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(新)物联网本科实验室实训技术方案
发布日期:2021-04-06   点击次数:1113

物联网教学设备硬件及课程资源说明

       IPv6 多网融合全功能物联网实验箱(SeaIOT-B-IPv6-03),由 IPv6 多网融合主实验箱、RFID 识别套件、传感与检测套件组成。

1.IPv6 多网融合实验箱

     主要满足物联网实验系统包括硬件设备、软件资源、实验资源三大部分。硬件设备包括多种微型无线传感器、RFID、GPS、TD-SCDMA 和其他配套的嵌入式网关、核心开发板等设备。软件资源包括系统网络软件,嵌入式网关软件,PC 数据管理与分析软件,实验资源包括基于控制器的基础实验、传感器信息采集实验、无线信号收发实验、Zigbee 网络通讯实验、RFID 射频识别实验及组件控制实验等,通过对这三部分资源的充分学习,可为物联网工程应用打下坚实的基础,并能通过不同传感器的特性、射频识别技术以及网络的组成形式等,开发出更多实用性强的物联网应用模式。

      该物联网综合实验平台可细分为物联网 Zigbee 技术教学实验平台、射频识别( RFID )原理技术与应用实验平台、嵌入式 WIFI 开发平台、GPS /GIS/GPRS综合实验平台,提供众多实验例程,便于学生熟悉和掌握物联网的构成及实际应用。该平台除了可以满足物联网工程专业《物联网技术基础》、《物联技术及网络》、《RFID 原理与应用》、《物联网应用》等课程教学需求外,也可为物联网及相关专业的创新项目训练和竞赛提供服务。硬件外观如图所示。



模块布局,如图所示。


      无线传感器节点采用模块化设计,主要由接口底板、无线通信模块、微处理器模块、及传感器调理板组成,通过插针对应连接而成,支持自由组合。Cortex-M3核的微处理器模块自带 OLED 屏显示网络信息、组网状态、以及传感器采样数值。如图所示,展示节点各模块的连接方式。



1)蓝牙、WiFi 等无线传感器节点通过无线方式与 Cortex-A9 处理器通信。

2IEEE802.15.4ZigBee 无线传感器节点通过无线方式与边界路由器、ZigBee 协调器通信,再由边界路由器、ZigBee 协调器与 Cortex-A9 处理器通信。

3LoRa 传感器节点通过无线方式与 NB 无线传感网网关通信。

4A9 处理器运行 AndroidLinux 双操作系统,默认运行 Android。通过网络拓扑图展示传感器的连接关系和采样信息。

2.RFID 识别套件

        共 5 个模块,位于附件盒,可独立于实验箱使用。主要满足《识别技术及应用》核心课程基础教学,还能够满足图书管理应用实验、身份识别应用实验、ETC道闸应用实验、仓储出入库应用实验、畜牧耳标应用实验。

1125K 低频模块,外观如图所示。


213.56M 高频模块,外观如图所示。

3900M 超高频模块,外观如图所示。

42.4G 有源 RFID 模块


5)智能电机控制节点

响应电机控制电路,包含直流减速电机、舵机、彩色屏、IIC 接口的 EEPROMzigbee 通信模块等。


3.传感与检测套件

 8 个模块,位于附件盒。包含敏感传感器检测模块、磁电式传感器检测模块、压电式传感器检测模块、光电式传感器检测模块、红外类传感器检测模块、电容式传感器检测模块、采集类传感器模块、RFID 识别类传感器模块等,满足《传感器与智能检测》、《感知识别实践》专业课程实训。使用时,替换实验箱内无线传感器节点的传感器模块,进行采集控制。

