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(新)物聯網本科實驗室實訓技術方案
發布日期:2021-04-06   點擊次數:1754

物聯網教學設備硬件及課程資源說明

       IPv6 多網融合全功能物聯網實驗箱(SeaIOT-B-IPv6-03),由 IPv6 多網融合主實驗箱、RFID 識別套件、傳感與檢測套件組成。

1.IPv6 多網融合實驗箱

     主要滿足物聯網實驗系統包括硬件設備、軟件資源、實驗資源三大部分。硬件設備包括多種微型無線傳感器、RFID、GPS、TD-SCDMA 和其他配套的嵌入式網關、核心開發板等設備。軟件資源包括系統網絡軟件,嵌入式網關軟件,PC 數據管理與分析軟件,實驗資源包括基于控制器的基礎實驗、傳感器信息采集實驗、無線信號收發實驗、Zigbee 網絡通訊實驗、RFID 射頻識別實驗及組件控制實驗等,通過對這三部分資源的充分學習,可為物聯網工程應用打下堅實的基礎,并能通過不同傳感器的特性、射頻識別技術以及網絡的組成形式等,開發出更多實用性強的物聯網應用模式。

      該物聯網綜合實驗平臺可細分為物聯網 Zigbee 技術教學實驗平臺、射頻識別( RFID )原理技術與應用實驗平臺、嵌入式 WIFI 開發平臺、GPS /GIS/GPRS綜合實驗平臺,提供眾多實驗例程,便于學生熟悉和掌握物聯網的構成及實際應用。該平臺除了可以滿足物聯網工程專業《物聯網技術基礎》、《物聯技術及網絡》、《RFID 原理與應用》、《物聯網應用》等課程教學需求外,也可為物聯網及相關專業的創新項目訓練和競賽提供服務。硬件外觀如圖所示。



模塊布局,如圖所示。


      無線傳感器節點采用模塊化設計,主要由接口底板、無線通信模塊、微處理器模塊、及傳感器調理板組成,通過插針對應連接而成,支持自由組合。Cortex-M3核的微處理器模塊自帶 OLED 屏顯示網絡信息、組網狀態、以及傳感器采樣數值。如圖所示,展示節點各模塊的連接方式。



1)藍牙、WiFi 等無線傳感器節點通過無線方式與 Cortex-A9 處理器通信。

2IEEE802.15.4ZigBee 無線傳感器節點通過無線方式與邊界路由器、ZigBee 協調器通信,再由邊界路由器、ZigBee 協調器與 Cortex-A9 處理器通信。

3LoRa 傳感器節點通過無線方式與 NB 無線傳感網網關通信。

4A9 處理器運行 AndroidLinux 雙操作系統,默認運行 Android。通過網絡拓撲圖展示傳感器的連接關系和采樣信息。

2.RFID 識別套件

        共 5 個模塊,位于附件盒,可獨立于實驗箱使用。主要滿足《識別技術及應用》核心課程基礎教學,還能夠滿足圖書管理應用實驗、身份識別應用實驗、ETC道閘應用實驗、倉儲出入庫應用實驗、畜牧耳標應用實驗。

1125K 低頻模塊,外觀如圖所示。


213.56M 高頻模塊,外觀如圖所示。

3900M 超高頻模塊,外觀如圖所示。

42.4G 有源 RFID 模塊


5)智能電機控制節點

響應電機控制電路,包含直流減速電機、舵機、彩色屏、IIC 接口的 EEPROMzigbee 通信模塊等。


3.傳感與檢測套件

 8 個模塊,位于附件盒。包含敏感傳感器檢測模塊、磁電式傳感器檢測模塊、壓電式傳感器檢測模塊、光電式傳感器檢測模塊、紅外類傳感器檢測模塊、電容式傳感器檢測模塊、采集類傳感器模塊、RFID 識別類傳感器模塊等,滿足《傳感器與智能檢測》、《感知識別實踐》專業課程實訓。使用時,替換實驗箱內無線傳感器節點的傳感器模塊,進行采集控制。

