物联网技术基础

本书对物联网实时信息系统相关的理论及实践知识的阐述具有较强的深度、广度及可读性。作者基于物联网领域的校企合作、科研及教学成果，对物联网实时信息系统所涉及的各种概念及关键技术进行了较为完整的论述，在编写上力求使用大量的图表，使教材的理论内容通俗易懂。同时，利用详细的具有较强操作性的实例，指导读者在学习过程中了解物联网实时信息系统的各个重要组成部分，提高读者的学习兴趣及解决实际问题的能力。本书包括 12 章内容。 
第 1 章主要介绍了常见的物联网问题，包括物流问题、交通问题、安防问题、能源环保问题、医疗问题、建筑问题、制造问题、居家问题、零售问题、农业问题等；第 2 章主要介绍了常见的可以解决上述问题的物联网服务，包括智慧物流、智能交通、智能安防、智慧环保、智慧医疗、智能建筑、智能制造、智能家居、智慧零售、智慧农业等；第 3 章主要介绍物联网实时信息系统的组成，包括节点、网关、传输网络、数据服务中心、接入网络、客户端；第 4 章主要介绍物联网节点，包括 RFID 标签、传感器、传感网、数字仪表、BDS 接收机、扫描设备、摄像头、执行器、继电器、遥控器等；第 5 章主要阐述物联网网关，主要包括智能手机、无线网关、智能家居网关、工业物联网网关、RFID 读写器等；第 6 章主要介绍物联网传输网络，包括 Wi-Fi 网络、移动通信网络、NB-IoT、卫星通信网、互联网等；第7 章主要介绍物联网数据服务中心，包括简单数据服务中心、局域网数据服务中心、云数据服务中心、多级数据服务中心；第 8 章主要阐述物联网服务接入网，包括数据服务中心网络设计、客户端接入核心路由器、客户端接入汇聚层、服务器接入层；第 9 章主要介绍物联网客户端，主要包括 PC 客户端、App 客户端、微信客户端、H5 客户端、智能手表、智能眼镜；第 10 章主要介绍物联网技术体系，包括节点技术、网关技术、数据传输技术、数据中心技术、客户端技术；第 11 章主要介绍一个基于 NB-IoT 的农业物联网实时系统开发案例；第12 章主要阐述物联网职业规划，包括物联网首席信息官、物联网商业设计师、物联网产品经理、物联网架构研发总监、物联网通信工程师、物联网硬件工程师、物联网大数据架构师、物联网软件工程师、物联网全栈软件工程师、物联网移动端开发工程师、物联网操作系统开发工程师等。 
本书的作者刘持标具有丰富的国内外物联网实时信息系统设计与实现经历，撰写了本书第 1～12 章的主要内容。本书的合作著者为厦微慧联（厦门）科技有限公司总经理林瑜，其从事工业物联网、智慧电力、楼宇智能化等研究，为本书的第 1～12 章提供了相关的企业案例。通过校企合作编写教材，一方面可进一步深化应用技术型本科教育与企业的深度融合，另一方面可以利用企业方面的优势资源来满足培养高素质物联网应用型人才的需求。
感谢三明学院信息工程学院、福建省农业物联网应用重点实验室、物联网应用福建省高校工程研究中心为本书的顺利完成提供的各方面的大力支持。感谢同事刘庆鑫审阅修改书稿，感谢学生赖国良及裴瑶等所提供的相关案例。感谢福建省科技计划引导性项目（2018N0029、2017N0029）、2017 年第二批产学合作协同育人项目—物联网网关设计课程建设（教高司函〔2018〕4 号：201702185015）、2018 年省级本科教学团队—ICT 专业群应用型教学团队（闽教高〔2018〕59 号）、2019 年省级虚拟仿真实验教学项目—智能农业 3D 虚拟仿真实验教学项目（闽教高〔2019〕13 号）的支持。同时，欢迎广大教师和读者提出宝贵意见。 
编 者

物联网（Internet of Things，IoT）服务涉及智慧农业、智能交通、环境保护、政府工作、公共安全、智能家居、智能消防、工业监测、老人护理、智慧医疗等多个领域。由“物联网实时信息系统”所提供的“实时了解、实时控制”服务可用来解决现实社会中各方面所存在的问题。 “物联网实时信息系统”由物联网节点、物联网网关、物联网传输网络、物联网数据服务中心、物联网服务接入网络、物联网客户端组成。通过本书，能使读者学会发现问题，并能思考如何通过物联网服务来解决这些问题，可以培养读者发现问题、分析问题及解决问题的能力。 本书内容包括物联网问题、物联网服务、物联网实时信息系统、物联网节点、物联网网关、物联网传输网络、物联网数据服务中心、物联网服务接入网、物联网客户端、物联网技术体系、NB-IoT 农业物联网实时系统开发案例及物联网职业规划等。 本书是作者多年从事国内外物联网应用科研、教学及生产实践成果的总结。目前，有关物联网实时信息系统还没有相应的教科书，本书填补了这个空白。本书适合应用型本科学校网络工程、物联网工程、传感网工程、人工智能、智能科学与技术、数据科学与大数据技术、电子信息与通信、信息与计算科学等专业的本科生、研究生以及相关专业的研究人员使用。

