本书为“物联网工程实战丛书”的第6卷。书中从物联网工程的实际需求出发，阐述了物联网智能硬件开发及智慧城市建设的相关知识和理念，告诉读者物联网的发展方向和实际应用。本书共9章，第1章为智能硬件概述；第2章介绍了智能硬件的理论基础；第3章介绍了智能硬件开发之物联网网关的设计；第4章介绍了智能硬件开发之医疗设备研发；第5章介绍了智能硬件开发之机器人研发；第6章介绍了智慧校园的相关知识；第7章介绍了智慧工厂的相关内容；第8章介绍了智慧农业的相关内容；第9章介绍了智慧城市建设的相关内容。本书适合作为高等院校物联网工程、通信工程、网络工程、电子信息工程、微电子和集成电路等相关专业的教材，也适物联网协议的研究者和物联网操作系统的研发人员阅读。另外，本书还适合作为智慧城市建设等政府管理部门相关人员的参考读物。
广告语：
国内物联网工程学科的奠基性作品，一线研发工程师经验总结，涵盖智能硬件理论、智能网关设计、智能医疗设备研发、机器人研发、智慧校园、智慧工厂、智慧农业、智慧城市等
编辑推荐：
“物联网工程实战丛书”是由山东大学信息科学与工程学院高级工程师曾凡太策划，并组织国内物联网领域的一线研发工程师和高校教研人员编写的系列作品。丛书系统地介绍了物联网的各种开发工具、设计语言、研发平台和工程案例等内容，勾勒出了物联网工程的学科结构及其专业必修课的范畴，充分体现了工程专业“理论扎实，操作见长”的学科特色，可为相关院校的物联网工程课程设置提供参考，并对工业、农业、商贸、物流、交通和医疗等行业的物联网工程应用指明方向。
丛书全面、系统地阐述了物联网理论基础、电路设计、专用芯片设计、物联网协议、物联网操作系统、云服务平台构建、智能硬件设计、物联网工程实践和智慧城市建设等内容，勾勒出了物联网工程的学科结构及其专业必修课的范畴，可以为相关院校的物联网工程课程设置提供参考。
丛书从硬件电路、芯片设计、软件开发、协议转换，到智能硬件研发（小项目）和智慧城市建设（大工程）等内容，都用了大量篇幅进行阐述。丛书系统地介绍了各种开发工具、设计语言、研发平台和工程案列等内容。充分体现了工程专业“理论扎实，操作见长”的学科特色，并对工业、农业、商贸、物流、交通和医疗等行业的物联网工程应用指明了方向。
丛书推出以下6卷：
《物联网之源：信息物理与信息感知基础》
《物联网之芯：传感器件与通信芯片设计》
《物联网之魂：物联网协议与物联网操作系统》
《物联网之云：云平台搭建与大数据处理》
《物联网之智：智能硬件开发与智慧城市建设》
《物联网之雾：基于雾计算的智能硬件快速反应与安全控制》
计算机\网络
“物联网工程实战丛书”系统地阐述了物联网的理论基础、工程实践和行业应用。丛书是多位一线物联网研发人员和教学人员的经验总结，是一套优秀的物联网专业教材，也是物联网研发工程师产品研发和项目规划的实践指南。丛书对于普及物联网知识和推动物联网技术进步有很大价值，对于青年学生和工程技术人员学习物联网技术大有助益。
——山东大学教授 赵世民
本书深入浅出地阐述了智能硬件的理论基础、研发条件及联网协议，并阐述了智能硬件在构建智能机器人、智慧农业、智慧校园、智慧医疗和智慧城市等领域的应用前景，是一本很好的物联网技术读物。本书适合物联网领域从事智能硬件开发和智慧城市建设等相关技术人员阅读，也适合已经具备物理、电子和网络基础知识的高校高年级学生阅读。
——青岛大学物理科学学院院长 黄家寅
物联网的智能
生物颅骨内的大脑通过视觉、听觉、嗅觉、味觉和触觉等感知通道获得对世界的统一感知，这是生物（人类）智能的源头，涉及意识、自我、心灵和精神等方面。
自然界中有一些奇妙的群体行为现象，如大雁在飞行时自动排成人字形，蝙蝠在洞穴中快速飞行却可以互不碰撞。对于这些现象的一种解释是，群体中的每个个体都遵守一定的行为准则，当它们按照这些准则相互作用时就会表现出复杂的群体智能行为。
物联网的智能表现为网络的决策判断类人脑思维，而网络的控制调节类人体行为。物联网的智能包括但不限于以下几个方面：
