第一章 緒論 

1.1  課題研究的背景和意義 
物聯(lián)網(wǎng)是一個新興的產(chǎn)業(yè)，物聯(lián)網(wǎng)涵蓋了電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等學(xué)科，是一個多學(xué)科綜合交叉的產(chǎn)業(yè)[2-3]。物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展?jié)摿薮�，因此也被稱之為繼計算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)之后的第三次信息產(chǎn)業(yè)浪潮[4-5]。在政策方面，國家大力支持物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，2009 年 8 月溫家寶總理在視察無錫中科院物聯(lián)網(wǎng)研究中心[6]，2011 年國家工業(yè)和信息化部發(fā)布《物聯(lián)網(wǎng)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》，明確指出物聯(lián)網(wǎng)已成為當(dāng)今世界新一輪經(jīng)濟(jì)和科技的戰(zhàn)略至高點(diǎn)之一。[7-8] 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是各學(xué)科的綜合產(chǎn)物，其廣泛的基礎(chǔ)屬性決定了其具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，如醫(yī)療、環(huán)境檢測、智能家居控制、石化化工、電力檢測、農(nóng)業(yè)管理、運(yùn)輸、軍事、消防等傳統(tǒng)行業(yè)，基本涵蓋了人類生活的各方面[9-14]。傳統(tǒng)行業(yè)的各控制系統(tǒng)運(yùn)行相對獨(dú)立，外界無法獲取其運(yùn)行時的狀態(tài)信息，也無法實(shí)現(xiàn)對各控制系統(tǒng)的監(jiān)測與控制。當(dāng)前，智能化控制得到前所未有的高速發(fā)展，人類對系統(tǒng)的控制要求也提高到了一定高度，不僅要是各控制系統(tǒng)能獨(dú)立、穩(wěn)定運(yùn)行，更要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，這也為物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展提供了廣闊的發(fā)展空間。   物聯(lián)網(wǎng)在各領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，作為物聯(lián)網(wǎng)感知層基礎(chǔ)的傳感器在各領(lǐng)域使用的種類和數(shù)量極其龐大，傳感器硬件接口與數(shù)據(jù)訪問方式千差萬別，無法實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的管理。為了對感知層數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一的管理，需要建立一個智能操作平臺以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一處理和傳輸。物聯(lián)網(wǎng)對數(shù)據(jù)管理統(tǒng)一后即可應(yīng)用于眾多的監(jiān)控系統(tǒng)中，從而減少了監(jiān)控系統(tǒng)的的研發(fā)周期，方便在不同監(jiān)控系統(tǒng)中進(jìn)行設(shè)備的移植，減少設(shè)備維護(hù)成本。物聯(lián)網(wǎng)同時實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)在互聯(lián)網(wǎng)中共享，方便監(jiān)管人員通過互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作，同時也方便對數(shù)據(jù)的顯示、查詢、獲取、分析。此物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)可以應(yīng)用于農(nóng)業(yè)監(jiān)控、醫(yī)療控制、工業(yè)檢測、礦井、智能家居、酒店信息監(jiān)控，環(huán)境參數(shù)采集等場合，具有較高的實(shí)用價值。 通過對本系統(tǒng)的制作與研究，擴(kuò)展了互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用范圍，促進(jìn)了互聯(lián)網(wǎng)與無線網(wǎng)絡(luò)的融合，對物聯(lián)網(wǎng)的進(jìn)一步發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。 
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1.2  物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r

