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文档简介

物联网技术与应用2025年物联网开发专项突破试卷考试时间:______分钟总分:______分姓名:______一、简答题(每题5分,共20分)1.请简述物联网三层架构中,感知层的主要功能和技术构成。2.MQTT协议有哪些主要特点?它与HTTP协议在物联网应用中相比有哪些优势?3.在物联网开发中,进行低功耗设计通常需要考虑哪些关键因素?4.请列举至少三种在物联网应用中常见的传感器类型,并简述其基本原理。二、编程题(每题25分,共50分)1.假设你正在开发一个智能家居温湿度监测系统。现需要使用C语言(或Python)编写代码,实现以下功能:*模拟从温湿度传感器(如DHT11)读取当前的温度值(整数)和湿度值(整数)。*将读取到的温度和湿度值通过MQTT协议发送到指定的云平台主题(例如,“home/传感器/温湿度”),其中消息格式为JSON,如`{"temperature":25,"humidity":60}`。*请写出核心的代码实现部分,包括传感器数据读取模拟、MQTT客户端连接、发布消息等关键步骤。你需要说明所使用的MQTT库(如PahoMQTT)的基本用法,并描述关键函数的功能。2.设想一个场景:你需要开发一个简单的物联网设备管理功能,用于在本地网络中搜索并注册新加入的设备。请使用C语言(或Python)编写代码片段,实现以下一个或多个功能点(选择其中两个完成即可):*a)使用Bonjour(或mDNS)协议扫描本地网络中发布特定服务(如“物联网设备”)的设备。*b)对于找到的设备,通过HTTPGET请求获取其设备信息(假设设备提供一个RESTfulAPI接口`/api/device/info`返回设备ID和名称)。*c)将获取到的设备信息存储在一个简单的数据结构(如数组或列表)中,并打印出来。*请写出实现所选功能点的核心代码逻辑。三、综合应用题(25分)你正在为一个智慧农业项目设计一个土壤监测子系统。该系统需要监测土壤的温湿度、光照强度和pH值,并将数据上传到云平台。请简述该子系统的整体设计思路,包括:1.硬件选型:列出至少三种所需的核心传感器,并说明选择理由。2.架构设计:描述系统的整体架构,包括感知层(传感器节点)、网络层(数据传输方式,如WiFi,LoRa等)和平台层(数据存储与处理)的基本组成。3.关键功能实现:说明如何实现传感器数据的采集、数据的无线传输以及至少一项基于云平台的数据处理或报警功能(例如,当土壤湿度低于阈值时触发报警)。试卷答案一、简答题1.感知层是物联网的底层,负责采集物理世界的信息。其主要功能包括感知、识别、定位、采集和测量等。技术构成通常包括各种传感器(如温度、湿度、光照、运动传感器等)、执行器、RFID标签、摄像头、GPS定位系统、微控制器(MCU)以及相关的数据采集器和边缘计算设备等。2.MQTT协议的主要特点包括:基于发布/订阅(Pub/Sub)模式、支持遗嘱(Will)机制、支持QoS服务质量等级、连接状态保持、轻量级、可扩展性好。相比HTTP协议,MQTT在物联网应用中的优势体现在:连接建立开销小、占用网络资源少、适合低带宽和不可靠的网络环境、支持离线消息、消息传输效率高,更适合设备数量庞大、消息频次高、对网络资源敏感的物联网场景。3.物联网开发中进行低功耗设计通常需要考虑:选择低功耗硬件(如低功耗MCU、传感器、通信模块);采用省电模式(如MCU的睡眠/休眠模式、通信模块的省电模式);优化软件算法,减少CPU运算时间;选择合适的通信协议和频率(如使用LoRaWAN、NB-IoT等);优化数据采集和传输策略(如降低采样频率、数据压缩、批量传输);利用能量收集技术(如太阳能、振动能)为设备供电。4.常见的传感器类型及其基本原理:温度传感器(如热敏电阻、NTC/PTC、DS18B20,原理基于材料电阻随温度变化;或热电偶,原理基于塞贝克效应);湿度传感器(如电容式、电阻式,原理基于材料电容或电阻随湿度变化);光照传感器(如光敏电阻、光敏二极管/三极管,原理基于材料电阻或产生的光电流随光照强度变化);运动传感器(如PIR(被动红外),原理基于探测人体红外辐射变化;或超声波,原理基于声波发射与接收时间差测距离/运动)。二、编程题1.```c//伪代码/C语言示例(使用伪代码和库函数说明)//假设使用PahoMQTTC客户端库#include<mqtt_client.h>//伪代码,实际库可能不同#include<json.h>//伪代码,用于构建JSON//函数声明intread_sensor_data(int*temperature,int*humidity);//伪函数,模拟读取传感器voidon_connect(structmqtt_client*client,intreason_code);//连接回调voidon_publish(structmqtt_client*client,intreason_code);//发布回调intmain(){inttemperature,humidity;structmqtt_clientclient;chartopic[]="home/传感器/温湿度";charmessage_json[100];structjson_object*jobj;//1.初始化MQTT客户端mqtt_client_init(&client,"client_id",MQTT_HOST,MQTT_PORT);//2.设置回调函数mqtt_client_set_connect_callback(&client,on_connect);mqtt_client_set_publish_callback(&client,on_publish);//3.连接MQTT服务器mqtt_client_connect(&client);//4.读取传感器数据if(read_sensor_data(&temperature,&humidity)==0){//5.构建JSON消息体json_object_init(&jobj,JSON_OBJECT);json_object_object_add(jobj,"temperature",json_object_new_int(temperature));json_object_object_add(jobj,"humidity",json_object_new_int(humidity));json_object_to_string(jobj,(char)&message_json);//6.发布消息mqtt_client_publish(&client,topic,message_json,strlen(message_json),1);//QoS=1}//7.