1)敏感电阻器检测模块

包含力敏、热敏、广谱气体、结露等传感器,双色灯、蜂鸣器、继电器等执行器。参考实训题目:异常气体检测、压力超限报警 等。

2)磁电式传感器检测模块

包含干簧管、霍尔流量等传感器,双色灯、减速电机执行器参考实训题目:霍尔测速、干簧管水箱水位控制、流水线自动加工等。

3)压电式传感器检测模块

包含振动、超声波传感器,双色灯、蜂鸣器、播放器等执行器。参考实训题目:车位状态检测、防盗报警等

4)光电式传感器检测模块

包含光敏、光强传感器、继电器执行器。参考实训题目:光照自动调节、智能照明等

5)红外传感器检测模块

包含红外反射、红外对射、热释电等传感器、数码管、蜂鸣器、LED 灯执


行器。

参考实训题目:出入人数计数、人体红外报警等

6)电容式传感器检测模块

包含九轴、噪声、触摸等传感器、LED 灯、蜂鸣器、播放器等执行器。

参考实训题目:姿态监测报警、设备噪声监测等

7)采集类传感器检测模块

包含温湿度、数字气压传感器、直流风扇执行器。

参考实训题目:温度自动调节等

8RFID 识别类传感器模块

包含 NFC 识别模块。

参考实训题目:POS 机支付等。

序号

名称 技术参数
1

IPv6 多网融合全功

能实验箱

包含 IPv6 多网融合全功能实验箱主体、RFID 别套件、传感与检测套件三部分。能满足《传感器原理及应用》、《识别技术及应用》、《嵌入式系统及应用》、《无线通信技术》等核心课程基础教学。能瞒足《传感器与智能检测》、《感知识别应用实践课程实训。

一、IPv6 多网融合全功能实验箱主体

总体功能:

能够组建蓝牙、WiFiIEEE802.15.4ZigBee 种短距离无线网络,实现数据的无线传输;能够组建 LoRaNB-IoT4G 长距离无线网络,实现数据传输。能够通过 LoRa 网络无线收发传感器数据,在保证 NB 网络铺设完成的条件下将传感器数据通过 NB-IOT 网络接入平台;具有通 4G 网络接入平台的功能。通信协议支持 TCPUDPCoAP 协议。能够使用 Web 应用系统查看传感器采集节点上报的 JSON 数据包,并支持手动编辑 JSON 包下发命令控制执行器。

硬件资源:

1.Cortex-A9 网关(个)

1)核心板资源:

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

2GPUMAIL-4003D 图形加速;

3)内存: 1GB DDR3

4EMMC: 8GB

5)核心板+底板设计:核心板加装屏蔽罩,邮票孔方式与底板连接,抗干扰能力更强,比插针式更稳定可靠。引出核心板信号线,不少于188PIN

2)网关主板资源:

1LCD 接口: IPS 电容屏(16:9),分辨 1024×600

2USB 接口: USB_HOST 2.0 输出,USB OTG

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

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

5CAN 总线接口:路;

6RS485 总线接口:路;

7HDMI 接口:HDMI1.4a,最大支持 1920*1080高清数字输出;

 8 LVDS 液晶屏接口:单通道,最大支持1920*1080

9)摄像头接口:1  CMOS 并行接口,最大支 800 万像素;

10AV 接口:路模拟视频母口输入;

11)外部存储扩展接口:SD 卡、TF 卡接口;

12)音频接口:1  MIC 输入, 1.8w 喇叭;

13)按键:1 个复位按键、个休眠唤醒按键,个音量键;

14 蓝牙 WiFi:板载蓝牙 WiFi 二合一模块;

15Mini PCIe 接口:标准可插入 4G 通信模模块;

1624Pins 应用扩展接口:用于处理器外设接口扩展功能,包含 3 路串口、 PWM1  IIC

 ADC8  GPIO5V 电源。

2.网关 IO 基础功能模块(个)由网关直接驱动。采用 HC595 串入并出特点,使用较少 IO 扩展更多功能,默认地址 0x011 可调电位器模拟 AD 采样通道, PWM 驱动的蜂鸣器,个触摸按键, LED 指示灯。

3.NB 无线传感网网关(个)支持 LoRa 等无线传感器网络数据解析,采用标 JSON 数据包通过 NB-IoT 网络接入平台,实现远程数据传输,支持 UDP 协议、CoAP 应用协议;LoRa 模块、NB-IoT 模块,均采用插针与 STM32F103主板连接;

NB-IoT 模块采用 BC95 无线芯片,可配置使用电信网络接入平台,850MHz 工作频段,支持 3GPPRel-13 以及增强型 AT 指令;通信速率可 100kbps,灵敏度:-129dBm+23dBm 功率输出;


模块板载 SHT10 温湿度传感器及 LED 指示灯,实现本地温湿度远程采集及 LED 远程控制;支持LoRa 无线传感器节点远程采集及执行器远程控制。

网关板载 2  JTAG 调试接口,支持 STM32 处理器及无线通信模块的调试;板载 1  RS232 调试接口、功能按键、组网状态指示灯等。

供电:DC5V

4.ZigBee 协调器(个)

与网关的 TTL UART 连接。采用 CC2530 单片机外

设接口、射频通信与 ZStack 协议栈的方案,具 Zigbee 建网功能,具有 2 个组网状态及无线传输指示灯,个功能按键,提供传感器模块接口、RS232 接口、调试下载接口。

