教育資料（2021-2022年收藏的）智能家居物聯(lián)網(wǎng)實驗室建設方案

1、智能家居物聯(lián)網(wǎng)實驗室建設方案1概述3G是現(xiàn)在社會最流行的無線傳輸方式，可以實現(xiàn)隨時隨地上互聯(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)，號稱給將每個人的口袋裝進互聯(lián)網(wǎng)。物聯(lián)網(wǎng)是通過信息傳感設備，按約定的協(xié)議實現(xiàn)人與人、人與物、物與物全面互聯(lián)的網(wǎng)絡，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，結合互聯(lián)網(wǎng)、移動通信網(wǎng)等網(wǎng)絡進行信息的傳送與交互，采用智能計算技術對信息進行分析處理，從而提高對物質世界的感知能力，實現(xiàn)智能化的決策和控制。物聯(lián)網(wǎng)技術和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展將引發(fā)新一輪信息技術革命和產(chǎn)業(yè)革命，是信息產(chǎn)業(yè)領域未來競爭的制高點和產(chǎn)業(yè)

2、升級的核心驅動力。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)門類和技術體系，而在其系統(tǒng)集成和應用端，可以說物聯(lián)網(wǎng)技術將能夠應用于工業(yè)、農業(yè)、服務業(yè)、環(huán)保、軍事、交通、家居等幾乎所有的領域。無線傳感網(wǎng)絡正是適應于這樣背景下的全新網(wǎng)絡技術。無線傳感器網(wǎng)絡（Wireless Sensor Networks，WSN）是當前國際上備受關注的、涉及多學科高度交叉、知識高度集成的前沿熱點研究領域。它綜合了傳感器、RFID技術、嵌入式計算、現(xiàn)代網(wǎng)絡及無線通信和分布式信息處理等技術，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)測對象的信息的實時監(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)絡方式傳送到用戶終端，從而實現(xiàn)物理世界、計算世界以及人類社會這三元世界的連通。2學校建設目標（1）建立完整的真實的智能家居無線傳感實驗室整個實驗室完整建設好之后是一個真實的智能家居實驗室環(huán)境：一個屋子里面有空調，電視，音樂播放，電風扇，電話，遙控器，紅外轉換器，攝像頭，電源，電磁閥，加濕器，聲光報警，智能電燈，可控窗簾等。就是一個家居環(huán)境能用的上的生活設備我們會滿足。我們將不再以實驗平臺作為模擬的樣式，這個太老套，我們建設的是一個真實的實驗室環(huán)境。我們可以通過幾種方式去控制這個家用設備，首先我們的實驗室的智能家居設備是通過各種傳感器相互無線通信控制，這個控制這些傳感器有兩種方式：第

4、一：電腦連接網(wǎng)絡控制，有專門的一個控制軟件；第二，手機無線控制，就是我們的3G網(wǎng)絡隨時隨地無論在哪都可以控制。整個實驗室將分為學生真實智能家居實驗實訓實驗室和3G移動控制兩部分。建成后實驗室不但可以提供給40位學生同時進行無線傳感網(wǎng)絡的實訓訓練，還可根據(jù)行業(yè)應用需求，搭建起數(shù)個應用模型，用于教師科研和學生創(chuàng)新設計，如：可以利用實驗室WSN節(jié)點在校園內搭建一個環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，物流管理系統(tǒng)對校園內相關環(huán)境和倉庫參數(shù)進行監(jiān)測，監(jiān)測結果可以通過實驗室LED大屏實時發(fā)布，同時也可通WEBserver進行發(fā)布和手機遠程登錄及控制。（2）建立完整的智能家居物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點的基礎架構物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點由傳感器模塊、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，每個傳感器節(jié)點兼顧傳統(tǒng)網(wǎng)絡節(jié)點終端和路由器雙重功能，除了進行本地信息收集和數(shù)據(jù)處理外，還要對其他節(jié)點轉發(fā)來的數(shù)據(jù)進行存儲、管理和融合等處理，同時與其他節(jié)點協(xié)作完成一些特定任務。為了能夠實現(xiàn)最為穩(wěn)定的節(jié)點互聯(lián)，信息互通，我將采用android+Linux智能家庭網(wǎng)關操作系統(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)點上實現(xiàn)完整的MAC協(xié)議以及路由協(xié)議，并可以根據(jù)應用場合的不同根據(jù)實際的需要替換為不同的路由協(xié)議。主題軟件架構框架如下：圖1 節(jié)點架構示意圖（3）無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)查詢理論無線傳感器網(wǎng)絡產(chǎn)業(yè)

