基于移动互联平台的图书馆综合规划与仿真

题目：基于移动互联平台的图书馆综合规划与仿真Title:Integratedplanningandsimulationoflibrarybasedonmobileinterconnectionplatform引言移动互联网就是将移动通信和互联网二者结合起来，成为一体。是指互联网的技术、平台、商业模式和应用与移动通信技术结合并实践的活动的总称。4G时代的开启以及移动终端设备的凸显必将为移动互联网的发展注入巨大的能量，2014年移动互联网产业必将带来前所未有的飞跃。而在我国互联网的发展过程中，PC互联网已经日趋饱和，移动通信网却呈现井喷式发展。

仿真实验没有普通意义上实验的必备器材，而是在计算机上用仿真软件模拟现实的效果，用软件模拟实验条件是一条可行性非常高的路[1]。事实上，很多仿真实验软件早就开发出来了，在很多大学、全国重点高中、初中也已经应用开来。仿真软件用过图形化界面联系理论条件与实验过程，同时运用一定的编程达到模拟现实的效果。目前主要包括物理仿真实验、化学仿真实验以及生物仿真实验三种。

本次仿真实验是运用Com-Way移动互联创新开发平台智慧校园场景的图书馆场景搭建的移动互联项目，在图书馆场景的功能区上，分别搭建了移动互联网的传感器设备，将传感器设备与控制器、传输模块、传输网关相连，然后网关连接云端设备，构成了一个完整的移动互联网项目。图书馆综合实验搭建了温湿度监控项目、灯光控制项目、消防监控项目、图像监控项目。传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或者其他所需形式的信息传输，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制要求[2]。传感器的特点包括：微型化、数字化、智能化、多功能化、系统化、网络化。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。传输模块是利用无线技术进行无线传输的一种模块。它被广泛地应用于电脑无线网络，无线通讯，无线控制等领域。无线模块主要由发射器，接收器和控制器组成。无线传输模块的传输方式各式各样。比如：微波传输，能解决几公里甚至几十公里不易布线场所监控传输的解决方式之一；双绞线传输，也是视频基带传输的一种，将75Ω的非平衡模式转换为平衡模式来传输的；视频基带传输，是最为传统的电视监控传输方式，对0-6MHz视频基带信号不做任何处理，通过同轴电缆直接传输模拟信号；光纤传输，是解决几十甚至几百公里电视监控传输的最佳解决方式，通过把视频及控制信号转换为激光信号在光线中传输[3]。

路由器又称作网关设备，是用于连接多个逻辑上分开的网络，所谓逻辑网络是代表一个单独的网络或者一个子网。当数据从一个子网传输到另一个子网时，可通过路由器的路由功能来完成。因此，路由器具有判断网络地址和选择IP路径的功能，它能在多网络互联环境中，建立灵活的连接，可用完全不同的数据分组和介质访问方法连接各种子网，路由器只接受源站或者其他路由器的信息，属于网络层的一种互联设备。云端服务器就是一种简单高效、安全可靠、处理能力可以弹性伸缩的计算服务。其管理方式比物理服务器更加简单高效。云端服务器无需提前购买硬件，即可迅速创建或者释放任意多台云端服务器。云端服务器能够快速构建更加稳定、安全的应用，降低开发、运用和维护的难度和整体的IT成本。

在此次实验我们用到的传感器设备有温湿度传感器、光敏传感器、烟雾传感器、图像传感器；传输模块包括NB-IOT传输模块、UWB传输模块以及NFC传输模块；网关设备又包括NB-IOT网关、UWB网关以及路由器、控制器、云端服务器以及终端设备手机。

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设计要求

在移动互联仿真平台实验中，需要结合实验要求来搭建实验骨架（其中包括终端设、网关设备、传输设备以及传感设备等）。在一一对应的连接基础上进行拓扑图规划，建好拓扑图以后，再通过仿真软件建设虚拟目标设备，最后通过仿真手段分析该虚拟系统是否可以达到预期的实验效果。基本实验要求如下：

