2025年物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用工程師實(shí)操測(cè)試題目及答案一、理論基礎(chǔ)與技術(shù)原理（共30分）1.（10分）請(qǐng)說明LoRaWAN、NB-IoT、ZigBee三種低功耗廣域網(wǎng)（LPWAN）技術(shù)的核心差異，重點(diǎn)對(duì)比物理層調(diào)制方式、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、適用場(chǎng)景及典型功耗水平（單位：mA·h/月）。答案：LoRaWAN基于擴(kuò)頻調(diào)制（CSS，ChirpSpreadSpectrum），物理層使用非授權(quán)頻段（如868MHz/915MHz），網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錇樾切?，由終端（EndDevice）、網(wǎng)關(guān)（Gateway）、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器（NetworkServer）和應(yīng)用服務(wù)器（ApplicationServer）組成。適用場(chǎng)景為遠(yuǎn)距離、低速率、低功耗的廣域覆蓋，如智慧農(nóng)業(yè)（土壤濕度監(jiān)測(cè)）、市政抄表（水表/燃?xì)獗恚湫徒K端在每天上報(bào)10次（每次20字節(jié)）時(shí)，功耗約20-30mA·h/月。NB-IoT基于蜂窩通信技術(shù)（3GPPR13標(biāo)準(zhǔn)），物理層采用BPSK/QPSK調(diào)制，使用授權(quán)頻段（電信運(yùn)營商分配），網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錇榛?核心網(wǎng)-應(yīng)用服務(wù)器的集中式架構(gòu)。適用場(chǎng)景為中距離、中等速率、需運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)支持的場(chǎng)景，如智能停車（地鎖狀態(tài)）、環(huán)境監(jiān)測(cè)（大氣質(zhì)量），典型終端在相同上報(bào)頻率下功耗約35-50mA·h/月（因需定期注冊(cè)網(wǎng)絡(luò)）。ZigBee基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，物理層使用DSSS（直接序列擴(kuò)頻），支持星型、樹型、網(wǎng)狀（Mesh）拓?fù)?，工作?.4GHz（全球通用）或915MHz（北美）非授權(quán)頻段。適用場(chǎng)景為短距離（10-100米）、低延遲、多設(shè)備自組織的局域網(wǎng)絡(luò)，如智能家居（燈光/窗簾聯(lián)動(dòng)）、工業(yè)傳感器網(wǎng)絡(luò)（產(chǎn)線溫濕度），典型終端在每天上報(bào)20次（每次10字節(jié)）時(shí)，功耗約15-25mA·h/月（Mesh路由需額外功耗）。2.（10分）某物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)需將工廠產(chǎn)線100臺(tái)溫濕度傳感器（每臺(tái)每秒采集1次，每次16字節(jié)）的數(shù)據(jù)傳輸至云端。若采用MQTT協(xié)議，需設(shè)計(jì)QoS等級(jí)、心跳包間隔、主題命名規(guī)則，并計(jì)算每日數(shù)據(jù)流量（單位：MB）及建議的網(wǎng)絡(luò)帶寬（單位：kbps）。答案：（1）QoS等級(jí)選擇：產(chǎn)線溫濕度數(shù)據(jù)為非關(guān)鍵操作數(shù)據(jù)（丟失部分可接受），選擇QoS0（最多一次）以降低傳輸延遲和功耗；若需確保重要異常數(shù)據(jù)（如溫度＞80℃）不丟失，可對(duì)該類數(shù)據(jù)單獨(dú)設(shè)置QoS1（至少一次）。（2）心跳包間隔：考慮到傳感器為固定設(shè)備且網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定，設(shè)置心跳包間隔為60秒（避免頻繁連接帶來的開銷，同時(shí)及時(shí)檢測(cè)離線狀態(tài)）。