物联网技术与应用_第4章 物联网系统设计
物联网应用系统设计实验报告
《 物联网应用系统设计 》课程实验报告实验名称 实验八 QtSql数据库编程学 号 姓 名 班 级 物联本132 实验日期 2016.5.24 实验报告日期 2016.5.24指导老师 实 验 地 点 多404成 绩评 语≡≡≡≡≡≡≡≡≡≡≡≡≡≡≡≡≡≡≡≡≡≡≡≡≡≡≡≡≡≡≡≡≡≡≡≡≡≡实验内容和目的 实验内容：1、 在主窗口启动的时候，实现数据库的创建以及表的创建，要求数据库名为books.db，穿件数据表books，要求表结构为三个字段：id、name、introduction2、 在主窗口中添加两个按钮，分别命名为Add、Find：3、 当单击Add按钮时候，弹出如下插入数据的窗口：输入ID、Name及Intro信息，单击ok按钮，即可将当前数据插入到books数据表中去，单击Exit按钮则推出当前窗口。
4、当单击主窗口的Find按钮时，弹出如下查找窗口：单击查找窗口中的查找按钮，则会依据输入的ID来查找相关数据，并将结果显示在窗口中的tableview中实验目的：1、 掌握利用QtSql编程实现数据库的创建、添加表、插入数据、查询数据等操作2、掌握tabview、pushbutton、linetext等Qt基础控件的使用实验环境 一台PC机、linux虚拟机上的Qt环境实验重点及难点1、 掌握利用QtSql编程实现数据库的创建、添加表、插入数据、查询数据等操作2、掌握tabview、pushbutton、linetext等Qt基础控件的使用实验过程（实验过程、实验结果及实验分析）一、新建Qt工程，命名为bookstore，在bookstore.pro中添加代码，如图所示：二、在工程中添加两个界面Add和find步骤如下：最后点击完成。
1、 在主窗口启动的时候，实现数据库的创建以及表的创建，要求数据库名为books.db，穿件数据表books，要求表结构为三个字段：id、name、introduction1）新建connection.h，步骤如下：最后点击完成。
《物联网应用系统设计》课程教学大纲
一、课程基本信息
课程名称
物联网应用系统设计
Design of Internet of Things Application System
课程编码
CST422121030
开课院部
计算机科学与技术学院
课程团队
硬件技术基础课程教学团队
学分
3.0
课内学时
56
讲授
32
实验
24
上机
了解云计算架构，租用阿里云、腾讯云、云等M41讲授
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16
第5章
第5章数据采集和系统控制
本章重点难点：基本数据采集及控制的性能特点和自动检测技术。
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17
5.1
5.1数据采集简介
物联网系统组成、系统实现的功能。
M3
1
讲授
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18
5.2
5.2数据采集和控制系统
数据采集模块、数据显示模块、串口通信模块、蜂鸣器报警模块、程序下载及运行。
"Design of Internet of Things Application " is a professional basic course for Internet of Things engineering major. The purpose of this course is to enable students to master the basic process of Internet of Things development technology, master and flexibly use the key technologies of internet of things, including radio frequency technology, sensor and detection technology, wireless sensor network, wireless communication technology, data fusion technology, cloud computing technology, etc. to design and develop Internet of Things application system.