1、按照拓扑图在虚拟环境中连接设备，记住各个设备直接的对应接口；

2、连接拓扑图之间的设备，严格按照上一步虚拟设备的连接线进行连接；

3、验证实验结果，在验证实验结果时，需要观察各个传感设备显示的数据是否能和终端设备（手机）给出的指示保持一致。3方案论证分析本题，根据要求确定了本次仿真的拓扑图如图1所示：图1原理拓扑图图1原理拓扑图图2实验场景图图2实验场景图本实验楼综合实验是应用Com-Way移动互联创新开发平台在智慧校园场景的实验楼场景中图2实验场景图进行，在噪声监控功能区安装声敏传感器，在图像监控功能区安装图像传感器，在室温管理功能区安装温湿度传感器，在消防监控功能区安装烟雾传感器，并将各个传感器与其相应的控制器、传输模块、传输网关之间进行线缆的连接，为实现手机对智慧校园场景中各传感器的智能控制，需在信息中心中安装路由器、云端服务器、手机，然后网关通过路由器与云端设备相连，这样，在图书馆综合实验中搭建了温湿度监控项目、灯光控制项目、消防监控项目、图像监控项目，构成了一个完整的移动互联网项目。物理安装结束后对场景中的设备进行系统调试，参数配置，最后能用虚拟场景中的手机对各传感器进行实时控制，实验便已成功。图2实验场景图4设计原理本次仿真所用器件包括：烟雾传感器、图像传感器、温湿度传感器、光敏传感器、控制器、UWB传输模块、UWB网关、NBIOT传输模块，NBIOT网关，路由器、云端服务器和手机，具体操作配置如下。4.1传感器传感器是一种检测装置，能检测到被测量的信息，并能将检测到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求[4]。为了从外界获取信息，人们必须借助于感官，而随着新技术革命的到来，世界进入了信息时代，人体感官的局限性就限制了我们对世界的探索，而传感器的存在就相当于人类五官的延长，她让物体有了触觉、味觉和嗅觉等感官，让物体灵活生动起来。传感器具有以下几个特点：数字化、微型化、多功能化、智能化、系统化、网络化。要实现自动检测和自动控制都需要传感器。通常根据传感器的基本感知功能分为光敏元件、热敏元件、气敏元件、力敏元件、声敏元件、磁敏元件、湿敏元件、放射线敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大类。本实验需要烟雾传感器、图像传感器、温湿度传感器、光敏传感器这四种传感器，具体参数配置如下。首先对各个传感器的总线速率进行配置，烟雾传感器、图像传感器、温湿度传感器、光敏传感器总线速率分别为1024Kbits/s、1024Kbits/s、240Kbits/s、240Kbits/s，如图3所示：图3传感器总线速率配置4.2控制器控制器是指按照预定顺序改变主电路或控制电路的接线和改变电路中电阻值来控制电动机的启动、调速、制动和反向的主令装置[5]。由程序计数器、指令寄存器、指令译码器、时序产生器和操作控制器组成，它是发布命令的"决策机构"，即完成协调和指挥整个计算机系统的操作。完成传感器的的总线速率配置后，需要对各个传感器所对应的控制器进行控制参数配置，如图4中所示，控制器1、2、3、4对应的分别为光敏传感器、温湿度传感器、图像传感器、烟雾传感器的控制器，其总线速率分别为240Kbits/s、图4.1控制器控制参数配置240Kbits/s、1024Kbits/s、1024Kbits/s，如下图：图4.1控制器控制参数配置图4.2控制器控制参数配置图4.2控制器控制参数配置4.3传输模块（1）NB-IOT传输模块图5.1NB-IOT传输模块参数配置基于蜂窝的窄带物联网成为万物互联网络的一个重要分支。NB-IOT构建于蜂窝网络，只消耗大约180KHz的带宽，可直接部署于GSM网络、UMTS网络或LTE网络，以降低部署成本、实现平滑升级。NB-IoT是IoT领域一个新兴的技术，支持低功耗设备在广域网的蜂窝数据连接，也被叫作低功耗广域。NB-IoT支持待机时间长、对网络连接要求较高设备的高效连接。据说NB-IoT设备电池寿命可以提高至至少10年，同时还能提供非常全面的室内蜂窝数据连接覆盖。本次实验需要使用两种传输模块，其中光敏传感器和温湿度传感器采用NB-IOT传输模块，NB-IOT传输模块采用点对点的网络拓扑形式，节点类型为终端设备，总线速率为240Kbits/s，其中，NB-IOT传输模块中对应光敏传感器的用户号码为101，NBSIM卡号为460001234567801，对应温湿度传感器的用户号码为102，NBSIM卡号为460001234567802，在后期NBIOT网关的节点集配置中需要一一对应，具体参数配置如图5.1、5.2所示：图5.1NB-IOT传输模块参数配置图5.2NB-IOT传输模块参数配置图5.2NB-IOT传输模块参数配置（2）UWB传输模块图6UWB传输模块参数配置UWB是一种无载波通信技术，利用纳秒至微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据。