教育資料（2021-2022年收藏的）智能家居物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)方案

1、智能家居物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)方案1概述3G是現(xiàn)在社會最流行的無線傳輸方式，可以實(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地上互聯(lián)網(wǎng)，打電話，接電話，發(fā)短信等各種無線通信等功能，特別是google公司開發(fā)的android操作系統(tǒng)，號稱給將每個(gè)人的口袋裝進(jìn)互聯(lián)網(wǎng)。物聯(lián)網(wǎng)是通過信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議實(shí)現(xiàn)人與人、人與物、物與物全面互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)，其主要特征是通過射頻識別、傳感器等方式獲取物理世界的各種信息，結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)、移動通信網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息的傳送與交互，采用智能計(jì)算技術(shù)對信息進(jìn)行分析處理，從而提高對物質(zhì)世界的感知能力，實(shí)現(xiàn)智能化的決策和控制。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展將引發(fā)新一輪信息技術(shù)革命和產(chǎn)業(yè)革命，是信息產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域未來競爭的制高點(diǎn)和產(chǎn)業(yè)

2、升級的核心驅(qū)動力。物聯(lián)網(wǎng)概念是龐大和豐富的，其中涵蓋了大量現(xiàn)有的專業(yè)門類和技術(shù)體系，而在其系統(tǒng)集成和應(yīng)用端，可以說物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將能夠應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、服務(wù)業(yè)、環(huán)保、軍事、交通、家居等幾乎所有的領(lǐng)域。無線傳感網(wǎng)絡(luò)正是適應(yīng)于這樣背景下的全新網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Networks，WSN）是當(dāng)前國際上備受關(guān)注的、涉及多學(xué)科高度交叉、知識高度集成的前沿?zé)狳c(diǎn)研究領(lǐng)域。它綜合了傳感器、RFID技術(shù)、嵌入式計(jì)算、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無線通信和分布式信息處理等技術(shù)，能夠通過各類集成化的微型傳感器協(xié)同完成對各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息的實(shí)時(shí)監(jiān)控、感知和采集，這些信息通過無線方式被發(fā)送，并以自

3、組織多跳的網(wǎng)絡(luò)方式傳送到用戶終端，從而實(shí)現(xiàn)物理世界、計(jì)算世界以及人類社會這三元世界的連通。2學(xué)校建設(shè)目標(biāo)（1）建立完整的真實(shí)的智能家居無線傳感實(shí)驗(yàn)室整個(gè)實(shí)驗(yàn)室完整建設(shè)好之后是一個(gè)真實(shí)的智能家居實(shí)驗(yàn)室環(huán)境：一個(gè)屋子里面有空調(diào)，電視，音樂播放，電風(fēng)扇，電話，遙控器，紅外轉(zhuǎn)換器，攝像頭，電源，電磁閥，加濕器，聲光報(bào)警，智能電燈，可控窗簾等。就是一個(gè)家居環(huán)境能用的上的生活設(shè)備我們會滿足。我們將不再以實(shí)驗(yàn)平臺作為模擬的樣式，這個(gè)太老套，我們建設(shè)的是一個(gè)真實(shí)的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境。我們可以通過幾種方式去控制這個(gè)家用設(shè)備，首先我們的實(shí)驗(yàn)室的智能家居設(shè)備是通過各種傳感器相互無線通信控制，這個(gè)控制這些傳感器有兩種方式：第

4、一：電腦連接網(wǎng)絡(luò)控制，有專門的一個(gè)控制軟件；第二，手機(jī)無線控制，就是我們的3G網(wǎng)絡(luò)隨時(shí)隨地?zé)o論在哪都可以控制。整個(gè)實(shí)驗(yàn)室將分為學(xué)生真實(shí)智能家居實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)實(shí)驗(yàn)室和3G移動控制兩部分。建成后實(shí)驗(yàn)室不但可以提供給40位學(xué)生同時(shí)進(jìn)行無線傳感網(wǎng)絡(luò)的實(shí)訓(xùn)訓(xùn)練，還可根據(jù)行業(yè)應(yīng)用需求，搭建起數(shù)個(gè)應(yīng)用模型，用于教師科研和學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計(jì)，如：可以利用實(shí)驗(yàn)室WSN節(jié)點(diǎn)在校園內(nèi)搭建一個(gè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，物流管理系統(tǒng)對校園內(nèi)相關(guān)環(huán)境和倉庫參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果可以通過實(shí)驗(yàn)室LED大屏實(shí)時(shí)發(fā)布，同時(shí)也可通WEBserver進(jìn)行發(fā)布和手機(jī)遠(yuǎn)程登錄及控制。（2）建立完整的智能家居物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的基礎(chǔ)架構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)由傳感器模塊、路由協(xié)議管

