3.2　测试流程　43

课后题　45

第3章　物联网系统设计与仿真　45

3.1物联网电路原理图设计　46

3.1.1项目说明　46

3.1.2电路原理图设计的流程　46

3.1.3原理图设计编辑界面　46

3.1.4原理图菜单栏、工具栏及工作面板　47

3.1.5绘制仪用AD转换电路原理图　50

3.1.6层次化原理图设计　65

3.2　物联网电路仿真　73

3.2.1　项目说明　73

3.2.2电路仿真的基本概念　73

3.2.3放置电源及仿真激励源　74

3.2.4仿真分析的参数设置　80

3.2.5特殊仿真元器件的参数设置　83

3.2.6电路仿真的基本方法　91

课后题　96

第4章　物联网系统的印刷电路板设计　100

4.1　PCB编辑器的功能特点　100

4.2　PCB界面简介　101

4.3　电路板物理结构及环境参数设置　102

4.4　PCB的设计流程　105

4.5　设置电路板工作层面　105

4.6“Preferences”的设置　111

4.7在PCB文件中导入原理图网络表信息　112

4.8　元件的自动布局　117

4.9　元件的手动调整布局　121

4.10　电路板的自动布线　127

4.11　电路板的手动布线　155

4.12　添加安装孔　157

4.13　覆铜和补泪滴　158

4.14　3D效果图　162

4.15网络密度分析　163

课后题　164

第5章　物联网系统软件设计　167

5.1虚拟仪器及LabVIEW概述　167

5.2　LabVIEW软件的安装　168

5.3　LabVIEW的操作环境　170

5.3.1编辑面板　170

5.3.2工具栏　170

5.3.3工具模板（Tools　Palette）　171

5.4　LabVIEW基础　171

5.4.1数据运算　171

5.4.2　布尔型　173

5.4.3　数组　175

5.4.4　簇　179

5.4.5　字符串　182

5.5　程序结构　187

5.5.1　For循环　187

5.5.2　条件结构　191

5.5.3　事件结构　193

5.5.4　定时结构　196

5.6　图像显示　199

5.6.1　波形图表　199

5.6.2　波形图　201

5.6.3　XY图　203

5.6.4　强度图　205

5.6.5　数字波形图　205

5.7　文件系统　209

5.7.1　文件I/O　209

5.7.2　文本文件　212

5.7.3　电子表格文件　213

5.7.4　二进制文件　215

5.7.5　波形文件　216

5.7.6　TDMS文件　218

5.8　数学计算　220

5.8.1　分析中的数学计算　220

5.8.2　信号分析　239

5.9　实例　247

5.9.1　PC与单个单片机串口通信　247

5.9.2　短信接收与发送　254

课后题　280

第6章　典型物联网系统设计　282

6.1在线超声波测距仪　283

6.1.1电子模块准备　283

6.1.2设计步骤　285

6.1.3　程序分析　293

6.2基于物联网的废气监测仪　293

6.2.1电子模块准备　293

6.2.2设计步骤　294

6.2.3　程序分析　299

6.3　基于NRF2401无线模块的温度远程传输系统　299

6.3.1电子模块准备　299

6.3.2设计步骤　301

6.3.3程序分析　306

6.4水质远程智能化监测系统设计　307

6.4.1总体设计　307

6.4.2　系统硬件设计　307

6.4.3系统下位机软件设计　319

6.4.4　上位机软件设计　333

6.4.5　网络通信功能测试　341

6.4.6水质远程智能化监测系统设计总体　344

课后题　344

附录A　在线超声波测距仪程序

附录B　基于物联网的废气监测仪设计程序

附录C　基于NRF2401无线模块的温度远程传输系统设计程序

参考文献

物联网工程应用实验室概述

物联网工程应用实验室应用实践技能锻炼为核心，涵盖条码、RFID、WSN等物联网核心技术，有针对性的培养学生的物联网应用规划、物联网软件开发、物联网工程实施等实践能力，让学生能够满足企业用人的基本需求。

物联网工程应用实验室总体目标

培养物联网行业急需的应用型技术人才

物联网工程应用实验室建设目的

1.让学生了解物联网及相关核心技术

2.让学生掌握物联网应用开发技能

3.让学生掌握物联网工程实施技术

4.让学生能够具备物联网应用规划能力