* 大数据智能：研究数据驱动与知识引导相结合的人工智能新方法，包括以自然语言理解、图形图像识别为核心的认知计算理论和方法，以及以深度学习与推理、数据驱动与检索为基础的人工智能数学模型与理论。
* 跨媒体智能：借鉴生物感知背后的信号及信息表达和处理机理，对外部世界蕴含的复杂结构进行高效表达和理解，通过跨媒体分析和推理，把数据转换为智能，构造模拟和超越生物感知的智能芯片和系统。
* 群体智能：群居性生物表现出来的智能行为。群居生物能够在环境中表现出自主性、反应性、学习性和自适应性等智能特性。由众多简单个体组成的群体，通过相互之间的简单合作表现出复杂的智能行为。简单个体是指单个个体只具有简单的能力或智能，简单合作是指个体与其邻近的个体进行简单的直接通信或间接通信，从而可以相互影响，协同动作。
* 类脑智能：使机器具有人类的认知能力，让机器能像人类一样思考。类脑智能就是以计算建模为手段，受脑神经机理和认知行为机理启发，并通过软硬件协同实现的机器智能。
智能的物联网
* 物联网：把所有物品通过信息传感设备与互联网连接起来，进行信息交换，即物物相连，以实现智能化识别和管理。
* 智能物联网：由智能硬件把所有物品连接起来，以类人的方式与其交互，形成种类繁多的智能物联网。
* 智能硬件：使用者与产品的交互方式近似于人与人之间的交互方式的硬件产品。
* 人工智能：对人的意识、思维过程进行模拟，研发用于模拟和扩展人类智能的理论、方法及其应用技术。
* 智能物联网技术：从知识管理、知识表达、知识推理、智能计算和机器学习等方面形成系统的、综合的物联网智能技术体系。
智能物联网用于但不限于以下领域：
* 智能家居：运用智能硬件和物联网技术将家居生活中的各种子系统有机结合起来，并通过统筹管理让家居生活更舒适、方便、有效与安全。
* 智慧交通：以智慧路网、智慧出行、智慧装备、智慧物流和智慧管理为重要内容，以信息技术高度集成、信息资源综合运用为主要特征的大交通发展新模式，是在云计算、物联网、大数据、金融科技和区块链等领域的融合中倾力打造的高端智慧交通整体解决方案。
* 智能电网：集传感、通信、计算、决策与控制为一体，通过获取电网节点资源和设备的运行状态进行控制管理和电力调配，实现能量流、信息流和业务流的高度一体化，从而提高系统运行的稳定性、安全性和可靠性，并提高用户供电质量和可再生能源的利用效率。
* 智慧城市：运用信息技术手段感测、分析和整合城市运行核心系统的各项关键信息，对包括民生、环保、公共安全、城市服务和工商业活动在内的各种需求做出智能响应，实现城市智慧式管理和运行，从而为人们创造更加美好的生活提供支持。
智能物联网还应用于智能医疗、智能农业、智能安防、智能建筑、智能水务、智能商业和智能工业等领域。
物联网的春天
物联网的智能提出了物联网建设和运营的网络性能新要求。智能的物联网提出了网络拓扑、部件优化和通信协议升级的网络部署新架构。当年，互联网的普及如春风一般迅速吹绿了大地。如今，物联网还未普及，其离“百花盛开”的春天还有些时日。对于物联网建设、推广和普及的科研单位、研发机构和运营企业来说任重道远，路阻且长。这让我想起了那句妇孺皆知的名言：“冬天到了，春天还会远吗？”
关于本书
本书是“物联网工程实战丛书”的第5卷——《物联网之智：智能硬件开发与智慧城市建设》。书中系统介绍了智能硬件的理论知识及相关技术与应用，并对智慧校园、智慧工厂、智慧农业和智慧城市等相关内容做了介绍。
曾凡太
于山东大学
丛书序
序言
第1章 智能硬件概述 1
1.1 智能硬件定义 1
1.2 物联网的市场空间 3
1.3 智能硬件创业机遇与挑战并存 4
1.4 智能硬件发展趋势 6
1.4.1 智能硬件产品问题分析 7
1.4.2 智能硬件行业分析 9
1.4.3 智能硬件的未来 13
1.5 智能硬件创业策略 14
1.5.1 寻找客户痛点 14
1.5.2 智能硬件研发选择 15
1.6 本章小结 16
1.7 本章习题 16
第2章 智能硬件理论基础 17
2.1 人工智能起源 17
2.2 人工智能发展 18