5、理模塊、系統(tǒng)控制模塊、無線收發(fā)模塊和能量控制模塊五部分組成，每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)兼顧傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)終端和路由器雙重功能，除了進(jìn)行本地信息收集和數(shù)據(jù)處理外，還要對其他節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、管理和融合等處理，同時(shí)與其他節(jié)點(diǎn)協(xié)作完成一些特定任務(wù)。為了能夠?qū)崿F(xiàn)最為穩(wěn)定的節(jié)點(diǎn)互聯(lián)，信息互通，我將采用android+Linux智能家庭網(wǎng)關(guān)操作系統(tǒng)，并把該操作系統(tǒng)移植到目前很新的SOC 芯片（CC2530）上，在節(jié)點(diǎn)上實(shí)現(xiàn)完整的MAC協(xié)議以及路由協(xié)議，并可以根據(jù)應(yīng)用場合的不同根據(jù)實(shí)際的需要替換為不同的路由協(xié)議。主題軟件架構(gòu)框架如下：圖1 節(jié)點(diǎn)架構(gòu)示意圖（3）無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)查詢理論無線傳感器網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)業(yè)

6、化使用的核心技術(shù)問題之一就是海量數(shù)據(jù)的有效處理，包含存儲、統(tǒng)計(jì)、查詢以及基于數(shù)據(jù)處理之上的專家對數(shù)據(jù)的判斷，行業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的技術(shù)矛盾之一就是行業(yè)數(shù)據(jù)的大規(guī)模和專家的小數(shù)量之間的矛盾，這一問題的解決方式集中于專家的遠(yuǎn)程化準(zhǔn)現(xiàn)場處理，而在這種處理方式中，數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確查詢和使用是核心中的核心。對SINK節(jié)點(diǎn)傳過來的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，包括：采集、分析、存入數(shù)據(jù)庫、查詢等。也可大體分為幾個(gè)工作，針對數(shù)據(jù)查詢：本項(xiàng)目研究傳感器網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的不受節(jié)點(diǎn)失效、通信鏈路失效和節(jié)點(diǎn)移動影響的查詢處理技術(shù)，并提出基于該技術(shù)的聚集查詢、KNN查詢和連接查詢等典型查詢的處理算法。研究能夠在系統(tǒng)部署之后動態(tài)且高效地添加新的查詢語言、

7、存儲和索引機(jī)制、查詢處理算法的新型傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)。實(shí)現(xiàn)具有自主版權(quán)的滿足實(shí)時(shí)性、魯棒性要求的、具有動態(tài)可擴(kuò)充能力的新型傳感器數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的原型系統(tǒng)NHSensor。（4）搭建豐富應(yīng)用監(jiān)控軟件平臺無線傳感器網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)業(yè)化使用的不但依賴于穩(wěn)定、高效的節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)庫功能，還需要豐富的應(yīng)用端軟件，采取優(yōu)化的人機(jī)交互系統(tǒng)，面向掌握簡單電腦技術(shù)的實(shí)際農(nóng)田數(shù)據(jù)使用者，提供使用簡單、理解清晰、操作方便、豐富多樣的應(yīng)用端程序。l  便攜式采集終端l  WEB數(shù)據(jù)庫服務(wù)器l  PC端采集終端l  移動3G平臺采集終端（

8、5）建立基于無線傳感網(wǎng)的物聯(lián)網(wǎng)智能家居的數(shù)據(jù)融和系統(tǒng)模型物聯(lián)網(wǎng)是所有感知網(wǎng)絡(luò)的融和，所以無線傳感網(wǎng)如何與互聯(lián)網(wǎng)（或主干網(wǎng)）的數(shù)據(jù)融和是行業(yè)應(yīng)用中一個(gè)需要解決的非常重要問題。傳感網(wǎng)的數(shù)據(jù)融和絕不僅僅是對采集來的數(shù)據(jù)進(jìn)行簡單的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，而是包括了一系列的子網(wǎng)序列管理、登錄、認(rèn)證、網(wǎng)絡(luò)連接、數(shù)據(jù)加密、發(fā)送等一系列復(fù)雜的過程?，F(xiàn)在如華為、中國電信、移動，聯(lián)通共同提出了3G通信概念，并提出相應(yīng)的協(xié)議規(guī)范。這次的無線傳感網(wǎng)實(shí)訓(xùn)室我們將基于3G協(xié)議搭建起相關(guān)系統(tǒng)模型，真正地建立起一個(gè)3G手機(jī)終端控制智能家居環(huán)境的實(shí)驗(yàn)室。3建設(shè)意義1）對于教學(xué)的意義物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)面向現(xiàn)代信息處理技術(shù)，培養(yǎng)從事物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

