第4章-物联网智能设备设计ppt课件.pptx

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1、127 十二月 2022物联网技术物联网技术（第（第2 2版）版）第4章 物联网智能设备设计刘化君 刘传清 编著严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。物联网技术（第2版）第4章 物联网智能设备设计教学课件227 十二月 2022物联网技术物联网技术（第（第2 2版）版）第4章 物联网智能设备设计刘化君 刘传清 编著严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。u物联网实现了信息空间和物理空间的融合，营造了以人为本的信息服务环境。这种信息服务引发了智能设备的

2、飞速发展，多种多样的智能设备应运而生。智能设备是由嵌入式处理器完成数据处理与分析等多项复杂功能，实现人机智能交互的。其中，智能手机的运用就体现了信息传输（如短信）、信息采集（如通话）、信息控制（如计算、定位）、信息融合和人机交互等功能。u本章首先介绍几种常见的智能设备，然后讨论物件智能化设计方法、嵌入式系统和中间件技术。作为物件智能化设计的一个示例，最后讨论传感网节点的硬件、软件设计。第4章 物联网智能设备设计327 十二月 2022物联网技术物联网技术（第（第2 2版）版）第4章 物联网智能设备设计刘化君 刘传清 编著严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制

3、止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。4.1 4.1 智能设备概述智能设备概述4.2 4.2 物件智能化设计物件智能化设计4.3 4.3 嵌入式系统开发技术嵌入式系统开发技术4.4 4.4 物联网中间件设计物联网中间件设计4.5 4.5 传感网节点设计传感网节点设计第4章 物联网智能设备设计427 十二月 2022物联网技术物联网技术（第（第2 2版）版）第4章 物联网智能设备设计刘化君 刘传清 编著严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。4.1 智能设备概述物联网智能设备具有信息采集、信息传输、信息控制、信息融合、人机交

4、互等作用，是组建物联网的重要终端设备。不断膨胀的数字世界充满了各种各样的智能设备，作为感知识别层最“智能”的信息获取智能设备集中体现了多样化的特征，例如，穿戴式智能设备、智能车载设备、智能数字标牌、智能医疗设备、智能家电、智能手机等。在此仅以平板电脑、智能手机、智能家电等为例作简单介绍。527 十二月 2022物联网技术物联网技术（第（第2 2版）版）第4章 物联网智能设备设计刘化君 刘传清 编著严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。1平板电脑简介u平板电脑（简称Tablet PC、Flat Pc、Tablet、Slat

5、es）是PC家族新增加的一名成员，其外观与便携式计算机相似，但不是单纯的笔记本电脑，可称为笔记本电脑的浓缩版，是下一代移动商务PC的代表。其外形介于笔记本和PDA之间，但其处理能力大于PDA。它除拥有PDA的所有功能之外，还支持手写输入或者语音输入，移动性和便携性也更胜一筹。4.1.1 平板电脑对智能设备并不陌生，计算机就是传统的智能设备。计算机是一种能够按照指令对各种数据和信息进行自动加工和处理的电子设备，也是诞生最早的智能设备。除计算机之外，平板电脑、个人数字助理（PDA）等是近年兴起的一些新型智能设备。627 十二月 2022物联网技术物联网技术（第（第2 2版）版）第4章 物联网智能设

6、备设计刘化君 刘传清 编著严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。2平板电脑的主要特点u独特的外观设计。u特有的Tablet PC Windows XP操作系统。u增加了手写输入，使用专用的“笔”。u便携移动。u数字化笔记。u个性化使用。u部署和管理方便。u全球化的业务解决方案，支持多国家语言。4.1.1 平板电脑727 十二月 2022物联网技术物联网技术（第（第2 2版）版）第4章 物联网智能设备设计刘化君 刘传清 编著严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为

