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物联网综合实训室初步解决方案

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2020年4月19日
文档仅供参考

江苏农牧科技职业学院
物联网综合实训室
初步解决方案

南京市未来星传感技术有限公司
地址:南京市玄武大道699-27号
徐庄软件园研发三区
物联网中心B栋3F
电话:

传真:
邮编:210042

目录

第一章 物联网行业背景 4
1.1物联网 4
1.2物联网应用 4
1.3物联网意义 4
第二章 未来星物联网综合实训室建设方案论述 5
2.1主要建设目标 5
2.2我们的特色 5
第三章 物联网综合实训室设计 7
3实训室总体设计 7
3.1设计思想 7
3.2区域规划 9
3.3物联网体验展示区 11
3.4产品展示区 12
第四章 产品介绍 14
4.1”蓝眼睛”物联网综合实训台简介 14
4.1.1物联网实训台功能描述 14
※Zigbee基础实验: 14
※Zigbee通信实验: 15
※RFID实验: 15
※嵌入式实验: 15
※综合实验: 16
※上层软件: 16
※二次开发实验: 17
4.1.2物联网实训台特色 18
4.2智能农业系统 25
4.2.1 智能农业体验区布局 26
4.2.2环境感知系统 27
4.2.3智能控制系统 28
4.2.4视频监控系统 29
4.2.5智能农业平台 29
4.2.6 农业物联网沙盘设备清单(见附件二) 32
4.3智能渔业系统 32
4.3.1 项目设计具体内容 32
4.3.2 项目架构 33
4.3.3系统硬件功能 34
4.3.4智能化控制系统 35
4.3.5系统软件功能 36
4.3.4 智能渔业系统设备清单(见附件三) 39
第五章 涉及专业和课程设计 39
5.1物联网涉及专业 39
5.2物联网实训室课程体系 40
5.3 学生就业方向 45
第六章 项目实施 46
6.1项目阶段 46
6.2项目实施过程 46
6.3提供师资培训与手册 47
6.4技术服务 47
第七章 公司介绍 48
附件一 物联网综合实训平台设备清单 49
附件二 农业物联网沙盘设备清单 51
附件三 智能渔业系统设备清单 55

第一章 物联网行业背景
1.1物联网

物联网是新一代信息技术的重要组成部分。其英文名称是”The Internet of things”。由此,顾名思义,”物联网就是物物相连的互联网”。这有两层意思:第一,物联网的核心和基础依然是互联网,是在互联网基础上的延伸和扩展的网络;第二,其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间,进行信息交换和通信。物联网就是”物物相连的互联网”。物联网经过智能感知、识别技术与普适计算、泛在网络的融合应用,被称为继计算机、互联网之后世界信息产业发展的第三次浪潮。物联网是互联网的应用拓展,与其说物联网是网络,不如说物联网是业务和应用。因此,应用创新是物联网发展的核心,以用户体验为核心的创新2.0是物联网发展的灵魂。
1.2物联网应用

物联网应用从技术层面讲主要涉及三个部分,即对外感知、感知信息传输(可能需要节点利用无线组网实现信息传输)、信息处理与回馈控制。智能技术贯穿整个物联网之中,是核心技术的核心。 感知能够是智能感知,能够是多节点协同感知,还能够是智能识别感知系统。
1.3物联网意义

物联网是继计算机、互联网和移动通信之后的又一次信息产业的革命性发展。当前物联网被正式列为国家重点发展的战略性新兴产业之一。物联网产业具有产业链长、涉及多个产业群的特点,其应用范围几乎覆盖了各行各业。

第二章 未来星物联网综合实训室建设方案论述
2.1主要建设目标

Ø 建设一个完整的物联网实训室中心,以蓝眼睛平台为核心,针对不同的专业课程,让学生动手进行各种基本传感器与控制实验等基础实验和综合项目实验等教学实验,并能够实现物联网教学平台与”蓝眼睛”开放平台的对接,能够在农业物联网实训中心,综合模拟农业中物联网技术的典型应用,实现在”蓝眼睛”开放平台中接入农业物联网设备并进行控制。整个物联网实训中心经过”蓝眼睛”开放平台实现本地或者校际之间数据信息的交流共享,实现物联网教学过程与物联网世界的无缝对接。同时也能够作为其它相关多个学科的实训基地(如计算机网络、软件编程等)。
Ø 建设一个教学研的统一实训平台,集教学、实训、创新、演示和研发功能于一体,围绕物联网主题,注重各种技术之间的融合与灵活应用,既可满足日常教学要求,又可让学生经过”蓝眼睛”平台感知一个真实的物联网环境。同时注重项目实训及创新试验,各设备之间能够灵活组合。学生能够基于各种模块,按照自身的独特设计及应用,融合各种技术,进行创新试验。