（3）主題命名規(guī)則：采用層級(jí)結(jié)構(gòu)，格式為“工廠/產(chǎn)線/設(shè)備類型/設(shè)備ID/數(shù)據(jù)類型”，例如“factory01/production02/humiture/sensor001/temp”（便于按主題訂閱和權(quán)限控制）。（4）每日數(shù)據(jù)流量計(jì)算：每臺(tái)傳感器每秒16字節(jié)，100臺(tái)則每秒流量=100×16=1600字節(jié)；每日流量=1600字節(jié)/秒×86400秒=138,240,000字節(jié)=131.25MB（1字節(jié)=8bit，1MB=1024×1024字節(jié)）。（5）建議網(wǎng)絡(luò)帶寬：峰值帶寬（考慮TCP/IP封裝，假設(shè)協(xié)議開銷為20%）=1600字節(jié)/秒×8bit/字節(jié)×1.2=15,360bit/秒=15.36kbps；建議預(yù)留20%冗余，最終帶寬≥18.43kbps（實(shí)際部署中可選擇20kbps或更高的固定帶寬）。3.（10分）邊緣計(jì)算與云計(jì)算在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中如何協(xié)同？請(qǐng)以“智慧園區(qū)能耗管理”場(chǎng)景為例，說明邊緣側(cè)需完成的處理任務(wù)（至少4項(xiàng)）及云平臺(tái)需提供的能力（至少3項(xiàng)）。答案：協(xié)同模式：邊緣計(jì)算負(fù)責(zé)本地實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理、低延遲控制及輕量級(jí)分析，減少云端數(shù)據(jù)量；云計(jì)算負(fù)責(zé)全局?jǐn)?shù)據(jù)存儲(chǔ)、深度分析（如機(jī)器學(xué)習(xí)建模）及跨區(qū)域協(xié)同。智慧園區(qū)能耗管理場(chǎng)景中，邊緣側(cè)任務(wù)：（1）實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)過濾：剔除異常值（如電表讀數(shù)突增10倍），僅上傳有效數(shù)據(jù)；（2）本地控制決策：當(dāng)某區(qū)域空調(diào)能耗超過閾值時(shí)，直接觸發(fā)關(guān)閉指令（延遲＜100ms）；（3）輕量級(jí)聚合計(jì)算：按小時(shí)統(tǒng)計(jì)各樓層電量總和，減少上傳頻率（從秒級(jí)→小時(shí)級(jí)）；（4）設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控：通過邊緣網(wǎng)關(guān)收集電表、空調(diào)的在線狀態(tài)，異常時(shí)本地報(bào)警（如短信通知運(yùn)維人員）。云平臺(tái)需提供的能力：（1）多源數(shù)據(jù)融合：整合園區(qū)電表、光伏、儲(chǔ)能設(shè)備數(shù)據(jù)，建立全局能耗模型；（2）機(jī)器學(xué)習(xí)分析：基于歷史數(shù)據(jù)訓(xùn)練預(yù)測(cè)模型，預(yù)測(cè)未來72小時(shí)能耗高峰；（3）跨園區(qū)協(xié)同：對(duì)比多個(gè)園區(qū)的能耗效率，生成優(yōu)化策略（如調(diào)整照明時(shí)段）。二、設(shè)備配置與調(diào)試（共30分）4.（15分）使用ESP32-C3開發(fā)板（支持Wi-Fi4/藍(lán)牙5.0）連接SHT30溫濕度傳感器（I2C接口），需完成以下操作：（1）繪制硬件接線圖（文字描述）；（2）編寫Arduino框架下的初始化代碼（包含I2C設(shè)置、傳感器讀取）；（3）配置MQTT客戶端，將數(shù)據(jù)上報(bào)至“”（端口1883），主題為“iot/classroom01/env”，數(shù)據(jù)格式為JSON：{"temp":25.3,"hum":45.6}。答案：（1）硬件接線圖：-ESP32-C3的3.3V引腳→SHT30的VCC；-ESP32-C3的GND引腳→SHT30的GND；-ESP32-C3的GPIO5（SDA）→SHT30的SDA；-ESP32-C3的GPIO6（SCL）→SHT30的SCL（注：ESP32-C3的I2C默認(rèn)引腳為GPIO5/SDA，GPIO6/SCL，具體需參考開發(fā)板手冊(cè)）。