LabVIEW物联网通信程序设计实战

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书名：LabVIEW物联网通信程序设计实战

ISBN：978-7-115-60196-4

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版　　权

编  著 杨帆 张彩丽 王乐忠 雷涛

责任编辑 蒋 艳

人民邮电出版社出版发行　　北京市丰台区成寿寺路11号

邮编　100164 　电子邮件　315@ptpress.com.cn

网址　http://www.ptpress.com.cn

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内 容 提 要

本书以LabVIEW为开发平台，讲述物联网应用中通信组网基本原理、应用开发技术和程序设计方法。全书共7章，第1章简要介绍物联网的方法和技术，概述常用的物联网通信技术；第2章介绍LabVIEW 程序设计方法，包括开发平台简介、LabVIEW中的数据类型、LabVIEW程序设计基础及其应用程序典型设计模式；第3～7章，分别介绍了串行通信技术、互联网通信技术、近距离无线通信技术、远距离无线通信技术4类典型通信技术，以及物联网的定位与识别技术，涵盖RS232、RS485、TCP、UDP、HTTP、MQTT协议、蓝牙、Wi-Fi、ZigBee、GSM/GPRS、NB-IoT、LORA、GPS、RFID等协议或技术。本书结合真实应用场景，使用LabVIEW图形化程序设计语言、电子系统开发中常用的通信模块和电子模块，给出相应的物联网系统的技术原型开发与实现的详细过程。通过学习本书，读者可以快速达成物联网应用开发入门与进阶实战的目标。

本书可作为物联网工程、电子信息工程、仪器仪表、自动化、机械电子工程等专业学生的专业课程教材，或实践类课程如课程设计、综合实验、毕业设计、创新创业训练的教材或教学参考书，也适合拟进行物联网应用开发的相关工程技术人员参考借鉴。

前  言

随着“互联网+”、云计算、移动互联网、大数据、人工智能等新兴技术的迅猛发展，社会生产方式正在以不可抗拒的方式发生着巨变，各行各业的生产效率得到极大的提高。在这个生产力得以巨大释放的时代，电子信息产业的支撑作用日益凸显，其地位和影响力达到了前所未有的高度。

无论是传统产业的信息化升级改造，还是电子信息系统自身的技术扩展和跃迁，物物互联，数据共享，都已经成为目前的标准配置。以万物互联为宗旨的物联网技术作为复杂技术系统的核心技术之一，前端连接传统的感知、变换、采集等技术，后端连接热门的信号处理、人工智能等应用技术，发挥着承前启后的重要作用。物联网产业作为战略性新兴产业，已经受到高度重视。物联网技术通过发挥新一代通信技术的优势，与传统产业深度融合，将传统产业中产生的各类数据经过各类计算平台采集之后，借助物联网通信技术实现数据的物联网化，进而实现数据基础上的产业智能化改造。因此，物联网通信技术的发展和广泛应用对于促进传统产业的数字化转型具有重大的现实意义。

但是物联网涉及的通信技术种类繁多，相应的技术架构从早期的一对一通信到后来的一对多通信、多对多通信，再到近年来出现的物联网云平台，“云、网、端”和“云、网、端、边”等技术架构开始成为物联网应用系统的主流。新技术层出不穷，颇有一种“乱花渐欲迷人眼”的景象，使得读者产生望而生畏的心理。

为了使读者能够快速掌握物联网通信技术，实现传统技术系统的网络化改造，进而为后续智能化升级奠定坚实基础，本书结合来自真实应用场景的丰富实例，从有线通信到无线通信、从近距离通信到远距离通信，全面、系统地介绍目前主流的物联网通信组网基本原理、典型通信模块及其使用方法，并基于典型物联网通信模块，以LabVIEW为开发平台，介绍点对点、一对多等通信过程，以及物联网云平台下应用系统开发与实现的详细过程。