5.IEEE802.15.4 主机(个)与网关的 TTL UART 连接。采用 CC2530 射频功能 802.15.4 的从机组建射频网络,接收从机信息,向从机发送命令。具有 2 个组网状态及无线传输指示灯,个功能按键,提供传感器模块接口、RS232 接口、调试下载接口。

6.无线传感网通信节点(12 个)

1)微控制器主板硬件资源

1Cortex-M3 核心主板(个)处理器基于 ARM Cortex-M3 核心的 STM32F103最高主频 72Mhz,内部 Flash 256KBRAM 48KB具有 1  0.96  OLED 屏,能够显示 MAC 地址、上下级关系、传感器数据、网络信息等。具有 4 个组网状态及无线传输指示灯,个功能按键、 JTAG 调试接口、 24PIN 的无线射频接口, 20*2PIN 传感器接口;标配 ARM 仿真器、串口下载仿真调试转接板。、运行 IPv6 协议栈实现无线通信的功能。


2CC2530 核心主板(个)

处理器基于 CC2530F256,具有 2 个组网状态及无线传输指示灯,个功能按键、 JTAG 调试接口、 24PIN 的无线射频接口, 20*2PIN传感器接口;标配下载仿真器。

2)无线传感网通信模块

1)蓝牙通信模块(2 个):采用 UART 接口的内置协议栈方案,设置从机模式,与主机配对后,将微控制器采样数据传输给主机。

2WiFi 通信模块(个):采用 UART 接口的内置 TCP/UDP/HTTP 协议栈方案,支持设置为 APSTA 的工作模式,与网关通信后,将微控制器采样数据传送给主机,或者接收主机的控制命令控

制执行器。

3IEEE802.15.4 通信模块(个):基于 CC2530射频组网通信方案,与边界路由器组网,实现传感器数据的双向交互。

4ZigBee 通信模块(个):基于 CC2530+ZStack协议栈组网通信方案,与 Zigbee 协调器组网,实现传感器数据的双向交互。

5LoRa 通信模块(个):采用 STM32+LoRa模块组网通信方案,采用 LoRa 扩频调制技术,工作频率为 410-510MHz,高灵敏度:-144.1dBm+20dBm 功率输出;支持 FSKGFSKLoRa 调制方式;可视、开阔,超远通信距离 5km 传输;与 LoRa主机点对点通信,实现传感器数据的双向传输。

3)传感器模块(12 个)

传感器模块数量不小于 12 个。包含红外对射模块、继电器模块、光敏模块、温湿度模块、振动传感器模块、步进电机控制模块、LEDBEEP 声光报警模块、三轴加速度传感器模块、霍尔传感器

模块、红外接近传感器模块、气体结露模块、气

压传感器等。支持传感器采集和执行器控制实

验。传感器模块插针接入,可直接插到无线传感

网节点接口板上,支持替换,提供各类传感器接

口板的原理图和技术手册。

接口包含 GPIO/IIC/SPI/PWM/电源/地等信号。

软件资源:

1.嵌入式操作系统:

无线传感器节点处理器支持 Contiki2.7 操作系

统,内嵌 IPv6 协议栈;节点 CC2530 处理器支持

Z-Stack2007 协议栈。

A9 网关处理器支持 Linux3.4QT4.8Android4.4

或更高版本,提供 Linux 操作系统外设硬件接口

及应用模块的驱动测试程序。

2. 网关操作系统烧写:

提供 Windows 下一键刷机软件,选择需要更新的

镜像文件,可通过 SD 卡脱离 PC 机一键烧写,也

可通过 USB 线缆刷机,支持 Uboot 参数修改配置。

系统支持一键烧写双系统 Android  Linux,可

一键切换。

3.支持嵌入式开发所必须的功能:

可基于 Android 系统设置 WIFI(支持开启 AP 

点)联网、Ethernet 联网,无线蓝牙传输,支持

模拟摄像头信号接入、HDMI 音视频输出(支持

1080P)。

二、RFID 识别套件

 5 个模块,位于附件盒,可独立于实验箱使用。

1125K 低频模块(个)

采用 STC11F04E 主控,与 125K 射频卡基站模块

进行数据交互,支持射频信息通过串口、zigbee

无线两种模式与上位机或 android 网关进行通

信。


板载 RS232 串行接口、ZigBee 通信模块,可通过

双位拨码开关切换。

支持标准:125K ID

读卡距离:0-10cm

读卡时间:1-2ms

工作频率:125KHz

支持卡片类型:TEMIC 5557EM4305 可读写系列

通讯方式:RS232  Zigbee

供电电源:DC5V

213.56M 高频模块(个)

采用 MSP430 单片机主控,与 TRF7970 高频基站

电路进行数据交互,支持射频信息通过 RS232 

口、Zigbee 无线两种方式与上位机或 android 

关进行通信。

板载 RS232 串行接口、ZigBee 通信模块,可通过

双位拨码开关切换。

控制芯片:MSP430F2370

支持标准:ISO15693

读卡距离:0-10cm

读卡时间:1-2ms

工作频率:13.56MHz

通讯方式:RS232  Zigbee

供电电源:DC5V.