有人称它为无线电领域的一次革命性进展，认为它将成为未来短距离无线通信的主流技术。总的来说，UWB在早期被用来应用在近距离高速数据传输，UWB又名超宽带。本次实验需要使用的另一种传输模块为UWB传输模块，对应的两种传感器分别为图像传感器和烟雾传感器，UWB传输模块采用点对点的网络拓扑形式[6]，节点类型为终端设备，总线速率为1024Kbits/s，节点地址为A1-B1-C1-D1，其中，UWB传输模块中对应图像传感器的用户号码为101，，对应烟雾传感器的用户号码为102，在后期UWB网关的节点集配置中需要一一对应，具体参数配置如图6所示：图6UWB传输模块参数配置4.3传输网关网关又称网间连接器、协议转换器。网关在网络层以上实现网络互连，是最复杂的网络互连设备，仅用于两个高层协议不同的网络互连。网关既可以用于广域网互连，也可以用于局域网互连。网关是一种充当转换重任的计算机系统或设备。使用在不同的通信协议、数据格式或语言，甚至体系结构完全不同的两种系统之间，网关是一个翻译器，网关对收到的信息要重新打包，以适应目的系统的需求，本次实验需要用到两种网关：NB-IOT网关和UWB网关，具体参数配置方法如下论述[7]。（1）NB-IOT网关图7NB-IOT网关参数配置完成传输模块的参数配置后，需要对相应的网关进行配置，NB-IOT网关采用点对点的网络拓扑形式，节点类型为网关设备，传输模块类型为NB,然后需要添加两个NB节点集，其中，节点集0对应NBIOT（光敏传感器）传输模块，其SN码与传输模块中自动生成的SN码一致，NBSIM卡号为460001234567801，用户号码为101；节点集1对应NBIOT（温湿度传感器）传输模块，其SN码与传输模块中自动生成的SN码一致，NBSIM卡号为460001234567802，用户号码为102。然后进行FE接口设置，端口模式选择tag，IP地址为,子网掩码为，网关为，VLAN为1，配置结果如图7所示：图7NB-IOT网关参数配置（2）UWB网关UWB网关采用点对点的网络拓扑形式，节点类型为网关设备，传输模块类型为UWB，然后需要添加两个UWB节点集，节点集0和节点集1，其中，节点集0对应UWB（图像传感器）传输模块，其SN码与传输模块中自动生成的SN码一致，节点地址为A1-B1-C1-D1，网络密钥为101；节点集1对应UWB（烟雾传感器）传输模块，其SN码与传输模块中自动生成的SN码一致，节点地址为A1-B1-C1-D1，网络密钥为102。然后进行FE接口设置，端口模式选择tag，IP地址为,子网掩码为，网关为，VLAN为1，配置结果如图8所示：图8UWB网关参数配置图8UWB网关参数配置4.4路由器路由器是一种计算机网络设备，它能选择数据的传输路径，这个过程称为路由。路由器就是连接两个以上各别网络的设备，它能根据信道的情况自动选择和设定路由，以最佳路径，按前后顺序发送信号。路由器是互联网络的枢纽，"交通警察"。目前路由器已经广泛应用于各行各业，路由器具有判断网络地址和选择IP路径的功能，它能在多网络互联环境中，建立灵活的连接，可用完全不同的数据分组和介质访问方法连接各种子网，路由器只接受源站或其他路由器的信息，属网络层的一种互联设备[8]。它不关心各子网使用的硬件设备，但要求运行与网络层协议相一致的软件。完成两个网关的参数配置后，进行路由器的相关配置，首先需要进行路由器端口配置，添加三个端，端口0、端口1和端口2。其中，端口0的端口类型选择FE，端口模式为tag，端口0对应的是NB-IOT网关，对端设备SN码与NB-IOT网关自动生成的SN码一致，IP地址为,子网掩码为，VLAN为1，；端口0的端口类型选择FE，端口模式为tag，端口1对应的是UWB网关，对端设备SN码与UWB网关自动生成的SN码一致，IP地址为,子网掩码为，VLAN为1；端口0的端口类型选择FE，端口模式为untag,端口1对应的是云端服务器，对端设备SN码与云端服务器自动生成的SN码一致，IP地址为,子网掩码为，最后设置路由器的WIFI参数，网络密钥为201，配置结果如图9所示：图9路由器参数配置图9路由器参数配置4.5云端服务器云端服务器就是一种简单高效、安全可靠、处理能力可以弹性伸缩的计算服务。其管理方式比物理服务器更加简单高效。云端服务器无需提前购买硬件，即可迅速创建或者释放任意多台云端服务器。云端服务器能够快速构建更加稳定、安全的应用，降低开发、运用和维护的难度和整体的IT成本。