本书遵循工程问题解决的一般过程，基本按照背景知识、设计要求、模块简介、通信测试、硬件连接、程序实现、结果测试的体例进行内容组织，通过典型问题解决过程的完整呈现，可以使读者从知识学习到技能训练“一站式”全部达成目标。通过本书的学习，读者既可精通LabVIEW程序设计基本方法和高阶的设计模式，还能系统地掌握物联网通信领域的主流技术应用。更重要的是本书结合真实应用场景的物联网通信程序进行编写，这对读者工程思维的形成、设计思维的训练以及基本工程能力的提升具有显著的促进作用。

本书具有以下4个显著特点。

（1）学用结合。将理论知识和应用系统开发实践相结合，在介绍基本原理的同时，借助实际项目的“Step By Step”实现过程，帮助读者快速深入掌握基于主流通信技术的物联网应用系统开发技能。

（2）软硬兼顾。所有通信技术实践项目在展示通信程序实现完整过程的同时，还提供基于典型电子模块的计算机通信系统电路连接，达到使读者同时熟悉物联网应用系统中的软硬件设计的目的。

（3）案例实操。书中提供的物联网应用系统实例均具有一定的实用价值，大部分项目可以直接用于真实应用场景，或者进行一定的功能扩充就可以转化为课程设计、综合实验、毕业设计或者创新创业项目，甚至可以转化为实用的商业化项目。

（4）技术融通。书中实例既有LabVIEW程序设计方法和通信程序综合，实现程序设计模式与物联网应用的有机融合的实例，也有多种通信技术综合，从传感网到物联网云平台，形成复杂物联网通信网络的实例。

本书第1～2章由张彩丽编写，第3章由王乐忠编写，第4～6章由杨帆编写，第7章由雷涛编写，全书由杨帆统稿。本书编写过程中，刘鑫、兀赛两位同学参与了部分技术测试与实验工作，并参与了书稿校对工作，在此表示诚挚感谢。编者在本书编写过程中得到了陕西成和电子科技有限公司、上海恩艾仪器有限公司、北京曾益慧创科技有限公司等的鼓励和大力支持，在此表示衷心感谢！此外，本书得到了2019年教育部产教合作协同育人项目（编号：201901198034、201901107061）和陕西省科技厅社会发展项目（编号：2016SF-418）支持。

为了便于读者使用，本书提供全部实例的程序代码以及教学PPT，有需要的读者可在异步社区下载相关资源。本书内容涉及技术面较为宽广，编者水平所限，难免出现疏漏之处，欢迎广大读者批评指正，读者可以通过邮箱sustei@163.com与编者联系。

编者

2022年8月于西安

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第1章　物联网通信技术概述

学习目标：

● 了解物联网的起源、主要技术，物联网技术的实践意义；

● 了解物联网通信技术分类，掌握典型通信架构的特点；

● 了解通信协议的基本概念，熟悉物联网应用开发中常用的几种通信协议。

1.1　物联网与物联网技术

本节从物联网的基本含义出发，简要介绍物联网技术的基本内容与主要技术，分析物联网技术在生产、生活中的典型应用，对物联网技术的进一步融合发展趋势进行探讨，指出物联网应用开发技术学习与实践的重要意义。

1.1.1　物联网的起源

物联网（Internet of Things，IoT），即物物相连的互联网。它包含两层意思：一是互联网是物联网的基础；二是物物之间联网通信是以信息的交换和应用为目的。物联网的概念最早由美国麻省理工学院Auto-ID实验室提出——所有物品通过射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）设备等信息传感设备与互联网连接起来，实现智能化识别和管理的网络，就是物联网。

随着物联网不断发展，其技术体系逐渐丰富。一般而言，物联网就是利用识别技术、传感技术、定位技术，将物体的ID信息、状态信息、位置信息，按照规定的协议，在任何时间、任何地点实现人与人、物与物、人与物之间的连接，并进行信息交换，形成智能化识别、定位、跟踪、监测、控制和管理的庞大网络系统。

