物联网全栈开发原理与实战吴志辉计算机与互联网书籍

物联网应用系统的开发需要“全栈”开发人员。从底层的智能传感器硬件设计开发、通信程序开发、服务程序设计、Web网站到移动应用开发都需要使用多种技术和编程语言，对人才的要求比较高。
 本书就底层设备的嵌入式开发、设备无线组网设计、网络通信传输设计、监控服务器设计、云端服务器设计、移动应用开发都做了的介绍，用一个个实例把整个物联网应用系统串连起来，使用了多种开发语言、开发工具、设计技巧和方法，完整描述了一个复杂的“物联台”的设计和诞生。
 本书适合物联网工程专业的本科生、研究生阅读，对有志于复杂物联网应用系统开发的设计师，是全栈设计师，本书也有较高的参考价值。

第 1章  物联网设备智能监控系统原理  1
1.1  物联控系统的结构  2
1.1.1  全栈项目的硬件结构  4
1.1.2  全栈项目的系统软件结构  5
1.2  核心技术  6
1.2.1  通用设备描述协议  7
1.2.2  数据格式协议  19
1.2.3  设备监控协议  23
1.2.4  核心协议的实现  28
第 2章  无线传感器网络应用设计  33
2.1  ZigBee协调器节点设计  35
2.1.1  单片机通信协议的设计  35
2.1.2  应用程序设计  38
2.2  ZigBee传感器节点设计  53
2.2.1  节点硬件结构  53
2.2.2  传感器节点程序设计  54
2.2.3  传感器节点运行  63
2.3  4路ZigBee智能开关的改造  65
2.3.1  CC2530开关面板硬件结构  65
2.3.2  设计开发前的准备  66
2.3.3  程序改造和设计  67
2.3.4  4路继电器节点运行  71
2.4  ZigBee网络设备监控系统的互联互通演示  73
2.4.1  场景任务建立  73
2.4.2  一键操控演示  75
2.4.3  温度监控联动演示  76
第3章  物联控中心设计  78
3.1  选择硬台的纠结  79
3.2  监控中心架构设计  79
3.2.1  硬件配置要求  79
3.2.2  软件配置要求  80
3.3  设备接入和管理模块的设计  80
3.3.1  监控驱动程序的搜索设计  81
3.3.2  监程的登记管理  82
3.3.3  监程的启动和结束  90
3.4  场景任务模块的设计  92
3.4.1  任务指令TaskItem类  93
3.4.2  场景任务SceneTask类  93
3.4.3  场景列表描述ScenePlans类  95
3.4.4  场景描述ScenePlansItem类  95
3.4.5  定时任务相关类的设计  96
3.4.6  场景任务管理业务的实现  96
3.4.7  场景任务的执行  97
3.5  智能监控模块的设计  102
3.5.1  智能监控的原理和内容  102
3.5.2  监控条件的设计AlarmItem  104
3.5.3  智能监控类MonitorAlarm  105
3.5.4  智能监控管理者类MonitorAlarms  106
3.5.5  智能监控的实施  106
3.6  用户管理模块的设计  110
3.6.1  用户文档结构  110
3.6.2  客户端通信类MyTcpClient  111
3.6.3  服务端连接类ConnectClient  113
3.7  云端通信模块的设计  116
3.7.1  云通信服务器方式  117
3.7.2  云Web网站方式  119
3.8  数据存储模块的设计  120
3.9  设备监控系统的设计结  121
第4章  设备监程的设计  122
4.1  设备监控程能设计  122
4.1.1  建立通信对象  123
4.1.2  加载设备监控驱动程序  123
4.1.3  设备监控  123
4.2  设备监控程序的详细设计与实现  123
4.2.1  建立与DMC的通信InitShareMemory  127
4.2.2  建立与监控驱动模块DMD之间的通信  127
4.2.3  动态加载设备监控驱动程序LoadAsly  128
4.2.4  显示特定设备的系统信息  129
4.2.5  显示特定设备的监控信息  131
4.2.6  初始化监控设备系统的通信  132
4.2.7  启动监控系统的通信  133
4.2.8  启动监控系统的主从通信  133
4.2.9  DMP通信参数设置  134
4.2.10  子设备参数修改  135
第5章  云通信服务器的设计  136
5.1  云端通信流程介绍  137
5.1.1  远程客户端（或移动App）监控设备通信流程  137
5.1.2  本地客户端（或移动App）监控远程设备通信流程  137
5.2  云端通信对象的设计与实现  138
5.2.1  远程客户端通信设计  139
5.2.2  与监控中心的通信设计  143
5.2.3  与远程监程DMP的通信设计  144
5.2.4  与远程设备的通信设计  148
第6章  客户端设备监控系统设计  154
6.1  PC客户端设备监控系统的设计  154
6.1.1  登录模块设计  155
6.1.2  客户端监控设计  160
6.1.3  客户端场景任务的编辑  173
6.1.4  客户端智能监控的编辑  177
6.2  监控设置的升级设想  179
第7章  安卓客户端设备监控App的设计  180
7.1  App结构的设计  181
7.2  通信模块的设计  182
7.3  登录模块的设计  189
7.4  主控界面的设计  191
7.5  设备监控界面的设计  195
7.6  场景任务的编辑  198
7.7  智能监控的编辑  200
7.8  能的设计  202
第8章  设备监控驱动中间件的设计  203
8.1  使用共享内存通信的中间件的设计  204
8.1.1  监控系统类MonitorSystem  205
8.1.2  子设备系统类SubDeviceSystem  212
8.1.3  时间监控驱动程序的使用  215
8.2  使用串口通信的中间件的设计  216
8.2.1  设备商编写的监控驱动项目ZigBeeDriver  216
8.2.2  基于设备商提供的SDK编写的监控驱动项目DAM0404Driver  226
8.3  使用TCP/IP通信的非标准中间件的设计  234
8.3.1  只有一个设备的监控驱动的设计  234
8.3.2  可以接入多个同系列设备的监控驱动的设计  241
8.4  使用监控协议的标准中间件的设计  253
8.4.1  iotMusicPlayerDriver项目  253
8.4.2  CloudDeviceDriver项目  260
附录  配套资源说明  266