2.2.1 人工智能发展趋势 18
2.2.2 我国人工智能发展 20
2.3 大数据智能理论 23
2.4 跨媒体感知计算理论 24
2.5 混合增强智能理论 26
2.6 群体智能理论 29
2.7 自主协同控制与优化决策理论 33
2.8 高级机器学习理论 37
2.8.1 高级机器学习介绍 37
2.8.2 机器学习的研究范畴 38
2.8.3 机器学习的一些常见算法 39
2.8.4 物联网、人工智能与机器学习 42
2.9 类脑智能计算理论 45
2.9.1 类脑计划 48
2.9.2 类脑科学 49
2.9.3 类脑计算 50
2.9.4 类脑智能 51
2.9.5 类脑智能发展方向 53
2.10 量子计算与人工智能 55
2.11 人工智能关键共性技术 57
2.11.1 知识计算引擎与知识服务技术 57
2.11.2 跨媒体分析推理技术 59
2.11.3 群体智能关键技术 61
2.11.4 其他人工智能关键技术 62
2.12 人工智能产业 63
2.13 本章小结 65
2.14 本章习题 66
第3章 智能硬件之物联网网关设计 67
3.1 物联网网关概述 67
3.1.1 物联网网关的功能需求 67
3.1.2 智能物联网网关的发展 72
3.2 物联网通信协议 75
3.2.1 HTTP协议 75
3.2.2 CoAP协议 76
3.2.3 MQTT协议（低带宽） 77
3.2.4 DDS协议 77
3.2.5 AMQP协议 78
3.2.6 XMPP协议 78
3.2.7 JMS协议 79
3.3 物联网协议转换 80
3.3.1 协议转换方法 80
3.3.2 硬件设计案例 81
3.3.3 协议转换案例 82
3.4 物联网网关设计 85
3.4.1 设计方法 86
3.4.2 硬件设计 87
3.4.3 软件设计 88
3.4.4 层次结构 89
3.4.5 交互流程 91
3.4.6 系统实现 92
3.5 物联网网关应用 96
3.5.1 应用方向 96
3.5.2 应用实例 97
3.6 物联网网关参考设计 99
3.6.1 家用网关参考设计 99
3.6.2 能源网关参考设计 101
3.6.3 NXP网关参考设计 102
3.6.4 英特尔网关参考设计 103
3.7 本章小结 106
3.8 本章习题 106
第4章 智能硬件之医疗设备研发 107
4.1 概述 107
4.1.1 医疗仪器研发产业链 108
4.1.2 医疗器械智能化趋势 108
4.2 人工智能+医疗 110
4.2.1 人工智能+医疗发展简史 111
4.2.2 人工智能+医疗市场分析 111
4.2.3 人工智能+医疗发展约束 115
4.3 医用传感器 117
4.3.1 医用传感器的特征 117
4.3.2 医用传感器的用途 119
4.3.3 医用传感器的选择 122
4.3.4 医用传感器的研发 125
4.3.5 微型心率传感器 125
4.3.6 PET/CT图像传感器 127
4.3.7 MRI图像传感器 130
4.3.8 B超图像传感器 131
4.3.9 医用传感器发展趋势 132
4.4 智慧医疗 134
4.4.1 智慧医疗简介 134
4.4.2 健康管理 135
4.4.3 康复工程 136
4.4.4 无线监护远程医疗 137
4.5 可穿戴心率监护仪 142
4.5.1 可穿戴心电血压监护仪 142
4.5.2 健康监测智能手表 142
4.5.3 心率电导传感器 143
4.5.4 心率光敏传感器 144
4.5.5 心率测量干扰消除 146
4.5.6 可穿戴设备的功耗约束 148
4.6 健康监测智能手环 149
4.6.1 智能手环的制作 149
4.6.2 如何实现计步 150
4.6.3 硬件电路设计 150
4.6.4 MPU6050驱动设计 153
4.6.5 研发流程 155
4.6.6 客户端软件模块设计 157
4.6.7 手环系统设计 164
4.7 其他智能医疗设备 166
