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一、產品簡介

1.1 產品設計背景

   隨著物聯網產業的發展和普及,急需大量的相關領域的技術人才,具備物聯網系統設計,系統及設備的硬件設計以及軟件代碼編寫等方面的物聯網技術開發能力,在實際應用方面,也需要工程系統集成,項目實施,安裝調試,管理和維護等多種物聯網技術人員和管理人員。我國因此制訂了物聯網專業高素質創新型人才的培養計劃,物聯網專業在高等學校和職業院校也越來越多的開設,用以培養物聯網系統設計,系統及設備的硬件設計及軟件代碼編寫等方面的物聯網的技術人才。
   但是很多高校在進行物聯網工程專業實驗室建設的時候,往往遇到這樣的問題:可供選擇的設備種類繁多,系統性兼容性不強,不同的課程要選擇不同的實驗設備。從大二開始的專業基礎類實驗到大四的綜合類實驗,無論是教師上課還是學生做實驗,總是要用到不同的實驗設備,導致教師和學生對每樣設備和技術都是淺嘗輒止,無法觸及和領悟物聯網技術的核心。為了解決這個問題,廣州飛瑞敖電子科技有限公司設計研發推出了IOT-P01-01型物聯網創新應用實訓臺。

1.2 產品設計目標

   廣州飛瑞敖電子科技有限公司IOT-P01-01型物聯網創新應用實訓臺緊密圍繞教育部物聯網工程專業培訓計劃教學大綱進行設計,功能齊全強大,完整的體現了物聯網技術三層架構:感知層、網絡層以及應用層。實訓臺可以滿足物聯網工程專業從大二到大四百分之六十以上專業課程的實驗需求,具體包括:<單片機原理與技術>、<傳感器原理與應用>/<傳感器與檢測技術>、<物聯網控制原理與技術>、、<傳感網原理與應用>/、<物聯網通信技術>、<物聯網軟件設計><物聯網應用系統設計>等。以IOT-P01-01型物聯網創新實訓臺為主要設備建設的物聯網工程專業實驗室,可以讓老師和學生在不更換硬件平臺的情況下,完成從大二專業基礎類實驗到大四的綜合應用類實驗的教學和開發,讓學生從淺入深,循序漸進的了解和學習物聯網技術。

1.3 產品創新點

● 實訓臺采用純模塊化設計,單個傳感器節點分為節點底板、射頻模塊和傳感器模塊三部分,各模塊均采用可插拔方式,擴展性強,易維修維護升級。
● 實驗箱標配WiFi、Zigbee以及433MHz三種主流局域網無線通信模塊。
● 傳感器種類豐富涵蓋了電容式傳感器、電阻式傳感器、光敏傳感器、氣敏傳感器等十余種不同種類的傳感器。
● 實訓臺緊密圍繞教育部物聯網工程專業培訓計劃教學大綱進行設計,功能齊全強大,完整的體現了物聯網技術三層架構:感知層、網絡層以及應用層。實訓臺可以滿足物聯網工程專業從大二到大四百分之七十以上專業課程的實驗需求。
● 完整詳盡的實驗指導書,并提供應用程序源碼供學生學習和二次開發。

二、產品介紹

2.1 產品概述

   如圖2.1所示,IOT-P01-01型物聯網創新應用實訓臺整體采用不銹鋼框架設計,整體尺寸2400mm * 800mm * 2240mm(高,含攝像頭)。由智能交通、智能家居、智慧農業、倉儲管理、人機顯示、管理控制等6個功能區域組成。其中智能交通區,如圖2.2所示,裝配有WiFi網關、PLC以及模擬交通燈可以實現對于交通燈信號的無線控制。智能家居區模擬了物聯網技術在智能家居中的應用,12個Zigbee節點分別裝配有不同的傳感器模塊(人體感應、火焰、煙霧、門磁、溫濕度、光照以及按鈕共7種)或者執行器模塊(安防警報、燈光、風扇、窗簾以及空調控制共6種),傳感與控制數據通過Zigbee+WiFi網關,與上位機進行數據交互。智慧農業區模擬了物聯網技術在農業生產領域的應用,8塊433MHz無線通信節點分別裝配有傳感器(空氣溫濕度、CO2、光照以及土壤溫濕度)和執行器(加熱、加濕、通風以及燈光)模塊,傳感和執行數據通過433MHz+WiFi網關

