物联网的开发与应用实践.pdf
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1、 物联网技术与应用丛书 物联网的开发与应用实践 王仲东 黄俊桥 编著 机 械 工 业 出 版 社 本书是一本实践性较强的关于物联网开发与实践的书籍。 本书在介绍 了物联网基本知识、 EPC 与 RFID 技术、 传感器技术及接口之后, 又对物 联网的两种操作系统逐一作了介绍。 而后详细阐述了物联网的支撑技 术 无线传感器网络的开发。 以 TI 公司的最新产品 CC25XX 系列为例, 讲述了无线传感器网络的节点、 路由器、 协调器、 网关的设计和开发技 术, 并给出了两个案例 物联网在中小型变电站测控方面的应用; 物联 网在气象站监测方面的应用设计开发。 最后对无线传感器网络的瓶颈 节点电源问
2、题进行了探讨。 本书内容深入浅出, 少理论、 多案例, 是读者了解物联网技术的理想 读物。 可作为高等院校物联网相关专业学生的参考用书, 也适合广大从事 物联网相关技术的工程师、 单片机爱好者阅读。 图书在版编目 (CIP) 数据 物联网的开发与应用实践/ 王仲东, 黄俊桥编著. 北京: 机械工业出 版社, 2014. 2 (物联网技术与应用丛书) ISBN 978-7-111-44976-8 . 物 . 王黄 . 互联网络 应用智能技术 应用 . TP393. 4TP18 中国版本图书馆 CIP 数据核字 (2013) 第 288672 号 机械工业出版社(北京市百万庄大街 22 号 邮政编
3、码 100037) 策划编辑: 闾洪庆 责任编辑: 闾洪庆 版式设计: 丁丽丽 封面设计: 常天培 责任校对 陈 沛 责任印制 2014 年 2 月第 1 版第 1 次印刷 184mm 260mm15. 5 印张379 千字 0 0013000 册 标准书号: ISBN 978-7-111-44976-8 定价: 39.80 元 凡购本书, 如有缺页、 倒页、 脱页, 由本社发行部调换 电话服务网络服务 社服务中心: (010)88361066教 材 网: http: / / www. cmpedu. com 销 售 一 部: (010)68326294机工官网: http: / / www.
4、 cmpbook. com 销 售 二 部: (010)88379649机工官博: http: / / weibo. com/ cmp1952 读者购书热线: (010)88379203封面无防伪标均为盗版 北京圣夫亚美印刷有限公司印刷 刘 岚 前 言 “物联网” 是一个新概念, 物联网技术正处在一个蓬勃发展的时期。 本书旨在使读 者较快地与本学科的新发展 “接轨”, 使更多的科学工作人员和工程技术人员参与到物 联网这一领域的研究和开发行列中来, 将我国的物联网理论和应用提高到新的水平, 并 在社会发展与经济建设中发挥作用。 物联网 (Internet of Things, IoT) 被誉为第
5、三次信息科技浪潮。 物联网工程是一门 覆盖范围很广的综合性交叉学科, 涉及计算机科学与技术、 电子科学与技术、 自动化、 通信工程、 信息安全、 智能科学与技术等诸多学科领域, 在科技民生、 智慧城市、 低碳 环保、 交通运输、 物流配送、 安防监控、 智能电网、 节能环保等方面有着广阔的应用前 景, 并且在 “十二五” 规划中被列为国家战略性新兴产业。 本书针对从事物联网工程的 广大工程技术人员、 高校相关专业的师生对物联网知识的渴望需求而编写。 物联网是继计算机、 互联网之后的又一次信息科技革命, 是自动化和信息化的融 合, 它的最高目标是要实现实时获取任何地点以及任何需要的监控、 连接、