物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)物到物(T2T, Thing To Thing)、人到物(H2T, Human To Thing)和人到人(H2H, Human To Human)的互聯(lián)，把目前網(wǎng)絡(luò)所實(shí)現(xiàn)的人與人之間的互聯(lián)通過傳感技術(shù)擴(kuò)大到了物的范圍[15]。物聯(lián)網(wǎng)的基本組成如圖1-1所示，物聯(lián)網(wǎng)主要由三個層次組成：一是感知層，感知層主要是通過傳感器檢測設(shè)備所需的變量，將模擬量變換成數(shù)字量，常見的有一般傳感器、RFID(Radio  Frequence Identification)、二維碼等。二是網(wǎng)絡(luò)層，網(wǎng)絡(luò)層的基礎(chǔ)的是互聯(lián)網(wǎng)，包含了有線和無線傳輸方式，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸。三是應(yīng)用層，該層將網(wǎng)絡(luò)層傳輸來的數(shù)據(jù)通過各種信息系統(tǒng)進(jìn)行處理，為用戶提供了多種多樣的業(yè)務(wù)體驗(yàn)，并通過各種設(shè)備和人進(jìn)行交互。在國外，在美國物聯(lián)網(wǎng)的研究中，高等院校一直處于行業(yè)的先驅(qū)者，例如麻省理工學(xué)院，奧本大學(xué)先后獲得 DARPA 的支持，加州大學(xué)洛杉磯分校的 CENS實(shí)驗(yàn)室、WINS 實(shí)驗(yàn)室、NESL 實(shí)驗(yàn)室、IRL 實(shí)驗(yàn)室等等進(jìn)行的大量的研究工作，此外，很多知名公司也積極從事這方面的工作，例如克爾斯博公司分別和微軟、霍尼韋爾、英特爾等公司建立了合作關(guān)系。在歐盟物聯(lián)網(wǎng)的研究中，歐盟委員會遞交了《歐盟物聯(lián)網(wǎng)行動計劃》，確保歐洲在構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)的過程中起主導(dǎo)作用；日本與韓國在物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展則經(jīng)歷了相似的過程。