第 1 章 物联网问题 1 
1.1 物流问题 1 
1.1.1 物流计划不精准 1 
1.1.2 物流延迟 2 
1.1.3 物流成本高 2 
1.1.4 物流信息流动不畅通 2 
1.1.5 货物配送混乱 3 
1.2 交通问题 3 
1.2.1 高速人工收费混乱 3 
1.2.2 公路暴力 4 
1.2.3 应急车道被阻 4 
1.2.4 交通拥堵 5 
1.3 安防问题 5 
1.3.1 城市暴力犯罪 5 
1.3.2 公共交通安全 6 
1.3.3 抢劫 6 
1.4 能源环保问题 7 
1.4.1 人工电力抄表收费混乱. 7 
1.4.2 工业污染难以监控 7 
1.4.3 农业环境污染 8 
1.4.4 居民垃圾污染 8 
1.5 医疗问题 8 
1.5.1 看病难 8 
1.5.2 偏远地区医疗资源缺乏 9 
1.5.3 医疗事故取证困难 9 
1.6 建筑问题 10 
1.6.1 桥梁安全监测困难 10 
1.6.2 楼宇安全难以监测 10 
1.6.3 夺命电梯 11 
1.7 制造问题 11 
1.7.1 工厂自动化水平低 11 
1.7.2 工厂信息孤岛 12 
1.7.3 工厂机器异常停工 12 
1.8 居家问题 13 
1.8.1 老年人居家安全监控困难 13 
1.8.2 煤气中毒 13 
1.8.3 居家火灾 14 
1.8.4 入室盗窃 14 
1.9 零售问题 15 
1.9.1 贩卖机货物难以跟踪 15 
1.9.2 零售管理不到位 15 
1.9.3 线下零售反馈渠道不畅 16 
1.10 农业问题 16 
1.10.1 农业生产效率低 16 
1.10.2 农产品品质低 17 
1.10.3 农业生产成本高 17 
1.11 小结 18 
思考题 18 
案例 18 
第 2 章 物联网服务 19 
2.1 智慧物流 19 
2.1.1 智能仓储 19 
2.1.2 智能冷链 20 
2.1.3 智能外卖 20 
2.2 智能交通 21 
2.2.1 电子不停车收费系统 21 
2.2.2 高速公路监控系统 21 
2.2.3 车联网 22 
2.3 智能安防 23 
2.3.1 智能视频监控系统 23 
2.3.2 智能门禁系统 24 
2.3.3 公安人脸识别系统 24 
2.3.4 入侵报警系统 25 
2.4 智慧环保 25 
2.4.1 扬尘监测系统 26 
2.4.2 水污染监测系统 26 
2.4.3 大气网格化监测 27 
2.5 智慧医疗 28 
2.5.1 远程探视 28 
2.5.2 远程医疗 28 
2.5.3 临床决策支持系统 29 
2.5.4 智能穿戴 30 
2.6 智能建筑 30 
2.6.1 火灾报警系统 31 
2.6.2 智能停车管理系统 31 
2.6.3 智能楼宇自控系统 32 
2.6.4 楼宇紧急广播系统 32 
2.6.5 水电气三表抄送系统 33 
2.7 智能制造 33 
2.7.1 机器状态监测 33 
2.7.2 实时缺陷检测系统 34 
2.7.3 无人工厂 35 
2.8 智能家居 35 
2.8.1 智慧照明 35 
2.8.2 智能家电 36 
2.8.3 智能门窗 37 
2.8.4 智能安防 37 
2.9 智慧零售 38 
2.9.1 智能售货机 38 
2.9.2 无人商店 38 
2.9.3 智慧门店 39 
2.10 智慧农业 40 
2.10.1 智能杀虫灯 40 
2.10.2 智能灌溉 40 
2.10.3 智慧大棚 41 
2.10.4 植物工厂 41 
2.11 小结 42 
思考题 42 
案例 42 
第 3 章 物联网实时信息系统 43 
3.1 物联网实时信息系统组成 43 
3.2 IoT 节点 44 
3.2.1 传感器技术 45 
3.2.2 RFID 标签技术 45 
3.2.3 二维码标签技术 45 
3.2.4 ZigBee 节点无线通信技术 46 
3.2.5 蓝牙节点无线通信技术 46 
3.3 IoT 网关 46 
3.3.1 广泛的接入能力 47 
3.3.2 协议转换能力 47 
