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一、产品简介

1.1 产品设计背景

   随着物联网产业的发展和普及,急需大量的相关领域的技术人才,具备物联网系统设计,系统及设备的硬件设计以及软件代码编写等方面的物联网技术开发能力,在实际应用方面,也需要工程系统集成,项目实施,安装调试,管理和维护等多种物联网技术人员和管理人员。我国因此制订了物联网专业高素质创新型人才的培养计划,物联网专业在高等学校和职业院校也越来越多的开设,用以培养物联网系统设计,系统及设备的硬件设计及软件代码编写等方面的物联网的技术人才。
   但是很多高校在进行物联网工程专业实验室建设的时候,往往遇到这样的问题:可供选择的设备种类繁多,系统性兼容性不强,不同的课程要选择不同的实验设备。从大二开始的专业基础类实验到大四的综合类实验,无论是教师上课还是学生做实验,总是要用到不同的实验设备,导致教师和学生对每样设备和技术都是浅尝辄止,无法触及和领悟物联网技术的核心。为了解决这个问题,广州飞瑞敖电子科技有限公司设计研发推出了IOT-P01-01型物联网创新应用实训台。

1.2 产品设计目标

   广州飞瑞敖电子科技有限公司IOT-P01-01型物联网创新应用实训台紧密围绕教育部物联网工程专业培训计划教学大纲进行设计,功能齐全强大,完整的体现了物联网技术三层架构:感知层、网络层以及应用层。实训台可以满足物联网工程专业从大二到大四百分之六十以上专业课程的实验需求,具体包括:<单片机原理与技术>、<传感器原理与应用>/<传感器与检测技术>、<物联网控制原理与技术>、、<传感网原理与应用>/、<物联网通信技术>、<物联网软件设计><物联网应用系统设计>等。以IOT-P01-01型物联网创新实训台为主要设备建设的物联网工程专业实验室,可以让老师和学生在不更换硬件平台的情况下,完成从大二专业基础类实验到大四的综合应用类实验的教学和开发,让学生从浅入深,循序渐进的了解和学习物联网技术。

1.3 产品创新点

● 实训台采用纯模块化设计,单个传感器节点分为节点底板、射频模块和传感器模块三部分,各模块均采用可插拔方式,扩展性强,易维修维护升级。
● 实验箱标配WiFi、Zigbee以及433MHz三种主流局域网无线通信模块。
● 传感器种类丰富涵盖了电容式传感器、电阻式传感器、光敏传感器、气敏传感器等十余种不同种类的传感器。
● 实训台紧密围绕教育部物联网工程专业培训计划教学大纲进行设计,功能齐全强大,完整的体现了物联网技术三层架构:感知层、网络层以及应用层。实训台可以满足物联网工程专业从大二到大四百分之七十以上专业课程的实验需求。
● 完整详尽的实验指导书,并提供应用程序源码供学生学习和二次开发。

二、产品介绍

2.1 产品概述

   如图2.1所示,IOT-P01-01型物联网创新应用实训台整体采用不锈钢框架设计,整体尺寸200cm(宽)*80cm(深)*220cm(高,含摄像头)。由智能交通、智能家居、智慧农业、仓储管理、人机显示、管理控制等6个功能区域组成。其中智能交通区,如图2.2所示,装配有WiFi网关、PLC以及模拟交通灯可以实现对于交通灯信号的无线控制。智能家居区模拟了物联网技术在智能家居中的应用,12个Zigbee节点分别装配有不同的传感器模块(人体感应、火焰、烟雾、门磁、温湿度、光照以及按钮共7种)或者执行器模块(安防警报、灯光、风扇、窗帘以及空调控制共6种),传感与控制数据通过Zigbee+WiFi网关,与上位机进行数据交互。智慧农业区模拟了物联网技术在农业生产领域的应用,8块433MHz无线通信节点分别装配有传感器(空气温湿度、CO2、光照以及土壤温湿度)和执行器(加热、加湿、通风以及灯光)模块,传感和执行数据通过433MHz+WiFi网关

2.2 产品实物示意图

图2.1 物联网创新应用实训台


图2.2智能交通系统


图2.3 智能家居系统


图2.4 智慧农业系统


图2.5 仓储管理系统

2.3 产品功能详解

   广州飞瑞敖电子科技有限公司IOT-P01-01型物联网创新应用实训台紧密围绕教育部物联网工程专业培训计划教学大纲进行设计,功能齐全强大,完整的体现了物联网技术三层架构:感知层、网络层以及应用层。实训台可以满足物联网工程专业<单片机原理与技术>、<传感器原理与应用>/<传感器与检测技术>、<物联网控制原理与技术>、、<传感网原理与应用>/、<物联网通信技术>、<物联网软件设计><物联网应用系统设计>等专业课程的实验需求;

