物联网物联网手持移动终端开发与应用邵九洲卓享科技思必拓物联.docx
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物联网物联网手持移动终端开发与应用邵九洲卓享科技思必拓物联
(物联网)物联网手持移动终端开发与应用(邵九洲)卓享科技思必拓物联
密级:
保密期限:
工程硕士研究生学位论文
题目:
物联网手持移动设备开发与应用
学号:
05G0708
姓名:
邵九洲
专业:
电子与通信工程
导师:
陈德荣
学院:
网络/继续教育学院
二O一一年六月十日
独创性(或创新性)声明
本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
尽我所知,除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得北京邮电大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。
与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。
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本人签名:
日期:
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保密论文注释:
本学位论文属于保密在年解密后适用本授权书。
非保密论文注释:
本学位论文不属于保密范围,适用本授权书。
本人签名:
日期:
导师签名:
日期:
摘要
物联网(IOT)是继计算机、互联网与移动通信网之后的世界信息产业又一次新的信息化浪潮,是将信息化技术的应用更加全面地为人类生活和生产服务的信息化大升级。
物联网技术的应用已成为推动信息化发展和产业变革的重要力量,开发应用前景巨大。
本文首先介绍了物联网的概念、基本内涵和特征、物联网技术和基本应用;在此基础上,阐述了物联网手持移动设备的产品定义与设计方法,不同的应用环境与手持移动终端产品形态的对应关系,介绍了终端设备产品的市场定位与一般的服务模式;在产品技术开发层面,从软硬件角度讨论和研究了物联网手持移动设备使用的嵌入式系统及其电路设计,包括3G与Wi-Fi无线通信、一维码与二维码条码识别、高频与超高频射频识别、低功耗系统电源管理和GPS技术等;最后,结合实际物联网系统的设计与实施,给出了物联网手持移动终端应用与解决方案案例,说明了物联网移动手持终端的应用领域及典型的业务逻辑,为物联网移动数据节点的设计和应用提供参考。
关键词:
物联网,无线传感器网络,手持移动设备,个人数字助理,射频识别。
注:
“思必拓”为北京卓享智和科技有限公司(简称“卓享科技”)注册商标,意为思索必先开拓,思必拓专注移动物联网。
本文作者邵九洲为卓享科技创始人和执行董事。
Abstract
InternetofThings(IOT)isanotherwaveofnewinformationtechnologyoftheworldinformationindustryafterthecomputer,Internetandmobilecommunicationnetwork.Itisalarge-scaleupdateinapplyinginformationtechnologyinthefieldofhumanlifeandproductionservices.IOTtechnologyhasbecomeanimportantforcetomakevariousindustriesmoreefficientanditsaccordingmarketprospectsarehuge.
Thispaperfirstlyintroducestheconcept,basiccharacteristics,technologyandapplicationofIOT.Secondly,theproductdefinitionanddesignmethodofIOThand-heldmobiledevicesisanalyzed,differenttypesofproductsfordifferentapplicationfields.Then,theEmbeddedsystemandcircuitdesignmethodofIOThand-heldmobiledevicesisstudied,including3GandWi-Fiwirelesscommunication,CodeIdentificationof1Dand2Dbarcode,HFandUHFRFIDandGPStechnology.Finally,takepracticalIOTsystemsforexample;thepaperstudiestheapplicationandsolutionsofIOThand-heldmobiledevices.ThispaperaimstoprovidereferenceforthedesignandapplicationofmobiledatanodesofIOT.
Keywords:
InternetofThings,WirelessSensorNetworks,Handheldmobiledevices,PersonalDigitalAssistant,RadioFrequencyIdentification.
