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物联网工程开发与应用实例
	曾用价	68.00
	出版社	科学出版社
	版次	1
	出版时间	2016年08月
	开本	16
	著编译者	无   马洪连,朱明
	页数	312
	ISBN编码	9787030493736

近几年，物联网从诞生到迅速发展，受到了产业界及学术界的广泛重视。本书从物联网工程实际应用的角度出发，针对国内大专院校物联网工程专业课程群实践教学的需要，结合作者多年的教学、科研方面的经验编写了这部物联网工程开发与应用实例教材。
本书以基于四核Cortex-A9 微处理器为核心的物联网综合教学实验平台为物联网工程应用实例的硬件平台，该平台还配有以CC2530 为核心部件的14 种无线感知、识别、控制节点模块以及摄像头、条形码和指纹识别三种外设。针对物联网工程实验教学与培训体系不同层面的需要，本教材精心设计和开发了36 项应用实例。


目录
第1章概述
1.1物联网综合教学实验平台硬件系统3
1.2实验平台系统软件配置与工作原理6
第2章无线节点模块的设计与应用实例
2.1无线节点核心部件CC2530开发环境的搭建与安装10
2.2按键外部中断与定时器中断的应用15
2.3模拟/数字转换器（ADC）的应用23
2.4基于单线制通信的温湿度传感器节点的设计与应用31
2.5基于I2C通信的光照传感节点的设计与应用37
2.6基于SPI总线的外扩存储器节点的设计与应用45
2.7基于查询模式的烟雾感知节点的设计与应用50
2.8基于UART通信模式的GPS卫星定位节点的设计与应用53
2.9基于中断模式的声音感知节点的设计与应用61
2.10基于中断模式的人体红外感知节点的设计与应用64
2.11基于中断模式的超声波测距节点的设计与应用66
2.12继电器节点的设计与应用70
2.13直流电动机节点的设计与应用73
2.14射频识别节点的设计与应用77
第3章无线传感节点通信、节点接入与组网应用实例
3.1Z-Stack协议栈配置与安装84
3.2基于Z-Stack的单向无线节点通信应用88
3.3基于Z-Stack的无线节点双向通信应用108
3.4无线温湿度采集节点接入及组网应用110
3.5无线光照感知节点接入及组网应用117
3.6无线超声波测距节点接入及组网应用126
3.7无线姿态识别节点接入及组网应用132
第4章基于Linux网关平台的构建与应用实例
4.1Linux网关平台开发环境的搭建与安装146
4.2网关平台的设计与应用155
4.3网关平台与PC机通信的应用170
4.4基于Linux平台下摄像头的应用181
4.5基于Linux平台下条形码识别的应用192
4.6基于Linux平台下指纹识别的应用196
4.7基于Linux平台音频播放的应用213
第5章基于Android网关平台的构建与应用实例
5.1Android网关平台环境的搭建与安装216
5.2Android系统用户界面的设计与应用225
5.3Android系统下网络通信的应用230
5.4基于ZigBee无线通信网络的综合应用1244
5.5基于ZigBee无线通信网络的综合应用2249
5.6基于ZigBee无线通信网络的综合应用3253
第6章物联网工程综合应用实例
6.1智能家居系统266
6.2环境监测系统290
参考文献305



第1章概述
物联网工程作为新兴的产业和专业，其技术涉及多个学科。编写本教材的目的就是从物联网工程专业的实验教学需求出发，在物联网综合教学实验平台上完成“物联网感知和识别”、“网络传输和管理服务”与“综合应用”三个结构层次所涉及的相关技术的具体实现过程。该平台适用于物联网课程群中“无线传感器网络”、“物联网与传感器技术”、“射频识别（RFID）技术”、“物联网控制技术”和“物联网课程设计”等专业课程的实践教学。学生们通过在该平台上的具体应用和操作，能够掌握贯穿物联网三个结构层次所涉及的知识和技能，提高自身在物联网工程应用方面的实践能力。
物联网综合教学实验平台是依据***物联网专业课程大纲要求，自主设计研发的集教学、科研为一体的物联网工程实验、实训平台。实验平台系统包括硬件设备、软件系统配置及实践教学文档资源三部分，物联网综合教学实验平台实物正面图如图1.1所示。