7、或突发事件。1.智能手机简介u智能手机像个人计算机一样，具有独立的操作系统，可以由用户自行安装软件、游戏等第三方服务商提供的程序，通过此类程序可不断对手机的功能进行扩充，并可以通过移动通信网络实现无线网络接入。2.智能手机的主要特点3.智能手机操作系统与应用软件开发4.1.2 智能手机智能手机（Smart Phone)已经广泛应用于人们的日常生活。智能手机之所以得到青睐是因为它比传统的手机具有更多的综合性信息处理能力。827 十二月 2022物联网技术物联网技术（第（第2 2版）版）第4章 物联网智能设备设计刘化君 刘传清 编著严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时

8、发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。4.1.3 智能家电传统家电有电视机、录像机、DVD、空调、电冰箱、吸尘器、洗衣机以及电磁炉、消毒柜等。虽然家用电器制造技术不断进步，但它们仍然处于机械式或单机电子控制水平。随着电子、控制、计算机与网络技术的发展应用，将自动控制技术引入传统家用电器设备，使之成为具有智能性的设备已是提高人们生活水平的发展趋势。将来，智能家电将向智能化、自适应和网络化发展，成为物联网智能家居应用中的重要组成部分。1.智能家电的基本概念u智能家电就是将微处理器、传感器技术、网络通信技术引入家电设备后形成的家电产品，是具有自动监测自身故障、自动测量、自动控制、自动调节与远

9、程控制中心通信功能的家电设备。927 十二月 2022物联网技术物联网技术（第（第2 2版）版）第4章 物联网智能设备设计刘化君 刘传清 编著严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。2.智能家电的特点u网络化功能。u智能化。u开放性、兼容性。u节能化。u易用性。4.1.3 智能家电3.智能家电的功能u通信功能。u消费电子产品的智能控制。u交互式智能控制。u安防控制功能。u健康与医疗功能。1027 十二月 2022物联网技术物联网技术（第（第2 2版）版）第4章 物联网智能设备设计刘化君 刘传清 编著严格执行突发事件上报制度

10、、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。4.1.4 其他智能设备1.智能电表智能电表是智能电网的智能终端设备。2.智能插座与开关智能插座（Smart Plug）是物联网概念下伴随智能家居而诞生的新兴电子产品。3.智能血压计智能血压计主要是利用多种通信手段，将传统血压计的测量数据上传到云端，让血压计的使用者及其亲朋好友能够在任何时间、任何地点看到使用者的测量数据。4.穿戴智能设备穿戴智能设备是指应用穿戴式技术设计、开发的可以穿戴的智能化设备。1127 十二月 2022物联网技术物联网技术（第（第2 2版）版）第4章 物联网智能设备设计刘化君 刘传清

11、 编著严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。4.2 物件智能化设计物件智能化是物联网的核心问题。智能物件是根据其物理外观（硬件）和行为（软件）来定义的。常见的一些智能设备实际上就是具有物件智能化特征的具体产品、器件或设施。在此主要讨论智能物件硬件和软件的基本设计方法。1227 十二月 2022物联网技术物联网技术（第（第2 2版）版）第4章 物联网智能设备设计刘化君 刘传清 编著严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。4.2.1 智能物件的硬件设计智

12、能物件硬件一般是一组电路的集合，包括通信模块、微控制器、传感器或制动器、电源4个部分。如图4-1所示是比较典型的无线和有线的智能物件硬件架构。图4-1 智能物件的硬件架构1327 十二月 2022物联网技术物联网技术（第（第2 2版）版）第4章 物联网智能设备设计刘化君 刘传清 编著严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。4.2.1 智能物件的硬件设计1.通信模块u通信模块使智能物件具有通信能力。通常是一个带有天线的无线通信收发器或有线通信接口。对于无线智能物件主要指无线通信收发器。收发器包括发送器和接收器，可以发射和接收

13、无线信号。对于有线智能物件，通信模块连接到有线网络，例如以太网。uRadiocrafts的一种单芯片智能物件无线收发器。这种芯片包括一个无线收发器和一个微处理器。其中，无线收发器是Texas的 CC2430，支持IEEE 802.15.4无线标准，具有发送接收数据包的能力，传输比特率为250kbit/s。1427 十二月 2022物联网技术物联网技术（第（第2 2版）版）第4章 物联网智能设备设计刘化君 刘传清 编著严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。4.2.1 智能物件的硬件设计2.微控制器u微控制器(MCU)是将微