物联网系统设计课程设计
物联网系统设计课程设计一、课程目标知识目标：1. 学生能理解物联网的基本概念，掌握物联网系统的组成及工作原理。
2. 学生能掌握物联网系统设计的基本流程，了解不同设计环节的关键技术。
3. 学生能了解物联网在生活中的应用，认识到物联网技术对社会发展的重要意义。
技能目标：1. 学生能够运用所学知识，设计出符合实际需求的物联网系统方案。
2. 学生能够运用相关软件工具，进行物联网系统的模拟与调试。
3. 学生能够通过小组合作，提高沟通、协作和问题解决能力。
情感态度价值观目标：1. 学生对物联网技术产生浓厚的兴趣，激发探索精神和创新意识。
2. 学生能够认识到物联网技术在现实生活中的广泛应用，增强社会责任感和使命感。
3. 学生通过课程学习，培养严谨、务实的学习态度，形成良好的团队合作精神。
课程性质：本课程为高二年级信息技术课程，以实践性、综合性为主，旨在培养学生运用物联网技术解决实际问题的能力。
学生特点：高二年级学生对信息技术有一定的基础，具有较强的学习能力和探索精神，对新技术充满好奇心。
教学要求：教师应注重理论与实践相结合，关注学生的个体差异，鼓励学生积极参与，提高学生的动手实践能力。
同时，注重培养学生的团队协作能力和创新精神，使学生在课程学习中获得成就感。
通过本课程的学习，使学生具备物联网系统设计的基本能力，为未来的学习和工作打下坚实基础。
二、教学内容1. 物联网基本概念：物联网的定义、发展历程、应用领域。
教材章节：第一章 物联网概述2. 物联网系统组成：感知层、网络层、应用层。
教材章节：第二章 物联网系统架构3. 物联网关键技术：传感器技术、嵌入式技术、网络通信技术、数据处理技术。
教材章节：第三章 物联网关键技术4. 物联网系统设计流程：需求分析、系统设计、硬件选型、软件开发、系统测试。
教材章节：第四章 物联网系统设计与实现5. 物联网应用案例分析：智能家居、智慧城市、智能交通、智能农业等。
教材章节：第五章 物联网应用案例6. 实践环节：小组项目设计、物联网系统模拟与调试。
物联网技术与应用课件
contents
目录
• 物联网概述 • 感知层技术 • 网络层技术 • 应用层技术 • 物联网安全与隐私保护 • 物联网典型应用案例
01
物联网概述
物联网定义与发展历程
物联网定义
物联网（Internet of Things，IoT）是指通过信息传感设备 ，按约定的协议，对任何物体进行信息交换和通信，以实现 智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。
智能控制
利用机器学习、深度学习等技术，实现对物联网设备的智能控制和 优化。
智能决策
基于大数据分析和人工智能技术，为物联网应用提供智能决策支持， 如智能交通、智能电网等。
05
物联网安全与隐私保护
物联网安全威胁与挑战
物联网设备安全威胁
包括设备漏洞、恶意软件感染 、未经授权的访问等。
数据传输安全威胁
包括数据泄露、数据篡改、重 放攻击等。
。
城市交通拥堵治理
结合大数据分析和物联网技术 ，提出城市交通拥堵治理方案
。
THANKS
感谢观看
发展历程
物联网概念最早于1999年提出，经过20多年的发展，已经从 最初的智能家居、工业自动化等局部应用，拓展到智慧城市 、智能交通、智慧医疗、智慧农业等多个领域。
物联网体系结构及组成要素
体系结构
物联网体系结构包括感知层、网络层和应用层三个层次。感知层负责识别和采集物理世 界的信息，网络层负责信息的传输和处理，应用层则负责将处理后的信息应用到具体场
密钥管理
包括密钥生成、分配、存储和更新等，用于保障加密和认证技术的 有效性和安全性。
隐私保护策略及法规遵循
1 2
隐私保护策略
智能物联网系统的设计与应用
智能物联网系统的设计与应用随着人工智能、互联网技术的不断发展，智能物联网系统的应用场景越来越多。
智能物联网系统是指利用电子标签、传感器、云计算等技术将物理世界与网络世界实现无缝融合，实现设备之间的智能互联、数据共享和高效管理。
本文将详细探讨智能物联网系统的设计原则和应用。
一、智能物联网系统的设计原则智能物联网系统的设计需要考虑以下原则：1.建立完善的数据采集系统数据采集是智能物联网系统的核心。
