物联网工程知识点

 *****************    PPT01 物联网工程简介 **********************

物联网是指将各种实时信息获取设备或设备集合体，如传感网、射频标签阅读装置、条码与二维码设备、仪表、全球定位系统和其它基于物一物通信模式的短距无线自组织网络，通过各种接入网与互联网、广电网或电信网结合起来所形成的一个巨大的实时信息收集、传输、控制及信息服务网络。

物联网应用涉及智能交通、环境保护、政府工作、公共安全、平安家居、智能消防、工业监测、老人护理、个人健康等多个领域。

物联网工程的任务是建立高效、稳定的物联网实时信息系统。

物联网实时信息系统主要包括六个部分：节点、网关、传输网络、数据服务中心、信息服务接入网及信息服务客户端。由于信息服务接入网和客户端同传统的互联网信息服务接入网及客户端相似，这两部分内容将不是本书讨论的重点。

物联网实时信息系统可提供的服务包括实时监测、定位跟踪、报警联动、自动化处理、反向控制、远程维护、统计决策和信息安全等。

实时监测：一方面，实时监测是指利用软件对系统运行的过程进行同步的监控，比如杀毒软件实时对计算机内存进行监控并对调用的系统文件进行适当的操作。另一方面，物联网应用领域的实时监测是指实时收集被监控对象的数据，并对数据进行智能化处理及显示，用户可以通过监控界面或数据来实时了解被监控对象的当前状态。

定位跟踪 ：物体的定位跟踪可以通过RFID射频技术和全球定位系统（Global Positioning System，GPS）技术来实现。通过RFID实时信息系统，可以监控目标行踪。

报警联动：报警联动是指报警事件发生时，产生与报警相关联的各种设备运行动作（如报警图像拍摄存储、照明设备的开或关、空调设备的打开或关闭、供水系统的打开或关闭等）。例如，高温报警时，打开备用空调；湿度太低时打开加湿机，有人非法进入房间时打开视频监视设备及打开房间里的灯光等。

自动化处理：在某种意义上，物联网就是自动化和信息化结合的产物。例如，机器与机器通信（Machine to Machine，M2M）是自动化的一项重要技术，M2M也被人认为是物联网的前身。机器和机器通信主要集中在设备之间，涉及大量的自动化应用。

反向控制：所谓反向控制，是指当物联网实时信息系统收到有关所监控设备的相关信息后，根据信息的具体内容，系统本身或者管理人员在异地通过网络对所监控设备实施控制措施，比如关闭或打开设备等。对于智能家居系统，天气热了，回家前，你可以通过手机或电脑检查一下家里的室温，然后，在任何地方通过移动电话或电脑开启家里的空调，回到家时，家里就会有一个舒适的环境 。

远程维护：远程维护（Remote Maintenance，RM）一般是指从事信息技术服务的工程师、管理人员或系统本身通过网络连接到目标设备进行设备的安装、配置、维护、监控和管理，服务工程师没有必要亲临现场就可以解决问题。从远程维护工作的性质来看，其主要是用来解决软件系统问题。

统计决策：基于海量数据的智能决策是物联网“智慧”的来源。例如，通过使用传感器监测农作物生长的土壤性质和环境条件，实时数据通过网络传输到数据服务中心，通过数据挖掘的方法，可以知道环境温度、湿度和土壤参数和其他因素影响作物产量的规律，可调整各种作物生长环境参数来最大限度地提高作物产量。

信息安全：任何信息系统都存在安全问题，作为实时信息系统，物联网不可避免也存在与传统互联网相关的安全问题。同其它信息系统的安全类似，物联网存在内部安全和外部安全两个方面的问题。物联网的信息安全服务要解决物联网的一般安全问题和物联网信息的隐私问题，为用户提供安全可靠的实时信息服务。

物联网实时信息系统简介：当前，物联网是一个规模大小及应用种类各不相同的实时信息系统。物联网实时信息系统通过传感器、RFID、GPS及仪表等收集所监控对象的实时状态信息，并将感兴趣信息及时传输到数据服务中心。对数据中心的各种数据进行智能化处理后可形成各种物联网信息服务。人们可以在没有意识到物联网存在的情况下，通过适当的智能终端设备（比如智能手机等）接入到网络并享受物联网所提供的各种实时信息服务。

物联网实时信息系统应用现状：目前，物联网实时信息系统多为孤立的信息系统，不同部门、单位或行业根据具体的需求，建立了规模不同的各自独立的物联网实时信息系统。当前，常见的物联网应用实时信息系统包括医药跟踪信息系统、制造业物流实时信息系统、物资仓储监控实时信息系统；智能物流实时信息系统、工业生产监控实时信息系统、农业生产环境实时监控系统、智能电网实时监控系统、智能家居实时监控系统、智慧城市实时信息服务系统、智能交通系统和智能校园信息服务系统

物联网实时信息系统的组成： 物联网工程的任务是建立高效、稳定的物联网实时信息系统。物联网实时信息系统一般包含六个部分：节点、网关、传输网络、数据服务中心、物联网服务接入网络和物联网服务客户端。由于物联网服务接入网络和物联网服务客户端和现有的互联网接入网络及互联网服务极其相似，本书的重点将放在物联网实时信息系统的节点、网关、传输网络和数据服务中心四个部分。

 

物联网实时信息系统的分类：根据当前的物联网发展现状，物联网实时信息系统可以分为单机的物联网实时信息系统、小区域物联网实时信息系统和大区域物联网实时信息系统 。

物联网工程的主要任务：物联网工程的主要任务是设计、实现并管理一个物联网实时信息系统。具体任务包括：网关收集来自物联网节点的实时数据，网关对实时数据进行初步处理并将数据发送到数据服务中心，数据服务中心存储数据，数据服务中心在数据智能化处理的基础上提供用户可以接收或使用的物联网服务，比如实时监测、定位跟踪、警报处理、反向控制和远程维护等。

物联网实时信息系统设计：物联网实时信息系统设计主要包括节点设计、网关设计、传输网络设计和数据服务中心设计四个方面的内容。

物联网实时信息系统实现： 物联网实时信息系统的实现包括六个方面的内容，分别是物联网节点的选取安装及配置、网关的选取安装及配置、传输网络设备的选取安装及配置、数据服务中心服务器的选取安装及配置、数据服务中心软件的实现和客户端软件的实现。

物联网实时信息系统管理：物联网实时信息系统的管理主要包括物联网设备管理、物联网网络管理和物联网安全管理 。

*****************    PPT02 物联网节点   *************************

物联网节点是指RFID标签、传感器、传感网及各种仪表，它们负责产生人类感兴趣的各种数据。  一个传感器设备本身可以收集环境数据，并将数据直接上传到物联网网关。 传感网是一个无线传感器的集合，多个无线传感器一起完成环境数据的收集，并将数据上传到物联网网关，这里我们也将传感网作为一个特殊的物联网节点。  IOT节点所收集的数据包括：物品编码、温度、湿度、气压、耗电量、大气有毒气体含量及水资源有害成分含量等。

RFID标签：RFID标签，俗称电子标签或智能标签，可以附在物体表面或嵌入到物体当中来标示目标对象。RFID标签（tag）由耦合元件及芯片组成，每个RFID标签的芯片中都存储有一个唯一的电子编码。RFID标签使用非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据。RFID信息系统主要由RFID标签和RFID读写器组成，用于被监控目标的检测和跟踪。

RFID标签简介：1948年，Harry Stockman发表的“利用反射功率的通讯”论文奠定了射频识别技术的理论基础。1951-1960时期为RFID技术的实验室研究探索阶段；1961-1970年间，RFID理论得到了迅速的发展，并开始进行了一些应用尝试。1971-1980年来，进行了较大规模的RFID技术与产品开发研究，产生了一些成熟的RFID应用。1981-1990年间，RFID射频识别技术及产品进入了各种规模的商业应用阶段。1991-2000年间，RFID产品已被广泛应用，越来越多RFID产品已逐渐成为人们生活的一部分。

RFID标签分类：以不同频率为基础，RFID电子标签可以分为低频电子标签、高频电子标签、UHF标签和微波电子标签。根据包装形式的不同，RFID标签可以分为卡型标签、线形标签、纸状标签、玻璃管标签、圆形标签及特殊用途的异形标签等。总之，根据不同的分类标准，RFID电子标签可以有许多不同的分类。

RFID标签应用：RFID可应用在很多物流管理、零售服务、制造业元配件管理、服装业销售、医疗健康、身份识别、食品药品防伪和交通管理等方面 。

传感器：传感器是一种信息检测装置，能感受到被测量的信息，并可将检测到的信息按一定规律转换成电信号或其它所需形式进行信息输出。从传感器获取的信息在经过处理后，可实现信息的传输、处理、存储及显示。从狭义上说，传感器是一种将非电信号的物理量转变成可以进行计算机处理的电信号的装置，它是实现自动检测和自动控制的重要环节，是物联网应用中的一个重要组成部分。

传感器简介：在基于物联网应用的新技术革命到来时，世界进入了信息化无处不在的时代。在利用信息的过程中，首先要解决的是如何获得准确、可靠信息的问题，而传感器是获取自然界和工农业生产过程信息的主要途径和手段。传感器是物联网技术发展和应用实施的重要基础技术，传感器技术的兴起有着较长的历史。在80年代早期，世界进入了传感器的时代，当时日本把传感器技术列为十大技术之首。

传感器分类：一般而言，传感器可以按照用途、原理、输出信号、测量信息类型进行分类。

传感器应用：传感器可应用于机械制造、工业控制、汽车电子产品、电子通信产品及消费电子产品中。在世界范围内，汽车市场是需求传感器最大的市场，工农业生产的过程控制是需求传感器的第二大市场。

传感网：传感网是由分散的无线传感器通过特定的无线路由协议而组成的无线自组网络，传感网中的每一个无线传感器都可以通过其它一个或多个传感器组成的路径将数据传输到特定的无线基站。当一条传输路径出现问题时，传感网将通过重组生成另外一条路径。传感网是一个集多个传感器节点可以进行大面积监测的，并在相同的网关管理下的网络。

传感网简介：无线传感网可以利用多个传感器来收集较大区域的多个监控点的实时数据，然后将数据通过无线基站传输到物联网网关,然后将数据通过传输网络发送到数据服务中心。

 

传感网分类：从无线传输技术角度来讲，WSN主要包括ZigBee无线传感网、WiFi无线传感网和蓝牙（Bluetooth）无线传感网。

ZigBee传感网拓扑图：

 

WiFi传感网络信息系统

 

蓝牙传感网络体系结构模型

 

传感网应用：目前，实际经济和社会生活中所使用的传感网主要为ZigBee无线传感网。通常，在符合下列条件之一情况下，可以考虑使用ZigBee传感网技术进行数据传输。第一，需要进行数据采集和监控的地点较多。第二，需要节点进行的数据传输量小，且需要节点价格便宜。第三，要求可靠且安全的数据传输。第四，安装传感器节点的地方空间小，需要较小体积的传感器及较小体积供电设备或电池。第五，监测点多且地形复杂，并需要传感网覆盖较大的监控区域等。

仪表：仪表可以用来测量温度、压力、功率、压力等，仪表的外形一般就像钟表，可以直接通过刻度来显示数值，这也就是把这类工具称作仪表的原因。常见的仪表有压力仪表、温度仪表、流量仪表等，它们被广泛地应用于工业生产、农业生产、交通控制、科学研究、环保保护和学校科研教学等各方面。一般而言，当前的很多仪表还不能够将其显示的数值直接变成计算机可以处理的数据。

仪表简介：基于来自智能仪表的数据，可以建立不同的监控管理信息系统平台，来实现工业过程的智能化管理。现代工业智能控制系统发展的一个重点是制造基于数字化技术的各种仪表，从模拟仪表向数字仪表转变。并将这些数字化仪表同现代工业的智能化、信息化和网络化有机地结合起来，可实现工农业生产过程或环保检测过程中采样系统和数据处理系统的自动化和智能化。

仪表分类：仪表是利用各种不同的科学技术原理生产出来的工具，可以从不同方面对它们进行分类。按照使用的场所不同，可分为量具仪表、 汽车仪表、电离辐射仪表、船用仪表和航空仪表等。按照仪表所测的物理量的不同，又可将仪表分为温度测量仪表、压力测量仪表和流量测量仪表等。针对物联网应用，我们可将仪表分为智能化仪表和非智能化仪表。智能化仪表以数字形式显示，并可将数据以无线或有线接口发送到计算机中进行数据处理；非智能仪表一般不能将数据直接发送到电脑中进行处理。要想将非智能仪表的数据发送到电脑，一般要使用第三方的硬件及软件。

仪表应用：1. 仪表在信息技术领域的应用2. 仪表在工业化领域的应用3. 仪表在高新技术领域的应用4. 仪表在环境保护领域的应用

GPS接收机：GPS接收机是用来接收卫星信号来确定地面位置的电子设备。特定卫星发射导航和定位信号可供数以百万计的设备来接收，GPS接收机的首要功能是接收卫星导航信号。

对用户来说，只要拥有一部GPS信号接收机，并对接收到的GPS信息进行智能化处理，就可以实现地面、海洋和空间的导航及目标跟踪。

GPS接收机简介：目前，世界上有了很多家GPS接收机生产商，生产GPS接收机的工厂有几十个，GPS接收机产品的种类也有几百个。国际知名的GPS接收仪制造商包括美国天宝（Trimble）、瑞士徕卡测量系统导航公司（Leica Geosystems）、日本拓普康（TOPCON）公司；

我国南方测绘、中海油和科力达等。南方测绘生产的GPS接收仪主要包括RTK GPS接收机S82、S86、蓝牙GPS静态接收仪。

GPS接收机分类：一般而言，在任何时间和地点，人们都可以利用GPS信号进行导航。

根据不同的应用目的，GPS接收机的功能也有所不同。目前，世界范围内，有了几百种型号的GPS接收机，对于这些产品，可以按照使用目的、功能等进行分类。根据接收机的用途，可以将GPS接收机分为导航型接收机、测地型接收机和授时型接收机。

GPS接收机应用：GPS接收机可用于很多经济及社会生活的领域。利用GPS接收机获取的位置信息，在经过智能化处理后可进行定位导航服务、军用打击定位服务和民用定位服务。

扫描设备：扫描设备可通过捕捉被扫描物体的图像并将这个图像转化为计算机设备可以显示、编辑、存储和输出的形式。常见的扫描设备包括一维码扫描设备、二维条码扫描设备和图形扫描仪。

网络摄像头：网络摄像机也被称为网络摄像头，它是结合传统相机和网络通信技术制造出来的摄像设备，它可以将图形或视频便捷地通过网络从地球的一端传输到地球另一端。网络摄像头的用户不需要使用任何特殊的软件，只需要使用标准网络浏览器，如IE、Firefox等就可以查看来自网络摄像头的图片或视频了。

执行器：在很多和工业化控制相关的物联网应用中，执行器是一个重要的物联网节点，它从物联网网关接收控制命令信号来实现某些特定的操作。执行器是在工业生产过程和自动化控制系统中，基于接收的信号，按一定的规则来调节特定设备运动特征的装置。执行器可以是一种工业自动化装备，如调节阀、电磁阀及挡板等。在工业生产或社会生活服务的各种过程控制系统中，为了实现自动控制过程，执行器可以接收各种指令信号，调整运行机制，改变被控制对象能量或原材料的进或出。

继电器：继电器是一种电器控制装置，随着输入信号的变化，其电力输出状态也发生相应的变化，这使它具有完成控制系统和被控制系统之间相互作用的能力。继电器常见的应用是实现设备控制自动化，它实际上是一种以自动切换小电流来控制大电流操作的电子设备。继电器通常在各种工农业生产及社会服务应用中配合其它电路来完成电力使用自动调节、电路运行安全保护等作用。

小结：物联网节点在物联网应用的实现上起着极其重要的作用。基于物联网技术的实时信息化技术与传统信息化技术的最大差别就是原始信息的来源不同。传统信息化过程中，其原始信息主要来自于人工手动输入的数据，而基于物联网技术的更深层次的信息化的原始信息来源于物联网节点所产生的各种实时数据。本章所介绍的物联网节点包括RFID标签、传感器、传感网、仪表、GPS接收机、扫描设备、网络摄像头、执行器和继电器。当然，随着物联网技术的发展，越来越多的新型物联网节点也会涌现出来。物联网节点的设计研发和工业制造能力是一个国家物联网产业核心竞争力的重要标志。

*****************    PPT03 物联网网关   ***********************

在物联网实时信息系统中，物联网网关是一个非常重要的设备，这个设备在各种实时数据的收集、实时数据传输、和设备控制过程中起着至关重要的作用。一般而言，物联网网关一方面从与其相连接的物联网节点中获取各种数据，在将这些数据进行初步处理后，发送到物联网数据服务中心。另一方面，物联网网关也从数据服务中心接收各种控制指令，网关通过执行器或者继电器来完成这些指令的操作，比如打开空调或关闭空调等。常见的物联网网关包括智能手机、无线网关、家庭智能网关、工业通信网关、RFID读写器和M2M网关等

智能手机：智能手机基于WiFi和3G/4G移动网络，可以访问互联网上面的各种信息服务。

通常情况下，智能手机作为物联网应用终端设备，通过访问物联网数据中心来获取各种实时数据服务、接收警报或进行设备的控制。但在一些特殊的情况下，智能手机可以作为一种移动的物联网网关，完成实时数据的收集及传输。

智能手机简介：智能手机首先是一个移动电话，同时它还是一个运行嵌入式操作系统的微型电脑。常用的智能手机操作系统包括Nokia的Symbian、微软的Windows Mobile、开源Linux（包括iOS、Android、Maemo、MeeGo和WebOS）、Palm OS和黑莓操作系统（Operating System，OS)。相对于功能手机不能自由安装和卸载软件，智能手机是可以安装和卸载各种应用软件的，这使得智能手机受到越来越多的欢迎。智能手机的系统结构如图3-1所示，它由硬件、操作系统和网络支持等各功能层组成。

