物联网工程-系统设计作业

1.设计一套基于RFID牛场养殖信息管理系统，并给出系统设计思路、系统构架和控制流程图。

一、设计思想

　　为方便牛场养殖员鉴别和管理牛群，为每只牛佩戴有RFID标签的动物耳钉，并将牛的健康情况录入数据库中，随着牛的生长，每隔一段时间，通过使用RFID读写器读取牛耳钉上的信息，更新牛的信息且传到数据库上，除此之外还有养殖人员信息管理模块（养殖管理员要时刻关注牛的健康状况，做好日常清洁工作，购买饲料，喂牛饲料），检疫信息管理模块（记录牛体检信息，生病信息），牛食用信息管理模块（记录每头牛吃的食物品类，食用量）。

系统功能

RFID信息管理模块：为每只牛佩戴RFID标签的动物耳钉，录入牛的对应的信息。每隔一段时间进行数据的更新
牛基本信息管理模块：录入牛的年龄、性别、健康状况等基本信息，将牛的基本信息存入数据库，并管理牛的基本信息
养殖人员管理模块：时刻关注牛的健康状况，记录好日常的清洁工作、购买的饲料投喂饲料情况
检疫信息管理模块：记录牛体检信息，生病信息
牛食用信息管理模块：记录每头牛吃的食物品类，食用量

系统架构

控制流程图

系统创新

为了高效的解决奶牛的养殖信息采集（包含：编号，健康状况，年龄，产奶量等），应用RFID等技术，研制出的这款芯片。这款芯片也可固定在牛的脚下，这款芯片内含有重力记录器，温度测量器，大数据下分析健康状况的模型，年龄记录，编号等。利用局域网络接收这一区域的数据查询请求（读写器发出信号），并将测量后的各个数据或各个参数，反馈至所相连的计算机数据库中，如果数据超出异常，比如生病了，会及时启动警报装置，并对异常的数据进行等级的评定，判定是否为灾害性异常（紧急响应事件）。如果不是灾害性异常，牛奶养殖场的工作人员会根据编号迅速找到对应的奶牛，并进行处理。如果是灾害性异常，及时向上级反馈。这样就不需要人工的定点观察，节省人力资源的消耗，而且能更及时准确的获取牛场中牛的信息，对于疫情的防控也比较有利。

2.设计一套基于WSN西瓜种植环境监控系统，并给出系统设计思路、系统构架和控制流程图。

设计思想

为种植香甜可口的西瓜，主要对光照、温度、土壤成分、空气湿度四个环境方面进行控制，传感器管理模块将感知和检测到的信息转换为电信号，系统将电信号转换为数字信息并录入系统，根据西瓜昼夜及生长特点切换控制策略，夜间植物呼吸作用强度随着温度的降低而减小，白天中午时温度较高，光合作用速率会降低，早上光合作用速率会随着温度的升高而升高，并且西瓜在不同生长周期适应的环境参数也不同，因此用温度控制模块（记录温度的变化、日期等）控制温度的变化，光照控制模块控制光照的变化，用空气湿度控制模块控制空气湿度的变化；西瓜在不同生长周期对养分吸收有明显的差异，所以需要设计土壤成分控制系统以控制施肥量以及化学成分比例。此外，种植西瓜人员管理模块分配种植地块，购买肥料等。

无线传感器网络分为传感器节点、汇聚节点、管理节点，所以我将基于WSN的系统分为了四部分，其中网络模块为整个系统提供无线网络通信的支持。

传感器节点：包含了四个模块：传感器模块、处理器模块、无线通信模块、能量供应模块。对于西瓜种植，一般需要温度传感器、湿度传感器、光照传感器、土壤传感器等，由传感器节点采集来自自然环境中的信息，传输给汇聚节点进行处理。供应的能量可以由太阳能和自带电池提供。