1)敏感電阻器檢測模塊

包含力敏、熱敏、廣譜氣體、結露等傳感器,雙色燈、蜂鳴器、繼電器等執行器。參考實訓題目:異常氣體檢測、壓力超限報警 等。

2)磁電式傳感器檢測模塊

包含干簧管、霍爾流量等傳感器,雙色燈、減速電機執行器參考實訓題目:霍爾測速、干簧管水箱水位控制、流水線自動加工等。

3)壓電式傳感器檢測模塊

包含振動、超聲波傳感器,雙色燈、蜂鳴器、播放器等執行器。參考實訓題目:車位狀態檢測、防盜報警等

4)光電式傳感器檢測模塊

包含光敏、光強傳感器、繼電器執行器。參考實訓題目:光照自動調節、智能照明等

5)紅外傳感器檢測模塊

包含紅外反射、紅外對射、熱釋電等傳感器、數碼管、蜂鳴器、LED 燈執


行器。

參考實訓題目:出入人數計數、人體紅外報警等

6)電容式傳感器檢測模塊

包含九軸、噪聲、觸摸等傳感器、LED 燈、蜂鳴器、播放器等執行器。

參考實訓題目:姿態監測報警、設備噪聲監測等

7)采集類傳感器檢測模塊

包含溫濕度、數字氣壓傳感器、直流風扇執行器。

參考實訓題目:溫度自動調節等

8RFID 識別類傳感器模塊

包含 NFC 識別模塊。

參考實訓題目:POS 機支付等。

序號

名稱 技術參數
1

IPv6 多網融合全功

能實驗箱

包含 IPv6 多網融合全功能實驗箱主體、RFID 別套件、傳感與檢測套件三部分。能滿足《傳感器原理及應用》、《識別技術及應用》、《嵌入式系統及應用》、《無線通信技術》等核心課程基礎教學。能瞞足《傳感器與智能檢測》、《感知識別應用實踐課程實訓。

一、IPv6 多網融合全功能實驗箱主體

總體功能:

能夠組建藍牙、WiFiIEEE802.15.4ZigBee 種短距離無線網絡,實現數據的無線傳輸;能夠組建 LoRaNB-IoT4G 長距離無線網絡,實現數據傳輸。能夠通過 LoRa 網絡無線收發傳感器數據,在保證 NB 網絡鋪設完成的條件下將傳感器數據通過 NB-IOT 網絡接入平臺;具有通 4G 網絡接入平臺的功能。通信協議支持 TCPUDPCoAP 協議。能夠使用 Web 應用系統查看傳感器采集節點上報的 JSON 數據包,并支持手動編輯 JSON 包下發命令控制執行器。

硬件資源:

1.Cortex-A9 網關(個)

1)核心板資源:

1CPUCortex-A9 四核心的 Samsung s5p4418主頻 1.4GHz

2GPUMAIL-4003D 圖形加速;

3)內存: 1GB DDR3

4EMMC: 8GB

5)核心板+底板設計:核心板加裝屏蔽罩,郵票孔方式與底板連接,抗干擾能力更強,比插針式更穩定可靠。引出核心板信號線,不少于188PIN

2)網關主板資源:

1LCD 接口: IPS 電容屏(16:9),分辨 1024×600

2USB 接口: USB_HOST 2.0 輸出,USB OTG

3Ethernet 接口:核心板內置千兆 IP,外加   3RMB  PHY       10/100/1000MRJ45 接口;

4)串口:2  3  RS2321  TTL 接口,1 RS4851  Bluetooth

5CAN 總線接口:路;

6RS485 總線接口:路;

7HDMI 接口:HDMI1.4a,最大支持 1920*1080高清數字輸出;

 8 LVDS 液晶屏接口:單通道,最大支持1920*1080

9)攝像頭接口:1  CMOS 并行接口,最大支 800 萬像素;

10AV 接口:路模擬視頻母口輸入;

11)外部存儲擴展接口:SD 卡、TF 卡接口;

12)音頻接口:1  MIC 輸入, 1.8w 喇叭;

13)按鍵:1 個復位按鍵、個休眠喚醒按鍵,個音量鍵;

14 藍牙 WiFi:板載藍牙 WiFi 二合一模塊;

15Mini PCIe 接口:標準可插入 4G 通信模模塊;