物联网在2005年之后开始受到世界各国和地区的高度关注，各国和地区纷纷发布物联网战略，将物联网作为重点发展领域。物联网作为新一代信息技术的高度集成和综合运用，具有渗透性强、带动作用大、综合效益好的特点，是继计算机、互联网、移动通信网之后信息产业发展的又一推动者。物联网的应用和发展，有利于促进生产生活和社会管理方式向智能化、精细化、网络化方向转变，极大提高社会管理和公共服务水平，催生大量新技术、新产品、新应用、新模式，推动传统产业升级和经济发展方式转变，并将成为未来经济发展的增长点。

目前，随着技术的发展，物联网已经从最初的以物联网设施和数字设施融合前提下的感知为中心，变为融合人工智能、大数据、云计算等技术，在“互联网+”领域大放异彩——智能制造、智能农业、智慧能源、智慧物流、智能交通等新业态层出不穷，这恰恰从另一个方面说明物联网相关技术掀起了一股“产业革命浪潮”。

1.1.2　物联网的特征及主要技术

一般认为，物联网具有以下显著特征。

（1）全面感知。物联网综合利用RFID、二维码、无线传感器、全球定位系统（Global Positioning System, GPS）等多种技术，全面感知物体身份信息、状态信息、位置信息等，实现对物体信息的精准掌握。

（2）可靠传输。物联网综合利用多种通信技术，将传感器网络（简称传感网）和互联网有机融合，尤其是将无线传感网与传统互联网和移动互联网有机融合，使得感知信息可以可靠传输至几乎任何地方。

（3）智能处理。物联网充分利用云计算、人工智能、数据挖掘、模式识别等技术，对感知的数据、接收的数据或者存储的海量数据进行分析、处理，挖掘数据背后的规律，进而根据需要实施相关控制。

按照物联网的特征，可将其相关技术划分为感知层、网络层、应用层3个层次。各层涉及的主要技术如下。

（1）感知层由数据采集子层、传感网技术和协同信息处理子层组成，旨在解决感知层与多种应用平台间的兼容问题，就是把采集到的数据转换成不同平台均适用的有效信息。这一层涉及的技术是物联网基础技术。

（2）网络层作为感知层和应用层的介质，主要实现将采集到的信息通过基础承载网络高效、准确地传输到应用层的功能。物联网的传输技术主要采用无线通信技术，但是并不排斥传统的有线通信技术。常见的无线通信技术包括近距离无线通信技术（蓝牙、ZigBee、NFC、RFID、Wi-Fi等）、移动通信技术（2G/3G/4G/5G、NB-IoT等）等。这一层涉及的技术是物联网的支撑性技术。

（3）应用层根据底层采集的数据，形成与业务需求适应、可实时更新的动态数据库，实现物联网信息资源的利用。主要的意义在于挖掘并高效利用采集的数据来解决生产和生活中人们遇到的痛点问题。这一层涉及的技术是物联网“最具活力”的技术。

1.1.3　物联网技术应用及其实践意义

随着物联网应用的普及，传统基础设施与新型数字设施有机融合，物理信息系统逐渐被业内接受并深入发展，由此带来的以产业变革、领域融合为代表的技术创新层出不穷，不同应用场景（如智能可穿戴设备、智能家电、智能网联汽车、智能机器人、智慧医疗、智能农业、智慧市政等）数以万亿计的新设备将接入网络。这些应用正在爆发式增长并将生成海量数据，有利于促进生产生活和社会管理方式进一步智能化、精细化和网络化，推动经济社会发展更加智能、高效。

目前，物联网与窄带物联网（NB-IoT）、云计算、大数据、人工智能、区块链和边缘计算等新一代信息技术正在加速向各领域渗透，推动产业分工格局的重大变革。由于前景可观，世界各国都在加速抢占物联网产业发展先机。

在产业层面，相关大型企业纷纷制定物联网发展战略，并通过合作、并购等方式快速进行重点行业和产业链关键环节布局，提升企业在整个产业中的地位。国内华为、阿里巴巴、百度、腾讯等知名企业均推出物联网系统解决方案和开放平台，国外的亚马逊、苹果、英特尔、高通等企业，也都从不同环节和层面布局物联网。

