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| 編輯推薦： |
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物联网工程专业成立于2010年，近几年国内出版了一些相关的书籍，但一些内容主要还是传统互联网应用技术，与物联网专业结合不是非常紧密，在教学实践中，感觉尚缺乏合适的教材。因此，根据近几年课程教学和课设实践积累的经验，采纳软件工程的应用系统开发模式，以多个具体实例循序渐进，力求知识覆盖面大、兼顾多种难易程度的物联网技术，注重理论和实践的结合，使学生在掌握系统设计和开发过程的理论方法的同时，连接真实物联网系统的设计过程。针对目前物联网工程专业成立时间短，市场上缺乏比较适合的教材的现状，本教材将本着理论结合实践这一思想，从应用系统的角度，借助软件工程的思想，结合多个实例介绍物联网应用系统的完整设计和实现的过程，充分体现物联网应用系统与一般互联网应用系统的区别，使学生能够通过本教材的学习，基本掌握物联网系统的设计方法。本教材将本着理论与实践相结合这一思想，从应用系统的角度，借助软件工程的思想，结合多个实例介绍物联网应用系统充分体现物联网核心技术，掌握物联网应用系统的设计方法。物联网应用系统包含了物与物、人与物、人与人之间的互联，其覆盖范围从终端到网络、传感采集到智能控制、从应用到服务等等，涉及众
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| 內容簡介： |
本书是面向物联网工程专业，主要目的是为物联网应用系统设计课程提供一本实用的参考教材。全书共8章，系统地分析了物联网应用系统的特点、物联网应用系统的体系结构、物联网业务的分类、物联网相关的标准、物联网系统设计过程。在此基础上，结合具体的物联网应用系统对开发的完整过程进行了详细的介绍。为了便于读者对相关知识的理解和掌握，还通过附录的形式给出了开发过程中需要编写的开发文档的实例。
本书可供高等院校物联网工程类、计算机类本科生和专科生使用，对从事物联网系统开发的科研和工程技术人员也有学习参考价值。
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| 關於作者： |
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鲁宏伟，华中科技大学计算机学院教授，信息安全所所长。主要从事安全协议分析、社会网络、物联网、网络安全与网络应用研究。1983.9-1990.6，在华中理工大学数学系攻读理学学士和理学硕士；1993.2-1995.6，在华中理工大学机械学院攻读博士，并获得工学博士学位；1990.6-1993.2，同济医科大学基础医学部数学教研室工作；1995.8-今，在华中科技大学计算机学院工作；主编多媒体计算机技术，参编物联网系统安全与应用、物联网识别技术及应用等教材；主持与某研究院合作项目5项、校教学改革项目1项、其他各类横向项目10余项，近年发表学术论文数十篇。
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| 目錄：
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目录第1章概述1
1.1物联网系统的特点1
1.2物联网体系结构2
1.2.1物联网三维体系结构2
1.2.2三类功能部件的关系4
1.3物联网业务分类及系统架构5
1.3.1业务分类5
1.3.2系统架构6
1.4物联网相关标准9
1.4.1物联网相关的国际标准组织10
1.4.2中国标准11
1.4.3NBIoT标准12
1.4.4LTEV标准13
1.5物联网应用领域13
1.6物联网产业分析15
1.7中国物联网产业链发展趋势17
1.8物联网应用实例17
1.8.1智能家居概述17
1.8.2智能家居产业发展阶段18
1.8.3智能家居的组成18
1.9物联网系统设计和开发过程22
1.10小结24
第2章物联网系统需求分析25
2.1需求分析概述25
