智能家居物联网实验室建设方案.doc

智能家居物联网实验室建设方案.doc

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智能家居物联网实验室建设方案

1概述

3G是现在社会最流行的无线传输方式，可以实现随时随地上互联网，打电话，接电话，发短信等各种无线通信等功能，特别是google公司开发的android操作系统，号称给将每个人的口袋装进互联网。

物联网是通过信息传感设备，按约定的协议实现人与人、人与物、物与物全面互联的网络，其主要特征是通过射频识别、传感器等方式获取物理世界的各种信息，结合互联网、移动通信网等网络进行信息的传送与交互，采用智能计算技术对信息进行分析处理，从而提高对物质世界的感知能力，实现智能化的决策和控制。

物联网技术和产业的发展将引发新一轮信息技术革命和产业革命，是信息产业领域未来竞争的制高点和产业升级的核心驱动力。

物联网概念是庞大和丰富的，其中涵盖了大量现有的专业门类和技术体系，而在其系统集成和应用端，可以说物联网技术将能够应用于工业、农业、服务业、环保、军事、交通、家居等几乎所有的领域。

无线传感网络正是适应于这样背景下的全新网络技术。

无线传感器网络（WirelessSensorNetworks，WSN）是当前国际上备受关注的、涉及多学科高度交叉、知识高度集成的前沿热点研究领域。

它综合了传感器、RFID技术、嵌入式计算、现代网络及无线通信和分布式信息处理等技术，能够通过各类集成化的微型传感器协同完成对各种环境或监测对象的信息的实时监控、感知和采集，这些信息通过无线方式被发送，并以自组织多跳的网络方式传送到用户终端，从而实现物理世界、计算世界以及人类社会这三元世界的连通。

2学校建设目标

（1）建立完整的真实的智能家居无线传感实验室

整个实验室完整建设好之后是一个真实的智能家居实验室环境：

一个屋子里面有空调，电视，音乐播放，电风扇，电话，遥控器，红外转换器，摄像头，电源，电磁阀，加湿器，声光报警，智能电灯，可控窗帘等。

就是一个家居环境能用的上的生活设备我们会满足。

我们将不再以实验平台作为模拟的样式，这个太老套，我们建设的是一个真实的实验室环境。

我们可以通过几种方式去控制这个家用设备，首先我们的实验室的智能家居设备是通过各种传感器相互无线通信控制，这个控制这些传感器有两种方式：

第一：

电脑连接网络控制，有专门的一个控制软件；第二，手机无线控制，就是我们的3G网络随时随地无论在哪都可以控制。

整个实验室将分为学生真实智能家居实验实训实验室和3G移动控制两部分。

建成后实验室不但可以提供给40位学生同时进行无线传感网络的实训训练，还可根据行业应用需求，搭建起数个应用模型，用于教师科研和学生创新设计，如：

可以利用实验室WSN节点在校园内搭建一个环境监测系统，物流管理系统对校园内相关环境和仓库参数进行监测，监测结果可以通过实验室LED大屏实时发布，同时也可通WEBserver进行发布和手机远程登录及控制。

（2）建立完整的智能家居物联网节点的基础架构

物联网节点由传感器模块、路由协议管理模块、系统控制模块、无线收发模块和能量控制模块五部分组成，每个传感器节点兼顾传统网络节点终端和路由器双重功能，除了进行本地信息收集和数据处理外，还要对其他节点转发来的数据进行存储、管理和融合等处理，同时与其他节点协作完成一些特定任务。

为了能够实现最为稳定的节点互联，信息互通，我将采用android+Linux智能家庭网关操作系统，并把该操作系统移植到目前很新的SOC 芯片（CC2530）上，在节点上实现完整的MAC协议以及路由协议，并可以根据应用场合的不同根据实际的需要替换为不同的路由协议。

主题软件架构框架如下：

图1　节点架构示意图

（3）无线传感器网络数据查询理论

无线传感器网络产业化使用的核心技术问题之一就是海量数据的有效处理，包含存储、统计、查询以及基于数据处理之上的专家对数据的判断，行业领域应用的技术矛盾之一就是行业数据的大规模和专家的小数量之间的矛盾，这一问题的解决方式集中于专家的远程化准现场处理，而在这种处理方式中，数据的准确查询和使用是核心中的核心。