通过传感器、录音、图像等设备采集环境信息，对不同情况进行分析和判断，从而实现远程控制和决策。
但是，数据采集不同于单纯的数据上传，还需要考虑数据格式、数据量、数据处理等问题。
2.确保系统安全智能物联网系统面临各种安全威胁，比如黑客攻击、信息泄露、数据篡改、设备丢失等。
系统设计需要考虑身份验证、数据加密、防护措施等方面，确保数据的完整性和安全性。
3.实现跨平台互联智能物联网系统包含多种设备，应该能够兼容不同标准、不同制造商的设备，并能够实现互联互通。
系统设计需要考虑各种设备之间的规范和协议，确保智能物联网系统的稳定运行和高效管理。
4.持续创新和升级智能物联网系统需要不断创新，引入新的技术和解决方案，以适应不断变化的市场需求。
同时，系统升级也是必须的，以解决各种问题、提高效率和功能。
二、智能物联网系统的应用智能物联网系统的应用范围非常广泛，包括以下几方面：1.智能家居智能家居是智能物联网系统的一个核心应用，通过家庭网关和智能设备，可以实现家庭电器、家居环境、音乐娱乐等的智能化控制和管理。
例如，智能门锁可以通过手机远程开锁或者面部识别开锁，智能灯光可以根据时间、温度等参数自动开关，并实现场景模式切换，智能音响可以通过语音控制或者手机app播放歌曲，等等。
2.智慧城市智慧城市是智能物联网技术创新的一个重要领域，可以实现城市的智能化管理、公共服务、能源节约等。
例如，智能交通可以实现智能停车、交通管制、公共交通管理等，智能能源可以实现智能电网、节能减排、能源供应等，智能环保可以实现污染监控、垃圾分类、环保宣传等，等等。
物联网的设计与应用
物联网的设计与应用在当今科技飞速发展的时代，物联网已经逐渐成为我们生活和工作中不可或缺的一部分。
从智能家居到工业自动化，从智能交通到医疗保健，物联网的应用场景日益丰富，给我们带来了前所未有的便利和效率。
那么，物联网究竟是如何设计的？又有哪些广泛的应用呢？物联网，简单来说，就是通过各种信息传感设备，实时采集任何需要监控、连接、互动的物体或过程等各种需要的信息，与互联网结合形成的一个巨大网络。
其设计的核心在于实现物与物、人与物之间的智能化交互和通信。
在物联网的设计中，首先要考虑的是感知层的构建。
这就像是物联网的“感官”，包括各种传感器、RFID 标签、摄像头等设备。
这些设备负责收集物体的状态、环境信息等数据，并将其转化为电信号或数字信号。
例如，在智能家居中，温度传感器可以感知室内温度，烟雾传感器能够检测烟雾浓度，为我们提供安全保障。
接下来是网络层的设计。
网络层的作用是将感知层收集到的数据传输到应用层，就如同物联网的“神经脉络”。
它可以借助现有的通信网络，如移动通信网络、卫星通信网络等，也可以使用专门为物联网设计的低功耗广域网（LPWAN）技术，如 LoRaWAN、NBIoT 等。
这些技术能够满足不同场景下的数据传输需求，确保数据的可靠、高效传输。
然后是平台层的设计。
平台层就像是物联网的“大脑”，负责对数据进行处理、分析和存储。
它能够整合来自不同设备和系统的数据，进行数据挖掘和智能分析，为应用层提供决策支持。
同时，平台层还提供了设备管理、安全管理等功能，保障物联网系统的稳定运行。
最后是应用层的设计。
应用层是物联网与用户直接交互的层面，它将物联网的价值体现得淋漓尽致。
应用层的设计需要充分考虑用户的需求和使用场景，开发出各种丰富多样的应用程序和服务。
比如，在智能农业中，通过物联网技术可以实现对农田的精准灌溉、病虫害监测；在物流领域，可以对货物进行实时跟踪和监控，提高物流效率和安全性。
物联网的应用几乎涵盖了我们生活的方方面面。
物联网应用系统设计与实现
物联网应用系统设计与实现随着科技的不断进步，物联网（Internet of Things, IoT）逐渐成为人们生活中越来越重要的一个领域。
随着越来越多的设备接入互联网，智能化、自动化、信息化已成为人们日常生活的基本需求。
而这些需求的实现，离不开物联网应用系统的设计与实现。
本文将介绍物联网应用系统的设计原则、系统架构和实现过程。
一、设计原则物联网应用系统的设计原则，与其他软件系统设计原则基本相同。
首先，设计要以用户需求为出发点，遵循用户友好、易用、易学的原则，尽可能使系统用户能够快速上手、方便操作。