2.1.1需求分析的特点25
2.1.2需求分析的重要性25
2.1.3需求是创新的源泉26
2.1.4需求分析的任务27
2.2需求分析的过程27
2.2.1获取用户需求27
2.2.2分析用户需求28
2.2.3编写需求文档28
2.2.4需求分析评审292.3需求分析内容29
2.3.1市场需求分析29
2.3.2技术需求分析30
2.3.3安全需求分析31
2.4需求分析方法31
2.4.1原型化方法31
2.4.2面向过程的结构化方法32
2.4.3面向对象方法32
2.4.4用例建模33
2.5需求分析过程中需要注意的问题34
2.6需求规格说明书35
2.6.1高质量需求叙述的特性35
2.6.2高质量需求说明书的特征36
2.7需求分析实例36
2.7.1智能家居系统结构36
2.7.2业务需求38
2.7.3用户需求38
2.7.4功能需求45
2.7.5非功能需求46
2.8小结47
第3章物联网系统概要设计48
3.1概要设计概述48
3.1.1基本概念48
3.1.2设计任务49
3.1.3设计原则49
3.1.4图形工具51
3.1.5设计方法52
3.2接口设计55
3.3数据库设计56
3.3.1设计原则56
3.3.2设计方法57
3.3.3设计步骤57
3.3.4数据库设计组成583.4概要设计与详细设计的衔接59
3.5物联网系统总体设计59
3.5.1概述59
3.5.2系统架构61
3.5.3设计基本要求62
3.5.4设计实现方案63
3.5.5子层结构图63
3.5.6相关硬件知识65
3.6基于实例的概要设计69
3.6.1系统功能模块设计69
3.6.2软件模块结构设计72
3.6.3数据库设计76
3.7小结78
第4章物联网系统详细设计79
4.1详细设计概述79
4.1.1设计任务79
4.1.2表示工具79
4.1.3设计方法88
4.2面向对象设计89
4.2.1概述89
4.2.2UML90
4.2.3对象模型95
4.2.4动态模型97
4.2.5功能模型98
4.2.6设计原则98
4.2.7对象设计99
4.2.8设计模式100
4.3用户界面设计109
4.3.1概述109
4.3.2工作流程110
4.3.3用户界面设计规范111
4.4基于实例的详细设计113
4.4.1数据结构设计1134.4.2用户功能详细设计116
4.5小结122
第5章物联网系统网络层设计123
5.1物联网通信网络123
5.1.1内部网络123
5.1.2外部网络131
5.2网络层的拓扑结构136
5.2.1拓扑结构类型137
5.2.2拓扑结构的控制138
5.3基于网关的网络层设计140
5.3.1网络层分层设计140
5.3.2网关的设计142
5.3.3网络层的寻址和路由143
5.4基于IPv6的网络层设计144
5.4.1网络互连方式145
5.4.2引入6LoWPAN的原因146
5.4.36LoWPAN协议栈146
5.4.4LoWPAN适配层协议148
5.5基于实例的网络层设计156
5.5.1智能网关156
5.5.2基于6LoWPAN组网162
5.6小结170
第6章物联网系统设备选型171
6.1设备选型概述171
6.2传感器的选择172
6.2.1传感器的组成172
6.2.2传感器的分类172
6.2.3传感器的选型原则173
6.3射频标签的选择175
6.3.1工作原理和通信频率175
6.3.2标签供电方式176
6.3.3标签材质及封装177
6.3.4阅读器的技术参数1776.3.5阅读器安装使用方式178
6.4中间件的选择178
6.4.1中间件选择原则178
6.4.2RFID中间件180
6.5无线传感器网络的选择181
6.5.1PHYMAC层标准181
6.5.2其他无线个域网标准183
6.5.3路由及高层标准185
6.6小结187
第7章物联网系统集成188
7.1物联网产业链结构188
7.2系统集成190
7.2.1系统集成技术的演变历程191
7.2.2系统集成的特点192
7.2.3系统集成的分类192
7.3系统集成方案选型193
