智能家居物聯(lián)網(wǎng)試驗室建設方案

1概述

3G是目前社會最流行日勺無線傳播方式，可以實現(xiàn)隨時隨地上互聯(lián)網(wǎng)，打，接，

發(fā)短信等多種無線通信等功能，尤其是google企業(yè)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)“勺網(wǎng)

絡，其重要特性是通過射頻識別、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(shù)對信息進行分析處理，從而提高

對物質(zhì)世界日勺感知能力，實現(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)領域未來

競爭的制高點和產(chǎn)業(yè)升級的關鍵驅(qū)動力。物聯(lián)網(wǎng)概念是龐大和豐富的，其中涵蓋了大量既有

的專業(yè)門類和技術(shù)體系，而在其系統(tǒng)集成和應用端，可以說物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將可以應用于工業(yè)、

農(nóng)業(yè)、服務業(yè)、環(huán)境保護、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(shù)。無線傳感器網(wǎng)絡(Wireless

SensorNetworks,WSN)是目前國際上備受關注的、波及多學科高度交叉、知識高度集成R勺

前沿熱點研究領域。它綜合了傳感器、RF11)技術(shù)、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(shù)，可以通過各類集成化日勺微型傳感器協(xié)同完畢對多種環(huán)境或監(jiān)測對象日勺

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，并以自組織多跳的網(wǎng)絡方式

傳送到顧客終端，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學校建設目的

(1)建立完整的真實的智能家居無線傳感試驗室

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

電視，音樂播放，電風扇，，遙控器，紅外轉(zhuǎn)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。就是一種家居環(huán)境能用時上的生活設備我們會滿足。我

們將不再以試驗平臺作為模擬的樣式，這個太老套，我們建設小J是一種真實的試驗室環(huán)境。

我們可以通過幾種方式去控制這個家用設備，首先我們的試驗室日勺智能家居設備是通過

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

有專門11勺一?種控制軟件；第二，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。

整個試驗室將分為學生真實智能家居試驗實訓試驗室和3G移動控制兩部分。建成后試

驗室不僅可以提供應40位學生同步進行無線傳感網(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：可以運用試驗室WSN節(jié)點在校園

內(nèi)搭建一種環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，物流管理系統(tǒng)對校園內(nèi)有關環(huán)境和倉庫參數(shù)進行監(jiān)測，監(jiān)測成果

可以通過試驗室LED大屏實時公布，同步也可通WEBserver進行公布和遠程登錄及控制。

(2)建立完整的智能家居物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點的基礎架構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點由傳感器模塊、路由協(xié)議管理模塊、系統(tǒng)控制模塊、無線收發(fā)模塊和能量控

制模塊五部分構(gòu)成，每個傳感器節(jié)點兼顧老式網(wǎng)絡節(jié)點終端和路由器雙重功能，除了進行當

地信息搜集和數(shù)據(jù)處理外，還要對其他節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)進行存儲、管理和融合等處理，同

步與其他節(jié)點協(xié)作完畢某些特定任務。為了可以實現(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IS0C芯片

(CC2530)±,在節(jié)點上實現(xiàn)完整於JMAC協(xié)議以及路由協(xié)議，并可以根據(jù)應用場所的不一樣

根據(jù)實際的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應用軟件層”

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

TINY0S組件層。

路由協(xié)議。CPU外設組件。各種傳感器組件。

硬件層?

RF射頻模塊"CPU及其夕卜設/傳感器“

組合?

可選硬件庫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)點架構(gòu)示意圖

(3)無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)查詢理論

<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IJ勺融和，因此無線傳感網(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)應用中一種需要處理H勺非常重要問題。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、認證、網(wǎng)絡連接、數(shù)據(jù)

加密、發(fā)送等一系列復雜的過程。目前如華為、中國電信、移動，聯(lián)通共同提出了3G通信

概念，并提出對應的協(xié)議規(guī)范。這次日勺無線傳感網(wǎng)實訓室我們將基于3G協(xié)議搭建起有關系

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

3建設意義

1）對于教學的意義

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)領域的系統(tǒng)設計、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)學生合理口勺知識構(gòu)造、具有扎實H勺電子技術(shù)、