对SINK节点传过来的数据进行处理，包括：

采集、分析、存入数据库、查询等。

也可大体分为几个工作，针对数据查询：

本项目研究传感器网络环境下的不受节点失效、通信链路失效和节点移动影响的查询处理技术，并提出基于该技术的聚集查询、KNN查询和连接查询等典型查询的处理算法。

研究能够在系统部署之后动态且高效地添加新的查询语言、存储和索引机制、查询处理算法的新型传感器网络数据库管理系统的体系结构。

实现具有自主版权的满足实时性、鲁棒性要求的、具有动态可扩充能力的新型传感器数据库管理系统的原型系统NHSensor。

（4）搭建丰富应用监控软件平台

无线传感器网络产业化使用的不但依赖于稳定、高效的节点和数据库功能，还需要丰富的应用端软件，采取优化的人机交互系统，面向掌握简单电脑技术的实际农田数据使用者，提供使用简单、理解清晰、操作方便、丰富多样的应用端程序。

l  便携式采集终端

l  WEB数据库服务器

l  PC端采集终端

l  移动3G平台采集终端

（5）建立基于无线传感网的物联网智能家居的数据融和系统模型

物联网是所有感知网络的融和，所以无线传感网如何与互联网（或主干网）的数据融和是行业应用中一个需要解决的非常重要问题。

传感网的数据融和绝不仅仅是对采集来的数据进行简单的数据转发，而是包括了一系列的子网序列管理、登录、认证、网络连接、数据加密、发送等一系列复杂的过程。

现在如华为、中国电信、移动，联通共同提出了3G通信概念，并提出相应的协议规范。

这次的无线传感网实训室我们将基于3G协议搭建起相关系统模型，真正地建立起一个3G手机终端控制智能家居环境的实验室。

3建设意义

1）对于教学的意义

物联网技术面向现代信息处理技术，培养从事物联网领域的系统设计、系统分析与科技开发及研究方面的高等工程技术人才。

可以培养学生合理的知识结构、具备扎实的电子技术、现代传感器和无线网络技术、物联网相关高频和微波技术，有线和无线网络通信理论、信息处理、计算机技术、系统工程等基础理论，掌握物联网系统的传感层，传输层与应用层关键设计等专门知识和技能，并且具备在本专业领域跟踪新理论、新知识、新技术的能力以及较强的创新实践能力。

物联网具有以下几大知识模块，可以把以下的知识模块融入到相应的课程体系中去。

1、单片机和嵌入式知识模块

知识点包括：

从最基础的8051单片机到ARM嵌入式技术，由浅入深，知识点包括：

微机原理，接口技术，微控制器体系和原理，实时操作系统，C语言编程技术等等

2、 无线片上系统（SoC）知识模块

知识点包括：

无线单片机通讯接口设计，无线有线收发器原理和结构，通讯原理和结构，嵌入式软件基础等；

3、无线通讯和无线网络知识模块

知识点包括：

短距离无线数据通讯基础和原理，无线自组网技术，基本无线网络拓扑，ZIGBEE无线技术和802.15,.4无线标准，高级的ZIGBEE技术，以及先进的3G互联网通信技术。

网络安全和加密技术，C语言和无线网络算法高级技术原理；

4、高频微波知识模块

知识点包括：

高频微波技术基础，调制和解调技术，天线原理和设计，阻抗匹配和反射，高频仪器使用，微波放大器设计，无线单片机高频测试和调试方法和原理等；

5、RFID知识模块

知识点包括：

电磁技术基础，RFID标签防冲突算法，EPC和IS0-18000－6C通讯协议和原理；大功率RFID读卡器原理和设计，RFID和物联网数据库结构和原理等；

6、物联网传输层知识模块

知识点包括：

物联网网关原理和结构，GSM/GPRS技术原理，3G技术原理和结构，M2M 数据传输和远程通讯，嵌入式和高级实时操作系统在物联网网关设计技术等；

7、高级无线网络知识模块

知识点包括：

微功耗802.11标准WIFI传感器网络原理和结构，内置多ARM和WI-FI收发器的无线单片机，802.15.1 蓝牙技术和低功耗蓝牙无线技术原理；Wi-Fi/蓝牙，ZIGBEEPRO 无线通讯协议栈原理和设计；