9、、系統(tǒng)分析與科技開發(fā)及研究方面的高等工程技術(shù)人才?？梢耘囵B(yǎng)學(xué)生合理的知識結(jié)構(gòu)、具備扎實(shí)的電子技術(shù)、現(xiàn)代傳感器和無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)高頻和微波技術(shù)，有線和無線網(wǎng)絡(luò)通信理論、信息處理、計(jì)算機(jī)技術(shù)、系統(tǒng)工程等基礎(chǔ)理論，掌握物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的傳感層，傳輸層與應(yīng)用層關(guān)鍵設(shè)計(jì)等專門知識和技能，并且具備在本專業(yè)領(lǐng)域跟蹤新理論、新知識、新技術(shù)的能力以及較強(qiáng)的創(chuàng)新實(shí)踐能力。物聯(lián)網(wǎng)具有以下幾大知識模塊，可以把以下的知識模塊融入到相應(yīng)的課程體系中去。1、單片機(jī)和嵌入式知識模塊知識點(diǎn)包括：從最基礎(chǔ)的8051單片機(jī)到ARM嵌入式技術(shù)，由淺入深，知識點(diǎn)包括：微機(jī)原理，接口技術(shù)，微控制器體系和原理，實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，C語言編程技

10、術(shù)等等2、 無線片上系統(tǒng)（SoC)知識模塊知識點(diǎn)包括：無線單片機(jī)通訊接口設(shè)計(jì)，無線有線收發(fā)器原理和結(jié)構(gòu)，通訊原理和結(jié)構(gòu)，嵌入式軟件基礎(chǔ)等；3、無線通訊和無線網(wǎng)絡(luò)知識模塊知識點(diǎn)包括：短距離無線數(shù)據(jù)通訊基礎(chǔ)和原理，無線自組網(wǎng)技術(shù)，基本無線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌琙IGBEE無線技術(shù)和802.15,.4無線標(biāo)準(zhǔn)，高級的ZIGBEE技術(shù)，以及先進(jìn)的3G互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)。網(wǎng)絡(luò)安全和加密技術(shù)，C語言和無線網(wǎng)絡(luò)算法高級技術(shù)原理；4、高頻微波知識模塊知識點(diǎn)包括：高頻微波技術(shù)基礎(chǔ)，調(diào)制和解調(diào)技術(shù)，天線原理和設(shè)計(jì)，阻抗匹配和反射，高頻儀器使用，微波放大器設(shè)計(jì)，無線單片機(jī)高頻測試和調(diào)試方法和原理等；5、RFID知識模塊知

11、識點(diǎn)包括：電磁技術(shù)基礎(chǔ)，RFID標(biāo)簽防沖突算法，EPC和IS0-180006C通訊協(xié)議和原理；大功率RFID讀卡器原理和設(shè)計(jì)，RFID和物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)和原理等；6、物聯(lián)網(wǎng)傳輸層知識模塊知識點(diǎn)包括：物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)原理和結(jié)構(gòu)，GSM/GPRS技術(shù)原理，3G技術(shù)原理和結(jié)構(gòu)，M2M 數(shù)據(jù)傳輸和遠(yuǎn)程通訊，嵌入式和高級實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)在物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)技術(shù)等；7、高級無線網(wǎng)絡(luò)知識模塊知識點(diǎn)包括：微功耗802.11標(biāo)準(zhǔn)WIFI傳感器網(wǎng)絡(luò)原理和結(jié)構(gòu)，內(nèi)置多ARM和WI-FI收發(fā)器的無線單片機(jī)，802.15.1 藍(lán)牙技術(shù)和低功耗藍(lán)牙無線技術(shù)原理；Wi-Fi/藍(lán)牙，ZIGBEE PRO 無線

12、通訊協(xié)議棧原理和設(shè)計(jì)； 具體的實(shí)訓(xùn)設(shè)置安排可以如下：1、 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)知識部分：（1）、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)專業(yè)系統(tǒng)組成實(shí)驗(yàn)（大型真實(shí)智能家居系統(tǒng)）50個(gè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，可選20個(gè)實(shí)驗(yàn)左右安排20個(gè)課時(shí)。（2）、無線射頻通信實(shí)驗(yàn) 8個(gè)，可安排8-16課時(shí)。（3）無線傳感器網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)實(shí)驗(yàn)，6個(gè)實(shí)驗(yàn)，可安排6-12課時(shí)。（4）3G無線互聯(lián)網(wǎng)通信實(shí)驗(yàn)，10個(gè)實(shí)驗(yàn)，可安排20課時(shí)。2、3G通信協(xié)議實(shí)訓(xùn)：根據(jù)3G協(xié)議安排6個(gè)以上實(shí)訓(xùn)課程。3、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)上層應(yīng)用實(shí)訓(xùn)：現(xiàn)提供Web Server、數(shù)據(jù)庫、遠(yuǎn)程用戶登錄及控制等。4、綜合真實(shí)智能家居無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目：包括光場監(jiān)控