摘要III
目录V
第一章绪论1
1.1物联网概述1
1.2基本内涵和基本特征2
1.3物联网的应用4
1.4物联网技术6
1.5本文的结构和安排8
第二章物联网手持移动设备的产品定义与设计9
2.1提供标准化的行业终端9
2.1.1二维码移动识读产品MT0610
2.1.2便携平板Smartbook系列13
2.1.3桌面媒体产品MID7015
2.2为专有需求客户提供定制服务18
2.2.1专柜进销存终端、柜台会员媒体终端18
2.2.2多功能警务通终端20
第三章物联网手持移动设备嵌入式系统及电路设计22
3.1软硬件平台介绍22
3.1.1MarvellPXA310处理器介绍22
3.1.2多功能移动数据终端MT02硬件系统介绍23
3.1.3Marvell最新通讯应用处理器PXA910介绍24
3.2手持移动设备关键技术与电路设计25
3.2.1Ev-Do无线数据通信26
3.2.2条码识读引擎27
3.2.3射频识别模组30
3.2.4GPS定位技术31
3.2.5电源管理与动态主频控制32
3.3手持移动设备特性总结34
3.4手持移动设备规格和编号35
第四章物联网手持移动终端应用与解决方案37
4.1**酒店现场移动作业管理系统37
4.1.1项目背景37
4.1.2功能需求描述38
4.1.3网络传输与流量39
4.1.4网络架构图40
4.1.5系统架构图40
4.2快消品行业销售管家41
4.2.1项目简介41
4.2.2管理系统43
4.3GPS铁路巡检系统44
4.3.1项目简介44
4.3.2体系结构44
4.3.3技术路线45
4.3.4可视化管理45
4.4中国移动亲情通位置服务47
4.4.1LBS在个人家庭中的应用47
4.4.2老年人操作平台窗口48
4.4.3儿童操作平台窗口49
4.4.4宠物宝平台界面50
4.4.5系统总体架构和平台设计51
4.4.6定位功能演示52
第五章结束语54
参考文献55
致谢58
绪论
物联网概述
物联网(TheInternetofthings)是新一代信息技术的重要组成部分。
它是通过射频识别(RFID)、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备,按约定的协议,把任何物体与互联网相连接,进行信息交换和通信,以实现对物体的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络[1]-[5]。
图1-1物联网示意
“物联网”起源于射频识别技术(RadioFrequencyIdentification,RFID)对客观物体进行标识并利用网络进行数据交换这一概念,并不断扩充、延展、完善而逐步形成。
中科院无锡微纳传感网工程技术研发中心主任刘海涛认为,物联网和传感网是从不同角度对同一概念的描述,从技术角度叫传感网,从用户和产业角度又叫物联网。
物物互联的精髓是感知,感知包括传感器的信号采集、协同处理、智能组网、甚至信息服务,以达到控制、指挥的目的。
所谓“泛在网”,也就是无所不在的网络社会,包括现在和未来的所有的网络互联、互通和共融。
“智慧地球”的核心,就是“更透彻的感知、更全面的互联互通和更深入的智能化”。
“泛在网”和“智慧地球”的核心内容是物联网[6]-[9]。
2010年3月9日,我国物联网标准联合工作组筹备会议在北京召开。
中国物联网标准联合工作组由工信部电子标签标准工作组、资源共享协同服务标准工作组,以及全国信息技术标准化技术委员会传感器网络标准工作组、全国工业过程测量和控制标准化技术委员会共同倡导并发起[10][11]。
联合工作组将整合国内物联网相关标准化资源,联合产业各方共同开展物联网技术的研究,推进物联网标准化工作,加快制定符合我国发展需求的物联网技术标准,为政府部门的物联网产业发展决策提供全面的技术和标准化服务支撑;紧紧围绕物联网发展需求,统筹规划,整合资源,坚持自主创新与开放兼容相结合的标准战略,加快推进物联网国家标准体系的建设和相关国家标准的制定,同时积极参与相关国际标准的制定,以掌握发展的主动权[11]。
如今,物联网被看作是推动信息领域的一次重大发展和变革机遇,世界先进国家都对物联网技术发展高度重视,可以说物联网的广泛应用是继计算机、互联网与移动通信网之后的又一次信息革命。
物联网被视为互联网的应用拓展,应用创新是物联网发展的核心,以用户体验为核心的创新是物联网发展的灵魂[12]。
基本内涵和基本特征