在生产层面，物联网对工业、农业影响深远。工业领域物联网技术应用场景极为丰富，基于物联网技术将各种具有传感、识别、处理、通信、驱动和联网功能的制造设备的无缝集成，实现远程监视、控制设备以及智能业务分析处理。比如通过RFID等技术对相关生产资料进行电子化标识，实现生产过程及供应链的智能化管理；利用传感器等技术加强生产状态信息的实时采集和数据分析，提升效率和质量，促进安全生产和节能减排；采用智能感知和嵌入式监测系统对生产过程或设备状态进行实时监控与故障预测，同时积累大量的工业数据并结合人工智能技术以便对工业设备的异常状态和剩余寿命进行分析及预测。农业领域物联网应用近年来同样受到广泛重视，通过物联网技术收集种植环境的温度、降雨量、湿度、风速、病虫害和土壤含量的数据，实现耕种智能处理和决策。甚至可以将物联网获得的数据应用于精确施肥、浇水、喷洒农药等工作，最大程度地减少风险和浪费，同时减少管理农作物所需的工作量。

在生活中，家居、交通、医疗健康等都是物联网的用武之地。家居领域物联网技术将信息技术与室内物品设施、人的室内生活、安全防护等各方面融合协同，推进家居和安防服务信息化、智慧化。交通领域物联网技术能够应用于车内和车外通信、智能交通控制、智能停车、电子收费系统、车辆管理控制等多种场景。医疗健康领域物联网技术随时随地检测患者有关病理参数，传输至诊断中心，进而实现健康状况的预警管理、实时诊断等功能。

总而言之，无论是生产过程还是日常生活，目前都可以看到物联网技术带来的创新性变革，而且物联网设备每天都在产生海量的数据，这些数据经过处理和清洗后，即可成为人工智能应用的优质训练数据，而训练出的人工智能应用模型可以重新部署在物联网应用系统之中，进而形成“数字化→网络化→信息化→智能化”的良性发展态势。从这个角度看，物联网是连接传统数字化和当前智能化的纽带，发挥着承前启后的重要作用，是工程技术人员系统性解决原有技术系统网络化改造或新建网络化应用系统的关键性技术，也似乎是工程技术人员系统性解决工程技术系统信息化或智能化的前置基础性技术。

1.2　物联网通信技术

通信技术是物联网应用中承上启下的关键性技术，本节对物联网常用通信技术进行概述，指出通信技术在物联网应用中举足轻重的地位，着重介绍物联网通信技术分类、常见物联网通信架构，以及常用物联网通信协议。

1.2.1　物联网通信技术分类

从某种程度上讲，一切数据通信技术的成果均可应用于物联网技术领域。实际上通信技术是物联网中最具有决定性因素的基础性核心技术之一。主要有如下两个原因。

一是通信技术的发展是物联网得以发展的前提，在物联网应用中具有承上启下的重要作用——向上对接各类服务和应用，向下与终端设备、传感器直接相连。从某种意义上讲，在物联网领域中，只有以精通物联网通信技术为突破口，才能具备系统级应用开发的可能性。

二是通信技术是物联网产品创新发展的需要。当前物联网领域硬件产品功能的同质化是一个非常普遍的现象，而物联网通信技术种类繁多，新型通信技术的引入总能给传统产品带来新的突破，有望使功能更加丰富的新型物联网产品诞生。

物联网涉及的通信技术复杂，种类众多，既有传统的通信组网技术，也有新兴的通信组网技术。主流应用一般都会综合使用传感网通信技术、互联网通信技术、移动通信技术等多种通信技术，因此，物联网通信技术一般具有显著的多网融合、多网协同的特点。其技术分类也有多种分类方法，如按照通信距离、按照通信介质、按照组网方式、按照频谱资源分类等。

