本书从实用性和先进性出发，先介绍物联网理论知识和支撑技术，再从方案设计和实验验证的角度将理论融于实践，较全面地介绍物联网的核心理论和实践应用方面的技能。全书基于的硬件平台是ZT-EVB与CVT-IOT-VSL 教学实验箱，软件开发环境涉及网络通信及嵌入式技术的主流开发工具。本书共5章，主要内容包括：物联网核心理论及发展概述、物联网理论研究方向、物联网体系标准与协议架构、物联网实验系统的硬件平台和软件开发环境、物联网面向工程应用技术和实践。本书提供配套的电子课件、程序代码和参考文档。本书可作为高等学校电子、通信等专业物联网相关课程的教材，也可供相关领域的工程技术人员学习、参考。

前 言 物联网（Internet of Things）技术的发展不仅极大地促进了科学技术的发展，而且明显地加快了经济信息化和社会信息化的进程。因此，物联网教育在各国备受重视，具备物联网基础理论知识与工程应用能力已成为21世纪人才的基本素质。近年来，在工业化和信息化融合的大背景下，物联网技术飞速发展，物联网日益成为推动经济发展的驱动器，并为产业拓展提供了巨大的发展动力和机遇。作为物联网技术的核心载体，无线传感器网络及无线短距离通信、近场通信技术已成为现存的最适合搭建物联网应用平台的新兴网络通信技术之一，目前已经越来越多地受到学术界和工程应用领域相关人员的关注。 互联网连接了人与人，物联网作为互联网的延伸与扩展，不仅连接了人与人，还连接了人与物、物与物。物联网的出现彻底改变了人类的生产和生活方式，物联网技术已经逐渐在智慧城市、环境监测、工业控制等领域得到使用，且仍然存在巨大的潜力。物联网技术属于一门新兴技术，正在高速发展并跨学科交叉融合，学习和掌握新技术的发展方向与技术理念是现代化高等教育的核心理念。今天，掌握物联网的基础知识和应用技术已经成为人们，特别是青年一代必备的技能。为了进一步加强网络通信类理论及实践教学工作，适应高等学校正在开展的课程体系与教学内容的改革，及时反映网络通信基础教学的研究成果，积极探索适应21世纪人才培养的教学模式，我们对物联网和人工智能、云计算、深度学习等技术融合的理论内容及应用案例进行了总结，编写了这本《物联网工程原理与应用》。 本书具有如下特色。 ? 根据实践型教学理念，采用研究型学习方法，即采用“提出目标—设计方案—归纳总结—扩展思考”的目标驱动方式，突出学生主动探究学习和动手操作能力在整个实践教学中的地位与作用。 ? 基本思路分两步。首先，以物联网基础理论和运作体系为一条主线，围绕这条主线介绍物联网基础知识和基本运作原理、协议架构功能和相关软/硬件系统的安装与配置，同时拓展知识面，介绍物联网的未来技术发展方向；其次，以物联网应用开发为另一条主线，介绍工程应用开发的基本知识、基本原理、开发技术和应用方案。两条主线是一个有机的整体，相辅相成，其实质是理论知识与实践应用完美结合的一条综合物联网知识应用的中轴线。 ? 注重将物联网应用技术的最新发展及应用案例适当地引入实验教学，保持教学内容的先进性。本书内容源于通信、电子及计算机基础教育的教学实践，凝聚了工作在一线的任课教师多年的教学经验与教学成果。 本书采用上海智蜂通信技术有限公司提供的ZT系列物联网硬件平台和上海锐越信息技术有限公司提供的软件开发工具，自主开发了基于ZigBee协议栈的基础型和综合应用型功能实验。除此之外，还加入了武汉创维特信息技术有限公司的CVT-IOT-VSL教学实验箱的部分实验。本书是作者在多年来对物联网理论教学研究和科研实践的基础上编写的。全书在阐述物联网基本原理、基础技术和实践应用的基础上，结合物联网实验箱系统，以基本实验和应用实践操作为重点，设计实现了一系列物联网基础实验和拓展型综合实验，旨在为高等学校物联网工程相关专业提供教学实践参考，并为物联网领域的研究工作做出一定贡献。 本书从物联网理论和实践应用的角度展示物联网不同层面的技术核心，全书共5章。第1章讲述物联网核心理论及发展概述，介绍物联网概述与基本特征、物联网支撑技术的特点和现代物联网技术等；第2章讲述物联网理论研究方向，介绍物联网在服务与管理技术及智能信息处理技术两个方向的研究；第3章讲述物联网体系标准与协议架构，介绍近场无线通信技术标准及协议、物联网体系架构和互操作性；第4章讲述物联网实验系统的硬件平台和软件开发环境，说明平台所提供的硬件资源状况、软件开发工具使用方法和实验功能实现的总体软件流程，介绍处理器类片上系统和内嵌单片机系统的应用开发过程，在深入剖析ZigBee协议栈的基础上设计实验，以实现包含设备启动组网和无线收发等技术在内的物联网核心运作机制，阐述蓝牙模块的片上资源和内嵌单片机系统的应用开发过程及组网配置方法；第5章从物联网面向工程应用的角度阐述物联网技术应用算法，介绍经典应用案例，阐述路由技术、节能机制、无限媒体接入、信息融合及网络抗毁等算法，通过环境温度采集与监控、网络无线定位、车位资源无线监控等经典应用案例设计过程来介绍综合应用实验的实现方法，从智能交通、智能安防、智能医疗、智能家居、智慧农业及智慧物流等案例设计方面介绍现代物联网应用。 为适应教学模式、教学方法和手段的改革，本书提供配套的电子课件、程序代码和参考文档，请登录华信教育资源网（http://www.hxedu.com.cn）免费注册并下载。 本书语言简明扼要、通俗易懂，具有很强的专业性、技术性和实用性。本书是作者在相关专业的物联网理论和实验教学的基础上逐年积累编写而成的，并补充了2014年首届“全国高校物联网创新应用大赛”中由作者指导参赛并荣获全国一等奖的物联网作品及2019年全国大学生物联网设计竞赛（华为杯）全国二等奖的相关成果。本书附有实验详细设计过程和扩展思考，可作为高等学校电子、通信等专业物联网相关课程的教材，也可供相关领域的工程技术人员学习、参考。 本书第1章由黄如、郑俊峰编写，第2章由郑俊峰、翟广涛和徐光辉编写，第3～5章由黄如编写，全书由华东理工大学黄如统稿。华东理工大学杜文莉教授在百忙之中对全书进行了审阅，侍洪波教授、陈宁教授和硕士研究生马磊、杨昊晨、管文范为本书的编写提供了有益帮助。本书的编写还得到了相关高等学校和企业的大力支持，美国威斯康星大学麦迪逊分校的胡玉衡教授、东南大学张在琛教授、上海交通大学翟广涛教授和义理林教授针对本书的实验技术路线提出了许多宝贵意见，上海锐越信息技术有限公司的钱志滨、王琦等多位技术工程师针对本书采用的实验开发平台和实验结果验证手段提供了大力支持。本书的编写参考了大量近年来出版的相关技术资料，吸取了许多专家和同仁的宝贵经验，在此向他们深表谢意。由于物联网技术发展迅速，作者学识有限，因此书中误漏之处难免，真诚地期待广大读者批评指正。读者建议可发至作者邮箱huangrabbit@ecust.edu.cn，教辅资源的索取也可联系本书编辑010-88254113或wangxq@phei.com.cn。 作 者 2020年12月

