太原理工大学物联网工程设计复习

物联网工程设计与需求工程

Aaron Shaw

物联网

物联网工程设计

一、

1.1物联网工程组织方式

【1】物联网工程通常有两种组织方式

1）政府工程：由政府拨款，这类工程一般具有示范性质。该类工程一般通过招标或直接指定或审批承担单位和负责人，并组织工程管理机构，自上而下组织实施。

2）普通商业工程：一般采用项目经理制，通过投标等方式获取工程承建权，组织施工

队伍，按照商业合同组织项目实施。

【2】组织机构

领导小组、总体组、技术开发组

1.2物联网工程设计目标

物联网工程设计的总体目标是在系统工程科学方法指导下，根据用户需求，设计完善的方案，优选各种技术和产品，科学组织工程实施，保证建设成一个可靠性高、性价比高、易于使用、满足用户需求的系统。

物联网设计的约束因素主要是来自于政策、预算、时间和技术等方面。

#对于政策约束：对于一个已经进行过但没有成功的类型项目，应当判断类型的情况是否有可能再次发生，采取什么方案才能避免。

#对于预算约束：对于因预算而使得所设计的物联网工程不能满足用户需求的情况，放弃设计工作并不是一种积极的态度。正确的做法是，在统筹规划的基础上，将物联网建设工作划分为多个迭代周期，同时将建设目标分解为多个阶段性目标，通过阶段性目标的实现，达到最终满足用户全部需求的目的，而当前预算仅用于完成当前迭代周期的建设目标。

#针对技术约束的对策：

?取消不能实现的需求。

?暂缓执行相关需求，等待设备或技术出现。

?组织力量或委托第三方研发，但存在不成功的风险。

?作为双方的课题进行试验性探讨。

1.4物联网工程设计生命周期：

1)可行性论证与分析

2)需求分析

3)总体方案设计

4)功能设计

5)设备选型。

6)系统集成

7)测试

8)管理与维护

*相比于软件工程，物联网需求还要考虑：

网络的伸缩性

硬件系统的可扩展性

二、需求分析

2.1筛选需求：

?该用户是否为目标用户

?该需求是否符合产品定位

?该需求是否能实现

2.4可行性研究报告

可行性研究报告主要内容要求以全面、系统的分析为主要方法，以经济效益为核心，围绕影响项目的各种因素，运用大量的数据资料论证拟建项目是否可行。

可行性报告一般包括以下内容：

1)投资必要性

2)技术可行性

3)财务可行性

4)组织可行性

5)经济可行性

6)社会可行性

7)风险因素及对策

三、网络设计

1、逻辑网络设计过程主要由以下四个步骤组成

?确定逻辑网络设计的目标。

?确定网络功能与服务。

?确定网络结构。

?进行技术决策。

2、

3、从物联网工程实施的角度来看为五层模型：感知层、接入层、汇聚层、骨干层（或核心层）、数据中心。

每一层特定的作用：

感知层实现对客观世界物品或环境信息的感知，在有些应用中还具有控制功能。

接入层为感知系统和局域网接人汇聚层/广域网或者终端用户访问网络提供支持。

汇聚层将网络业务连接到骨干网，并且实施与安全、流量负载和路由相关的策略

骨干层提供不同区域或者下层的高速连接和最优传送路径。

数据中心提供数据汇聚、存储、处理、分发等功能。

4、物联网设备选型的原则：

1)产品技术指标（设备选型的关键）

2)成本因素

3)原有设备兼容性

4)产品延续性（保证网络生命周期的关键因素）

5)设备可管理性

6)厂商的技术支持

7)产品的备品备件服务

8)综合满意度分析

四、数据中心设计

1、大数据特点：有价值、数量大、种类多、速度快

2、物联网数据特点：海量、多态、动态、关联

3、存储体系结构：DAS、NAS、SAN（P98）

①DAS技术（Direct Attached Storage, 直接附加存储），即直连方式存储。在这种方式中，存储是通过电缆直接连接服务器。I/O请求直接发送到存储设备。它依赖于服务器，其本身是硬件的堆叠，不带有任何存储操作系统。

DAS适用环境为：

1)服务器在地理分布上很分散，通过SAN和NAS在它们之间互联非常困难时；

2)存储系统必须直接连接到应用服务器上时；

3)包括许多数据库应用和应用服务器在内的应用，它们需要直接连接到存储器上。

②NAS技术（Network Attached Storage，网络附加存储），存储系

统不再通过I/O总线附属于某个特定的服务器或客户机，而是直接通

过

网

络

接

口

与

网络直接相连，由用户通过网络来访问。

③SAN 技术，SAN 是通过专用高速网络将一个或多个网络存储设备和服务器连接起来的专用存储系统，未来的信息存储将以SAN 存储方式为主。SAN 主要采取数据块的方式进行数据和信息的存储，目前主要使用用于以太网和光纤通道两类环境中。

