物联网系统设计及应用 课后题参考答案.docx

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物联网系统设计及应用课后题参考答案

课后题参考答案

第一章

1.对于物联网网的定义，不同的组织、国家有不同的意见，目前比较流行，能够被各方所接受的物联网定义为：

通过射频识别（RFID）、传感器、定位系统、嵌入式等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。

目的是让所有的物品都与网络连接在一起，方便识别和管理。

2.物联网体系结构分为感知控制层、网络传输层、应用服务层三个层面。

感知控制层由数据采集子层、短距离通信技术和协同信息处理子层组成。

数据采集子层通过各种类型的传感器获取物理世界中发生的物理事件和数据信息，例如各种物理量、标识、音频和视频多媒体数据。

物联网的数据采集涉及传感器、RFID、多媒体信息采集、二维码和实时定位等技术。

短距离通信技术和协同信息处理子层将采集到的数据在局部范围内进行协同处理，以提高信息的精度，降低信息冗余度，并通过自组织能力的短距离传感网接入广域承载网络。

感知层中间件技术旨在解决感知层数据与多种应用平台间的兼容性问题。

网络传输层将来自感知层的各类信息通过基础承载网络传输到应用层，包括移动通信网、互联网、卫星网、广电网、行业专网及形成的融合网络等。

根据应用需求，可作为透明传送的网络层，也可升级以满足未来不同内容传输的要求。

应用服务层主要将物联网技术与行业专业系统相结合，实现广泛的物物互联的应用解决方案，主要包括业务中间件和行业应用领域。

其中，物联网服务支撑子层用于支撑跨行业、跨应用、跨系统之间的信息协同、共享、互通的功能。

物联网应用服务子层包括智能环保、智能交通、智能农业、智能家居、智能物流等行业应用。

3.射频识别是一种非接触式的自动识别技术，它利用射频信号及其空间耦合的传输特性，实现对静止或移动物品的自动识别。

RFID由电子标签、读写器和计算机网络这三大部分组成。

电子标签附着在物体上，电子标签内存储着物体的信息；电子标签通过无线电波与读写器进行数据交换，读写器将读写命令传送到电子标签，再把电子标签返回的数据传送到计算机网络；计算机网络中的数据交换与管理系统负责完成电子标签数据信息的存储、管理和控制。

4.Zigbee是IEEE802.15.4协议的代名词，根据这个协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。

这一名称来源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂（bee）是靠飞翔和“嗡嗡”（zig）地抖动翅膀的“舞蹈”来与同伴传递花粉所在方位信息，也就是说蜜蜂依靠这样的方式构成了群体中的通信网络。

5.与移动通信的CDMA或GSM网络不同的是，ZigBee网络主要是为工业现场自动化控制数据传输而建立的，因此它必须具有简单、使用方便、工作可靠、价格低的特点。

移动通信网络主要是为语音通信而建立，每个基站价值一般都在百万元人民币以上，而每个ZigBee“基站”却不到1000元人民币。

每个ZigBee网络节点不仅本身可以作为监控对象，例如其所连接的传感器直接进行数据采集和监控，还可以自动中转别的网络节点传过来的数据资料。

除此之外，每一个ZigBee网络节点（FFD）还可以在自己信号筱盖的范困内，和多个不成单网络的孤立子节点（RFD）无线连接。

6.WSN通常包括传感器节点（SensorNode）、汇聚节点（SinkNode）和管理节点。

从网络功能上看，每个传感器节点兼有传统网络节点的终端与路由器双重功能，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。

汇聚节点的处理能力、存储能力与通信能力相对比较强，它连接传感器网络与因特网等外部网络，实现两种协议栈之间的通信协议转换，同时发布管理节点的监测任务，并把收集的数据转发到外部网络上。

用户通过管理节点对传感器网络进行管理和配置发布检测任务，收集检测数据。

7.无线传感网络关键技术主要包括

（1）网络拓扑管理

（2）网络协议（3）网络安全（4）定位技术（5）时间同步技术（6）数据融合。

8.无线传感网络定位技术主要分为基于距离的定位技术及基于非测距的定位算法，其中，基于距离的定位算法主要包括：

基于到达时间TOA、基于到达时间差TDOA、基于到达角AOA、基于接收信号强度RSSI；基于非测距的定位算法主要包括:

质心算法、DV－Hop算法、DV-distance算法、AmorpHous算法、APIT算法、MDS－MAP定位算法等。

9.距离向量—跳段DV－Hop（distancevector－hop）定位机制非常类似于传统网络中的距离向量路由机制。

DV－Hop算法的定位过程分为以下3个阶段。

①计算未知节点与每个信标节点的最小跳数；②计算未知节点与信标节点的实际跳段距离；③利用三边测量法计算出节点A的距离。

10.依通信覆盖范围的不同，无线网络从小到大依次为无线个域网（WPAN）、无线局域网（WLAN）、无线城域网（WMAN）和无线广域网（WWAN）。

WPAN覆盖的范围最小，ZigBee、蓝牙、UWB,60GHz等都属于WAN的范畴；WLAN覆盖的范围比WPAN大，Wi-Fi属于WLAN的范畴；WMAN覆盖的范围比WLAN大，WiMAX属于WMAN的范畴；WWAN覆盖的范围最大，既包括无线的空中接口部分，也包括有线的核心网，需要中心化的基站和核心网来支持和维护移动终端间的通信，第三代移动通信系统（3G）就属于WWAN的范畴。

11.物联网可以广泛应用于经济社会发展的各个领域，引发和带动生产力、生产方式和生活方式的深刻变革，成为经济社会绿色、智能、可持续发展的关键基础和重要引擎。

物联网可应用于农业生产、管理和农产品加工，打造信息化农业产业链，从而实现农业的现代化。

物联网的工业应用可以持续提升工业控制能力与管理水平，实现柔性制造、绿色制造、智能制造和精益生产，推动工业转型升级。

物联网应用于零售、物流、金融等服务行业，将大大促进服务产品、服务模式和产业形态的创新和现代化，成为服务业发展创新和现代化升级的强大动力。

物联网在电网、交通、公共安全、气象、遥感勘测和环境保护等国家基础设施领域的应用，将有力地推动基础设施的智能化升级，实现能源资源环境的科学利用和科学管理。

物联网应用于教育、医疗卫生、生活家居、旅游等社会生活领域，可以扩展服务范围、创新服务形式、提升服务水平，有力推进基本公共服务的均等化，不断提高人民生活质量和水平。