2.2我们的特色
1、 平台化:真正的信息互通、资源共享,经过物联网资源共享平台以实现校际之间教学资源、实验数据的互相借鉴。以蓝眼睛平台为核心,能够在实现物联网教学平台与”蓝眼睛”开放平台的对接,能够实现模拟农业等实际应用与”蓝眼睛”平台的对接,经过”蓝眼睛”开放平台实现本地或者校际之间数据信息的交流共享,实现物联网教学过程与物联网世界的无缝对接。
2、 多学科:支持多种学科实验。物联网专业是一门交叉学科,涉及计算机、通信技术、电子技术、测控技术等专业基础知识,以及管理学、软件开发等多方面知识。作为一个处于摸索阶段的新兴专业,各校都专门制定了物联网专业人才培养方案。学生需要学习包括计算机系列课程、信息与通信工程、模拟电子技术、物联网技术及应用、物联网安全技术等几十门课程,同时还要打牢坚实的数学和物理基础。另外,优秀的外语能力也是必备条件,因为当前物联网的研发、应用主要集中在欧美等国家,学生需要阅读外文资料和应对国际交流。
　　物联网工程专业开设基础课程和专业核心课程两大类,学生主要学习研究信息流、物质流和能量流彼此作用、相互转换的方法和技术,有着很强的工程实践特点。
3、 可扩展:系统设计预留传感器和执行器件接口,能够任意外接其它器件。基于接口,学生能够扩展创新硬件和软件创新,实现"学习" + "创新" + "科研" 的综合应用。
4、 先进性:采用先进的传感器中间件技术,符合实际应用要求。直观性和真实性。
5、 模块化:采用模块化的设计模式,能够根据实际需求选配各种模块组建实训环境。
6、 灵活性:可基于各种独立的模块,融合各种技术,灵活应用。
7、 易操作:采用一体化的操作台,集成监控屏幕、传感器、执行器件、跳线、开关、监控仪表、串口插槽等;并采用可视化的监控软件,界面友好,操作简便。
8、 先进性:紧扣物联网相关新技术及发展方向。
9、 真正的”透明”教学,经过直观和形象的应用场景,使学生能够直接体会传感网和物联网的应用场景;开放产品设计的软硬件资源,同时配套详细的教学试验文档,让学生以工程开发形式学习原理知识,融会贯通各个学科的知识,达到真正的学以致用。

第三章 物联网综合实训室设计
3实训室总体设计
3.1设计思想

物联网实训室设计思想:以物联网技术为核心,兼顾当前流行技术的发展趋势,注重各种技术之间的融合与灵活应用,理论联系实验,实验联系工程项目,既可满足日常教学要求,同时注重创新实验及项目实践,能够将物联网技术真正融会贯通到实际应用中。
建设物联网实训室,将本着培养学生合理的知识结构、具备扎实的电子技术、现代传感器和无线网络技术、物联网相关高频和微波技术,有线和无线网络通信理论、信息处理、计算机技术、系统工程等基础理论,掌握物联网系统的传感层、传输层与应用层关键设计等专门知识和技能,而且具备在本事域跟踪新理论、新知识、新技术的能力以及较强的创新实践能力。
物联网实训室集教学、实训、创新、演示和研发功能于一体,作为整个学校物联网的中心,亦可作为多个学科的实训基地。具有如下特色:
(1)满足基本的教学要求,提供多种物联网相关技术,以及多种网络技术平台的组网。
物联网实训室将提供多种技术,我们以物联网体系结构来划分,例如,传感器技术、RFID标签与读写器技术、无线传感网技术、典型的Zigbee技术,RFID中间件技术、GPRS技术等,以及各种技术间的综合应用。