4.8 智能医疗设备发展趋势 168
4.9 本章小结 171
4.10 本章习题 171
第5章 智能硬件之机器人研发 172
5.1 概述 172
5.1.1 机器人系统组成 173
5.1.2 机器人是如何工作的 175
5.1.3 家庭自制机器人 178
5.1.4 人工智能机器人 180
5.1.5 经典机器人基础 181
5.2 智能机器人设计 183
5.2.1 机器人设计原则 183
5.2.2 机器人设计阶段 184
5.2.3 机器人手腕设计 186
5.2.4 机器人设计研究发展 191
5.3 智能机器人技术 192
5.4 智能机器人控制 195
5.4.1 机器人控制概述 196
5.4.2 工业机器人控制技术 197
5.4.3 驱动控制一体化 198
5.5 机器人传感器 203
5.5.1 运动传感器 203
5.5.2 机器人听觉 204
5.5.3 机器人触觉 208
5.5.4 机器人视觉 211
5.6 工业机器人设计 213
5.6.1 工业机器人基础知识 213
5.6.2 工业机器人的控制器 214
5.6.3 工业机器人的伺服系统 214
5.6.4 工业机器人的减速器 214
5.7 家用机器人设计 218
5.8 建筑机器人设计 219
5.8.1 建筑机器人的关键技术 219
5.8.2 建筑机器人产业发展的基本策略 222
5.9 智能机器人 223
5.9.1 智能机器人分类 223
5.9.2 智能机器人关键技术 225
5.9.3 智能机器人发展趋势 227
5.9.4 更具智慧的工业机器人 227
5.10 机器人研究前沿 228
5.10.1 机器人设计方法与共性技术 228
5.10.2 机器人认知与行为控制 229
5.10.3 机器人人机交互与和谐共存 230
5.10.4 机器人及机电一体化系统集成 231
5.11 本章小结 231
5.12 本章习题 231
第6章 智慧校园 232
6.1 概述 232
6.2 智慧校园——智能管理 234
6.3 智慧校园——公共服务 237
6.4 智慧校园——信息安全 239
6.5 智慧校园——智能教学 242
6.5.1 智慧教学环境 243
6.5.2 智慧教学资源 244
6.6 智慧校园——智能实验 245
6.6.1 背景与需求 245
6.6.2 设计目标 246
6.6.3 智慧实验室系统拓扑 247
6.6.4 智慧实验室功能设计 248
6.6.5 智慧实验室硬件部分设计方案 253
6.6.6 智慧实验室云服务 256
6.6.7 智慧实验室系统优点 256
6.7 智慧校园——生态健康 257
6.8 中小学智慧校园解决方案 259
6.8.1 概述 260
6.8.2 中小学智慧校园解决方案整体设计 260
6.8.3 中小学智慧校园系统平台功能 262
6.8.4 移动智慧校园 263
6.8.5 智慧校园门户 264
6.8.6 智慧办公管理 265
6.8.7 智慧资源管理 267
6.8.8 智慧教学活动 268
6.8.9 教师专业发展 268
6.8.10 学生个性发展 269
6.8.11 智慧家校 270
6.8.12 智慧终端 270
6.8.13 智慧管控系统 271
6.9 本章小结 272
6.10 本章习题 272
第7章 智慧工厂 273
7.1 概述 273
7.1.1 智慧工厂的实现技术 273
7.1.2 智慧工厂的特征 275
7.2 智慧工厂结构 276
7.2.1 系统套件 276
7.2.2 雾计算平台 278
7.2.3 边缘计算平台 278
7.2.4 工业网关概述 278
7.3 智慧工厂方案 280
7.3.1 智慧工厂管理 280
7.3.2 系统解决方案 281
7.3.3 智慧工厂产品 283
7.4 智慧工厂管理 285
7.4.1 管理信息化 285
7.4.2 生产管理 287
7.4.3 设备管理 287
7.4.4 物料管理 287
