智能家居物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)方案

智能家居物聯(lián)網(wǎng)試驗(yàn)室建設(shè)方案

1概述

3G是目前社會(huì)最流行日勺無(wú)線傳播方式，可以實(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地上互聯(lián)網(wǎng)，打，接，

發(fā)短信等多種無(wú)線通信等功能，尤其是google企業(yè)開發(fā)的android操作系統(tǒng)，號(hào)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(guò)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)“勺網(wǎng)

絡(luò)，其重要特性是通過(guò)射頻識(shí)別、傳感器等方式獲取物理世界的多種信息，結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)、移

動(dòng)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(duì)信息進(jìn)行分析處理，從而提高

對(duì)物質(zhì)世界日勺感知能力，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)展將引起新一輪信息技術(shù)革命和產(chǎn)業(yè)革命，是信息產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域未來(lái)

競(jìng)爭(zhēng)的制高點(diǎn)和產(chǎn)業(yè)升級(jí)的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)力。物聯(lián)網(wǎng)概念是龐大和豐富的，其中涵蓋了大量既有

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(shuō)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將可以應(yīng)用于工業(yè)、

農(nóng)業(yè)、服務(wù)業(yè)、環(huán)境保護(hù)、軍事、交通、家居等幾乎所有的領(lǐng)域。

無(wú)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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless

SensorNetworks,WSN)是目前國(guó)際上備受關(guān)注的、波及多學(xué)科高度交叉、知識(shí)高度集成R勺

前沿?zé)狳c(diǎn)研究領(lǐng)域。它綜合了傳感器、RF11)技術(shù)、嵌入式計(jì)算、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無(wú)線通信和分

布式信息處理等技術(shù)，可以通過(guò)各類集成化日勺微型傳感器協(xié)同完畢對(duì)多種環(huán)境或監(jiān)測(cè)對(duì)象日勺

信息的實(shí)時(shí)監(jiān)控、感知和采集，這些信息通過(guò)無(wú)線方式被發(fā)送，并以自組織多跳的網(wǎng)絡(luò)方式

傳送到顧客終端，從而實(shí)現(xiàn)物理世界、計(jì)算世界以及人類社會(huì)這三元世界的連通。

2學(xué)校建設(shè)目的

(1)建立完整的真實(shí)的智能家居無(wú)線傳感試驗(yàn)室

整個(gè)試驗(yàn)室完整建設(shè)好之后是一種真實(shí)的智能家居試驗(yàn)室環(huán)境：一種屋子里面有空調(diào)，

電視，音樂(lè)播放，電風(fēng)扇，，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。就是一種家居環(huán)境能用時(shí)上的生活設(shè)備我們會(huì)滿足。我

們將不再以試驗(yàn)平臺(tái)作為模擬的樣式，這個(gè)太老套，我們建設(shè)小J是一種真實(shí)的試驗(yàn)室環(huán)境。

我們可以通過(guò)幾種方式去控制這個(gè)家用設(shè)備，首先我們的試驗(yàn)室日勺智能家居設(shè)備是通過(guò)

多種傳感器互相無(wú)線通信控制，這個(gè)控制這些傳感器有兩種方式：第一：電腦連接網(wǎng)絡(luò)控制，

有專門11勺一?種控制軟件；第二，無(wú)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)試驗(yàn)室將分為學(xué)生真實(shí)智能家居試驗(yàn)實(shí)訓(xùn)試驗(yàn)室和3G移動(dòng)控制兩部分。建成后試

驗(yàn)室不僅可以提供應(yīng)40位學(xué)生同步進(jìn)行無(wú)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：可以運(yùn)用試驗(yàn)室WSN節(jié)點(diǎn)在校園

內(nèi)搭建一種環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，物流管理系統(tǒng)對(duì)校園內(nèi)有關(guān)環(huán)境和倉(cāng)庫(kù)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)成果

可以通過(guò)試驗(yàn)室LED大屏實(shí)時(shí)公布，同步也可通WEBserver進(jìn)行公布和遠(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)議管理模塊、系統(tǒng)控制模塊、無(wú)線收發(fā)模塊和能量控

制模塊五部分構(gòu)成，每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)兼顧老式網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)終端和路由器雙重功能，除了進(jìn)行當(dāng)

地信息搜集和數(shù)據(jù)處理外，還要對(duì)其他節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、管理和融合等處理，同

步與其他節(jié)點(diǎn)協(xié)作完畢某些特定任務(wù)。為了可以實(shí)現(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IS0C芯片

(CC2530)±,在節(jié)點(diǎn)上實(shí)現(xiàn)完整於JMAC協(xié)議以及路由協(xié)議，并可以根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)所的不一樣

根據(jù)實(shí)際的I需要替代為不一樣日勺路由協(xié)議。主題軟件架構(gòu)框架如下：

HNY0S應(yīng)用軟件層”

按照規(guī)則收集、存儲(chǔ)所需傳感器的數(shù)據(jù)，通過(guò)協(xié)議進(jìn)行信息發(fā)送。'

TINY0S組件層。

路由協(xié)議。CPU外設(shè)組件。各種傳感器組件。

硬件層?

