基于物联网智能门窗设计系统 学位论文.docx

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基于物联网智能门窗设计系统学位论文

江苏联合职业技术学院镇江分院

镇江高等职业技术学校

毕业设计（论文）

基于物联网智能门窗设计系统

系名：

机电工程系

专业：

机电一体化技术

姓名：

顾遨宇

学号：

112804406

指导教师：

陈蓉

二〇一六年五月

摘要

过去10年间，互联网技术和应用取得巨大的突破，近些年随着全球信息技术革命的深入和3G网络的建设，“物联网”技术受到了广泛的关注，更是引起了国内学术界、工业界和新闻媒体的高度重视。

“物联网”被称为继计算机、互联网之后，世界信息产业的第三次浪潮。

美国权威咨询机构FORRESTER预测：

到2020年，世界上物物互联的业务，跟人与人通信的业务相比，将达到30比１，因此，“物联网”被称为是下一个万亿级的通信业务。

当前“物联网”的定义、国内在原理、体系结构和系统模型等方面还存在许多值得探讨的问题，但从“物联网”本质上看，“物联网”是现代信息技术发展到一定阶段后出现的一种聚合性应用与技术提升，将各种感知技术、现代网络技术和人工智能与自动化技术聚合与集成应用，使人与物智慧对话，创造一个智慧的世界。

通过对现有“物联网”技术文献和应用实例的分析，来探讨“物联网”体系机构和关键技术的研究进行了阐述；分析实现物联网的五大核心技术,包括传感器、信息汇聚、通信、运营和应用技术。

本文介绍了物联网的相关概念、原理以及物联网的核心技术，最后,在利用单片机技术的基础上对物联网智能门窗系统进行设计和制作。

【关键词】物联网；传感技术；射频识别技术；RFID技术；互联网

ABSTRACT

Inthepast10years,thetechnologyandapplicationoftheInternethavebeengotgreatachievements.TheInternetofthingsispaidwidelyattentionwiththeglobalinformationtechnologyrevolutionandtheconstructionof3Ginrecentyears.AndDomesticscholars,Industry,andNewsmediaattachgreatimportancetoit.TheInternetofthingsisnamedthethirdrevolutionintheworldinformationindustryfollowingcomputerrevolutionandinternetrevolution.AmericanForrestersaid,Bytheyear2020,thenumberofthebusinessofthethingscontentcomparedwithpeopleofbusinesscommunicationwillreach30to1.Thereforeitwillhavehundredsofthousandsofcommunicationsbusiness.Atpresentthedefinition,inherentprinciple,constructionandsystemofitisworthtodiscussion.TheessenceofTheInternetofthingsisthatmoderninformationtechnologydevelopmenttoacertainextentemergenceofanapplicationandtechnologypromotionjailingriver,willallkindsofperceptiontechnology,modernnetworktechnologyandartificialintelligenceandautomationtechnologypolymerizationandintegratedapplication,makepeopleandthingswisdomdialogue,creatingaworldofwisdom.Istudythecontractureandthekeytechnologyofitthroughthearticlesabouttheinternetofthing.AndthepaperanalyzesfivebasicelementssuchasSensorandgatheringcommunicationandoperationandapplicationtechnology.

Thepaperexpoundsthedefinition,theoryandthekeytechnologyoftheinternetofthings.Intheend,OnthebasisofusingsinglechipmicrocomputertechnologyofInternetofthingsintelligentdoorsandwindowssystemtocarryonthedesignandproduction.

【Keywords】Theinternetofthing;Thetechnologyofsensor;RadioFrequencyIdentification;RFID;Internet

第2章物联网系统结构及关键技术研究11

第一章物联网关键技术

1.1实现物联网的五大核心技术

从物联网的定义及各类技术所起的作用来看，物联网的关键核心技术应该是无线传感器网络（WSN）技术，主要原因是：

WSN技术贯穿物联网的全部三个层次，是其它层面技术的整合应用，对物联网的发展有提纲挈领的作用。

WSN技术的发展，能为其它层面的技术提供更明确的方向。

　　以下是实现物联网的五大核心技术：

1.1.1核心技术之感知层：

1、传感器技术

　　传感技术同计算机技术与通信技术一起被称为信息技术的三大技术。

从仿生学观点，如果把计算机看成处理和识别信息的“大脑”，把通信系统看成传递信息的“神经系统”的话，那么传感器就是“感觉器官”。

微型无线传感技术以及以此组件的传感网是物联网感知层的重要技术手段。

2、射频识别（RFID）技术

　　射频识别（RadioFrequencyIdentification，简称RFID）是通过无线电信号识别特定目标并读写相关数据的无线通讯技术。

在国内，RFID已经在身份证、电子收费系统和物流管理等领域有了广泛应用。

　　RFID技术市场应用成熟，标签成本低廉，但RFID一般不具备数据采集功能，多用来进行物品的甄别和属性的存储，且在金属和液体环境下应用受限，RFID技术属于物联网的信息采集层技术。