其次，设计要充分考虑系统的可扩展性和可维护性，以便系统能够适应需求的变化，并且易于维护和升级。
最后，设计要遵循系统性能稳定、安全、可靠的原则，确保系统在长期运行中不会出现故障和安全问题。
二、系统架构物联网应用系统的架构决定了系统的整体结构和各个部分之间的关系。
典型的物联网应用系统架构可分为三层：基础设施层、数据处理层和应用层。
基础设施层主要包括物联网设备、传感器和网关等硬件设施，以及云计算和大数据存储等基础设施的支持。
数据处理层主要负责采集、处理和存储物联网设备产生的各种数据，并提供数据分析和数据挖掘等功能。
这一层通常使用类似于Hadoop和Spark等大数据平台，存储和处理大量数据，并通过各种算法分析数据，实现智能决策。
应用层则是针对不同的实际业务场景所定制的应用程序，通常包括工业控制应用、智慧城市应用、物流输送应用和智能家居应用等。
三、实现过程物联网应用系统的实现过程，从硬件到软件，可以细分为以下几个步骤：1. 物联网设备和传感器的选择和接入：根据业务需求选择合适的设备和传感器，并确定数据采集和传输方式。
2. 网关的选择和搭建：根据业务需求选择合适的网关，并搭建网关的通讯接口，实现设备和传感器的数据传输。
3. 数据采集、处理和存储：根据业务需求设计数据采集、处理和存储方案，部署大数据平台，存储和分析采集到的数据。
物联网射频识别(RFID)技术与应用 - 第4章
1 1 1 QL Q Qe
(4.19)
点击此处结束放映
例： 串联谐振电路中， U=25 mV， R=5 Ω， L=4 mH， C=160 pF。 （1）求电路的f 0、I 0、ρ、Q和UC0 。
谐振频率： f 0
1 2 LC 1 2 4 10 160 10
3 12
B 应答器 线圈 应 答 器
C v2=V2msin(ωt)
i1=I1msin(ωt) 阅读器 谐振 回路 阅读器 线圈
电子标签线圈感应电压的计算
电子标签线圈上感应电压的大小和穿过导体所围面积的总磁通量的变 化率成正比。感应电压可表示为
d d v2 N2 dt dt
2 0i1a N1 d d d v2 N 2 N2 B d S N cos d S 2 3/2 dt dt dt 2 a 2 r 2
使读写器与电子标签之间相互耦合，构成了电感耦合的工作方式。 同时，线圈产生的电感与射频电路中的电容组合在一起，形成谐 振电路，谐振电路可以实现低频和高频RFID能量和数据的传输。
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电感的定义与作用
• 电感是导线内通过交流电流时，在导线的内部及其周围产 生交变磁通，导线的磁通量与生产此磁通的电流之比。 • 基本作用：滤波、振荡、延迟、陷波等 形象说法：“通直流，阻交流”
1 L 1 2 2 2 2 2 C I R cos (t ) LI 0 m cos (t ) 2 0m 2 CR 2
电感L和电容C上存储的能量和为
1 2 w wL wC LI 0 m 2
w是一个不随时间变化的常数，说明回路中存储 的能量保持不变，只在线圈和电容器间相互转换。
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4.2 适用于物联网的应用协议
4.2.1 物联网的通信量特征 物联网包括装备多样化的具有通信、计算、服务能力的高智能体 传感器，其通信量特征集中表现为规模、突发和多媒体。 物联网的规模巨大，尽管有些业务每次传输的数据量不一定非常大， 甚至只有几十个字节，但是必须一次传输成功，有着非常实时的传
输要求；
物联网技术与应用
第4章 物联网系统设计
2016/8/28
目录
4.3 网络应用业务的服务质量设计 4.1 应用业务的网络性能需求 4.1.1 业务承载能力分析 4.1.2 基本业务需求分析 4.1.3 业务应用对平台营运的需求 4.1.4 业务带宽需求及管理 4.2 适用于物联网的应用协议 4.2.1 物联网的通信量特征 4.2.2 CoAP和HTTP对比 4.3.1 服务质量的主要技术指标 4.3.2 服务质量的主要实现机制 4.4 网络应用业务的负载均衡设计 4.4.1 负载均衡原理与技术 4.4.2 多条宽带线路下的负载均衡