物联网的这几方面应用实际上是实现智慧城市的主要技术手段。

物联网应用于国防和战争中的监视、侦查、定位、通讯、计算、指挥等方面，将有效提升信息化条件下的国防与军事斗争能力，适应全球性的新军事变革。

第二章

1.使用示波器前，如何检查该仪器是否运行正常？

答：

示波器提供一个频率为1KHZ,电压为3V的校准信号，其作用是用于检查示波器自身的测量是否准确，也可以检查输入探头是否完好。

把示波器的探头连接到校准信号上，观察信号的周期和幅度是否准确。

2.观察正弦波图形时，波形不稳定时如何调节？

答：

调节（t/div）扫描速率旋钮及（variable）扫描微调旋钮，以及（triglevel）触发电平旋钮。

3.用示波器测量待测信号电压的峰-峰值时，如何准确从示波器屏幕上读数？

答：

在读格数前，应使“垂直微调”旋到CAL处。

建议用上下位移（position）旋钮将正弦波的波峰或波谷对齐某一横格再数格数，就不会两头数格时出现太大的误差。

4.简述示波器水平系统、垂直系统、触发系统的设置方法。

答：

设置水平系统时，旋转水平SCALE旋钮，可以改变档位设置；旋转水平POSITION旋钮可以调整信号在波形窗口的水平位置。

设置垂直系统时，转动垂直POSITION旋钮，可以改变垂直位置，通道的标识跟随波形而上下移动；转动垂直SCALE旋钮可以改变垂直幅度。

设置触发系统时，使用LEVEL旋钮使触发电平线进入被测信号电压范围内，可使波形稳定。

5.正弦信号发生器的主要性能指标有哪些？

答：

正弦信号发生器的主要性能指标有：

（1）频率范围

（2）频率准确度（3）频率稳定度（4）由温度、电源、负载变化而引起的频率变动量（5）非线性失真系数（失真度）（6）输出阻抗（7）输出电平（8）调制特性。

6.使用信号发生器的基本步骤是什么？

答：

首先是设置工作频率，高频信号发生器一般采用“MHz”作单位，工作频率较低的信号发生器，如函数信号发生器，也有以“kHz”作单位的。

其次是选择调制方式或波形，就是选择AM还是FM，或者选择正弦波还是方波，再次按需设定调制频率，最后设定信号输出幅度。

7.简述如何用信号发生器产生正弦波和方波。

答：

用信号线把函数信号发生器和示波器连接起来，将函数信号发生器接入电源，按下方波的开关，调节占空比可获得稳定清晰波形，调节幅度旋钮至需要的输出幅度。

产生正弦波的方法类似。

8.示波器、信号发生器和频谱分析仪功能有何不同？

答：

示波器用来测量信号的波形信息，包括幅度、周期、频率。

信号发生器主要给被测电路提供所需要的各种波形的已知信号，然后用其它仪表测量感兴趣的参数，以达到测试的需要。

频谱分析仪用来测量信号的频率分布信息，包括频率、功率、谐杂波、噪声、干扰、失真。

9.台式频谱分析仪和手持式频谱分析仪各用在什么场合？

答：

台式频谱和信号分析仪提供卓越的技术指标和测量应用软件，而手持式频谱分析仪更适合现场工程师使用。

10.频谱分析仪的技术指标有哪些？

答：

频谱分析仪的技术指标主要有频率范围、分辨力、分析谱宽、分析时间、扫频速度、灵敏度、显示方式和假响应。

11.用频谱仪测量时，什么时候需要使用衰减器？

使用衰减器后如何读数？

答：

如果测试主机输出的信号在0dBm以上，需要外接大功率衰减器，防止输入信号过强而损害仪表。

实际测试信号强度为频谱仪读数再加上大功率衰减器衰减值。

12.简述如何用信号发生器产生1000Hz的方波，如何用频谱仪测量该方波的频谱，并进行实践操作。

答：

函数信号发生器接入电源，选择方波开关，选择信号的频率，调节信号的功率幅度，获得所需功率的信号。

用信号线把函数信号发生器和示波器连接起来，观看示波器上波形输出。

然后将信号发生器通过衰减器和频谱仪连接起来，设置中心频率、起始频率、终止频率和分辨率带宽等，按下Marker功能键读取功率。

功率的实际值应为读取的功率数值加上外部衰减的量。

第三章课后题答案

1．请用流程图描述原理图设计分流程。

2．绘制如图3.110所示的AD，DA转换电路。

绘制步骤：

（1）新建工程

（2）新建原理图

（3）按需要设置原理图参数，原理图空白处右击,选择如下选项

（4）添加元件到原理图绘制界面，先搜索元件库找到需要添加的元件，如果无法找到需按元件数据自行绘制。

元件添加顺序如下：

添加WM8978元件，如下所示

添加电阻电容，如下所示

添加接口插件及添加音频接口如下所示

添加VCC、GND以及网络标号如下所示

按种类添加完成如下所示

最后根据需要的个数复制元件并进行摆放和连线。

完成绘制如下所示

3．绘制如图3.111所示的232串口电路。

提示：

4．绘制如图3.112所示的JTAG调试接口电路。

提示：

5．绘制如图3.113所示的EEPROM驱动电路。

提示：