　1.配套教学，专注于物联网工程专业本科生、研究生教学。2.对有志于复杂物联网应用系统开发的设计师，是全栈设计师，也有较高的参考价值。3.本书提供的源代码，对其做适当的分类整理、文字描述和目标制定，也可作为教学、培训的资料。

1.配套教学，专注于物联网工程专业本科生、研究生教学。


2.对有志于复杂物联网应用系统开发的设计师，是全栈设计师，也有较高的参考价值。


3.本书提供的源代码，对其做适当的分类整理、文字描述和目标制定，也可作为教学、培训的资料。

　时光荏苒，再过几年我就到退休年龄了。因为年纪的关系，过去的经像放电影一样在我脑海中呈现。
　　20世纪90年代，我从北京大学毕业，怀揣着化学硕士证书，被分配到湖南化工职业技术学院从教。那时，正是化工行业不景气的时候，除了教学，我也在想其他出路。可由于“贫穷限制了想象”，我错过了国家鼓励南下创业的机会。此时，世界银行贷款支持的项目的“春风”吹到了学校。购买了一批286个人计算机后，学校终于有了计算机机房。回想起在学校时，我学过BASIC和FORTRAN语言，毕业论文还用到了FORTRAN程序计算实验结果，就决定改行学计算机程序设计。1992年，我在辽宁丹东参加了一个化工行业的学术会，会上展示了美国化工生产的一个模拟系统，该系统是使用BASIC语言写的，要卖2万美元。这更加坚定了我要从事计算机程序设计的决心。
　　那时的计算机图书还没有现在这么多，其中比较多的是有关C语言的。好在当时Borland C出现了，于是我就从它学起。
　　一个偶然的机会，朋友介绍我给电视台做自动播出系统，于是我用C语言写了个真正商业化的程序，赚了3000元，比当时一年的工资还多。狠下心，我花5000多元买了台386计算机——500MB硬盘、4MB内存、DOS操作系统，虽然花了小两年的工资，但我还是很开心的。
　　由于我终究不是计算机专业毕业的，因此只能自己去看书学知识。好在我有了自己的计算机，实践起来比较方便。当时我经常学到晚上12点，学到的东西很多，有五笔打字系统、打字比赛系统、化学反应模拟系统等。慢慢地，我开始用FoxPro给一些企业、电视台做收费管理系统。其间，宝兰公司的Delphi开发语言开始流行，于是我又开始用Delphi做程序设计。
　　1996年，我决定停薪留职出去闯荡一下。长达4年的时间，我在长沙、珠海、深圳等地工作，虽然很辛苦，但开发能力还是提高了不少。2000年年初，我又回到湖南，与几个朋友一起经营一家小公司，专为铁路行业服务，生产小配件，开发检测设备、自动控制设备，编写的应用系统有几十个。
　　可小企业生存很艰难，又遇到“非典”，公司盈利少，导致股东意见不合。2008年，我离开了公司入湖南工业大学计算机学院，又重新成为一名教师。7年的“创业”期间，我的大学同学出国创业入政府部门任职、下海创的占了大多数。与他们相比，感到自己太不起眼了。不过回想一下，离开公司前，公司为国家纳税400多万元“真金白银”，也算是为国家做了些许贡献。
　　我在湖南工业大学的主要工作任务就是要教授的课程有软件工程、系统分析、信息系统、物联网技术台等。由于教学的需要，我逐渐开始用C#、Java编写程序。其间，我写了不少系统程序，一直被用户使用，如至今仍被上百家广播电台使用的“多路音频自动播出系统”，被几十家小电视台使用的“图文字幕自动播出系统”等。
　　2014年，学校创建物联网工程专业，于是我在物联网系一直工作到现在。
　　物联网工程是个的专业，很多专业课程是新开设的，任课教师也要经过培训和自学才能上课。无线传感器网络与应用、移动应用程序开发、RFID原理、嵌入式Linux网络系统开发，这些课程我都教过。对于很多知识，我也要从零开始学了更好地掌握与硬件相关的知识，我自己从天猫购买设备，熟悉能，并自己开发程序。
　　从事物联网教学多年，我有了不少感悟，也踩过不少坑。我把它们写出来，希望可以使后面的人少走些弯路。
