物联网智能系统设计、实现及应用研究

本书详细介绍了物联网智能系统的设计、实现与多场景应用研究，围绕5G物联网、无线传感器、嵌入式开发、云集成等核心技术，搭建了多场景、模块化、高可靠的物联网应用体系。
全书共8章，分别是绪论、基于5G物联网的粮仓监控系统、基于ZigBee的无线传感器网络定位系统、基于树莓派的智能遥控小车、基于ARM 的手势识别音视频播放器系统、基于STM32的智能语音识别垃圾分类系统、基于PLC的自适应交通灯智能控制系统和基于云平台的室内环境监测系统设计与实现。书中系统阐述了7大应用场景的研发与落地，涵盖粮食仓储、室内定位、智能交通、环境监测等民生与行业领域，详解各系统硬件选型、软件开发、算法实现及测试验证。
本书可供物联网系统研发、嵌入式开发、智能硬件设计等领域工程技术人员参考，也可供全国高等院校物联网工程、电子信息工程、计算机科学与技术、自动化等专业教学参考。

物联网技术迅速发展，5G 物联网、无线传感、嵌入式开发与云集成深度融合，推动万物互联向万物智联升级。本书以物联网智能系统设计、实现及应用研究为主题，立足国家战略与民生发展需求，依托5G 物联网、无线传感、嵌入式开发、云集成等核心技术，从粮食仓储、室内定位、智能小车、智能家居、垃圾分类、交通管控、环境监测7 个不同的场景入手展开系统的研发与技术落地，构建多场景适配、模块化架构、高安全高可靠的物联网智能应用系统。本书主要内容如下：
第1章 绪论部分。主要介绍物联网技术的研究背景和意义，分析物联网技术在智能粮仓、智能交通、环境监测等各方面的应用价值，整理国内外的物联网理论和技术研究现状。
第2章 设计了基于5G 物联网技术的粮仓监控系统。首先进行需求分析，明确系统在功能和性能方面的要求。然后给出系统的总体架构，包括数据采集端和数据处理端。硬件部分设计了系统下位机架构，涵盖核心模块、传感器模块、通信模块等。软件部分开发了本地客户端、移动客户端以及数据库。最后通过系统测试，验证了系统的功能和性能。
第3章 设计了基于ZigBee 的网络定位系统。首先介绍ZigBee 技术的特点、协议栈结构和网络结构，分析无线传感器网络定位技术，对比基于测距和非测距的定位方法。然后设计基于RSSI 的定位算法，建立测距模型并进行仿真实验； 设计系统硬件与软件，包括节点硬件组成、信标节点和未知节点软件模块的开发。最后进行系统定位调试与误差分析，验证系统的定位精度。
第4章 设计了基于树莓派的智能遥控小车系统。首先分析其开发背景及国内外研究现状； 然后进行系统概要设计，确定智能避障、循迹、视觉识别追踪等功能模块； 接着开展硬件设计，详细介绍树莓派主板、扩展板、传感器等硬件的特性及接口； 在此基础上开发软件系统，包括循迹、避障、视觉识别追踪等功能的软件实现； 最后通过系统调试，验证各功能模块的实现效果。
第5章 介绍了基于ARM 的手势识别音视频播放器系统。首先阐述了手势识别音视频播放器研究目的和意义，对比选择手势识别模块和核心处理模块进行方案设计。然后进行系统硬件设计，介绍GEC6818 开发板、PAJ7620U2 手势识别模块、v4L2 摄像头等硬件； 开发软件系统，如终端程序、手势识别程序、音视频播放程序等。最后调试系统，验证手势识别和音视频播放功能。
第6章 设计了基于STM32 的智能语音识别垃圾分类系统。首先对智能语音识别垃圾分类系统选题背景、国内外发展现状进行分析，对系统总体需求进行分析，确定用户的用户需求、功能需求、技术需求。然后设计系统的整体架构，介绍STM32 主控模块、语音识别模块、舵机模块等主要部分； 接着进行软件设计，包括主控模块初始化子程序、语音识别子程序等； 最后进行系统连接调试，测试系统的垃圾分类功能、满桶检测功能。
第7章 设计了一套自适应交通灯控制系统方案。该系统实时采集并统计比对路口车流量数据，通过调整可编程控制器的交通灯配时逻辑，动态优化信号灯时长，有效提升路口车辆通行效率。
第8章 提出了一种融合物联网架构与云原生技术的环境监测方案，并详细阐述了该系统的总体设计、整体架构及技术选型。在硬件设计方面，完成了STM32 主控模块、无线通信模块及各传感器电路的选型与设计。在软件系统开发方面，完成了主程序、数据采集模块、云平台架构及智能预警模块的设计。最后，通过系统测试与分析，验证了系统的环境监测与预警功能。
本书的编写得到了湖北省自然科学基金青年项目（项目编号：2024AFB458）、中国高校产学研创新基金项目（项目编号： 2024IT170，2023IT046）、湖北省高等学校优秀中青年科技创新团队计划项目（项目编号： T201923）、荆楚理工学院智能信息技术研究中心、荆门市密码应用技术研究中心、荆楚理工学院校级科研项目（项目编号： YY202408） 的资助和支持，在此一并表示感谢！
由于作者水平有限，时间也比较仓促，书中疏漏之处在所难免，望读者给予批评指正。

