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一、產品簡介

1.1 產品設計背景

   創造健康舒適的家居環境源于人們對幸福生活的追求。30年來的高速經濟發展,使我國人民的生活水平和居住環境有了質的飛躍。生活設施日漸齊全、家居家電設備種類也俞加豐富。然而,家居能耗過大、安全系數低、家電操作不便等問題在低碳環保理念普及和人民追求高品質生活的今天愈發凸顯。基于物聯網技術的智能家居系統能夠利用傳感器、無線通信和智能控制技術,為人們提供舒適、便捷、安全、環保的家居生活環境,對于構建環境友好型、資源節約型的和諧社會具有重要意義。可以大膽暢想一下未來使用物聯網技術的智能家居將呈現的面貌。每天回家時,它會打開燈光并調到合適的亮度,打開空調,它能自動感知氣候變化、判斷人的意圖并調整家居設施,以幫助人們提供工作和生活的質量。一旦發生非法入侵、失火等意外情況,它會實時拍照和錄像,在現場鳴笛警報,并將警報信息放松到主人的手機上,同時報告保安或警察采取必要的措施。
   智能家居系統做為物聯網技術應用的一個重要方面,是各個高校的學習和研究重點,但是由于場地、環境、裝修等條件的影響,很多高校無法提供適合老師和學生學習、實驗和研究的智能家居實驗演示平臺。為了解決這個問題,廣州飛瑞敖電子科技有限公司設計了IOT-P01-02型智能家居實訓臺來滿足學校的教學和科研使用。

1.2 產品設計目標

   IOT-P01-02智能家居實訓臺以應用為主導,通過對智能家居的模擬,使學生直觀了解智能家居基本功能,加強學生對物聯網的感知和理解,使學生在實際動手操作和理解相關原理之后進行創新實驗。以感知層、網絡層、應用層為設計理念,具有多種傳感器數據的采集,多種網絡傳輸方式,多種設備控制等特點。
   在教學方面不僅可以作為物理網工程專業<單片機原理與應用>、<物聯網傳感器與控制器原理與應用>、等基礎專業課程的實驗平臺,還可以作為以智能家居為應用的<物聯網軟件設計><物聯網應用系統設計>課程的實訓平臺。

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兩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。
● 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-P01-02型物聯網智能家居實訓臺整體采用不銹鋼框架設計,整體尺寸77cm(寬)*46cm(深)*110cm(高,含攝像頭)。實訓臺整體模擬了物聯網技術在智能家居中的應用,12塊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。裝配在左下角的平板電腦默認搭載運行的管理軟件可快速的檢測實訓臺上的各個節點模塊是否正常運行,同時也可作為教師和學生自主編寫的Android APP的運行平臺。

2.2 產品實物圖

圖2.1 智能家居實訓臺實物圖

2.3 產品功能詳解

   IOT-P01-02型智能家居實訓臺可作為物理網工程專業<單片機原理與應用>、<物聯網傳感器與控制器原理與應用>、等基礎專業課程的實驗平臺,還可以作為以智能家居為應用的<物聯網軟件設計><物聯網應用系統設計>課程的實訓平臺。

2.3.1 滿足<單片機原理與技術>課程實驗開設

   IOT-P01-02型智能家居實訓臺的各節點的射頻模塊上配備有一枚TI公司的CC2530 MCU,這枚MCU也是整個無線傳感網絡的核心知識點。CC2530在不搭配Z-Stack無線通信協議棧時,其功能相當于一枚8051型單片機,可以滿足物聯網工程專業下的<單片機原理與技術>實驗課程的實驗開設。與傳統的單片機開發板相比,該節點(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<物聯網傳感器與控制器原理與應用>課程實驗開設

   IOT-P01-02型智能家居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、人體檢測共計6款傳感器模塊,6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。同時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(數碼管控制)、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)共6款控制模塊,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<物聯網傳感器與控制器原理與技術>課程的實驗開設。

2.3.3 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。IOT-P01-02型智能家居實訓臺配備有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。

2.3.4 滿足<物聯網軟件設計><物聯網應用系統設計>課程實驗開設

   該課程側重于上位機應用軟件開發。IOT-P01-02型智能家居實訓臺將囊括了智能家居應用領域的所有重要知識點,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),完成對智能家居應用的二次開發,從而完成<物聯網軟件設計><物聯網應用系統設計>課程實驗。

2.4 主要模塊介紹
2.4.1 Zigbee采集節點

   如圖2.2,圖2.3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2.2 Zigbee采集節點

圖2.3 Zigbee采集節點采用模塊化插針設計

三、支撐課程及實驗清單

   IOT-P01-02型智能家居實訓臺可作為物理網工程專業<單片機原理與應用>、<物聯網傳感器與控制器原理與應用>、等基礎專業課程的實驗平臺,還可以作為以智能家居為應用的<物聯網軟件設計><物聯網應用系統設計>課程的實訓平臺。

3.1.1 <單片機原理與技術>課程實驗

實驗1 CC2530LED控制實驗
實驗2 CC2530按鍵實驗
實驗3 CC2530外部中斷實驗
實驗4 CC2530定時器實驗
實驗5 CC2530PWM實驗
實驗6 CC2530串口實驗
實驗7 CC2530ADC實驗
實驗8 CC2530看門狗實驗
實驗9 CC2530定時器喚醒系統實驗
實驗10 CC2530外部中斷喚醒系統實驗
實驗11 CC2530能源管理實驗
實驗12 CC2530RF射頻通信實驗

3.1.2 <物聯網傳感器與控制器原理及應用>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CC2530的蜂鳴器LED燈控制實驗
實驗8 基于CC2530的應急按鈕實驗
實驗9 基于CC2530的空調控制實驗
實驗10 基于CC2530的燈光控制實驗
實驗11 基于CC2530的步進電機實驗
實驗12 基于CC2530的直流電機實驗

3.1.3 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

3.1.4 <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

一、傳感器模塊

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
15.WiFi攝像頭
16.平板控制終端
17.實訓平臺結構件

二、實驗內容

<單片機原理與技術>課程實驗

實驗1 CC2530LED控制實驗
實驗2 CC2530按鍵實驗
實驗3 CC2530外部中斷實驗
實驗4 CC2530定時器實驗
實驗5 CC2530PWM實驗
實驗6 CC2530串口實驗
實驗7 CC2530ADC實驗
實驗8 CC2530看門狗實驗
實驗9 CC2530定時器喚醒系統實驗
實驗10 CC2530外部中斷喚醒系統實驗
實驗11 CC2530能源管理實驗
實驗12 CC2530RF射頻通信實驗

<物聯網傳感器與控制器原理及應用>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CC2530的蜂鳴器LED燈控制實驗
實驗8 基于CC2530的應急按鈕實驗
實驗9 基于CC2530的空調控制實驗
實驗10 基于CC2530的燈光控制實驗
實驗11 基于CC2530的步進電機實驗
實驗12 基于CC2530的直流電機實驗

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

<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

1.智能家居實訓臺管理軟件

軟件統一管理各傳感器與窗簾電機、家用電器、燈光系統等設備。通過WiFi設備服務器參數設置與設備關聯,可以對讀取各個傳感器的數據以及對各個執行器進行控制,從而達到快速對整個實訓臺整體的測試效果。軟件開放所有源代碼供學生二次開發使用。