物联网就是“物物相连的互联网”,第一,物联网的核心和基础仍然是互联网,是在互联网基础上延伸和扩展的网络;第二,其用户端延伸和扩展到了任何物体与物体之间,进行信息交换和通信。
图1-2物联网-“物物相连的互联网”
物联网是指通过各种信息传感设备,如传感器、射频识别(RFID)技术、全球定位系统、红外感应器、激光扫描器、气体感应器等各种装置与技术,实时采集任何需要监控、连接、互动的物体或过程,采集其声、光、热、电、力学、化学、生物、位置等各种需要的信息,与互联网结合而形成的一个巨大网络[13]。
其目的是实现物与物、物与人,所有的物品与网络的连接,方便识别、管理和控制。
和传统的互联网相比,物联网有其鲜明的特征[27][28]:
首先,它是各种感知技术的广泛应用。
物联网上部署了海量的多种类型传感器,每个传感器都是一个信息源,不同类别的传感器所捕获的信息内容和信息格式不同。
传感器获得的数据具有实时性,按一定的频率周期性的采集环境信息,不断更新数据。
其次,它是一种建立在互联网上的泛在网络。
物联网技术的重要基础和核心仍旧是互联网,通过各种有线和无线网络与互联网融合,将物体的信息实时准确地传递出去。
在物联网上的传感器定时采集的信息需要通过网络传输,由于其数量极其庞大,形成了海量信息,在传输过程中,为了保障数据的正确性和及时性,必须适应各种异构网络和协议。
同时,物联网不仅仅提供了传感器的连接,其本身也具有智能处理的能力,能够对物体实施智能控制。
物联网将传感器和智能处理相结合,利用云计算、模式识别等各种智能技术,扩充其应用领域。
从传感器获得的海量信息中分析、加工和处理出有意义的数据,以适应不同用户的不同需求,发现新的应用领域和应用模式。
这里的“物”要满足以下条件才能够被纳入“物联网”的范围:
1、要有相应信息的接收器;
2、要有数据传输通路;
3、要有一定的存储功能;
4、要有CPU;
5、要有操作系统;
6、要有专门的应用程序;
7、要有数据发送器;
8、遵循物联网的通信协议;
9、在世界网络中有可被识别的唯一编号。
物联网的应用
目前,物联网最初的研发方向主要是条形码、RFID等技术在商业零售、物流领域应用,而随着RFID、传感器技术、近程通信以及计算技术等的发展,近年来其研发、应用开始拓展到环境监测、生物医疗、智能基础设施等领域[14]-[23]。
就目前而言,物联网的许多相关技术仍在开发测试阶段,距离不同系统之间融合、物与物之间的普遍链接的远期目标还存在一定差距。
目前,物联网的应用主要有智能交通中的电子车牌及电子不停车收费系统(ETC)、智能电网、智能医疗的医疗监护、智慧城市、环境保护等方面[29]-[35]。
电子车牌作为物联网在智能交通中的应用,它是一种新兴无线射频自动识别技术,具有高速识别、防拆、防磁、加密、储存等特点,公安交通管理部门应用该技术,能精确、全面地获取交通信息,规范车辆使用和驾驶行为,抑制车辆乱占道、乱变道、超速等违法违规行为,并能有效打击肇事逃逸、克隆、涉案等违法车辆智能电网在发电环节上对常规机组、水库、新能源风电机组等布置传感监测点;在输电环节上对雷电、线路气象环境、线路覆冰、线路在线增容、导地线微风振动、导线温度、输电线路风偏、输电线路图像与视频、杆塔倾斜在线监测与预警等方面充分利用传感技术。
配电环节上对配电设备状态监测、配电网现场作业管理,以及智能巡检也充分利用各类传感和识别技术。
图1-3实时城市管理与整合的公共服务
在智能医疗的医疗监护应用中,医疗监护人身上可以安装不同的传感器,对人的健康参数进行监控,并且实时传送到相关的医疗保健中心,如果有异常,保健中心通过手机,提醒您去医院检查身体,达到实时监测、智能分析、自动预警。
在智慧城市的、平安城市建设的应用中,利用部署在大街小巷的全球眼监控探头,实现图像敏感性智能分析并与110、119、112等交互,实现探头与探头之间、探头与人、探头与报警系统之间的联动,从而构建和谐安全的城市生活环境。
图1-4整合的医疗平台
电子健康档案系统通过可靠的门户网站集中进行病历整合和共享,这样各种治疗活动就可以不受医院行政界限而形成一种整合的视角。
有了电子健康档案系统,医院可以准确顺畅地将患者转到其他门诊或其他医院,患者可随时了解自己的病情,医生可以通过参考患者完整的病史为其做出准确的诊断和治疗。
环境保护应用中,使用无线传感技术应用于生态环境监测、生物种群研究、气象和地理研究、洪水、火灾检测。
如跟踪珍稀鸟类、动物和昆虫栖息,分区域监测水位及相关水资源与污染信息,铺设大量节点随时监控林区内部火险情况,生活环境-水质、大气、电磁辐射、噪声、降水、土壤、地质灾害检测等。
电力电网,减少停电现象。