4、云计算

思想是将桌面上的计算移到基于服务器集群和大型数据库商务面向服务的数据中心平台上进行，是的用户不需要单独购买、建设昂贵的系统，转而按需租用所需要的计算存储等服务。云计算的核

心是服务与租用。

按照类型的不同，云计算可分为基础设施及服务(IaaS)，平台及服务(PaaS)，软件及服务(SaaS)三

种基本形式。按照云计算使用范围不同，可以分为公有云和私有云。

云计算的核心技术之一是虚拟化，即将用户的需求组成虚拟的机器，映射（部署或调度）到物理机器上，使得用户感觉拥有物理的机器。但是记得物理机器是被众多用户共享的。

五、物联网安全设计

1、RFID使用过程的四个阶段：感应、选中、认证和应用

一个广义安全良好的RFID系统应该具备的特征：

1)正确性特征，要求协议保证真实的标签被认可

2)安全性特征，要求协议保证伪造的标签不被认可

3)隐私性特征，要求协议保证未授权条件下的标签不可被识别或跟踪

2、物联网安全管理

物联网信息安全管理包括风险管理、安全策略和安全教育。风险管理识别企业的资

产，评估威胁物联网资产的风险，评估假定这些风险成为现实时工程项目所承受的灾难和损失。通过降低风险(如安装防护措施)、避免风险、转嫁风险(如买保险)、接受风险(基于投入产出比考虑)等多种风险管理方式得到的结果来协助管理部门根据业务目标和业务发展特点制定物联网安全策略。

六、软件工程基础

1、瀑布模型

瀑布模型的特点：

阶段间具有顺序性和依赖

性

推迟实现的观点

2、可行性研究

目标：以最小的代价，在最短的时间内，确定所定义的问题是否值得解决，在预定的规模内是否有可行解。

1）经济可行性：项目成本估算、成本/效益分析、投资回收期计算、项目工期估算等工作。

2）技术可行性：从可能需要的开发技术角度分析待开发系统的可行性。

3）法律可行性：软件的开发需要考虑社会影响和社会效益，需要从法律的角度研究待开发软件项目的可行性。

可行性研究结果是可行性研究报告，主要包括一下内容：

可行性研究的前提

对现有系统的分析

所建议的系统

可选择的其他系统方案

投资效益分析

社会因素方面的可行性

结论

3、软件测试

1）软件测试原则：

a)预先确定测试结果

b)软件的开发者或部门不应该测试自己的程序

c)制定严格的测试计划

d)设计和选择测试方案要有利于发现错误

e)集中力量测试容易出现错误的程序段

f)保存测试文档

2）测试的对象

3）软件测试过程

4）软件测试方法

静态测试法、动态测试法

静态测试法：功能检查、群体检查、人工运行检查

动态测试法：以数据驱动的黑盒测试法、以逻辑驱动的白盒测试法

4、物联网测试

1）测试内容：

i.终端测试

ii.通信线路测试

iii.网络测试

iv.数据中心设备测试

v.应用系统测试

vi.安全测试

2）测试方法：

主动测试是指利用测试工具有目的地向被测网络注入测试流量，并根据这些测试流量的传送情况来分析网络技术参数的测试方法；

被动测试是指利用制定测试工具收集网络中活动的元素的特定信息，以这些信息作为参考，通过量化分析，实现对网络性能、功能进行测量的方法。包括：通过SNMP协议读取相关MIB信息，通过Sniffer专用数据包捕获分析工具进行测试。

5、黑盒测试

黑盒测试方法测试软件的功能，着眼点是模块的接口，在软件开发的后期进行。

方法：划分等价类法、边界值法、错误推测法和因果图法

1）划分等价类法

首先需要划分输入数据等价类，即从软件的功能说明中划分出输入数据的合理等价类，即从软件的功能说明中划分出输入数据的合理等价类和不合理等价类，也可以划分出输出数据的等价类，以便根据输出数据的等价类导出对应的输入数据的等价类。