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第二章 系統(tǒng)整體設(shè)計 

2.1  物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的功能要求
物聯(lián)網(wǎng)的組成中包括對各獨(dú)立的設(shè)備的進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與控制、數(shù)據(jù)的傳輸以及與互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的融合。因此，在本文介紹的監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)有如下的功能：第一、與物聯(lián)網(wǎng)通訊節(jié)點(diǎn)相結(jié)合的各應(yīng)用控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對外部設(shè)備的數(shù)據(jù)采集和控制，如酒店新風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)中，應(yīng)實(shí)現(xiàn)對各傳感器的數(shù)據(jù)采集與新風(fēng)機(jī)的通斷控制。第二、物聯(lián)網(wǎng)通訊節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)通訊。 第三、物聯(lián)網(wǎng)通訊網(wǎng)絡(luò)完成各節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸。通訊網(wǎng)絡(luò)包括對各設(shè)備節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)、入網(wǎng)、地址分配、節(jié)點(diǎn)識別等，為數(shù)據(jù)的正確傳輸提供穩(wěn)定的傳輸途徑。 第四、網(wǎng)絡(luò)通訊中的各節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)通過協(xié)調(diào)器實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)器與互聯(lián)網(wǎng)通訊的融合，即完成物聯(lián)網(wǎng)感知層與網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通。 第五、上位機(jī)作為客戶端可以通過互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程獲取各通訊節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)信息。通過上訴對物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的功能分析，實(shí)現(xiàn)了從物聯(lián)網(wǎng)底層到頂層的數(shù)據(jù)流向。物聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)如圖 2-1 所示： 
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2.2  物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)整體方案
從圖 2-1 可知，物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)包括四個部分，即上位機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)監(jiān)控，協(xié)調(diào)器實(shí)現(xiàn)協(xié)議的轉(zhuǎn)換與通訊網(wǎng)絡(luò)的控制，通訊網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，各通訊節(jié)點(diǎn)完成對外圍設(shè)備數(shù)據(jù)的采集與控制。物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計則完成物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)中網(wǎng)絡(luò)層與感知層的數(shù)據(jù)融合。物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的整體設(shè)計方案如圖 2-2 所示，通訊節(jié)點(diǎn)為網(wǎng)絡(luò)通訊中為網(wǎng)絡(luò)的組建提供數(shù)據(jù)接收與發(fā)送終端，對外圍設(shè)備的控制。若干通訊終端經(jīng)一定的規(guī)則組成可以相互通訊的網(wǎng)絡(luò)；對外圍設(shè)備的控制，是對外圍設(shè)備數(shù)據(jù)的采集、存儲、及外部設(shè)備開關(guān)量的通斷控制，通訊節(jié)點(diǎn)并將外圍設(shè)備的狀態(tài)信息經(jīng)通訊網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到協(xié)調(diào)器。通訊網(wǎng)絡(luò)完成網(wǎng)絡(luò)組建具體的組網(wǎng)工作，完成數(shù)據(jù)的輸送，并對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行維護(hù)，路由信息管理，協(xié)調(diào)各通訊節(jié)點(diǎn)的在同一信道中的傳輸，以達(dá)到安全、穩(wěn)定的目的。目前物聯(lián)網(wǎng)通訊網(wǎng)絡(luò)有有線通訊方式與無線通訊方式，有線通訊有RS-232、RS-485、CAN 總線等，無線通訊方式有 Zigbee、Ad hoc、Wifi、藍(lán)牙等，兩種不同傳輸介質(zhì)的通訊各有優(yōu)勢，應(yīng)根據(jù)不同的使用場合使用合適的通訊方式。對網(wǎng)絡(luò)通訊的設(shè)計主要是對網(wǎng)絡(luò)中各通訊協(xié)議的軟件設(shè)計。
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第三章 物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計 ........... 12 
3.1  節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計 .......... 12
3.2  協(xié)調(diào)器硬件設(shè)計 ...... 17 
3.3  本章小結(jié) .......... 20 
第四章 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)通訊組網(wǎng)設(shè)計 ....... 21 
4.1  網(wǎng)絡(luò)通訊物理層設(shè)計 ...... 21 
4.1.1 SI4432 接收和發(fā)送及初始化 ...... 21 
4.1.2 物理層封包 ........... 25 
4.2  網(wǎng)絡(luò)通訊數(shù)據(jù)鏈路層設(shè)計 ...... 25 
4.2.1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的選用 ........... 25 
4.2.2 MAC 子層 ..... 26 
4.3  網(wǎng)絡(luò)通訊網(wǎng)絡(luò)層設(shè)計 ...... 27 
4.4  組網(wǎng)過程 .......... 30 
4.4.1  網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)建 ....... 30 
4.4.2  節(jié)點(diǎn)入網(wǎng) ....... 31 
4.5  二進(jìn)制指數(shù)退避(BEB)算法及優(yōu)化 ....... 32
4.6  本章小結(jié) .......... 35 
第五章 物聯(lián)網(wǎng)協(xié)調(diào)器設(shè)計 ........... 36 
5.1 Linux 系統(tǒng)移植 ........ 36
5.2  網(wǎng)關(guān)設(shè)計 .......... 39 
5.2.1  網(wǎng)關(guān)架構(gòu) ....... 39 
5.2.2 TCP/IP 協(xié)議與無線網(wǎng)傳輸幀解析 ....... 40 
5.2.3  地址映射與協(xié)議轉(zhuǎn)換 ........... 41 
5.3 TCP/IP Socket 程序編寫 .......... 42 
5.4  本章小結(jié) .......... 44 