1624Pins 應用擴展接口:用于處理器外設接口擴展功能,包含 3 路串口、 PWM1  IIC

 ADC8  GPIO5V 電源。

2.網關 IO 基礎功能模塊(個)由網關直接驅動。采用 HC595 串入并出特點,使用較少 IO 擴展更多功能,默認地址 0x011 可調電位器模擬 AD 采樣通道, PWM 驅動的蜂鳴器,個觸摸按鍵, LED 指示燈。

3.NB 無線傳感網網關(個)支持 LoRa 等無線傳感器網絡數據解析,采用標 JSON 數據包通過 NB-IoT 網絡接入平臺,實現遠程數據傳輸,支持 UDP 協議、CoAP 應用協議;LoRa 模塊、NB-IoT 模塊,均采用插針與 STM32F103主板連接;

NB-IoT 模塊采用 BC95 無線芯片,可配置使用電信網絡接入平臺,850MHz 工作頻段,支持 3GPPRel-13 以及增強型 AT 指令;通信速率可 100kbps,靈敏度:-129dBm+23dBm 功率輸出;


模塊板載 SHT10 溫濕度傳感器及 LED 指示燈,實現本地溫濕度遠程采集及 LED 遠程控制;支持LoRa 無線傳感器節點遠程采集及執行器遠程控制。

網關板載 2  JTAG 調試接口,支持 STM32 處理器及無線通信模塊的調試;板載 1  RS232 調試接口、功能按鍵、組網狀態指示燈等。

供電:DC5V

4.ZigBee 協調器(個)

與網關的 TTL UART 連接。采用 CC2530 單片機外

設接口、射頻通信與 ZStack 協議棧的方案,具 Zigbee 建網功能,具有 2 個組網狀態及無線傳輸指示燈,個功能按鍵,提供傳感器模塊接口、RS232 接口、調試下載接口。

5.IEEE802.15.4 主機(個)與網關的 TTL UART 連接。采用 CC2530 射頻功能 802.15.4 的從機組建射頻網絡,接收從機信息,向從機發送命令。具有 2 個組網狀態及無線傳輸指示燈,個功能按鍵,提供傳感器模塊接口、RS232 接口、調試下載接口。

6.無線傳感網通信節點(12 個)

1)微控制器主板硬件資源

1Cortex-M3 核心主板(個)處理器基于 ARM Cortex-M3 核心的 STM32F103最高主頻 72Mhz,內部 Flash 256KBRAM 48KB具有 1  0.96  OLED 屏,能夠顯示 MAC 地址、上下級關系、傳感器數據、網絡信息等。具有 4 個組網狀態及無線傳輸指示燈,個功能按鍵、 JTAG 調試接口、 24PIN 的無線射頻接口, 20*2PIN 傳感器接口;標配 ARM 仿真器、串口下載仿真調試轉接板。、運行 IPv6 協議棧實現無線通信的功能。


2CC2530 核心主板(個)

處理器基于 CC2530F256,具有 2 個組網狀態及無線傳輸指示燈,個功能按鍵、 JTAG 調試接口、 24PIN 的無線射頻接口, 20*2PIN傳感器接口;標配下載仿真器。

2)無線傳感網通信模塊

1)藍牙通信模塊(2 個):采用 UART 接口的內置協議棧方案,設置從機模式,與主機配對后,將微控制器采樣數據傳輸給主機。

2WiFi 通信模塊(個):采用 UART 接口的內置 TCP/UDP/HTTP 協議棧方案,支持設置為 APSTA 的工作模式,與網關通信后,將微控制器采樣數據傳送給主機,或者接收主機的控制命令控

制執行器。

3IEEE802.15.4 通信模塊(個):基于 CC2530射頻組網通信方案,與邊界路由器組網,實現傳感器數據的雙向交互。

4ZigBee 通信模塊(個):基于 CC2530+ZStack協議棧組網通信方案,與 Zigbee 協調器組網,實現傳感器數據的雙向交互。

5LoRa 通信模塊(個):采用 STM32+LoRa模塊組網通信方案,采用 LoRa 擴頻調制技術,工作頻率為 410-510MHz,高靈敏度:-144.1dBm+20dBm 功率輸出;支持 FSKGFSKLoRa 調制方式;可視、開闊,超遠通信距離 5km 傳輸;與 LoRa主機點對點通信,實現傳感器數據的雙向傳輸。