3915M 超高频模块(个)

采用 RLM100 超高频读写器核心部件,里面集成

 PLL、发射、接受、耦合器以及 MCU 等外设,

通过 API 函数库控制模块,支持射频信息通过

RS232 串口、Zigbee 无线两种方式与上位机或网

关进行通信。

天线:陶瓷天线

支持标准:ISO18000-6CEPC GEN 2 标准;

读卡距离:读卡大于 50cm 写卡距离为读卡的


70%

读卡时间:读每 8 字节小于 5ms,写每 4 字节小

 25ms

工作频率:902~928MHz

最大 RF 输出功率:20dBm

特点:输出功率可以调整;

通讯方式:RS232  Zigbee

供电电源:DC5V

42.4G 有源模块(个)

采用 nRF24LE1 主控,内部集成 2.4Ghz 无线传输

模块和增强型 C8051 Flash 高速单片机,实现与

2.4G 读卡器的功能,可与 2.4G 标签进行无线通

信。支持射频信息通过 RS232 串口、Zigbee 无线

两种方式与上位机或网关进行通信。

工作主频;2.4 GHz  2.483 GHz

读卡距离:最大 80 

衰减距离:1-80 米可调节(距离误差±15%

识别角度: 全向

极化方式: 垂直极化或双极化

通信机制: 基于 HDLC 时分多址和同步通信机

抗干扰性: 频道隔离技术,多个设备互不干扰

  性: 加密计算与安全认证,防止链路侦

通讯接口:RS232/USBZigBee

工作温度: -40℃+85℃(工业级)

工作湿度: 10%90%RH

 压:+5VDC5VDC

 流:≤100mA

5)智能控制节点(1 个)

采用高性能 Cortex-M3 32 位微处理器,主频

72MHz;内存:8KB SRAMFlash 存储:128KB


板载 1.8  TFT LCD 显示屏、舵机、直流电机,

板载无线通讯模块,可接收无线命令,控制舵机、

直流电机动作。可与其他 RFID 节点组合,组建

各种物联网应用场景。

6)电子标签

包含 125K 低频、13.56M 高频、900M 超高频、2.4G

有源电子标签。

三、传感与检测套件

 8 个模块,位于附件盒。

1)敏感电阻器检测模块(1 个)

含力敏、热敏、广谱气体、结露等传感器,双色

灯、蜂鸣器、继电器等执行器。可开展异常气体

检测、压力超限报警等传感器综合实验。

2)磁电式传感器检测电路(1 个)

包含干簧管、霍尔流量等传感器,双色灯、减速

电机等执行器。可开展霍尔测速、干簧管水箱水

位控制、流水线自动加工等传感器综合实验。

3)压电式传感器检测电路(1 个)

包含振动、超声波传感器,双色灯、蜂鸣器、播

放器等执行器。可开展车位状态检测、防盗报警

等传感器综合实验。

4)光电式传感器检测电路(1 个)

包含光敏、光强传感器、继电器执行器。可开展

光照自动调节、智能照明等传感器综合实验。

5)红外传感器检测电路(1 个)

包含红外反射、红外对射、热释电等传感器,数

码管、蜂鸣器、LED 灯执行器。可开展出入人数

计数、人体红外报警等传感器综合实验

6)电容式传感器检测电路(1 个)

包含九轴、噪声、触摸等传感器,LED 灯、蜂鸣

器、播放器等执行器。可开展姿态监测报警、设

备噪声监测等传感器综合实验。


7)采集类传感器检测电路(1 个)

包含温湿度、数字气压等传感器,直流风扇执行

器。可开展温度自动调节等传感器综合实验。

8RFID 识别类电路(个)

包含 NFC 识别模块。可开展 POS 机支付等传感器

综合实验。



2

Android 网关多网

融合拓扑软件

能够将蓝牙、WiFiIEEE802.15.4 无线网络经IPV6 协议融合在一个拓扑图中,Zigbee 节点经ZStack 协议展示在拓扑图中;在界面上显示蓝牙、WiFiRPL802.15.4ZigBee 等节点的传感器数据或执行器状态;网关界面可显示传感器采集的数据、执行器的状态,显示蓝牙、WiFiIEEE802.15.4 传感器节点的 IPv6 地址,显示ZigBee 传感器节点组网短地址,能够随意拖动传感器,而不改变网络的拓扑结构;点击网关上传感器节点图标,可进入二级界面查看传感器的实时曲线走势,或手动控制执行器的开关。