汇聚节点：主要起到网关的作用，负责无线传感网络与外网的连接，如接收传感器传输的数据，并传送到互联网上。

管理节点：主要是人工操作部分，管理员可以对传感器网络进行配置和管理，也可以发布监测任务和收集监测数据，再根据数据情况对西瓜种植的环境做出改善。

系统功能

传感器信息录入模块：将感知和监测到的信息转换为电信号，系统将电信号转换为数字信息并录入系统，根据西瓜昼夜生长特点进行控制。
种植人员管理模块：种植人员管理的地块的信息，肥料的购买记录、配肥、施肥信息记录。
温度控制模块：根据时间控制不同时间段的温度，并将温度改变相关信息录入系统。
光照控制模块：在不同时间改变光照强度，并将光照改变相关信息录入系统。
空气湿度控制模块：在不同时间段改变空气湿度，将空气湿度相关改变信息录入系统。
土壤成分控制模块：在西瓜不同生长时期改变施肥成分比列，将施肥成分比例传入系统。

系统架构

系统流程

如下图所示。

许多传感器节点随机部署在西瓜种植地（需监测区域）的内部或附近，这些节点够通过自组织方式构成网络。

自然界的环境信息被传感器感知，进行相应的数据转换、处理和存储，再传输出去。

由传感器节点采集到的数据会沿着其它传感器节点逐跳地进行传输，在传输过程中采集的数据可能会被多个节点处理，经过多跳后汇总到汇聚节点，通过汇聚节点接入互联网或卫星向管理节点传输数据。

管理员通过管理节点对传感器网络进行配置和管理，发布监测任务以及收集监测数据。根据收集到的环境信息通知种植人员进行相应操作。流程图如下：

3.设计一套带有定位、指纹识别、自动上锁、丢失报警功能的智能拉杆箱，说明设计思路、采用技术和控制流程图。

设计思想

定位跟随：首先通过定位技术，确定行李箱与用户之间的相对位置，进而通过自动跟随算法，驱动箱体底部的动力电机，最终达到跟随效果。

指纹解锁：通过光电式或电容式指纹传感器进行指纹信息的采集和识别，以指纹解锁的方式提高行李箱的安全性能。

丢失报警（超距离报警）：以定位技术为前提，识别到行李箱距离用户超过预定的距离值后，自动产生报警信号，用以提高行李箱的安全性能。超距离报警分两个距离段，当行李箱距离用户超过1.5m时，产生一小段报警声；当距离超过2.5m时，不断产生报警声，直至距离恢复至1.5m以内。

系统功能

定位功能模块：

指纹识别模块：

自动上锁模块：

丢失报警模块：

系统架构

在多功能智能跟随行李箱系统中，首先根据用户佩戴的标签设备进行定位信息的采集。若用户距离行李箱位置较近，则启动状态，若用户距离行李箱较远，在启动运动模式，运动模式下，根据超声波传感器获取的环境信息选择正常跟随模式和避障跟随模式，正常跟随模式下，只进行定位信息采集，用于控制量驱动轮的转速，达到行李箱跟随用户效果。软件框架结构如下图所示。

软件系统架构

物联网系统架构

系统流程

丢失报警

系统创新

避障跟随：需要同时采集环境中障碍物的信息以及定位信息，达到避障跟随效果。

自动称重：通过设计在行李箱侧面的称重传感器，自动测量行李箱及箱内物品的整体重量。

自动避障：利用超声波、激光雷达等测距传感器识别障碍物，进而做出躲避抉择，通过驱动箱体底部的动力电机，最终达到避障效果。

USB双向快充：采用USB双向快充技术，通过便携式可拆卸的电源，实现为行李箱工供电的同时，可为用户的智能设备应急供电。其中快充技术的实现能够极大节省用户充电的等待时间。

4.设计一套用RFID定位机场候场乘客的系统，说明设计思路、采用技术和控制流程图。

设计思想

为方便机场管理候机的乘客，需要在乘客取票时领取一个带有 RFID 标签的手环，并将乘客的信息写入 RFID 标签中并上传到数据库。通过在机场中设计很多 RFID 读取器来实现定位功能，每个 RFDI 读取器都有自己检测的范围，一旦检测到乘客进入自己的检测范围就将乘客的信息上传，更新乘客的位置信息。这样就可以得到乘客的事实位置。