14、型计算机的主要部分集成在一个芯片上的单芯片微型计算机。它内置有内存、定时器，并能够与外设（传感器、制动器、无线收发器）连接。uMCU与传统的芯片类似，只是外加了塑料封装和金属管脚。微控制器运行智能物件的软件程序，实现物件的智能化。一种智能物件微控制器如图4-3所示。图4-3 微控制器1527 十二月 2022物联网技术物联网技术（第（第2 2版）版）第4章 物联网智能设备设计刘化君 刘传清 编著严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。4.2.1 智能物件的硬件设计3.传感器与制动器u传感器和制动器用于实现智能物件与物理世界

15、的交互。传感器用来感知外界环境的变化，制动器用来响应或改变环境。与智能物件相连的传感器和制动器的种类很多，有的简单，有的很复杂。4.电源u电源与各个部件相连，为智能物件供电。智能物件需要电源供电才能工作。目前，最常用的电源就是电池，当然也有一些其他类型的电源，如压电式电源，通过将压力转换成电能供电，或者小型的太阳能电池利用光能供电。1627 十二月 2022物联网技术物联网技术（第（第2 2版）版）第4章 物联网智能设备设计刘化君 刘传清 编著严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。4.2.2 智能物件的软件设计智能物件的

16、功能是由微控制器上运行的软件所决定的，运行的软件与通用计算机的软件程序类似。程序由编程语言如C语言来书写，通过编译器将源代码编译成为微控制器可以运行的机器语言，然后写入到智能物件微控制器的ROM中。当智能物件启动运行时，微控制器运行软件程序。智能物件软件开发过程如图4-4所示。图4-4 智能物件软件开发过程1727 十二月 2022物联网技术物联网技术（第（第2 2版）版）第4章 物联网智能设备设计刘化君 刘传清 编著严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。4.2.2 智能物件的软件设计1.智能物件的操作系统u用于传感网和

17、智能物件的TinyOS操作系统可实现多种网络和路由机制。TinyOS上有uIP协议栈的移植，并且支持IPv6。TinyOS的程序写法类似于硬件的设计方法，程序是事件驱动型的，由响应外部和内部事件的回调函数组成。TinyOS已被移植到多种操作系统和原型样板上。一个用nesC书写的TinyOS例程如下。1827 十二月 2022物联网技术物联网技术（第（第2 2版）版）第4章 物联网智能设备设计刘化君 刘传清 编著严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。implementation command result_t StdCo

18、ntrol.init()call Leds.init();return SUCCESS;command result_t StdControl.start()return call Timer.start(TIMER_REPEAT,1000);command result_t StdControl.stop()return call Timer.stop();event result_t Timer.fired()call Leds.redToggle();return SUCCESS;1927 十二月 2022物联网技术物联网技术（第（第2 2版）版）第4章 物联网智能设备设计刘化君 刘传清

19、 编著严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。4.3 嵌入式系统开发技术随着信息网络技术的高速发展，嵌入式系统已经广泛渗透到科学研究、工程设计、各类产业以及人们的日常生活。嵌入式技术是开发物联网智能设备的重要手段。无论是无线传感器还是射频识别标签节点都是微小型的嵌入式系统。2027 十二月 2022物联网技术物联网技术（第（第2 2版）版）第4章 物联网智能设备设计刘化君 刘传清 编著严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。u嵌入式系统是一种完全嵌入受

20、控器件内部，为特定应用而设计的专用计算机系统。通常将嵌入式系统定义为：以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用计算机系统。u嵌入式系统的构架可以分成四个部分：处理器、存储器、输入输出（I/O）和软件。因此，可以将嵌入式系统划分为硬件和软件两大部分：硬件架构上以嵌入式处理器为中心、配置存储器、I/O设备、通信模块等必要的外设；软件部分以软件开发平台为核心,向上提供应用编程接口(AIP),向下屏蔽具体硬件特性的板级支持包（BSP）。u在嵌入式系统中,软件和硬件紧密配合,协调工作,共同完成系统预定的功能。4.3.1嵌入式系统的概念2