(２)采用模块化的设计模式,可根据实际需求选配各种模块组建实训环境。
我们采用模块化的设计,提供多种模块化的配套产品,包含典型传感器(例如,温度传感器、湿度传感器、光敏传感器、压力传感器、红外传感器等)的节点,例如,Zigbee节点传感器、Zigbee定位节点模块、GPRS传感器节点,以及包含无线通信模块的RFID读写器等。
物联网实训室采用模块化的配套产品,每个模块都是整个实验系统中的一环,可进行单独模块的教学与实验。
(３)可扩展性与灵活性
各模块化的产品提供可融合的开放接口,各模块设备间可灵活组合,可根据独特的设计及应用,融合各种技术,进行创新教学与实验,以及综合性的应用。
同时,系统设计预留传感器和执行器件接口,能够任意外接其它器件。
(４)易操作性,方便教学与实验
物联网实训室采用综合实训平台,如图(一),为教师教学以及学生实验提供方便的操作环境,而且提供集成监控屏幕、各种传感器、执行器件、跳线、开关、监控仪表、串口插槽等,对操作台上的所有元器件,均提供便利的插口,便于操作。采用可视化的监控软件,界面友好,操作简便。且所有的设备均可移植到项目中,真正的实现项目化教学。

图一:”蓝眼睛”物联网综合实训平台
(５)提供模拟物联网应用演示和相关产品展示
除了基本的教学与实验外,还将在物联网实训室中提供一个模拟物联网应用展示区和物联网相关产品展示。
模拟应用展示区能够直观展示各种物联网应用,使学生直观、直接体会传感网和物联网的应用场景,不只是每一个点,而是能够了解物联网应用的整个系统,以激发学生兴趣。模拟应用展示主要有几个方面:模拟农业环境中物联网技术的应用(实际建设农业物联网环境)等。
物联网相关产品展示,能够让学生了解典型物联网应用中的相关产品,从技术上来看,主要提供的产品有Zigbee、GPRS、RFID等相关产品。

3.2区域规划

区域规划是物联网实训中一个重要的部分,经过区域规划,能将教学与实训、创新与应用很好地融合在一起,既能方便教师教学,又要有利于学生进行独立实验,以及学生间的分组创新实验,同时又使得学生能够了解物联网的实际应用,以及物联网的相关产品。
基于以上的想法,物联网实训室要兼顾教学、实训、创新、应用与科研于一体,以及根据物联网实训室设计思想,我们拟将实训室划分为教师教学区、学生实验区、物联网体验展示区和产品展示区。

区域规划
下面是物联网实训室平面布局图:

物联网实训室平面布局图

各区域功能表:
区域
区域功能描述
教师教学区
该区域供教师进行教学演示使用,每个物联网实训室能够设定一个教师教学区,提供一个大的物联网实训操作台,面向学生摆放,清晰地展现教师教学过程。
能够进行的物联网实训教学演示主要包括:传感器数据采集、Zigbee组网、Zigbee网络监控、RFID,以及多种技术的综合应用。
学生实验区
该区域为学生提供物联网基础实验平台,同时也能够自由组合多个模块,进行创新实验。
学生实验区可安排20个”蓝眼睛”综合实训平台,2—3个学生一个实训平台,可完成物联网相关基础实验,也能够多个学生组成小组,完成物联网综合实验。
主要能够实现的实验如下:
能够进行的物联网实验主要包括:传感器数据采集、Zigbee/GPRS/RFID/TCP/UDP/HTTP等多种网络协议,包含Zigbee基础实验、Zigbee通信实验、RFID实验、嵌入式实验和综合大型实验。同时系统中提供本公司自行开发的Zigbee无线自组网软件、采集软件、数据库软件、控制软件、服务端软件、后台管理软件、虚拟场景软件、手机端软件和ARM端软件等多套上位机实验平台,以及综合创新应用实验。
物联网体验展示区
该区域提供物联网实际应用演示系统,以大屏幕交互的方式,实现物联网中心数据的综合演示,直观展示各种物联网应用,使学生直观、直接体会传感网和物联网的应用场景,不只是每一个点,而是能够了解物联网应用的整个系统,激发学生兴趣。
主要提供农业物联网应用演示:
l 搭建真实的农业物联网环境,让学生动手去实现传感器节点、网关节点等数据采集节点和传输节点的布置,并在”蓝眼睛”平台显示终端实时显示数据信息。
产品展示区
产品展示区将围绕”采集、传输、处理、应用”四大核心领域,展示物联网产业链上各个关键环节的新技术、新产品、新装备、新工艺和新的解决方案,展示物联网在工业、电力、物流、交通、安防、环保、医疗、银行、广电、家居等领域的全新应用,让学生了解当前物联网技术、发展趋势,以及相关产品。