2.2 產品實物示意圖

圖2.1 物聯網創新應用實訓臺


圖2.2智能交通系統


圖2.3 智能家居系統


圖2.4 智慧農業系統


圖2.5 倉儲管理系統

2.3 產品功能詳解

   廣州飛瑞敖電子科技有限公司IOT-P01-01型物聯網創新應用實訓臺緊密圍繞教育部物聯網工程專業培訓計劃教學大綱進行設計,功能齊全強大,完整的體現了物聯網技術三層架構:感知層、網絡層以及應用層。實訓臺可以滿足物聯網工程專業<單片機原理與技術>、<傳感器原理與應用>/<傳感器與檢測技術>、<物聯網控制原理與技術>、、<傳感網原理與應用>/、<物聯網通信技術>、<物聯網軟件設計><物聯網應用系統設計>等專業課程的實驗需求;

2.3.1 滿足<單片機原理與技術>課程實驗開設

   如圖2.4所示的IOT-P01-01型物聯網創新應用實訓臺的智慧農業系統的各個節點的底板上板載一枚STC12C5A16S2型51單片機,用于進行傳感器數據采集,傳感器數據處理以及數據發送。如圖2.3所示智能家居系統各個節點的射頻模塊上配備有一枚TI公司的CC2530 MCU,CC2530在不搭配Z-Stack無線通信協議棧時,其功能呢相當于一枚8051型單片機,與傳統的單片機開發板相比,兩款節點底板(單片機板)雖然外圍器件較少,但是更能體現出物聯網技術中的節能低功耗的優勢,所涉及實驗內容更貼近于物聯網工程專業學生所要學習的知識點,更適合應用于物聯網工程專業<單片機原理與技術>專業課程開設。

2.3.2 滿足<傳感器原理及應用>課程實驗開設

   IOT-P01-01型物聯網創新應用實訓臺標準配置有磁檢測傳感器、光敏傳感器、溫濕度傳感器、煙霧傳感器、火焰傳感器、人體檢測、CO2以及土壤溫濕度共計8款傳感器模塊,8種傳感器模塊覆蓋了電容式、電阻式、光敏式、氣敏式四大原理類型傳感器,配合實驗指導書學生可以掌握常用傳感器應用、會非電量與電量的轉換,掌握處理、顯示和傳送等重要知識點。

2.3.3 滿足<物聯網控制原理與技術>課程實驗開設

    IOT-P01-01型物聯網創新應用實訓臺配置有安防警報(蜂鳴器&LED燈)、應急按鈕(按鍵)、空調控制(IO管腳控制)、燈光控制(繼電器控制)、窗簾控制(步進電機)、風扇控制(直流電機)、加熱模擬(數碼管)、水閥控制(繼電器控制)等共8款控制模塊,以及成品PLC可編程邏輯控制器,囊括了物聯網控制領域的大部分應用場景的模擬,配合實訓臺配套的實驗指導書和源碼,可以完成<物聯網控制原理與技術>課程的實驗開設。

2.3.4 滿足課程實驗開設

   Zigbee無線傳感網原理及應用,(有學校也叫無線傳感網原理及應用或者傳感器微操作系統原理與設計),是物聯網工程專業的一門核心專業課程,Zigbee無線通信方式的應用也是物聯網工程專業學生必須要掌握的一門技術,其核心是圍繞美國TI公司提供的CC2530型單片機以及滿足Zigbee 2006標準的Z-Stack協議棧展開的。如圖2.3所示,IOT-P01-01型物聯網創新應用實訓臺配備有Zigbee網關(協調器)節點,其余各個節點也都采用Zigbee通信方式,配合實驗指導書,可完成從CC2530單片機的使用,到基于Z-Stack協議棧的組網,以及無線傳感網的最終搭建等一系列實驗,由淺入深的幫助學生學習Zigbee無線傳感網方面的知識和應用。

