物联网技术基础与应用开发¶

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第一章物联网概述¶

物联网的定义和发展趋势¶

物联网就是物理设备以及其他嵌入了电子器件、软件、传感器的物件组成的网络。这些物件具有感知能力、计算能力以及连接能力，从而能更直接地将物理世界集成到数字世界中。 eg，智慧家居共享单车

物联网发展趋势¶

2010-2015 传感网、RFID 2015-2020 操作系统、物联网云平台 2020至今 AIoT

典型的物联网架构¶

物联网应用开发构建面临的挑战与机遇¶

挑战¶

挑战1：开发链长。一个完整的物联网应用包括嵌入式开发、云平台开发以及用户端开发，涉及嵌入式、前端、后端等不同开发技术，需要不同类型开发人员共同协作完成

挑战2：物联网领域还没有出现固定的终端类型

挑战3：目前，物联网应用开发的架构还是属于“垂直一体化”

机遇¶

机遇1：低代码开发是目前重要的发展趋势。数字化场景落地需求爆发式增长，低代码成为效能提升的突破点。根据 Gartner预测，到2024年，75％的应用程序将在低代码平台中开发。IEEE Computer Society (IEEE CS)将低代码技术列为2022年16大技术趋势之一。

机遇2：AI大模型使得基于自然语言的开发成为可能

机遇3：碎片化、异构性意味没有独裁垄断。不像PC、Mobile卷性能，IoT硬件平台可以往低功耗、小体积等多元化方向发展

机遇4：近年来出现的Matter协议，利用区块链技术实现跨生态去中心化认证；开源云平台软件ThingsBoard，IoTSharp等，使得“标准化”的物联网应用开发变得可能。

物联网典型应用¶

智慧城市鸿山物联网小镇

智慧校园 CMU GIoTTO

空气质量检测 Mosaic

思考题¶

思考题1¶

无源后向散射通信技术

区别于RFID, 实现tag与tag之间的通信如环境后向散射（ ambient backscatter）

思考题2¶

典型物联网（IoT）应用架构的组成部分

一个典型的物联网应用架构通常包括以下几个关键部分：

设备层（感知层）： - 这层包括各种物联网设备和传感器，负责数据采集。设备可以是温度传感器、湿度传感器、摄像头等，感知物理世界中的变化并将这些数据发送到网关或云端。 - 设备通常具有有限的计算和存储能力，需要低功耗设计，以延长电池寿命。

网络层（通信层）： - 该层负责将设备收集到的数据通过网络传输到云端或边缘计算设备。通信方式可以是Wi-Fi、蜂窝网络（如5G）、蓝牙、Zigbee、LoRa等。 - 网络层还包括各种网关设备，作为本地设备与外部网络之间的桥梁，它们可以在数据传输前对数据进行预处理或聚合。

云平台/边缘计算（处理层）： - 云平台是存储、处理和分析物联网数据的核心部分。通过云平台，数据可以被分析、存储，并根据业务需求进行进一步处理。 - 在某些应用中，出于实时性或减少数据传输带宽的考虑，会使用边缘计算，将部分计算和处理任务分布在离物联网设备较近的节点上，以加快响应时间。

应用层（服务层）： - 这一层包含具体的业务应用，如数据可视化、自动化控制、预测性维护等。应用层可以是用户交互的界面，允许用户通过手机App、网页或控制台监控和控制物联网设备。

安全与管理层： - 物联网架构中，安全性非常重要。该层包含设备身份认证、数据加密、访问控制、漏洞检测等技术，保障物联网系统的安全性。 - 此外，这一层还负责设备的远程管理、固件升级、状态监控和健康管理等。

物联网开发与传统PC程序开发的不同¶

硬件受限：

物联网设备通常资源有限，如低功耗、有限的计算能力和存储空间。而传统PC程序开发面向的设备通常具有强大的计算和存储资源。因此，物联网开发需要考虑资源优化，特别是在数据处理、存储和通信方面要尽量简化。

例如，在嵌入式设备上开发的程序通常使用C语言或MicroPython等轻量级语言，而传统PC程序通常使用Java、Python等高级语言。

网络通信复杂性：

物联网应用高度依赖于网络通信，需要与多个传感器、网关和云平台交互。开发者需要考虑各种通信协议（如MQTT、CoAP、HTTP、LoRa等），并优化数据传输以减少带宽和延迟。