　　物联网应用系统的开发，确实需要“全栈”开发人员。从底层的智能传感器硬件设计开发、通信程序开发、服务程序设计、Web网站到移动应用开发，都需要使用多种技术和编程语言，对人才的要求是比较高的。现在网传的使用某某语言“全栈”开发的资料很多，我认为大部分是不可取的，是误人子弟的。所谓的“全栈”开发，也大多局限在Web应用系统设计上，难以与物联网“全栈”开发相提并论。物联网应用系统复杂——尽管底层硬件配置越来越高，但不可能使用一种程序设计语言来满足所有应用开发的需要。
　　我在从事物联网工程专业的本科教育时发现，课程内容主要集中在基础理论知识的学验课也只是用以对基本原理的验证而已。一周的课程设计或综合实训，很难让学生完成一个像模像样的系统开发。所谓的一个月的生产实解决不了什么大问题。加上学生的学也很重，无法腾出更多精力来专心做一个物联网应用系统。但一个本科生，至少需要体验一个完整物联网应用系统开发的全流程，并参与其中，才会获得深刻的认识，动手能力才会真正有所提高。
　　由于各种基础知识的学段不同，在教授某门课程时，我也不好让学生去设计一个完整的物联网应用系统，但是设计部分且相对完整的子系统是可以的。
　　所以，设计一个良好的应用项目，既能满足物联网教学各阶段的学，又能循序，终完成大部分教学要求。这是值得探索的。
　　为此，我编写这本有关物联网应用系统的图书时，既要满足教学知识的要求，又要有一定的现实意义和价值，还能拓展学生的想象力、创新思维能力。
　　在阅读本书之前希望读者能了解以下几点。
　　1．物联网本科教学的要求
　　目前各大院校的物联网专业开设的专业课程，大含单片机原理、传感器原理、无线传感器网络、RFID原理、通信技术、云计算、移动应用开发等。因此，全栈开发项目应该是一个涉及底层传感器、传感器网络、无线通信、互联网通信、台、移动应用等技术内容的物联网应用系统。
　　2．程序设计语言的要求
　　本科物联网工程专业开设的计算机语言课，主要有C/C++、Java，可选修C#、Python、JavaScript。全栈开发项目可以使用各种程序设计语言，便于提生使用开发语言的能力。同时，精心设计每个子系统，使每个子系统都可以分别用多种语言来实现，以便喜爱不同语言的学生都可以加入开发项目中。
　　3．硬件条件的要求
　　在练可以使用从/天猫上购买的硬件，大部分的价格都不超过3位数，括开发工具和技术资料。
　　4．应用系统的选择
　　我之所以选择用“物联网设备智能监控系统”，是因为这个系统是从我的智能家居系统扩展而来的，且实现了绝大能，已经是一个完整的应用系统，不间断在线运行时间超过4年。该系统稳定、可靠，使用方便，基本满足了上述3个方面的要求。
　　“物联网设备智能监控系统”稍加改造、扩展，可应用于物联网众多行业，如智能农业、智慧工厂、智能大厦、智能家居、智能、智能安防。
　　正文中会详细描述该系统的结构和开发过程。所有子系统的源代码，都收录在本书的配套资源中。但如果用于企业软件、商业软件、付费软件等开发，须得到笔者本人的同意并支付一定费用。
　　5．适合学群
　　本书为物联网本科生量身打造。学完C语言，就可以参与该系统的开发。对有志从事物联网应用开发的IT人员，本书也具有一定的参考价值，是在企业、公司研究部门从事软件开发的人员。如果是自学物联网系统开发的人员，以必须要学完的课程，或者需要具备相应的能力：C语言程序设计、Java程序设计、C#程序设计、JavaScript程序设计、软件工程。
　　学统的开发会是一个先苦后甜的过程。我用3年时间设计、完善了该系统，如果感兴趣的话，它应该值得用半年时间去学/span>
　　本书可作为物联网专业综合实训的实验指导书，也可整理成专业课程的课程设计教材，当然还需要花时间将本书的案例分解为一个一个的实验或小项目。
　　学握了该系统的设计，可以帮助读者在物联网应用开发方面更上一层楼。让我们开始吧！
　　由于时间仓促及笔者的所限，书中内容难免有误，还请读者不吝斧正，联系邮箱：liyongtao@ptpress.com.cn。
　　吴志辉
　　2021.8