著者

第1章 绪论 001
1.1 研究背景及意义 001
1.2 国内外研究现状 002
1.2.1 物联网理论的研究现状 002
1.2.2 物联网应用的研究现状 003

第2章 基于5G 物联网的粮仓监控系统设计与实现 005
2.1 引言 005
2.2 粮仓监控系统总体架构设计 006
2.3 粮仓监控系统硬件设计 007
2.3.1 系统下位机设计 007
2.3.2 系统硬件功能设计 008
2.4 粮仓监控系统软件设计 015
2.4.1 系统工作流程设计 015
2.4.2 本地客户端设计 016
2.4.3 移动客户端设计 021
2.4.4 数据库设计 022
2.5 粮仓监控系统测试 024
2.6 本章小结 024

第3章 基于ZigBee 的无线传感器网络定位系统设计与实现 025
3.1 引言 025
3.2 ZigBee 系统的介绍 025
3.2.1 ZigBee技术简介 025
3.2.2 ZigBee协议栈结构 026
3.2.3 ZigBee网络结构 026
3.2.4 ZigBee技术与其他技术的比较 027
3.3 无线传感器网络定位技术 027
3.3.1 基于测距的定位方法 027
3.3.2 基于非测距的定位方法 029
3.4 基于RSSI 的定位算法设计 029
3.4.1 测距模型的建立 029
3.4.2 无线传感器网络定位设计 030
3.5 无线传感器网络定位系统设计 032
3.5.1 硬件模块设计 032
3.5.2 软件模块设计 033
3.6 测距误差分析及系统定位测试 037
3.6.1 数据采集 037
3.6.2 RSSI数据分析 038
3.6.3 拟合测距模型 040
3.6.4 系统功能设计 040
3.6.5 定位实验 041
3.7 本章小结 042

第4章 基于树莓派的智能遥控小车设计与实现 043
4.1 引言 043
4.2 智能遥控小车系统总体设计 043
4.2.1 智能避障模块设计 043
4.2.2 循迹功能模块设计 044
4.2.3 视觉识别追踪球体模块设计 044
4.2.4 无线遥控小车模块设计 045
4.3 智能遥控小车系统硬件设计 045
4.3.1 树莓派主板设计 045
4.3.2 树莓派扩展板模块设计 050
4.3.3 红外传感器设计 050
4.3.4 视觉模块硬件设计 052
4.4 智能遥控小车系统软件设计 052
4.4.1 循迹功能软件设计 052
4.4.2 智能避障功能软件设计 054
4.4.3 视觉识别追踪球体模块软件设计 055
4.4.4 无线遥控软件模块 057
4.5 智能遥控小车系统测试 058
4.5.1 树莓派系统环境搭建 058
4.5.2 实现PC端和树莓派的通信 058
4.5.3 避障模块测试 059
4.5.4 循迹模块测试 060
4.5.5 视觉识别球体追踪模块测试 061
4.5.6 遥控模块测试 061
4.6 本章小结 062

