物聯(lián)網(wǎng)核心技術(shù)和知識體系

1、物聯(lián)網(wǎng)核心技術(shù)和知識體系2011年5月11日1我們的實訓(xùn)核心RFID (HF 和UHF EPC),ZIGBEE, 嵌入式WIFI ,藍牙，無線定位和衛(wèi)星數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)；2物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開發(fā)實力技術(shù)資源和開發(fā)工具，從源代碼到價值數(shù)萬美元的開發(fā)設(shè)備；物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)實驗室一般都具有齊備的高頻無線測試設(shè)備和儀器和各種開發(fā)系統(tǒng)和工具。附圖其中主要物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計需要的高頻儀器和設(shè)備。 3物聯(lián)網(wǎng)核心技術(shù)和知識體系主要內(nèi)容第一部分為全球物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)4大趨勢及其代表性技術(shù)的深度分析；附帶介紹美國和國外相關(guān)典型最新應(yīng)用和市場；第二部分為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)教學知識體系的思考：教什么？如何教？并具體示范其中一課教學“微功耗無線簡單網(wǎng)絡(luò)”；4

2、 物聯(lián)網(wǎng)核心技術(shù)/技術(shù)趨勢研究/最新應(yīng)用5物聯(lián)網(wǎng)核心技術(shù)目前公認的概念：物聯(lián)網(wǎng)由傳感層，網(wǎng)絡(luò)層，應(yīng)用層組成；物聯(lián)網(wǎng)是一個比互聯(lián)網(wǎng)更大的網(wǎng)絡(luò)我們的觀點一：物聯(lián)網(wǎng)的本質(zhì)是網(wǎng)絡(luò)通訊，（網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)）是關(guān)鍵；我們的觀點二：物聯(lián)網(wǎng)核心技術(shù)是無線技術(shù)，包括無線SOC、無線網(wǎng)絡(luò)標準、無線通訊的協(xié)議棧和其它相關(guān)嵌入式軟件，數(shù)據(jù)庫，中間件等；我們的觀點三：無線網(wǎng)絡(luò)通訊中的主流技術(shù)；衛(wèi)星數(shù)據(jù)通訊6 越來越小的無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點和功耗ZIGBEE傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點 AA電池X25X3CM 20-30微安電流WIFI GS1010傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點 AA電池X14X3CM 電池工作5年無線監(jiān)控手表 微型電池3X3CM 平均電流10微安

3、有源433MHZ電子標簽 CR2032鈕扣電池直徑2.2X3CM 電池工作6年123456電子藥丸 特殊微型電池小于直徑2.0X2CM 無源EPC電子標簽 無需電池直徑1.6X1.6X0.001 CM總量0.002克 物聯(lián)網(wǎng)傳感層7越來越小的無線網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點 帶來了全新的應(yīng)用和市場空間牙刷也上物聯(lián)網(wǎng) 無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的微型化和微功耗化，加上SOC芯片大幅度降價：16位單片機MSP430G系列，價格下降到0.25美元， 32位M0單片機，價格下降到0.5美元；無線單片機也下降到接近1美元；而且待機功耗下降到1微安以下；這樣，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將以很快的速度，進入家電和消費電子市場，衍生出全新應(yīng)用；手持，輕薄

4、，網(wǎng)絡(luò)化，微功耗是主要特點和主要賣點；物聯(lián)網(wǎng)上的溫度計物聯(lián)網(wǎng)上血糖儀物聯(lián)網(wǎng)上的計步器8越來越小的無線網(wǎng)絡(luò)路由節(jié)點 逐步實現(xiàn)微功耗的能量收集運行無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由節(jié)點承擔路由轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)，必須要消耗一定功率，一般設(shè)計采用外加電源供電；但是隨著路由節(jié)點功耗和體積下降，使用最新的能量收集技術(shù)，作為路由節(jié)點供電可能性逐步加大；荒漠，草原，農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測，滴灌，根灌等野外傳感器網(wǎng)，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用將逐步實現(xiàn)；太陽能供電路由節(jié)點示意圖振動收集供電路由節(jié)點示意圖植物收集為無線網(wǎng)絡(luò)路由器供電，實現(xiàn)能量收集無線傳無線感器網(wǎng)絡(luò)示意圖可以監(jiān)視野外環(huán)境火災(zāi)報警等9 超高頻電子標簽（節(jié)點）微型化： 推動UHF EPC技術(shù)新應(yīng)用1超