7.3.1数据集成方案193
7.3.2业务流集成方案195
7.3.3Web Service集成方案196
7.4小结197
第8章物联网系统测试198
8.1系统测试概述198
8.2软件测试199
8.2.1软件测试分类199
8.2.2软件测试过程201
8.2.3软件测试的原则202
8.2.4静态测试和动态测试203
8.2.5测试用例设计205
8.3硬件测试和软件测试的区别208
8.4系统集成测试209
8.4.1集成测试概述209
8.4.2集成测试实例210
8.5无线传感器网络测试2118.5.1无线传感器网络故障类型211
8.5.2无线传感器网络故障诊断的特点213
8.5.3无线传感器网络故障检测与诊断方式213
8.6小结216
附录A家庭智能照明系统需求分析报告217
附录B家庭智能照明系统概要设计报告227
附录C家庭智能照明系统详细设计报告236
附录D家庭智能照明系统测试报告254
附录E家庭智能照明系统课程设计总结报告259
参考文献282
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前言
物联网由于其广阔的应用前景和巨大的经济效益而受到世界各国的普遍关注，我国也在《十二五国家战略性新兴产业发展规划》中明确将物联网作为重要任务和重大工程。作为高等院校的物联网工程专业，培养学生进行物联网应用系统的综合设计能力是一个非常重要的任务。全书共8章。第1章主要介绍物联网系统的特点、物联网体系结构、物联网业务的分类、物联网相关的标准、物联网系统设计和开发过程等。第2章介绍物联网应用系统开发过程中进行需求分析的重要性、需求分析的特点、需求分析的内容和方法、如何编写高质量的需求分析文档，并结合智能家居的开发实例介绍了需求分析的具体内容。第3章概述物联网设计基本内容、接口设计和数据库设计，介绍物联网应用系统的总体设计，并结合智能家居设计实例详细描述系统功能模块设计和软件模块结构设计。概要设计经复查确认后进入物联网系统的详细设计阶段，第4章详细介绍物联网设计基本内容、面向对象设计和用户界面设计，结合智能家居设计实例具体介绍了细化用户功能设计和数据结构设计等工作。网络层是设计开发物联网系统的重点和难点，第5章介绍物联网通信网络、网络层的基本拓扑结构、基于网关的网络层设计、基于IPv6的网络层设计以及应用案例。物联网应用系统中，往往包含一些硬件模块和部分软件组件。第6章介绍物联网设备选型的一些基本原则和传感器设备选型、射频标签选型和中间件选型等内容。第7章介绍物联网系统集成在物联网产业链中的作用、系统集成的主要特点和分类以及系统集成方案的选择。第8章介绍了物联网系统测试的基本概念、软件测试、硬件测试、无线传感器网络测试等内容。相关开发文档的编写是物联网应用系统开发过程中非常重要的环节，为了便于更加深入理解和应用前面各章介绍的内容，本书通过附录的形式列举了智能照明系统开发过程中需要编写的系统需求分析报告系统概要设计报告系统详细设计报告以及系统测试报告，同时还给出了学生在完成该系统设计后编写的课程设计总结报告样例。本书由鲁宏伟、刘群共同编写，附录列举的若干报告是华中科技大学计算机学院部分物联网工程专业学生（张云远、霍亮、常祥雨、张梦雪、殷淑君）完成的综合课程设计报告。本书在编写的过程中，参阅了大量的书籍、刊物和学位论文中的一些内容，其中包括从互联网上获得的许多资料，而这些资料难以一一列举出来，在此向所有这些资料的作者表示衷心的感谢。最后感谢所有对本书的写作和出版提供帮助的人们。由于作者的水平和学识有限，本书难免存在不足之处，恳请各位专家和读者不吝指正。读者在阅读本书的过程中如有反馈信息，请发邮件至luhw@hust.edu.cn。本书为读者提供相关教学资料，可从清华大学出版社的网站（www.tup.tsinghua.edu.cn）下载。
编者2017年1月