3.3.3 可管理能力 47 
3.4 IoT 传输网络 47 
3.5 IoT 数据服务中心 49 
3.6 IoT 接入网络 49 
3.7 IoT 客户端 50 
3.8 小结 51 
思考题 51 
案例 51 
第 4 章 物联网节点 52 
4.1 节点简介 52 
4.2 RFID 标签 52 
4.2.1 RFID 标签简介 52 
4.2.2 RFID 标签分类 53 
4.2.3 RFID 标签应用 56 
4.3 传感器 59 
4.3.1 传感器简介 59 
4.3.2 传感器分类 60 
4.3.3 传感器应用 62 
4.4 传感网 65 
4.4.1 传感网简介 65 
4.4.2 传感网分类 65 
4.4.3 传感网应用 68 
4.5 数字仪表 72 
4.5.1 数字仪表简介 72 
4.5.2 数字仪表分类 73 
4.5.3 数字仪表应用 73 
4.6 BDS 接收机 75 
4.6.1 BDS 接收机简介 75 
4.6.2 BDS 接收机分类 75 
4.6.3 BDS 接收机应用 76 
4.7 扫描设备 77 
4.7.1 一维码扫描设备 77 
4.7.2 二维码扫描设备 78 
4.7.3 图形扫描仪 78 
4.8 摄像头 79 
4.8.1 摄像头简介 79 
4.8.2 摄像头应用 80 
4.9 执行器 81 
4.9.1 执行器简介 81 
4.9.2 执行器分类 82 
4.9.3 执行器应用 84 
4.10 继电器 84 
4.10.1 继电器简介 84 
4.10.2 继电器分类 85 
4.10.3 继电器应用 87 
4.11 遥控器 88 
4.11.1 遥控器简介 88 
4.11.2 遥控器应用 89 
4.12 小结 89 
思考题 89 
案例 90 
第 5 章 物联网网关 91 
5.1 网关简介 91 
5.2 智能手机 91 
5.2.1 智能手机简介 91 
5.2.2 智能手机硬件 92 
5.2.3 智能手机操作系统 93 
5.2.4 智能手机应用 95 
5.3 无线网关 96 
5.3.1 Wi-Fi 无线网关 96 
5.3.2 NB-IoT 无线网关 97 
5.3.3 移动无线网关 97 
5.3.4 卫星无线网关 98 
5.3.5 复合型无线网关 99 
5.4 智能家居网关 100 
5.4.1 智能家居网关简介 100 
5.4.2 智能家居网关分类 101 
5.4.3 智能家居网关应用 102 
5.5 工业物联网网关 103 
5.5.1 工业物联网网关简介 104 
5.5.2 工业物联网网关分类 104 
5.6 RFID 读写器 106 
5.6.1 RFID 读写器简介 106 
5.6.2 RFID 读写器分类 108 
5.7 小结 110 
思考题 110 
案例 110 
第 6 章 物联网传输网络 112 
6.1 Wi-Fi 网络 112 
6.1.1 Wi-Fi 网络简介 112 
6.1.2 Wi-Fi 网络分类 115 
6.1.3 Wi-Fi 网络应用 118 
6.2 移动通信网络 120 
6.2.1 移动通信网络简介 120 
6.2.2 移动通信网络分类 122 
6.2.3 移动通信网络应用 123 
6.3 NB-IoT 127 
6.3.1 NB-IoT 简介 127 
6.3.2 NB-IoT 应用 127 
6.4 卫星通信网 129 
6.4.1 卫星通信网简介 129 
6.4.2 卫星通信网分类 130 
6.4.3 卫星通信物联网应用 131 
6.5 互联网 131 
6.5.1 互联网简介 132 
6.5.2 互联网的组成分类 136 
6.5.3 互联网应用 138 
6.6 小结 140 
思考题 140 
案例 140 
第 7 章 物联网数据服务中心 142 
7.1 数据服务中心简介 142 
7.2 简单数据服务中心 142 
7.3 局域网数据服务中心 144 
7.4 云数据服务中心 146 
7.5 多级数据服务中心 148 
7.6 小结 150 
思考题 150 
案例 150 
第 8 章 物联网服务接入网 151 
8.1 数据服务中心网络设计 151 
8.2 客户端接入核心路由器 151 
8.2.1 核心路由器简介 151 
8.2.2 核心路由器以太网接口 152 
8.2.3 核心路由器光纤接口 152 