5、高頻電子標簽微型化的主要技術(shù)原因是：1、讀卡器輸出功率增加；2、標簽芯片靈敏度提高；標簽體積微型化，將帶來一系列新應(yīng)用目前我們在美國實驗室測試，UHF EPC無源標簽讀寫距離已經(jīng)可以達到3040米這意味著貨物識別將具有更大準確性，快捷性；將有更多的商業(yè)應(yīng)用可以實現(xiàn)小型藥瓶名酒酒瓶放心豬肉UHF標簽小型化和微型化，為防偽應(yīng)用開辟了廣闊的天地；很多體積小，價格敏感的商品將也很容易實現(xiàn)跟蹤和識別10超高頻電子標簽（節(jié)點）微型化： 推動UHF EPC技術(shù)新應(yīng)用2長距離UHF標簽智慧公交系統(tǒng)UHF微型標簽可以在很遠的地方被準確讀取將大大加快智慧商業(yè)應(yīng)用長距離標簽11物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)趨勢研究之二 無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋范

6、圍越來越大低軌道衛(wèi)星數(shù)據(jù)通訊有源RFID網(wǎng)絡(luò)802.11SWIFI網(wǎng)狀網(wǎng)3G/4G電信網(wǎng)絡(luò)12低軌道衛(wèi)星數(shù)據(jù)通訊， 物聯(lián)網(wǎng)連接更遙遠美國最近發(fā)射了第二代低軌道衛(wèi)星；衛(wèi)星接收模塊實現(xiàn)了微型化，容易實現(xiàn)全球集裝箱，交通工具實時跟蹤聯(lián)網(wǎng)和監(jiān)控；低軌道衛(wèi)星M2M油管遠程監(jiān)控實例新一代低軌道衛(wèi)星系統(tǒng)13 長距離有源電子標簽和網(wǎng)絡(luò) 擴展RFID范圍和功能 讀卡器網(wǎng)絡(luò)化有源標簽讀卡器和喚醒基站標簽具有網(wǎng)絡(luò)和定位功能14典型UHF 有源標簽硬件和協(xié)議軟件UHF 有源標簽工作距離： 10 - 2000 m (1.2 mi)頻率：433 MHz速率：28 kbps標簽容量：數(shù)千個標簽具有 multi-hop, s

7、ensors, security,IPv6和很多功能軟件協(xié)議C語言代碼1萬行編譯后執(zhí)行代碼典型8 - 16KB長距離有源電子標簽和網(wǎng)絡(luò)： 標簽結(jié)構(gòu)性能和軟件有源標簽電路板15長距離有源電子標簽和網(wǎng)絡(luò) 廣闊的應(yīng)用范圍和全球市場16802.11S WIFI網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò) 無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍越來越大802.11S網(wǎng)絡(luò)拓撲802.11S都市無線網(wǎng)絡(luò)802.11S車載無線網(wǎng)絡(luò)17WI-FI 網(wǎng)狀網(wǎng)實際應(yīng)用舉例： 智慧醫(yī)院急診室無線定位系統(tǒng)802.11S路由器802.11S路由器2輸液器標簽WIFI SOCGS1010工作人員標簽WIFI SOCGS1010病人標簽WIFI SOCGS101014325618物聯(lián)

8、網(wǎng)技術(shù)趨勢研究之三 無線SOC結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜無線單片機（無線SOC）處理器內(nèi)核從8位到16位，到32位到多處理器，結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜；不僅實現(xiàn)了系統(tǒng)在芯片，而且實現(xiàn)了無線網(wǎng)絡(luò)在芯片；我們從分析GS1010 WIFI 無線單片機來看這個技術(shù)趨勢；GS1010 WI-FI無線單片機結(jié)構(gòu)19無線SOCGS1010 單芯片實現(xiàn)WIFI傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點輕松實現(xiàn)WIFI無線傳感器網(wǎng)絡(luò)20無線SOCGS1010 嵌入軟件實現(xiàn)WIFI傳感器網(wǎng)絡(luò)在芯片21無線SOCGS1010 需要完備的軟件編譯開發(fā)平臺USE UCOS-II 實時操作系統(tǒng)；KEIL 編譯和調(diào)試平臺；加上完備的源代碼包和軟件資源；22物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)趨勢研