完成路由器参数配置后，对云端服务器相关参数进行配置，首先进行硬件配置，添加FE0端口，端口类型选择FE，IP地址为,子网掩码为，网关为，具体配置结果如图10所示：图10云端服务器硬件配置图10云端服务器硬件配置然后需要添加4个传感器节点集：节点集0、节点集1、节点集2和节点集3，其中，节点集0对应传感器类型为光敏传感器，其SN码与光敏传感器自动生成的SN码一致[9]；节点集1对应传感器类型为温湿度传感器，其SN码与温湿度传感器自动生成的SN码一致；节点集2对应传感器类型为图像传感器，其SN码与图像传感器自动生成的SN码一致；节点集3对应传感器类型为烟雾传感器，其SN码与烟雾传感器自动生成的SN码一致，配置结果如图11.1、11.2所示：图11.1云端服务器（传感器节点集配置）图11.1云端服务器（传感器节点集配置）图11.2云端服务器（传感器节点集配置）图11.2云端服务器（传感器节点集配置）图12云端服务器（应用终端节点集配置）最后，需要添加一个应用终端节点集0，应用终端类型为手机，其SN码与手机自动生成的SN码一致，用户名为301，密码为301，配置结果如图12所示：图12云端服务器（应用终端节点集配置）4.6手机手机属于移动终端，是可以握在手上的移动电话机。早期因为个头较大有大哥大的俗称，目前已发展至4G时代。1973年4月，美国工程技术员“马丁·库帕”发明世界上第一部推向民用的手机，“马丁·库帕”从此也被称为现代“手机之父”。手机的分类具有智能手机和非智能手机两种，目前手机的操作系统大致有Android,IOS,Windows,Symbian等[12]。随着科技的快速发展，目前已经发展到4G时代，很快我们将迎来5G时代[13]。手机是用来验证我们本次虚拟仿真实验是否成功的重要工具，下面进行手机的相关参数配置，首先进行WIFI接口配置，端口类型选择WIFI，网络密钥为201，然后配置手机的注册信息，用户名为301，密码为301，具体配置结果如图13所示：图13手机参数配置图13手机参数配置5软件部分5.1开发工具介绍我们在本次实验中，运用的是Com-way移动互联虚拟仿真平台，接下来对这个仿真软件进行一个介绍。

