(新)物联网本科实验室实训技术方案
物联网教学设备硬件及课程资源说明
IPv6 多网融合全功能物联网实验箱(SeaIOT-B-IPv6-03),由 IPv6 多网融合主实验箱、RFID 识别套件、传感与检测套件组成。
1.IPv6 多网融合实验箱
主要满足物联网实验系统包括硬件设备、软件资源、实验资源三大部分。硬件设备包括多种微型无线传感器、RFID、GPS、TD-SCDMA 和其他配套的嵌入式网关、核心开发板等设备。软件资源包括系统网络软件,嵌入式网关软件,PC 数据管理与分析软件,实验资源包括基于控制器的基础实验、传感器信息采集实验、无线信号收发实验、Zigbee 网络通讯实验、RFID 射频识别实验及组件控制实验等,通过对这三部分资源的充分学习,可为物联网工程应用打下坚实的基础,并能通过不同传感器的特性、射频识别技术以及网络的组成形式等,开发出更多实用性强的物联网应用模式。
该物联网综合实验平台可细分为物联网 Zigbee 技术教学实验平台、射频识别( RFID )原理技术与应用实验平台、嵌入式 WIFI 开发平台、GPS /GIS/GPRS综合实验平台,提供众多实验例程,便于学生熟悉和掌握物联网的构成及实际应用。该平台除了可以满足物联网工程专业《物联网技术基础》、《物联技术及网络》、《RFID 原理与应用》、《物联网应用》等课程教学需求外,也可为物联网及相关专业的创新项目训练和竞赛提供服务。硬件外观如图所示。
模块布局,如图所示。
无线传感器节点采用模块化设计,主要由接口底板、无线通信模块、微处理器模块、及传感器调理板组成,通过插针对应连接而成,支持自由组合。Cortex-M3核的微处理器模块自带 OLED 屏显示网络信息、组网状态、以及传感器采样数值。如图所示,展示节点各模块的连接方式。
(1)蓝牙、WiFi 等无线传感器节点通过无线方式与 Cortex-A9 处理器通信。
(2)IEEE802.15.4、ZigBee 无线传感器节点通过无线方式与边界路由器、ZigBee 协调器通信,再由边界路由器、ZigBee 协调器与 Cortex-A9 处理器通信。
(3)LoRa 传感器节点通过无线方式与 NB 无线传感网网关通信。
(4)A9 处理器运行 Android、Linux 双操作系统,默认运行 Android。通过网络拓扑图展示传感器的连接关系和采样信息。
识别套件
共 5 个模块,位于附件盒,可独立于实验箱使用。主要满足《识别技术及应用》核心课程基础教学,还能够满足图书管理应用实验、身份识别应用实验、ETC道闸应用实验、仓储出入库应用实验、畜牧耳标应用实验。
(1)125K 低频模块,外观如图所示。
(2)13.56M 高频模块,外观如图所示。
(3)900M 超高频模块,外观如图所示。
(4)2.4G 有源 RFID 模块
(5)智能电机控制节点
响应“电机控制电路”,包含直流减速电机、舵机、彩色屏、IIC 接口的 EEPROM、zigbee 通信模块等。
3.传感与检测套件
共 8 个模块,位于附件盒。包含敏感传感器检测模块、磁电式传感器检测模块、压电式传感器检测模块、光电式传感器检测模块、红外类传感器检测模块、电容式传感器检测模块、采集类传感器模块、RFID 识别类传感器模块等,满足《传感器与智能检测》、《感知识别实践》专业课程实训。使用时,替换实验箱内无线传感器节点的“传感器模块”,进行采集控制。
(1)敏感电阻器检测模块
包含力敏、热敏、广谱气体、结露等传感器,双色灯、蜂鸣器、继电器等执行器。参考实训题目:异常气体检测、压力超限报警 等。
(2)磁电式传感器检测模块
包含干簧管、霍尔流量等传感器,双色灯、减速电机执行器参考实训题目:霍尔测速、干簧管水箱水位控制、流水线自动加工等。
(3)压电式传感器检测模块
包含振动、超声波传感器,双色灯、蜂鸣器、播放器等执行器。参考实训题目:车位状态检测、防盗报警等
(4)光电式传感器检测模块
包含光敏、光强传感器、继电器执行器。参考实训题目:光照自动调节、智能照明等
(5)红外传感器检测模块
包含红外反射、红外对射、热释电等传感器、数码管、蜂鸣器、LED 灯执行器。
参考实训题目:出入人数计数、人体红外报警等
(6)电容式传感器检测模块
包含九轴、噪声、触摸等传感器、LED 灯、蜂鸣器、播放器等执行器。
参考实训题目:姿态监测报警、设备噪声监测等
(7)采集类传感器检测模块
包含温湿度、数字气压传感器、直流风扇执行器。
参考实训题目:温度自动调节等
(8)RFID 识别类传感器模块
包含 NFC 识别模块。
参考实训题目:POS 机支付等。
序号 |
名称 |
技术参数 |
1 |
IPv6 多网融合全功 |
包含 IPv6 多网融合全功能实验箱主体、RFID 识别套件、传感与检测套件三部分。能满足《传感器原理及应用》、《识别技术及应用》、《嵌入式系统及应用》、《无线通信技术》等核心课程基础教学。能瞒足《传感器与智能检测》、《感知识别应用实践》课程实训。 |