3、微机电系统（MEMS）

　　微机电系统是指利用大规模集成电路制造工艺，经过微米级加工，得到的集微型传感器、执行器以及信号处理和控制电路、接口电路、通信和电源于一体的微型机电系统。

MEMS技术属于物联网的信息采集层技术。

4、GPS技术

　　GPS技术又称为全球定位系统，是具有海、陆、空全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。

GPS作为移动感知技术，是物联网延伸到移动物体采集移动物体信息的重要技术，更是物流智能化、智能交通的重要技术。

1.1.2核心技术之信息汇聚层

1、无线传感器网络（WSN）技术

　　无线传感器网络（WirelessSensorNetwork，简称WSN）的基本功能是将一系列空间分散的传感器单元通过自组织的无线网络进行连接，从而将各自采集的数据通过无线网络进行传输汇总，以实现对空间分散范围内的物理或环境状况的协作监控，并根据这些信息进行相应的分析和处理。

　　WSN技术贯穿物联网的三个层面，是结合了计算、通信、传感器三项技术的一门新兴技术，具有较大范围、低成本、高密度、灵活布设、实时采集、全天候工作的优势，且对物联网其他产业具有显著带动作用。

2、Wi-Fi

　　Wi-Fi（WirelessFidelity，无线保真技术）是一种基于接入点（AccessPoint）的无线网络结构，目前已有一定规模的布设，在部分应用中与传感器相结合。

Wi-Fi技术属于物联网的信息汇总层技术。

3、GPRS

GPRS（GeneralPacketRadioService，通用分组无线服务）是一种基于GSM移动通信网络的数据服务技术。

GPRS技术可以充分利用现有GSM网络，目前在很多领域有广泛应用，在物联网领域也有部分应用。

GPRS技术属于物联网的信息汇总层技术。

1.1.3核心技术之传输层

1、通信网

　　通信网是一种使用交换设备、传输设备，将地理上分散用户终端设备互连起来实现通信和信息交换的系统。

通信最基本的形式是在点与点之间建立通信系统，但这不能称为通信网，只有将许多的通信系统（传输系统）通过交换系统按一定拓扑结构组合在一起才能称之为通信。

也就是说，有了交换系统才能使某一地区内任意两个终端用户相互接续，才能组成通信网。

2、3G网络

　　3G是英文the3rdGeneration的缩写，指第三代移动通信技术。

相对第一代模拟制式手机（1G）和第二代GSM、CDMA等数字手机，第三代手机（3G）是指将无线通信与国际互联网等多媒体通信结合的新一代移动通信系统。

3、GPRS网络

　　这是一种基于GSM系统的无线分组交换技术，提供端到端的、广域的无线IP连接。

通俗的讲，GPRS是一项高速数据处理的科技，方法是以“分组”的形式传送资料到用户手上。

虽然GPRS是作为现有GSM网络向第三代移动通信演变的过渡技术，但是它在许多方面都具有显著的优势。

4、广电网络

　　广电网通常是各地有线电视网络公司（台）负责运营的，通过HFC（光纤+同轴电缆混合网）网向用户提供宽带服务及电视服务网络，宽带可通过CableModem连接到计算机，理论到户最高速率38M，实际速度要视网络情况而定。

5、NGB广域网络

　　中国下一代广播电视网（NGB）是以有线电视数字化和移动多媒体广播（CMMB）的成果为基础，以自主创新的“高性能带宽信息网”核心技术为支撑，构建适合我国国情的、三网融合的、有线无线相结合的、全程全网的下一代广播电视网络。