3)傳感器模塊(12 個)

傳感器模塊數量不小于 12 個。包含紅外對射模塊、繼電器模塊、光敏模塊、溫濕度模塊、振動傳感器模塊、步進電機控制模塊、LEDBEEP 聲光報警模塊、三軸加速度傳感器模塊、霍爾傳感器

模塊、紅外接近傳感器模塊、氣體結露模塊、氣

壓傳感器等。支持傳感器采集和執行器控制實

驗。傳感器模塊插針接入,可直接插到無線傳感

網節點接口板上,支持替換,提供各類傳感器接

口板的原理圖和技術手冊。

接口包含 GPIO/IIC/SPI/PWM/電源/地等信號。

軟件資源:

1.嵌入式操作系統:

無線傳感器節點處理器支持 Contiki2.7 操作系

統,內嵌 IPv6 協議棧;節點 CC2530 處理器支持

Z-Stack2007 協議棧。

A9 網關處理器支持 Linux3.4QT4.8Android4.4

或更高版本,提供 Linux 操作系統外設硬件接口

及應用模塊的驅動測試程序。

2. 網關操作系統燒寫:

提供 Windows 下一鍵刷機軟件,選擇需要更新的

鏡像文件,可通過 SD 卡脫離 PC 機一鍵燒寫,也

可通過 USB 線纜刷機,支持 Uboot 參數修改配置。

系統支持一鍵燒寫雙系統 Android  Linux,可

一鍵切換。

3.支持嵌入式開發所必須的功能:

可基于 Android 系統設置 WIFI(支持開啟 AP 

點)聯網、Ethernet 聯網,無線藍牙傳輸,支持

模擬攝像頭信號接入、HDMI 音視頻輸出(支持

1080P)。

二、RFID 識別套件

 5 個模塊,位于附件盒,可獨立于實驗箱使用。

1125K 低頻模塊(個)

采用 STC11F04E 主控,與 125K 射頻卡基站模塊

進行數據交互,支持射頻信息通過串口、zigbee

無線兩種模式與上位機或 android 網關進行通

信。


板載 RS232 串行接口、ZigBee 通信模塊,可通過

雙位撥碼開關切換。

支持標準:125K ID

讀卡距離:0-10cm

讀卡時間:1-2ms

工作頻率:125KHz

支持卡片類型:TEMIC 5557EM4305 可讀寫系列

通訊方式:RS232  Zigbee

供電電源:DC5V

213.56M 高頻模塊(個)

采用 MSP430 單片機主控,與 TRF7970 高頻基站

電路進行數據交互,支持射頻信息通過 RS232 

口、Zigbee 無線兩種方式與上位機或 android 

關進行通信。

板載 RS232 串行接口、ZigBee 通信模塊,可通過

雙位撥碼開關切換。

控制芯片:MSP430F2370

支持標準:ISO15693

讀卡距離:0-10cm

讀卡時間:1-2ms

工作頻率:13.56MHz

通訊方式:RS232  Zigbee

供電電源:DC5V.

3915M 超高頻模塊(個)

采用 RLM100 超高頻讀寫器核心部件,里面集成

 PLL、發射、接受、耦合器以及 MCU 等外設,

通過 API 函數庫控制模塊,支持射頻信息通過

RS232 串口、Zigbee 無線兩種方式與上位機或網

關進行通信。

天線:陶瓷天線

支持標準:ISO18000-6CEPC GEN 2 標準;

讀卡距離:讀卡大于 50cm 寫卡距離為讀卡的


70%

讀卡時間:讀每 8 字節小于 5ms,寫每 4 字節小

 25ms

工作頻率:902~928MHz

最大 RF 輸出功率:20dBm

特點:輸出功率可以調整;

通訊方式:RS232  Zigbee

供電電源:DC5V

42.4G 有源模塊(個)