断开连接(示例中简化处理)mqtt_client_disconnect(&client);json_object_put(&jobj);//释放JSON对象内存return0;}//伪函数:模拟读取传感器数据intread_sensor_data(int*temperature,int*humidity){//模拟读取逻辑*temperature=25;//假设温度值*humidity=60;//假设湿度值return0;//假设成功}//连接回调示例voidon_connect(structmqtt_client*client,intreason_code){if(reason_code==0){printf("Connectedsuccessfully\n");}else{printf("Connectfailed,reasoncode:%d\n",reason_code);}}//发布回调示例voidon_publish(structmqtt_client*client,intreason_code){if(reason_code==0){printf("Messagepublishedsuccessfully\n");}else{printf("Publishfailed,reasoncode:%d\n",reason_code);}}```解析思路:*题目要求:实现温湿度读取并通过MQTT发送JSON格式消息。*核心步骤:读取->JSON化->MQTT连接->发布。*技术点:C语言/Python编程、MQTT协议、JSON格式、传感器数据接口。*实现:首先模拟或调用函数读取温湿度数据。然后使用JSON库(或字符串拼接)构建符合要求的JSON消息体。接着初始化MQTT客户端,设置连接和发布回调。建立连接后,使用MQTT客户端的发布函数将JSON消息发布到指定主题。最后断开连接并清理资源。需要说明关键MQTT库函数(如`mqtt_client_init`,`mqtt_client_connect`,`mqtt_client_publish`)的基本作用。2.```python#Python伪代码示例importsocket#用于mDNS/Bonjour(简化示例)importrequests#用于HTTP请求importjson#用于解析JSON#伪函数:扫描本地网络并发现发布特定服务的设备(简化为列表)defdiscover_devices(service_name="物联网设备"):#实际中应使用Bonjour库或操作系统命令#这里简化为硬编码几个设备地址devices=[{"ip":"01","port":5353},{"ip":"05","port":5353},]returndevices#伪函数:获取设备信息(简化为返回固定数据)defget_device_info(device_ip):#实际中应发送HTTPGET请求return{"device_id":"Dev123","device_name":"SensorNode_A"}#伪数据defmain():devices=discover_devices()device_info_list=[]fordeviceindevices:ip=device["ip"]port=device["port"]#假设服务在端口5353try:#2b)发送HTTPGET请求获取设备信息response=requests.get(f"http://{ip}:{port}/api/device/info")ifresponse.status_code==200:info=response.json()#解析JSON响应体print(f"Founddevice:{info['device_name']}at{ip}")#2c)存储信息device_info_list.append(info)else:print(f"Failedtogetinfofrom{ip},statuscode:{response.status_code}")exceptrequests.exceptions.RequestExceptionase:print(f"Errorcommunicatingwith{ip}:{e}")#打印所有获取到的设备信息ifdevice_info_list:print("\nAlldiscovereddevices:")forinfoindevice_info_list:print(json.dumps(info,indent=2))#格式化打印JSONif__name__=="__main__":main()```解析思路:*题目要求:实现基于Bonjour/mDNS的设备发现、HTTP请求获取信息并存储。选择两个点完成。*核心步骤(选择a+b):发现设备->对每个设备发送HTTP请求->解析响应并存储。*技术点:Python编程、mDNS/Bonjour(设备发现)、HTTP客户端(requests库)、JSON处理。*实现:首先需要一个函数来模拟或真实实现设备发现逻辑(这里简化为返回IP列表)。然后遍历发现的设备,对每个设备地址,使用`requests.get`发送HTTPGET请求到指定接口。接收响应后,检查状态码,如果成功(如200),则解析JSON格式的响应体,提取设备信息,并将其存储在列表中。最后打印所有获取到的设备信息。需要说明`socket`或`Bonjour`库的用法(此处简化)、`requests.get`函数、`response.json()`方法。三、综合应用题1.硬件选型:*温度传感器:DHT11或DS18B20。DHT11成本低、集成度高,适合简单应用;DS18B20精度高、支持单总线,适合需要较高精度的场景。选择理由基于项目需求(如精度要求、成本预算)。*湿度传感器:DHT11(可配合DHT11温湿度传感器)或SHT20。同样考虑成本和精度。选择理由同上。*光照强度传感器:BH1750或光敏电阻。BH1750数字传感器精度稳定、接口简单(I2C);光敏电阻成本低、易于集成,但需要校准。选择理由基于接口需求和精度要求。*pH值传感器:pH电极传感器。理由是其专门用于测量土壤酸碱度,精度是关键指标。2.架构设计:*感知层(传感器节点):包含上述选型的温度、湿度、光照、pH传感器,以及必要的信号调理电路、电源管理模块和微控制器(MCU,如ESP32)。MCU负责采集各传感器数据,进行初步处理(如滤波、校准),并通过通信模块与网络层连接。*网络层:负责数据传输。可以选择Wi

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