1.1.4核心技术之运营层

1、企业资源计划（ERP）

　　ERP是指建立在信息技术基础上，以系统化的管理思想，为企业决策层及员工提供决策运行手段的管理平台。

ERP技术属于物联网的信息处理层技术。

2、专家系统（ExperSystem）

　　专家系统是一个含有大量的某个领域专家水平的知识与经验，能够利用人类专家的知识和经验来处理该领域问题的智能计算机程序系统。

属于信息处理层技术。

3、云计算

　　云计算概念间由Google提出的，这是一个美丽的网络应用模式，是指IT基础设施的交付和使用，通过网络以按需、易扩展的方式获得所需的资源。

　　核心技术之应用层：

垂直行业应用、系统集成、资源打包

　　应用层主要是根据行业特点，借助互联网技术手段，开发各类的行业应用解决方案，将物联网的优势与行业的生产经营、信息化管理、组织调度结合起来，形成各类的物联网解决方案，构建智能化的行业应用。

如交通行业，涉及的就是智能交通技术；电力行业采用的是智能电网技术；物流行业采用的智慧物流技术等。

行业的应用还要更多涉及系统集成技术、资源打包技术等。

1.2物联网四大支撑技术

1.2.1M2M技术

M2M是物联网四大支撑技术之一。

“M2M”是“Machine-to-Machine”的缩写，用来表示机器对机器之间的连接与通信。

比如，机器间的自动数据交换（这里的机器也指虚拟的机器比如应用软件）从它的功能和潜在用途角度看，M2M引起了整个“物联网”的产生。

1．M2M的基本概念

首先，M2M有以下三个基本特征：

①数据和节点（DEP）②通信网络③数据融合点（DIP）。

DEP和DIP可以用于任何子系统集成（如图2.1M2M的基本概念）例如，一个完整的过程（X）到一个IT应用（Y）。

图1显示了三要素之间的相互关系。

这个解决方案也被称为“端对端的M2M”。

（X）和应用（Y）构成了事实上的功能端点。

　　一般而言，一个数据端点（DEP）指的是一个微型计算机系统，一个连接到程序或者是更高层次子系统的端点。

另一个端点连接到通信网络。

在大多数的MSM应用中，都有几个DEP。

另一方面，一个典型的M2M应用只有一个数据结合点。

虽说是这样，但是可以设想M2M应用有多个DIP。

对于DIP没有硬性的规定。

例如可以形成一个互联网服务器或特殊的软件应用在交通控制主机。

　　M2M应用的信息流也未必是面向服务器的。

相反，DIP和DIP之间的直接通信路线是被支持的，还有单个DEP之间直接和间接的联系，就像我们所熟知的P2P（Peer-to-Peer）联系一样。

　　如上所述，M2M应用的通信网络是DEP（数据终点）和DIP（数据集成电）之间的中央连接部分。

就物理部分来说，这种网络的建立可以使用局域网、无线网络、电话网络/ISDN，或者是类似的。

图2.1物联网四大技术　

2．基于M2M的监控基础架构

如今，无数的应用程序使用复杂的网络设备，其中大多数系统履行每天24小时、每周7天、没有任何人监督的服务。

个别子系统故障，整个应用程序至少是一部分将受到损害。

然而，尽快检测出具体的故障仍是一个问题。

图2.2基于M2M的监控基础架构

　　图2.2显示了一个基于M2M的基础设施监测的解决方案。

该数据终点（DEP）在每一种情况下都通过特殊的监测传感器检查基础设施组成部分的可用性。

任何潜在的故障都能通过DEP被迅速监测。

单独的DEP通过通信网络和监控应用软件相连接。

这个应用软件用于数据集成点（DIP）。

它从单独的监控基础设施的DEP接收失败、错误和故障信息（图的X、Y和Z）。

　　除了与DEP连接之外，DIP监控软件还有另外两个接口：

配置接口和通知接口。

配置接口是决定谁、什么时候对系统负责。

这通常使得可能设想不同的通知方案。

该接口对监控行为进行明确界定。

通知接口发送各种消息（SMS、电子邮件、自动发送传真，或者拨打某个电话号码和播放音频文件）。

1.2.2无线射频识别技术（RFID）技术

无线射频识别是一种非接触式的自动识别技术，它的工作原理如下：

使用射频电磁波通过空间耦合（交变磁场或电磁场）在阅读器和进行识别、分类和跟踪的移动物品（物品上附着有RFID标签）之间实现无接触信息传递并通过所传递的信息达到识别目的的技术[3]。