6、化使用的核心技術問題之一就是海量數(shù)據(jù)的有效處理，包含存儲、統(tǒng)計、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)領域應用的技術矛盾之一就是行業(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程化準現(xiàn)場處理，而在這種處理方式中，數(shù)據(jù)的準確查詢和使用是核心中的核心。對SINK節(jié)點傳過來的數(shù)據(jù)進行處理，包括：采集、分析、存入數(shù)據(jù)庫、查詢等。也可大體分為幾個工作，針對數(shù)據(jù)查詢：本項目研究傳感器網(wǎng)絡環(huán)境下的不受節(jié)點失效、通信鏈路失效和節(jié)點移動影響的查詢處理技術，并提出基于該技術的聚集查詢、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、存儲和索引機制、查詢處理算法的新型傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的體系結構。實現(xiàn)具有自主版權的滿足實時性、魯棒性要求的、具有動態(tài)可擴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）搭建豐富應用監(jiān)控軟件平臺無線傳感器網(wǎng)絡產(chǎn)業(yè)化使用的不但依賴于穩(wěn)定、高效的節(jié)點和數(shù)據(jù)庫功能，還需要豐富的應用端軟件，采取優(yōu)化的人機交互系統(tǒng)，面向掌握簡單電腦技術的實際農田數(shù)據(jù)使用者，提供使用簡單、理解清晰、操作方便、豐富多樣的應用端程序。l  便攜式采集終端l  WEB數(shù)據(jù)庫服務器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)應用中一個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)進行簡單的數(shù)據(jù)轉發(fā)，而是包括了一系列的子網(wǎng)序列管理、登錄、認證、網(wǎng)絡連接、數(shù)據(jù)加密、發(fā)送等一系列復雜的過程?，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，并提出相應的協(xié)議規(guī)范。這次的無線傳感網(wǎng)實訓室我們將基于3G協(xié)議搭建起相關系統(tǒng)模型，真正地建立起一個3G手機終端控制智能家居環(huán)境的實驗室。3建設意義1）對于教學的意義物聯(lián)網(wǎng)技術面向現(xiàn)代信息處理技術，培養(yǎng)從事物聯(lián)網(wǎng)領域的系統(tǒng)設計

9、、系統(tǒng)分析與科技開發(fā)及研究方面的高等工程技術人才?？梢耘囵B(yǎng)學生合理的知識結構、具備扎實的電子技術、現(xiàn)代傳感器和無線網(wǎng)絡技術、物聯(lián)網(wǎng)相關高頻和微波技術，有線和無線網(wǎng)絡通信理論、信息處理、計算機技術、系統(tǒng)工程等基礎理論，掌握物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的傳感層，傳輸層與應用層關鍵設計等專門知識和技能，并且具備在本專業(yè)領域跟蹤新理論、新知識、新技術的能力以及較強的創(chuàng)新實踐能力。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的課程體系中去。1、單片機和嵌入式知識模塊知識點包括：從最基礎的8051單片機到ARM嵌入式技術，由淺入深，知識點包括：微機原理，接口技術，微控制器體系和原理，實時操作系統(tǒng)，C語言編程技

10、術等等2、 無線片上系統(tǒng)（SoC)知識模塊知識點包括：無線單片機通訊接口設計，無線有線收發(fā)器原理和結構，通訊原理和結構，嵌入式軟件基礎等；3、無線通訊和無線網(wǎng)絡知識模塊知識點包括：短距離無線數(shù)據(jù)通訊基礎和原理，無線自組網(wǎng)技術，基本無線網(wǎng)絡拓撲，ZIGBEE無線技術和802.15,.4無線標準，高級的ZIGBEE技術，以及先進的3G互聯(lián)網(wǎng)通信技術。網(wǎng)絡安全和加密技術，C語言和無線網(wǎng)絡算法高級技術原理；4、高頻微波知識模塊知識點包括：高頻微波技術基礎，調制和解調技術，天線原理和設計，阻抗匹配和反射，高頻儀器使用，微波放大器設計，無線單片機高頻測試和調試方法和原理等；5、RFID知識模塊知