 

智能手机硬件：在智能手机的硬件结构中，最重要的部分包括手机主处理器、无线通信模块、液晶（ Liquid Crystal Display，LCD）显示屏、音频编解码器、数字基带（Digital Baseband，DBB）无线调制解调器、摄像头、麦克风和扬声器控制器等。 目前，智能手机市场已进入“4核时代”，2014年，主要的智能手机厂家都发布了不同品牌的具有4G通信功能的四核CPU智能手机，这些手机运行速度更快，且游戏体验更棒。

智能手机操作系统：曾经应用的智能手机操作系统有Symbian、Windows Mobile、Windows Phone、iOS和Android，它们占据了超过99%的智能手机市场份额。

智能手机应用：智能手机有除了通话功能外，还具有大多数PDA的功能，特别是个人信息管理以及基于无线数据通信的浏览器、GPS、电子邮件、短信、互联网接入、影视娱乐等功能。同时，结合智能手机的摄像设备、GPS及传感器设备，可以获取手机用户周围的各种实时信息，利用WiFi或3G通信网络可将各种实时信息传输的数据服务中心，从而开发各种物联网应用。

无线网关：物联网网关可以是一个无线网关，这个无线网关一方面起着实现局域网或广域网无线网络接入服务的作用，另一方面也可以作为物联网网关来管理相应的物联网节点，来实现实时数据的收集及设备的控制。

常见的无线网关包括WiFi无线网关、ZigBee无线网关、蓝牙无线网关、移动无线网关和复合型无线网关。

WiFi无线网关：在物联网应用中，无线网关所具有的的主要功能为提供无线接入点功能。一般而言，无线网关可提供10/100/1000Mbps宽区域网络功能。同时，常见的提供无线网接入的协议包括IEEE802.11b、802.11g、802.11a和802.11n，无线局域网通过网络地址转换(Network Address Translation，NAT)共享访问功能实现多用户的广域网接入。无线网关应用不仅可提供高速互联网接入，还可提供广泛的物联网应用服务，比如互动视频服务、视频电话服务、网络游戏、环境监控及相关设备控制等。

ZigBee无线网关：ZigBee无线网关一般是指一个具有ZigBee通信接口的物联网网关，这个ZigBee通信接口使这个网关具有同ZigBee节点或ZigBee传感网进行数据通信的能力。如图3-4所示，多个ZigBee设备构成一个无线自组网络，该网络可以通过ZigBee无线网关控制每个家电设备。一般而言，ZigBee无线网关具有一个以太网接口标准，可以连接到局域网或互联网。

 

蓝牙无线网关：蓝牙无线网关可以支持多个蓝牙设备快速进行网络连接并实现设备之间的数据交换。图3-6是一个无线蓝牙网关的结构示意图，这个蓝牙无线网关所使用的微处理器为S3C44BOX。基于蓝牙无线通信技术的传感器、家电设备和通信设备可以通过蓝牙网关与外部进行实时通信，可实现相关的设备控制及环境安全远程报警等功能。  

蓝牙无线网关：

 

移动无线网关：基于3G或4G移动网络通信技术的网关是目前很多物联网应用的重要组成部分。移动无线网关，除了支持实现广域网通信接入的3G、3.5G WCDMA无线网络功能外，还支持802.11 a/b/g/n WiFi功能。在物联网应用中，很多物联网节点可以通过WiFi方式与网关进行数据传输，汇集到网关的各种数据在经过初步处理后，经过移动无线通信网络，传输到物联网数据服务中心。基于移动无线网关的典型物联网应用包括：偏远地区安全监控、市郊交通监控、宽带不发达地区金融ATM/查询终端应用、油田监测、电力远程抄表、路灯监控和环境监测等。

复合型无线网关：对于一些比较复杂的物联网应用，所需要的网关的功能也比较复杂，比如网关需要管理蓝牙节点和ZigBee节点等。图3-7是一个复合型物联网网关的结构示意图。这个网关主要由高级精简指令集机器(Advanced RISC Machine，ARM）处理器、蓝牙和ZigBee数据采集模块、3G通信模块、存储模块和复位模块等组成。

 

家庭智能网关：智能家居是一个重要的物联网应用领域，家庭网关是实现智能家居应用的一个重要设备，它提供了大量的接口，支持蓝牙、802.11a/b/g、3G/4G网络及以太网通信。

家庭智能网关一方面需要管理很多家电设备及传感器节点，另一方面也对家庭的安全通信和娱乐进行管理和监控。

家庭智能网关简介：家庭智能网关首先可以为家庭中的网络信息设备提供智能宽带接入。一方面，它可以接收来自外部网络的不同的通讯信号，通过家庭网络将信号发送到用户设备，来实现设备的自动化和智能化控制。另一方面，家庭网关可以将来自家庭网络的相关数据发送到远程数据服务中心。

家庭智能网关分类：根据网络通信物理介质的不同，可以将家庭智能网关分为基于ADSL的家庭智能网关、基于机顶盒的家庭智能网关和基于电力线通信（Power Line Communication，PLC）的家庭智能网关。这里主要对PLC家庭智能网关和机顶盒家庭智能网关进行简要介绍。

 

智能家庭网关应用：

 

当前家庭信息孤岛网络：

 

基于机顶盒的智能家庭网关架构示意图：

 

家庭物联网应用服务系统

 

家庭智能网关应用：智能家庭网关通过各种高速通信接口将家庭安全报警、家庭照明控制、家用网络设备、居室视频对讲、网络安全监控、家庭网络音乐设施、移动电话、网络电视、电脑和各种信息通信终端连接到家庭智能网关，通过局域网络或广域网连接到物业管理服务中心。通过家庭智能网关所建立的智能家居实时信息服务系统，用户可以远程控制来获取信息服务或对家庭实施管理。

工业通信网关：应用物联网技术可以实现传统工业的升级改造，并为工业的节能减排打下坚实的基础，工业网关是物联网工业应用的一个极其重要的组成部分。工业通信网关可以实现工业生产网络通信及网络控制环境下各种网络协议消息的转换。

RFID读写器：有很多RFID读写器可以作为物联网网关来使用。在很多物联网应用中，RFID读写器是一个重要的设备，对于不同的物联网应用，RFID读写器的功能有所差异。一般而言，作为物联网网关的RFID读写器除了具有收集及传输RFID相关数据的功能外，其还具有管理蓝牙、ZigBee及仪表等物联网节点的能力，从这些节点上收集数据并将数据传输到物联网数据服务中心。

M2M网关：实现M2M通信的网关被称为M2M网关，它是物联网应用的一个重要设备。在各种物联网应用中，M2M网关从与之相关的机器设备中获取数据，将数据发送到远程数据服务中心，还可以接收来自数据服务中心的命令，实现对设备的远程控制和操作。

小结：物联网网关是物联网应用中极其重要的设备，对于不同的物联网应用，所需要的网关设备的硬件及软件功能也有着差别。物联网网关的基本功能是实现实时数据的采集和传输，并能够接收来自数据服务中心的指令。可以作为物联网网关的硬件设备包括一些现有的设备，比如智能手机、无线网关、家庭智能网关、工业通信网关、RFID读写器和M2M网关等。当然，针对特殊的物联网应用，也可以通过研发特殊的物联网网关来完成。

*****************    PPT04 物联网传输网络   *************************

物联网传输网络完成网关与数据服务中心之间的数据传送。传输网络包括局域传输网络和广域传输网络。局域传输网络包括有线局域网（IEEE 802.3 以太网）和无线传输网（WiMax\802.11、ZigBee)。广域传输网络包括广电网、电信网及互联网。大多数情况下，数据传输网络的骨干为互联网。

WiFi网络：WiFi是一种无线局域网通信技术。使用WiFi进行局域网或互联网通信的常见设备包括笔记本电脑、平板电脑、智能手机等。随着物联网应用在各个领域的展开，很多物联网网关或物联网节点也采用 WiFi技术进行通信。IEEE 802.11是与WiFi技术及产品相关的无线局域网通信技术标准。因为二者密切相关，有时候802.11和WiFi概念也被交叉使用。

WiFi网络简介：作为全球公认的局域网通信标准制定组织，过去20多年，IEEE 802工作组在局域网领域建立了很多通信标准或协议，这包括802.3以太网协议、802.5令牌环协议，802.3z 100BaseT快速以太网协议等。1997年，经过7年的大量工作后，IEEE 802.11无线局域网通信标准得以正式发布。1999年9月，IEEE继续推出了802.11b物理层高速率通信协议，用于补充802.11协议物理层通信速率的不足。之前，802.11协议只有1Mbps和2Mbps两个通信速率。

WiFi自组网络（Ad Hoc）：

 

基础架构网络

 

WiFi多AP模式通信网络

 

WiFi无线网桥模式通信网络

 

WiFi网络分类

依照传输速率的不同，802.11无线局域网可分为传统802.11网络、802.11b网络、802.11g网络、802.11a网络和802.11n网络。WiFi网络应用：在全世界，WiFi所使用的2.4GHz频带不需要许可证就可以使用，这使得使用WiFi的设备在整个世界范围内都可以使用，使得人们在任何时间任何地点都可以享受成本非常低的无线高数据带宽服务。现在，我国的WiFi无线网络覆盖的范围也越来越广泛，安装WiFi无线通信网络的地方包括高档酒店、豪华住宅、机场和咖啡店等。由于安装及使用WiFi无线通信网络成本很低，同时WiFi网络可为人们带来很大的方便，因而出现了越来越多的无线校园和无线城市。同时，很多基于WiFi网络的应用也快速兴起。

无线校园网

 

无线城市网络及应用

 

基于WiFi的物联网应用系统组成

 

移动通信网络：随着移动通信技术的发展和物联网应用在各个领域的进一步深入，由于许多实施物联网应用的领域没有建设传统的有线网络，这使得移动通信网络在物联网实时数据传输方面起到了极其重要的作用。移动通信是指至少有一个或两个通信物体在移动并进行信息的传输和交换。移动通信包括移动的人之间的通信、移动的车辆间的通信、移动船舶之间的通信、飞机和其他移动体之间的通信等。移动通信所使用的频带包括低频、高频、中频、VHF和UHF频段等。移动通信系统一般包括移动站、固定基站、移动交换局域网和通信个体组成。

移动通信技术发展：

 

移动通信网络分类：

 

移动通信网络应用：随着移动技术的发展和物联网应用的进一步深入，移动通信除了提供语音电话服务外，其还提供其它很多服务；这包括物联网实时数据传输、移动办公、移动医疗及急救、移动商务、工作生活和娱乐、可视通信和救灾应用等

救灾现场应急移动通信网络搭建

 

互联网：互联网在人类信息化历史上起了非常重要的作用。目前，随着物联网在各个领域的应用，互联网对于物联网实时信息的传输及物联网服务的提供起着越来越重要的作用。

一般而言，互联网是对广域网和局域网等基于交换机和路由器的网络的总称，它是按照一定的通讯协议组成的国际计算机网络。使用互联网，无论距离的远近，都可以实现一台计算机与另外一台或多台计算机之间的通信，也可以实现计算机同专门服务器（Web服务器、FTP服务器、电子邮件服务器等）的通信。人们可以和千里之外的朋友发送消息给对方，不但能帮助完成工作，而且还可以使人们共同娱乐。

从主机为中心到以网络为中心：

 

基于ISP的互联网架构

 

基于ISP的互联网的层次结构

 

互联网的组成分类：对于当前的互联网，它是现有的各种网络的组合体，它包括局域网（Local Area Network，LAN）、城域网(Metropolitan Area Network，MAN)和广域网(Wide Area Network，WAN)

星形结构局域网

 

树形结构局域网

 

城域网的层次结构

 

相距较远的局域网通过路由器与广域网相连

 

互联网应用：目前，随着物联网应用的深入，互联网大量被用来传输物联网实时数据。

当然，互联网还有很多传统的应用，这包括电子商务、网络电视服务、实时语音、视频通信、网络游戏、网络远程教育和宽带电影等。

电信网：电信网络是一个可以使得一个或多个用户之间进行语音或视频通信的网络，它一般由多个电信系统相互连接而成。电信网是人们实现远程通信的极其重要的基础设施，通过有线线路、无线远程通信、光纤或其它电磁系统，可实现语音、视频及其它数字数据的远程或近程传输、接收和发送。随着电信网升级改造的推进，电信网也越来越多的从事基于TCP/IP的数据传输业务。这将使电信网成为物联网数据传输网络的一个重要组成部分。

电信网简介：在我国，电信网是指由原来的邮电部所支持建设并进行管理的网络，这些网络包括传统的公共电话交换网（Public Switched Telecommunication Network，PSTN）、数字数据网（Digital Data Network，DDN）、帧中继网络（Frame Relay，FR）和异步传输模式（Asynchronous Transfer Mode，ATM）网等。一般而言，电信网的硬件骨架由通信终端设备、传输设备和交换设备组成。要实现电信网的正常运行和管理，还需要信令系统、通信协议和相应的操作系统来辅助工作。

电信网分类：电信产业有很长的发展历史，而且涉及领域广泛，这导致电信网有很多分类方法。一般来说，按电信行业所提供业务的不同，可将当前的电信网分为电话网、数据通信网及图像通信网等。另一个方面，按照服务区域范围的大小，可将电信网分为本地电信网、长途电信网和国际电信网等。当然，还可以继续按照传输媒介种类、信息交换方式、电信网结构形式、信息信号形式及信息传递方式的不同，来对电信网进行不同的分类。

电信网应用：随着物联网应用在各个领域进一步的深入发展，对电信网信息化服务多样性的需求也越来越强烈。在新的电信产业大发展的背景下，电信运营商原来的带宽出租和语音服务为主的业务已经不能满足未来的客户需求和市场竞争。随着全球信息技术程度的提高，电信运营商需要推出一系列新业务，即面向一般消费者的娱乐游戏业务和面向企业用户的网络化和信息化服务业务。随着电信网络和信息化新技术的发展，一些新的电信服务，如IPTV、移动电视、VoIP的发展将进入一个黄金时期。

广播电视网：广播电视网一般是指通过无线电波或有线媒介向特定地区广播音频和图像节目软硬件系统的总称。声音广播一般只广播的声音信息，而电视广播可同时传输图像和声音信息。有线电视网是广播电视网重要的组成部分，它一般由有线电视网络公司负责运营，通过混合光纤同轴电缆网（Hybrid Fiber Coaxial，HFC）网络为用户提供电视和上网宽带服务。

广播电视网简介：一个现代有线电视网络及其所提供的服务如图4-23所示，该系统主要由光线信号发送器、线缆调制解调器终端系统、交换机、路由器和用户分配网等组成。有线电视网一般通过Cable Modem来提供宽带连接电脑的网络数据传输服务，最高数据传输速率可达到38Mbps。

现代有线电视网

 

以太网无源光网络

 

广播电视网分类：这里讨论的广播电视网主要指有线电视网。有线电视网按带宽、使用器材、传输手段和结构类型等的不同可分成不同的种类。这里主要讨论有线电视网（Community Antenna Television，CATV）、HFC和下一代广播电视网（Next Generation Broadcasting Network，NGB）有线电视网络。

三网融合：物联网应用在我国各个生产和社会生活领域日益受到重视，这使得人们对高性能物联网传输网络的需求变得越来越迫切，这也间接地促进了三网融合的发展。三网融合是指电信网、广播电视网和互联网在分别进行改造后，所使用的网络通信技术将会接近一致，这一方面可以使彼此网络之间可以互联互通，也可以提供相似的各种信息化服务业务,包括语音、数据和广播等各种服务。这就是说，三网融合并不意味着三大网络的物理的融合，而主要是指高层业务应用集成的融合。

小结：物联网传输网络的主要作用是将物联网网关的实时数据传输的物联网数据服务中心。常见的传输网络包括WiFi网络、移动通信网络、互联网、电信网和广播电视网。本章较详细地介绍了这些网络的发展状况及其相关应用。

*******************  PPT05 物联网数据服务中心    **********************

一般情况下，对于较大规模的物联网应用，物联网数据服务中心与传统互联网服务的数据中心类似。组成物联网数据服务中心的硬件设备包括计算机、服务器、网络设备和存储设备等。

数据服务中心负责存储来自一个或多个网关的实时数据，并对数据进行分析处理、显示及智能决策。有关人员及部门可通过各种手段（微信、短信、语音、电子邮件及浏览器等）随时随地从数据服务中心获得有用信息。数据服务中心还向网关发出各种指令来管理整个物联网网络。在物联网应用中，数据服务中心面临着存储、分析处理海量数据及做出智能决策的巨大任务。

数据服务中心种类：根据物联网应用规模的不同，数据服务中心可以分为网关服务器融合型数据服务中心、局域网数据服务中心、广域网数据服务中心和多级数据服务中心。

网关服务器融合型数据服务中心：对于简单的物联网应用，比如智能家居（图5-1），数据的收集、处理及安全设备的控制都是通过家庭网关来进行的。家庭网关集成了物联网网关和物联网数据服务中心的数据处理、存储、交换和管理功能。在本书中，我们将家庭网关定义为网关服务器融合型数据服务中心。

智能家居网关服务器融合型数据服务中心：

 

局域网数据服务中心：对于一些企事业所建立的较大规模物联网应用，需要处理大量的物联网实时数据，一般需要建立基于局域网的物联网数据服务中心来进行数据处理并提供各种物联网信息服务。如图5-2所示，基于局域网的物联网数据服务中心一般包括中心路由器、交换机、接入交换机和服务器群。数据服务中心实现物联网应用实时信息的聚合，实现各种物联网应用系统的无缝接人和集成，并提供一个可以满足实现各种物联网应用服务的集成化环境。

 

广域网数据服务中心：对于较大范围的物联网应用，其所设计的物联网数据服务中心为广域网数据服务中心。如图5-3所示，分部在大范围内的物联网网关通过广域网将实时数据汇集到数据服务中心。数据中心的各种数据和服务可以提供给分支机构数据用户和移动数据用户。