RF射頻模塊"CPU及其夕卜設(shè)/傳感器“

組合?

可選硬件庫(kù)P

射頻(NRF…)?CC2530,MSP430,ARM-環(huán)保醫(yī)療工業(yè)用傳感器，

叵］

圖1節(jié)點(diǎn)架構(gòu)示意圖

(3)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)查詢理論

<5）建立基于無(wú)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)IJ勺融和，因此無(wú)線傳感網(wǎng)怎洋與互聯(lián)網(wǎng)（或主干網(wǎng)）的數(shù)據(jù)融

和是行業(yè)應(yīng)用中一種需要處理H勺非常重要問(wèn)題。傳感網(wǎng)的數(shù)據(jù)融和絕不僅僅是對(duì)采集來(lái)的數(shù)

據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)樸的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，而是包括了一系列口勺子網(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(guò)程。目前如華為、中國(guó)電信、移動(dòng)，聯(lián)通共同提出了3G通信

概念，并提出對(duì)應(yīng)的協(xié)議規(guī)范。這次日勺無(wú)線傳感網(wǎng)實(shí)訓(xùn)室我們將基于3G協(xié)議搭建起有關(guān)系

統(tǒng)模型，真正地建立起一種3G終端控制智能家居環(huán)境的試驗(yàn)室。

3建設(shè)意義

1）對(duì)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)、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)生合理口勺知識(shí)構(gòu)造、具有扎實(shí)H勺電子技術(shù)、

現(xiàn)代傳感器和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)有關(guān)高頻和微波技術(shù)，有線和無(wú)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，傳播層與應(yīng)用層關(guān)鍵

設(shè)計(jì)等專門知識(shí)和技能，并且具有在本專業(yè)領(lǐng)域跟蹤新理論、新知識(shí)、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)具有如下兒人知識(shí)模塊，可以把如下的知識(shí)模塊融入到對(duì)應(yīng)的課程體系中去。

1、單片機(jī)和嵌入式知識(shí)模塊

知識(shí)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(shí)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(yǔ)言編程技術(shù)等等

2、無(wú)線片上系統(tǒng)（SoC）知識(shí)模塊

知識(shí)點(diǎn)包括：無(wú)線單片機(jī)通訊接11設(shè)計(jì)，無(wú)線有線收發(fā)器原理和構(gòu)造，通訊原理和構(gòu)造,

嵌入式軟件基礎(chǔ)等；

3、無(wú)線通訊和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)知識(shí)模塊

知識(shí)點(diǎn)包括：短距離無(wú)線數(shù)據(jù)通訊基礎(chǔ)和原理，無(wú)線自組網(wǎng)技術(shù)，基本無(wú)線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌?/p>

ZIGBEE無(wú)線技術(shù)和802.15,.4無(wú)線原則，高級(jí)的ZIGBEE技術(shù)，以及先進(jìn)H勺3G互聯(lián)網(wǎng)

通信技術(shù)。網(wǎng)絡(luò)安全和加需技術(shù)，C語(yǔ)言和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)算法高級(jí)技術(shù)原理；

4、高頻微波知識(shí)模塊

知識(shí)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(wú)線單片機(jī)高頻測(cè)試和調(diào)試措施和原理等：

5、RFID知識(shí)模塊

知識(shí)點(diǎn)包括：電磁技術(shù)基礎(chǔ)，RFID標(biāo)簽防沖突算法，EPCIS0-180006c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(kù)構(gòu)造和原理等：

6、物聯(lián)網(wǎng)傳播層知識(shí)模塊

知識(shí)點(diǎn)包括：物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)原理和構(gòu)造，GSM/GPRS技術(shù)原理，3G技術(shù)原理和構(gòu)造，

M2M數(shù)據(jù)傳播和遠(yuǎn)程通訊，嵌入式和高級(jí)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(jí)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)知識(shí)模塊

知識(shí)點(diǎn)包括:微功耗802.11原則WIFI傳感器網(wǎng)絡(luò)原理和構(gòu)造，內(nèi)置多ARM和WI-FI

收發(fā)器的無(wú)線單片機(jī)，藍(lán)牙技術(shù)和低功耗藍(lán)牙無(wú)線技術(shù)原理；Wi-Fi/藍(lán)牙，ZIGBEEPRO無(wú)