由于篇幅所限，这里只介绍从通信介质的角度进行分类，将物联网通信技术分为有线通信技术和无线通信技术两大类。

1．有线通信技术

有线通信技术是指利用金属导线、光纤等有形的介质传送信息的技术。物联网有线通信技术起源于早期的计算机通信或者计算机网络通信技术。虽然各类文献中均认为物联网的主流通信技术为无线通信技术，但是有线通信技术至少在安全、性能、可靠性以及历史因素等方面具有不可比拟的优势，因此一些领域对传统有线通信技术依旧“不离不弃”，坚持使用。典型的有线通信技术如下。

● 串行通信技术：RS232、RS485等，是早期仪器设备广泛使用的通信技术。

● 载波通信技术：物联网中应用比较广泛的是电力载波通信技术。

● 网络通信技术：如以太网通信技术，即铺设网线，建设专用以太网进行数据通信。

2．无线通信技术

无线通信技术是指利用电磁波信号在空间中直接传播而进行信息交换的通信技术，进行通信的两端之间无须有形的介质连接。常见的无线通信方式有连接蓝牙设备、连接商用的移动通信网络、连接Wi-Fi热点、连接自组织传感网等。还有一些前沿的通信方式，如可见光通信和量子通信等。广泛使用的物联网无线通信技术主要分为两类。

● 近距离无线通信技术，如蓝牙、ZigBee、NFC、Wi-Fi等，它们的通信协议各异，特点是通信距离有限，但速率较快。

● 广域网无线通信技术，包括低功耗广域网（Low Power Wide Area Network，LPWAN）、移动通信技术的2G/3G/4G/5G通信技术、NB-IoT以及LORA、SigFox远距离无线通信技术。

1.2.2　常见物联网通信架构

通信技术是物联网中极其重要的一环，毕竟“物联网”这3个字中，“联网”指的就是通信。早期的物联网指的就是任何物体或者设备能够连接到互联网，后来则进一步发展到机器对机器（Machine to Machine，M2M），将物联网发展到物物相连的境界。而云计算的出现以及普及，才使得物联网的架构真正完整。只有掌握各类通信接口与通信架构，才能真正理解物联网运行和工作的原理，才能在众多通信技术中自由地选择恰当的通信技术实现物联网应用。

当前主流的通信架构根据通信过程主设备之间对应关系分为一对一、一对多、多对多3种典型通信架构，如表1-1所示。

表1-1　典型通信架构

总体上讲，通信架构无优劣之分，往往需要根据应用场景、设备数量的不同，选择合适的通信架构。

1.2.3　常用物联网通信协议

1．通信协议概念

通信协议是指通信各方完成通信或服务所必须遵循的规则和约定。通过通信信道和设备互连起来的分布在多个不同地理位置的数据通信系统，要使它们能协同工作，实现信息交换和资源共享，它们之间必须具有共同的语言。交流什么、怎样交流及何时交流，都必须遵循某种互相都能接受的规则。这个规则就是通信协议。

在计算机通信中，通信协议是用于实现计算机与网络连接的标准，网络如果没有统一的通信协议，计算机之间的信息传递就无法实现。通信协议指定通信各方事前约定的通信规则，可以简单地将其理解为各计算机之间进行会话所使用的共同语言。两台计算机在进行通信时，必须使用相同的通信协议。

通信协议主要由以下3个要素组成。

● 语法。即如何通信，包括数据的格式、编码和信号等级（表现为电平的高低）等。

● 语义。即通信内容，包括数据内容、含义以及控制信息等。

● 定时规则（时序）。即何时通信，明确通信的顺序、速率匹配和排序。

物联网通信协议一般分为两大类，一类是接入协议，另一类是通信协议。接入协议一般负责设备的组网接入方式（ZigBee、蓝牙、Wi-Fi等）；通信协议主要负责组网设备之间的数据交换及通信方式（TCP、UDP、HTTP、MQTT协议等）。