3.3物联网体验展示区

该区域提供物联网实际应用演示系统,以大屏幕交互的方式,实现物联网中心数据的综合演示,直观展示各种物联网应用,使学生直观、直接体会传感网和物联网的应用场景,不只是每一个点,主要能够了解应用的整个系统,激发学生兴趣。

主要提供农业物联网应用演示:

l 农业环境实际应用演示系统
该应用演示系统模拟了物联网在农业环境中的实际应用,具体如下:
在实训中心搭建真实的农业大棚,在真实的农业环境中,学生在指导老师的指导下,经过放入各类传感器,经过其采集数据,将数据传送到无线传感器网络节点,研究物联网技术在农业当中的典型应用。基于IEEE802.15.4标准的无线传感器网络节点间相互协作,经过无线的形式将信息发送到无线传感器网络网关,将数据信息传送到网络中的服务器,经过相关后台软件进行数据统一管理,为用户提供数据查询,决策指导等。并经过平台实现校际之间的数据资源共享。

3.4产品展示区

产品展示区将围绕”采集、传输、处理、应用”四大核心领域,展示物联网产业链上各个关键环节的新技术、新产品、新装备、新工艺和新的解决方案,展示物联网技术与相关产品,让学生了解当前物联网技术、发展趋势,以及相关产品。产品展示区内展示的均为工业级产品,即能够运用到真实的农业环境中。
相关产品如下:
l RFID产品
RFID标签芯片:低频RFID标签芯片、高频RFID标签芯片、超高频RFID标签芯片、其它芯片
RFID标签:低频RFID标签、高频RFID标签、超高频RFID标签、双频电子标签、其它标签
RFID读写器芯片:低频RFID读写器芯片、高频RFID读写器芯片、超高频RFID读写器芯片、有源RFID读写器芯片、其它读写器芯片
RFID模块与读写器产品:低频RFID读写器、高频RFID读写器、超高频RFID读写器、双频标签读写器、RFID读写器、天线、其它
RFID手持终端:手持终端(不带操作系统)、手持终端(带操作系统)
有源RFID产品与系统:433MHz有源RFID系统、2.45GHz有源RFID系统、5.8GHz有源RFID系统、标签电池、其它
RFID测试仪器:信号发生器、矢量分析仪、综合测试仪器、其它
l 传感器网络产品
传感器芯片
传感器模块:湿度传感器、湿度传感器、光敏传感器、压力传感器、红外传感器
ZigBee产品
数据传输模块
WiFi通信模块
蓝牙通信模块
GPRS通信模块

第四章 产品介绍
4.1”蓝眼睛”物联网综合实训台简介

南京未来星传感技术有限公司物联网实训平台v2.0整合了Zigbee/GPRS/RFID/TCP/UDP/HTTP等多种网络协议,包含Zigbee基础实验、Zigbee通信实验、RFID实验、嵌入式实验和综合大型实验。同时系统中提供本公司自行开发的Zigbee无线自组网软件、采集软件、数据库软件、控制软件、服务端软件、后台管理软件、虚拟场景软件、手机端软件和ARM端软件等多套上位机实验平台,建设一个教、学、研的统一实训平台,集教学、实训、创新、演示和研发功能于一体的物联网综合实训平台。
本实训平台与当前市场上同类产品相比,在完全满足基本功能的基础上,实现了远端功能,而且提供强大的平台功能,真正实现了物联网三个任何”任何时间”、”任何地点”、”任何人”。作为教学仪器,本实训平台还提供了全面的二次开发接口,方面学生的创新与自主开发。围绕物联网主题,同时兼顾当前流行技术的发展趋势,注重各种技术之间的融合与灵活应用,既可满足日常教学要求,同时注重项目实训及创新试验,各设备之间能够灵活组合。学生能够基于各种模块,按照自身的独特设计及应用,融合各种技术,进行创新试验。