物联网广域网数据服务中心：

 

多级数据服务中心：对于很多大规模大范围的物联网应用，比如全国河流水资源污染实时监控应用系统，可建立多级别数据服务中心来保障物联网实时信息服务的高效稳定运行。如图5-4所示，不同级别的数据中心之间通过互联网、移动网络或电信网连接起来。

对于多级物联网数据服务中心，可实现对物联网数据的集中与分布式的标准化管理。

 

空气质量实时监控多级别数据服务中心

 

数据服务中心实时数据接收及处理：对于数据服务中心而言，其要实时接收来自不同网关的各种数据，并将这些数据存储到数据库，一般包括单网关数据接收及处理、多网关数据接收及处理和多级服务器数据接收及处理。

单网关数据接收及处理：一些简单或局部的物联网应用所涉及的数据服务中心较简单，一种情况是将物联网网关和数据服务中心融合为一体。如图5-6所示，对于网关数据中心融合型的物联网应用，网关本身同时要完成数据收集、数据处理、数据显示及设备控制的任务，形成简单的物联网应用，比如智能家居系统。

 

多网关数据接收及处理：多数情况下，在常见的较大规模的物联网应用中，数据服务中心需要接受来自多个数据网关的数据。在大规模物联网应用中，每一个网关管理一个监控区域的的各种监控节点，负责该区域数据的收集、传输和设备的控制。同时，多个网关向同一个数据服务中心发送数据。如图5-8所示，利用物联网技术对葡萄园进行监控，在较大范围内布置多个物联网网关，每一个网关管理多种传感器节点，组建无线传感网，采集环境参数；然后物联网网关，通过3G通信技术将葡萄园实时数据传输至远程数据服务中心。

 

多级服务器数据接收及处理：如图5-9所示，在多级别物联网数据服务主中心体系中，最高级别的数据服务中心可以成为主中心，而其它较低级别的物联网数据服务中心可成为分中心。

主中心和分中心之间通过互联网或专用网连接,按照要求，分中心不断将自己的数据发送到主中心或上一个级别的分中心。在主中心和分中心中，所使用的主要硬件设备及相关软件系统包括数据交换服务器、实时数据接收处理系统、监控系统和交互分析系统等。

多级数据服务中心数据收集和处理：

 

数据服务中心信息化服务：物联网数据服务中心对海量的物联网数据进行存储、智能化处理，来形成各种有价值的物联网信息化服务，以达到服务于经济和社会发展的目的。典型的物联网信息化服务包括实时监测服务、定位跟踪服务、报警联动服务、自动化处理服务、反向控制服务、远程维护服务、统计决策服务和信息安全服务等。

小结：物联网数据服务中心是物联网应用中最重要的组成部分。海量物联网数据的存储及智能化数据处理，基本上都是由物联网数据服务中心来完成的。本章首先介绍了常见的物联网数据服务中心种类，它包括网关服务器融合型数据服务中心、局域网数据服务中心、广域网数据服务中心和多级数据服务中心。接着介绍了数据服务中心所涉及的实时数据接收及处理。最后，简单介绍了物联网数据服务中心可以提供的实时信息化服务。

*******************    PPT06 RFID信息系统设计   *************************

随着RFID技术的发展和RFID应用系统的推广，RFID设备在各方面的性能得到了快速的提高。同时，RFID设备的成本也逐渐下降。可以预见，随着物联网应用的更加深入，RFID技术在未来将得到更加广泛的跨区域和跨行业的应用。目前，主要的RFID应用分为四种类型。第一，简单RFID射频技术应用，比如门禁管理。第二，涉及复杂通信网络的RFID应用，比如公共运输和物流跟踪及管理。第三，智能家居型RFID应用，比如智慧冰箱和智慧厨房。第四，其它各种具有创意的RFID应用，比如多媒体旅游向导和智慧问答等。

RFID信息系统简介：如图6-1所示，RFID信息系统包括主机、读写器、天线、无线射频（频谱）和标签。当标签进入磁场后，接收读写器发出的射频信号，凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息。读写器收到信息并解码后，送至主机进行有关数据处理，这包括将处理后的RFID标签数据发送给一些大型的RFID应用系统

 

RFID信息系统背景：RFID信息化管理系统的应用有较长的历史。2003年6月，在零售贸易展中，沃尔玛当时的信息主管（Chief Information Officer，CIO）Linda Dillman对听众说，沃尔玛将要求供应商必须在2004年，在他们的商品中粘贴有RFID标签,而且，2006年之前，所有的供应商必须都这样做。 2010世博会在上海举行时，展览会的组织者在很多方面使用了大量的RFID射频技术，建设了一个高效的实时管理信息服务系统。这个系统不但对大量的展会组织者、参展商、参观者、志愿者等各种各样的人进行了安全有效的管理，该系统还提供了交通管理、信息查询、票证防伪等快捷有效的信息化服务。

RFID信息系统功能：近年来，随着物联网技术在各个领域的应用，人们对于物体的定位、跟踪及溯源变得越来越感兴趣。基于RFID射频识别技术的定位和跟踪管理信息化系统的建设，也越来越引起人们的重视。同时，这些系统在经济、社会生产及生活的各个方面也起到了积极的推动作用。RFID信息系统的功能包括固定场所人员定位跟踪管理、资产定位跟踪管理和仓库管理 。

RFID信息系统分类：根据RFID技术应用规模的大小和数据服务中心的复杂程度，可以将RFID信息系统分为简单的RFID信息系统、大型RFID信息系统和复杂RFID信息系统。

基于RFID的门禁系统

 

RFID仓储管理系统拓扑图

 

基于RFID技术的食品安全追溯监控平台

 

RFID标签选取与设计：对于不同的RFID信息系统应用，使用的RFID标签的种类和功能各不相同。为了充分发挥RFID信息系统的功能及保障信息系统的稳定运行，可选取或设计不同的RFID标签。

RFID标签选取：首先，在购买超高频标签时，必须了解UHF RFID标签的重要参数，比如标签的大小、所使用频率、存储空间、封装材料、读写距离及应用范围等。第二，在选择电子标签时，用户不要盲目追求低价格的产品，要选用最适合完成高性能项目的电子标签。第三，RFID项目的建设及管理人员，应该注意RFID技术不是万能的，在使用RFID技术的同时，必须结合管理流程的改造，才能真正取得实效。因此，在购买电子标签时，用户必须多多咨询RFID信息系统集成商。

RFID标签设计：一般而言，RFID标签的主要组成部分包括微处理器、无线收发单元和电源单元。RFID标签的设计主要包括芯片设计、天线设计、标签的封装设计等。设计RFID芯片时需要注意芯片的功耗设计、标签芯片的存储设计、防碰撞算法设计、电路技术设计和芯片安全技术设计等。RFID标签天线的设计对于生产高性能的电子标签是很重要的。设计电子标签时，还要注意天线的结构优化技术、多标签天线优化分配技术、智能波束扫描天线阵列技术等。

RFID读写器的选取与设计：对于不同的RFID信息系统，其要实现不同的物体识别和跟踪功能，对所使用的RFID读写器的功能要求也有所区别。根据不同的RFID应用，需要选取或设计不同的RFID读写器。

RFID读写器选取：RFID读写器作为RFID应用系统的重要组成部分，针对不同的项目，选择合适的RFID读写器，将对于项目的顺利实施和降低成本起着积极的作用。 在选取RFID读写器时，还应该根据物联网应用的不同，进行合适的外观设计。对于数据处理量不大的RFID应用，由于应用环境相对简单，可以选择外观较小的RFID读写器。

RFID读写器设计：这里我们简单介绍一种新型RFID读写器的设计过程，其包括读写器硬件结构设计、主控模块设计、收发模块设计；读写器系统软件设计；防碰撞程序和读写器接口设计。

RFID读写器硬件系统结构框图

 

读写器接口设计

 

RFID数据的收集及发送：针对不同的RFID信息系统，RFID标签数据的收集和发送的具体情况也各不相同，下面从简单的RFID信息系统和复杂RFID信息系统两个方面来介绍应用系统的数据收集及发送。

简单信息系统的RFID数据收集及发送：典型的RFID系统主要由读写器、电子标签、中间件和应用系统软件组成，简单的RFID系统涉及一个或多个RFID读写器，多个读写器通过局域网或RS-232/485串口和一台主机进行数据交换。RFID数据的交换包括收集、传输及处理。这里以汽车衡自动计量系统来描述简单RFID系统的数据收集及发送过程。如图6-13所示，称重系统和远程RFID自动识别技术结合起来可以实现车辆无卸货自动称重。

 

复杂RFID数据收集和发送：如图6-14所示，复杂的RFID信息系统涉及到很多标签、多个读写器、RFID中间件、数据库和各种基于RFID标签数据的物联网应用程序，比如企业资源计划(Enterprise Resource Planning，ERP)、客户关系管理(Customer Relationship Management，CRM）和仓库管理系统(Warehouse Management System，WMS)。

 

RFID防伪原理：目前，由于传统的安全技术难以真正发挥保障作用，基于射频识别技术的安全防伪已经引起了安全领域的普遍关注。当前，所使用的主要防伪技术包括激光防伪、荧光防伪、磁防伪、温变防伪和特种印刷防伪等，这些技术起到了一定的安全保护作用。

但到目前为止这些防伪技术还不完善，未能有效地防止假冒行为。 RFID防伪技术采用了微芯片防伪技术，因此很难伪造。同时，RFID射频防伪技术还可以拥有独特密码，密码可以是一次性使用的，这保障了防伪信息的机密性。

RFID防伪案例：1. 二代身份证防伪2. 火车票及门票防伪3. 药品防伪4. 酒类防伪

RFID酒类防伪系统消费者验证环节

 

RFID 医疗应用：在医院里，我们经常可以看到挂号或付费窗口排很长的队。这在传染病爆发的高风险的情况下，长时间排队容易造成传染病发生交叉感染。当采用基于RFID电子标签的病例时，可以大大降低医院的挂号及付费时间。当病人挂号时，通过RFID读写器可快速读取电子标签中的病人的相关信息，并将信息输入到计算机中进行显示出来。以前需要几分钟完成的登记或付费过程，现在需要几秒钟就可以完成。这不但大大节省了患者排队的时间，医院的工作效率也会大大提高。

RFID 门禁系统：门禁系统也被称为门禁控制管理系统，它是一种利用信息技术、电子技术与机械锁有机地结合在一起所建立的自动控制系统。如图6-18所示，基于RFID射频识别技术所建立门禁系统由软件管理系统、控制器、RFID读写器和电子锁等组成。员工持有效的RFID卡靠近RFID读写器，如果员工的RFID卡有效，门禁自动控制系统就可以打开电子锁让员工通过。

 

附带短信提醒功能门禁管理系统业务流程

 

RFID 物流应用：随着经济全球化进程的加快，现代物流与经济发展的重要性逐渐为人们所认识，在未来的市场竞争中，企业的竞争力很大一部分体现在供应链的管理上。

信息的准确性和及时性是物流和供应链管理的关键，这是RFID技术最突出的优势。

一个基于RFID EPC标准的物流跟踪管理系统如图7-20所示，这个系统主要由读写器、中间件服务器、ONS服务器、产品电子代码信息服务 (Electronic Product Code Information Service, EPCIS)服务器和应用服务中心组成。

 

RFID交通运输应用:一般而言，将先进的RFID射频技术、通信技术、数据处理技术、网络技术、自动控制技术和信息化技术有机地结合在一起可建立智能交通管理系统。通过使用智能交通运输管理系统，可改善交通基础设施管理，提高交通信息化服务水平，提高交通运行环境，提高交通运输服务质量。例如，在运输领域，RFID技术可用于公共交通卡自动收费、停车场管理、车辆交通信息采集及高速公路自动收费等方面。

 

电子不停车收费系统

 

基于RFID 智能校徽的考勤系统网络拓扑图

 

**********************   PPT07 传感器信息系统设计    ************************

RFID射频识别技术主要是用来进行物体的识别和跟踪，传感器主要是用来监控物体的实时状态信息。对于一些特定的物联网应用，它主要是利用各种传感器技术及通信技术来建立传感器信息系统，实施对特定物体的实时状态信息监控。这些物联网应用包括工业生产自动化、智能家居、海洋探测、大气污染监控、水污染监控、医学诊断和文物保护等。本章主要对传感器实时信息系统的设计进行相关介绍。

传感器信息系统介绍：利用传感器及传感网技术，对感兴趣的物体或环境进行实时监控，将传感器收集到的大量数据传输到数据服务中心，存储到大型数据库，然后对数据进行智能化处理和显示，形成传感器信息系统。对于具体的应用来说，传感器实时信息系统是一个传感器数据采集、共享、处理、可视化及查询的统一平台。该平台对传感器实时数据来做分析，把智能信息提取出来并通过不同的手段实时传给用户。

传感器信息系统概述：如图7-1所示，一个简单的传感器信息系统由三个主要的功能模块组成，它们是传感器信息收集功能模块、传感器信息处理功能模块和用户模块。传感器信息收集模块一般是指传感器信息系统中的网关设备和与其相连的各种传感器进行数据交互。 用户以有线或无线的方式连接到传感器信息系统，获取经过智能化数据处理所得到的变化曲线、数据报告或警报。

传感器实时信息系统组成：

 

基于各种传感器的空调系统监控

 

传感器信息系统分类：传感器信息系统可以按照不同的分类方式进行。按照应用领域的不同，可分为工业应用传感器信息系统、农业传感器信息系统、智能家居传感器信息系统和安全监控传感器信息系统等。按照传感器信息系统的复杂度进行分类，可分为简单传感器信息系统和复杂传感器信息系统。

库房温湿度监控系统

 

森林火情监测预警系统

 

基于复杂传感器信息系统的智能机器人

 

传感器的选取与设计：传感器信息系统是一种重要的物联网实时信息系统之一，根据不同的物联网应用，可以选择或设计不同结构及性能的传感器，用于监控人们感兴趣的物体或环境状态。

传感器选取：传感器的结构原理各不相同，根据特定监控目的和具体的监控环境，可以选取合适的传感器。当确定某些传感器后，测量方法和测量装置也可以被相应地确定。测量结果的成功与否，在很大程度上取决于被选取的传感器是否合理。一般而言，选取传感器时，需要考虑很多事项，但有时不能满足需要的所有事项，往往要根据实际使用传感器的目的、所要达到的目标、传感器的使用环境等，划分不同的优先选择级别来进行合理的传感器选择。

传感器设计：传统的传感器技术已经达到了极限，其性能和价格也都大致保持在一定的程度。

传统的传感器所存在的问题包括以下几四方面。第一，传统传感器结构尺寸较大，其在时间和频率上的响应较差。第二，很多传感器的输入输出特性是非线性的，存在时漂现象。第三，传感器的测量结果易受环境条件的变化和漂移的影响。第四，很多传感器的信噪比低，易受噪声干扰。

智能传感器的发展阶段：

内嵌微处理器智能传感器的基本结构

 

传感器数据收集及传输：传感器数据的采集是通过网关来进行的，可以采集模拟信号和数字信号数据。传感器信息系统发给网关的命令主要包括数据采集命令和启动停止命令。采集命令可设置各个传感器采集的频率，启动停止命令控制采集的启动和停止。当收到启动命令后，控制器开始根据相应的采集频率采集各个传感器的数据，接收到停止命令后停止采集数据。

简单传感器信息系统数据收集及发送：简单的传感器信息系统主要用来管理较小的区域，一般只涉及到一个服务器、一个网关和一定数量的传感器。有时传感器和网关会融合在一起形成一个融合性智能网关设备。另外，服务器和物联网网关也可以融合在一起形成一种独立的传感器管理系统。对于简单的传感器信息系统，网关直接通过有线（RS-232、RS-485、RJ-45）或无线（WiFi、ZigBee、蓝牙）方式从传感器获取数据，在对数据进行初步处理后存入到网关的嵌入式数据库。

复杂传感器信息系统数据收集及发送：一方面，复杂传感器信息系统主要用来管理较大区域，且完成复杂的监控任务，一般涉及到一个或多个服务器、多个网关和大量的传感器，比如森林火情监测预警系统等。另一方面，复杂传感器信息系统还指那些需要依靠很多传感器的数据融合来完成复杂的智能决策的系统，比如机器人系统等。对于复杂的传感器系统，每个网关收集来自大量传感器的数据，并将数据实时发送到数据中心。数据中心的服务器往往需要利用多线程编程来实现同时接收来自多个网关的大量实时数据。

传感器信息系统应用：常见的传感器信息系统应用领域包括军事侦查、工业自动化、智慧农业、城市数字化管理、环境监测、抢险救灾和危险区域远程控制等。随着传感器技术的快速发展，传感器信息系统在各个领域的应用也受到了广泛的重视。当今世界已经进入实时信息时代，传感器的数据采集、传输和处理技术也越来越成熟，各种基于传感器信息系统的应用也被不断开发出来。传感器信息系统集成了传感器设计及制造技术、嵌入式计算技术、无线局域网和移动通信技术。

矿井安全监控系统：

 

工业大气排污监测系统：

 

水污染监测系统

 

楼宇防火监控系统

农业大棚智能监控系统

森林防火监控系统

 

 

 

 

小结：传感器信息系统是物联网应用信息系统的重要组成部分。本章首先对传感器信息的背景及分类进行了简介。传感器是建立信息系统的重要设备，本章对传感器的选取与设计进行了一定的介绍。同时，在传感器信息系统建立的过程中，传感器数据收集及传输是建设应用系统的核心部分，该部分涉及到传感器信息系统的稳定性及可用性。随后，介绍了主要传感器信息系统的应用，这包括矿井安全监控系统、工业大气排污监测系统、水污染监测系统、楼宇防火监控系统、农业大棚智能监控系统和森林防火监控系统。