21、127 十二月 2022物联网技术物联网技术（第（第2 2版）版）第4章 物联网智能设备设计刘化君 刘传清 编著严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。4.3.2 嵌入式系统的开发u一个嵌入式系统装置一般由嵌入式计算机系统和执行装置组成，如图4-5所示，嵌入式计算机系统是整个嵌入式系统的核心，由硬件层、中间层、系统软件层和应用软件层组成。图4-5 嵌入式系统组成2227 十二月 2022物联网技术物联网技术（第（第2 2版）版）第4章 物联网智能设备设计刘化君 刘传清 编著严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规

22、章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。4.3.3 嵌入式系统开发流程1.建立开发环境2.配置开发主机3.建立引导装载程序BOOTLOADER4.下载已经移植好的Linux操作系统5.建立根文件系统6.建立应用程序的FLASH磁盘分区7.开发应用程序8.烧写内核2327 十二月 2022物联网技术物联网技术（第（第2 2版）版）第4章 物联网智能设备设计刘化君 刘传清 编著严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。4.4物联网中间件设计u随着物联网的应用发展，中间件的概念越来越受到重视。中间件已经成为物

23、联网应用系统的神经中枢，并将向着面向服务架构与基础安全的方向发展。2427 十二月 2022物联网技术物联网技术（第（第2 2版）版）第4章 物联网智能设备设计刘化君 刘传清 编著严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。4.4.1物联网中间件的概念中间件是位于操作系统层和应用程序层之间的软件层，能够屏蔽底层不同的服务细节，使软件开发人员更专注于应用软件本身功能的实现。1.物联网中间件体系结构图4-6所示是一种传感网中间件系统架构，将网络硬件、操作系统、协议栈和应用程序相融合，通常包括一个运行环境以支持和协调多个应用，并提供

24、诸如数据管理、数据融合以及应用目标自适应控制策略等标准化服务，以延长传感网的生命周期。图4-6 基于中间件的传感网体系架构2527 十二月 2022物联网技术物联网技术（第（第2 2版）版）第4章 物联网智能设备设计刘化君 刘传清 编著严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。4.4.2 物联网中间件的关键技术1.嵌入式中间件开发平台u嵌入式中间件是在嵌入式应用程序和操作系统、硬件平台之间嵌入的一个中间层，通常定义成一组较为完整的、标准的应用程序接口。嵌入式Web和Java VM是两个重要的嵌入式中间件平台。2.万维物联网u

25、通过万维物联网，可以将物联网应用带来众多的便利，如减少智能设备的安装、整合、执行和维护开销；加快智能设备安装和移除速度；在任何时刻、地点都可以提供实时信息服务；强化可视化、可预见、可预报和维护日程的能力以及确保各种应用有效和高效执行。2627 十二月 2022物联网技术物联网技术（第（第2 2版）版）第4章 物联网智能设备设计刘化君 刘传清 编著严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。4.4.2 物联网中间件的关键技术3.上下文感知技术系统u上下文感知技术是用来描述一种信息空间和物理空间相融合的重要支撑技术，它能够使用户可

26、用的计算环境和软件资源动态地适应相关的历史状态信息，从而根据环境的变化自动地采取符合用户需要或者设定的行动。2727 十二月 2022物联网技术物联网技术（第（第2 2版）版）第4章 物联网智能设备设计刘化君 刘传清 编著严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。4.4.3 物联网中间件设计示例u作为中间件的设计示例，以车辆监控应用为背景，设计一个面向“物”服务的物联网中间件系统。该系统主要分为嵌入式中间件模块和应用软件中间件。其中应用软件中间件以Java 为开发语言，运用Myeclipse8.0 及MySQL 数据库为开发