目 录 第1章 物联网核心理论及发展概述 1 1.1 概要 1 1.2 物联网概述与基本特征 1 1.2.1 物联网概述 1 1.2.2 物联网的基本特征 3 1.3 物联网支撑技术的特点 4 1.3.1 主要支撑技术的特点 4 1.3.2 未来技术的发展方向 5 1.4 现代物联网技术 5 1.4.1 人工智能 5 1.4.2 云计算和雾计算 8 1.4.3 软件定义网络 10 1.4.4 深度学习 11 1.4.5 复杂网络 13 1.5 思考与扩展 15 1.6 本章小结 15 第2章 物联网理论研究方向 16 2.1 物联网的服务与管理技术研究 16 2.1.1 中间件技术 16 2.1.2 分布式存储技术 19 2.1.3 索引技术 20 2.1.4 数据挖掘技术 23 2.1.5 数据安全保护技术 27 2.2 物联网的智能信息处理技术研究 31 2.2.1 人工智能技术与物联网 31 2.2.2 普适计算技术 34 2.3 本章小结 40 第3章 物联网体系标准与协议架构 41 3.1 近场无线通信技术标准及协议 41 3.1.1 Bluetooth标准介绍 41 3.1.2 高速WPAN标准介绍 45 3.1.3 ZigBee标准介绍 47 3.1.4 WLAN标准介绍 51 3.1.5 高速WMAN协议标准介绍 54 3.1.6 近场无线通信技术在智慧城市信息资源智能化服务中的应用 56 3.2 物联网体系架构和互操作性 58 3.2.1 感知层 58 3.2.2 网络层 70 3.2.3 应用层 74 3.3 本章小结 79 第4章 物联网实验系统的硬件平台和软件开发环境 80 4.1 硬件平台和软件开发环境 80 4.1.1 ZT-EVB开发平台 80 4.1.2 CVT-IOT-VSL教学实验箱 94 4.1.3 IAR软件的安装 99 4.1.4 IAR软件的应用 99 4.2 处理器类片上系统基础实验 103 4.2.1 温湿度传感器采集实验 103 4.2.2 三轴加速度传感器实验 107 4.2.3 超声波传感器采集实验 110 4.2.4 压力传感器实验 114 4.2.5 烟雾传感器采集实验 117 4.2.6 人体感应传感器采集实验 121 4.3 射频类网络与通信实验 123 4.3.1 Z-Stack协议栈运行实验 123 4.3.2 设备启动组网实验 135 4.3.3 绑定控制机制实验 148 4.3.4 Z-Stack广播和单播通信实验 172 4.4 蓝牙实验 182 4.4.1 光照传感器采集实验 182 4.4.2 门磁传感器采集实验 187 4.4.3 蓝牙组网配置实验 191 4.5 本章小结 196 第5章 物联网面向工程应用技术和实践 197 5.1 物联网技术应用算法 197 5.1.1 路由技术 197 5.1.2 节能机制 206 5.1.3 无线媒体接入 208 5.1.4 信息融合 212 5.1.5 网络抗毁 216 5.2 物联网经典应用案例 220 5.2.1 环境平均温度无线采集实验 220 5.2.2 区域异常温度无线监控实验 234 5.2.3 网络无线定位实验 248 5.2.4 车位资源无线监控实验 276 5.3 现代物联网应用 288 5.3.1 智能交通 288 5.3.2 智能安防 297 5.3.3 智能医疗 303 5.3.4 智能家居 310 5.3.5 智慧农业 315 5.3.6 智慧物流 321 5.4 本章小结 326 附录A ZT-EVB V2.0及CVT-IOT-VSL参考原理图 327 参考文献 331

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