6、 互动的物体 或过程的信息, 采集其声、 光、 热、 电、 力学、 化学、 生物、 位置等各种有用的信息, 通过各种可能的网络接入, 实现物与物、 物与人的泛在连接, 实现对物品和过程的智能 化感知、 识别和管理。 物联网的整体构架大体可分为三层, 即感知控制层、 网络传输层 和应用服务层。 物联网基础技术包括 EPC 和 RFID 技术, MEMS 传感器技术, M2M 技 术, WSN 技术等, 这些基础技术完成了物联网节点在信息获取和数据传输上的基础构 建, 是物联网提供有效服务的前提。 物联网的关键技术包括云计算、 智能服务技术等, 这些关键技术为物联网信息的海量存储和处理以及智能的服
7、务模式提供了解决方案。 物 联网的异构性和学科交叉的特点给我们提出了新的科学问题, 例如物联网如何实现高效 互连、 不确定感知信息有效利用、 提供动态环境服务等。 同时, 网络的安全性也是值得 思考和深入研究的, 因为物联网除了面对传统网络安全问题之外, 还存在着一些与已有 网络安全不同的特殊安全。 总之, 物联网是现有技术的凝聚融合和创新提升, 而且它在 结构上是开放的, 任何能够实现信息获取、 传输和处理的已有成熟技术和新兴技术都可 以加入到物联网的建设中。 因此, 无论是科学研究还是市场推广, 物联网都有着广阔的 前景。 本书编写的总体思路是少理论、 多案例, 力求打破对物联网的神秘感;
8、 动手实践, 在实践中学, 在实践中用。 本书第 1 部分 (第 1 章) 整体讲述物联网的定义, 分析其体系框架、 支撑技术、 关 键技术以及研究应用, 描述应用领域和接口技术; 第二部分 (第 2、 3 章) 详细阐述物 联网工程的构成, 包括 EPC 及 RFID 技术、 位码技术、 传感器技术; 第三部分 (第 4、 5 章) 简要介绍了目前在我国流行的物联网的操作系统, 着重讲述物联网的核心 无 线传感器网络的组成、 节点、 路由器、 协调器及网关的实际构成电路、 相关程序等。 第 四部分 (第 6 8 章) 提供了两个实际案例来说明无线传感器网络工程的建设过程, 使 读者能进一步掌
9、握物联网技术, 最后对无线传感器网中的能源取用做了详细介绍, 并提 供了实际电路。 本书的大量案例均以 TI 公司的 CC2530、 CC2591 等为基础, 兼顾其他公司的组件。 本书具有如下特色: 1. 体系结构清晰, 知识全面, 层次分明 本书内容由浅入深, 从具体的标签技术、 传感器技术到无线传感器网络、 云计算、 智能处理技术, 再上升到物联网的方法论和安全技术。 知识既有衔接性, 又有一定的跨 越性, 适合不同层次学习的需求。 2. 案例丰富, 面向具体应用, 具有可操作性 结合每个知识点, 本书都编写了面向应用的具体案例, 力图将抽象的知识转化成具 体的实现过程, 便于读者学以致
10、用。 本书由王仲东负责第 1 3 章、 第 5 8 章的编写, 并与黄俊桥一起负责第 4 章的编 写, 黄俊桥审阅了书中的程序, 全书由王仲东统稿。 本书在编写过程中, 先后得到无锡无线龙公司的周柏宏工程师、 上海皕科电子有限 公司的吉梅峰工程师、 美国东北大学的王澎等的大力协助。 其中周柏宏工程师提供了 TI 公司的 ZStack OKAL 操作系统的部分资料; 美国东北大学的王澎翻译了书中所用的许多 英文资料; 上海皕科电子有限公司的吉梅峰工程师提供了美国迪进 (DiGi) 公司的无线 传感器网络用模块 XbeePro 和终端收发源程序。 在此表示衷心感谢。 由于知识水平有限, 书中疏漏甚
11、至错误在所难免, 希望广大读者批评指正。 作 者 物联网的开发与应用实践 目 录 前言 第 1 章 物联网概论1 1. 1 物联网的定义1 1. 2 物联网的结构2 1. 2. 1 感知层2 1. 2. 2 网络层3 1. 2. 3 应用层3 1. 2. 4 物联网技术体系结构4 1. 3 物联网及其相关技术5 1. 3. 1 涉及物联网的关键技术6 1. 3. 2 传感网7 1. 3. 3 泛在网8 1. 3. 4 M2M9 1. 3. 5 云计算11 1. 3. 6 信息物理系统12 1. 4 物联网的应用13 1. 5 本章小结16 第 2 章 EPC 和 RFID 基础知识17 2.