首先，虚拟仿真(Virtual

Reality):仿真(simulation)技术，或称为模拟技术，就是用一个系统模仿另一个真实系统的技术。虚拟仿真实际上是一种可创建和体验虚拟世界(Virtual

World)的计算机系统。此种虚拟世界由计算机生成，可以是现实世界的再现，亦可以是构想中的世界，用户可借助视觉、听觉及触觉等多种传感通道与虚拟世界进行自然的交互。它是以仿真的方式给用户创造一个实时反映实体对象变化与相互作用的三维虚拟世界,并通过头盔显示器(HMD)、数据手套等辅助传感设备，提供用户一个观测与该虚拟世界交互的三维界面，使用户可直接参与并探索仿真对象在所处环境中的作用与变化，产生沉浸感[11]。

其次，移动互联是移动和互联网融合的产物，继承了移动随时随地随身和互联网分享、开放、互动的优势，是整合二者优势的“升级版本”，即运营商提供无线接入，互联网企业提供各种成熟的应用。

最后，Com-way移动互联虚拟仿真软件是具有场景、机房、配套设备机柜、设备接口、连接线等各种模块，我们可以灵活的选择场景进行设备安装、连接组网，完成实际通信系统项目的物理设备搭建。物理搭建完成以后，启动VR程序，通过虚拟仿真技术可以身临其境的观察并操作所有场景及设备。系统调试通过集中网管形式，展示全网模块组网、调试、验证、告警、信息协议的全过程。调试完成以后，启动设备，能够直观的查看网络运行状态，消息协议过程，在线实时告警等内容，从而实现灵活组网，项目化学习。6仿真结果数据分析系统安装和系统调试完毕之后，进行系统自检，根据报错修改完成后进行结果验证，需要对4个传感器加入函数波形并设置模型参数，开始实验，通过手机终端进行手动控制，给各个传感器预设两组数据，看智慧校园的图书馆场景中的传感器是否能够根据预设实时变化，若可以，则该模拟仿真实验成功。具体配置结果如下所示：6.1光敏传感器仿真过程首先给光敏传感器加入初始信号，数值分布模型选择线性分布模型，最小值为0，最大值为120，然后进行模型参数设置，对于线性分布模型（1）图14.1光敏传感器信号源生成图系数k设为1，系数b设为0，数据生成后如图14.1所示，开启光敏传感器对应的NB-IOT传输模块4，进行实验，得到模拟信号经过抽样量化后转化成数字信号的过程图，如图14.2所示:图14.1光敏传感器信号源生成图图14.2抽样量化过程图图14.2抽样量化过程图6.2温湿度传感器仿真过程首先给温湿度传感器加入初始信号，温度的数值分布模型选择线性分布模型，最小值为12，最大值为30，湿度的数值分布模型选择线性分布模型，最小值为0，最大值为100，然后进行模型参数设置，对于线性分布模型（2）系数k设为1，系数b设为0，数据生成后如图15.1所示，开启温湿传感器对应的NB-IOT传输模块3，进行实验，得到模拟信号经过抽样量化后转化成数字信号的过程图，如图15.2所示:图15.1温湿度传感器信号源生成图图15.1温湿度传感器信号源生成图图15.2抽样量化过程图图15.2抽样量化过程图6.3图像传感器仿真过程首先给图像传感器加入初始信号，数值分布模型选择线性分布模型，最小值为-60，最大值为60，然后进行模型参数设置，对于线性分布模型（3）系数k设为0.5，系数b设为-30，数据生成后如图16.1所示，开启图像传感器对应的UWB传输模块5，进行实验，得到模拟信号经过抽样量化后转化