第5章 基于ARM 的手势识别音视频播放器系统设计与实现 063
5.1 引言 063
5.2 音视频播放器系统方案设计 063
5.2.1 系统方案总体设计 064
5.2.2 手势识别方案设计 064
5.2.3 功能执行核心模块设计 065
5.3 音视频播放器系统硬件设计 066
5.3.1 GEC6818开发板 066
5.3.2 V4L2摄像头 069
5.3.3 PAJ7620U2手势识别模块 069
5.4 音视频播放器系统软件设计 070
5.4.1 终端程序设计 070
5.4.2 手势识别程序设计 071
5.4.3 摄像头程序设计 071
5.4.4 音视频播放程序设计 071
5.4.5 图片播放程序设计 072
5.5 音视频播放器系统测试 073
5.5.1 终端测试 073
5.5.2 手势识别测试 073
5.5.3 音视频播放功能测试 074
5.5.4 图片播放功能测试 075
5.5.5 摄像头功能测试 075
5.6 本章小结 076

第6章 基于STM32的智能语音识别垃圾分类系统设计与实现 077
6.1 引言 077
6.2 垃圾分类系统整体架构设计 077
6.2.1 系统整体框架结构图 077
6.2.2 系统功能 078
6.2.3 系统结构 078
6.3 垃圾分类系统主要功能模块设计 079
6.3.1 STM32单片机控制电路 079
6.3.2 语音识别模块 079
6.3.3 OLED显示屏 079
6.3.4 SG90舵机 081
6.3.5 BH1750光强度模块 083
6.3.6 红外模块 083
6.4 垃圾分类软件设计 085
6.4.1 STM32主控模块初始化子程序 085
6.4.2 语音识别模块子程序 086
6.4.3 用户界面设计 086
6.5 垃圾分类系统连接与测试 087
6.5.1 垃圾桶设计 087
6.5.2 垃圾桶桶身控制模块实物连接 087
6.5.3 垃圾桶语音识别功能测试 088
6.5.4 满桶检测功能测试 089
6.5.5 调试结果分析 089
6.6 本章小结 090

第7章 基于PLC 的自适应交通灯智能控制系统设计与实现 091
7.1 引言 091
7.2 交通灯智能控制系统总体设计 091
7.2.1 十字路口交通灯系统运行时间设计 091
7.2.2 工作流程图设计 093
7.3 交通灯智能控制系统硬件设计 094
7.3.1 交通灯系统硬件部分组成 094
7.3.2 PLC选型 094
7.3.3 车流量计数器选型 096
7.3.4 PLC接线图 096
7.4 交通灯智能控制系统软件设计 098
7.4.1 交通灯控制逻辑与定时设计 098
7.4.2 自适应部分设计 099
7.4.3 紧急通行系统 101
7.5 交通灯智能控制系统软件仿真和测试 102
7.6 本章小结 105

第8章 基于云平台的室内环境监测系统设计与实现 106
8.1 引言 106
8.2 基于云平台的室内环境监测系统总体设计 106
8.2.1 系统整体框架设计 106
8.2.2 关键技术介绍 106
8.3 基于云平台的室内环境监测系统硬件设计 108
8.3.1 系统硬件框图设计 108
8.3.2 STM32主控模块设计 108
8.3.3 无线通信模块设计 110
8.3.4 各传感器原理与电路设计 111
8.3.5 OLED显示屏模块 115
8.4 基于云平台的室内环境监测系统软件设计 116
8.4.1 主程序设计与流程图 116
8.4.2 数据采集模块程序设计 116
8.4.3 云平台与数据处理程序设计 117
8.5 基于云平台的室内环境监测系统测试 122
8.5.1 功能测试 122
8.5.2 云平台测试 124
8.6 本章小结 125

参考文献 126