（2）Arduino初始化與讀取代碼：```cppinclude<Wire.h>include<Adafruit_SHT31.h>include<WiFi.h>include<PubSubClient.h>//Wi-Fi配置constcharssid="your_wifi_ssid";constcharpassword="your_wifi_password";//MQTT配置constcharmqtt_server="";constintmqtt_port=1883;WiFiClientespClient;PubSubClientclient(espClient);Adafruit_SHT31sht31=Adafruit_SHT31();voidsetup(){Serial.begin(115200);Wire.begin();//初始化I2C（SDA=GPIO5，SCL=GPIO6）if(!sht31.begin(0x44)){//SHT30默認(rèn)I2C地址0x44Serial.println("SHT30初始化失??！");while(1);//停止執(zhí)行}connectWiFi();client.setServer(mqtt_server,mqtt_port);}voidloop(){if(!client.connected()){reconnectMQTT();}client.loop();floattemp=sht31.readTemperature();floathum=sht31.readHumidity();if(isnan(temp)||isnan(hum)){Serial.println("讀取傳感器數(shù)據(jù)失??！");return;}//構(gòu)造JSON數(shù)據(jù)charpayload[50];snprintf(payload,sizeof(payload),"{\"temp\":%.1f,\"hum\":%.1f}",temp,hum);client.publish("iot/classroom01/env",payload);Serial.print("已上報(bào)：");Serial.println(payload);delay(5000);//每5秒上報(bào)一次}voidconnectWiFi(){delay(10);Serial.print("連接Wi-Fi：");Serial.println(ssid);WiFi.begin(ssid,password);while(WiFi.status()!=WL_CONNECTED){delay(500);Serial.print(".");}Serial.println("\nWi-Fi連接成功，IP：");Serial.println(WiFi.localIP());}voidreconnectMQTT(){while(!client.connected()){Serial.print("嘗試連接MQTT...");if(client.connect("ESP32-C3_Client")){Serial.println("連接成功！");}else{Serial.print("失敗，錯(cuò)誤碼：");Serial.println(client.state());delay(5000);}}}```（3）配置說明：-需在ArduinoIDE中安裝以下庫：Adafruit_SHT31（用于傳感器驅(qū)動(dòng)）、WiFi（ESP32內(nèi)置）、PubSubClient（MQTT客戶端）；-替換代碼中的“your_wifi_ssid”和“your_wifi_password”為實(shí)際Wi-Fi信息；-MQTT服務(wù)器使用公共測(cè)試服務(wù)器“”，端口1883（無認(rèn)證）；-數(shù)據(jù)每5秒上報(bào)一次，JSON格式符合題目要求，包含“temp”（溫度，保留1位小數(shù)）和“hum”（濕度，保留1位小數(shù)）字段。5.（15分）某工廠部署了100臺(tái)4GCat.1工業(yè)路由器（支持TCP/IP、MQTT、HTTP），需通過運(yùn)營商APN（專用撥號(hào)連接）接入物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)?