CRUD原则，该原则告诉我们对于资源（包括网络资源）只需要四
种行为：创建（Create）、获取（Read）、更新（Update）和 销毁（DELETE），就可以组合成其他无数的操作。
4.2.3 CoAP协议细节
一. CoAP协议简介 1. CoAP协议特征 CoAP是一种可实现M2M需求的受限Web协议，建立在UDP之上，利用了 UDP服务来完成其消息的交换 CoAP定义了四种消息 可确定消息（CON消息）
少量 应用需求 相关
数据量较大
少量 应用需求相关
6种基本物联网应用对网络承载能力需求对比（续表）
能力指标 监控报警类
数据采集 类
信息推 送类
视频监 控类
远程控制类
识别与定位 类
数据安全 管理配置 连接性需 求
应用需求相 关
远程管理配 置
应用需求 相关
远程管理 配置
应用需 求相关
远程管 理配置
应用需 求相关
2016年8月28日
6种基本物联网应用对网络承载能力需求对比
能力指标
监控报警 类
数据采 集类 数据量 较大 较少 应用需 求相关
信息推 送类
视频监 控类 数据量 大 少量 应用需
下行流量 QoS要求
少量数据
无 应用需求 相关
少量
数据量 较大 应用需 求相关
少量
一. 基本带宽需求及预测
不同的用户对各种业务的需求及其数量也存在很大的差别。目前，视频监控类应
用对带宽的要求是最高的；
预计在未来3～5年内，一般用户的上行带宽需求主要在500 kbps～10 Mbps内，
下行带宽在2～100 Mbps内；
网络应用的发展对带宽需求是无止境的，带宽不够的问题总是存在的；
4.4.3 负载均衡设计案例
4.5 应用层的安全设计 4.5.1 应用层DDoS攻击的原理 4.5.2 新网络流特征导致DDoS检测的困难 4.5.3 有效检测突发流下App-DDoS攻击的 方法
4.2.3 CoAP协议细节
2016年8月28日
4.1 应用业务的网络性能需求
4.1.1 业务承载能力分析 物联网应用的6大基本类别： 监控报警类 数据采集类 信息推送类 视频监控类 远程控制类 识别与定位类
支持多种信息传递方式
支持具有不同移动性的终端设备
2016年8月28日
4.1.3 业务应用对平台营运的需求
一. 从物联网运营的角度来看
物联网业务运营支撑平台能够对原有语音、彩信、短信等电信业务能力进行封装，提
供开放接口，从而降低业务创新的难度；
平台需要具备透明的认证鉴权、接入计费、网管、业务支撑等功能，同时为所有的物 联网业务者提供统一的运营维护、管理界面； 平台必须提供不同行业应用系统、社会公共服务系统（如120、110和119等）的接入， 实现行业信息的整合，提供大量数据的存储、分析和挖掘，具有云计算的能力； 平台需要具有开放、灵活、异构的架构，不但能够与传感器网络、移动接入，以及宽 带接入网络等无缝集成，而且能够与现有的运营商已有的承载网和业务网无缝集成，
三. 从物联网业务的使用者角度来看，由于物联网本身具有的复杂性、普遍性，因 此每个用户可能有多个物联网应用，有多种方式接入 客户希望可以像使用水和电一样方便地接入使用物联网业务； 有自己的业务申请注册管理界面； 有自己的费用结算、充值划账界面； 有自己的鉴权管理、委托管理、查询统计、多种提醒等功能。
制（MAC）子层的最大帧长是102B；
由于安全算法被使用在链路层，将产生一定开销，因此，帧的大 小将进一步减小；
不同于传统IP网络，在很多场景下，传感器节点被设置成睡眠模式
以节省能量，因而，在此情况下不能工作；
二. 计算 物联网上的计算通信量可被移动代理或sink节点自治处理。移动节点访问被选 源节点的顺序对计算通信量有很大的影响。 寻找优化的源节点访问解决方案是一种典型的非确定性多项式时间完全问题； 计算通信量能够划分成以下几种： 静态计算量：移动代理的计算状态在被分派前由源节点确定； 动态计算量：根据当前网络条件，移动代理自动地决定源节点，并决定 动态路由或资源分配； 混合计算量：源节点集由sink节点决定，而源访问顺序由移动代理决定。
物联网数据流量具有突发特性，可能会造成大量用户堆积在热点区 域，引发网络拥塞或资源分配不平衡； 物联网的特征可能导致大量多媒体流量的产生。