2.3.5 滿足<物聯網通信技術>課程實驗開設

   除了2.3.4節提到Zigbee無線通信技術,Wi-Fi和433MHz這兩種無線通信技術也在物聯網技術所涉及的行業中有著廣泛的應用。如圖2.4所示,IOT-P01-01型物聯網創新應用實訓臺智慧農業系統各節點之間采用433MHz無線通信方式,結合實驗指導書,學生將學習到如何使用這兩種無線通信方式進行傳感器數據的無線采集。與此同時,實驗指導書將實驗重點放在了三種通信方式的橫向對比上,對其傳輸速率、吞吐量、功耗等做了對比,讓學生直觀了解不同的物聯網無線通信技術的優缺點,這些創新型實驗的實際應用性非常強,完全滿足<物聯網通信技術>課程實驗的開設。

2.3.6 滿足課程實驗開設

   IOT-P01-01型創新應用實訓臺如圖2.5所示的倉儲管理系統備有市面常用的低頻RFID模塊、高頻RFID模塊、特高頻RFID模塊以及2.4GHzRFID模塊,學生在配套實驗指導書指導下,首先學習各種模塊對相對應模塊標簽的讀寫、修改等操作,在了解和理解了RFID技術的基本原理和功能后,進行綜合程序設計,模擬RFID技術在人員管理、倉儲物流、公交車收費、人員定位等多個領域的應用,達到真正的學以致用的效果。與此同時,實訓臺還獨具一格將所有的RFID模塊都配有WiFi模塊,學生可以進行程序設計將RFID模塊采集的數據,通過WiFi上傳至手機或者電腦,大大擴展了實訓臺的實用性。

2.3.7 滿足<物聯網軟件設計><物聯網應用系統設計>課程實驗開設

   在完成了物聯網工程專業大二、大三等專業基礎課程的學習,學生難免會有這樣的疑問,我所學到的這些知識點該如何融合貫通,在實際生產生活當中都有哪些實際應用呢?IOT-P01-01型物聯網創新應用實訓臺將物聯網各個技術點按照行業應用來劃分,列舉了智能交通系統、智能農業系統、智能家居系統以及智能倉儲管理四大系統,學生再對實訓臺上各個節點有了了解后,結合實訓臺配套提供的案例源碼,可以使用自己擅長的上位機開發語言(Java,C++,C#等),完成對這四大系統應用的二次開發,從而完成<物聯網軟件設計><物聯網應用系統設計>課程實驗。該課程側重于上位機應用軟件開發。

2.4 主要模塊介紹
2.4.1 Zigbee采集節點

如圖2.6,圖2.7所示Zigbee采集節點由Zigbee射頻模塊,傳感器模塊以及節點底板三部分組成。各模塊之間采用可插拔插針式設計,大大提高了設備的可維護、維修、擴展性等性能。

圖2.6 Zigbee采集節點


圖2.7 Zigbee采集節點采用模塊化插針設計

三、支撐課程及實驗清單

    廣州飛瑞敖電子科技有限公司IOT-P01-01型物聯網創新應用實訓臺緊密圍繞教育部物聯網工程專業培訓計劃教學大綱進行設計,功能齊全強大,完整的體現了物聯網技術三層架構:感知層、網絡層以及應用層。實訓臺可以滿足物聯網工程專業<單片機原理與技術>、<傳感器原理與應用>/<傳感器與檢測技術>、<物聯網控制原理與技術>、、<傳感網原理與應用>/、<物聯網通信技術>、<物聯網軟件設計><物聯網應用系統設計>等專業課程的實驗需求;

3.1.1 <單片機原理與技術>課程實驗清單

實驗1 STC單片機IO口準雙向輸出實驗
實驗2 STC單片機定時器實驗
實驗3 STC單片機串口通信實驗
實驗4 STC單片機掉電保存實驗
實驗5 STC單片機ADC轉換實驗
實驗6 CC2530 單片機LED控制實驗
實驗7 CC2530 單片機按鍵控制實驗
實驗8 CC2530 單片機外部中斷實驗
實驗9 CC2530 單片機定時器實驗
實驗10 CC2530 單片機串口實驗
實驗11 CC2530 單片機看門狗實驗
實驗12 CC2530 單片機能源管理實驗

