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一、产品简介

1.1 产品设计背景

   创造健康舒适的家居环境源于人们对幸福生活的追求。30年来的高速经济发展,使我国人民的生活水平和居住环境有了质的飞跃。生活设施日渐齐全、家居家电设备种类也俞加丰富。然而,家居能耗过大、安全系数低、家电操作不便等问题在低碳环保理念普及和人民追求高品质生活的今天愈发凸显。基于物联网技术的智能家居系统能够利用传感器、无线通信和智能控制技术,为人们提供舒适、便捷、安全、环保的家居生活环境,对于构建环境友好型、资源节约型的和谐社会具有重要意义。可以大胆畅想一下未来使用物联网技术的智能家居将呈现的面貌。每天回家时,它会打开灯光并调到合适的亮度,打开空调,它能自动感知气候变化、判断人的意图并调整家居设施,以帮助人们提供工作和生活的质量。一旦发生非法入侵、失火等意外情况,它会实时拍照和录像,在现场鸣笛警报,并将警报信息放松到主人的手机上,同时报告保安或警察采取必要的措施。
   智能家居系统做为物联网技术应用的一个重要方面,是各个高校的学习和研究重点,但是由于场地、环境、装修等条件的影响,很多高校无法提供适合老师和学生学习、实验和研究的智能家居实验演示平台。为了解决这个问题,广州飞瑞敖电子科技有限公司设计了IOT-P01-02型智能家居实训台来满足学校的教学和科研使用。

1.2 产品设计目标

   IOT-P01-02智能家居实训台以应用为主导,通过对智能家居的模拟,使学生直观了解智能家居基本功能,加强学生对物联网的感知和理解,使学生在实际动手操作和理解相关原理之后进行创新实验。以感知层、网络层、应用层为设计理念,具有多种传感器数据的采集,多种网络传输方式,多种设备控制等特点。
   在教学方面不仅可以作为物理网工程专业<单片机原理与应用>、<物联网传感器与控制器原理与应用>、等基础专业课程的实验平台,还可以作为以智能家居为应用的<物联网软件设计><物联网应用系统设计>课程的实训平台。

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两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。
● 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-P01-02型物联网智能家居实训台整体采用不锈钢框架设计,整体尺寸77cm(宽)*46cm(深)*110cm(高,含摄像头)。实训台整体模拟了物联网技术在智能家居中的应用,12块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。装配在左下角的平板电脑默认搭载运行的管理软件可快速的检测实训台上的各个节点模块是否正常运行,同时也可作为教师和学生自主编写的Android APP的运行平台。

2.2 产品实物图

图2.1 智能家居实训台实物图

2.3 产品功能详解

   IOT-P01-02型智能家居实训台可作为物理网工程专业<单片机原理与应用>、<物联网传感器与控制器原理与应用>、等基础专业课程的实验平台,还可以作为以智能家居为应用的<物联网软件设计><物联网应用系统设计>课程的实训平台。

2.3.1 满足<单片机原理与技术>课程实验开设

   IOT-P01-02型智能家居实训台的各节点的射频模块上配备有一枚TI公司的CC2530 MCU,这枚MCU也是整个无线传感网络的核心知识点。CC2530在不搭配Z-Stack无线通信协议栈时,其功能相当于一枚8051型单片机,可以满足物联网工程专业下的<单片机原理与技术>实验课程的实验开设。与传统的单片机开发板相比,该节点(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<物联网传感器与控制器原理与应用>课程实验开设

   IOT-P01-02型智能家居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、人体检测共计6款传感器模块,6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。同时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(数码管控制)、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)共6款控制模块,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<物联网传感器与控制器原理与技术>课程的实验开设。

2.3.3 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。IOT-P01-02型智能家居实训台配备有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。

2.3.4 满足<物联网软件设计><物联网应用系统设计>课程实验开设

   该课程侧重于上位机应用软件开发。IOT-P01-02型智能家居实训台将囊括了智能家居应用领域的所有重要知识点,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),完成对智能家居应用的二次开发,从而完成<物联网软件设计><物联网应用系统设计>课程实验。

2.4 主要模块介绍
2.4.1 Zigbee采集节点

   如图2.2,图2.3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2.2 Zigbee采集节点

图2.3 Zigbee采集节点采用模块化插针设计

三、支撑课程及实验清单

   IOT-P01-02型智能家居实训台可作为物理网工程专业<单片机原理与应用>、<物联网传感器与控制器原理与应用>、等基础专业课程的实验平台,还可以作为以智能家居为应用的<物联网软件设计><物联网应用系统设计>课程的实训平台。

3.1.1 <单片机原理与技术>课程实验

实验1 CC2530LED控制实验
实验2 CC2530按键实验
实验3 CC2530外部中断实验
实验4 CC2530定时器实验
实验5 CC2530PWM实验
实验6 CC2530串口实验
实验7 CC2530ADC实验
实验8 CC2530看门狗实验
实验9 CC2530定时器唤醒系统实验
实验10 CC2530外部中断唤醒系统实验
实验11 CC2530能源管理实验
实验12 CC2530RF射频通信实验

3.1.2 <物联网传感器与控制器原理及应用>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CC2530的蜂鸣器LED灯控制实验
实验8 基于CC2530的应急按钮实验
实验9 基于CC2530的空调控制实验
实验10 基于CC2530的灯光控制实验
实验11 基于CC2530的步进电机实验
实验12 基于CC2530的直流电机实验

3.1.3 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

3.1.4 <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

一、传感器模块

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
15.WiFi摄像头
16.平板控制终端
17.实训平台结构件

二、实验内容

<单片机原理与技术>课程实验

实验1 CC2530LED控制实验
实验2 CC2530按键实验
实验3 CC2530外部中断实验
实验4 CC2530定时器实验
实验5 CC2530PWM实验
实验6 CC2530串口实验
实验7 CC2530ADC实验
实验8 CC2530看门狗实验
实验9 CC2530定时器唤醒系统实验
实验10 CC2530外部中断唤醒系统实验
实验11 CC2530能源管理实验
实验12 CC2530RF射频通信实验

<物联网传感器与控制器原理及应用>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CC2530的蜂鸣器LED灯控制实验
实验8 基于CC2530的应急按钮实验
实验9 基于CC2530的空调控制实验
实验10 基于CC2530的灯光控制实验
实验11 基于CC2530的步进电机实验
实验12 基于CC2530的直流电机实验

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

<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

1.智能家居实训台管理软件

软件统一管理各传感器与窗帘电机、家用电器、灯光系统等设备。通过WiFi设备服务器参数设置与设备关联,可以对读取各个传感器的数据以及对各个执行器进行控制,从而达到快速对整个实训台整体的测试效果。软件开放所有源代码供学生二次开发使用。