物联网实验室建设方案.pdf

1、 9 XX 大学物联网方向建设方案大学物联网方向建设方案 1.背景背景 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

2、业、环保、军事、交通、家居等几乎所有的领域。随着信息采集与智能计算技术的迅速发展和互联网与移动通信网的广泛应用，大规模发展物联网及相关产业的时机日趋成熟，欧美等发达国家将物联网作为未来发展的重要领域。美国将物联网技术列为在经济繁荣和国防安全两方面至关重要的技术，以物联网应用为核心的“智慧地球”计划得到了奥巴马政府的积极回应和支持；欧盟 2009 年 6 月制定并公布了涵盖标准化、研究项目、试点工程、管理机制和国际对话在内的物联网领域十四点行动计划。2009 年 8 月 7 日，国务院总理温家宝视察中科院无锡高新微纳传感网工程技术研发中心时发表重要讲话：提出了“在激烈的国际竞争中，迅速建立中国的

3、传感信息中心或感知中国中心”的重要指示；2009 年 11 月 3 日让科技引领中国可持续发展的讲话中，温家宝总理再次提出“要着力突破传感网、物联网关键技术，及早部署后 IP 时代相关技术研发，使信息网络产业成为推动产业升级、迈向信息社会的发动机”。2010 年两会期间，物联网再次成为热议话题。随着感知中国战略的启动及逐步展开，中国物联网产业发展面临巨大机遇。目前物联网技术还属于一个新兴技术，正在快速发展。学习与掌握物联网的技术理论，发展方向及其行业应用是目前高等教育的核心目标。2010 年最新的教育部通知已将物联网、传感网作为战略性新兴产业相关专业的重点，开始鼓励各高校申报相关专业。可以预见

4、，在不久的将来，无线传感网络将给我们的生活带来革命性的变化。10 2 建设目标建设目标 2.1 物联网研究目前情况物联网研究目前情况 WSN 的商用迄今可以划分为三个阶段：2003-2004 年，WSN 开始被试用，以验证投资回报；2005-2006年，WSN 的使用量持续增长，重点关注可靠性和集成度；而 2007-2010 年为 WSN 的起飞期，新应用不断涌现，出货量高速增长，这一时期为消费者驱动，重点关注成本和尺寸。根据美国多家知名市场公司预测，到 2008 年，WSN 节点全球出货量将超过 1 亿个，市场销售总额超过 20 亿美元。专门致力于无线技术研究的美国加利福尼亚圣迭戈（原圣地亚

5、哥）市场调研公司 ON World近期发布的一份报告，预计到 2011 年，世界市场无线传感器网络（WSN）系统与服务将飞升至约 46 亿美元，并呈现爆炸式增长，现阶段国内市场应用正在整体评估和试探阶段，但是相应的研究工作已经开展；近期主要用户为高校、研究机构（包含为交通、环境、农业、能源、国防等政府部门服务的科研院所），企业研发中心；中长期目标用户为海量使用的政府和企业(包括交通、环境、农业、能源、国防等政府部门)以及未来可能使用无线传感器网络的各类企业提供平台和应用案例。到目前为止，国内外己经推出了几十种成型的无线传感器网络节点设备。国外主要节点设备技术分析：（1）Smart dust 是

6、美国 DARR/MTO MEMS 支持的项目，其目的是研制体积不超过 1mm3，使用太阳能电池，具有光通信能力的自治传感器节点。由于体积小，重量轻，该节点可以附着在其他物体上，甚至在空气中浮动。(2)Mica 节点由加州大学伯克利分校研制，用于传感器网络研究的演示平台的试验节点，Mica 系列节点包括 WeC、Renee、Mica、Mica2、Mica2dot 和 SPec 等。WeC、Renee、Mica 这三款节点无线通信模块都采用了 RFM 公司的 TR1000 芯片，而 Mica2、Mica2dot 这两款节点无线通信模块都采用了 ChiPcon 公司的 CC1000 芯片，处理器采用

7、了 Atmel 公司的 Atmega128 芯片。Mica3 节点采用 Atmegal28L 与 CC1020相结合的结构，拥有强大的传感器板接口。Micaz 节点无线通信电路采用的是 Chipcon 公司的 CC2420 芯片。(3)Telos 节点是美国国防部 DARPA 支持 NEST 项目的一部分，该节点已经被 MoteV 公司产品化了。节点采用 MSP430 和 CC2420 相结合的构架，采用 USB-COM 桥接口，直接通过 USB 接口供电、编程和控制，进一步简化了外部接口。(4)TMote Sky 节点是加州大学伯克利分校研制的 Mica 系列节点的后续产品，它采用 Tl 公

8、司的 MSP430微处理器和 Chipcon 公司的 CC2420。TMote Sky 主要用于监测活动火山，监测其运动情况、周边环境和 11 突发情况。节点上装有麦克风和地震检波器传感器，用来收集震动和声音数据，利用 TI 公司的 AD7710模数转换器，转换成数字信号传输，来达到监测火山活动的目的。（5）EyesIFX 节点是由欧洲研究计划(European Research Projeet)中自组织传感器网络研究项目的成果之一，节点采用 TI 的 MSP430 微处理器作为节点处理控制中心，无线通信芯片采用的是 TDA5250，节点仅需一节 AAA 电池供电即可。（6）U3(U-cube

9、)节点由东京大学的 Yoshihiro Kwahara 等提出。U3节点采用的是立方体的概念，它把能量供应模块、处理器模块、无线通信模块、数据采集模块分别做成了四个小电路板，然后通过插针接口将四者连接在一起，优点就是可以随时重构节点，例如，当需要改变传感器类型时，只需把数据采集模块换成相应所需的传感器即可，而不用重新设计电路板。U3节点处理器模块采用 Micochip 公司的PIC18F452，无线通信模块采用 CDC-TR-02B 实现，采用 AAA 充电电池提供节点工作电压。2.1 我校物联网发展目标我校物联网发展目标（1）建立完整的物联网实验室）建立完整的物联网实验室 完成了传感器热插拔

10、节点板设计，在此基础完成 1000 个点以上自组网和自恢复协议，初步实现一个具有动态可扩充能力的新型传感器网络数据库管理系统的实验室研究。（2）建立完整的物联网节点的软件架构）建立完整的物联网节点的软件架构 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，我将采用伯克利大学编写的 TinyOS 操作系统，并把该操作系统移植到目前比较新

11、的 CC2430 芯片上，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：12 图 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，农业领域应用的技术矛盾之一就是农田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

12、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（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，

13、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。?便携式采集终端 硬件层 CPU 及其外设 传感器 RF 射频模块 TINYOS 组件层 CPU 外设组件 各种传感器组件 路由协议 TINYOS 应用软件层 按照规则收集、存储所需传感器的数据，通过协议进行信息发送。二次开发 可选硬件库 CC2430,MSP430,ARM 环保医疗工业用传感器 射频(CC2420，NRF)组合 抽象 13?WEB 数据库服务器?PC 端采集终端?移动采集终端 通过以上几方面的研究力争 3 至 5 年将我校建成物联网领域技术、产业、应用的先

14、导基地；建成国家示范性的物联网创新示范区，力争让物联网技术落地，引导全市物联网产业快速发展，并在产业规模、竞争力、人才队伍和示范作用上达到预期目标。3 建设意义建设意义 3.1 对于教学的意义对于教学的意义 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

15、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 ZIGB

16、EE 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；14 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 IS0-180006C 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，ZIGBEE PRO 无线通讯协议栈原理和设计；项目的课程体系，首先建立通用型的基础类课程，基础类课程为一般高校中信息类专业、通信类专传感器原理 高级