2.3.1 满足<单片机原理与技术>课程实验开设

   如图2.4所示的IOT-P01-01型物联网创新应用实训台的智慧农业系统的各个节点的底板上板载一枚STC12C5A16S2型51单片机,用于进行传感器数据采集,传感器数据处理以及数据发送。如图2.3所示智能家居系统各个节点的射频模块上配备有一枚TI公司的CC2530 MCU,CC2530在不搭配Z-Stack无线通信协议栈时,其功能呢相当于一枚8051型单片机,与传统的单片机开发板相比,两款节点底板(单片机板)虽然外围器件较少,但是更能体现出物联网技术中的节能低功耗的优势,所涉及实验内容更贴近于物联网工程专业学生所要学习的知识点,更适合应用于物联网工程专业<单片机原理与技术>专业课程开设。

2.3.2 满足<传感器原理及应用>课程实验开设

   IOT-P01-01型物联网创新应用实训台标准配置有磁检测传感器、光敏传感器、温湿度传感器、烟雾传感器、火焰传感器、人体检测、CO2以及土壤温湿度共计8款传感器模块,8种传感器模块覆盖了电容式、电阻式、光敏式、气敏式四大原理类型传感器,配合实验指导书学生可以掌握常用传感器应用、会非电量与电量的转换,掌握处理、显示和传送等重要知识点。

2.3.3 满足<物联网控制原理与技术>课程实验开设

    IOT-P01-01型物联网创新应用实训台配置有安防警报(蜂鸣器&LED灯)、应急按钮(按键)、空调控制(IO管脚控制)、灯光控制(继电器控制)、窗帘控制(步进电机)、风扇控制(直流电机)、加热模拟(数码管)、水阀控制(继电器控制)等共8款控制模块,以及成品PLC可编程逻辑控制器,囊括了物联网控制领域的大部分应用场景的模拟,配合实训台配套的实验指导书和源码,可以完成<物联网控制原理与技术>课程的实验开设。

2.3.4 满足课程实验开设

   Zigbee无线传感网原理及应用,(有学校也叫无线传感网原理及应用或者传感器微操作系统原理与设计),是物联网工程专业的一门核心专业课程,Zigbee无线通信方式的应用也是物联网工程专业学生必须要掌握的一门技术,其核心是围绕美国TI公司提供的CC2530型单片机以及满足Zigbee 2006标准的Z-Stack协议栈展开的。如图2.3所示,IOT-P01-01型物联网创新应用实训台配备有Zigbee网关(协调器)节点,其余各个节点也都采用Zigbee通信方式,配合实验指导书,可完成从CC2530单片机的使用,到基于Z-Stack协议栈的组网,以及无线传感网的最终搭建等一系列实验,由浅入深的帮助学生学习Zigbee无线传感网方面的知识和应用。

2.3.5 满足<物联网通信技术>课程实验开设

   除了2.3.4节提到Zigbee无线通信技术,Wi-Fi和433MHz这两种无线通信技术也在物联网技术所涉及的行业中有着广泛的应用。如图2.4所示,IOT-P01-01型物联网创新应用实训台智慧农业系统各节点之间采用433MHz无线通信方式,结合实验指导书,学生将学习到如何使用这两种无线通信方式进行传感器数据的无线采集。与此同时,实验指导书将实验重点放在了三种通信方式的横向对比上,对其传输速率、吞吐量、功耗等做了对比,让学生直观了解不同的物联网无线通信技术的优缺点,这些创新型实验的实际应用性非常强,完全满足<物联网通信技术>课程实验的开设。

2.3.6 满足课程实验开设

   IOT-P01-01型创新应用实训台如图2.5所示的仓储管理系统备有市面常用的低频RFID模块、高频RFID模块、特高频RFID模块以及2.4GHzRFID模块,学生在配套实验指导书指导下,首先学习各种模块对相对应模块标签的读写、修改等操作,在了解和理解了RFID技术的基本原理和功能后,进行综合程序设计,模拟RFID技术在人员管理、仓储物流、公交车收费、人员定位等多个领域的应用,达到真正的学以致用的效果。与此同时,实训台还独具一格将所有的RFID模块都配有WiFi模块,学生可以进行程序设计将RFID模块采集的数据,通过WiFi上传至手机或者电脑,大大扩展了实训台的实用性。