9、究之四 無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧設(shè)計越來越難低功耗藍牙協(xié)議棧23IEEE-802.11 協(xié)議棧802.11 協(xié)議棧24802.15.4 ZIGBEE 協(xié)議棧ZIGBEE 協(xié)議棧25 物聯(lián)網(wǎng) 教學體系和知識體系26物聯(lián)網(wǎng)教學體系和知識體系前面論述了物聯(lián)網(wǎng)核心技術(shù)和四大主要趨勢，物聯(lián)網(wǎng)教學體系和知識體系顯然必須圍繞這個核心技術(shù)來培養(yǎng)物聯(lián)網(wǎng)人才；我們已經(jīng)初步建立了一個物聯(lián)網(wǎng)教育體系和知識體系的框架；并且以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論為起步，開始了12本物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)教材的編輯準備工作。27 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)教學體系要解決教什么？物聯(lián)網(wǎng)初級教育物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論，無線傳感器網(wǎng)基礎(chǔ)RFID技術(shù)基礎(chǔ)教學設(shè)備開發(fā)生產(chǎn)企業(yè)提供支撐平臺包括：教學用

10、物聯(lián)網(wǎng)實驗箱，大型物聯(lián)網(wǎng)演示系統(tǒng)，物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)系統(tǒng)，實驗實訓(xùn)系統(tǒng)和教師培訓(xùn)，技術(shù)支持物聯(lián)網(wǎng)高級教育體系教育部組織全國高校技術(shù)和教育專家教授編寫系列物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)專業(yè)教材教學大綱、題庫實驗指導(dǎo)書系統(tǒng)庫和考試大綱目前已經(jīng)規(guī)劃專業(yè)課教材12本傳統(tǒng)電子，信息，計算機，通訊，控制課程體系橋接到物聯(lián)網(wǎng)核心課程教材編寫體系高頻電路和微波、衛(wèi)星通訊3G/4G/TD遠程網(wǎng)絡(luò)和基站藍牙/WIFI/ZIGBEERFID和EPC無線傳感網(wǎng)和OS廣播電視和光纖網(wǎng)絡(luò)車載無線網(wǎng)絡(luò)和汽車電子28物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)教學知識體系主要結(jié)構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)基礎(chǔ)知識體系25個知識點每個知識點涵蓋一個物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)方向傳感層使用基礎(chǔ)RF 2510/2480/2

11、431基礎(chǔ)RF WSN/PS實驗箱網(wǎng)絡(luò)層使用感知RF 912/2440實驗箱應(yīng)用層使用創(chuàng)新RF 101/102系統(tǒng)完成全部直觀化課堂演示和實驗物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)高級課程沿著25個知識點深度擴展重點在協(xié)議棧和微功耗無線網(wǎng)絡(luò)核心軟件物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)實驗室RFID實驗室藍牙實驗室WIFI實驗室ZIGBEE實驗室等電信網(wǎng)絡(luò)廣播電視光纖網(wǎng)絡(luò)3G/4G/TD無線基站車載網(wǎng)絡(luò)WIFI 網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)知識點擴展物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)知識庫新一代專業(yè)實驗室設(shè)備29物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)專業(yè)教材規(guī)劃12本30物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)導(dǎo)論教材按照物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)教育規(guī)劃了25個知識點。計劃由年底由北理工出版社出版，作為教育部物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用工程師培訓(xùn)教材和高校物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)教材；同時

12、配備各種實驗箱；物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)導(dǎo)論31物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)教學必須解決如何教？物聯(lián)網(wǎng)知識體系前面15個知識群，是要打下必要基礎(chǔ)，初步明白單片機，C語言編程和簡單電子電路和高頻電路基礎(chǔ)；610個知識群，是應(yīng)用前面的基礎(chǔ)，建立無線傳感器網(wǎng)絡(luò)初步概念；主要教學方法是采用C語言編程為骨干來串接無線，高頻，通訊和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)；1115個知識群，是進一步加入比較復(fù)雜的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)；網(wǎng)絡(luò)通訊算法和原理，循序漸進，由淺入深，每將復(fù)雜的高頻技術(shù)，進行難點分散到相關(guān)課程中，主要教學方法是采用C語言編程為骨干組織教學；1725個知識群，加入物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層知識，仍然主要教學方法是采用C語言編程為骨干，加入了實時操作系統(tǒng)的技術(shù)和概念；以軟件編