11、識點包括：電磁技術基礎，RFID標簽防沖突算法，EPC和IS0-180006C通訊協(xié)議和原理；大功率RFID讀卡器原理和設計，RFID和物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)庫結構和原理等；6、物聯(lián)網(wǎng)傳輸層知識模塊知識點包括：物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關原理和結構，GSM/GPRS技術原理，3G技術原理和結構，M2M 數(shù)據(jù)傳輸和遠程通訊，嵌入式和高級實時操作系統(tǒng)在物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關設計技術等；7、高級無線網(wǎng)絡知識模塊知識點包括：微功耗802.11標準WIFI傳感器網(wǎng)絡原理和結構，內置多ARM和WI-FI收發(fā)器的無線單片機，802.15.1 藍牙技術和低功耗藍牙無線技術原理；Wi-Fi/藍牙，ZIGBEE PRO 無線

12、通訊協(xié)議棧原理和設計； 具體的實訓設置安排可以如下：1、 無線傳感器網(wǎng)絡基礎知識部分：（1）、無線傳感器網(wǎng)絡專業(yè)系統(tǒng)組成實驗（大型真實智能家居系統(tǒng)）50個基礎實驗，可選20個實驗左右安排20個課時。（2）、無線射頻通信實驗 8個，可安排8-16課時。（3）無線傳感器網(wǎng)絡組網(wǎng)實驗，6個實驗，可安排6-12課時。（4）3G無線互聯(lián)網(wǎng)通信實驗，10個實驗，可安排20課時。2、3G通信協(xié)議實訓：根據(jù)3G協(xié)議安排6個以上實訓課程。3、無線傳感器網(wǎng)絡上層應用實訓：現(xiàn)提供Web Server、數(shù)據(jù)庫、遠程用戶登錄及控制等。4、綜合真實智能家居無線傳感器網(wǎng)絡實訓項目：包括光場監(jiān)控

13、實訓、溫度監(jiān)控實訓等，每個項目約2周。5、智能家居系統(tǒng)無線傳感器網(wǎng)絡創(chuàng)新應用項目設計,根據(jù)學校特色可設計2-3行業(yè)應用模型系統(tǒng)（物流系統(tǒng)等），用于學生大項目訓練，時間安排在3-4周。  七個知識模塊，以無線SOC和無線單片機為中心進行串聯(lián)，結合400多學時的實驗和實訓，讓學生充分動手，接觸各種無線有線通訊技術和實際訓練，并且使用無線單片機設計微功耗無線網(wǎng)絡節(jié)點，各種網(wǎng)絡路由器，無線有線網(wǎng)關；最終達到能夠獨立使用無線單片機，構架設計各種物聯(lián)網(wǎng)應用系統(tǒng)；2）  對于科研水平提高的意義真實的智能家居系統(tǒng)傳感網(wǎng)把所有物品通過射頻識別等信息傳感設備與3G互聯(lián)網(wǎng)連接

14、起來，實現(xiàn)智能化識別和管理；是繼計算機、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，是一個全新的技術領域。早在1999年，在美國召開的移動計算和網(wǎng)絡國際會議提出，“傳感網(wǎng)是下一個世紀人類面臨的又一個發(fā)展機遇”；2003年，美國技術評論提出傳感網(wǎng)絡技術將是未來改變人們生活的十大技術之首；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)報告2005：物聯(lián)網(wǎng)，正式提出了“物聯(lián)網(wǎng)”的概念。報告指出：無所不在的“物聯(lián)網(wǎng)”通信時代即將來臨，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)主動進行信息交換。射頻識別技術（RFID）、傳感器技術、納米技

15、術、智能嵌入技術將得到更加廣泛的應用。國家中長期科學與技術發(fā)展規(guī)劃（2006-2020年）和“新一代寬帶移動無線通信網(wǎng)”重大專項中均將傳感網(wǎng)列入重點研究領域。傳感器網(wǎng)絡標準工作組組長、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，成為國際標準制定的主要國家之一。目前，我國傳感網(wǎng)標準體系已形成初步框架，向國際標準化組織提交的多項標準提案被采納。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)工程技術研發(fā)中心時曾表示，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技術結合起來；二是在國家重大科技專項中，加快推進傳感網(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，要早一點謀劃未來，早一