12、1 EPC 简介17 2. 1. 1 EPC 编码17 2. 1. 2 EPC 网络在国外的研究现状17 2. 1. 3 EPC 网络在国内的研究现状18 2. 2 EPC 网络与 EPCIS18 2. 2. 1 EPCglobal 简介18 2. 2. 2 系统成员19 2. 2. 3 EPC 系统19 2. 3 EPC 系统的工作流程27 2. 4 条码技术28 2. 4. 1 一维条码29 2. 4. 2 二维条码30 2. 5 RFID 技术33 2. 5. 1 RFID 概述33 2. 5. 2 RFID 的发展历程34 2. 5. 3 RFID 的基本组成34 2. 5. 4 RF
13、ID 的产品分类35 2. 5. 5 ISO/ IEC RFID 行业应用 技术标准36 2. 5. 6 RFID 的工作频率及应用36 2. 5. 7 RFID 市场发展38 2. 6 RFID 读写器设计39 2. 6. 1 MF RC500 的主要特性39 2. 6. 2 IC 卡系统组成39 2. 6. 3 Mifare1 卡的操作流程40 2. 7 本章小结43 第 3 章 传感器技术44 3. 1 传感器基础44 3. 1. 1 传感器概念44 3. 1. 2 传感器作用44 3. 1. 3 传感器组成与特性45 3. 1. 4 传感器分类47 3. 2 常用传感器介绍48 3.
14、2. 1 温度传感器48 3. 2. 2 湿度传感器51 3. 2. 3 温湿度传感器52 3. 2. 4 超声波传感器53 3. 2. 5 气敏传感器54 3. 2. 6 光敏传感器56 3. 3 智能传感器57 3. 3. 1 智能传感器概念57 3. 3. 2 智能传感器组成57 3. 3. 3 智能传感器功能与特点58 3. 3. 4 网络化智能传感器与应用59 3. 3. 5 我国有关重点攻克智能传感器与 仪器仪表技术文件60 3. 4 MEMS 技术61 3. 4. 1 MEMS 概述61 3. 4. 2 MEMS 特点62 3. 4. 3 MEMS 应用62 3. 5 传感器接口
15、技术64 3. 5. 1 传感器接口特点65 3. 5. 2 常用传感器接口电路65 3. 6 本章小结68 第 4 章 无线传感器网络操作系统69 4. 1 无线传感器网络操作系统简介69 4. 1. 1 无线传感器网络对操作 系统的需求69 4. 1. 2 现有的无线传感器网络 操作系统70 4. 2 TinyOS 简介73 4. 2. 1 设计理念73 4. 2. 2 技术特点74 4. 2. 3 体系结构和版本说明75 4. 2. 4 TinyOS 的系统介绍77 4. 2. 5 TinyOS 的开发语言82 4. 3 ZStack OSAL 操作系统87 4. 3. 1 ZStack
16、 OSAL 操作系统简介87 4. 3. 2 ZStack 分析与移植89 4. 3. 3 OSAL 系统使用与应用添加90 4. 3. 4 组网过程与关键 API 函数93 4. 3. 5 系统的开发环境与开发系统94 4. 3. 6 OSAL 操作系统的调度机制102 4. 4 本章小结114 第 5 章 ZigBee 无线传感器 网络的开发115 5. 1 ZigBee 无线传感器网络的概念115 5. 1. 1 无线传感器网络概述115 5. 1. 2 各层功能117 5. 1. 3 协议特点119 5. 1. 4 组网分析119 5. 1. 5 传感器网络的构成120 5. 1. 6
17、 传感器节点120 5. 1. 7 汇聚节点121 5. 1. 8 系统软件设计121 5. 2 ZigBee 无线传感器网络 开发的基本知识123 5. 2. 1 有竞争力的 ZigBee 芯片解决 方案的厂家123 5. 2. 2 精简协议栈的 ZigBee 网络 节点设计124 5. 3 ZigBee 无线传感器终端的开发128 5. 3. 1 无线监控对象的区域128 5. 3. 2 ZigBee 节点硬件设计128 5. 3. 3 系统软件设计131 5. 3. 4 系统测试134 5. 4 ZigBee 无线传感器路由器的开发134 5. 4. 1 核心芯片介绍134 5. 4.