采用RFID技术，利用RFID定位乘客，则需要每个乘客拥有一个独一无二的身份识别码。所以将机票中融合RFID技术，用于追踪的RFID标签将被贴加在登机牌上，使得携带自己机票的乘客随身携带一个独一无二的RFID识别码。

在机场的各个位置，如候机室，公共厕所，餐饮厅、购物店、安检口等处，部署定位AP，组建WIFI实时定位系统。

Wi-Fi定位技术是室内定位技术中的一种，指通过无线接入点（包括无线路由器）组成的无线局域网络（WLAN），可以实现复杂环境中的定位、监测和追踪任务。它以网络节点（无线接入点）的位置信息为基础和前提，采用经验测试和信号传播模型相结合的方式，对已接入的移动设备进行位置定位，最高精确度大约在1米至20米之间。如果定位测算仅基于当前连接的Wi-Fi接入点，而不是参照周边Wi-Fi的信号强度合成图，则Wi-Fi定位就很容易存在误差（例如：定位楼层错误）。另外，Wi-Fi接入点通常都只能覆盖半径90米左右的区域，而且很容易受到其他信号的干扰，从而影响其精度，定位器的能耗也较高。

每一个无线AP都有一个全球唯一的MAC地址，并且一般来说无线AP在一段时间内是不会移动的。

设备在开启Wi-Fi的情况下，即可扫描并收集周围的AP信号，无论是否加密，是否已连接，甚至信号强度不足以显示在无线信号列表中，都可以获取到AP广播出来的MAC地址。

设备将这些能够标示AP的数据发送到位置服务器，服务器检索出每一个AP的地理位置，并结合每个信号的强弱程度，计算出设备的地理位置并返回到用户设备。

位置服务商要不断更新、补充自己的数据库，以保证数据的准确性，毕竟无线AP不像基站塔那样基本100%不会移动。

系统功能

定位功能：使用RFID标签进行定位

声音提示功能：提示即将登记的旅客

普通服务模块：

1.使用机场电子地图，在机场显眼位置大屏幕显示让旅客知道整体机场架构，并在多处布置小型电子地图，使得旅客可以看到自身实时所处的位置，避免传统地图难以辨认的麻烦。并且服务人员也可以快速查找到某位旅客的具体位置信息

2.和机场的高清摄像头结合，使得摄像头能够快速定位未登机或需要帮助的乘客信息，令服务人员快速前去引导帮助

3.采用移动端app，让旅客下载。其中可以显示自己的位置，可以选择路径导航。

对于不同角色来说：

旅客定位

（1）定位AP组建Wifi实时定位系统

（2）Wifi AP通信

（3）AP定位器间用网线连接组网

机场位置服务

（1）机场电子地图

（2）服务设施引导

（3）有求助键，服务人员及时赶到帮忙

（4）不同设施处引导人员引导

信息服务

（1）机场重要信息通过广播、电子屏幕推送

（2）旅客主动查询信息

系统架构

四、系统流程

五、系统创新

　　可以多增加一些模块。

紧急程度计算模块：计算出登记时间，计算其紧急程度

特殊人员照顾模块：对特殊的人员用标签区别，提供特殊照顾。

路线规划功能模块：通过对候场旅客的定位，提示旅客，并为其规划最短和最佳的路径，旅客可以选则自己想要的路径。

5.设计一套公交车实时移动、采集城市温度、湿度、氧气和二氧化碳浓度、噪声、污染物等参数的环境监测系统，说明设计思路、采用技术和控制流程图。

设计思想

为监测城市环境，要对城市温度、湿度、氧气和二氧化碳浓度、噪声、污染物等参数等方面进行评估。此系统需要在公交车上安装传感器，并接入 WSN 进行定位，传感器管理模块将感知和检测到的信息转换为电信号，系统将电信号转换为数字信息并录入系统，与位置信息、时间信息一起上传到数据中心。数据中心对各公交车上传的数据进行汇总，并进行数据分析，判断城市环境水平。