物联网上的多媒体通信量划分成三类：通信、计算、服务。 一. 通信 如何设计适当的通信流量是有趣且富有挑战性的任务 在IEEE 802.15.4框架下，最大物理层包长是127B，而介质访问控
远程管 理配置
应用需求相 关
远程管理配 置
应用需求相 关
远程管理配 置
较强
较强
应用需求 相关 气象信息 监测
较强
应用需 求相关 智能博 物馆
较强
应用需 求相关 全球眼
较强
应用需求相 关 工业自动化
较强
应用需求相 关，移动性 强 物流货运
终端移动 应用需求相 性 关 应用场景 家庭安防
4.1.2 基本业务需求分析
三. 服务 服务通信量包括两个方面 得分（score）：意味着客户在多媒体流量上的感兴趣程度 形式（form）：表示有关特定装置内容特征
为有效操作各种类型多媒体流量，将数据分为三类：偏好数据
（Preference Data）、情形数据（Situation Data）和能力数据 （Capability Data） 首先，多媒体流量服务器计算多媒体服务和偏好数据间的相似度； 然后它评估此多媒体服务属于服务器群中某一个的概率； 最后可通过上述计算的相似度和概率值的加权和获得得分。
平台具备可扩展性、易融合性等；
平台必须具备完善的管理能力，实现统一的合作伙伴（SP）的管理、统一的用户管理、 统一的业务产品管理、统一的订购管理、统一的认证授权管理等。
2016年8月28日
二. 从业务提供者的角度来看，希望专注于业务应用的开发，关注业务数据和业务 流程的处理，期望简单、快速的业务开发环境 平台需要对提交的物联网业务开发需求，自动匹配合适的传感器资源，并对
非确定消息（NON消息）
确认消息（ACK消息） 重置消息（RST消息） 一些消息可以包含方法代码和响应代码，这使得它们可以携带请求或响应 对请求/响应交互过程来说，上述四种类型消息的基本交换过程都是透明的
一. CoAP协议简介
2. CoAP消息模型 CoAP在逻辑上分成两层 消息（Messages）层 请求/响应（Requests/Responses）层
Transfer的）架构的WEB传输协议--CoAP协议。 CoAP的目的是扩展REST体系结构以满足受约束物联网装置和网络（如 6LoWPAN）的需要，它在设计时充分考虑了重要的M2M应用的要求，
如能量和楼宇自动化，因此认为它是适合于物联网应用的
CoAP由一组具有HTTP功能的REST子集组成，已针对M2M应用进行了 优化
四. 平台需要具备与现有的运营系统实现对接 如计费系统、网管系统、行业专家系统以及公众服务系统等； 实现对运营商业务能力的封装，系统支撑能力对接，行业系统、 公众系统的对接，业务系统对接等； 系统对接采用的协议应尽量是目前运营系统的通用协议，而不是
新制定的协议规范；
4.1.4 业务带宽需求及管理
CoAP提供了M2M应用特征，如开销很低，支持多播和异步消息交换
背景知识：REST软件架构
由Roy Thomas Fielding博士在2000年首次提出的。他为我们描绘 了开发基于互联网的网络软件的蓝图。REST软件架构是一个抽象的概念， 是一种为了实现这一互联网的超媒体分布式系统的行动指南。利用任何 的技术都可以实现这种理念。 HTTP是互联网上应用最广泛的计算机协议。HTTP不是一个简单的 运载数据的协议，而是一个具有丰富内涵的网络软件的协议。 REST软件架构当中最重要的两个理念： 能够对于互联网资源进行唯一定位， 能告诉我们对于该资源进行怎样运作。REST软件架构使用了
不同物联网业务对网络带宽、实时性、数据安全性、终端设备移动性以及连接时 长等有不同的需求 欧洲电信标准化组织（ETSI）和第三代合作伙伴计划专门针对机器到机器 （M2M）业务的需求制定了相应技术规范，以下是M2M应用的典型需求：
提供可以承诺服务质量的通信保障 提供端到端的业务安全 M2M系统可以寻址到各种M2M终端设备 支持群组管理 终端设备远程管理 支持不同流量的数据传输 支持多种接入方式 支持终端设备数量的扩展
若要实现可靠性，可用CON消息来提供此项功能。 CON消息在默认的超时间隔后会重传，两次重传间采用指数后退方法， 直至接收者发送了ACK。 此ACK消息包含与相应的CON消息相同的消息ID