線通訊協(xié)議棧原理和設(shè)計(jì);

詳細(xì)的實(shí)訓(xùn)設(shè)置安排可以如下:

1、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)知識(shí)部分：

（1）、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)專業(yè)系統(tǒng)構(gòu)成試驗(yàn)（大型真實(shí)智能家居系統(tǒng)）50個(gè)基礎(chǔ)試

驗(yàn)，可選20個(gè)試驗(yàn)左右安排20個(gè)課時(shí)。

（2）、無(wú)線射頻通信試驗(yàn)8個(gè)，可安排8-16課時(shí)。

（3）無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)試驗(yàn)，6個(gè)試驗(yàn)，可安排6-12課時(shí)。

（4）3G無(wú)線互聯(lián)網(wǎng)通信試驗(yàn)，10個(gè)試驗(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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)上層應(yīng)用實(shí)訓(xùn)：現(xiàn)提供WebServer、數(shù)據(jù)庫(kù)、遠(yuǎn)程顧客登錄及控

制等。

4、綜合真實(shí)智能家居無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目：包括光場(chǎng)監(jiān)控實(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(wú)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(shí)模塊，以無(wú)線S0C和無(wú)線單片機(jī)為中心進(jìn)行串聯(lián)，結(jié)合400多課時(shí)的試驗(yàn)和

實(shí)訓(xùn)，讓學(xué)生充足動(dòng)手，接觸多種無(wú)線有線通訊技術(shù)和實(shí)際訓(xùn)練，并且使用無(wú)線單片機(jī)設(shè)計(jì)

微功耗無(wú)線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，多種網(wǎng)絡(luò)路由器，無(wú)線有線網(wǎng)關(guān)；最終到達(dá)可以獨(dú)立.使用無(wú)線單片機(jī),

構(gòu)架設(shè)計(jì)多種物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)；

2)對(duì)于科研水平提高的意義

真實(shí)日勺智能家居系統(tǒng)傳感網(wǎng)把所有物品通過(guò)射頻識(shí)別等信息傳感設(shè)備43G互聯(lián)網(wǎng)連接

起來(lái)，實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別和管理；是繼計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)與移動(dòng)通信網(wǎng)之后的又一次信息產(chǎn)業(yè)浪

潮，是一種全新的技術(shù)領(lǐng)域。早在1999年，在美國(guó)召開的移動(dòng)計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)國(guó)際會(huì)議提出，“傳

感網(wǎng)是下一種世紀(jì)人類面臨的又一種發(fā)展機(jī)遇”；2023年，美國(guó)《技術(shù)評(píng)論》提出傳感網(wǎng)絡(luò)

技術(shù)將是未來(lái)變化人們生活的十大技術(shù)之首；2023年，在突尼斯舉行的信息社會(huì)世界峰會(huì)

（WSIS）,國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）公布了《ITU互聯(lián)網(wǎng)匯報(bào)2023：物聯(lián)網(wǎng)》，正式提出了“物

聯(lián)網(wǎng)呼j概念。匯報(bào)指出：無(wú)所不在歐r物聯(lián)網(wǎng)”通信時(shí)代即未來(lái)臨，世界上所有口勺物體從輪

胎到牙刷、從房屋到紙巾都可以通過(guò)因特網(wǎng)積極進(jìn)行信息互換。射頻識(shí)別技術(shù)（RFID）、

傳感器技術(shù)、納米技術(shù)、智能嵌入技術(shù)將得到愈加廣泛的應(yīng)用。

《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)與技術(shù)發(fā)展規(guī)劃（2023-2023年）》和“新一代寬帶移動(dòng)無(wú)線通信網(wǎng)”

重大專題中均將傳感網(wǎng)列入重點(diǎn)研究領(lǐng)域。傳感器網(wǎng)絡(luò)原則工作組組長(zhǎng)、上海微系統(tǒng)所副所

長(zhǎng)劉海濤表達(dá)，我國(guó)的技術(shù)研發(fā)水平已處在世界前列。中科院早在23年前就啟動(dòng)了傳感網(wǎng)

研究，先后投入數(shù)億元，目前，中國(guó)與德國(guó)、美國(guó)、英國(guó)、韓國(guó)等國(guó)一起，成為國(guó)際原則制

定的重要國(guó)家之一。目前，我國(guó)傳感網(wǎng)原則體系已形成初步框架，向國(guó)際原則化組織提交的

多項(xiàng)原則提案被采納。8月7日，溫家寶總理在無(wú)錫考察中科院無(wú)錫高新微納傳感網(wǎng)工程技

術(shù)研