智能电网中通过安装先进分析与优化引擎,电力提供商可以突破“传统”网络的瓶颈,而直接转向能够主动管理电力故障的“智能”电网。
对电力故障的管理计划不仅考虑到了电网中复杂的拓扑结构和资源限制,还能够识别同类型发电设备,这样,电力提供商就可以有效地安排停电检测维修任务的优先顺序。
如此一来,停电时间和频率可减少约30%,停电导致的收入损失也相应减少,而电网的可靠性以及客户的满意度都得到了提升。
图1-5减少停电现象
在智慧的电力设施的支持下,智能电表可以重新定义电力提供商和客户的关系。
通过安装内容丰富且读取方便的设备,用户可了解任何时刻的电力费用,并且用户还可以随时获取一天中任意时刻的用电价格(查看前后的记录),这样电力提供商就为用户提供了很大的灵活性,用户可以根据了解到的信息改变其用电模式。
智能电表不仅可以测量用电量,它还是电网上的传感器,可以协助检测波动和停电。
它还能储存和关联信息,支持电力提供商完成远程开启或关闭服务,也能远程支持使用后支付或提前支付等付费方式的转换。
总而言之,智能电表可大幅度减小系统的峰值负荷,转换电力操作模式,也能重新定义客户体验。
图1-6智能电表系统
物联网技术
物联网是未来互联网的一个组成部分,可以被定义为基于标准的和可互操作的通信协议[24]。
且具有自配置能力的,动态的全球网络基础架构。
物联网中的“物”都具有标识、物理属性和实质上的个性。
使用智能接口实现与信息网络的无缝整合。
本章主要讨论物联网的体系架构、关键技术和技术应用模式[49]-[54]。
从技术架构上来看,物联网可分为三层:
感知层、网络层和应用层。
感知层由各种传感器以及传感器网关构成,包括二氧化碳浓度传感器、温度传感器、湿度传感器、二维码标签、RFID标签和读写器、摄像头、GPS等感知终端。
感知层的作用相当于人的眼耳鼻喉和皮肤等神经末梢,它是物联网识别物体,采集信息的来源,其主要功能是识别物体,采集信息。
网络层由各种私有网络、互联网、有线和无线通信网、网络管理系统和云计算平台等组成,相当于人的神经中枢和大脑,负责传递和处理感知层获取的信息。
应用层是物联网和用户(包括人、组织和其他系统)的接口,它与行业需求结合,实现物联网的智能应用。
物联网的行业特性主要体现在其应用领域内,目前绿色农业、工业监控、公共安全、城市管理、远程医疗、智能家居、智能交通和环境监测等各个行业均有物联网应用的尝试,某些行业已经积累一些成功的案例。
本文的结构和安排
本文首先介绍了物联网的概念、基本内涵和特征、物联网技术和基本应用;在此基础上,阐述了物联网手持移动设备的产品定义与设计方法,并研究了物联网手持移动设备嵌入式系统及电路设计技术,包括3G无线通信、条码识别、射频识别和GPS技术等;最后,结合实际物联网系统案例,给出了物联网手持移动终端应用与解决方案,为物联网数据节点的设计和应用提供参考。
全文共分五章:
第1章:
绪论。
简述了物联网的基本内涵、特征、物联网技术和应用。
第2章:
物联网手持移动设备的产品定义与设计。
阐述了物联网标准化行业终端和为专有需求客户提供的定制服务。
第3章:
物联网手持移动设备嵌入式系统及电路设计。
首先介绍了物联网设备的软硬件平台,然后结合物联网设备的应用案例,研究了手持移动设备的关键技术与电路设计。
第4章:
物联网手持移动终端应用与解决方案。
以**酒店现场移动作业管理系统、快消品行业销售管家、GPS铁路巡检系统和中国移动亲情通位置服务等为例研究了物联网手持移动设备系统设计与开发技术,为物联网的数据节点的设计和应用提供参考。
第5章:
结束语。
对全文的工作进行了总结,进一步指出了还有待深入和完善的内容。
物联网手持移动设备的产品定义与设计
在移动数据采集领域,数据来源类型多样,与服务器的交互信息量不断增大,对移动终端的数据读取功能以及屏幕尺寸也提出新的要求。
移动使用的物联网设备主要致力于商业、工业使用的无线智能终端的研发和制造,并为客户提供整体移动计算解决方案。
通过物联网设备的产品和服务,为客户实现了便捷的数据采集和高效的运算处理及传输。
物联网设备开发者使用开放平台,包括WindowsMobile、WinCE、Android;在功能模块及电路方面提供定制、客制化服务,为客户的业务逻辑的实施提供最佳载体。
现有标准产品有一维、二维条码终端,RFIDReader终端,GIS终端以及行业平板电脑等。
MobileComputing是3G高带宽条件下的新亮点,各行业均能受益于移动互联互通。