3.1.2 <傳感器原理及應用>課程實驗清單

實驗1 基于CC2530的磁檢測傳感器實驗
實驗2 基于CC2530的光敏傳感器實驗
實驗3 基于CC2530的溫濕度傳感器實驗
實驗4 基于CC2530的煙霧傳感器實驗
實驗5 基于CC2530的人體檢測傳感器實驗
實驗6 基于CC2530的火焰檢測傳感器實驗
實驗7 基于STC的光敏傳感器實驗
實驗8 基于STC的溫濕度傳感器實驗

3.1.3 <物聯網控制原理與技術>課程實驗清單

實驗1 基于CC2530的蜂鳴器LED燈控制實驗
實驗2 基于CC2530的應急按鈕實驗
實驗3 基于CC2530的空調控制實驗
實驗4 基于CC2530的燈光控制實驗
實驗5 基于CC2530的步進電機實驗
實驗6 基于CC2530的直流電機實驗
實驗7 基于STC的水閥控制實驗
實驗8 基于STC的直流電機控制實驗
實驗9 基于STC的燈光控制實驗
實驗10 無線Wi-Fi PLC控制實驗

3.1.4 課程實驗清單

實驗1 基于ZStack的LED控制實驗
實驗2 基于ZStack的串口實驗
實驗3 基于ZStack的按鍵實驗
實驗4 BasicRF點對點通信實驗
實驗5 ZStack點播通信實驗
實驗6 ZStack組播通信實驗
實驗7 ZStack廣播通信實驗
實驗8 ZStack星狀組網實驗
實驗9 CC2530 光敏傳感器實驗
實驗10 CC2530 溫濕度傳感器實驗

3.1.5 <物聯網通信技術>課程實驗清單

實驗1 433MHz無線通信實驗
實驗2 WiFi模塊的使用
實驗3 組網及自愈性對比實驗
實驗4 速率吞吐量對比實驗

3.1.6 課程實驗清單

實驗1 HF高頻RFID通信協議實驗
實驗2 UHF特高頻RFID通信協議實驗
實驗3 UHF特高頻手持機的使用實驗
實驗4 基于WiFi通信的高頻RFID實驗
實驗5基于WiFi通信的特高頻RFID實驗

3.1.7 <物聯網軟件設計><物聯網應用系統設計>課程案例清單

<物聯網軟件設計><物聯網應用系統設計>相關資源將以案例的形式提供給學生,所有案例均提供基于Java語言的Android APP以及對應源碼;
案例1 溫控風扇系統
案例2 環境監測及家電控制系統
案例3 智能家居控制系統
案例4 溫室室內光照度的遠程監控系統
案例5 溫室室內溫度的遠程監控系統
案例6 智慧農業控制系統
案例7 超市倉庫貨物進出入管理信息系統
案例8 智能交通燈控制系統

一、智能家居系統


1.溫濕度傳感器模塊
2.光照度傳感器模塊
3.煙霧探測傳感器模塊
4.火焰探測傳感器模塊
5.人體感應傳感器模塊
6.門磁檢測傳感器模塊
7.緊急呼救按鍵
8.安防報警模塊
9.風扇控制模塊
10.窗簾控制模塊
11.燈光控制模塊
12.空調控制模塊
13.ZigBee節點模塊
14.WiFi網關模塊

二、智慧農業系統

1.空氣溫濕度傳感器模塊
2.光照度傳感器模塊
3.CO2濃度傳感器模塊
4.土壤溫濕度傳感器模塊
5.加熱模擬模塊
6.風機模塊模塊
7.光照模擬模塊
8.水閥控制模塊
9.433無線數傳模塊
10.WiFi網關