，F(xiàn)發(fā)現(xiàn)部分設(shè)備無法注冊(cè)到網(wǎng)絡(luò)，日志顯示“CSQ=5（信號(hào)強(qiáng)度-113dBm），Attach失?。?GPPTS24.008錯(cuò)誤碼401”。請(qǐng)列出排查步驟（至少6步），并給出可能的解決措施。答案：排查步驟及解決措施：（1）檢查SIM卡狀態(tài)：-操作：通過4G模塊AT指令查詢SIM卡狀態(tài)（AT+CPIN?）；-現(xiàn)象：若返回“+CPIN:SIMPIN”，說明SIM卡未解鎖（需輸入PIN碼）；-解決：在路由器管理界面輸入SIM卡PIN碼（通常由運(yùn)營商提供）。（2）驗(yàn)證APN配置：-操作：檢查路由器APN參數(shù)（AT+CGDCONT=1,"IP","專用APN名稱"）；-現(xiàn)象：若APN名稱錯(cuò)誤（如多輸一個(gè)空格）或未配置運(yùn)營商專用APN；-解決：聯(lián)系運(yùn)營商確認(rèn)正確APN（如“”），重新配置。（3）排查信號(hào)強(qiáng)度：-操作：通過AT+CSQ查詢信號(hào)強(qiáng)度（CSQ=5對(duì)應(yīng)-113dBm，低于-110dBm為弱覆蓋）；-現(xiàn)象：設(shè)備位于工廠金屬貨架后方，信號(hào)被遮擋；-解決：調(diào)整設(shè)備位置（如移至窗邊），或加裝4G天線（增益≥3dBi）。（4）檢查IMEI與運(yùn)營商白名單：-操作：獲取設(shè)備IMEI（AT+GSN），聯(lián)系運(yùn)營商確認(rèn)是否已加入物聯(lián)網(wǎng)卡白名單；-現(xiàn)象：部分設(shè)備IMEI未錄入（新采購設(shè)備未同步信息）；-解決：提供IMEI列表給運(yùn)營商，24小時(shí)內(nèi)完成白名單添加。（5）驗(yàn)證網(wǎng)絡(luò)注冊(cè)模式：-操作：檢查網(wǎng)絡(luò)注冊(cè)模式（AT+COPS=?查看可用運(yùn)營商，AT+COPS=0自動(dòng)注冊(cè)）；-現(xiàn)象：部分設(shè)備強(qiáng)制注冊(cè)到已退網(wǎng)的2G網(wǎng)絡(luò)（4GCat.1不支持2G）；-解決：設(shè)置網(wǎng)絡(luò)模式為“僅4G”（AT+COPS=4,0,"",7），強(qiáng)制搜索4G網(wǎng)絡(luò)。（6）排查SIM卡物理故障：-操作：將故障設(shè)備的SIM卡插入正常設(shè)備測(cè)試；-現(xiàn)象：若正常設(shè)備也無法注冊(cè)，說明SIM卡損壞（如芯片氧化）；-解決：更換新的物聯(lián)網(wǎng)SIM卡（需運(yùn)營商補(bǔ)卡）。三、系統(tǒng)集成與數(shù)據(jù)處理（共20分）6.（10分）某智慧農(nóng)業(yè)項(xiàng)目需將土壤濕度傳感器（0-100%，ModbusRTU協(xié)議，從機(jī)地址2，寄存器地址0x0001）、光照傳感器（0-20000lux，LoRa無線，每10分鐘上報(bào)1次，數(shù)據(jù)格式：“LIGHT:1500”）、氣象站（HTTPPOST，數(shù)據(jù)格式：{"wind":3.2,"rain":0.5}）的數(shù)據(jù)整合至同一數(shù)據(jù)庫。請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)數(shù)據(jù)集成方案，包括：（1）各傳感器數(shù)據(jù)采集方式；（2）數(shù)據(jù)清洗規(guī)則（至少3條）；（3）數(shù)據(jù)庫選型（需說明理由）及表結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。答案：（1）數(shù)據(jù)采集方式：-土壤濕度傳感器（ModbusRTU）：使用工業(yè)網(wǎng)關(guān)（如研華UNO-2170）通過RS485接口連接，配置Modbus主站軟件（如Node-RED），每30秒讀取寄存器0x0001（保持寄存器，2字節(jié)，無符號(hào)整型，代表濕度百分比）。-光照傳感器（LoRa）：部署LoRa網(wǎng)關(guān)（如SemtechSX1302），接收終端上報(bào)的字符串“LIGHT:1500”，通過MQTT轉(zhuǎn)發(fā)至服務(wù)器，使用Python腳本解析提取數(shù)值（正則表達(dá)式匹配“\d+”）。