因此物联网设备开发人员关注的领域包括智能库管、分布式进销存、桌面媒体、移动人员管理、智能交通等,在移动公众网及局域Zigbee的连接方式下架设RFID、条码识读、传感器等数据节点,让智能物联更多地为客户所应用。
图2-1物联网手持移动设备“卓享科技”MT02系列
提供标准化的行业终端
经过几年移动数据产品研发的实践,我们渐渐总结出了这类产品市场层面的呈现方式,型号标准化与长期供货是一个重点。
行业应用的智能设备种类很多,从功能模块来看,如一维条形、二维码识读终端,RFID标签读卡设备,高精度差分GPS/GIS终端,信息登入及数据处理的平板电脑等。
不同应用领域使用到的功能很不相同,我们提供针对很多细分行业的标准化的硬件产品来满足不同领域客户的需求,针对每一个型号做一定数量的常备库存,以满足客户样机需求与小批量提货。
系统方案开发者使用我们的标准型号产品,可以最短的时间完成选型、以最快的速度实现应用程序与终端的适配。
这种模式就可以为物联网的移动数据应用的产业链提供很好的载体,降低客户与我们合作的门槛与成本,使上下游都能受益。
二维码移动识读产品MT06
二维码与条形码相比较优势明显,但二维码的移动识读终端一直价格不菲,很难让相关行业进行大面积的使用,“卓享科技”在二维码应用领域进行了广泛的市场调查,联合国内主要二维码识读引擎软件商,如“卓望信息”、“银河传媒”、“亿美软通”、“意锐新创”、“信码互通”,共同进行产品策划以及图像识别引擎适配,推出了成本较低的MT06二维码识读产品,目前已广泛用于电子凭证识读领域与产品、物资溯源项目。
其中比较典型的案例列举如下:
中国科技馆数字科技馆的一项内容就是网上售票,而参观人员所取得的电子门票则为字符形式的二维码短信,工作人员使用MT06进行查验票,将二维码对应的序列号读取后,实时与后台服务器进行校验,来判断电子凭证真伪、是否过期。
中国移动的用户可将话费积分兑换为电影票、优惠券等,相应的合作商家可供服务或产品,一方面移动用户的积分得到消减,另一方面合作商家也获得了更多的客流与收入。
因此这种合作还有广告的作用,吸引人流去商家消费,实际上很多大企业如信用卡公司、航空公司,都有这样的会员积分消减的需求,而高品质的连锁商户也可以得到大量的顾客的光临,二维码的电子凭证就是这个机制运转的核心。
目前万达影院、哈根达斯、星巴克、驴妈妈合作景点都已经在使用MT06产品。
不同的使用环境与操作业务逻辑使MT06的设计需要考虑很多因素,这款产品从创意到最终量产定型经过了8个月时间,可以从下列的图片示意看到其设计过程中的演进。
图2-2物联网手持移动设备“卓享科技”MT06创意手绘图
图2-3物联网手持移动设备“卓享科技”MT06平面效果图
图2-4物联网手持移动设备“卓享科技”MT063D结构图
图2-5物联网手持移动设备“卓享科技”MT06快速成型手板
图2-6物联网手持移动设备“卓享科技”MT06工程样机
图2-7物联网手持移动设备“卓享科技”MT06定型量产产品
2011年我们又在MT06增加13.56MHz的RFID读写功能,虽然紧凑的结构设计使天线空间与金属环境较为苛刻,经过细致的天线设计与匹配还是达到近距离稳定读写卡的要求,目前MT06是市场上极具成本优势的WindowsMoible操作系统的HFRFID的手持终端。
便携平板Smartbook系列
移动数据采集领域,数据来源类型多样,与服务器的交互信息量不断增大,对移动终端的数据读取功能以及屏幕尺寸提出新的要求。
SmarkBookIII为卓享科技第三代便携型平板产品,强化了GPS性能与长时间连续工作特性,工业化的结构设计使它坚固耐用。
Smartrbook系列产品从2009的第一代到目前2011年的第三代,经过了不断的软硬件优化和性能的提升。
电池容量从1900mAh、2400mAh改进到4000mAh,DDR从128MByte、256MByte改进到512MByte;操作系统由WindowsMobile6.1到WinCE6.0和WindowsMobile6.5,目前也可以支持Android2.3(运行在MarvellPXA910/920芯片组平台上)。
图2-8物联网手持移动设备“卓享科技”SMARTBOOK平面效果图
图2-9物联网手持移动设备“卓享科技”SMARTBOOKID手板与无线键盘
图2-11物联网手持移动设备5寸屏系列产品系统由Mobile升级为Android
增强型的SmartbookIII以其高灵敏度GPS与大容量电池的性能特点,目前已用于某军区光缆巡检项目,国家电网智能终端
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