三、倉儲管理系統

1.低頻節點
2.高頻節點
3.超高頻節點
4.有源2.4G節點
5.紙質特高頻標簽
6.高頻標簽
7.低頻RFID標簽
8.2.4GHz RFID標簽

四、智能交通系統

1.紅色LED指示燈
2.黃色LED指示燈
3.綠色LED指示燈
4.PLC模塊
5.WiFi網關模塊

五、綜合管理系統

1.電腦
2.WiFi攝像頭
3.USB無線網卡
4.控制終端
5.無線路由器

六、實驗清單

<單片機原理與技術>課程實驗清單

實驗1 STC單片機IO口準雙向輸出實驗
實驗2 STC單片機定時器實驗
實驗3 STC單片機串口通信實驗
實驗4 STC單片機掉電保存實驗
實驗5 STC單片機ADC轉換實驗
實驗6 CC2530 單片機LED控制實驗
實驗7 CC2530 單片機按鍵控制實驗
實驗8 CC2530 單片機外部中斷實驗
實驗9 CC2530 單片機定時器實驗
實驗10 CC2530 單片機串口實驗
實驗11 CC2530 單片機看門狗實驗
實驗12 CC2530 單片機能源管理實驗

<傳感器原理及應用>課程實驗清單

實驗1 基于CC2530的磁檢測傳感器實驗
實驗2 基于CC2530的光敏傳感器實驗
實驗3 基于CC2530的溫濕度傳感器實驗
實驗4 基于CC2530的煙霧傳感器實驗
實驗5 基于CC2530的人體檢測傳感器實驗
實驗6 基于CC2530的火焰檢測傳感器實驗
實驗7 基于STC的光敏傳感器實驗
實驗8 基于STC的溫濕度傳感器實驗

<物聯網控制原理與技術>課程實驗清單

實驗1 基于CC2530的蜂鳴器LED燈控制實驗
實驗2 基于CC2530的應急按鈕實驗
實驗3 基于CC2530的空調控制實驗
實驗4 基于CC2530的燈光控制實驗
實驗5 基于CC2530的步進電機實驗
實驗6 基于CC2530的直流電機實驗
實驗7 基于STC的水閥控制實驗
實驗8 基于STC的直流電機控制實驗
實驗9 基于STC的燈光控制實驗
實驗10 無線Wi-Fi PLC控制實驗

課程實驗清單

實驗1 基于ZStack的LED控制實驗
實驗2 基于ZStack的串口實驗
實驗3 基于ZStack的按鍵實驗
實驗4 BasicRF點對點通信實驗
實驗5 ZStack點播通信實驗
實驗6 ZStack組播通信實驗
實驗7 ZStack廣播通信實驗
實驗8 ZStack星狀組網實驗
實驗9 CC2530 光敏傳感器實驗
實驗10 CC2530 溫濕度傳感器實驗

<物聯網通信技術>課程實驗清單

實驗1 433MHz無線通信實驗
實驗2 WiFi模塊的使用
實驗3 組網及自愈性對比實驗
實驗4 速率吞吐量對比實驗
課程實驗清單
實驗1 HF高頻RFID通信協議實驗
實驗2 UHF特高頻RFID通信協議實驗
實驗3 UHF特高頻手持機的使用實驗
實驗4 基于WiFi通信的高頻RFID實驗
實驗5基于WiFi通信的特高頻RFID實驗

<物聯網軟件設計>課程案例清單

<物聯網軟件設計><物聯網應用系統設計>相關資源將以案例的形式提供給學生,所有案例均提供基于Java語言的Android APP以及對應源碼;
案例1 溫控風扇系統
案例2 環境監測及家電控制系統
案例3 智能家居控制系統
案例4 溫室室內光照度的遠程監控系統
案例5 溫室室內溫度的遠程監控系統
案例6 智慧農業控制系統
案例7 超市倉庫貨物進出入管理信息系統
案例8 智能交通燈控制系統

七、飛瑞敖物聯網綜合應用實訓平臺管理軟件V1.0

飛瑞敖物聯網綜合應用實訓平臺管理軟件幾種體現了實訓臺上智能家居、智慧農業、智能倉儲以及智能交通的應用測試,該軟件運行在平板或者其他智能終端上,可以快速讀取各個傳感器數據以及對各個控制設備進行控制,軟件由Java語言編寫的Android APP程序,提供源代碼供學生老師二次開發使用。