***************    PPT08 M2M信息系统设计    ******************

当前，物联网应用所涉及的信息化系统包括基于RFID技术的信息化系统、基于传感器的信息化系统和基于M2M技术的信息化系统。RFID信息系统主要通过RFID标签，来对人们感兴趣的各种物体的身份进行相关的管理。传感器信息系统主要是通过使用各种传感器，来实现对人们所感兴趣的物体本身的状态信息或所处环境的信息进行实时监控和智能化管理。

本书所讨论的M2M信息系统，主要是利用各种仪表、继电器和执行器来实现人们感兴趣的各种机器设备之间的信息交换、设备监控和管理。本章主要对M2M信息系统的设计进行相关的介绍。M2M信息系统的建设可以实现很多领域的智能化管理，诸如车辆管理、水污染检测、码头物流管理以及贵重物品管理等

M2M信息系统简介：M2M信息系统涉及到4个重要的组成部分，它们分别为机器、M2M网关、通信网络和数据服务中心。要建立高效的M2M信息系统，这四个方面都要功能完整，相互协调。第一，要使机器具备信息感知、信息加工和通信能力。第二，M2M网关可以对所获取的信息进行初步的融合处理，并能够通过WiFi、3G或以太网传输到数据服务中心。第三，M2M网关使用通信网络，将信息传送到数据服务中心。第四，数据服务中心与其它系统进行数据交换，并对获得的数据进行加工分析，为决策和控制提供依据。

M2M信息系统概述：当前，许多常见的机器设备没有网络通信能力，这些设备包括工业设备、仪器仪表、家用电器、汽车和自动售货机等。M2M的目标是使所有的机器设备具有网络通信能力，实现设备与设备之间的沟通。

基于MD-609G的M2M信息化系统应用实例

 

M2M信息系统功能：一般而言，利用M2M信息系统可以实现远程监测和控制、物流管理、资产跟踪和供应链管理等功能。M2M技术应用的领域很广，只要人们能够想象得到的信息化应用，都可以通过M2M技术来实现。以智能家居为例，使用无线M2M技术可建立远程家居照明控制及安全监测系统。通过智能手机，在任何时间及任何地点都可以实现家庭温度、湿度和空气质量的远程控制。

M2M信息系统分类：根据M2M信息系统中所使用的终端是否可以移动，M2M信息系统可分为移动式M2M信息系统和固定式M2M信息系统。移动式M2M信息系统主要应用于流动性较强的行业中，比如智能交通管理、公安移动执法、海关移动巡查、移动税务管理、移动医疗和智慧物流等。固定式M2M信息系统适用于一些装备固定式M2M网关的信息化应用，这些固定的网关可以通过3G、4G或卫星通信网络进行数据传输和设备远程控制，这样可以完成重要设备无人值守的任务。

M2M相关数据收集及传输：在M2M应用中，M2M网关利用传感器或仪表从机器当中将数据取出，在进行一定的处理后，将数据通过不同的通信网络，发送到数据服务中心。

M2M数据收集：实现M2M的第一步就是从机器/设备中获得数据，然后把它们通过网络发送出去。从机器中获取数据的方法有两种。 一种是生产设备的时候嵌入M2M 硬件，该硬件可以从机器获取数据，并将数据发送出去。另外一种是对已有机器进行改装，使其能够获取相关数据，具备数据传输能力，将获取的数据发送到数据服务中心。M2M信息系统数据收集是通过M2M网关完成的。

M2M数据发送：M2M网关主要采用嵌入式Linux操作系统，利用3G通信技术将数据发送到数据服务中心。网关的数据通信连接主要使用点对点协议（Point-to-Point Protocol,PPP）方式 ，在网关的操作系统中运行pppd守护进程。网关数据连接主要分为两个步骤:首先通过AT命令激活PPP连接，再利用pppd通过数据端口完成拨号连接。 M2M网关可以通过Internet网络实现数据传输，最终将数据传输到数据服务中心。数据服务中心对接收到的数据按照相应的层次进行解析，并将其存储到数据库中。

M2M信息系统应用：随着物联网应用在各个领域的深入发展，M2M信息系统所带来的好处也显而易见。例如，提高工农业的生产效率、节约能源、减少污染物排放和降低生产成本等。

近年来，M2M信息系统被逐步应用于重要场所或活动的安全监控、自动抄表、自动售货机远程监控、公共交通系统实时管理和工业自动化控制等。

车辆信息服务：如图8-2所示，利用M2M技术所建立的车辆管理系统可以分为3个部分，它们是安装在车辆上的M2M网关、数据传输网络和M2M信息化应用平台。

使用M2M车辆信息管理系统可以实现实时车辆运行监控、实时调度和实时车辆安全监控等一系列功能，可提高运输车辆的可靠性和安全性。

实现车辆实时数据收集、控制及数据传输的装置为M2M网关，该网关一般具有GPRS、3G/4G无线通信模块、摄像头、车载数据采集模块、报警开关和LED显示等。

 

远程自动抄表：当前，人工抄表的缺点包括工作量大、需要专门人员到用户居住地读取电表、经常发生人为错误、无法及时了解不同用户当前的电量使用情况、容易产生“人情电”和“关系电”等。依靠M2M网关建立的远程抄表信息化系统的优点包括不需要专门人员到电力用户处抄电表数据、可避免人为错误、可以准确地控制读表时间、实现电力使用现状的实时分析和管理、可避免抄表系统徇私的情况。一个基于M2M网关的远程自动抄表系统如图8-3所示。M2M网关自动收集很多智能电表、智能燃气表和智能水表的数据，在经过基本处理后，M2M网关使用无线网络将数据传输到数据服务中心。  

 

自助售货机信息服务：随着物联网应用的发展，自动售货机信息服务系统的开发时机也已经成熟。同时，我国的零售市场正在经历第三次革命，这次革命的主题为电子商务平台和自动售货机服务系统。当前，传统的零售商店面临高租金和劳动力成本上升等问题，使用自动售货机可以解决服务业和零售业面临的难题，这也给自动售货机行业带来了光明的前景。

如图8-4所示，将M2M网关嵌入到自动售货机设备当中，可以建立自动售货机信息服务管理系统。

 

可实现手机支付的自动售货机系统网络结构框图

小结：M2M信息系统是物联网实时信息系统之一，在当前物联网应用中起着重要的作用。

本章首先对M2M信息系统以及该系统的主要组成进行了介绍。一个完整的M2M信息系统包括具有感知环境信息的机器设备、M2M网关、传输网络和数据服务中心。常见的M2M信息化系统包括移动式信息化系统和固定式M2M信息化系统；常见的M2M应用包括车辆信息化管理服务、远程自动抄表服务和自助售货机信息服务。

**************  PPT09  复杂数据信息系统设计    *****************

随着传感器技术、RFID技术、M2M技术、计算机技术、互联网技术以及信息处理技术的飞速发展,人们获取实时信息变得更加方便快捷,可以随时对实时数据进行观察处理,以便做出相应的决策。但是随着经济和社会发展的要求的提高,从单一的RFID信息系统、传感器信息系统或M2M信息系统中获取的资源信息已经不能满足人们的需求,人们希望可以随时随地的获取自己需要的各种环境资源实时信息，即实现人与环境之间的交互。为了满足获取复杂信息的需要，很多物联网应用建立了复杂数据信息系统。在复杂数据实时信息系统中，数据来自各种物联网节点，比如 RFID标签、传感器、仪表等，这也涉及到复杂数据的收集、传输、处理及智能决策等。

复杂数据信息系统简介：复杂信息系统是物联网将来发展的趋势，它就是把任何人或物品，通过RFID、传感器、传感网、M2M、全球定位系统、激光扫描器等信息设备，按约定的协议与传统的通信网络连接起来，进行信息交换和共享，以实现远程数据采集和测量、智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络，最终建立成一个功能完备的复杂实时数据信息系统。

复杂信息系统概述：大型物联网应用中涉及复杂实时信息系统的建立。物联网使物体与互联网等各类通信网络相连,获取无处不在的现实世界的信息。从本质上看,复杂的实时信息系统的架构由三个层次组成，它们分别是感知延伸层、网络及平台支撑层和物联网应用层，具体关系如图9-1所示。

 

复杂信息系统分类：根据物联网应用领域的不同，可将复杂信息系统分为工业应用复杂信息系统、农业应用复杂信息系统和服务业应用复杂信息系统等。从服务对象来区分，复杂的信息系统可以分成公共复杂实时信息系统和和专用复杂实时信息系统。

复杂数据网关的设计：物联网网关是建设复杂实时信息系统所需要的关键设备，该设备可以和物联网节点一起完成各种环境数据的实时采集，并将采集的数据在初步处理后传输到数据服务中心。对于复杂的物联网应用，需要设计具有高性能的物联网网关，来满足数据采集和设备控制的需求。

网关功能：复杂信息系统网关的基本组成结构如图9-2所示，它涵盖很多功能及接口模块。主要的物联网网关功能模块包括广域网通信接口模块、和谐控制功能模块、来自不同节点的数据包协议转换模块和物联网网关-节点数据通信接口模块。

复杂信息系统网关的基本组成结构：

 

复杂信息系统被监控物体状态反馈流程图

 

网关系统结构：如图9-4所示，从物联网网关层次结构来看，物联网网关功能模块包括4个层次，分别是感知延伸层、协议适配层、标准消息构成层和业务服务层。物联网网关的层次结构及各层次功能很好地解决了不同物联网节点无法统一控制和管理的问题，屏蔽了底层通信的差异。这可使最终用户不需要知道底层的通信设备的具体细节，就可以实现各种物联网节点的数据采集、配置及设备控制操作。物联网网关各层次间的相互作用过程分析如下。

物联网网关的层次结构

 

复杂数据的收集及传输：复杂信息系统网关是一个具有多种接口的嵌入式计算机设备，其可以收集并处理来自其所管理的各类节点的数据，经过处理的数据可以通过其具有的广域网数据通信接口(GSM、GPRS、TD-SCDMA、TD-LTE、WiFi)，将实时数据传输到IOT数据服务中心。

网关数据处理对于来自不同物联网节点的数据进行统一的管理和操作，能够实现对不同数据源的硬件接入口的自动识别功能。网关数据管理模块实现了对具体的底层硬件操作进行的封装，使得开发过程中难度大大减小，具有更高的稳定性和可靠性。

网关复杂数据收集及发送：在各种物联网应用（智能化医院、智能化工业生产等）中，需要用RFID标签实现重要设备自动识别、信息共享、定位及流动性监控；需要用M2M仪表获得大型重要设备的多种数据（电、水、气的消耗量等其它运行参数)；同时也需要各种传感器来获取不同环境数据，比如温度、湿度、压力、风力、有毒气体（一氧化碳、二氧化硫、二氧化氮、氯气和氨气等）含量、可燃气体（天然气、汽油和煤油等）含量。

网关的实时数据收集实现流程图：

 

网关数据传输主程序流程图

 

复杂信息系统数据接收：复杂信息系统数据传输的客户端是网关，主要由C程序编写实现，而服务器端，使用的是Java应用程序。为了保证数据传输的可靠性，将网络传输部分的实现在线程中实现，数据传输使用TCP/IP协议，主要编程流程如图9-7所示。

Java服务端与C实现客户端之间通信流程图

 

网关多线程发送数据流程

 

复杂数据信息系统应用：物联网复杂信息系统广泛应用于各种经济建设、基础设施建设和国防建设等领域。该复杂系统通过使用各类物联网节点实现对被监控物体周围环境数据的采集及被监控物体本身的识别。在对海量数据分析和处理的基础上，实现智能决策和对相关物体的控制，这可大大提高经济和社会生活智能化管理水平。这里所介绍的复杂数据信息系统应用主要包括智能家居、智能小区、智慧城市、智能农业、智能工业生产、智能交通和智慧医疗。

智能家居：通常意义上的智能家居是指使用计算机技术、网络技术、综合布线技术、传感器技术和设备自动控制技术建立家庭或楼宇智能化管理平台，通过信息管理平台将与家居生活相关的各种设施管理起来。智能家居信息系统的建立需要使用RFID标签、RFID读写器、各类传感器、仪表、继电器和执行器等各种硬件设备，这是一个典型的复杂实时信息系统。

基于ZigBee技术的智能家居系统实施方案

 

智能小区：使用无线传感网、无线射频识别技术、图像识别和定位技术可以设计满足不同需求的智能小区信息化管理系统。如图9-10所示，智能家居信息处理与控制中心由人家电管理子系统、小区安防子系统和公共设施管理子系统组成 。

智能化小区系统构建框架

 

个人家电管理子系统

 

智能小区安防子系统实现

 

公共设施子系统实现

 

基于RFID技术的停车管理模块的业务流程图

 

 

智慧城市：智慧城市的建设需要使用各种物联网技术和相关的硬件设备来建立复杂的信息系统来满足监控和管理的需要。基于复杂信息系统的智慧城市管理系统可用于城市公共安全管理、工业生产监控、环境监测、智能交通、智能小区、公共卫生监控、健康监测、金融和贸易监控等领域。智慧城市可使各种城市资源发挥效益最大化，可以大大促进企业降本增效，提高政府公共服务能力和城市管理效率，它是城市未来发展的方向。

智能农业：智能化农业是一个在相对控制的条件下，进行现代农业生产，从而实现集约的可持续农业发展。智能化农业的实现需要依赖各种传感器、RFID、无线网络、自动化等技术所建立的智能农业实时信息管理平台，该平台的建设依赖于一个复杂的实时信息系统。利用各种物联网技术建立复杂的实时信息系统，实时监测农作物生长环境的空气温度、土壤温度、CO2浓度、空气湿度和光强度等环境参数，依靠对农作物生长环境实时数据的智能化处理，可自动开启或关闭指定的装置。

基于ZigBee技术的智能化养鸡场管理系统

 

智能农业系统解决方案架构

 

智能工业生产：物联网技术的发展将促进传统工业产业结构的调整，促进企业节约能源，提高产品质量，进而提高经济效益。物联网技术将改变生产和管理模式，提高生产和管理效率，增强对我国工业可持续发展能力和国际竞争力。近年来，冶金工业、汽车工业和石化工业中物联网技术应用所产生的经济效益和节能减排效果尤其明显。

智能交通：智能交通系统是指将先进的传感器技术、实时信息技术、有线网络技术、无线网络通信技术、自动控制技术、RFID射频识别技术和计算机技术应用于整个交通运输管理体系,所建立的一种实时监控、控制和信息化管理系统。随着物联网技术的发展，智能交通在我国交通领域也有了较大的进展。

智能交通系统功能模块：

 

智慧医疗：物联网技术在医学领域的应用潜力很大，所建立的复杂信息系统可以帮助医院实现智能医疗和医院的智能化管理。智慧医疗实时信息化系统可支持对医疗信息、医疗设备信息、药品信息和医院相关人员信息的实时数字信息采集，通过各类医疗相关的物联网网关将所采集的数据传输到数据服务中心。该中心对各种海量数据进行智能化处理，并可实现医护人员及病人共享相关医疗信息。同时，使用该系统可实现医院物资管理的可视化、医疗信息的数字化、医疗过程的科学化和医疗服务的人性化。

智慧医疗系统建设案例：利用物联网技术建设智慧医疗信息系统，对实现医疗行业信息化和智能化管理具有重要的意义，所使用的技术包括RFID技术、传感器技术、无线通信技术、数据融合技术和移动互联网技术。这里以一个医院的智慧医疗系统建设为例，介绍智慧医疗系统建设所涉及的主要内容。

智慧医疗信息化系统的层次结构

 

移动门诊输液管理系统

 

消毒供应室管理系统

 

输液监护感应系统

 

小结：当前，很多复杂的物联网应用使用了RFID射频识别技术、M2M通信技术、传感器技术、传感网技术、仪器、仪表、继电器和制动器等技术，这些物联网应用所建立的信息系统为复杂数据实时信息系统。本章在简介复杂数据信息系统的基础上，讨论了复杂信息系统的分类。对于一个复杂的实时信息系统来说，其所使用的物联网网关功能也较为复杂，大多数情况下需要设计特定的网关来满足这些复杂信息系统建设的需要。围绕着复杂信息系统网关的设计，本章讨论了网关系统的结构和其功能设计。同时，也讨论了基于网关的复杂数据的收集和传输。最后，本章介绍了基于复杂数据实时信息系统的典型物联网应用，这包括智能家居、智能小区、智慧城市、智能农业、智能工业生产、智能交通和智慧医疗。

*******************  PPT10  物联网设备管理    **********************

随着各种物联网实时信息系统在不同领域应用规模的扩大，所涉及的物联网设备越来越多。这些设备包括物联网节点、物联网网关、物联网传输设备和物联网数据服务中心核心网络设备及服务器等。为了物联网实时信息系统的稳定运行，必须对它们所使用的各种物联网设备进行有效管理。

节点管理：目前，物联网节点各种各样，节点设备的生产厂家和型号也不相同。一般情况下，需要对物联网节点的档案进行有效管理，这将有助于节点设备的采购、安装、运行、维护和故障排除。

节点档案：物联网节点的档案所收集的相关信息包括厂商、设备参数、设备序列号、位置和状态等。对物联网节点建立管理档案，实行编号管理，建立在册、使用、损坏、维修和销毁台账。台账中要注明节点编号、使用时间、使用地点、专职使用人员等信息。在物联网应用系统运行过程中，如发现节点丢失现象，要立即追查到相关责任人。

故障管理：物联网节点与能源供应由于正常或非正常损坏，而不能正常运转或停止工作在5分钟以上，称为节点故障。物联网节点在使用过程中，有时会发生各种各样的故障，有效的故障管理，将会充分发挥节点的功能，为物联网实时系统的平稳运行做出贡献。故障管理包括故障停工记录管理、节点故障处理记录和故障统计等。故障分析是指技术人员对设备故障的机械/电气等功能及故障进行分析。

物联网节点维护：物联网节点维护人员必须由专业培训、考试合格后方可持证上岗。到岗后仔细查看收发记录并检查物联网节点有无损坏、失爆等问题。严格按岗位作业标准和调校操作规程及时认真地进行维护和校正，确保修理的节点合格。对于物联网应用中的关键节点，要每隔一段时间进行一次检查和维护，并根据实际情况来对节点的参数进行调整，这些参数包括报警值、功率值和调零等。