4.1.1物联网实训台功能描述

※Zigbee基础实验:
Ø 流水灯实验
Ø 按键控制流水灯
Ø 外部中断的使用:控制流水灯
Ø 定时器T1的使用
Ø 定时器中断T3的使用
Ø UART0串口发送字符串
Ø UART0串口接收字符串
Ø UART0串口控制LED开关
Ø 中断唤醒系统实验
Ø 睡眠定时器唤醒系统
Ø 看门狗实验
Ø LCD显示实验
Ø AD采样内部温度
Ø 红外发送与接收实验

※Zigbee通信实验:
Ø CC2530 BasicRF(点对点通信)-远程控制灯
Ø CC2530 BasicRF(点对点通信)-误码率检测
Ø Zigbee组网实验-远程采集数据

※RFID实验:
Ø RFID单卡读取实验
1、 RFID多卡读取实验
2、 RFID增益调节实验
3、 RFID卡号烧写实验

※嵌入式实验:
Ø ARM硬件资源实验(5个子实验)
Ø Linux操作系统实验(5个子实验)
Ø 嵌入式系统移植试验
Ø 嵌入式综合实验

※综合实验:
Ø 智能农业大棚实验
大棚温度、土壤湿度、RFID、光照、光电
Ø 智能家居实验
红外、火焰、烟雾、紧急按钮、血氧、步进电机、可控硅调光

※上层软件:
C#:
Ø 登录
Ø RFID数据获取
Ø 实时传感器采集数据曲线图
Ø 实时数据显示与入库
Ø Zigbee网络拓扑图
Ø 数据查询
Ø 设备远程手动控制
Ø 短信报警与控制
Ø 实时报警显示

QT(或者Android):
1 数据显示
2 设备远程手动控制
3 Zigbee各类地址的显示
4 RFID数据获取
5 短信报警与控制
6 实时报警显示

网页:
Ø 登录
Ø 实时传感器采集数据曲线图
Ø 实时数据显示与入库
Ø 数据查询
Ø 设备远程手动控制
Ø 自动控制
Ø 实时报警显示

手机:
Ø 登录
Ø 实时传感器采集数据曲线图
Ø 实时数据显示与入库
Ø 数据查询
Ø 设备远程手动控制
Ø 自动控制
Ø 实时报警显示

※二次开发实验:
1. PC数据采集应用程序二次开发实验
2. 传感器数据解析二次开发实验
3. HTTP接口数据上传二次开发实验
4. Web Service接口数据上传二次开发实验
5. Socket接口数据上传二次开发实验
6. 手机端应用二次开发实验
7. PC端应用二次开发实验
8. WEB端应用二次开发实验

4.1.2物联网实训台特色
4.1.2.1完善的三层架构体系
该物联网教学实训平台架构清晰,各层各司其职,快捷有效地实现相关功能。如下图是本方案的大致流程,能够看到从底层到中间件再到上层,各层分工明确,思路清晰,方便分解。

图1 实训平台三层架构

4.1.2.2国内领先的特色平台

用户不但能够在网关上,经过软件即可方便对各传感器节点进行测试、查询、管理。网关层提供多种基于C#,QT(C++)等多种主流编程语言的操作软件。该系统的另一大特色就是提供特有的基于JAVA的平台层控制软件。该负责采集底层的传输数据,对数据进行分析,筛选,和反控制。平台层加载PostgreSQL数据库(PS:一个免费的学院派数据库,80年代后期就被美国军方等大机构赞助开发,当前来说,支持系统平台应该算较多的一种数据库,日本人用该数据库较多)。其具有最丰富的数据类型的支持,采用经典的 C/S (client/server)结构,PostgreSQL 对接口的支持也是非常丰富的,几乎支持所有类型的数据库客户端接口。
另外,平台层控制软件还负责对上层的数据传输和调度,平台层将Quartz 1.8(PS:一个开源项目,它能够与J2EE与J2SE应用程序相结合也能够单独使用。Quartz能够用来创立简单或为运行十个,百个,甚至是好几万个Jobs这样复杂的日程序表。)作为任务计划的选型。简单地创立一个接口就能够轻松地完成任务调度工作。平台层采用分布式多服务云部署,并发性能高。多频度任务调度,后台多线程处理海量数据,响应时间不随数据量呈线性增长。
平台层软件中还嵌入了基于lucene(apache实现的一个全文检索框架,各式各样的小搜索引擎一般都是基于该框架)的搜索框架。其索引文件格式独立于应用平台,优秀的面向对象的系统架构 ,方便其扩展新功能。
真正实现了教学过程与物联网的对接,经过相关平台能够实现物联网综合实训平台相关实验数据校际之间的共享与学习。
※ 学生:经过未来星教学实训平台,我们能学什么?
布线:本实训平台包含公司自主研发的实训展架,经过该实训展架,学生能够按照原理图和布线图自主布线,安装节点、传感设备、控制设备等等,让学生从根本上了解本实训平台的硬件架构。此部分电路图、原理图可开放。

