第一章 物联网实验概述

1.3  实验设计思路

    物联网内涵丰富，涉及计算、自动化通信、控制、微电子、微机电、网络等诸多领域，几乎囊括了信息技术及相关领域的各个方面，而且通过与具体应用背景的结合，物联网更是深入到社会生产和生活的每个角落，并强势渗透到各行各业。这里首先简单介绍物联网的关键技术，然后给出本书系列实验及系统的设计思路，让读者对物联网实验及应用技术有一个宏观的了解，也为读者进一步选修其中的实验内容进行准备。

    1.3.1  关键技术简介

    物联网的感知层、网络层、应用层均有很多核心关键技术，这也是本书努力通过实验进行展示的主要目标。由于纷繁复杂的物联网技术在丛书中的其他书中有详细描述，下面仅选择与本书实验相关的内容进行简单介绍。
    1）感知层：主要包括条码、二维码、RFID、传感网等内容，是与物理世界进行交互的触角。 在这一层，材料、工艺（生产和加工）是困扰各项技术发展的重要瓶颈，特别是高精度、高灵敏  度、高可靠性或专业领域的传感器，以及传感网及RFID芯片工艺，我国和国外在其设计、生产、 测量等方面，也有相当大的差距，需要突破的技术内容还很多。感知层也包括了控制器和执行 器，特别是面向工业应用，这要求有较高的实时性、可靠性、安全性，通过上层网络反馈控制信 息，完成与自然界的协同交互。另外，与传感网相关的技术很多，包括各层无线通信协议、网络 安全、时间同步、定位、服务质量保证等。我国在这方面的研究较多，也取得了较多的成果，很多高校和研究所在这些领域都有一些特色技术，但很多研究都是以仿真为主，缺少实际实验的验证。
    2）网络层：包括互联网、通信网等骨干网络，也包括各领域定制的专用网络，实现海量信息的传送和通信（也有人将传感器网络放在这一层）。在互联网方面目前的研究已经从IPv4网络逐步过渡到IPv6网络，并开始进入后IP时代，对于下一代新型网络的研究也成为各国研究界争相占领的高地。通信网络是物联网信息传递和服务支撑的重要基础设施，涵盖传统的接入网、核心网和业务网等多个层面的内容，通信技术、频管技术、异种异构网络融合与接入技术等都是该层当前的研究热点。
    3）应用层：包括各类通用或定制的服务，有基于行业应用的，也有基于计算、存储、通信、 网络等资源的服务。海量感知信息的计算与处理是物联网的核心支撑，而“云计算”正是这一层的 重要解决方案。应用层重点研究面向服务且支持节能和安全的智能化存储体系、支持云存储等存 储服务的架构、动态数据对象管理和资源共享、存储服务等，为物联网提供核心的计算环境。在 这里，支持海量感知数据的中间件和智能搜索技术是众多服务平台的支撑技术，也是各大厂商争 相占领的技术制高点。
    物联网实验的目标就是基于当前通用的软硬件技术平台，通过实验全面地展现这些技术。不但将各个技术点逐一分解到不同的软硬件实验系统中，让初学者可以一步步实现出来，而且从技术发展的角度，给出可扩展的系统方案，方便用户进一步开发和完善，在此基础上开发出性能更好、实用性更强的特色技术和产品。这是理想目标，也是本书努力的方向。但是，由于实验室环境的条件受限，并且考虑到时间、成本、复杂度等限制，物联网的实验设计只能在这些技术中进行适当筛选，将那些能够满足这些因素的实验纳入本书中。

    1.3.2  本书实验设计

    为了能够让读者在较短的时间内就能完成物联网实验的入门，本书不太可能将各层的所有技术 都一一通过实验来呈现，而是在物联网的不同层次选取一些有代表性的核心技术进行集中展示， 所以后续章节的名称并没有与物联网的层次进行对应，而是为了清晰起见，本书章节以技术内容 来命名，其他部分可以通过读者反馈进行添加。物联网实验分布如图1-2所示。
    1）在感知层，主要涉及智能感知和标识相关的技术，包括各类传感器实验（高精度温湿度传 感器实验、运动感知实验、图像采集实验、步进电动机控制实验、键盘与显示屏交互实验）、 RFID实验（高频及超高频无源RFID实验）。
    2）在网络层，主要涉及无线通信和网络协议的设计。由于骨干网络环境复杂，在实验室呈现 的难度及成本较高，本书主要以短距离网络为例来设计实验，包括短距离无线通信实验 （433MHz、2.4GHz）、无线自组网实验、IEEE 802.15.4及ZigBee协议实验等，可以从原理及概 念上让读者理解网络协议的设计及实现。

    3）在应用层，主要涉及网络接入和智能处理的技术。虽然应用层的核心在于中间件和服务平 台，但我们在这方面的开发研究工作正在进行，由于本书编写时间仓促，就没有以实验的形式展 现，我们将在后续的版本中进一步展现相关工作。本书在应用层的实验包括公网接入实验、安全 网络通信实验、室内实时定位实验、自组网时间同步实验、海量数据搜索实验等。由于这些应用 服务在实验中涉及较多的数据及网络资源，本书在选取相关内容时也进行了一定的简化。应用层 所涉及的内容较多，特别是在行业领域的应用，本书特别选取了若干典型行业领域，对其物联网 的示范方案进行阐述，有实际需求或者学有余力的读者可以根据实验内容自行搭建，无论是对应 用开发还是学习理解都有非常大的帮助。
    由于上述实验可能涉及的硬件平台、软件平台、实验环境种类繁多，为了不至于让读者由于理解大量实验平台细节而导致对技术原理的理解和消化吸收，本书将这些实验聚焦到3个实验平台上，包括单片机平台、嵌入式平台及智能终端平台，本书所有实验都分布在这3类平台上，如图1-3所示。由于硬件环境的要求，部分实验可能会跨越多个平台，但只要掌握了这3个平台，就可以设计出丰富多彩的实验和系统，而不局限于本书内容。

    本书的全部实验均在一系列的硬件设备上完成，主要硬件设备如表1-1所示。
    1）单片机实验平台是由单片机实验母板外加一系列传感器及外围模块组成的。
    2）嵌入式实验平台是由ARM实验母板和传感器及外围模块组成的。
    3）智能终端平台，包括QT及Android两个软件平台，可以在个人计算机（PC）上直接通过软 件仿真实现，当然也可以下载到支持这些平台的智能终端上（本书中的相关实验均已经在相关智 能手机上进行验证）。
    表1-1中的硬件4～7是分别在单片机实验平台和嵌入式实验平台的基础上开发的，只是在体积和封装上做了一些改变，以方便进行实验部署，降低功耗及成本。