网关管理：物联网网关，在未来的物联网时代将会扮演非常重要的角色，它将成为连接感知网络与传统通信网络的纽带。作为网关设备，物联网网关可以实现感知网络与通信网络，以及不同类型感知网络之间的协议转换。网关本身相当于一个具有较强计算能力的嵌入式电脑。

随着，物联网应用规模的逐步扩大，物联网应用所涉及的网关的数目也越来越多。高效的网关管理，有助于保障物联网实时信息系统的高性能运行。

网关档案：网关作为嵌入式计算机系统，可分为4层，它们分别为硬件层、驱动层、操作系统层和应用层，网关的档案管理可以从这四层来描述。

网关故障管理：对物联网网关进行有效管理是很重要的，这有利于网关的安全高效运行。

物联网网关一般在相对恶劣的环境下工作，对环境温度、湿度、供电电压、平稳性和通风性能等要求比较高。如果网关的工作环境达不到要求，网关的相关硬件容易出现故障，会导致网关的一些硬件出现问题。比如，一旦网关磁盘损坏，会造成大量数据记录损失。如果控制软件不能够正常运行，而且短时间无法修复，这会带来巨大的经济损失。

传输设备管理：在物联网应用中所涉及的传输设备包括各种路由器和交换机。对于局部的物联网应用，所涉及的传输设备较少，这些设备多为局域网设备。对于大型的物联网应用，它涉及到的传输网络可以是互联网、电信网及广电网中的一种或几种，设备较为复杂。

传输设备档案：传输网络设备管理指对接入网络的通信主干设备、公共服务器、计算机等设备的运行管理，主要包括设备命名管理、设备标签管理和设备配置管理。

传输设备故障管理：对于物联网传输网络而言，针对交换机和路由器进行的故障管理是传输网络管理的基本功能。对于物联网应用而言，希望有一个可靠的实时数据传输网络。当物联网网关不能向数据服务中心传输数据时，网络管理员必须尽快找到故障并加以排除。由于网络故障的原因往往是很复杂的，需要仔细分析网络数据传输失败的原因。同时，需要详细记录故障分析及解决故障的详细过程，并采取合理的措施以防止此类故障再次发生。当网络或系统出现故障时，管理人员可以借助各种工具进行网络故障分析，并及时解决网络故障，避免产生重大损失。

传输设备维护：传输设备维护是保障物联网正常运行的重要方面，主要包括传输设备故障与维修、传输设备升级和广域网接入管理。

数据服务中心服务器管理：物联网数据服务中心除了很多交换机及路由器等网络设备外，还有各种各样的服务器设备。数据服务中心的服务器所指的是硬件设备和在硬件上运行的软件系统的总和。服务器的硬件设备是一些具有多核CPU、大量内存和很大硬盘存储空间的高性能计算设备。软件系统是指网络操作系统及系统中运行的文件服务器、数据库服务器、Web服务器和应用服务器等。与普通台式电脑相比，服务器对稳定性、安全性和性能等方面的要求也更高。有效的服务器设备管理，对保障稳定可靠的物联网实时信息系统运行具有很重要的作用。

服务器档案：服务器档案管理包括对服务器所涉及的硬件结构、服务器平台操作系统及服务器软件等建立详细的档案，这将有助于保障服务器的稳定和高效运行。

服务器故障管理：对于每次遇到的故障，及解决故障的详细过程进行记录，这将有助于提高故障的解决速率和水平。

服务器维护：物联网数据服务中心服务器硬件维护跟软件维护具有同等重要的地位。

硬件维护一般而言包括增加一些硬件设备、更换一些电源设备、更换一些散热设备、除尘设备更换和更换防火墙等。软件系统维护的是服务器维护的大量工作所在。服务器部分维修一般包括操作系统的维护、网络服务的维护、数据库服务器的维护和Web服务器的维护等。作为服务器软件的日常管理及维护，入侵检测是一项重要的内容。

小结：物联网设备的正常运行对于物联网实时信息系统的高效安全运行至关重要。要保障物联网设备的较好运行，就需要对物联网设备进行有效管理。本章分别从物联网节点、网关、传输网络和数据服务中心四个方面讨论了物联网设备管理。具体管理内容包括节点档案、节点故障管理、物联网节点维护、网关档案、网关故障管理、传输设备档案、传输设备故障管理、传输设备维护、服务器档案、服务器故障管理和服务器维护等。

******************    PPT11 物联网网络管理   **********************

物联网实时信息系统所涉及的网络包括物联网节点网络（传感网）、传输网络和数据服务中心网络。物联网网络管理的任务是对物联网相关网络进行实时监测、准确记录各种物联网设备使用网络资源的性能和使用情况。在对监测数据进行智能化处理的基础上，对物联网网络进行有效管理，为用户提供较高水平的物联网信息服务。

节点网络管理 ：物联网节点网络主要指无线传感网，它是由固定的或移动的无线传感器所组成的一个多跳的自组织模式的无线传感网。节点网络用来监测环境信息，将收集的所覆盖区域的各种环境信息通过传感网，将该数据发送到物联网网关。传感网管理技术是无线传感网良好运行的保证，可以帮助传感网完成各种灵活的、有效的和可靠的监测任务，能满足实时传感网信息建设的需求。与传统的计算机网络相比，无线传感网大都部署在人迹罕至的地方，它们的应用受到一些条件的限制，比如环境恶劣、电力资源匮乏和传感器节点动态变化较大等。这使节点网络管理变得更为重要，它是一个大规模无线传感网良好应用的有力保障。

传感网节点能耗管理：传感网管理的主要任务是对传感网节点的功耗的进行管理，这同节点的节能技术、休眠技术、降低发射功率技术、节点休眠/唤醒机制的技术密切相关。例如，一个无线传感网能耗管理所使用的机制为节点休眠调度机制，使用该机制可使节点交替工作，并能够保证传感网覆盖所有的监控区域。这可以达到既节约能源，又能完成区域监控的目的。

传感网资源与任务管理：无线传感网的资源非常有限，主要是供应传感器节点工作的电力能源有限、节点之间的传输网络带宽有限和传感器节点的计算和存储能力有限。很多传感器节点使用电池供电，一旦电池能量耗尽，传感器节点将不能工作。因而，通常在使用过程中电池需要充电或更换电池。对于传感器的计算能力，由于传感器节点体积小、成本低、价格低廉等特点，生产传感器节点所使用的芯片和内存性能较低，其计算能力和存储空间也较低。

传感网数据管理：无线传感网的数据管理就是对传感器节点相关的数据进行优化和处理，达到节约传感网有限资源的目的。传感网的数据源以不同的方式、不同的规模和不同区域的分布变化。连续的数据在无线传感网的工作时间和数据传输是很难预测的，需要提供连续的可查询功能，来降低能耗和自动适应数据流的变化。常见的传感网数据管理系统包括TinyDB、Cougar和Dimensions。

传感网维护 ：经常且定期对传感网进行维护，有助于及时发现并解决传感网所存在的问题，有助于保持合理的传感网拓扑结构，有助于数据的收集和传输。要实现对网络结构的维护，首先需要对传感网的拓扑结构进行监控，发现结构异常并采取有效处理措施。传感网信息管理可以把数据收集模式和网络监控模式组合在一起。通过监测网络结构的变化，及时进行网络拓扑信息的更新，并调整现有网络拓扑结构。传感网监控是从网络的网关节点开始进行，当路由节点检测到它的子节点加入或退出时，将把子节点的状态变化信息传输到网关。

网关接入网管理：物联网网关接入网是指骨干网络到网关之间的所有设备。其长度一般为几百米到几公里。物联网网关接入网络的接口包括网线接入、光纤接入、光纤同轴电缆混合接入、无线网络接口接入和以太网接入。物联网实时信息系统对网关接入网络的管理还包括对移动通信接入网络的管理、WiFi接入网络的管理、以太网接入网络管理和复杂高性能接入网的管理。

WiFi接入网络管理：在物联网应用中，无线网络是重要的传输网络。无线局域网弥补有线局域网的不足，可在特殊区域替代由铜导线组成的有线局域网，提供便利的数据传输方式。无线局域网利用电磁波发进行数据的发射和接收，没有使用电缆介质的需要，避免了麻烦的施工需求。无线局域网的数据传输速率可以达到300-600Mbps。利用大功率天线，无线传输距离可以达到20公里，是对有线联网方式有效延伸和补充。

移动通信接入网络管理：随着物联网应用和移动通信的发展，物联网网关越来越多地利用移动通信网络作为物联网实时数据传输网络，将数据由网关传输到数据服务中心。常见的移动互联网接入方式有三种。第一种方式为使用CDMA无线数据卡，通过个人电脑储存卡国际联盟(Personal Computer Memory Card International Association，PCMCIA)接口，通过插槽插入笔记本电脑，然后连接上网进行数据传输通信。第二种上网方式为通过无线猫USB接口的方式上网，进行物联网数据传输。即购买与移动卡分离的具有USB接口的CDMA无线猫，将无线猫的USB连接线插入电脑的USB接口，然后就可以使用广域网进行数据传输。第三种上网方式为PC机+3G手机进行上网。在我国，最为广泛使用的2G、3G通信网络为GSM、CDMA2000、TD-SCDMA和WCDMA网络。

以太网接入网络管理：物联网网关的另外一种传输网络接入方式为有线以太网。以太网连接一般包括电信ADSL连接和局域网连接两种方式。ADSL为非对称数字用户线连接，是一种基于电信猫的广域网数据连接方式。如图11-1所示，通过ADSL调制解调器，物联网网关可以使用Internet，将数据传输到数据服务中心。

物联网网关ADSL接入网络

 

物联网网关局域网接入网络

 

高可用性网络管理：随着物联网实时信息系统应用规模的扩大，和对经济及社会发展越来越大的重要性。同时，对物联网网关数据传输的可靠性要求也越来越高。一般来说，对于重要的网络，需要可以躲过地震、洪水和其它自然灾害，并确保物联网网络具有安全和快速恢复的能力。这就需要物联网网络管理人员制定一个可执行的物联网网络保护方案和一个灾难恢复计划，使物联网相关网络具有高可用性、可靠性、高质量和低维护成本。

服务器网络管理：在物联网数据服务中心中，根据物联网实时信息系统的规模，存在着一个或多个服务器。同时，也有支持这些服务器之间数据交换，及服务器同外界之间进行数据交换的网络。对这些网络进行有效管理，可以保障物联网实时信息系统的稳定可靠的运行。服务器网络的管理包括单服务器网络管理、数据服务中心网络管理和多级服务器网络管理。

单服务器网络管理：一般而言，对于简单物联网应用，比如智能家居信息系统，它一般由一个家庭传感网、一个网关和一个服务器组成。如图11-3所示，单服务器同其它通信设备共用一个简单的局域网。

简单物联网应用系统的单服务器网络

 

数据服务中心网络管理： 对于大型物联网实时信息系统，它的数据服务中心中有多种服务器。数据中心可以实现高效的数据交换，实现信息系统的高可管理性和高可用性，保障了物联网信息服务业务的顺畅运行和服务的及时传递。如图11-4所示，一个典型的物联网数据服务中心常常包括接入网交换机、核心网交换机和服务器群等。组成数据服务中心的设备包括大型服务器群、交换机和接入网交换机。数据服务中心的各种硬件设备一般都是冗余的，当其中某些设备的端口或部分设备坏掉后，仍可以支持数据服务中心正常运行。

典型的物联网数据服务中心结构

 

多级服务器网络管理： 对于跨区域的大规模物联网应用，其所涉及的数据服务中心多为多级结构数据服务中心，这些数据服务中心覆盖的地域很广。如图11-5所示，多级数据服务中心的地位是不相同的，有等级之分，下层的数据服务中心受上层的数据服务中心的有条件控制和制约。每个数据服务中心管理一定区域的物联网数据，具有自治性。可向本地客户提供完整的物联网实时信息服务。多级数据服务中心体系结构只在上下级之间建立物联网数据的发布和订阅机制，同级数据服务中心之间没有直接的发布和订阅机制。

大型跨区域物联网多级数据服务中心

 

小结：和物联网应用相关的网络包括物联网节点网络（一般为无线传感网）、物联网网关接入网、物联网数据传输网络和物联网数据服务中心网络。对于很多物联网应用，因为其使用公共的互联网、广播电视网或移动通信网络做为传输网络，而这些网络的管理并不是由物联网应用服务提供者所掌握；因而本章所讨论的物联网网络的管理并不包括对互联网、广播电视网或移动通信网络等传统网络的管理。本章讨论的网络的管理只包括物联网节点网络管理、网关接入网管理和服务器网络管理的内容。

*******************   PPT12  物联网安全管理   ********************

物联网作为一种新的实时信息系统，当然也存在信息安全的问题。由于很多物联网应用大都涉及到攸关国计民生的产业，如果其遭遇到严重的安全攻击，所造成的结果将是灾难性的。

本章所讨论的物联网的安全管理包括节点安全管理、网关安全管理、传输网络安全管理和数据服务中心安全管理。

节点安全管理：物联网与传统的网络相比，物联网节点往往被安装在无人值守的环境中来进行恶劣环境下的实时数据的采集和传输。由于缺乏对物联网节点的有效监控，使得这些节点变得更脆弱，面临更多的安全威胁。

节点物理安全管理：物联网节点处于物联网的感知层，这些节点设备直接和各种物理环境接触。常见的典型物联网节点包括RFID设备、有线和无线传感器、摄像机、GPS接收仪、激光扫描仪和各种仪表等。 被监控的设备大多部署在无人值守的地方来完成任务。

这导致攻击者可以很容易地接触这些被监控的设备，极可能对传感器或RFID设备进行损坏。

节点物理安全管理的目的是保护物联网节点的硬件和通信链路不被自然灾害和人为破坏或窃听。这就需要采取各种手段，比如锁、摄像头和电网等，来对物联网节点进行保护。

节点功能安全：这里我们通过物联网的传感网节点来讲解一下物联网节点的功能安全问题。

在受到攻击的情况下，一些传感网节点会表现出自私的行为，它们为了节省自己的能量，拒绝提供数据包转发服务，使整体传感网网络性能下降。对于基于传感网的物联网应用，传感网大都是由多种类型的传感器组成的，所收集的数据具有多样性、复杂性和实时性等特点，非常容易受到各种安全攻击。对于正常的传感网，很多节点作为中继节点和路由节点需要完成传感网数据接收和转发的任务。攻击者所使用的伪装节点可拒绝特定的数据转发，并将这些消息丢弃，使这些数据包无法传播。

节点信息安全：物联网节点可遭受到的威胁包括信息传输威胁和信息篡改威胁。

加强物联网节点的信息安全，可采取多种保护技术，这包括防火墙技术、病毒防治技术、访问控制技术和容侵容错技术。物联网感知层节点和设备部署在开放的环境和开放的电力供应环境下，并且由于节点和设备的处理能力和通信的范围是有限的，而没有对节点的数据传输进行高强度的加密操作，导致物联网节点的数据传输缺乏复杂的安全保护能力；

这也会导致传感网中数据传输的中断，传输的信息被窃听、被伪造或篡改。

无线传感网安全：无线传感网是特殊的物联网节点群体，传感网中所有传感器节点收集到的数据汇集到物联网网关，在网关将数据初步处理后，发送到物联网数据服务中心。

由于无线传感网中的节点大都使用电池供电，其计算能力有限，很难使用高级的安全技术来保障传感网的数据传输安全和正常的网络通信安全，这也导致传感网很容易受到各种安全攻击。比如，攻击者可以攻陷某一个传感网节点，然后再控制该节点实行路由协议相关的攻击，比如：伪造路由信息和选择性转发等，从而使得整个传感网不能够进行正常的数据传输。

网关安全管理：物联网网关在物联网应用系统中具有承上启下的作用。一方面，网关直接通过物联网节点进行数据的收集和设备的控制。另一方面，网关将收集到的实时数据及时发送到物联网数据服务中心，并接受来自数据服务中心的控制命令。网关的安全对于保障物联网实时信息系统的高效稳定运行具有重要的作用。

网关物理安全：随着物联网应用建设的全面启动,新安装了大量的网关,很多网关被安置在野外无人值守的地方, 网关设备的物理安全成为物联网信息服务运营商关注的问题。可以利用一些特殊设施来保障网关的相对安全。比如，用防盗螺栓和螺母来固定网关设备，可以很好地保护网关的物理安全，为正常的物联网信息服务保驾护航。

网关功能安全：物联网网关可能遭受来自物联网节点网络和物联网传输网络的安全威胁，这些威胁包括网络攻击、病毒和木马等。因此，需要增强网关的安全性能。这包括增强操作系统内核功能模块的安全、网关数据收集和数据传输模块的安全，进而提高网关抵御威胁的能力。同样，平时应该在物联网网关的运行方面给以足够的安全维护，包括网关的认证和访问控制、网关日志的管理和加强网关使用管理等。

网关信息安全：物联网网关信息安全所面临的主要威胁及对应的解决方案有几个部分。第一，泄露网关密码，导致网关被非法占用。对于网关，不要将网关密码设为简单的生日、名字、电话以及相应的组合。第二，对于网关的硬件特别是硬盘，防止非法使用，这是因为如果非法人员得到网关，即使不登录系统也可能会发生硬盘数据被读取的情况，所以加密自己较为隐私的数据是非常有必要的。第三，使用合适的防病毒和防木马软件来监控网关，可避免网关被安装木马程序。第四，经常备份网关重要数据。第五，使用合适防火墙，防范别人非法远程登录物联网网关。

网关接入网安全：很多物联网网关使用宽带接入网，将数据传输到物联网数据服务中心，并接受来自物联网数据服务中心的各种指令。在很多物联网应用中，网关需要通过网络提供商提供的宽带接入网络进行数据传输，而这些宽带接入网络的管理权限在网络服务提供商的手中，如果网络提供商不能够提供安全的数据传输网络，物联网网关的接入网安全就很难得到保障，也使得网关遭受网络安全攻击的可能性大大增加。