第1章概述本章的主要知识点包括物联网系统的特点、物联网系统体系结构、物联网业务的分类、物联网相关的标准和物联网系统设计过程等。1.1物联网系统的特点物联网是一个基于互联网和传统电信网等信息载体，让所有能够被独立寻址的普通物理对象实现互联互通的网络。它具有普通对象设备化、自治终端互联化和普适服务智能化的重要特征。简单地讲，物联网系统可以视为传统互联网系统的延伸或者扩展。这种延伸和扩展可以从两个方向展开： 一是输入端，传统互联网的信息来源主要是计算机终端的键盘和鼠标，而物联网系统则把输入扩展到各种各样的信息采样节点，这些节点除了传统的计算机终端，也可以是智能手机的终端以及用于获取各种不同信息的传感器节点；二是应用，物联网系统将传统的互联网应用延伸到了人类生活的各个角落。物联网是一种复杂多样的综合网络系统，根据信息生成、传输、处理和应用过程可以把互联网分为感知识别层、网络构建层、管理服务层和综合应用层。1. 感知识别层感知识别层由大量具有感知和识别功能的设备组成，可以部署于世界任何地方、任何环境之中，被感知和识别的对象也不受限制。感知识别技术是物联网的核心技术，是联系物理世界和信息世界的纽带，主要作用是感知和识别物体，采集并捕获信息，关键技术不仅包括射频识别技术、无线传感器等信息自动生成设备，也包括各种智能电子产品的人工信息生成、设备的功耗、物体标签信息的浓缩和写入、物体信息代码的分类匹配等。近年来，各类可联网电子产品层出不穷，智能手机、个人数字助理、多媒体播放器、上网本、笔记本、平板电脑等迅速普及，人们可以随时随地接入互联网分享信息。信息生成方式多样化是物联网区别于其他网络的重要特征。2. 网络构建层网络构建层将感知识别层数据接入互联网。互联网及下一代互联网（包含IPv6技术）是物联网的核心网络。各种无线网络则提供随时随地的网络接入服务。各种不同类型的无线网络合力提供便捷的网络接入，是实现物物互联的重要基础设施。无线个域网包括蓝牙技术（802.15.1标准）、ZigBee技术（802.15.4标准），无线局域网包括现在广为流行的WiFi技术（802.11标准），无线城域网包括现有的WiMAX技术（802.16标准），无线广域网包括现有移动通信网络及其演进技术（3G、4G通信技术）。物联网在接入层面需考虑多种异构网络的融合与协同。多个无线接入环境的异构性体现在： 一是无线接入技术的异构性，各无线网络传输机制、覆盖范围、传输速率、提供的服务、面向的业务和应用各不相同；二是组网方式的异构性，存在单跳式无线网络、多跳式无线自组网络和网状网等，网络控制方式不同；三是终端的异构性、业务的多样化及IC技术的发展，终端包含手机、计算机以及各种信息、娱乐、办公终端和嵌入式终端等，不同终端具有不同的接入能力、移动能力和业务能力；四是频谱资源的异构性，不同频谱的传输特性不同，各种频段的无线技术也不相同；五是运营管理的异构性，不同运营商针对不同业务和客户群设计开发不同的管理策略和资源策略。3. 管理服务层在高性能计算和海量存储技术的支撑下，管理服务层将大规模数据高效、可靠地组织起来，为上层行业应用提供智能的支撑平台。管理服务层的主要特点是智能。有丰富翔实的数据，运筹学理论、机器学习、数据挖掘、专家系统等智能化技术得以广泛应用。管理服务层还有一个关键问题就是信息安全和隐私保护，这将是物联网推广和普及所要面临的重大挑战。4. 综合应用层互联网从最初的计算机通信发展至今，其应用范围不断扩展，如图1.1所示，现在正朝着物物互联迈进，网络应用的图1.1网络应用扩展激增，呈现出多样化、规模化、行业化的特点。综合应用层需要把物联技术与行业技术相结合，应用层的关键技术在于根据具体的需求和环境，选择合适的感知技术、联网技术和信息处理技术。全面感知、可靠传送、智能化处理是物联网的核心能力，作为一个庞大、复杂的综合信息系统，物联网体系架构中的各层面都涉及许多关键技术。从关键技术层面看，物联网感知互动、信息安全和应用服务相关技术是物联网的重点，也是学术界和产业界关注的焦点。1.2物联网体系结构网络体系结构主要包括网络的组成部件以及这些部件之间的相互关系。根据应用者关心的网络系统的角度不同，可以划分为不同类型的网络体系结构。例如，从网络的功能角度看，可以得到网络的功能分层体系结构；从网络管理角度看，可以得到网络管理体系结构。下面主要从物联网系统功能角度分析其体系结构。
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