2）边界值法就是针对等价类的边界值设计测试方案的方法。

6、白盒测试

白盒测试是从软件内部逻辑结构的分析导出测试用例，以检查模块的实现细节。

1）基于逻辑覆盖的白盒测试

①语句覆盖：选择足够的测试数据，使程序中每个可执行的语句至少执行一次

②判定覆盖：通过设计足够多的数据使得程序中每个判断的取“真”分支和取“假”分支至少执行一次。

③条件覆盖：用足够多的数据使得判定中每个条件的所有可能结果至少出现一次

④判定-条件覆盖：用足够多的数据，使得判定表达式中的每个条件取到所有可能的值，并且使得每个判断表达式也获得各种可能的结果。

⑤条件组合覆盖：用足够多的数据，使得每个判定表达式中的条件的各种可能组合至少被执行一次。

2）基于控制结构的白盒测试

①基于路径测试法

②条件测试

③循环测试

需求工程

一、导论

1、影响成功项目的因素

2、需求工程基本活动

3、需求工程在系统工程中的位置

二、需求基础 1、需求定义（IEEE ）

? （1）用户为了解决问题或达到某些目标所需要的条件或能力；

? （2）系统或系统部件为了满足合同、标准、规范或其它正式文档所规定的要求而需要具备的

条件或能力；

? （3）对（1）或（2）中的一个条件或一种能力的一种文档化表述。

2、需求层次性

3、软件需求的分类[IEEE]

? 功能需求（Functional Requirement ）： ? 性能需求（Performance Requirement ）： ? 质量属性（Quality Attribute ）： ? 对外接口（External Interface ）：

前景与范围文档 用例说明文档 软件需求规格说明

业务建模—>领域模型（类图） 用例建模—>用例（用例图） 系统建模—>对象建模（对象/类图）

?约束

4、质量属性需求

质量属性需求：

1)可靠性

2)可用性

3)安全性

4)可维护性

5)可移植性

6)易用性

5、优秀需求特性：

?完备性：注重用户任务而不是系统功能

?正确性：准确描述用户需求保证软件需求的正确实现

?可行性：每条需求都必须是在已知的系统和环境的限制范围内可以实施的

?必要性：每条需求都应把客户真正所需要的和最终系统所需达到的要求记录下来

?无歧义性：去除模糊以及关键字技术

?可检验性：合理方法测试

四、需求获取

1、需求获取的常见困难

?用户和开发人员的背景不同，立场不同

?普通用户缺乏概括性、综合性的表述能力

?用户存在认知困境

?用户越俎代庖

?缺乏用户参与

?用户数量太多，选择困难（找代理）

?用户认识不足，不愿参与（找高层）

?用户情绪抵制，消极参与（与用户沟通）

?没有明确的用户（涉众获取）

2、需求获取活动

1)研究应用背景，建立初始的知识框架；

2)根据获取的需要，采用必要的获取方法和技巧；

3)先行确定获取的内容和主题，设定场景；

4)分析用户的高（深）层目标，理解用户的意图；

5)进行涉众分析，针对涉众的特点开展工作

3、交流中最大的问题就是（理解偏差）

五、确定项目的前景与范围

1、使用活动图进行业务分析过程：

1)确定活动图的上下文环境

2)分析业务流程中的主要处理步骤

3)分析业务流程中的主要数据流

4)识别参与者

5)进行职责分配，将业务流程的处理步骤划分到不同的泳道，并将处理步骤和数据流的

传递组织起来，建立活动图

6)添加活动图的详细信息，完善活动图描述，

2、鱼骨图：建立鱼骨图可以分析每一个原因的分支

每一个明确、一致的问题都意味着涉众存在一些相应地期望目标，即业务需求。

六、涉众分析

1、涉众定义

?所有能够影响软件系统的实现，或者会被实现后的软件系统所影响的个人和团体。

2、涉众网络

基本过程：

1)寻找最容易识别的初始涉众，通常包括客户、管理者和相关的投资者

2)将初始涉众集中起来，进行一次头脑风暴，尽可能列出一个涉众类别列表

3)对上一步产生的涉众类别列表进行分析，判断他们和软件系统的相关性，找出其中

的关键涉众类别。

4)由上一步的各个关键涉众类别选择代表，集中起来进行进一步的头脑风暴，列出新的

涉众类别列表

?如果新列出的涉众类别和步骤3给出的涉众类别列表没有太大的变化，即涉众

类别列表趋于稳定，就结束涉众识别过程，否则迭代步骤3和4

七、基于用例/场景模型展开的用户获取需求

?场景：具有重点描述真实世界的特征，它利用情景、行为者之间的交互、事件随时间的演化等方式来叙述性的描述系统的使用

?用例：每个用例是对相关场景集合（同一个目标下的多个场景）的叙述性的文本描述，这些场景是用户和系统之间的交互行为序列，互有重合、互为补充，共同实现用户的

目的。

九、需求获取方法之原型

1、原型定义：

“原型是一个系统，它内化了（capture）一个更迟系统（later system）的本质特征。原型系统通常被构造为不完整的系统，以在将来进行改进、补充或者替代。”