2 |
Android 网关多网 |
能够将蓝牙、WiFi、IEEE802.15.4 无线网络经IPV6 协议融合在一个拓扑图中,Zigbee 节点经ZStack 协议展示在拓扑图中;在界面上显示蓝牙、WiFi、RPL802.15.4、ZigBee 等节点的传感器数据或执行器状态;网关界面可显示传感器采集的数据、执行器的状态,显示蓝牙、WiFi、IEEE802.15.4 传感器节点的 IPv6 地址,显示ZigBee 传感器节点组网短地址,能够随意拖动传感器,而不改变网络的拓扑结构;点击网关上传感器节点图标,可进入二级界面查看传感器的实时曲线走势,或手动控制执行器的开关。 |
3 |
IPv6 无线传感网综 |
采用 Contiki-2.7 网络操作系统,内置 IPv6 协议栈,具有传感器采集、执行器控制,无线组网传输的功能,可进行 TCP/UDP/CoAP 网络通信。具有蓝牙、WIFI、IEEE802.15.4 三种通信模块的驱动传输的功能。开发环境: IAR Embedded Workbench V7.40 forARM |
4 |
ZigBee 无线透明传 |
采用 Z-Stack2007 协议栈,具有传感器采集、执行器驱动控制、自组网无线数据传输、数据透明传输等功能。采用 Smart RF Flash Programmer和 CC Debugger 驱动烧写固件。协议栈:ZSTACK-CC2530-2.3.0-1.4.0开发环境: IAR Embedded Workbench V8.10 for8051 |
5 |
数值分析应用软件 |
运行在 windows7 以上操作系统应用软件,具有传感器采样数据数值分析的功能,支持使用EXCEL2007 文档存储,支持文件名自定义,路径自定义;具有自定义采样间隔、固定时刻采样的功能;绘制时域坐标系采样曲线,能够选择任意时间段内有效传感器的历史数据进行统计分析,列表显示被测传感器的采样次数、测量值、最大(小)值、算术平均值、偏差、中值、方差、近似标准差、剔除坏值后的算式平均值等;具有傅里叶变换功能,能够在上位机软件中显示传感器采样数据傅里叶变换后的频域图;具备最小二乘曲线拟合功能,能够观察采样曲线和拟合后曲线的对比图。开发环境:Visual Studio 2013 |
6 |
《传感器原理及应 |
主要研究力学、热学、声学、光学等传感器原理与性能指标,并能设计一般的检测电路。通过课程学习,掌握电涡流式传感器、磁电式传感器、霍尔传感器、流量传感器、加速度传感器的检测技术,结合 ARM Cortex-M3 内核的 STM32 处理器的接口技术、通过场景联动案例方式教学,介绍常用传感器(能耗类、物理类、探测类、开关控制类、电机控制类、显示控制类等)的工作原理、驱动方法、采集方法。 |
7 |
《识别技术及应用》 |
主要讲解无线射频识别技术(低频、高频、超高频、2.4G 有源)的工作原理、频率标准、技术规范。使用读写器、电子标签,结合上位机应用软件实现电子标签信息的读取、写入、安全保护等功能;实验课程重点放在对各个频段 RFID 模块的管理、控制和上位机应用,学生可利用开放的通信协议,编写上位机应用程序,实现身份识别、图书管理、模拟收费、门禁管理等各种物联网应用场景。 |
8 |
《嵌入式系统及应 |
主要研究 Cortex-A9 以上内核的操作系统移植、应用程序开发、设备上云、古天乐代言太阳集团 app 应用开发等。掌握 Cortex-A9 高性能处理器的嵌入式Linux 系统移植、文件系统制作、Android 系统制作,以及基于 Qt/Android 的可视化应用程序开发。掌握多种异构网络通信协议转换的编程方法,兼容 RS485、CAN 有线网络, ZigBee/WiFi/蓝牙等无线网络,和 4G/5G 移动通信网络,支持物联网 MQTT、HTTP 协议,以及协议转换。 |
9 |
《无线通信技术》 |
主要讲授短距离无线通信网络相关知识:ZigBee传感网的拓扑结构、协议栈工程解析、使用协议栈函数实现传感器节点的数据收发;WiFi 传感网通信模块的 AT 指令集、设置方法、Socket 通信和传感器节点的数据收发;蓝牙无线传感网络的工作原理、设置方法、网络特性和传感器节点的数据收发;长距离通信网络:LoRa 传感网特点和网络结构、AT 指令集和传感网数据收发;NB-IoT传感网特点和网络架构、AT 指令集和传感网数据收发;LTE 4G/5G 移动通讯网络的基本原理、概念、技术特点和应用开发。 |
10 |
《传感器与智能检 |
根据设计要求,确定检测系统方案,选择传感器、设计信号调理电路。使学生初步具有检测系统分析、设计的能力,为后期测控系统的设计研制打下基础。 |
11 |
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