2．物联网应用中常用的通信协议

在物联网应用中，常用的通信协议（协议栈、技术标准）包括Modbus协议、TCP、UDP、HTTP、MQTT协议、CoAP等。

（1）Modbus协议。

通常认为Modbus协议只是使用串行方式进行通信的应用层协议标准，它并不包含电气方面的规范。Modbus协议最初是Modicon于1979年为使用可编程逻辑控制器（PLC）通信而提出的，后来衍生出Modbus RTU、Modbus ASCII和Modbus TCP这3种模式，前两种所用的物理接口是串行通信端口，后一种使用Ethernet接口。Modbus协议最初也是工业领域最受欢迎的通信协议之一，它采用主从（Master/Slave）方式通信，即一对多的方式连接，一个主控制器最多可以支持247个从属控制器。Modbus协议支持多种电气接口，如串口和Ethernet接口等，支持多种传输介质，如双绞线、光纤、无线等。Modbus协议帧格式简单、紧凑，通俗易懂，易开发、易用。但是网络规模有限，从属控制器数量限制了网络规模，而且安全性差，无认证、无权限管理，明文传输使得它在非受控环境下是非常有风险的。

（2）TCP

TCP（Transmission Control Protocol，传输控制协议）是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议。TCP支持多网络应用的分层协议层次结构，为计算机通信网络中互连的计算机中成对的进程之间提供可靠的通信服务。TCP实际上属于TCP通信协议簇中的一员，协议簇内还包括IP、UDP、ARP、ICMP等。TCP凭借其实现成本低、在多平台间通信安全可靠以及可路由性等优势迅速发展，并成为互联网中的标准协议。TCP通信过程中要求设备必须时刻保持连接状态，导致功耗比较大，限制了其使用的范围和场景。

（3）UDP

UDP（User Datagram Protocol，用户数据报协议）是一个无连接的传输协议，提供面向事务的简单、不可靠信息传送服务。当强调传输性能而不是传输的完整性时，UDP是最好的选择。UDP主要用于不要求分组顺序到达的数据传输的应用中，通常情况下音频、视频等多媒体数据传输时，多采用UDP通信方式。与TCP相比，UDP通信不需要连接，速度快，不需要应答，因此UDP更适合对功耗要求低、可靠性要求不算高的场合。

（4）HTTP。

HTTP（Hyper Text Transfer Protocol，超文本传送协议）是基于“客户端-服务器”模式，且面向连接的（建立在TCP之上）。典型的HTTP事务处理一般经历以下过程：客户端与服务器建立连接；客户端向服务器提出请求；服务器接受请求，并根据请求返回相应的文件作为应答；客户端与服务器关闭连接。HTTP缺点显著：必须由客户端主动向服务器发送请求，服务器无法主动通知客户端；要实现HTTP需要更多的硬件资源（硬件成本更高）。但是在跨系统整合应用中，HTTP不失为最简单的一种解决方案。

（5）MQTT协议。

MQTT（Message Queuing Telemetry Transport，消息队列遥测传输）协议是一个基于“客户端－服务器”的消息发布/订阅传输协议。MQTT协议简约、轻量，易于使用，特别适合带宽低、网络延迟高、网络通信不稳定等受限环境的消息分发；MQTT协议能在处理器和内存资源有限的嵌入式设备中运行，而且由于使用发布/订阅消息模式，提供一对多的消息发布，可以解除应用程序之间的耦合，因而在物联网应用中得以广泛应用。在某种程度上讲，MQTT协议俨然已经占据了物联网通信协议中的“半壁江山”。

（6）CoAP。

CoAP（Constrained Application Protocol）是一种在物联网世界的类Web协议，译为“受限应用协议”。CoAP网络传输层采用的是UDP。它基于REST（Representational State Transfer，描述性状态迁移），服务器的资源地址和互联网一样也有类似URL的格式，客户端同样用POST、GET、PUT、DELETE方法来访问服务器。CoAP可视为HTTP简化的结果。CoAP是二进制格式的，HTTP是文本格式的，CoAP比HTTP更加紧凑。CoAP具有轻量化的特点，CoAP最小长度仅4B。CoAP支持可靠传输、数据重传、块传输，能确保数据可靠到达。同时CoAP支持IP地址多播，即可以同时向多个设备发送请求，但是CoAP属于非长连接通信，适用于低功耗物联网场景。