3

IPv6 无线传感网综

合应用软件

采用 Contiki-2.7 网络操作系统,内置 IPv6 议栈,具有传感器采集、执行器控制,无线组网传输的功能,可进行 TCP/UDP/CoAP 网络通信。具有蓝牙、WIFIIEEE802.15.4 三种通信模块的驱动传输的功能。开发环境: IAR Embedded Workbench V7.40 forARM

4

ZigBee 无线透明传

输应用软件

采用 Z-Stack2007 协议栈,具有传感器采集、执行器驱动控制、自组网无线数据传输、数据透明传输等功能。采用 Smart RF Flash Programmer CC Debugger 驱动烧写固件。协议栈:ZSTACK-CC2530-2.3.0-1.4.0开发环境: IAR Embedded Workbench V8.10 for8051

5

数值分析应用软件

运行在 windows7 以上操作系统应用软件,具有传感器采样数据数值分析的功能,支持使用EXCEL2007 文档存储,支持文件名自定义,路径自定义;具有自定义采样间隔、固定时刻采样的功能;绘制时域坐标系采样曲线,能够选择任意时间段内有效传感器的历史数据进行统计分析,列表显示被测传感器的采样次数、测量值、最大(小)值、算术平均值、偏差、中值、方差、近似标准差、剔除坏值后的算式平均值等;具有傅里叶变换功能,能够在上位机软件中显示传感器采样数据傅里叶变换后的频域图;具备最小二乘曲线拟合功能,能够观察采样曲线和拟合后曲线的对比图。开发环境:Visual Studio 2013


6

《传感器原理及应

用》

主要研究力学、热学、声学、光学等传感器原理与性能指标,并能设计一般的检测电路。通过课程学习,掌握电涡流式传感器、磁电式传感器、霍尔传感器、流量传感器、加速度传感器的检测技术,结合 ARM Cortex-M3 内核的 STM32 处理器的接口技术、通过场景联动案例方式教学,介绍常用传感器(能耗类、物理类、探测类、开关控制类、电机控制类、显示控制类等)的工作原理、驱动方法、采集方法。

7

《识别技术及应用》

主要讲解无线射频识别技术(低频、高频、超高频、2.4G 有源)的工作原理、频率标准、技术规范。使用读写器、电子标签,结合上位机应用软件实现电子标签信息的读取、写入、安全保护等功能;实验课程重点放在对各个频段 RFID 模块的管理、控制和上位机应用,学生可利用开放的通信协议,编写上位机应用程序,实现身份识别、图书管理、模拟收费、门禁管理等各种物联网应用场景。

8

《嵌入式系统及应

用》

主要研究 Cortex-A9 以上内核的操作系统移植、应用程序开发、设备上云、工业互联网 app 应用开发等。掌握 Cortex-A9 高性能处理器的嵌入式Linux 系统移植、文件系统制作、Android 系统制作,以及基于 Qt/Android 的可视化应用程序开发。掌握多种异构网络通信协议转换的编程方法,兼容 RS485CAN 有线网络, ZigBee/WiFi/蓝牙等无线网络,和 4G/5G 移动通信网络,支持物联网 MQTTHTTP 协议,以及协议转换。

9

《无线通信技术》


主要讲授短距离无线通信网络相关知识:ZigBee传感网的拓扑结构、协议栈工程解析、使用协议栈函数实现传感器节点的数据收发;WiFi 传感网通信模块的 AT 指令集、设置方法、Socket 通信和传感器节点的数据收发;蓝牙无线传感网络的工作原理、设置方法、网络特性和传感器节点的数据收发;长距离通信网络:LoRa 传感网特点和网络结构、AT 指令集和传感网数据收发;NB-IoT传感网特点和网络架构、AT 指令集和传感网数据收发;LTE 4G/5G 移动通讯网络的基本原理、概念、技术特点和应用开发。


10

《传感器与智能检

测》


根据设计要求,确定检测系统方案,选择传感器、设计信号调理电路。使学生初步具有检测系统分析、设计的能力,为后期测控系统的设计研制打下基础。
11


《感知识别应用实

践》



设计射频识别应用系统,包括图书管理应用实验、身份识别应用实验、ETC 道闸应用实验、仓储出入库应用实验、畜牧耳标应用实验。










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