現(xiàn)代傳感器和無線網(wǎng)絡技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)有關高頻和微波技術(shù)，有線和無線網(wǎng)絡通信理論、信息

處理、計算機技術(shù)、系統(tǒng)工程等基礎理論，掌握物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的傳感層，傳播層與應用層關鍵

設計等專門知識和技能，并且具有在本專業(yè)領域跟蹤新理論、新知識、新技術(shù)的能力以及較

強的創(chuàng)新實踐能力。

物聯(lián)網(wǎng)具有如下兒人知識模塊，可以把如下的知識模塊融入到對應的課程體系中去。

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(shù)，由淺入深，知識點包括：

微機原理，接口技術(shù)，微控制器體系和原理，實時操作系統(tǒng)，C語言編程技術(shù)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11設計，無線有線收發(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(shù)，基本無線網(wǎng)絡拓撲，

ZIGBEE無線技術(shù)和802.15,.4無線原則，高級的ZIGBEE技術(shù)，以及先進H勺3G互聯(lián)網(wǎng)

通信技術(shù)。網(wǎng)絡安全和加需技術(shù)，C語言和無線網(wǎng)絡算法高級技術(shù)原理；

4、高頻微波知識模塊

知識點包括：高頻微波技術(shù)基礎，調(diào)制和解調(diào)技術(shù)，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(diào)試措施和原理等：

5、RFID知識模塊

知識點包括：電磁技術(shù)基礎，RFID標簽防沖突算法，EPCIS0-180006c通訊

協(xié)議和原理；大功率RFID讀卡器原理和設計，RFID和物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)庫構(gòu)造和原理等：

6、物聯(lián)網(wǎng)傳播層知識模塊

知識點包括：物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關原理和構(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(shù)等：

7、高級無線網(wǎng)絡知識模塊

知識點包括:微功耗802.11原則WIFI傳感器網(wǎng)絡原理和構(gòu)造，內(nèi)置多ARM和WI-FI

收發(fā)器的無線單片機，藍牙技術(shù)和低功耗藍牙無線技術(shù)原理；Wi-Fi/藍牙，ZIGBEEPRO無

線通訊協(xié)議棧原理和設計;

詳細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)構(gòu)成試驗（大型真實智能家居系統(tǒng)）50個基礎試

驗，可選20個試驗左右安排20個課時。

（2）、無線射頻通信試驗8個，可安排8-16課時。

（3）無線傳感器網(wǎng)絡組網(wǎng)試驗，6個試驗，可安排6-12課時。

（4）3G無線互聯(lián)網(wǎng)通信試驗，10個試驗，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WebServer、數(shù)據(jù)庫、遠程顧客登錄及控

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S0C和無線單片機為中心進行串聯(lián)，結(jié)合400多課時的試驗和

實訓，讓學生充足動手，接觸多種無線有線通訊技術(shù)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，多種網(wǎng)絡路由器，無線有線網(wǎng)關；最終到達可以獨立.使用無線單片機,

構(gòu)架設計多種物聯(lián)網(wǎng)應用系統(tǒng)；

2)對于科研水平提高的意義

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

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，是一種全新的技術(shù)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)是下一種世紀人類面臨的又一種發(fā)展機遇”；2023年，美國《技術(shù)評論》提出傳感網(wǎng)絡

技術(shù)將是未來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世界峰會

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

聯(lián)網(wǎng)呼j概念。匯報指出：無所不在歐r物聯(lián)網(wǎng)”通信時代即未來臨，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因特網(wǎng)積極進行信息互換。射頻識別技術(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用。

《國家中長期科學與技術(shù)發(fā)展規(guī)劃（2023-2023年）》和“新一代寬帶移動無線通信網(wǎng)”

重大專題中均將傳感網(wǎng)列入重點研究領域。傳感器網(wǎng)絡原則工作組組長、上海微系統(tǒng)所副所

長劉海濤表達，我國的技術(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，成為國際原則制

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

多項原則提案被采納。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