传输网络安全管理：物联网的传输层主要用于将感知层获取的信息进行传递。由于物联网的通信协议仍然是TCP/IP，因此物联网将面临互联网的所有安全问题，同时还因为物联网在感知层所采集的数据格式多样且多源异构，面临的安全问题将更为复杂。对于很多物联网应用，需要使用传输网络来完成网关和数据服务中心之间的数据传输。对于大型和跨区域的物联网应用，网关往往需要借助互联网服务商和电信服务商所提供的广域网来进行数据传输，该传输网络的管理任务一般要有网络提供商来承担。对于一些较小范围的物联网应用，物联网数据传输网络，一般为单位内部的局域网，其管理任务就要有实施物联网应用的单位来承担。

传输网络设备物理安全：保障传输网络设备的物理安全是传输网络安全管理的首要任务。传输设备的物理安全管理可保证网络设备正常稳定运行，使网络设备可以充分发挥其效能，并能对物联网实时信息系统提供更好的服务打下基础。

传输网络设备性能安全：物联网传输网络设备性能安全管理包括对传输网络的运行参数进行监测和分析。性能分析结果可能会触发一个诊断测试过程或重新配置网络过程，以保持网络的良好的运行性能。要实现传输网络的性能管理，需要收集和分析传输网络运行现状的相关信息。具体的传输网络管理任务包括绩效监测、阈值控制、性能分析、产生绩效报告、实时监控和查询网络设备的性能等。

传输网络信息安全：在物联网网关通过传输网络，将数据传输到数据服务中心的过程中，可能受到各种网络攻击。要保障物联网信息传输的安全，需要对物联网的数据传输实施安全保护措施。如果只考虑互联网、移动网络和其它一些特殊的网络。

数据服务中心安全：物联网数据服务中心汇聚各种实时数据，并对数据进行智能化处理来提供各种物联网信息化服务。数据服务中心含有各种网络设备、数据库服务器和应用服务器，需要采取各种措施防止病毒攻击、黑客入侵和非法访问，保障物联网信息化系统的稳定运行。

物理安全：对于大型的物联网应用，物联网数据中心所存储的数据及对数据的智能化处理是宝贵的，设计一个可以防止外部人员入侵，同时也可以抵抗自然灾害的物联网数据中心是非常重要的。物联网数据服务中心可以占据一个房间、一个或多个楼层或整个建筑。数据服务中心所安装的设备大多数都是服务器、交换机和路由器等。这些设备通常安装在一个19英寸机柜，通常排列成一排，每排机柜之间有人行通道。保护数据服务中心设备安装及运行环境的安全是一个重要的保护措施。

性能安全：保障物联网服务中心设备高性能运行是实现物联网信息化服务的关键。利用科学、合理的管理调度手段，可使整个数据中心的性能大大提高。要真正科学地保障一个物联网数据服务中心的性能，应该从下面几个方面对数据服务中进行管理。

信息安全：为了保障物联网数据服务中心的信息安全，需要制定一套有效的信息安全策略。

正确的安全策略，可防止数据服务中心遭受来自内部和外部的安全攻击的威胁，可以确保数据的保密性和完整性。为了使物联网数据服务中心所面临的信息安全威胁能够得到控制，需要建立合适的安全体系。物联网信息安全体系的建立对保障物联网数据中心系统的顺利运行意义重大。根据安全领域的最佳实践和物联网信息服务的需求，可设计出如图12-2所示的数据中心安全体系框架模型。

物联网数据服务中心安全体系框架模型图

 

 

  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

小结：物联网信息化服务安全是物联网应用得以持续发展的有力保障，对经济及社会生活的正常运行具有很大的意义。物联网安全管理包括物联网节点安全管理、物联网网关安全管理、物联网传输网络安全管理和物联网数据服务中心安全管理。节点安全管理包括节点物理安全管理、节点功能安全管理、节点信息安全管理及无线传感网安全管理。网关安全管理包括网关物理安全、网关功能安全、网关信息安全和网关接入网安全管理。传输网络安全管理包括传输设备的物理安全、性能安全和信息安全管理。数据服务中心的安全管理包括数据服务中心设备的物理安全、设备的性能安全和整个物联网数据服务中心的信息安全管理。

**************  PPT13 基于RFID的图书管理系统  ****************

目前，我国绝大多数校园图书馆采用的是一维码加磁条的扫描认证的借书作业方式，借书流程仍然需要人工将图书打开并找到一维码的位置进行扫描。而且，在还书的过程也要再次扫描一维码加磁条的方式确认还书的操作，在此过程都是通过管理人员的处理，并把书本查询归类，放回原来被借出的相应书架位置上。这个过程不仅繁琐和易出错，还浪费时间。每当借书望期，学生借书的人多了，还要排队等候，一两个管理员根本就忙不过来，所以学校往往还要通过增加人员等方式来进行处理。随着学校规模的扩大，读者人数的增多，传统的借还书操作显得极为繁琐且借还图书效率低。开发并实施新型的图书管理系统就可以很好地解决这种问题。

图书管理系统功能描述：使用物联网技术，利用超高频RFID电子标签、高频RFID学生卡、RFID读写器、网关、ORACLE数据库服务器、Java EE应用服务器，可开发出人性化的具有报警功能的图书管理系统。

系统背景概述：本章在借鉴已有RFID图书管理系统优点的基础上，利用当前先进的RFID技术及其它信息化技术，开发一个校园智能图书管理系统，该系统可解决图书馆作业的种种弊端，比如减少管理员的管理工作，减少读者的排队等候时间。同时，这样一个智能图书管理系统还有助于提高读者的素质，引导读者在还书的过程中，把书放回原位，这也减少前面所说的以往还书过程的各种弊端。RFID技术会引导读者快速找到被借图书所在的位置，大大提高了借还书效率。

图书管理系统功能设计：图书管理系统系统的数据收集节点有三个，一是每层楼的自助借还查询机的RFID超高频读写器和高频读写器，用于读者借书还书的相关操作。二是图书馆门禁报警装置设置有一个超高频读写器，用于判断读者携带的书籍是否已经被借出，未借出的图书会触发报警。三是智能书架设置有超高频读写器，用于判断书籍是否放错位置，给予读者相关提示。读者可以在图书馆中自由借阅归还图书，还可以远程登录该系统进行相关查询、挂失操作。

门禁报警系统功能流程图

 

智能书架功能流程图

 

软件技术： 开发智能图书管理系统所使用的软件技术包括JSP、Servlet、Spring三层架构（Spring Model-View-Controller，Spring MVC）、JS、Ajax、CSS+Div和JavaMail等。

硬件设备: 该项目使用的硬件设备包括超高频RFID标签、高频RFID学生证、高频和超高频RFID读写器、网关、网络设备和服务器。

RFID设备：其中RFID读写器为到上海交通大学RFID与物联网研究所研制的高频读写器、超高频读写器、高频1443A标签、高频RFID学生证、超高频标签。

高频1443A标签作为借书卡，超高频标签用来标记图书。

网关设备：项目开发过程中所使用的物联网网关设备为研华ARK3202嵌入式工控机，操作系统为Ubuntu 11.0。这款工控机是按照工业需求进行设计的，这个网关具有抗冲击、抗振动、抗电磁干扰等特点。该工控机配有Intel ATOM凌动处理器，CPU处理速率为1.6G，同时拥有5个USB接口和5个RS-232串口，是一款不错的物联网网关设备。

其它硬件设备：测试基于RFID技术的校园智能图书管理系统，所需要的主要网络设备有无线路由器（TP-LINK或D-link）、台式PC机或笔记本电脑、智能手机（装有Android 2.3或以上版本）和短信猫等。

数据通信系统设计：该项目开发涉及实时数据的收集、传输、存储和处理。数据通信系统的设计可以帮助完成这些任务。下面就从网络拓扑图、网关配置和服务器配置三个方面进行简单介绍。

测试智能图书管理系统所使用的网络拓扑图

 

网关配置：智能图书管理系统所使用的网关硬件为研华ARK-3382工控嵌入式计算机。

研华嵌入式工控机具有2个千兆位LAN网卡、5个USB 2.0接口、板载GPS以及高达3个具有RS-422/485自动流控制的串行端口。使用前，首先检查网关设备是否安装了Ubuntu 11.0操作系统、gcc、sqlite3等重要开发软件包，若没有安装也没关系，可进行下面操作来安装这些软件。

服务器配置：利用MyEclipse开发平台进行智能图书管理系统开发时，所使用Web服务器为Tomcat（apache-tomcat-6.0.36），为了便于开发和调试，可做如下配置。首先，点击MyEclipse开发界面中的Window—>Preferences，进入如图13-7所示界面。在MyEclipse中添加Apache-Tomcat-6.0.36。在搜索栏中输入Tomcat，如果要加入Tomcat-6.0.36版本的Tomcat选择Tomcat 6.x，并在右侧选择Enable。同时，在Tomcat home directory这一行后点击Browse按钮，选择你的PC电脑中Tomcat所在的安装目录，点击确定。最后点击Apply—>OK。

网关数据收集及传输：使用基于嵌入式高性能计算平台研华所开发的物联网网关，可以进行数据的采集和发送。在本项目中，每一个所使用的物联网网关通过RS-232接口同高频和超高频RFID读写器相连接。网关所运行的数据采集程序可以不断向RFID读写器发送命令来实现RFID标签数据采集。同时，网关还可以及时将所收集的RFID标签数据发送到服务器进行智能化处理。

数据收集实现：物联网网关上面安装了Ubuntu 11.0系统，该操作系统中进一步安装了gcc和sqlite3等重要开发组件。网关上面所运行的程序可实现RFID数据收集及传输一体化进程。即一个程序既包含了RFID数据收集部分，也包含了RFID数据传输部分，整个程序当中采用了多线程，也体现了数据收集及传输的自动化过程。当网关向服务器传输数据的同时，通过网关的IP地址告诉服务器自己的身份，这样服务器就能够很好地辨别每个和其进行的网关的通信状态。如果哪个网关数据通信出现了问题，服务器就可以较快地确定出问题的网关的位置，并及时采取必要的维修措施。

网关数据库设计：为了实现数据的备份及网关安装区域当地数据管理的需要，一般网关收集RFID数据后，在传输到服务器的同时，也将数据存入到网关中的Sqlite3数据库。网关数据库表格的设计如表13-2和表13-3所示。在图书借还操作中，数据分别存储于读者借书证信息表（card）和书本扫描信息存储表（book）中。

读者借书证信息表（card）

 

书本扫描信息存储表（book）

 

网关数据的发送：所开发的网关数据收集程序（client.c）使得网关数据传输的整个程序的运行过程得以优化。在Linux系统中运行./client时，不需要输入USB端口号，就可以直接收集来自RFID读写器的数据。这是因为在client.c中，预先设定了多个USB端口号，则只需读写器判断是哪个端口便打开它，然后存储数据到相应的嵌入式数据表中，并且发送数据到远程数据服务中心。数据采集程序client.c采用了多线程，因此不会造成干扰而导致程序中断。

数据服务中心信息处理及显示：数据服务中心的服务器在接收来自不同网关的实时数据后，将数据存储到数据库（MySQL或Oracle）。然后，依据不同的算法对数据进行智能化处理并进行显示。

服务器端数据接收实现：在服务器端运行多线程程序来接收来自不同网关的实时数据。

多线程数据接收程序可以由Java编程语言来实现。在服务器端用Java开发平台所提供的服务器类ServerSocket,使用端口号作为参数来创建服务器对象。例如: ServerSocket server = new ServerSocket (5000)，server 是服务器对象, 它使用5000 号端口。当一个客户端程序建立一个Socket 连接且所连接端口号为5000 时, 服务器对象server 便响应这个连接。接下来用Server.accept()方法创建一个Socket对象,服务器端可以利用这个Socket对象与客户端进行通信。接着定义输入流in及输出流out 对象,并进行封装。

服务器与Android手机数据交互实现：Android手机客户端采用的是基于超文本转移协议 (Hypertext transfer protocol，HTTP)网络通信机制，Http协议中提供了3种高效快速的客户端向服务器端发送请求的方法，它们分别是GET、POST和HEAD，而本系统中Android手机客户端与服务器端交互采用的是POST方法。首先，用户通过Android手机客户端以HTTP协议的POST方式向服务器端提交用户请求。然后，服务器端通过HTTP协议接收到手机用户请求进行相应处理后，将结果以Json数据格式返回给用户。最后，Android手机客户端将返回的Json数据进行解析后显示在人性化的用户界面（User Interface，UI）展示给用户。

数据服务中心数据库设计及实现：物联网数据服务中心数据存储采用的是Oracle数据库，数据库名为bookmanage，主要设计了9张表，4个sequence和4个触发器。管理员基本信息表为单独的表，其它各表通过相关字段进行关联。

数据处理及报警：智能图书管理系统所涉及的警报包括图书超期罚款警报、图书挂失警报、门禁报警和智能书架报警等 。

Web服务器网页设计实现：智能图书管理系统的Web服务器网页设计首先从人性化方面考虑，在界面上设计有温馨提示、方便的快捷还书和借书证入口等，这方便读者操作。其次从安全方面考虑，网页中设计有软键盘、邮件验证码、短信验证码，保证读者输入密码的安全性和读者信息修改的安全性。最后，从系统功能上考虑，前后台各种功能齐全，不仅保障了读者和管理员的操作，也充分体现了校园图书馆的智能管理。

智能手机客户端设计：Android手机客户端采用的是基于Http协议的网络通信机制，Http协议中提供了3种高效快速的客户端向服务器端发送请求的方法，它们分别是GET、POST、HEAD，而本系统中Android手机客户端与服务器端交互采用的是POST方法。首先，用户通过Android手机客户端以HTTP协议的POST方式向服务器端提交用户请求。然后，服务器端通过HTTP协议接收到手机用户请求进行相应处理后，将结果以Json数据格式返回给用户。最后，Android手机客户端将返回的Json数据进行解析后显示在人性化的UI界面展示给用户。

小结：物联网实时信息系统的开发是物流网工程与实践的主要任务。本章所讨论的是如何利用RFID技术，开发智能图书管理系统。该系统所涉及的物联网节点为RFID标签。嵌入式电脑和功能单一的RFID读写器组成物联网网关，该网关可发送实时获取的RFID标签信息到物联网数据服务中心。数据服务中心对所有静态数据和实时数据进行智能化处理，形成各种图书管理服务。读者或管理人员可以通过数据服务中心所提供的前台或后台来获取各种图书相关服务。

******************  PPT 14  钢包实时跟踪系统开发    ******************

针对钢厂由于缺乏有效的钢包监控系统而造成巨大能源浪费和污染的问题，利用前沿的物联网多传感器数据融合技术，所开发的钢包实时跟踪系统可解决钢厂恶劣环境下钢包号码、状态及位置的自动识别技术难题。所开发的系统可应用于炼钢厂生产过程中，该系统对炼钢厂的生产过程监控及管理可起到积极的作用，为钢厂的节能减排打下一定的基础。

钢包跟踪系统开发背景：钢包是钢厂中极其重要的转运钢水的容器。在炼钢生产中，从转炉出来的钢水直接倒入钢包里，盛满钢水的钢包将被转运到吹氩、钢包精炼炉（Ladle Furnace，LF）、连铸机浇铸等工艺点进行下一步操作。完成钢水转移的钢包还可能出现在冷修、热修、倒渣等工位，也可能出现在其它地方。钢厂中最佳的生产流程是利用最少数目的钢包来完成最大量的钢水转移，这样可以省大量的煤和电。这不但具有极大的经济效益，而且还可以减少大量的污染排放，具有巨大的社会效益。

炼钢流程简介：钢铁工业的能源消耗与环境污染同炼钢过程关系密切。其中钢包用于将钢水从转炉运输到铸造台，钢包的结构如图14-1所示。

 

钢厂炼钢工艺点分布示意图

 

炼钢厂生产存在的问题：要实现每一个钢包的最大使用率，需要建立一个智能钢包监控系统。

目前国内外虽有一些初步的钢包监控系统，但这些系统大都基于卫星导航定位、扩频通信等技术，不但技术复杂，而且通信信号容易受到炼钢厂恶劣环境的影响，导致信号不稳定，系统可靠性差。目前还没有功能完备的智能钢包监控系统，钢包监控主要是通过人工来进行的。

人工监控钢包主要存在5个问题，分别叙述如下。

炼钢厂生产存在的问题：第一，人工监控过程危险且劳动强度大。第二，不能及时准确掌握钢包号码、钢包状态（温度及重量）及钢包位置。第三，温度高的钢包不能被及时用来接钢水，温度低的钢包被加热后接钢水，浪费大量能源。第四，不能将盛满钢水的钢包及时运到连铸台，导致钢水温度降低过多，需要重新加热后使用，浪费大量能源。第五，由于不能准确掌握钢包的位置和状态，导致钢包中的钢水固化，需重新加热，将固体钢从钢包中转移出去，不但浪费大量的能源，而且还使钢包的寿命降低。

开发新型炼钢跟踪系统的必要性：本章所描述的系统是在产学研合作项目的基础上所建立的。利用前沿的物联网多传感器数据融合技术来解决钢包号码、状态及位置自动识别的技术难题，开发了智能钢包监控系统，实现了对钢厂所有钢包的全方位监控，使钢水的生产和利用达到最佳动态平衡，把非正常温度降低控制到最小，为高效、节能及环保的钢铁生产提供了保证。

钢包跟踪系统整体设计：应用物联网技术改造传统产业，可提高产品质量及减少污染排放。本章所描述的项目利用前沿的物联网多传感器融合技术来解决目前存在的钢包号码、状态及位置自动识别技术难题，建立了智能钢包监控系统。该系统可对钢包转运过程进行全程跟踪，提高了每个钢包的使用率，为高效、节能及环保的炼钢生产提供了保证。