2、原型分类：

?演示原型（presentation prototype）

?主要被用在启动项目阶段

?目的是让用户相信应用系统的开发是可行的

?严格意义上的原型（prototype proper）

?主要被用在分析需求阶段

?用来阐明用户界面或者系统功能的某些特定方面

?试验原型（breadboard prototype）

?主要被用在构建系统阶段

?帮助开发者澄清他们所面对的一些和系统构建相关的技术问题

?引示系统原型（pilot system prototype）

?会被开发在系统开发的各个阶段

?用作最终系统的构建核心

3、

4、原型开发注意事项：

?将探索不确定功能需求的原型构建得易于修改

?让探索可行性的原型收集充分的数据

?控制开发成本

5、原型方法的风险：

?原型开发最大的风险是成本失控。

?第二个风险是给客户造成错误的印象。客户看到了一个正在运行的原型，难免会得出产品几

乎已经完成的结论，从而提出快速交付产品的不当要求

?不要将原型的功能开发的太好，以免用户提出“交付”的要求

?第三个风险是用户可能会被原型所表现出来的非功能特性遮蔽了眼睛，从而忽略了他们更应

该重视的功能特性

?第四个风险是在澄清需求不确定性的同时也可能会掩盖一些用户的假设，这些假设将会无从

发现

十一、需求分析

1、需求分析的根本任务：

?建立分析模型，达成开发者和用户对需求信息的共同理解

?依据共同的理解，发挥创造性，创建软件系统解决方案

2、UML中的图

静态图：类图、对象图、用例图

动态图：交互图、顺序图、活动图、部落图、状态图

十二、过程建模

1、过程建模的主要技术：上下文图、数据流图、微规格说明和数据字典

十四、面向对象建模

1、UML：统一建模语言

2、UML技术：

?用例图（用例模型）

?类图（对象模型）

?交互图（顺序图/通信图）

?状态图（行为模型——状态机）

?活动图（行为模型——业务过程）

?对象约束语言

3、领域模型：分析阶段产生的对象模型是关注用户问题域的对象模型，它被称为领域模型，领域类图、概念类图、分析类图。

4、建立领域模型的步骤：

1)识别候选对象与类

2)确定概念类

3)建立类之间的关联

4)添加类的重要属性

发现对象和类的方法：概念类分类列表、名词分析、行为分析

5、CRC卡：Candidate, Responsibilities, Collaborators三者的缩写。基于CRC可以建立一种索引卡片，成为CRC卡。

十五、需求规格说明

优秀需求规格说明文档的特性：

1）完备性

需求规格说明文档是完备的，当且仅当

a)描述了用户的所有有意义的需求，包括功能、性能、约束、质量属性和对外接口。

b)每一条需求都是完备的。

c)定义了软件对所有情况的所有实际输人(无论有效输入还是无效输人)的响应。

d)为文档中的所有插图、图、表和术语、度量单位的定义提供了完整的引用和标记

2）一致性

这里的一致性有两个含义：一是细节的需求不能同高层次的需求相冲突

二是同一层次的不同需求之间也不能互相冲突

3）根据重要性和稳定性分级

4）可修改

5）可跟踪

补充：

1、一维码和二维码的比较

一维条形码特点：

可直接显示内容为英文、数字、简单符号

贮存数据不多，主要依靠计算机中的关联数据库

保密性能不高

损污后可读性差

二维条形码特点：

可直接显示英文、中文、数字、符号、图形

贮存数据量大，可存放1K字符，可用扫描仪直接读取内容，无需另接数据库

抗损性强，安全级别最高时，损污50%仍可读取完整信息

安全性高(可加密)

传真和影印后仍可使用

印刷多样性，黑白彩色都可以，印刷机器和对象不受限制。

2、低功耗广域网（Low Power Wide Area Network, LPWAN ）

特点：低成本、低带宽、低功耗、低距离

案例：NB-IOT共享单车

最适合两类物联网应用：

一类是位置固定的、密度相对集中的场景，如楼宇里面的智能水表、仓储管理或其他设备数据采集系统。

虽然GG（2G-5G）可以应用于这些领域，但他们的信号穿透力很弱！进个电梯都没信号了。

另一类是长距离的，需要电池供电的应用，如智能停车、资产追踪和地质水文监测等，GG们在这部分应用中可以使用，但他们高功耗，人民群众表示养不起。

LPWAN分类：

一类是工作于未授权频谱的LoRa、SigFox等技术；

另一类是工作于授权频谱下，3GPP支持的2/3/4G蜂窝通信技术，比如EC-GSM、LTE Cat-m、NB-IoT等

3、5G指标

用户体验速率：1GB/s起步 1GB/s——10GB/s

连接数密度

时延：1ms（4G：10ms）