6．绘制如图3.114所示的FLASH驱动电路。

提示：

7．绘制如图3.115所示的SD卡驱动电路。

提示：

8．绘制如图3.116所示的LCD/OLED接口电路。

提示：

9．绘制如图3.117所示的放大电路并进行混合仿真。

详情参考3.2.5示例绘制过程。

10．将本章所用的快捷键有哪些？

略。

11．层次化原理图设计包括哪两类？

简述区别。

层次化原理图设计分为自上而下的原理图层次设计方法和自下而上的原理图层次设计方法。

所谓自上而下就是由电路系统方块图（习惯称母图）产生子系统原理图（习惯称子图）。

因此，采用自上而下的方法来设计层次原理图，首先得放置电路系统方块图。

所谓自下而上就是由子系统原理图产生电路系统方块图。

因此，采用自下而上的方法来设计层次原理图，首先需要绘制子系统原理图。

第四章

1．请用流程图简单描述PCB板设计分哪几个步骤？

PCB设计的操作步骤如下：

1）绘制电路原理图。

确定选用的元件及其封装形式，完善电路。

2）规划电路板。

全面考虑电路板的功能、部件、元件封装形式、连接器及安装方式等。

3）设置各项环境参数。

4）载入网络表和元件封装。

搜集所有的元件封装，确保选用的每个元件封装都能在PCB库文件中找到，将封装和网络表载入到PCB文件中。

5）元件自动布局。

设定自动布局规则，使用自动布局功能，将元件进行初步布置。

6）手工调整布局。

手工调整元件布局使其符合PCB板的功能需要和元器件电气要求，还要考虑到安装方式，放置安装孔等。

7）电路板自动布线。

合理设定布线规则，使用自动布线功能为PCB板自动布线。

8）手工调整布线。

自动布线结果往往不能满足设计要求，还需要做大量的手工调整。

9）DRC校验。

PCB板布线，需要经过DRC校验无误，否则，根据错误提示进行修改。

10）文件保存，输出打印。

保存、打印各种报表文件及PCB制作文件。

11）加工制作。

将PCB制作文件送交加工单位。

4．将如图4.98所示的AD，DA转换电路生成PCB图。

打开绘制完成的原理图文件，使之处于当前的工作窗口中，同时应保证相应的PCB文件也处于打开状态。

接下来操作如下：

再单击“ValidateChanges（确认更改）”按钮，系统将扫描所有的更改操作项，验证能否在PCB上执行所有的更新操作。

具体操作过程请参见书本4.7小节。

3、将如图4.99所示的232串口电路生成PCB图。

同上

4、将如图4.100所示的JTAG调试接口电路生成PCB图

同上

5、将如图4.101所示的EEPROM驱动电路生成PCB图。

同上

6、将如图4.102所示的FLASH驱动电路生成PCB图

同上

7、将如图4.103所示的SD卡驱动电路生成PCB图

同上

8、将如图4.104所示的LCD/OLED接口电路生成PCB图

同上

9．在网上搜索关于DIY制作电路板的教程，并尝试DIY一块硬件电路板。

推荐登陆开源网站阿莫电子论坛学习交流。

10．将本章所用的快捷键有哪些？

略

11．简述PCB设计中大面积覆铜的作用，查阅有关书籍了解数字地和模拟地如何布线。

PCB的敷铜一般都是连在地线上，增大地线面积，有利于地线阻抗降低，使电源和信号传输稳定，在高频的信号线附近敷铜，可大大减少电磁辐射干扰。

总的来说增强了PCB的电磁兼容性。

提高板子的抗干扰能力， 具备了加大电流能力和屏蔽双重作用。

关于数字和模拟地的问题，推荐在TI官方论坛上查找。

第六章

1.超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。

超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。

超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。

超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。

以超声波作为检测手段，必须产生超声波和接收超声波。

完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声换能器，或者超声探头.超声波探头主要由压电晶片组成，既可以发射超声波，也可以接收超声波。

小功率超声探头多作探测作用。

它有许多不同的结构，可分直探头（纵波）、斜探头（横波）、表面波探头（表面波）、兰姆波探头（兰姆波）、双探头（一个探头反射、一个探头接收）等。

4.MQ-2气体传感器常用语家庭和工厂的气体泄露装置，适宜于液化气、丁烷、丙烷、甲烷、酒精、氢气、烟雾等的探测。

7.NRF24L01无线通信模块是一款新型单片射频收发器件,工作于2.4 GHz～2.5 GHz ISM频段。