钢包监控系统网络设计：钢包监控网络拓扑图如图14-7所示。在合作的炼钢厂中安装了控钢包所需要的物联网设备，如RFID标签、RFID读写器、摄像设备、红外热像仪和拉力多传感器，来自这些传感器的数据可以通过有线及无线网络汇聚到行车驾驶舱中的网关，并进一步通过数据转换器存储到实时数据服务器。RFID超高频标签安装在炼钢厂中行车的大车和小车行驶轨道的一边，RFID读写器安装在行车的大车和小车上，读写器可以实时读取轨道旁边的RFID标签的编码信息。摄像设备安装在钢包放置或行驶经过的地点附近，用来实时查看钢包的状态及环境状况。红外热像仪安装在钢包放置或行驶经过的地点附近，用来测定钢包的外部和内部温度。拉力传感器安装在行车小车的滑轮上，用来测定钢包的重量。

基于多传感器的钢包监控系统网络拓扑图：

 

钢包监控系统的设计与实现：如图14-8所示，数据服务中心的信息系统由6个模块组成，它们分别是实时数据处理模块、数据库模块、用户管理模块、钢包跟踪管理模块、报表管理模块和预警管理模块 。

 

跟踪系统的数据收集及传输：RFID标签包括位置标签和钢包标签。位置标签安装在行车经过的轨道附近，用来确定钢包的位置。钢包标签是用来自动确定钢包的ID号。WiFi等无线通信技术用于无线网关和控制计算机之间的数据交换。同时，红外传感器安装在不同的炼钢工艺站负责测量钢包的内部和外部的温度，并将温度数据通过可编程逻辑控制器网络传输到控制计算机。RFID标签数据、重量和温度数据在控制计算机汇集后，被发送到制造执行系统（Manufacturing Execution System，MES）数据服务中心。

RFID信息收集系统：如图14-9所示，钢包监控系统采用X、Y和Z坐标来确定钢包的位置，这些坐标和不同的RFID位置标签相对应。在炼钢厂中，钢包的移动往往是通过行车来实现的。行车是由大车、小车、轨道和行车驾驶室组成。在所合作的炼钢厂中，大车轨道（X方向）长150米，小车轨道（Y方向）长20米，大车轨道离地面高20米（Z方向）。行车的大车在X方向上移动，行车的小车在Y方向上移动。两个大车轨道平行，RFID位置标签可安装在一个大车轨道的附近放置，两标记之间的距离大约是0.5米。同时，RFID位置标签也沿着一个小车轨道附近安装，两个标签之间的距离大约是0.5米。

 

X与Y坐标同RFID标签编码关联

 

行车的重量传感器系统

 

钢包跟踪系统关键技术：为建立钢包跟踪调度系统所需要开发的软件包括网关数据收集系统软件和数据处理中心软件。开发这些软件可解决的关键技术包括钢包号码自动识别、钢包位置自动识别和钢包温度及重量识别，分别叙述如下。

钢包号码自动识别： 在炼钢区域，钢包的移动都是通过行车上的大车和小车的移动来实现的。大车的位置是通过大车轨迹上布置的RFID标签的序号来标定的，小车的位置是通过小车轨迹上布置的RFID标签的序号来标定的。将行车上大车运行的轨迹定为X轴，将行车上小车运行的轨迹定为Y轴。如图14-12所示，在炼钢区域的每个钢包所处的位置可以用坐标（X,Y）来表示。由于在炼钢区域，每一个坐标（X,Y）处只能放置一个钢包，在经过第一次手动输入后，这个位置可以和某个特定的钢包号联系在一起。比如，在坐标（100,15）处放置5号钢包，当行车从这个特定位置将钢包吊起时，钢包跟踪系统软件会自动判断5号钢包被吊起。这样当钢包被行车移动到新的坐标位置（150,23）时，5号钢包就又和新的坐标位置（150,23）联系起来。如果炼钢厂各种监控设备一直处于正常工作，对于所有的钢包，在经过一次手动输入钢包号后，钢包跟踪系统将对所有钢包进行自动跟踪监控。

基于行车运行的炼钢区域钢包位置及号码判定示意图：

 

行车所吊运的钢包的号码判定算法：

 

小结：本章首先介绍了钢包跟踪系统开发背景，这包括炼钢流程、炼钢厂生产存在的问题和开发新型炼钢跟踪系统的必要性。然后，着重叙述了钢包跟踪系统整体设计、跟踪系统的数据收集及传输、钢包跟踪系统关键技术和钢包跟踪管理系统界面开发。基于物联网技术的钢包跟踪系统，已经在合作的钢厂中实施应用，并取得了较好的经济效果。

*********   PPT 15  大型养猪场智能监控系统开发   **********

影响养猪生产的因素主要包括饲料的种类、饲料的质量、疾病、生长环境和管理水平，其中环境因素占约20% - 30%，这包括猪生长环境的温度、湿度、光环境、氨气及硫化氢等有害气体。环境因素对养猪业的重要作用已被国内外大量的科学实验和生产实践所证实。基于物联网技术的养猪场智能监控系统，可通过对猪场环境信息的在线监测，及时了解猪的生长环境变化和猪的生长状态变化。根据实时监测结果，可及时采取各种措施来应对猪场生产环境的各种变化，进而提高养猪场的经济效益。

开发背景：随着社会经济的发展，人民收入水平得到了提高，他们对肉类消费的需求也在升高，这使我国整个居民猪肉消费保持平稳增长。自2000年以来，我国居民猪肉消费占肉类总消费量的60%以上，猪的健康养殖对提高国人的生活水平具有极其重要的作用。我国是世界生猪存栏量和猪肉生产量最大的国家，这与种猪健康养殖方面所取得的成绩是分不开的。

大型养猪场简介：大型的规模化养猪场中，如果场地选择和卫生管理不好，养猪场中容易滋生很多细菌，这对猪的健康成长极其不利。养猪场建设场地的选择应该坚持预防和健康的原则，选择在离居民区1公里以上的平坦开阔的地方，猪舍的建设应以南北方向为好，这有利于自然通风。

三点式隔离饲养猪场模式示意图

 

大型养猪场管理存在的问题：近年来，随着不断提高养猪的饲养技术水平和科学管理水平，生猪产业也从家庭式的零星饲养向集约型的大型养猪场生产过度。对于生猪产业，生猪养殖场一般建在远离城市的地方，在猪场应用监测系统可以帮助管理人员在不到现场的情况下还可以实现猪场生产的监督和管理。同时，根据需要还可以邀请专家通过远程视频监控系统，向猪场提供远程指导和治疗。此外，一套监控系统可以有效地实现猪场信息管理，可以大大减少人员数量，有效地提高养猪业的管理水平。我国目前养猪场所使用的养猪繁育软件及其它信息化系统在种猪的繁育及健康养殖中的应用效果均不理想

监控系统整体设计：整合先进的物联网信息化技术建立种猪生长全过程智能监控系统，其功能包括视频监控功能、自动水帘降温功能、自动风机换气功能、恒温热风功能及信息化管理功能。

养猪场监控网络设计

数据服务中心数据库表格设计：养猪场实时监控过程中，各种数据汇集到智能养猪场监控系统信息平台所在的数据服务中心，该中心可以使用Oracle、MySQL及MS SQL Server等数据库来管理及存储数据。该系统建立所涉及的主要数据表格包括用户表(表名Adminuser)、网关表(表名Gateway)、传感器表(表名Sensor)、传感器数据表(表名Sensor_Data)、控制命令表（表名Controlorder）和命令存储表（表名Saveorder）。

监控系统硬件实现举例：建立智能猪场监控系统所需要的软件和硬件配置如表15-7所示。 这个配置是针对一个大约500平方米的猪舍来进行的，如对多个猪舍进行监控，设备配置的数目可进行适当调整。

大型养猪场智能监控系统建设所需硬件配置

 

养猪场监控管理系统软件实现：养猪场监控管理系统的数据通信交互如图15-28所示。利用物联网技术自动实时采取种猪场生长环境中的各种数据，并自动将数据传输并存储到数据服务中心的数据库服务器，可对养猪场实行24小时实时监控和联动控制。

网关数据处理：网关是养猪场监控系统的重要组成部分，基于网关的数据收集及设备控制实现流程如图15-29所示。网关通过无线或者有线同各种传感器相连接，并持续从传感器获取实时数据。ZigBee传感器通过ZigBee基站的USB接口与网关相连，网关可以通过USB串口读取数据，并将数据存储到网关中的Sqlite3嵌入式数据库中。

网关数据收集及设备控制流程图

 

数据服务中心数据接收：数据服务中心服务器端软件实现数据接收、处理及展示流程如图15-31所示。数据服务中心接收网关发来的传感器数据，以及视频数据，并对数据进行保存，再对数据进行分析、融合、处理，通过Web服务器向用户发布展示，实现基于JavaEE 的Web应用开发。

服务器端系统软件所实现的数据处理及展示功能

 

养猪场监控系统管理功能设计：养猪场监控系统管理界面应用软件流程如图15-32所示。运用各类传感器和摄像头来广泛采集各种数据，并将数据传输到数据库/Web 服务器，且将获取的大量猪场养殖环境数据，进行融合、处理和展示。同时，通过无线PC 智能控制盒及无线继电器，可根据猪舍实时环境数据的变化，实现水帘、风机、加热器的自动开启和关闭。 同时，所建设的养猪场智能监控系统可实现生猪养殖的全过程监控、科学管理和即时服务，具体的系统功能包括视频监控功能、报警功能、环境远程监测和环境调节设备远程控制功能。

养猪场监控系统管理界面流程图：

 

养猪场监控系统管理功能实现：数据服务中心接收网关发来的传感器数据，以及视频数据，并对数据进行保存，再对数据进行分析、融合和处理，并通过Web服务器向用户发布展示。同时，用户可通过Android手机客户端或者Web服务器对远程设备进行控制，控制命令通过服务器转发给安装在养猪场猪舍中的网关。网关通过RS-232或者RS-485串口向继电器设备发送控制命令来实现通电电路打开和关闭，进而控制设备的运行。

小结：本章所讨论的物联网应用项目开发实例，运用自动化、物联网信息化技术及数据融合技术，开发出种猪健康养殖技术。智能养猪场监控系统的Web服务器端的开发是基于Java EE企业级平台及使用Struts，Hibernate，Spring三大框架来实现的。该章所描述的大型养猪场智能监控系统，其功能包括视频监控功能、自动水帘降温功能、自动风机换气功能、恒温热风功能及信息化管理功能。智能养猪监控系统的开发分为四个部分：传感器数据收集开发、智能监控网关开发、Web应用服务器开发和Android手机客户端开发。

**************  PPT 16  基于智能手机的物流管理系统  **************

Android 智能手机具备WiFi及3G无线接入互联网的能力，并具有一维码、二维码及RFID标签扫描功能。针对目前中小型物流公司物流配送系统所存在的单据记录、手工输入、配送设备价格较高且难以维护等问题，本项目利用Android SDK、Eclipse、Java、 Java EE、Tomcat、Google 地图及移动通信技术开发物流配送系统来解决这些问题。此物流配送系统建设投入低、系统易于维护、方便物流公司人员和物流公司客户共同使用。本系统的开发将为建立高效的适合中小型物流公司使用的物流信息系统做出一个有益的尝试。

智能手机简介：智能手机是指具有独立的操作系统，像个人电脑一样支持用户自由安装软件的设备。同时，智能手机还可以通过WiFi和3G通信技术同一些服务器进行数据通信。一方面可以上传数据到服务器，另一方面可以接收来自服务器的命令和信息。在本项目中，物流配送和管理人员可以通过手机端软件，接收来自物流服务器的订单信息，并对被发送物品上面的一维码或二维码进行扫描。同时，扫描的信息可以传输到物流管理系统相关的服务器中，供管理人员和用户查询使用。

Android智能手机：根据美国国际数据调查公司（International Data Company，IDC）数据公布，在2013年的第二季度，Android智能手机的市场销售量为1.8亿部，市场份额接近80%，在所有智能手机中排名第一。同期调查表明，iPhone的市场占有率为13%，黑莓智能手机的市场占有率为2.9%，Windows Phone智能手机的市场占有率为3.7。

物流管理系统开发背景：采用Android智能手机替代传统的扫描仪器，有效解决传统扫描仪器价格昂贵、性能不好和移动性差的缺点，十分适合物流行业的采用。同时，基于Android智能手机的物流管理系统，利用网络下达订单方式取代传统的手动填写订单，有效地解决了订单填写不清晰的问题，避免了一系列的纠纷问题。进一步而言，采用网络信息化管理手段有效地节约了人力、物力和财力；采用科学的优化算法来计算合理的配送路径，有效地节约资源、成本和人力等。

手持扫描终端简介：目前，手持式扫描设备所存在的主要问题包括两个方面。第一，价格较低的扫描仪的扫描效果较差，且没有远程网络传输功能。第二，扫描效果好的扫描仪，具有远程数据传输功能，但产品价格更昂贵，体积较大，不易携带。在目前的物流行业中，使用Android智能手机替代手持扫描仪存在有其必要性和可行性。一方面，Android智能手机是目前主流的手机，具有良好的应用前景。另一方面，Android智能手机变得便宜，携带方便，而且还具有局部网络和远程网络传输功能。

物流管理系统整体设计：Android智能手机具备普通手机的全部功能，包括正常应用程序调用、接收及发送短信和其他电话功能。同时，Android智能手机还能够通过WiFi、GSM网络、GPRS、CDMA 1 X CDMA网络或3 G网络接入无线网，并且支持GPS定位系统与手机服务相结合。同时，智能手机具有一维码和二维代码标签扫描功能。基于Android智能手机的物流管理系统主要分为两部分，一是负责响应各种用户请求的Web部分，二是采集物流信息的Android智能手机客户端。Android智能手机端采用Android Java编程技术，结合Zxing二维码开源软件，可实现条形码和二维码的快速扫描及确认收货功能。同时，Android客户端还可以获取当前货物的状态信息及地理位置，并在每次扫描货物时，所获取的物流信息及时发送到物流管理系统所在数据服务中心。

物流管理系统网络设计：如图16-13所示，该物流管理系统主要是将手机与服务器结合，用手机充当客户终端来实现物流数据的实时收集和发送。客户通过网络下订单给物流公司，订单中包括收件人的联系方式和地址以及发件人的地址和联系方式等一些重要信息。物流公司收到网络订单后，负责审核订单的部门首先对订单进行审核，如果订单中的信息都符合要求，则使其通过审核。通过审核后的订单可以分配给不同的快递员上门去取。快递员可以通过Android智能手机客户端程序来获取订单相关的详细信息，并可以将生成的电子订单进行打印，打印的订单将会被粘贴到待发的货物上。快递员上门取货时收取相关费用。

基于Android智能手机的物流管理系统网络拓扑图

 

物流管理系统实时数据收集方法：物流管理系统的实时数据主要来源是手机客户终端，通过手机客户终端的传感器、摄像头等对实时数据进行收集。Android智能手机可用摄像头扫描订单的条形码或二维码，所获取的订单信息和来自GPS模块的经纬度信息，被通过3G网络传输到物流管理系统所在的数据服务中心。

物流管理系统功能设计

 

 Android手机客户端功能模块

 

物流管理系统软件实现：物流管理系统的实现包括两个重要部分，一部分为Android智能手机客户端软件开发，另外一部分为物流管理系统服务器端软件开发。

实时数据收集实现：物流管理系统的实时数据来源主要是手机客户终端，通过手机客户终端的传感器、摄像头等设备模块可实时收集物流过程中的相关数据。用摄像头扫描条形码，用GPS传感器定位，取得经纬度信息，并通过3G网络传输到远程服务器。手机与服务器进行通信主要是运用了httppost方式进行，将表单内各个字段与其内容放置HTML HEADER内一起传送到ACTION属性所指的URL地址。用户不易看到数据传输的信息，所以相对安全性比较高。对于post方式，服务器端用Request.Form获取提交的数据。post传送的数据量较大，一般被默认为不受限制，并且在传输之前用json进行格式的封装，使之更加容易解析。

物流管理系统管理界面实现：物流管理系统服务器端的功能实现包括前台界面功能实现和后台功能实现。物流信息管理系统的后台主要是给该物流公司的内部员工进行后台管理登陆的页面，通过该页面登陆的用户包含了经理、快递员和审核员等角色。各类角色依据用户名和密码进行登陆。通过查询数据库，比对用户的合法性和密码的准确性来处理用户的登陆请求。

登陆验证成功后，可根据不同角色的不同权限来进行管理页面的跳转。

小结：本章运用Java编程语言编写Android手机客户端应用程序，运用HTTP Post方式与服务器之间进行实时数据交互。通过无线网络或3G网络，将Android智能手机扫描物流订单所获取的物流信息及GPS位置信息发送到物流公司的数据服务中心，存入数据库并对数据进行智能化处理。物流管理系统的服务器端是基于Java EE Web编程技术开发的，并在Tomcat服务器上进行部署和测试。基于本章所描述的物联网实时信息系统，可以使用Android智能手机代替传统扫描仪，并实现物流行业的智能化与高效化，为物流行业相关人员提供更为人性化的服务。

***********  PPT17 基于人脸识别的考勤系统开发   ************

在科学技术和经济快速发展的今天，企业规模不断扩大，考勤管理对企业的发展也变得相当重要。要更好地管理企业，一个简单、快速和有效的考勤系统必不可少的。基于实时图像处理的人脸识别是物联网技术应用的重要领域之一。本章所描述的项目使用摄像设备采集图像，再用OpenCV等技术进行人脸识别处理，并将结果返回到考勤管理系统中进行考勤统计，并用生动的图表显示考勤结果。这不仅提高了考勤的效率，还提高了考勤信息的实时性、真实性和考勤信息的及时发布。

考勤系统开发背景：初期的考勤系统是基于人工考勤和机械打孔来进行的，这种考勤数据的收集不但会浪费大量人力，而且还容易产生错误数据或虚假数据。随着信息技术的发展，又出现了基于条形码、IC卡、感应卡和指纹的考勤系统，这些考勤系统大都基于电脑来对员工实行考勤管理。