13、程技術(shù)為核心，以無線SOC為基礎(chǔ)，以協(xié)議棧和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)算法為關(guān)鍵，多種網(wǎng)絡(luò)進行大范圍覆蓋和交互路由，這個物聯(lián)網(wǎng)教學知識體系，完成符合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的4大趨勢和潮流；32物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)教學知識體系知識點 151 高頻技術(shù)基礎(chǔ)信號和噪聲傳輸和損耗頻率和頻道，ISM波段典型的無線收發(fā)系統(tǒng)2 數(shù)字模擬電路3 微控制器4 無線SOC5 無線數(shù)字通訊基礎(chǔ)多路訪問，F(xiàn)DMATDMA，CSMAFHSS單片機和SOC內(nèi)核單片機C語言編譯和調(diào)試工具33物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)教學知識體系知識點6106無線傳感器傳感器技術(shù)單片機傳感器接口無線傳感器系統(tǒng)7 無線網(wǎng)絡(luò)微功耗8 簡單無線網(wǎng)絡(luò)9 感知層節(jié)點設(shè)計10 無線網(wǎng)絡(luò)拓撲微功耗無線網(wǎng)絡(luò)

14、拓撲和路由典型無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧解剖麻雀34物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)教學知識體系知識點111511 ZIGBEEZIGBEE的物理層和網(wǎng)絡(luò)拓撲；ZIGBEE的協(xié)議棧12無線通訊加密13 高頻RFID14 超高頻RFID15 無線定位WIFI/ZIGBEE無線定位電子標簽國際標準 電子標簽原理讀寫器原理和設(shè)計；35物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)教學知識體系知識點172117 標準和協(xié)調(diào)器IEEE802.11IEEE802.15.4IEEE802.15.118 遠程網(wǎng)絡(luò)19 M2M 網(wǎng)絡(luò)20 多網(wǎng)絡(luò)路由和互聯(lián)21 數(shù)據(jù)庫和中間件程序設(shè)計語言；數(shù)據(jù)庫知識企業(yè)級應(yīng)用系統(tǒng)GSM/GPRS3G網(wǎng)絡(luò)TD和CDMA多網(wǎng)絡(luò)融合軟件設(shè)計編程技術(shù)36物

15、聯(lián)網(wǎng)技術(shù)教學具體如何做？ 典型課程“微功耗簡單無線網(wǎng)絡(luò)”講原理講理論打基礎(chǔ)概念1：什么是微功耗無線無線網(wǎng)絡(luò)？概念2：什么是網(wǎng)絡(luò)拓撲？概念3：什么是星狀拓撲？概念4 ：什么是節(jié)點類型？典型的簡單無線網(wǎng)絡(luò)SimpliciTI 網(wǎng)絡(luò) 知識點介紹：典型的簡單無線網(wǎng)絡(luò)SimpliciTI 網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點，路由節(jié)點，網(wǎng)關(guān)節(jié)點概念各種實際拓撲和原理37典型課程“微功耗簡單無線網(wǎng)絡(luò)” 如何使用無線單片機構(gòu)建節(jié)點？講電路講設(shè)計方法無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點電路板和模塊硬件設(shè)計和高頻設(shè)計知識；無線單片機構(gòu)成了SimpliciTI 網(wǎng)絡(luò)的基本部件，包括：網(wǎng)關(guān)（AP），終端節(jié)點（ED）轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點（RE） ，設(shè)計這些節(jié)點涉及電路，PCB

16、 設(shè)計，無線單片機，天線和電磁輻射等知識綜合知識點CC2510無線單片機電路圖 簡單無線網(wǎng)絡(luò)高頻電路板設(shè)計2.4GHZ天線設(shè)計和選擇38“微功耗簡單無線網(wǎng)絡(luò)”課堂演示需要器材PC機1套，基礎(chǔ)RF-1試驗箱中RF2510模塊現(xiàn)場演示所見所得實際感受無線網(wǎng)絡(luò)；實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)PC軟件直觀觀察和演示基礎(chǔ)RF-1實驗箱39“微功耗簡單無線網(wǎng)絡(luò)” 深度課程， 解剖麻雀 理解協(xié)議棧要素做分析典型協(xié)議棧；討論關(guān)鍵算法和源代碼實現(xiàn)深度代碼分析；SimpliciTI協(xié)議棧功能結(jié)構(gòu) SimpliciTI協(xié)議棧軟件分層 SimpliciTI協(xié)議棧軟件接口和數(shù)據(jù)格式 40“微功耗簡單無線網(wǎng)絡(luò)” 深度課程， 分析理解如何實