图2 实训展架

Zigbee节点程序编写与烧录(C):Zigbee节点程序包括两大类:一类是Zigbee采集端的程序,包含节点与各类传感器(电流、电压、数字等)之间的数据采集以及Zigbee采集端与Zigbee基站的双向通信;另外一类是Zigbee基站的程序,包含Zigbee基站与Zigbee采集端的双向通信以及Zigbee基站与PC(工控机等)的串口通信。此部分源码可开放。

图3 Zigbee节点及基站

图4 Zigbee编程环境

中间件采集端程序编写(C#):经过.net技术实现数据采集与转发功能,培养学生软硬件对接开发的能力。学生能够经过Visual Studio 进行采集端程序的编写。此部分源码可开放。

图5 中间件采集端程序 (C#)运行界面

中间件控制端程序编写(C#):经过.net技术实现设备的手动控制与自动控制功能,培养学生软硬件对接开发的能力。学生能够经过Visual Studio 进行控制端程序的编写。此部分源码可开放。

图6 中间件控制端程序 (C#)运行界面

中间件采集端程序编写(QT):经过C++技术实现数据采集与转发功能,培养学生软硬件对接开发的能力,同时让学生对Linux系统有个系统的认识,以及能够实现Linux环境下应用软件的开发。学生能够经过QT进行采集端程序的编写。此部分源码可开放。
中间件控制端程序编写(QT):经过C++技术实现设备的手动控制与自动控制功能,培养学生软硬件对接开发的能力,同时让学生对Linux系统有个系统的认识,以及能够实现Linux环境下应用软件的开发。学生能够经过QT进行控制端程序的编写。此部分源码可开放。
平台端对接(J2EE):经过Java技术实现如本章第二点所说的功能对接,培养学生独立上层软件开发的能力。这是本公司的核心技术,因此源码无法开发,提供对接接口。
上层展示(As):经过Flex技术实现数据的呈现以及反向控制功能,培养学生独立上层软件开发的能力。学生能够经过flex进行网页端数据采集和控制程序的编写。此部分源码可开放。

图7 上层网页展示
上层展示(Android):经过Java技术实现数据的呈现以及反向控制功能,培养学生独立上层软件开发的能力。学生能够经过Java进行手机端数据采集和控制程序的编写。此部分源码可开放。

图8 上层手机端展示
※ 老师:经过未来星教学实训平台,我们能教什么?

未来星教学实训平台设计课程涵盖了综合布线,数字电路,模拟电路,高级程序语言设计,计算机网络技术,自动控制原理,电气技术基础,单片机,电控与PLC应用技术,高频电子技术,EDA,机械设计与制造基础,数据结构,软件工程,数据库技术,操作系统等课程,横跨软硬件多领域。
经过实训平台与现有教学体系的结合,老师能够更形象地教授理论知识,学生们也更容易接受,同时能够开展相关实训,如综合布线实训、电力电子实训、计算机组网实训、控制器件及应用实训、智能建筑综合实训、计算机控制技术实训、电子测试与维修技术实训、技术文件的编制实训、通信实训,让学生动手动脑,首脑结合。
经过该实训平台,由于技术较全面,所培养的学生就业面广,如在企事业或公司从事计算机控制系统的应用与设备的调试、维护工作,也可在外资公司和专用公司从事技术开发和服务等工作;在电子信息行业从事大型智能化产品和设备的制造、安装、调试、生产线管理、产品售前和售后的技术服务工作;在电子信息行业主要从事有关计算机通信技术的应用;计算机通信设备的生产制造;计算机网络工程安装调试、销售与售后服务;在各类软件公司从事软件研发。