目前，城市交通中存在交通拥挤、道路阻塞、环境污染等问题，公交具有运输能力大、节能环保等优点，因此大力发展城市公共交通已成为解决这一问题的共识。然而传统的公共交通系统存在着候车时间长、乘车舒适度低等问题，不能满足市民的出行需求。智能公交系统是集环保节能、城市公交监管、公交信息发布等几大系统于一体的新一代智能、环保、数字化公交站亭和“车联网”系统，它是实现城市交通现代化的关键环节之一。基于物联网的智能公交系统具有车辆监控调度、车载终端、电子站牌和通信网络等功能模块，实现各车次到站时间等信息的实时发布，为市民乘车选择和公交监控管理提供实时的公交到站信息。智能公交系统可以改善公交调度手段、提高公交运营效率，提高公交吸引力和分担率。

利用RFID定位对公交车进行定位从而实现监测公交车实时移动；并且利用传感器采集城市温度、湿度、氧气和二氧化碳浓度、噪声、污染物等参数的环境监测系统。

基于物联网技术的智能公交系统，采用RFID技术采集公交车信息从而对公交车辆进行定位跟踪，候车乘客在站点的触摸屏上选择要乘坐的公交车路次，通过无线传感器网络进行实时通信，实现乘客与公交车之间的信息交互。车载子系统可以实现公交车的自动定位、自动记录行驶信息、乘客人数统计和故障报警等功能;站台子系统可以采集不同路次的候车乘客信息，显示各车次的动态信息，使出行者能够通过电子站牌了解车辆的到达时刻。

对于环境检测：

对于检测环境来说：可以利用WSN的传感器，在实验中曾经做过的基于ZigBee的传感设施对环境中的光照、温度、湿度、火焰（检测是否发生火灾）等自然参数进行检测，并从终端节点发送到服务节点，使管理人员能够随时检测到当前环境状态。这里可以监测环境中的氧气、二氧化碳浓度、污染物等环境参数。

系统功能

　１）RFID公交车监控：射频识别(Radio Frequency Identification)技术是一种无线的、非接触的自动识别技术，RFID技术可以对公交车辆进行定位、跟踪和监测。RFID系统由读写器、天线、电子标签3部分组成。由于公交线路较固定，而且每个站点有多条线路的不同车辆停靠，在各站点安装RFID阅读器，在公交车上贴上RFID标签，当公交车接近站点时，阅读器就可以读取相应公交车的数据，然后微波传感器采集公交车的交通参数，并将公交站点的地址信息、公交车辆信息、公交车辆到达站点的时间信息联系在一起。

2)Zigbee无线通信：Zigbee具有低功耗、低成本、低速率、近距离、短时延、高容量、高安全的特点，适合于智能公交系统的应用。Zig bee无线网络技术将车载终端、站台系统和调度监控中心连接起来，Zigbee收发芯片将采集到的各路次公交车辆信息和各站点候车乘客信息经无线传感网传输给公交调度管理中心，公交调度管理中心可以根据乘客流量和公交车辆信息自适应地进行公交实时调度和动态监控。

3)车载子系统：车载子系统实现公交车的自动定位、语音自动报站、自动记录行驶信息和故障报警等功能。在接近站点时，无线数据接收机将接受到的地理信息信号交给主控微处理器进行分析处理，得出相应的反应信号，该信号经串行接口到达音频控制芯片，芯片根据信号驱动音频驱动程序，通过外置语音输出喇叭实现自动语音报站和温馨提示。

系统架构

系统流程

系统创新

增加一个站台子系统：实现各路次公交车到站时间的预估和候车乘客数的统计。及将经过站台的车次以编码的形式存入微处理器的存储器中，当乘客来到站台时，可通过触摸屏B选择所需乘坐的车次，主控微处理器将读取车次编码存储器中的编码并进行分析处理，分析处理完成后，主控微处理器一方面驱动高频收发芯片将该车次的相应数据信号在可传输的范围内进行不间断的释放;另一方面，主控微处理器将数据信号传输给显示控制芯片。当相应车次进入无线信号范围内时，该车次在接受并校验了信息后，车载子系统会反馈相应的数据信号给站台子系统，并通过显示控制装置消去该车次已有候车乘客数，使其重新还原成初始化状态，并在显示屏上显示出“**路公交车即将到站，请乘客做好准备”的温馨提示。