采用 nRF24LE1 主控,內部集成 2.4Ghz 無線傳輸

模塊和增強型 C8051 Flash 高速單片機,實現與

2.4G 讀卡器的功能,可與 2.4G 標簽進行無線通

信。支持射頻信息通過 RS232 串口、Zigbee 無線

兩種方式與上位機或網關進行通信。

工作主頻;2.4 GHz  2.483 GHz

讀卡距離:最大 80 

衰減距離:1-80 米可調節(距離誤差±15%

識別角度: 全向

極化方式: 垂直極化或雙極化

通信機制: 基于 HDLC 時分多址和同步通信機

抗干擾性: 頻道隔離技術,多個設備互不干擾

  性: 加密計算與安全認證,防止鏈路偵

通訊接口:RS232/USBZigBee

工作溫度: -40℃+85℃(工業級)

工作濕度: 10%90%RH

 壓:+5VDC5VDC

 流:≤100mA

5)智能控制節點(1 個)

采用高性能 Cortex-M3 32 位微處理器,主頻

72MHz;內存:8KB SRAMFlash 存儲:128KB


板載 1.8  TFT LCD 顯示屏、舵機、直流電機,

板載無線通訊模塊,可接收無線命令,控制舵機、

直流電機動作。可與其他 RFID 節點組合,組建

各種物聯網應用場景。

6)電子標簽

包含 125K 低頻、13.56M 高頻、900M 超高頻、2.4G

有源電子標簽。

三、傳感與檢測套件

 8 個模塊,位于附件盒。

1)敏感電阻器檢測模塊(1 個)

含力敏、熱敏、廣譜氣體、結露等傳感器,雙色

燈、蜂鳴器、繼電器等執行器。可開展異常氣體

檢測、壓力超限報警等傳感器綜合實驗。

2)磁電式傳感器檢測電路(1 個)

包含干簧管、霍爾流量等傳感器,雙色燈、減速

電機等執行器。可開展霍爾測速、干簧管水箱水

位控制、流水線自動加工等傳感器綜合實驗。

3)壓電式傳感器檢測電路(1 個)

包含振動、超聲波傳感器,雙色燈、蜂鳴器、播

放器等執行器。可開展車位狀態檢測、防盜報警

等傳感器綜合實驗。

4)光電式傳感器檢測電路(1 個)

包含光敏、光強傳感器、繼電器執行器。可開展

光照自動調節、智能照明等傳感器綜合實驗。

5)紅外傳感器檢測電路(1 個)

包含紅外反射、紅外對射、熱釋電等傳感器,數

碼管、蜂鳴器、LED 燈執行器。可開展出入人數

計數、人體紅外報警等傳感器綜合實驗

6)電容式傳感器檢測電路(1 個)

包含九軸、噪聲、觸摸等傳感器,LED 燈、蜂鳴

器、播放器等執行器。可開展姿態監測報警、設

備噪聲監測等傳感器綜合實驗。


7)采集類傳感器檢測電路(1 個)

包含溫濕度、數字氣壓等傳感器,直流風扇執行

器。可開展溫度自動調節等傳感器綜合實驗。

8RFID 識別類電路(個)

包含 NFC 識別模塊。可開展 POS 機支付等傳感器

綜合實驗。



2

Android 網關多網

融合拓撲軟件

能夠將藍牙、WiFiIEEE802.15.4 無線網絡經IPV6 協議融合在一個拓撲圖中,Zigbee 節點經ZStack 協議展示在拓撲圖中;在界面上顯示藍牙、WiFiRPL802.15.4ZigBee 等節點的傳感器數據或執行器狀態;網關界面可顯示傳感器采集的數據、執行器的狀態,顯示藍牙、WiFiIEEE802.15.4 傳感器節點的 IPv6 地址,顯示ZigBee 傳感器節點組網短地址,能夠隨意拖動傳感器,而不改變網絡的拓撲結構;點擊網關上傳感器節點圖標,可進入二級界面查看傳感器的實時曲線走勢,或手動控制執行器的開關。

3

IPv6 無線傳感網綜

合應用軟件

采用 Contiki-2.7 網絡操作系統,內置 IPv6 議棧,具有傳感器采集、執行器控制,無線組網傳輸的功能,可進行 TCP/UDP/CoAP 網絡通信。具有藍牙、WIFIIEEE802.15.4 三種通信模塊的驅動傳輸的功能。開發環境: IAR Embedded Workbench V7.40 forARM