　第1章　物联网设备智能监控系统原理
　　由于应用行业不同，各种物联网应用系统的形态可能有很大差异，但核心结构是一样的。物联网是万物互联的网络，是众多的传感器信息收集终端（如温度传感器）或执行机构（如电冰箱、空调）。之所以说是万物，是因为其数量庞大。根据行业统计，2021年，全球物联网终端设备至少为200亿台。如一个4口之家的城市家庭，拥有的设备可能有4台智能手机、无线路由器、一个或多个冰箱、洗衣机、电饭煲、微波炉、空调、空气净化器、扫地机器人、煤气报警器、门磁报警器、智能摄像头、热水器，以及多达两位数的智能开关等。这些设备通过各种方式接入家庭局域网或互联控中心相连。用户通过手机等移动设备对这些设行监控或智能管理。
　　图1-1所示是普遍认可的物联网应用系统的四层结构示意图。
　　图1-1　联网应用系统的四层结构
　　信息感知层：主要涉及信息的采集和设备的控制，与硬件设备密切相关，也是物联网海量数据的源泉。主要技术有广义上的传感器信息采集、局部设备无线组网传输。
　　数据传输层：负责信息/指令的可靠传输。
　　智能处理层：对采集的信行各种操作处理，为应用系统提供基本的能。行业数据处理一般放在应用层，以减轻数据中心的负担。
　　行业应用层：使用数据对行业要行精心的管理，满足各种应用的需求。
　　需要澄清的一个误区是：物联网应用系统不一定要架设在互联网上，在局域网中也是可以运行的。信息感知设备不一定是单一的设备，可以是多个设备组成的“传感器网络”。
　　在物联网领域，也有科技企业、专家提出了边缘计算，期望在信息感知层、数据传输层和智能处理层之间插入边缘计算，提供端服务，也为数据计算数据。……

吴志辉：硕士研究社。湖南工业大学计算机学院高级工程师。从事物联网专业教学多年，对物联网应用系统的开发设计具有丰富的实践经验。