-氣象站（HTTPPOST）：在云服務(wù)器部署Flask接口（如/weather），接收POST請(qǐng)求，驗(yàn)證簽名（防止偽造）后解析JSON數(shù)據(jù)。（2）數(shù)據(jù)清洗規(guī)則：-土壤濕度：剔除＜0或＞100的值（傳感器故障或通信錯(cuò)誤），替換為前一次有效值；-光照強(qiáng)度：若連續(xù)3次上報(bào)值為0（可能傳感器被遮擋），標(biāo)記為“異常”并觸發(fā)報(bào)警；-氣象站雨量：若“rain”字段為負(fù)數(shù)（傳感器誤差），修正為0。（3）數(shù)據(jù)庫選型及表結(jié)構(gòu)：-選型：InfluxDB（時(shí)間序列數(shù)據(jù)庫），理由：支持高頻寫入（土壤濕度30秒/次）、高效時(shí)間范圍查詢（如按天統(tǒng)計(jì)濕度變化），內(nèi)置聚合函數(shù)（如MEAN、MAX）適合農(nóng)業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)分析。-表結(jié)構(gòu)（Measurement：agri_env）：-時(shí)間戳（time，INFUXDB自動(dòng)生成，納秒精度）；-標(biāo)簽（Tags）：sensor_type（土壤濕度/光照/氣象）、sensor_id（設(shè)備唯一標(biāo)識(shí)）；-字段（Fields）：-土壤濕度：humidity（FLOAT，%）；-光照強(qiáng)度：light（INTEGER，lux）；-風(fēng)速：wind_speed（FLOAT，m/s）；-雨量：rainfall（FLOAT，mm）。7.（10分）使用Python編寫腳本，從MQTT服務(wù)器（broker.emqx.io:1883）訂閱主題“agri/soil/+”（+為通配符），提取濕度數(shù)據(jù)（JSON格式：{"id":"s001","hum":35.2}），篩選出濕度＜30%的異常數(shù)據(jù)，寫入MySQL數(shù)據(jù)庫的“alarm_log”表（字段：idVARCHAR(10),humFLOAT,alarm_timeDATETIME）。要求包含連接MQTT、解析數(shù)據(jù)、篩選、數(shù)據(jù)庫寫入的完整代碼。答案：Python腳本代碼：```pythonimportpaho.mqtt.clientasmqttimportjsonimportmysql.connectorfromdatetimeimportdatetimeMySQL配置mysql_config={'user':'your_mysql_user','password':'your_mysql_password','host':'your_mysql_host','database':'agri_db'}MQTT回調(diào)函數(shù)：連接成功defon_connect(client,userdata,flags,rc):print(f"MQTT連接成功，返回碼：{rc}")client.subscribe("agri/soil/+")訂閱所有土壤濕度主題MQTT回調(diào)函數(shù)：接收消息defon_message(client,userdata,msg):try:解析JSON數(shù)據(jù)payload=json.loads(msg.payload.decode('utf-8'))sensor_id=payload.get('id')humidity=payload.get('hum')數(shù)據(jù)驗(yàn)證ifnotsensor_idorhumidityisNone:print("數(shù)據(jù)格式錯(cuò)誤，跳過！")returnifnotisinstance(humidity,(int,float))orhumidity<0orhumidity>100:print(f"濕度值異常：{humidity}，跳過！")