8.3 客户端接入汇聚层 153 
8.4 服务器接入层 154 
8.5 小结 155 
思考题 155 
案例 155 
第 9 章 物联网客户端 156 
9.1 PC 客户端 156 
9.1.1 C/S 应用程序客户端 156 
9.1.2 浏览器 156 
9.2 App 客户端 157 
9.2.1 App 客户端简介 157 
9.2.2 App 客户端案例 157 
9.3 微信客户端 158 
9.3.1 微信客户端简介 158 
9.3.2 微信客户端案例 159 
9.4 H5 客户端 160 
9.5 智能手表 160 
9.6 智能眼镜 161 
9.7 小结 162 
思考题 162 
案例 162 
第 10 章 物联网技术体系 163 
10.1 简介 163 
10.2 IoT 节点技术 164 
10.2.1 节点技术简介 164 
10.2.2 节点数据接口技术 165 
10.2.3 节点制作技术 166 
10.3 IoT 网关技术 173 
10.3.1 网关技术简介 173 
10.3.2 网关制作技术 174 
10.3.3 网关编程技术 180 
10.4 IoT 数据传输技术 191 
10.4.1 数据传输技术简介 191 
10.4.2 数据传输技术案例 191 
10.5 IoT 数据中心技术 196 
10.5.1 数据中心技术简介 196 
10.5.2 数据库技术 196 
10.5.3 Web 应用开发技术 197 
10.5.4 大数据技术 199 
10.5.5 云计算技术 201 
10.5.6 人工智能技术 202 
10.6 IoT 客户端技术 203 
10.6.1 PC 桌面程序开发技术 204 
10.6.2 Android App 开发技术 204 
10.6.3 HarmonyOS App 开发技术 208 
10.6.4 微信小程序开发技术 208 
10.7 小结 216 
思考题 217 
案例 217 
第 11 章 NB-IoT 农业物联网实时系统开发案例 218 
11.1 农业物联网系统开发背景 218 
11.2 NB-IoT 农业物联网实时信息系统设计 218 
11.3 物联网节点选取 219 
11.3.1 继电器 219 
11.3.2 温湿度传感器（DHT11） 220 
11.3.3 土壤湿度传感器（SHT10） 220 
11.3.4 人体红外传感器（HC-SR501） 220 
11.3.5 烟雾浓度传感器（MQ2） 221 
11.3.6 噪声传感器 221 
11.3.7 光照强度传感器（GY-30） 221 
11.4 物联网网关设计与实现 222 
11.4.1 设备制作电子原理图 222 
11.4.2 STM32F103RET6 处理器 223 
11.4.3 继电器 223 
11.4.4 蜂鸣器 224 
11.4.5 土壤湿度传感器 224
11.4.6 整体设备制作 224 
11.5 物联网传输网络选取 225 
11.5.1 NB-IoT 技术简介 225 
11.5.2 设备数据发送 225 
11.5.3 设备控制命令接收 226 
11.5.4 Web 服务与 NB-IoT 平台数据交换 227 
11.6 物联网数据服务中心设计与实现 227 
11.6.1 Web 管理系统功能 228 
11.6.2 物联网客户端设计与实现 229 
11.7 小结 232 
思考题 232 
案例 232 
第 12 章 物联网职业规划 233 
12.1 物联网职业岗位简介 233 
12.1.1 物联网首席信息官 233 
12.1.2 物联网商业设计师 233 
12.1.3 物联网产品经理 234 
12.1.4 物联网架构研发总监 234 
12.1.5 物联网通信工程师 234 
12.1.6 物联网硬件工程师 234 
12.1.7 物联网大数据架构师 234 
12.1.8 物联网软件工程师 235 
12.1.9 物联网全栈软件工程师 235 
12.1.10 物联网移动端开发工程师 235 
12.1.11 物联网操作系统开发工程师 235 
12.2 小结 235 
思考题 236 
案例 236 
参考文献 237 
附录 英文简称 241

物联网实时信息系统所提供的“实时了解、实时控制”物联网服务，是建设智慧世界的关键。本书介绍了物联网实时信息系统的组成、设计与实现技术。