17、驗C代碼寫協(xié)議棧 做協(xié)議棧C代碼23萬行源代碼；理解如何使用C語言代碼實現(xiàn)一個完整的無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧功能；協(xié)議棧C典型源代碼分析 SimpliciTI組網(wǎng)流程圖 SimpliciTI協(xié)議棧源代碼結(jié)構(gòu) NWK_DELAY(1); SMPL_Ioctl(IOCTL_OBJ_RADIO, IOCTL_ACT_RADIO_RSSI, (void *)&dbm); /監(jiān)聽當前信道的信號強度 sSamplei = dbm;/如果當前信道信號強度很強，則改變頻率 if (dbm INTERFERNCE_THRESHOLD_DBM) if (+inARow = IN_A_ROW) changeChannel()

18、; break; 41大量實驗實訓(xùn)讓學生動手做軟件硬件 設(shè)計自己的無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧打使用基礎(chǔ)RF,理想RF,感知RF進行各種動手實驗實訓(xùn)；目前規(guī)劃4組實驗，每組38個實驗；通過實驗，讓學生能夠自己設(shè)計無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧和相關(guān)應(yīng)用；使用在板仿真器調(diào)試和下載 C編譯調(diào)試環(huán)境課程實驗組一 課后作業(yè)和實驗應(yīng)用實驗組二 學生練習和實訓(xùn)畢業(yè)實驗組三 工程項目實驗競賽實驗組四 傳感器和擴展實驗協(xié)議分析儀跟蹤空中數(shù)據(jù)包裝 42 讓學生使用簡單無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，構(gòu)建各種物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用項目打使用學習到的簡單網(wǎng)絡(luò)基本技術(shù)和協(xié)議棧，動手構(gòu)建應(yīng)用實訓(xùn)項目；外加傳感器和一些結(jié)構(gòu)件，就可以構(gòu)成各種應(yīng)用平臺和簡單傳感器網(wǎng)絡(luò)；物聯(lián)網(wǎng)智能家

19、居系統(tǒng) 物流RFID 有源標簽系統(tǒng)SimpliciTI 安防，無線抄表應(yīng)用系統(tǒng) 43 參考： 物聯(lián)網(wǎng)教學實驗新產(chǎn)品介紹44基礎(chǔ)RFPS/2510 短距離無線和無線傳感實驗箱實驗箱由無線龍RF-2510和PS兩組產(chǎn)品拼裝完成，以無線方式互聯(lián)；PC軟件進行整合，使用一套軟件可以適應(yīng)兩套系統(tǒng)原來實驗；每個高校專業(yè)實驗室建議配備30套；支持無線單片機叢書全部實驗和RF-2510全部實驗；產(chǎn)品命名：基礎(chǔ)RF-PS/2510;完善配合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論教材；RF-2510傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點光盤C51RF仿真器RF2510網(wǎng)關(guān)模塊PS節(jié)點模塊PS網(wǎng)關(guān)模塊PS擴展模塊RF-2510傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點RF-2510傳感器網(wǎng)

20、絡(luò)節(jié)點RF-2510傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點PS擴展模塊PS擴展模塊PS節(jié)點模塊PS節(jié)點模塊PS擴展模塊45基礎(chǔ)RFWSN/2431/2480 ZIGBEE/無線定位/傳感網(wǎng)實驗箱實驗箱由無線龍RF-2480和C51RF-WSN兩組產(chǎn)品拼裝完成，WSN節(jié)點改用CC2530以無線方式互聯(lián)；PC軟件進行整合，使用一套軟件可以適應(yīng)兩套系統(tǒng)原來實驗；每個高校專業(yè)實驗室建議配備30套；產(chǎn)品命名：基礎(chǔ)RF-WSN/2480/2431完善配合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論教材；RF-2480傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點光盤C51RF仿真器DA300模塊RF-2480網(wǎng)關(guān)模塊PS節(jié)點模塊WSN網(wǎng)關(guān)模塊RF-2480傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點RF-2480傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點RF-2480傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點WSNDA100模塊WSNDA100模塊WSNDA100模塊WSNDA100模塊WSNDA100模塊