2.3.7 满足<物联网软件设计><物联网应用系统设计>课程实验开设

   在完成了物联网工程专业大二、大三等专业基础课程的学习,学生难免会有这样的疑问,我所学到的这些知识点该如何融合贯通,在实际生产生活当中都有哪些实际应用呢?IOT-P01-01型物联网创新应用实训台将物联网各个技术点按照行业应用来划分,列举了智能交通系统、智能农业系统、智能家居系统以及智能仓储管理四大系统,学生再对实训台上各个节点有了了解后,结合实训台配套提供的案例源码,可以使用自己擅长的上位机开发语言(Java,C++,C#等),完成对这四大系统应用的二次开发,从而完成<物联网软件设计><物联网应用系统设计>课程实验。该课程侧重于上位机应用软件开发。

2.4 主要模块介绍
2.4.1 Zigbee采集节点

如图2.6,图2.7所示Zigbee采集节点由Zigbee射频模块,传感器模块以及节点底板三部分组成。各模块之间采用可插拔插针式设计,大大提高了设备的可维护、维修、扩展性等性能。

图2.6 Zigbee采集节点


图2.7 Zigbee采集节点采用模块化插针设计

三、支撑课程及实验清单

    广州飞瑞敖电子科技有限公司IOT-P01-01型物联网创新应用实训台紧密围绕教育部物联网工程专业培训计划教学大纲进行设计,功能齐全强大,完整的体现了物联网技术三层架构:感知层、网络层以及应用层。实训台可以满足物联网工程专业<单片机原理与技术>、<传感器原理与应用>/<传感器与检测技术>、<物联网控制原理与技术>、、<传感网原理与应用>/、<物联网通信技术>、<物联网软件设计><物联网应用系统设计>等专业课程的实验需求;

3.1.1 <单片机原理与技术>课程实验清单

实验1 STC单片机IO口准双向输出实验
实验2 STC单片机定时器实验
实验3 STC单片机串口通信实验
实验4 STC单片机掉电保存实验
实验5 STC单片机ADC转换实验
实验6 CC2530 单片机LED控制实验
实验7 CC2530 单片机按键控制实验
实验8 CC2530 单片机外部中断实验
实验9 CC2530 单片机定时器实验
实验10 CC2530 单片机串口实验
实验11 CC2530 单片机看门狗实验
实验12 CC2530 单片机能源管理实验

3.1.2 <传感器原理及应用>课程实验清单

实验1 基于CC2530的磁检测传感器实验
实验2 基于CC2530的光敏传感器实验
实验3 基于CC2530的温湿度传感器实验
实验4 基于CC2530的烟雾传感器实验
实验5 基于CC2530的人体检测传感器实验
实验6 基于CC2530的火焰检测传感器实验
实验7 基于STC的光敏传感器实验
实验8 基于STC的温湿度传感器实验

3.1.3 <物联网控制原理与技术>课程实验清单

实验1 基于CC2530的蜂鸣器LED灯控制实验
实验2 基于CC2530的应急按钮实验
实验3 基于CC2530的空调控制实验
实验4 基于CC2530的灯光控制实验
实验5 基于CC2530的步进电机实验
实验6 基于CC2530的直流电机实验
实验7 基于STC的水阀控制实验
实验8 基于STC的直流电机控制实验
实验9 基于STC的灯光控制实验
实验10 无线Wi-Fi PLC控制实验

3.1.4 课程实验清单

实验1 基于ZStack的LED控制实验
实验2 基于ZStack的串口实验
实验3 基于ZStack的按键实验
实验4 BasicRF点对点通信实验
实验5 ZStack点播通信实验
实验6 ZStack组播通信实验
实验7 ZStack广播通信实验
实验8 ZStack星状组网实验
实验9 CC2530 光敏传感器实验
实验10 CC2530 温湿度传感器实验

3.1.5 <物联网通信技术>课程实验清单

实验1 433MHz无线通信实验
实验2 WiFi模块的使用
实验3 组网及自愈性对比实验
实验4 速率吞吐量对比实验

3.1.6 课程实验清单

实验1 HF高频RFID通信协议实验
实验2 UHF特高频RFID通信协议实验
实验3 UHF特高频手持机的使用实验
实验4 基于WiFi通信的高频RFID实验
实验5基于WiFi通信的特高频RFID实验

3.1.7 <物联网软件设计><物联网应用系统设计>课程案例清单

<物联网软件设计><物联网应用系统设计>相关资源将以案例的形式提供给学生,所有案例均提供基于Java语言的Android APP以及对应源码;
案例1 温控风扇系统
案例2 环境监测及家电控制系统
案例3 智能家居控制系统
案例4 温室室内光照度的远程监控系统
案例5 温室室内温度的远程监控系统
案例6 智慧农业控制系统
案例7 超市仓库货物进出入管理信息系统
案例8 智能交通灯控制系统