4

ZigBee 無線透明傳

輸應用軟件

采用 Z-Stack2007 協議棧,具有傳感器采集、執行器驅動控制、自組網無線數據傳輸、數據透明傳輸等功能。采用 Smart RF Flash Programmer CC Debugger 驅動燒寫固件。協議棧:ZSTACK-CC2530-2.3.0-1.4.0開發環境: IAR Embedded Workbench V8.10 for8051

5

數值分析應用軟件

運行在 windows7 以上操作系統應用軟件,具有傳感器采樣數據數值分析的功能,支持使用EXCEL2007 文檔存儲,支持文件名自定義,路徑自定義;具有自定義采樣間隔、固定時刻采樣的功能;繪制時域坐標系采樣曲線,能夠選擇任意時間段內有效傳感器的歷史數據進行統計分析,列表顯示被測傳感器的采樣次數、測量值、最大(小)值、算術平均值、偏差、中值、方差、近似標準差、剔除壞值后的算式平均值等;具有傅里葉變換功能,能夠在上位機軟件中顯示傳感器采樣數據傅里葉變換后的頻域圖;具備最小二乘曲線擬合功能,能夠觀察采樣曲線和擬合后曲線的對比圖。開發環境:Visual Studio 2013


6

《傳感器原理及應

用》

主要研究力學、熱學、聲學、光學等傳感器原理與性能指標,并能設計一般的檢測電路。通過課程學習,掌握電渦流式傳感器、磁電式傳感器、霍爾傳感器、流量傳感器、加速度傳感器的檢測技術,結合 ARM Cortex-M3 內核的 STM32 處理器的接口技術、通過場景聯動案例方式教學,介紹常用傳感器(能耗類、物理類、探測類、開關控制類、電機控制類、顯示控制類等)的工作原理、驅動方法、采集方法。

7

《識別技術及應用》

主要講解無線射頻識別技術(低頻、高頻、超高頻、2.4G 有源)的工作原理、頻率標準、技術規范。使用讀寫器、電子標簽,結合上位機應用軟件實現電子標簽信息的讀取、寫入、安全保護等功能;實驗課程重點放在對各個頻段 RFID 模塊的管理、控制和上位機應用,學生可利用開放的通信協議,編寫上位機應用程序,實現身份識別、圖書管理、模擬收費、門禁管理等各種物聯網應用場景。

8

《嵌入式系統及應

用》

主要研究 Cortex-A9 以上內核的操作系統移植、應用程序開發、設備上云、工業互聯網 app 應用開發等。掌握 Cortex-A9 高性能處理器的嵌入式Linux 系統移植、文件系統制作、Android 系統制作,以及基于 Qt/Android 的可視化應用程序開發。掌握多種異構網絡通信協議轉換的編程方法,兼容 RS485CAN 有線網絡, ZigBee/WiFi/藍牙等無線網絡,和 4G/5G 移動通信網絡,支持物聯網 MQTTHTTP 協議,以及協議轉換。

9

《無線通信技術》


主要講授短距離無線通信網絡相關知識:ZigBee傳感網的拓撲結構、協議棧工程解析、使用協議棧函數實現傳感器節點的數據收發;WiFi 傳感網通信模塊的 AT 指令集、設置方法、Socket 通信和傳感器節點的數據收發;藍牙無線傳感網絡的工作原理、設置方法、網絡特性和傳感器節點的數據收發;長距離通信網絡:LoRa 傳感網特點和網絡結構、AT 指令集和傳感網數據收發;NB-IoT傳感網特點和網絡架構、AT 指令集和傳感網數據收發;LTE 4G/5G 移動通訊網絡的基本原理、概念、技術特點和應用開發。


10

《傳感器與智能檢

測》


根據設計要求,確定檢測系統方案,選擇傳感器、設計信號調理電路。使學生初步具有檢測系統分析、設計的能力,為后期測控系統的設計研制打下基礎。
11


《感知識別應用實

踐》



設計射頻識別應用系統,包括圖書管理應用實驗、身份識別應用實驗、ETC 道閘應用實驗、倉儲出入庫應用實驗、畜牧耳標應用實驗。










下載方案


方案PDF版.pdf

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