第五章 物聯(lián)網(wǎng)協(xié)調(diào)器設(shè)計

5.1 Linux 系統(tǒng)移植
微處理器上運(yùn)行 Linux 系統(tǒng)時，需要對進(jìn)行幾個步驟的操作。Linux 啟動時與 Windows 類似，需要有引導(dǎo)程序即 Bootloader，Bootloader 是在操作系統(tǒng)內(nèi)核運(yùn)行前的一段小程序[54]。在 Bootloader 中進(jìn)行對應(yīng)的操作設(shè)置，例如存儲地址、系統(tǒng)地址、初始化硬件設(shè)備等。然后再在引導(dǎo)程序中啟動系統(tǒng)，即啟動 Linux 的內(nèi)核（Kernel），最后再在內(nèi)核的基礎(chǔ)上掛接一個文件系統(tǒng)，即最小的 Linux 系統(tǒng)被制作出來。但由于每套線路板的硬件構(gòu)成不盡相同，因此需要對部分程序進(jìn)行相應(yīng)的移植與裁剪工作，使之真正編譯出來的數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)量減小，適合在微處理器中運(yùn)行來我們的要求。一套完整的程序所需的平臺架構(gòu)如圖 5-1 所示，硬件平臺是本系統(tǒng)根據(jù)需要而制作出來的 PCB 板，Bootloader、Kernel、文件系統(tǒng)是需要從現(xiàn)有的資源中移植過來，應(yīng)用程序需要則是根據(jù)具體需求而開發(fā)的程序，本系統(tǒng)應(yīng)用程序主要是無線網(wǎng)與網(wǎng)關(guān)程序的編寫。目前應(yīng)用最多的 Bootloader 引導(dǎo)程序是 U-Boot( Universal Boot Loader)，是遵循 GPL 條款的開放源碼項(xiàng)目。U-boot 有著明顯的優(yōu)勢，其源碼開放，開發(fā)人員或公司不需考慮其版權(quán)問題；其次 U-boot 支持多種嵌入式操作系統(tǒng)和多種硬件平臺，使之在平臺之間的移植的相對比較方便；然后其具有很高的穩(wěn)定性與可靠性，可以在各平臺上可靠運(yùn)行。最后，其支持的設(shè)備眾多，驅(qū)動源碼很豐富，開發(fā)人員對其移植時不用理會過多的底層資源。 
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總結(jié)

本文根據(jù)當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)在工廠、醫(yī)院、樓宇等多樓層、多障礙物、環(huán)境復(fù)雜應(yīng)用所領(lǐng)域所存在缺陷，無法滿足該行業(yè)的控制要求而設(shè)計制作一套物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)。本系統(tǒng)在研究的過程中設(shè)計到了電子、計算機(jī)、通訊、單片機(jī)、Linux系統(tǒng)、互聯(lián)網(wǎng)等多個學(xué)科，是各學(xué)科共同的產(chǎn)物。本系統(tǒng)的研究從硬件底層直到計算機(jī)上層，基本實(shí)現(xiàn)了對數(shù)據(jù)流向的控制，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。本設(shè)計完成的工作如下： 
(1)  根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)的特性分析，確定方案的功能目標(biāo)，并提出對功能的實(shí)現(xiàn)方案。包括對整體方案的確定、各模塊方案的實(shí)現(xiàn)、及整個方案工作的分析。 
(2)  完成系統(tǒng)的硬件設(shè)計。硬件設(shè)計包含對原理圖、PCB 圖的設(shè)計，并打樣焊接等工作。硬件模塊包含通訊節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器模塊。   
(3)  完成對 Linux 系統(tǒng)的搭建工作，系統(tǒng)搭建主要是對 Uboot、內(nèi)核、及文件系統(tǒng)的移植工作，以及 SI4432 芯片在 Linux 系統(tǒng)中的驅(qū)動程序及應(yīng)用程序的編寫工作。   
(4)  分析了無線網(wǎng)絡(luò)層次的功能，及完成對各層封包的數(shù)據(jù)幀設(shè)定，以便對實(shí)現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)流通，解決了本系統(tǒng)的關(guān)鍵點(diǎn)之一。同時對無線網(wǎng)絡(luò)的 MAC 子層的 BEB 算法進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。   
(5)  通過對無線網(wǎng)絡(luò)與 TCP/IP 協(xié)議的封包相比較分析，確定了網(wǎng)關(guān)的對數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換方式，包括地址、數(shù)據(jù)信息等。   
(6)  將本系統(tǒng)應(yīng)用于酒店新風(fēng)機(jī)的控制系統(tǒng)，，并對物聯(lián)網(wǎng)的各個環(huán)節(jié)進(jìn)行了測試，并將協(xié)調(diào)器作為服務(wù)器，在上位機(jī)中使用 Labview 編寫客戶端以實(shí)現(xiàn)對新風(fēng)機(jī)控制節(jié)點(diǎn)的監(jiān)控。
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參考文獻(xiàn)(略)  

本文編號：58910