RFID是一种利用电磁能量实现自动识别和数据捕获技术，可以提供无人看管的自动监视与报告作业。

具体的工作原理如下：

当装有电子标签的物体接近微波天线时，阅读器受控发出微波查询信号。

安装在物体表面的电子标签收到经微波天线发出的查询信号后，根据查询信号中的命令要求，将标签中的数据信息反射回微波天线。

微波天线接收到电子标签反射回的微波合成信号后，经阅读器内部微处理器处即可将电子标签中的识别代码等信息分离出来。

这些识别信息作为物体的特征数据被传送到控制计算机作进一步处理，从而完成与物体有关的信息查询、统计、管理等应用。

整个识别工作无须人工干预，可工作于各种恶劣环境。

RFID技术可识别高速运动物体并可同时识别多个标签，并且阅读器能自行判断RFID标签是否被重复读取处理。

RFID技术的这些功能特性很适合流水线上产品的控制，以实现流水作业管理，得以使整个流水线管理自动化。

RFID系统一般由RFID系统由阅读器、应答器（标签）和应用系统三部分组成，通过电波在响应媒介和询问媒介间传递信息[4]。

阅读器，一般是一台内含天线和芯片解码器的阅读（有时还可以写入）设备，可设计为手持式或固定式；阅读器可无接触地读取并识别电子标签中所保存的电子数据，从而达到自动识别体的目的。

通常阅读器与电脑相连，所读取的标签信息被传送到电脑上进行下一步处理。

应用系统，一般是由计算机支撑的有线或无线管理系统。

视不同应用要求，对于实时型的智能型控制器，不一定必须要有后台应用系统。

标签，主要是射频标签，响应端内含天线，两者组成所谓的“雷达收发机”，以卡、标签等形式存在。

RFID物品识别的目标是为每一物理实体提供唯一标识。

它与传统条码技术相比有以下几方面的优点：

1唯一标识。

条码只能识别一类产品,而无法识别单品,因此条码容易伪造。

RFID却可以为单品提供唯一标识。

2读取方便。

条码是可视传播技术。

即扫描仪必须“看见”条码才能读取它,这表明人们通常必须将条码对准扫描仪才有效。

相反,无线电识别并不需要可视传输技术,射频标签只要在识读器的读取范围内就可以了,甚至可以穿过外包装进行识别。

这大大减少了人的参与,提高了识别效率。

3长寿耐用。

纸型条码容易破损和受到污染。

而RFID电子标签可以应用于粉尘、油污等高污染环境和放射性环境。

4动态更改。

条码信息一旦需要更改就必须重贴,而RFID电子标签中的信息可以编辑,便于更新。

5可扩展性。

RFID电子标签存储的是电子数据,在需要的时候可以改变其中的编码结构,便于升级。

6RFID电子标签可以设置密码,保密性强。

1.2.4两化融合

两化融合是信息化和工业化的高层次的深度结合,是指以信息化带动工业化、以工业化促进信息化，走新型工业化道路；两化融合的核心就是信息化支撑，追求可持续发展模式。

信息化与工业化主要在技术、产品、业务、产业四个方面进行融合。

也就是说，两化融合包括技术融合、产品融合、业务融合、产业衍生四个方面。

技术融合是指工业技术与信息技术的融合，产生新的技术，推动技术创新。

例如，汽车制造技术和电子技术融合产生的汽车电子技术，工业和计算机控制技术融合产生的工业控制技术。

产品融合是指电子信息技术或产品渗透到产品中，增加产品的技术含量。

例如，普通机床加上数控系统之后就变成了数控机床，传统家电采用了智能化技术之后就变成了智能家电，普通飞机模型增加控制芯片之后就成了遥控飞机。

信息技术含量的提高使产品的附加值大大提高。

业务融合是指信息技术应用到企业研发设计、生产制造、经营管理、市场营销等各个环节，推动企业业务创新和管理升级。

例如，计算机管理方式改变了传统手工台账，极大地提高了管理效率；信息技术应用提高了生产自动化、智能化程度，生产效率大大提高；网络营销成为一种新的市场营销方式，受众大量增加，营销成本大大降低。

产业衍生是指两化融合可以催生出的新产业，形成一些新兴业态，如工业电子、工业软件、工业信息服务业。

工业电子包括机械电子、汽车电子、船舶电子、航空电子等；工业软件包括工业设计软件、工业控制软件等；工业信息服务业包括工业企业B2B电子商务、工业原材料或产成品大宗交易、工业企业信息化咨询等。

第二章物联网系统结构及关键技术研究

2.1物联网体系结构基础研究

人类社会在相当长时间内将面临两大难题:

其一是能源短缺和环境污染;其二是人口老龄化和慢性病增加,物联网首要的应用在于能耗控制和医疗护理。

人类社会目前遇到的问题是:

恐怖活动和信任危机,物联网目前急需的应用在于安防监控、物品身份鉴别。

另外,物联网在智能交通、仓储物流、工业控制等方面都有较大的应用价值。

已经公开的物联网的应用实例基本上围绕这些应用领域。

2.1.1　物联网已有的体系结构

在公开发表物联网应用系统的同时,很多研究人员也发表了若干个物联网的体系结构,例如物品万维网的（WebofThings,WoT）体系结构,它定义了一种面向应用的物联网,把万维网服务嵌入到系统中,可以采用简单的万维网服务形式使用物联网。

这是一个以用户为中心的物联网体系结构,试图把互联网中成功的、面向信息获取的万维网应用结构移植到物联网上,用于简化物联网的信息发布和获取。

物联网的自主体系结构是为了适应于异构的物联网无线通信环境而设计的体系结构。

该自主体系结构采用自主通信技术。

自主通信是以自主件（selfware）为核心的通信,自主件在端到端层次以及中间结点,执行网络控制面已知的或者新出现的任务,自主件可以确保通信系统的可进化特性。

图3.1　一种联网的自主体系结构

物联网的自主体系结构如图3.1所示,包括了数据面、控制面、知识面和管理面,数据面主要用于数据分组的传递;控制面通过向数据面发送配置报文,优化数据面的吞吐量以及可靠性;知识面提供整个网络信息的完整视图,并且提炼成为网络系统的知识,用于指导控制面的适应性控制;管理面协调和管理数据面、控制面和知识面的交互,提供物联网的自主能力。

这里自主特征主要由STP/SP协议栈和智能层取代传统的TCP/IP协议栈,如图3.2所示,这里的STP和SP分别表示智能传送协议（SmartTransportProtocol）和智能协议（SmartProtocol）,物联网结点的智能层主要用于协商交互结点之间STP/SP的选择,用于优化无线链路之上的通信和数据传送,满足异构物联网设备之间的联网的需求。

图3.2物联网自主体系结构的协议栈

这种面向物联网的自主体系结构涉及的协议栈较为复杂,只能适用于计算资源较为富裕的物联网结点。

目前物流仓储的物联网应用都依赖于产品电子代码（EPC）网络,该网络如图3.3所示,主要组成部件包括:

产品电子代码（EPC）,这是一种全球范围内标准定义的产品数字标识；电子标签和阅读器,电子标签通常采用射频标识（RFID）技术存储EPC,阅读器是一种阅读电子标签内存储的EPC并且传递给物流仓储管理信息系统的装置。

这EPC网络包括3个层次:

1、实体和内部层次,该层由EPC、RFID标签、RFID阅读器、EPC中间件组成。

这里的EPC中间件实际上屏蔽了各类不同的RFID之间的信息传递技术,把物品的信息访问和存储转化成为一个开放的平台。

2、商业伙伴之间的数据传输层,这层最重要的部分是EPC2IS,企业成员利用EPC2IS服务器处理被ALE过滤之后的信息,这类信息可以用于内部或者外部商业伙伴之间的信息交互。

3、其他应用服务层,这层最重要的部分是ONS,ONS用于发现所需的EPC2IS的地址。

EPC2global委托全球著名的域名服务机构VeriSign（威瑞信）公司提供ONS全球服务,全球至少有10个数据中心提供ONS服务。

图3.3EPC网络体系结构

以上都是分别从某个具体应用的角度给出了物联网的系统结构,这类结构还无法构成一个通用的物联网系统结构。

下面给出一个通用物联网体系结构。

2.1.2建议的物联网体系结构

我们认为,物联网体系结构设计应该遵循以下5条原则:

1、多样性原则,物联网体系结构必须根据物联网结点类型的不同,分成多种类型的体系结构;

2、时空性原则,物联网体系结构必须能够满足物联网的时间、空间和能源方面的需求;

3、互联性原则,物联网体系结构必须能够平滑地与互联网连接;

4、安全性原则,物联网体系结构必须能够防御大范围内的网络攻击;

5、坚固性原则,物联网体系结构必须具备坚固性和可靠性。

以下从物联网的服务类型,结点分类和互连结构3个方面讨论物联网的体系结构。

2.1.2.1物联网的服务类型

根据