return篩選濕度＜30%的異常ifhumidity<30:連接MySQL并寫入報(bào)警日志conn=mysql.connector.connect(mysql_config)cursor=conn.cursor()alarm_time=datetime.now().strftime('%Y-%m-%d%H:%M:%S')insert_sql="INSERTINTOalarm_log(id,hum,alarm_time)VALUES(%s,%s,%s)"cursor.execute(insert_sql,(sensor_id,humidity,alarm_time))mit()cursor.close()conn.close()print(f"已記錄報(bào)警：傳感器{sensor_id}，濕度{humidity}%")exceptExceptionase:print(f"處理消息時(shí)出錯(cuò)：{str(e)}")初始化MQTT客戶端client=mqtt.Client()client.on_connect=on_connectclient.on_message=on_message連接MQTT服務(wù)器并保持運(yùn)行client.connect("broker.emqx.io",1883,60)client.loop_forever()```代碼說明：-使用paho-mqtt庫實(shí)現(xiàn)MQTT訂閱，mysql-connector-python庫連接MySQL；-訂閱主題“agri/soil/+”，通配符“+”匹配任意傳感器ID（如“agri/soil/s001”）；-數(shù)據(jù)解析后驗(yàn)證字段完整性及濕度范圍（0-100%），僅當(dāng)濕度＜30%時(shí)觸發(fā)報(bào)警；-MySQL寫入使用參數(shù)化查詢（防止SQL注入），報(bào)警時(shí)間取當(dāng)前系統(tǒng)時(shí)間（需確保服務(wù)器時(shí)間同步）；-需替換mysql_config中的實(shí)際數(shù)據(jù)庫連接信息（用戶、密碼、主機(jī)、數(shù)據(jù)庫名）。四、綜合項(xiàng)目設(shè)計(jì)（共20分）8.（20分）某社區(qū)需建設(shè)“智慧消防”物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，要求實(shí)現(xiàn)以下功能：-實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)100個(gè)消防栓（壓力0.2-1.6MPa）、50個(gè)煙感探測(cè)器（閾值：煙霧濃度＞500ppm觸發(fā)報(bào)警）、20個(gè)手動(dòng)報(bào)警按鈕（按下后立即上報(bào)位置）；-報(bào)警時(shí)通過短信通知3名管理員（手機(jī)號(hào)：1381234、1395678、1899012）；-支持PC端和手機(jī)端查看設(shè)備狀態(tài)及歷史報(bào)警記錄。請(qǐng)完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)，包括：（1）總體架構(gòu)圖（文字描述層級(jí)）；（2）設(shè)備選型及通信方案；（3）數(shù)據(jù)流程（從設(shè)備到用戶終端）；（4）安全防護(hù)措施（至少4項(xiàng)）；（5）測(cè)試驗(yàn)證方案（至少3項(xiàng)）。答案：（1）總體架構(gòu)（分層描述）：-感知層：消防栓壓力傳感器、煙感探測(cè)器、手動(dòng)報(bào)警按鈕（含GPS/藍(lán)牙定位模塊）；-網(wǎng)絡(luò)層：LoRa網(wǎng)關(guān)（覆蓋社區(qū)）、4GDTU（補(bǔ)盲）、運(yùn)營商物聯(lián)網(wǎng)專網(wǎng)（保障可靠性）；-平臺(tái)層：物聯(lián)網(wǎng)管理平臺(tái)（設(shè)備接入、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)）、報(bào)警引擎（規(guī)則匹配、短信網(wǎng)關(guān)）、GIS地圖服務(wù)（設(shè)備定位）；-應(yīng)用層：PC端管理系統(tǒng)（B/S架構(gòu)）、手機(jī)APP（iOS/Android）、第三方接口（對(duì)接消防支隊(duì)）。（2）設(shè)備選型及通信方案：-消防栓壓力傳感器：選擇匯川技術(shù)H3U-PT100（量程0-2MPa，精度±0.5%FS，ModbusRTU，IP68防護(hù)），通過RS485連接LoRaDTU（如有方N580，支持LoRaWAN1.0.3），每5分鐘上報(bào)壓