图1.1物联网综合教学实验平台
本书从物联网工程应用的角度，精心设计和开发了36项应用实例。具体包括物联网无线感知、识别和控制节点模块设计与应用14项；无线节点通信、节点接入和组网应用7项；基于Linux网关平台搭建与应用7项；基于Android环境下界面设计与应用6项和物联网工程综合应用2项。
1.1物联网综合教学实验平台硬件系统
物联网作为一门交叉学科，要求物联网专业的实践教学平台建设应与理论课程紧密配套。因此，通过物联网工程课程群的实践教学将这些跨学科知识进行融合和贯通尤为重要。本综合教学实验平台可应用于物联网课程群的实践教学中，通过提供优质的实验平台和丰富的实践资源进行多层次、一体化的实践教学。以便使学生们掌握贯通物联网课程的知识，提高他们在物联网应用方面的实践能力和创新意识，为培养高素质应用型人才和复合型人才奠定坚实的基础。
物联网综合教学实验平台硬件部分主要由网关显示及控制平台、无线节点模块和系统平台底板三部分组成。
1.网关显示及控制平台
网关显示及控制平台采用了广州友善之臂公司设计的Tiny4412系统开发板。该开发板采用基于四核Cortex-A9的三星Exynos4412作为主处理器，运行主频高达1.5GHz。同时，板上标配有1GBDDR3内存、4GB高性能eMMC闪存、分辨率为1280×800的7寸LCD(HD700)显示屏以及高精度电容式触摸屏。还配有高清晰度多媒体接口HDMI输出、USBHost、SD卡、DB9串口、RJ-45以太网口和音频输入/输出口等各种常见的标准接口。物联网综合教学实验平台网关显示及控制平台正面图如图1.2所示。
图1.2网关显示及控制平台实物图
在网关显示及控制平台的底部位置，从左至右各开关、接口的功能和作用如下：
（1）S1拨动开关：S1是供电开关，上关、下开。
（2）外电源接入插件：DC-5V电源输入端口(该端口不使用)。
（3）两个DB9型插件接口：基于RS232通信的COM0和COM3串行接口。
（4）一路microUSBSlave2.0接口：主要用于Android系统下的ADB功能，用于软件安装和程序调试。
（5）一路3.5mm立体声音频输出接口/一路在板麦克风音频输入接口：Exynos4412支持I2S/PCM/AC97等音频接口。该开发板采用的是I2S接口，它外接了WM8960作为CODEC解码芯片，可支持HDMI音视频同步输出。WM8960芯片在Tiny4412底板上，音频系统的输出为板上常用的3.5mm绿色孔径插座，不插入耳机时，实验平台内置音箱将工作发声，可用于播放音频。另外，板上还提供了蓝色插座的麦克风输入接口。
（6）HDMI接口：高清晰度多媒体接口（HighDefinitionMultimediaInterface，简称HDMI）是一种数字化视频/音频接口技术，是适合影像传输的专用型数字化接口。HDMI可同时传送音频和影音信号，*高数据传输速度为5Gbps。
（7）USBHost(2.0)接口：可以接USB摄像头、USB键盘、USB鼠标、U盘等USB外设。
（8）RJ45有线网络接口：有线网络电路中采用了DM9621网卡芯片，可以自适应10/100米网络。
（9）S2启动方式选择开关：Tiny4412支持SD卡和eMMC两种启动模式，通过S2开关进行切换。将S2拨至NAND标识（上侧）时，系统将从eMMC启动；将S2拨至SDBOOT标识（下侧）时，系统将从SD卡启动。网关平台电路板在日常使用时，S2应拨向NAND侧。若需要向网关平台烧写系统程序或者要从SD卡启动系统时，将S2拨至下方。
（10）SD卡插座：位于网关平台右侧的电路板。
2.无线节点模块
无线节点模块部分由14个无线节点模块组成，它们分别是M01按键与指示灯测试节点模块、M02温湿度传感器节点模块、M03光强度感应节点模块、M04姿态识别节点模块、M05超声波测距节点模块、M06GPS卫星定位节点模块、M07烟雾感知节点模块、M08声音感知节点模块、M10直流电机模块、M12人体红外感知节点模块、M14RFID识别模块、M16继电器模块、M17扩展存储器模块和根节点模块（即协调器节点，红色印制电路底板）。在这些无线节点模块内部电路中均采用了TI公司的片上系统CC2530芯片作为核心部件，外部分别配有不同种类的感知、识别、控制等器件。