18、2 硬件总体设计135 5. 4. 3 性能参数预算135 5. 4. 4 无线通信模块原理136 5. 4. 5 路由器软件设计137 5. 4. 6 天线设计138 5. 5 基于 CC2530 的 ZigBee 协调器 节点设计139 5. 5. 1 协调器的作用139 5. 5. 2 协调器节点的硬件设计140 5. 5. 3 节点软件设计及组网141 5. 5. 4 节点测试结果142 5. 6 基于 ARM9 的 ZigBee 无线传感器 网络网关开发143 5. 6. 1 系统方案143 5. 6. 2 硬件设计143 5. 6. 3 基于 GR64 的网关实现144 5. 7
19、本章小结153 第 6 章 基于物联网的中小型变电站 监控系统设计154 6. 1 关于配电自动化的概念154 6. 2 监控系统总体设计154 6. 2. 1 中小型配电变电站的主接线154 6. 2. 2 基于物联网的小型变电站监控 系统的总体设计155 6. 2. 3 基于物联网的小型变电站监控 系统的功能155 6. 3 基于物联网的中小型变电站监控 系统硬件电路设计156 6. 3. 1 监控终端节点设计157 6. 3. 2 监控终端协调器与路由器 节点硬件设计163 6. 3. 3 基于无线传感器网络的小型 变电站网关节点设计163 6. 4 基于物联网中小型变电站的 软件设计1
20、65 6. 4. 1 终端节点的软件设计165 6. 4. 2 网关节点的软件设计171 6. 5 电网调度中心的监控画面设计175 6. 6 本章小结176 第 7 章 基于物联网的气象站设计177 7. 1 研究背景177 7. 1. 1 气象数据采集自动化、 网络化的意义177 物联网的开发与应用实践 7. 1. 2 基于物联网的气象站监测 系统的优点178 7. 1. 3 国内外行业现状及发展179 7. 1. 4 基于物联网的气象站监测系统179 7. 2 基于物联网的气象站传感器的选择与 性能分析181 7. 2. 1 检测系统的组成181 7. 2. 2 传感器的相关概念181
21、7. 2. 3 传感器的选择 183 7. 3 基于物联网的气象站节点硬件设计185 7. 3. 1 气象站监测系统组成框图185 7. 3. 2 气象站监测系统终端节点设计185 7. 3. 3 气象站监测系统协调器网关 节点设计188 7. 4 气象站监测系统节点电源设计189 7. 5 基于物联网的气象站软件设计194 7. 5. 1 气象站监测系统节点 软件设计194 7. 5. 2 气象站监测系统协调器 节点软件设计197 7. 5. 3 气象站监测系统网关软件设计198 7. 5. 4 气象站监测系统的带身份标识 软件设计200 7. 5. 5 上位机监测系统软件设计201 7.
22、6 本章小结202 第 8 章 无线传感器网络中节点的 电源解决方案203 8. 1 无线传感器网络节点电源 研究的背景203 8. 2 国内外对无线传感器网络节点微 能源技术的研究现状205 8. 2. 1 微能源技术的研究现状205 8. 2. 2 无线传感器网络电源 方案的选择206 8. 3 智能电网中无线传感器网络节点电源的 解决办法209 8. 3. 1 具备厂用电场所的节点的 能量供给209 8. 3. 2 从被监控的设备上取得能量210 8. 4 太阳能光伏电池的应用211 8. 4. 1 无线传感器网络节点太阳能供电 系统设计211 8. 4. 2 超级电容与锂电池组合的无线
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