而传统PC应用的网络通信主要是通过本地网络或互联网的较少协议（如TCP/IP、HTTP）实现的，且对实时性要求相对较低。

实时性和延迟敏感：

许多物联网应用要求具备实时性，尤其在工业自动化或医疗健康场景中，设备需要即时响应外部事件。开发过程中需要优化延迟、确保快速响应。

传统PC应用通常对实时性要求不高，或者可以通过更高的计算能力来弥补延迟问题。

异构性和大规模设备管理：

物联网系统中存在各种不同类型的设备和传感器，彼此可能具有不同的通信协议和硬件特性，开发时需要考虑设备的异构性，以及如何兼容不同类型的设备。

同时，物联网通常涉及大量设备的管理，包括设备的远程控制、数据采集、监控、固件升级等，这与传统PC程序的单设备开发和管理模式有显著不同。

安全性要求更高：

由于物联网设备分布广泛、通常在公共或未受保护的环境中运行，因此需要更强的安全措施，如设备认证、通信加密、数据隐私保护等。

传统PC开发尽管也有安全问题，但物联网设备的物理不安全性和广泛的攻击面增加了系统整体的安全复杂性。

总结来说，物联网开发不仅要求应对设备资源的受限性，还需要面对通信、实时性、安全性和大规模设备管理等复杂问题。而传统PC程序开发相对集中在单个设备上，开发环境和硬件资源较为统一，开发难度在这些方面较低。

第二章物联网硬件平台¶

关键特性¶

占空比x%：工作时间占总时间的x%

\(P = CV^2FT\)

\(P\) ：功耗（Power），表示系统在运行时的能耗，单位通常为瓦特（W）。

\(C\) ：电容（Capacitance），指处理器相关电路的等效电容，单位为法拉（F）。它与处理器的设计和工艺有关，通常是一个固定的值。

\(V\) ：电压（Voltage），是给处理器供电的电压，单位为伏特（V）。

\(F\) ：主频（Frequency），即处理器每秒钟振荡的次数，单位为赫兹（Hz）。主频越高，处理器执行指令的速度越快。

\(T\) ：时间（Time），指的是处理器在某一频率和电压下运行的时间，单位为秒（s）。

该公式表示功耗与电压的平方、主频率以及时间成正比。增加主频（\( F \)）或电压（\( V \)）都会增加处理器的功耗。

电压：因为功耗与电压的平方成正比，增加电压会显著增加功耗。

主频：增加主频虽然能提高运算速度，但会线性增加功耗。

因此，提升运算速度（提高主频）和降低能耗之间是一个权衡过程。

波特率（Baud rate）：每秒钟传输的符号数或比特数（bit per second, bps）

传输1位数据所需的时间就是1秒内传输1位的时间，即1位数据所需时间 = 1秒 / B。因此，传输1位数据的时间为 \(\frac{1}{B}\) 秒

常见的硬件平台¶

平台类型	分类	特点	说明
传感节点	物件Things	低功耗、体积小、集成度高、低成本	高度集成，专为低功耗和无线传感网络设计。
STM32平台	物件Things	开发方便、丰富的通信接口、调试简单、低功耗	基于ARM Cortex-M系列的微控制器，提供广泛的型号选择，从低功耗到高性能。适合需要一定处理能力和外设扩展的应用；丰富的开发工具和库支持；适用于快速开发和原型设计。
ESP32平台	物件Things	性能稳定、高度集中、超低功耗、双模解决方案	集成Wi-Fi和蓝牙功能的微控制器，具有双核处理器和低功耗特性。
Arduino平台	物件Things	上手容易、开发简单、可扩展性强、低功耗、开源创新	简单的编程模型，广泛的社区支持。适合初学者和教育用途；模块化的设计允许快速原型开发；大量现成的扩展板和库。
树莓派	智能物件Smart things	开发简单、上手容易、功能强大	基于ARM的单板计算机，具有完整的操作系统和较高的处理能力。
Jetson平台	智能物件Smart things	计算能力强大、低功耗、高度集成、支持多种AI框架	基于NVIDIA的GPU，提供强大的图形和并行计算能力。适合高性能计算任务，如图像处理、机器学习和深度学习；支持CUDA和OpenCV等高级库。