7.5 智慧工厂案例 288
7.5.1 智能工厂案例1——福耀玻璃 288
7.5.2 智慧工厂案例2——华星光电 290
7.5.3 智慧工厂案例3——海尔卫玺 291
7.6 智慧工厂发展趋势 293
7.7 本章小结 295
7.8 本章习题 296
第8章 智慧农业 297
8.1 农业物联网的定义 297
8.2 发展农业物联网的意义 298
8.2.1 发展农业物联网的政策机遇 298
8.2.2 农业物联网加速传统农业的改造升级 298
8.3 农业物联网的体系架构 299
8.3.1 基础感知层 300
8.3.2 信息传输层 300
8.3.3 终端应用层 300
8.4 农业物联网关键技术 300
8.4.1 农业信息感知技术 301
8.4.2 农业信息传输技术 302
8.4.3 农业信息处理技术 302
8.5 农业物联网的应用 303
8.5.1 智能节水灌溉方面 304
8.5.2 设施农业方面 305
8.5.3 大田精细种植方面 306
8.5.4 畜禽养殖方面 306
8.5.5 水产养殖方面 307
8.5.6 农产品质量安全追溯方面 308
8.5.7 病虫害防控方面 308
8.6 农业物联网的发展趋势及前景展望 309
8.7 农业信息感知技术 309
8.7.1 农业信息感知概述 310
8.7.2 农业信息感知技术结构框架 310
8.7.3 土壤信息传感技术 311
8.7.4 农业动植物生理信息传感技术 313
8.7.5 农业水体信息传感技术 314
8.7.6 农业气象信息传感技术 315
8.7.7 农业遥感技术 315
8.7.8 农业个体识别技术 316
8.7.9 农业导航技术 318
8.8 农业信息传输技术 319
8.8.1 农业信息传输概述 319
8.8.2 农业信息传输技术结构框架 319
8.8.3 农业有线传输技术 320
8.8.4 农业无线传输技术 320
8.9 农业信息处理技术 321
8.9.1 农业信息处理的关键技术 321
8.9.2 农业信息处理技术结构框架 322
8.9.3 农业预测技术 323
8.9.4 农业预警技术 324
8.9.5 农业智能控制技术 324
8.9.6 农业智能决策技术 325
8.9.7 农业诊断推理技术 326
8.9.8 农业视觉信息处理技术 326
8.10 农业物联网的应用案例 327
8.10.1 大田种植物联网应用案例 327
8.10.2 设施园艺物联网应用案例 328
8.10.3 农产品溯源物联网应用案例 329
8.10.4 桑蚕养殖物联网应用案例 330
8.10.5 防病虫害物联网应用案例 330
8.11 本章小结 331
8.12 本章习题 331
第9章 智慧城市建设 332
9.1 概述 332
9.1.1 智慧城市治理理念 334
9.1.2 智慧城市建设重点 335
9.2 智慧城市设计 336
9.2.1 智慧城市技术架构 337
9.2.2 智慧城市设计原则 338
9.2.3 智慧城市架构设计 339
9.2.4 智慧城市设计流程 341
9.2.5 智慧城市大脑模型 342
9.3 城市指挥中心 344
9.4 城市物联网 348
9.4.1 智慧城市中的物联网建设 351
9.4.2 物联网技术体系 355
9.4.3 产业链条与应用案例 355
9.5 城市公共事业 356
9.5.1 智慧城市公共事业 356
9.5.2 智慧城市四表联抄 358
9.5.3 智慧照明管理系统 360
9.5.4 智慧照明云雾体系 362
9.6 城市生态宜居 364
9.6.1 城市生态环境现状 364
9.6.2 生态治理与国家法规 365
9.6.3 生态环保云上督察 366
9.6.4 大气污染防治现状 367
9.6.5 城市环境检测指标 368
9.6.6 生态环境治理方案 369
9.7 城市智慧社区 374
9.8 本章小结 377
9.9 本章习题 377