 具体的实训设置安排可以如下：

1、 无线传感器网络基础知识部分：

（1）、无线传感器网络专业系统组成实验（大型真实智能家居系统）50个基础实验，可选20个实验左右安排20个课时。

（2）、无线射频通信实验 8个，可安排8-16课时。

（3）无线传感器网络组网实验，6个实验，可安排6-12课时。

（4）3G无线互联网通信实验，10个实验，可安排20课时。

2、3G通信协议实训：

根据3G协议安排6个以上实训课程。

3、无线传感器网络上层应用实训：

现提供WebServer、数据库、远程用户登录及控制等。

4、综合真实智能家居无线传感器网络实训项目：

包括光场监控实训、温度监控实训等，每个项目约2周。

5、智能家居系统无线传感器网络创新应用项目设计,根据学校特色可设计2-3行业应用模型系统（物流系统等），用于学生大项目训练，时间安排在3-4周。

  七个知识模块，以无线SOC和无线单片机为中心进行串联，结合400多学时的实验和实训，让学生充分动手，接触各种无线有线通讯技术和实际训练，并且使用无线单片机设计微功耗无线网络节点，各种网络路由器，无线有线网关；最终达到能够独立使用无线单片机，构架设计各种物联网应用系统；

2）  对于科研水平提高的意义

真实的智能家居系统传感网把所有物品通过射频识别等信息传感设备与3G互联网连接起来，实现智能化识别和管理；是继计算机、互联网与移动通信网之后的又一次信息产业浪潮，是一个全新的技术领域。

早在1999年，在美国召开的移动计算和网络国际会议提出，“传感网是下一个世纪人类面临的又一个发展机遇”；2003年，美国《技术评论》提出传感网络技术将是未来改变人们生活的十大技术之首；2005年，在突尼斯举行的信息社会世界峰会（WSIS），国际电信联盟（ITU）发布了《ITU互联网报告2005：

物联网》，正式提出了“物联网”的概念。

报告指出：

无所不在的“物联网”通信时代即将来临，世界上所有的物体从轮胎到牙刷、从房屋到纸巾都可以通过因特网主动进行信息交换。

射频识别技术（RFID）、传感器技术、纳米技术、智能嵌入技术将得到更加广泛的应用。

《国家中长期科学与技术发展规划（2006-2020年）》和“新一代宽带移动无线通信网”重大专项中均将传感网列入重点研究领域。

传感器网络标准工作组组长、上海微系统所副所长刘海涛表示，我国的技术研发水平已处于世界前列。

中科院早在10年前就启动了传感网研究，先后投入数亿元，目前，中国与德国、美国、英国、韩国等国一起，成为国际标准制定的主要国家之一。

目前，我国传感网标准体系已形成初步框架，向国际标准化组织提交的多项标准提案被采纳。

8月7日，温家宝总理在无锡考察中科院无锡高新微纳传感网工程技术研发中心时曾表示，至少三件事情可以尽快去做，一是把传感系统和3G中的TD技术结合起来；二是在国家重大科技专项中，加快推进传感网发展；三是尽快建立中国的传感信心中心，或者叫“感知中国”。

并指出，要早一点谋划未来，早一点攻破传感网核心技术，要依靠科技和人才，占领科技和经济发展制高点，保证我国具有可持续发展的能力和可持续的竞争力。

从“物联网”的应用来看，我们认为有三个层次：

一是传感网络，即以二维码、RFID、传感器为主，实现“物”的识别。

二是传输网络，即通过现有的互联网、广电网络、通信网络或未来的NGN网络，实现数据的传输与计算。

三是应用网络，即输入输出控制终端，可基于现有的手机、PC等终端进行。

由此可以看到，“物联网”的关键在于射频标签（RFID）、传感器、嵌入式软件及传输数据计算等领域。