前言

近年来，计算机技术、网络通信技术的发展，促使物联网技术得以迅猛发展，并在交通、工业、农业、医疗领域得到广泛应用，深度融入人们的日常生活，如身边的共享单车、智能手环、智能水/电/气表、扫码点餐系统。设计并实现一个物联网系统，涉及大量的硬软件开发知识，内容涵盖从终端感知到云端服务的完整技术链条，俗称“全栈开发”，学习曲线较为陡峭。高校“物联网工程”本科专业教学计划为此设置了模电、数电、传感器、计算机组成、通信、编程语言、网络、嵌入式系统、操作系统、数据库、射频识别、无线传感、物联网识别、控制原理、云计算与大数据、信息安全等大量课程，从不少学生毕业设计的实际效果来看却不甚理想。降低教学难度，让学生能将前期众多课程内容有机融合，是作者编写本书的初衷。

实际应用场景中的物联网系统是复杂多样的。但在许多应用场景中，物联网可看作遥测遥控概念在互联网时代的大规模扩展及智能化升级，传统遥测遥控系统在网络通信和云平台的加持下，所诞生的物联网就是一个“大号的”智能化遥测遥控系统，物联网系统=遥测遥控+网络通信+云平台。正因如此，书中引入物联网通信协议以针对具有窄带低码率和不稳定特点的物联网络信道，引入通信五元组以保障物联网数据接入的安全，引入物模型以方便物联网海量数据的处理。书中在介绍物联网系统相关理论后，以实际案例详细介绍了快速搭建一个物联网系统的实用方法和技术细节，学生可在课堂上、实验室，甚至寝室完成“传感器→物联网→手机显示”的遥测过程和“手机操控→物联网→执行器”的遥控过程。书中给出的硬件电路和软件代码均经作者反复验证，读者可直接使用。书中实验设计时，充分考虑到了许多高校的实验条件和学生个人的经济能力，均选用低成本硬件方案，所涉及的元件器材均可在网上采购获得。

本书的主要内容如下： 

第1章 物联网概述，主要介绍物联网发展史、物联网定义以及物联网系统构成等。

第2章 MQTT通信协议，主要介绍MQTT协议、报文构成、MQTT协议与其他物联网通信协议的区别。

第3章 物联网云平台，主要介绍云平台定义、云平台构成、物模型、通信五元组，对腾讯物联网云平台和阿里物联网云平台的使用方法进行了详细介绍。

第4章 你的第一个物联网系统，主要介绍MQTT.fx和MQTT.X两种设备接入端模拟器的安装使用方法。选用两种模拟器中的任一种，可在不需设备端硬件情况下完成模拟器与手机端的布尔数或者浮点数的遥测遥控实验。

第5章 Arduino开源硬件、传感器和通信模块，主要介绍两种Arduino板卡、温度/GPS传感器、WiFi/NBIoT两种通信模块的工作原理与使用方法。

第6章 Arduino IDE开发软件，主要介绍开发软件的安装、使用、程序结构、库资源、Arduino程序语言与C语言的区别。

第7章 利用腾讯云和Arduino开源硬件搭建物联网系统，主要介绍在内置WiFi的Arduino板上实现布尔数和浮点数的遥测遥控实验。

第8章 利用阿里云和NBIoT/WiFi通信模块搭建物联网系统，主要介绍AT指令、外置NBIoT通信模块、外置WiFi通信模块的使用方法。

第9章 基于物联网平台的GPS/BD定位系统实现，主要介绍卫星定位原理、地图加偏、腾讯云/阿里云/百度云上的地图定位实验。

第10章 物联网云平台的规则引擎，主要介绍规则引擎的概念、构成、工具、应用实例。

在“物联网系统设计”课程的教学过程中，因各高校的课程设置、教学计划、学生具体情况的不同，可对课程教学内容做适量调整。该课程基本要求宜涵盖第1~7章内容。如课时充裕、学生动手能力较强，可增加第8章内容。第9章和第10章内容可放在课程综合实验中完成。可让学生先期利用课余时间完成书中实验，以达到节省课时、提高效率之目的。也建议在最初的“物联网概论”课程中加入第4章内容，让学生“干中学”，培养学生的动手能力和专业技能，并从中获得成就感，充分调动和激发学生的学习兴趣。通过搭建简易的物联网系统，使学生对物联网系统全貌有所了解，为后续课程的学习打下基础。

本书由赵刚和周坤明编著，赵刚统稿。由衷感谢近两年来在实验室工作的熊奇瑞、潘艳萍、王雅雯、薄昕霞、唐仁西、游俊峰、高启群、吴坤源、陈以理、吕欣阳、郭明美、陈雅宁、韩淑敏、王晓军等同学，他们先后参与过实验的软/硬件调测、图文编排等工作。本书撰写过程中得到了杭州映云科技有限公司余仕帆工程师、广州市风标电子技术有限公司梁树先经理、NI西南分销公司李兴隆经理的热情支持，出版过程中得到了清华大学出版社文怡编辑的大力帮助，在此一并表示感谢。

由于作者水平有限，书中难免存在不妥之处，恳请各位专家和读者批评指正，并提出宝贵意见。

作者

2025年12月