CC2530芯片是一款通用性极强的芯片，广泛应用于智能设备、数字家庭、消费类电子及RF4CE远程控制、楼宇自动化、照明、工业控制与监控、保健与医疗等众多领域。CC2530芯片的核心部件是一款完全兼容8051内核，同时集成有支持2.4GHzIEEE802.15.4协议的RF收发器的片上系统（SoC），其传送速率*高可达250Kbps有16个2.4GHz传输信道，可选频段传输距离在0～100米。本实验平台的无线节点模块CC2530的Flash容量为256KB，并具有8KBRAM和14位的ADC等功能。典型无线传感器节点模块实物正面图如图1.3所示。
图1.3无线传感器节点模块实物图
典型无线节点模块板上相关部件的说明如下：
（1）开关：S1为无线节点复位按键；S2为无线节点电源开关；S6开关为常规按键；U2摇杆开关只在本书第3章节点入网实例中作为节点确认开关，在其他实例中没有应用。在根节点模块板上只有S1节点复位开关，其他相应的开关与指示灯均放在实验平台底板上。
（2）接口：P1是内部直流5V电源接口，P2是外接5V电源接口（正常情况下不使用），P3和P6为CC2530核心板外扩接口，P5是10针J-TAG接口，P7是外扩传感器接口。
（3）6个固定LED指示灯：DS1为3.3V电源指示灯，DS2为5V电源指示灯，DS6、DS7和DS8这三个LED灯由用户编程操作，DS9为按键测试指示灯。
（4）编号U1、U3、U4是三个专用集成芯片。
（5）U2为摇杆开关，用于无线节点的接入与组网应答确认。
（6）片上系统CC2530核心板。
3.综合教学实验平台底板
综合教学实验平台的底板上配置有模块埠1～模块埠8共8个固定式无线节点连接端口、7个按键开关、4个LED指示灯、3个外扩专用的通信接口板和1个可调节AD模拟电压输出端。其功能和作用分别介绍如下：
（1）模块埠1～模块埠8：能够固定8个无线节点的连接端，并可以为其提供直流电源。这8个连接端可任意选择连接除根节点以外的13个无线节点模块中的8个无线模块。
（2）根节点固定连接端：该连接端连接根节点，该节点为红色印制电路底板，也称为协调器或汇聚节点，它是本平台的必备节点。
（3）S1是标准Z-Stack协议栈中定义的Shift按键，S2～S6分别与根节点连接，相当于普通节点摇杆开关在5个方向的操作。
（4）DS9为电源指示灯，DS10~DS13为与Z-Stack协议栈相关的应用指示灯。
（5）基于USB形式的RS232、COM0、COM3为外扩专用通信接口。
（6）R10为AD模拟电压调节电位器，旋动可以改变模拟电压输出值。在电路设计上，电压调节器的输出与根节点模块CC2530中的AD输入端连接。
（7）P23为LCD12864显示器接口，用户需要可进行自配。综合教学实验平台匹配有一些相关附件，如SmartRF04EBTI标准调试器和miniUSB连接线、GPS有源高精度定位天线、microUSB连接线、D型USB连接线、交叉串口线、网线、电源线。
1.2实验平台系统软件配置与工作原理
实验平台软件系统包括网关系统软件、无线节点设计与网络通信软件。实验平台网关部分采用了Tiny4412核心板自带的内核系统，以及LinuxKernel3.5和Android4.2.1版本的操作系统。同时，还提供了丰富的源码安装包和系统工具。具体包括交叉编译器arm-linux-gcc、linux-3.5内核系统、集成QT4的qtopia文件系统、Android4.2.1版本操作系统和文件系统制作工具make_ext4fs。同时也提供了相关配置文件，可以在PC机自动进行内核和文件系统的编译。另外，用户也可以使用这些源码和工具自行配置编译内核和文件系统。为了完成系统上应用的开发，qtopia编译工具、QT4和QT4-extended工具集成在虚拟机中可以被直接使用。另外，教学实验平台软件还提供了uboot启动源码和编译好的Bootloader文件供直接使用。按照其步骤制作SD卡启动项，烧写系统程序到网关平台中即可，