人脸识别技术：生物特征识别是指对人体特征进行数字化测量进行人员识别的技术。可用于生物识别的人体组织包括指纹、人脸、虹膜、掌纹和声音等，它们可以用于身份识别。人脸识别技术是生物特征识别技术的一部分。与其它生物特征识别相比，人脸识别具有直接的、友好的、方便的和非侵入性的优点，具有很广阔的应用前景。人脸识别过程中的重要一环是人脸检测，它根据人脸特征点对人脸区域进行定位。被检查出的人脸经过裁剪处理，基于人脸库和人脸识别算法，来确定被检测人员的身份。

人脸识别的意义：人脸识别的研究具有理论和技术的重要意义。一是促进人类的对人脸本身特征的理解；二是能满足人工智能应用的需要。基于人脸识别技术、摄像技术、图像数据传输技术及计算机数据处理技术，可建立自动人脸图像识别系统，该系统具有广泛的应用领域和前景。同时，人脸识别和其它成熟的识别方法相比具有非攻击、成本低、安装方便和无需人工参与的优点。

人脸识别流程图

 

人脸识别的关键技术：人脸识别总体上来说包括三个方面的内容，即人脸检测、人脸跟踪及人脸对比。人脸识别过程中所使用的主要的技术包括人脸检测技术、人脸跟踪技术和人脸对比技术。

基于人脸识别的考勤系统设计：本系统由摄像头、网关、应用服务器和数据库服务器4部分组成。整个系统的设计以遵循TCP/IP协议的以太网作为传输媒介，通过一个交换机将分布在不同地方的摄像头和网关连入局域网。摄像头主要进行人脸原始图像的采集，并通过网络传输至应用服务器。在应用服务器中可以进行获取人脸信息与数据库人脸信息的比对，并根据已定的规则生成相应的考勤记录。

基于人脸识别考勤系统系统硬件连接图

 

基于人脸识别的考勤系统流程

 

人脸识别考勤系统功能设计：为了满足企业的需求，所开发的人脸识别考勤系统主要设计了用户管理、考勤管理和留言管理等功能。

用户管理示意图

 

考勤系统的硬件实现：基于人脸识别技术的考勤系统部署所涉及的硬件包括摄像头、人脸识别网关设备、局域网数据通信设备和相关的数据库及Web服务器。

考勤系统的软件实现：如图17-12，利用笔记本电脑一台（含摄像头）、Web服务器、数据库服务器（MySQL）等对所开发的考勤系统实现进行测试。模仿员工考勤流程，具体步骤包括：1）采集并训练员工的人脸库以供考勤对比识别时使用。2）通过人脸识别，收集考勤数据。3）考勤结果返回并传送到数据库。4）考勤管理系统的管理展示。

考勤系统软件实现测试流程

 

考勤系统功能实现：本项目开发的考勤系统包括多级用户管理、考勤管理和留言管理。所开发的考勤系统用各式的图表来生动地显示考勤数据，多级用户的管理进一步实现企业人事管理的智能化，留言管理则是管理员与员工之间沟通的桥梁。下面用截图的方式展示本项目所开发的考勤系统。本系统的登录界面如图17-19所示，使用验证码是为了加强系统的安全，角色体现了系统对用户管理的多级性。

小结：在社会不断发展的过程中，企业规模必然也将不断扩大，考勤系统的需求只能是有增无减。随着科技的不断发展，传统的打卡考勤和指纹识别最终也将被能够快速有效地进行自动身份验证的人脸识别所取代。实时人脸识别是重要的物联网技术之一，本章利用该技术来实时准确收集考勤数据，并将获取的数据及时发送到数据服务中心进行处理。同时，考勤系统用各式图表显示考勤数据，生动形象，一目了然，可方便企业对员工的各种精细化考勤管理。

****************  PPT18  智能农业大棚监控系统开发   *******************

近年来，我国农业温室大棚得到了迅速发展，但这些大棚的管理主要是由人工来完成的，管理的技术含量很低。随着温室种植面积的迅速增加，单纯依靠人工管理已经不能满足高效农业生产的需求。随着物联网技术的进一步发展，可以建设传感网来对温室大棚进行监控。通过各种传感器，如温度传感器、湿度传感器、光照传感器、土壤水分传感器和土壤pH值传感器等，可实现对大棚农作物生长环境的自动监控，从而促进农业生产效益的提高。

大棚监控系统开发背景：在农业生产中所用到的人工保温设施中，温室是一种玻璃大棚或塑料大棚，可以手动调节大棚的温度和湿度。大棚主要用于蔬菜超级季节栽培，以便在不适宜生产蔬菜的季节还可以继续生产蔬菜。比如在寒冷的北方地区，使用温室农业技术，冬天也可以生产新鲜蔬菜，并能满足当地市场的需求。大棚栽培环境的温度和湿度、光照强度、CO2浓度等环境因素，对作物生产的影响很大。传统的人工监控作物生长环境参数的做法很难满足对大棚实施高效精确控制的目的。就目前大棚的大规模发展和监控趋势来看，利用物联网技术建设大棚实时监控系统，将有利于提高大棚的生产效益，生产更多优质的蔬菜。

大棚监控系统整体设计：本章所开发的系统可以对温室大棚中农作物生长的关键参数进行有效监控，这些因素包括空气温湿度、二氧化碳含量、土壤温湿度和其它数据，并将数据发送到数据服务中心。在数据服务中心进行智能化数据处理后，相关管理人员可以通过短信、PC终端等对大棚进行实时远程监控。

大棚监控系统网络设计：如图18-3所示，图中同ZigBee网关连接在一起的温度湿度等传感器组成一个无线传感网，各种数据在通过传感网收集后传输到网关，网关将数据数据存储到Sqlite3数据库。同时，网关将实时数据发送到远程服务器。用户可以通过PC终端、IPTV和智能手机来显示经过数据服务中心处理过的大棚实时环境数据。

智能大棚监控系统网络拓扑图

 

大棚监控系统实时数据收集方法：温室大棚实时监控所使用的硬件包括无线ZigBee温湿度传感器、ZigBee CO2传感器和物联网网关。在物联网网关上面有一个ZigBee通信模块，该模块可以同传感网进行数据通信，采集来自各种无线传感器的数据，并将数据存储到嵌入式数据库。在对存入嵌入式数据库的数据进行智能化处理后，网关通过WiFi或者3G通信接口，将数据发送到物联网数据服务中心。

大棚监控系统功能设计：通过传感器所收集到的数据，可以实时监控温湿度和CO2浓度，当温湿度和CO2浓度达到设定的阀值的时候触发报警系统，通知用户。同时，也访问大棚监控系统的Web服务器，通过网页设置自动浇水的间隔时间或手动开启大棚浇水功能。大棚监控系统通过JFreeChart技术，可以实现实时监控数据的折线图、饼图和柱形图显示。大棚管理系统基本管理功能包括用户注册、用户登录、实时数据查询和用户管理，分别描述如下。用户可以通过在线注册。注册成功后，可以在网站的登录位置进行登录。

大棚监控系统硬件实现：农业大棚监控系统硬件由基于传感器的前端信息采集终端、无线网络和监控系统服务器管理平台三部分组成。由于无线网络及服务器管理平台同传统的互联网网络及服务器硬件类似，这里主要介绍一些与物联网关系密切的传感器及联动控制设备。

大棚监控系统软件实现：本章所开发的温室大棚实时监控系统软件平台由数据采集、数据传输、数据处理及数据显示等功能模块组成。

传感器数据获取及传输：温室大棚农作物生长环境实时数据的收集和传输是通过物联网网关来完成的。所开发的程序作为后台程序，一开机就可以启动运行。该程序可以通过ZigBee模块实时收集来自无线传感网的各种环境数据，并将这些数据存储到网关的嵌入式数据库中。同一个网关程序的另外一个进程，可以对实时数据进行初步的处理，并将校正后的数据发送到物联网数据服务中心。

小结：农业是我国国民经济的传统支柱产业。由于环境污染的产生，目前我国农业生产环境变得越来越恶劣，农业大棚可以在控制环境污染的情况下，来生产大量的高质量农产品，来满足人们的饮食需求。我国大棚作物总面积已超过1500万亩，利用物联网技术开发大棚智能实时监控系统，可加强对大棚生产的信息化和科学化管理，进而提高温室大棚生产的经济效益和社会效益。本章首先介绍了大棚监控系统开发背景，然后讨论了大棚监控系统整体设计、大棚监控系统硬件实现和大棚监控系统软件实现。

****************   PPT19 远程医疗监护系统开发   ******************

远程医疗是医疗普及化的重要历程，而远程医疗的核心便是生理量测数据以及相关医嘱的数字化，同时透过数字化手段达到远程医疗的目的。远程医疗泛指应用资通讯与媒体科技技术、突破时间与空间的限制、以从事实时交互式的医疗专业顾问与咨询的行为。根据世界卫生组织（World Health Organization，WHO）的定义，远程医疗是“使用交互式视讯及信息通讯技术，进行包括诊断、治疗及咨询等医疗照护行为，以及卫生教育与医疗信息的传递”。

医疗监护系统开发背景：远程医疗主要源于1950年代的远程医疗服务，核心设备是应用视讯设备实行远程医疗服务。1980年代后期，远程医疗开始使用数字压缩与ISDN等传输技术，提供更好的服务质量。随着传输技术、无线通讯与交互式视讯等相关技术的快速进展，远程医疗在非临床领域的应用持续增加，远程健康照护市场也因此呈现急速成长的趋势。远程医疗技术尤其针对老人照护的需求变得越来越重要，这是因为全球人口结构快速老化医疗费用节节上升、慢性及退化性疾病成为消耗医疗资源等原因。同时，医疗和信息通讯科技的进步，发展远程医疗应用成为许多国家因应社会人口变迁的积极努力方向。

医疗监护简介：在1900年，远程医疗图像传输技术，就开始应用于美国纽约的一个教会院，将病人的心电图进行远程传输，让有经验的医生对病人的症状进行诊断。在1959年，美国内布拉斯加州Wittson等医疗人员使用互动电视，来对患者进行预防性心理疾病治疗。 1993年以来，美国还在一些士兵身上佩戴如图19-1所示的手腕生理监控设备，用来监控士兵所在的位置、血压、脉搏、心率和血氧饱度等信息。指挥官通过指挥中心的电脑监控屏幕，可以清楚地看到士兵的位置和损伤程度，来及时决定如何对士兵进行急救。

远程医疗监护市场现状：我国2009年开始推动新医改方案，其具体作为是在2009年开始的三年之间，投入约8500亿人民币改善医疗制度，重点在基层医疗、基本用药、医疗保险、公立医院改革及公共卫生五大项，此方案带动医院基础诊断器材需求快速攀升，新医改方案拉高整体市场需求，也反映在全球医材市场的产品结构。我国60岁以上老年人达1.85亿，占总人口数14 %，推估“十二五计划”期末，我国老年人口将达到2.21亿，占全国总人口的26%。2012年我国医疗电子市场产值初估达48亿美元，2016年则将攀升至74亿美元。

我国从事远程医疗的厂家大都为中小型公司，同美国等发达国家相比，我国远程医疗信息服务和医疗设备的生产能力还比较弱。

远程医疗监护系统整体设计：远程医疗监护系统主要功能提供一般家庭或特定场合使用，在远方医疗人员指导下，由病人本人或家属或者其它专业人员使用相关医疗监护系统对病人进行监护，并将所得到的生理信息实时传送给相关专业医疗人员。

远程医疗监护系统设计概述：远程医疗系统的开发及建设除了远程专家协助的功能以外，其余都着重在慢性疾病的生理信息搜集与用药及医嘱执行的确认。所开发的系统可以满足长期、定时收集病人的特定参数以方便病人健康跟踪。同时，该系统可方便地进行生理数据收集，方便定时用药提醒或生理测量提醒，可易于向病人、病人家属及医护人员提供病人的生理变化信息，这将可以有效降低慢性病照护的成本，并维持医疗服务水平不降低。

远程医疗监护系统网络设计：在医院中，医疗人员利用医院有线及无线局域网，可以对医院中的患者实施无接触实时监控。如图19-2所示，病房当中的患者佩戴无线传感器，这些传感器实时采集患者的体温、脉搏和血压等生理数据，所收集的数据通过无线接入点AP传输到数据服务中心。在经过智能化数据处理后，相关结果可显示在监控室的监控大屏幕。

利用这种监控系统，较少的医疗人员可以对较多的患者实施监控，并对有关情况进行及时处理，避免医疗事故的发生。

医院无线监护网络拓扑图

 

远程家庭监护网络拓扑结构

 

无线传感网络与远程监护示意图

 

远程医疗监护系统服务器功能设计: 如图19-6所示,远程医疗监控系统平台可分为几个功能模块，这包括视频会议模块、远程预约模块、远程监控模块、远程检查模块、影像诊断模块、费用管理模块、医疗帮助模块、医疗投诉模块、短信管理模块和基础信息模块等。

这些功能模块可以有效地进行生理信息数据的智能化处理，帮助医疗人员为患者提供更高质量的服务。

远程医疗监控系统服务器端功能模块

 

医疗监护系统硬件实现:医疗设备可提供给人们或医生被量测者的生理数据，可方便提供足够的信息来判定身体的健康状态。医疗设备越发达，所能提供的量测信息越多，医疗人员就更能精准地判别病人可能存在的问题。用于远程医疗监控的设备主要包括生理数据获取设备和网关设备。

生理数据获取设备:在远程医疗监控系统中，可采用各种高性能设备来获取患者的各种生理参数。本章主要讨论如图19-7所示的心电信号的获取方法。将无线或有线生理测量设备戴在被监控对象的手腕上，生理信号通过高通滤波模块进行过滤，然后经过仪表差分模块进行信号放大处理。

心电信号采集处理流程

 

远程医疗监控网关设备:

 

进行远程医疗监控时，网关设备一般布置在被监控对象的周围，它可以通过WiFi、3G或以太网，将被监控对象的各种实时生理信息传输到远程医疗监控系统的数据服务中心。作为监控网关的设备可以是一台具有通信功能的嵌入式电脑，也可以是一部安装远程医疗监控软件的智能手机。

远程医疗监护系统平台实现: 要建立高效的远程医疗监护平台，除了必要的设备外，还需要完成相应的软件开发。开发的软件需要完成的功能包括实时生理数据获取与传输、远程医疗监控系统服务器数据的处理及显示和医疗监控系统客户端医疗信息的显示及医疗服务的获取。

实时生理数据获取与传输

 

远程医疗监控系统服务器功能实现: 远程医疗监控系统的数据服务中心中安装有数据库服务器、Web服务器、短信服务器和Email服务器等。在本章所描述的项目中，所采用的数据库为MySQL数据库，所使用的Web服务器为Tomcat。数据服务中心对数据库中的数据进行处理，并通过使用动态网页技术将处理后的结果进行实时显示和报警。医疗人员或者患者可以通过PC或手机终端来连接Web服务器，并及时获取生理数据处理结果。

远程医疗监控系统客户端实现: 远程医疗监控客户端一般是由被监控对象本人或家属所使用的硬件和软件的集合。这个远程监控客户端易于随身携带，比如它可以是一个装有特定软件的智能手机。患者可以使用监控系统客户端来实现同医疗人员的远程对话，并可实时显示患者本身的生理数据，让被监控人员可以观察自己的健康状况。使用客户端，患者还可以实现同医院数据中心的Web服务器之间的通信及获取相关的医疗服务。如图19-9所示，通过远程医疗客户端，用户可以进行账号注册、登录，并可以获取各种医疗信息服务。

小结 :近年来，远程医疗监控系统的开发是物联网技术、通信技术与医学技术相结合的产物。本章对医疗监护系统开发背景、远程医疗监护系统整体设计、医疗监护系统硬件实现和远程医疗监护系统平台实现进行了简要介绍。

**********    海计算 云计算 边缘计算 雾计算    ****************

云计算：云计算是一种基于互联网的计算方式，通过这种方式，共享的软硬件资源和信息可以按需求提供给计算机各种终端和其他设备。云计算是继1980年代大型计算机到客户端-服务器的大转变之后的又一种巨变。用户不再需要了解“云”中基础设施的细节，不必具有相应的专业知识，也无需直接进行控制。云计算描述了一种基于互联网的新的IT服务增加、使用和交付模式，通常涉及通过互联网来提供动态易扩展而且经常是虚拟化的资源。

雾计算：雾计算，是一种分布式的计算模型，作为云数据中心和物联网(IoT)设备/传感器之间的中间层，它提供了计算、网络和存储设备，让基于云的服务可以离物联网设备和传感器更近。雾计算的概念的引入，也是为了应对传统云计算在物联网应用时所面临的挑战。

海计算：海计算实质是把智能推向前端。智能化的前端具有存储、计算和通信能力，能在局部场景空间内前端之间协同感知和判断决策，对感知事件及时做出响应，具有高度的动态自治性。海计算为用户提供基于互联网的一站式服务，是一种最简单可依赖的互联网需求交互模式。用户只要在海计算输入服务需求，系统就能明确识别这种需求，并将该需求分配给最优的应用或内容资源提供商处理，最终返回给用户相匹配的结果。与云计算的后端处理相比，海计算指的是智能设备的前端处理。

边缘计算：边缘计算是一种通过在数据源附近的网络边缘执行数据处理来优化云计算系统的方法。这通过在数据源处或附近执行分析和知识生成来减少传感器和中央数据中心之间所需的通信带宽。这种方法需要利用可能不能连续连接到网络的资源，如笔记本电脑，智能手机，平板电脑和传感器.边缘计算涵盖了包括无线传感器网络，移动数据采集，移动签名分析，协作分布式点对点ad hoc网络和处理，也可以分类为本地云/雾计算和网格/网格计算，露水计算，移动边缘计算，云计算，分布式数据存储和检索，自主自愈网络，远程云服务，增强现实，等等