一、智能家居系统


1.温湿度传感器模块
2.光照度传感器模块
3.烟雾探测传感器模块
4.火焰探测传感器模块
5.人体感应传感器模块
6.门磁检测传感器模块
7.紧急呼救按键
8.安防报警模块
9.风扇控制模块
10.窗帘控制模块
11.灯光控制模块
12.空调控制模块
13.ZigBee节点模块
14.WiFi网关模块

二、智慧农业系统

1.空气温湿度传感器模块
2.光照度传感器模块
3.CO2浓度传感器模块
4.土壤温湿度传感器模块
5.加热模拟模块
6.风机模块模块
7.光照模拟模块
8.水阀控制模块
9.433无线数传模块
10.WiFi网关

三、仓储管理系统

1.低频节点
2.高频节点
3.超高频节点
4.有源2.4G节点
5.纸质特高频标签
6.高频标签
7.低频RFID标签
8.2.4GHz RFID标签

四、智能交通系统

1.红色LED指示灯
2.黄色LED指示灯
3.绿色LED指示灯
4.PLC模块
5.WiFi网关模块

五、综合管理系统

1.电脑
2.WiFi摄像头
3.USB无线网卡
4.控制终端
5.无线路由器

六、实验清单

<单片机原理与技术>课程实验清单

实验1 STC单片机IO口准双向输出实验
实验2 STC单片机定时器实验
实验3 STC单片机串口通信实验
实验4 STC单片机掉电保存实验
实验5 STC单片机ADC转换实验
实验6 CC2530 单片机LED控制实验
实验7 CC2530 单片机按键控制实验
实验8 CC2530 单片机外部中断实验
实验9 CC2530 单片机定时器实验
实验10 CC2530 单片机串口实验
实验11 CC2530 单片机看门狗实验
实验12 CC2530 单片机能源管理实验

<传感器原理及应用>课程实验清单

实验1 基于CC2530的磁检测传感器实验
实验2 基于CC2530的光敏传感器实验
实验3 基于CC2530的温湿度传感器实验
实验4 基于CC2530的烟雾传感器实验
实验5 基于CC2530的人体检测传感器实验
实验6 基于CC2530的火焰检测传感器实验
实验7 基于STC的光敏传感器实验
实验8 基于STC的温湿度传感器实验

<物联网控制原理与技术>课程实验清单

实验1 基于CC2530的蜂鸣器LED灯控制实验
实验2 基于CC2530的应急按钮实验
实验3 基于CC2530的空调控制实验
实验4 基于CC2530的灯光控制实验
实验5 基于CC2530的步进电机实验
实验6 基于CC2530的直流电机实验
实验7 基于STC的水阀控制实验
实验8 基于STC的直流电机控制实验
实验9 基于STC的灯光控制实验
实验10 无线Wi-Fi PLC控制实验

课程实验清单

实验1 基于ZStack的LED控制实验
实验2 基于ZStack的串口实验
实验3 基于ZStack的按键实验
实验4 BasicRF点对点通信实验
实验5 ZStack点播通信实验
实验6 ZStack组播通信实验
实验7 ZStack广播通信实验
实验8 ZStack星状组网实验
实验9 CC2530 光敏传感器实验
实验10 CC2530 温湿度传感器实验

<物联网通信技术>课程实验清单

实验1 433MHz无线通信实验
实验2 WiFi模块的使用
实验3 组网及自愈性对比实验
实验4 速率吞吐量对比实验
课程实验清单
实验1 HF高频RFID通信协议实验
实验2 UHF特高频RFID通信协议实验
实验3 UHF特高频手持机的使用实验
实验4 基于WiFi通信的高频RFID实验
实验5基于WiFi通信的特高频RFID实验

<物联网软件设计>课程案例清单

<物联网软件设计><物联网应用系统设计>相关资源将以案例的形式提供给学生,所有案例均提供基于Java语言的Android APP以及对应源码;
案例1 温控风扇系统
案例2 环境监测及家电控制系统
案例3 智能家居控制系统
案例4 温室室内光照度的远程监控系统
案例5 温室室内温度的远程监控系统
案例6 智慧农业控制系统
案例7 超市仓库货物进出入管理信息系统
案例8 智能交通灯控制系统

七、飞瑞敖物联网综合应用实训平台管理软件V1.0

飞瑞敖物联网综合应用实训平台管理软件几种体现了实训台上智能家居、智慧农业、智能仓储以及智能交通的应用测试,该软件运行在平板或者其他智能终端上,可以快速读取各个传感器数据以及对各个控制设备进行控制,软件由Java语言编写的Android APP程序,提供源代码供学生老师二次开发使用。