27、环境开发的基于Web 的管理平台；嵌入式中间件以C 语言为开发语言，该模块被部署到物联网网关上，网关支持Zigbee、RS232、GPRS 无线模块接口。2827 十二月 2022物联网技术物联网技术（第（第2 2版）版）第4章 物联网智能设备设计刘化君 刘传清 编著严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。4.5 传感网节点设计传感网与传统的无线网络有着不同的技术要求和目标。前者以数据为中心，后者以数据传输为目的。不同用途的传感网具有不同的设计要求。实际中，要针对具体应用需求研发不同的传感网节点。一般说来，需要从嵌入式系统

28、节点设计方法的角度研究传感网节点的硬件、软件结构与开发方法。2927 十二月 2022物联网技术物联网技术（第（第2 2版）版）第4章 物联网智能设备设计刘化君 刘传清 编著严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。4.5.1传感器节点的硬件设计u传感器节点一般由传感器模块、微控制器模块、无线通信模块、能源供给模块以及外围模块组成，如图4-13所示。由于应用场合不同，传感器节点还可能会增加部分支持模块，如定位模块、移动管理模块等。图4-13 传感器节点组成结构3027 十二月 2022物联网技术物联网技术（第（第2 2版）版

29、）第4章 物联网智能设备设计刘化君 刘传清 编著严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。4.5.2 汇聚节点/网关节点设计u汇聚节点既可以是一个增强功能的传感器节点，也可以是没有监测功能仅带无线通信接口的特殊网关设备。其结构如图4-14所示。图4-14 汇集节点/网关节点组成结构3127 十二月 2022物联网技术物联网技术（第（第2 2版）版）第4章 物联网智能设备设计刘化君 刘传清 编著严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。4.5.3节点硬件设计

30、示例u为说明传感网节点硬件设计方法，使用CC2530 芯片设计一个环境监测传感网系统，如图4-15所示。图4-15环境监测传感网系统组成示例3227 十二月 2022物联网技术物联网技术（第（第2 2版）版）第4章 物联网智能设备设计刘化君 刘传清 编著严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。4.5.4 节点软件设计示例基于CC2530 的环境监测传感网主要由终端节点、路由节点和协调器节点组成，其软件设计可分为终端节点软件、路由节点软件和协调器软件3部分进行设计。u终端节点软件设计u 路由节点软件设计u 协调器节点软件设计

31、3327 十二月 2022物联网技术物联网技术（第（第2 2版）版）第4章 物联网智能设备设计刘化君 刘传清 编著严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。小结与进一步学习建议u对于物联网智能设备设计而言，物件智能化是复杂的，各种家电设备、仪器仪表，以及工业生产中的数据采集与控制设备都需要智能化、网络化，才能实现分布式远程监控、信息交换与共享。u物联网智能设备设计首先是物件的智能化，包括硬件设计和软件设计以及能量管理。硬件系统通常包括无线收发装置、微控制器、电源和一组传感器和制动器。在软件方面，作为运行在微控制器上的程序，包

32、括操作系统以及定义智能物件具体功能的应用程序。3427 十二月 2022物联网技术物联网技术（第（第2 2版）版）第4章 物联网智能设备设计刘化君 刘传清 编著严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。1.什么是智能设备？常见的智能设备有哪几种？2.平板电脑与台式计算机的主要区别有哪些？3.智能手机的主要特点是什么？4.智能家电采用了哪些关键智能化技术？5.智能物件设计有哪几种操作系统可用？6.试用C语言设计一个简单的实现对LED进行每秒1次开关的程序。7.什么是嵌入式系统？简述嵌入式系统的主要应用领域。8.什么是中间件？物联网中间件的关键技术有哪些？9.简述传感器节点结构与设计过程。10.试以具体应用为例，设计一个传感网。例如用于温室大棚环境参数远程监测系统等。思考与习题3527 十二月 2022物联网技术物联网技术（第（第2 2版）版）第4章 物联网智能设备设计刘化君 刘传清 编著严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。Thank you！欢迎使用欢迎使用物联网技术物联网技术