成数字信号的过程图，如图16.2所示:图16.1图像传感器信号源生成图图16.1图像传感器信号源生成图图16.2抽样量化过程图图16.2抽样量化过程图6.4烟雾传感器仿真过程首先给烟雾传感器加入初始信号，数值分布模型选择线性分布模型，最小值为0，最大值为2，然后进行模型参数设置，对于线性分布模型（4）系数k设为0.01，系数b设为0，数据生成后如图17.1所示，开启烟雾传感器对应的UWB传输模块4，进行实验，得到模拟信号经过抽样量化后转化成数字信号的过程图，如图17.2所示:图17.1烟雾传感器信号源生成图图17.1烟雾传感器信号源生成图图17.2抽样量化过程图1图17.2抽样量化过程图6.5手机验证结果图18手机对光强度的实时监控图通过虚拟场景中的手机对智慧校园内图书馆场景中的灯光光强度的环境变量进行实时控制，实验中，我选择了两组数据，分别将光强度设置为50cd(坎德拉）/㎡和1cd(坎德拉）/㎡，观察到实验室内光敏传感器显示的光强度值随预设值而实时变化，因此，图书馆综合实验中灯光控制项目仿真完成，具体仿真结果如图18所示：图18手机对光强度的实时监控图通过虚拟场景中的手机对智慧校园内图书馆场景中的空调进行控制，从而调整场景中的温湿度，实验中，我选择了两组数据，分别将温湿度设置为40℃和29RH％，10℃和9.9RH％观察到实验室内温湿度传感器显示的温湿度值随预设值而实时变化，因此，图书馆综合实验中温湿度控制项目仿真完成，具体仿真结果如图19所示：图19手机对温湿度的实时监控图图19手机对温湿度的实时监控图通过虚拟场景中的手机对智慧校园内图书馆场景中图像传感器的方位和俯仰进行控制，实验中，我选择了两组数据，分别将方位和俯仰度设置为方位15°和俯仰20°，方位50°和俯仰50°观察到实验室内图像传感器显示的方位和俯仰度值随预设值而实时变化，因此，图书馆综合实验中图像监控项目仿真完成，具体仿真结果如图20所示：图20手机对图像传感器的实时控制图图20手机对图像传感器的实时控制图图20手机对烟雾浓度的实时监控图通过虚拟场景中的手机对智慧校园内图书馆场景中的烟雾浓度进行控制，以便调整消防系统的工作，实验中，我选择了两组数据，分别将烟雾浓度设置为0.555mg/m³和0.1mg/m³观察到实验室内烟雾传感器显示的烟雾浓度值随预设值而实时变化，因此，图书馆综合实验中智能消防项目仿真完成，具体仿真结果如图21所示：图20手机对烟雾浓度的实时监控图7结束语通过几个月以来的忙碌和学习，本次毕业论文设计已接近尾声，在老师的指导和同学的帮忙之下，我对于本专业有了更多新的认知，对模拟仿真设计实验设计有了更深一步的了解，这让我对以后的深入学习有了更加清晰透彻的思路。通过毕业设计，让我对大学四年的所学得到了充分的利用，帮助我总结大学四年收获、认清自我。从最开始时的搜集资料，整理资料，撰写开题报告，再到到设计方案，方案筛选，确定方案，再到模拟仿真实验的设计与执行，每一步都是环环相扣，衔接紧密，其中任何一个步骤产生遗漏或者疏忽，就会对以后的设计带来很多的不便。本次实验通过使用软件虚拟仿真移动互联网项目，让学生在构建项目中学习移动互联网的知识，了解移动互联网设备是如何组网，连接，拓扑的；了解移动互联网设备的功能、关系；掌握移动互联网的基础知识。图书馆综合实验是应用Com-Way移动互联创新开发平台在智慧校园场景的图书馆场景