13、實(shí)訓(xùn)、溫度監(jiān)控實(shí)訓(xùn)等，每個(gè)項(xiàng)目約2周。5、智能家居系統(tǒng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新應(yīng)用項(xiàng)目設(shè)計(jì),根據(jù)學(xué)校特色可設(shè)計(jì)2-3行業(yè)應(yīng)用模型系統(tǒng)（物流系統(tǒng)等），用于學(xué)生大項(xiàng)目訓(xùn)練，時(shí)間安排在3-4周。  七個(gè)知識模塊，以無線SOC和無線單片機(jī)為中心進(jìn)行串聯(lián)，結(jié)合400多學(xué)時(shí)的實(shí)驗(yàn)和實(shí)訓(xùn)，讓學(xué)生充分動手，接觸各種無線有線通訊技術(shù)和實(shí)際訓(xùn)練，并且使用無線單片機(jī)設(shè)計(jì)微功耗無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，各種網(wǎng)絡(luò)路由器，無線有線網(wǎng)關(guān)；最終達(dá)到能夠獨(dú)立使用無線單片機(jī)，構(gòu)架設(shè)計(jì)各種物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)；2）  對于科研水平提高的意義真實(shí)的智能家居系統(tǒng)傳感網(wǎng)把所有物品通過射頻識別等信息傳感設(shè)備與3G互聯(lián)網(wǎng)連接

14、起來，實(shí)現(xiàn)智能化識別和管理；是繼計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)與移動通信網(wǎng)之后的又一次信息產(chǎn)業(yè)浪潮，是一個(gè)全新的技術(shù)領(lǐng)域。早在1999年，在美國召開的移動計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)國際會議提出，“傳感網(wǎng)是下一個(gè)世紀(jì)人類面臨的又一個(gè)發(fā)展機(jī)遇”；2003年，美國技術(shù)評論提出傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將是未來改變?nèi)藗兩畹氖蠹夹g(shù)之首；2005年，在突尼斯舉行的信息社會世界峰會（WSIS），國際電信聯(lián)盟（ITU）發(fā)布了ITU互聯(lián)網(wǎng)報(bào)告2005：物聯(lián)網(wǎng)，正式提出了“物聯(lián)網(wǎng)”的概念。報(bào)告指出：無所不在的“物聯(lián)網(wǎng)”通信時(shí)代即將來臨，世界上所有的物體從輪胎到牙刷、從房屋到紙巾都可以通過因特網(wǎng)主動進(jìn)行信息交換。射頻識別技術(shù)（RFID）、傳感器技術(shù)、納米技

15、術(shù)、智能嵌入技術(shù)將得到更加廣泛的應(yīng)用。國家中長期科學(xué)與技術(shù)發(fā)展規(guī)劃（2006-2020年）和“新一代寬帶移動無線通信網(wǎng)”重大專項(xiàng)中均將傳感網(wǎng)列入重點(diǎn)研究領(lǐng)域。傳感器網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)工作組組長、上海微系統(tǒng)所副所長劉海濤表示，我國的技術(shù)研發(fā)水平已處于世界前列。中科院早在10年前就啟動了傳感網(wǎng)研究，先后投入數(shù)億元，目前，中國與德國、美國、英國、韓國等國一起，成為國際標(biāo)準(zhǔn)制定的主要國家之一。目前，我國傳感網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)體系已形成初步框架，向國際標(biāo)準(zhǔn)化組織提交的多項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)提案被采納。8月7日，溫家寶總理在無錫考察中科院無錫高新微納傳感網(wǎng)工程技術(shù)研發(fā)中心時(shí)曾表示，至少三件事情可以盡快去做，一是把傳感系統(tǒng)和3G中的TD技術(shù)結(jié)合起來；二是在國家重大科技專項(xiàng)中，加快推進(jìn)傳感網(wǎng)發(fā)展；三是盡快建立中國的傳感信心中心，或者叫“感知中國”。并指出，要早一點(diǎn)謀劃未來，早一