4.1.2.3物联网综合实训平台设备清单(见附件一)

4.2智能农业系统
物联网农业体验区主要以物联网,包含温度传感器、湿度传感器、PH值传感器、光传感器、生物传感器、CO2传感器等设备,检测环境中的温度、相对湿度、PH值、光照强度、土壤养分、CO2浓度等物理量参数,经过各种仪器仪表实时显示或作为自动控制的参变量参与到自动控制中,保证农作物有一个良好的、适宜的生长环境。采用无线传感网与互联网的结合来获取作物生长的最佳条件,能够为模拟农业大棚精准调控提供科学依据,让学生能够实例化的了解到达到物联网在农业生产管理中的显著作用。系统功能图如下:

4.2.1智能农业体验区布局

智能温室大棚效果图

智能农业大棚概略图要
4.2.2环境感知系统
在体验区安装温度、湿度、光照、二氧化碳、土壤湿度等传感器(传感器为实际项目使用的传感器)来模拟农业环境下的传感数据采集,数据经过节点、网关(汇集节点),传输至中心服务器,中心服务器对数据进行解析、过滤、统计等处理;数据传输主要过程如下图所示:

4.2.3智能控制系统

在农业物联网体验区安装风扇、喷雾器、小灯泡、电动窗帘来模拟农业自动化温室的风机、喷淋设备、补光设备、卷帘等设备,模拟设备经过与远程控制模块连接达到远程控制的目的。系统原理图如下:

（1） 手动控制
远程控制:经过Web端和android手机端,发送控制命令到控制服务器,控制服务器将命令转化成控制系统可识别的信号,控制系统来改变设备的状态。
现场控制:设备控制操作者,在现场直接对设备进行开关控制。

(2)自动控制
采集到的数据经过中心服务器逻辑处理后,与设置的阀值比对,判断设备应该处于何种状态,并发送控制命令到控制服务器,从而改变设备的状态。

(3)设备控制原理图如下所示:

4.2.4视频监控系统

经过在体验区上安装小型网络摄像头来模拟经过摄像头来监控农作物长势的目的。视频传输原理如下图:

4.2.5智能农业平台
将环境感知系统、智能控制系统、视频监控系统集成于一体,具有历史数据查询、报表导出、阈值设定、短信报警、远程指导、校际之间数据共享等功能。
WEB端平台界面及功能如下:

界面功能功能:
①视频监控界面,采用最新无插件视频嵌入技术,兼容各主流浏览器,无需下载插件,点击直接观看。根据项目实际情况视频传输采取图片传输方式,摄像头可自动等间隔时间拍摄图片或者经过平台手动点击拍摄图片。
②环境数据展示图,直观展示各环境参数。
③传感器数据列表及数据状态显示:数据正常字体为绿色,数据偏高或偏低时数据显示为黄色,数据超过阀值数据显示为红色。
④传感器报警阈值设置功能:分为偏低设置和偏高设置,例如温度传感器,正常植物的生长温度为15－25℃。
⑤历史数据查询功能:点击”查看”按钮,进入历史数据查询界面,按时间段进行数据查询。数据的检索模式可进行多种选择,例如:全部查询、抽样查询、平均值、最大值等。

图(9)历史数据查询示意图

⑥报警人添加功能:此功能可对报警人进行添加,添加后该报警人会收到实训室内传感数据超标时的报警短信
⑦报表导出功能:选择实训室、报表导出的时间段、报表导出的表格类型(PDF、excel、text等)即可将实训室、改阶段时间的传感数据、操作信息等数据导出,方便管理者对数据进行综合分析,制定下一步教学计划。
手机端平台界面及功能如下:

4.2.6 农业物联网沙盘设备清单(见附件二)
4.3智能渔业系统
4.3.1 项目设计具体内容
Ø 养殖场环境监测
养殖场环境监测包括水温监测,光照度监测。
Ø 养殖场水质监测
水质监测主要包括溶解氧监测、PH值监测、氨氮含量监测。
Ø 智能化控制系统
智能化控制系统主要包括增氧泵控制,自动给排水控制,光照度控制,温度控制。

4.3.2 项目架构

手机、电脑等查询设备
增氧机等
设备
反控设备
采集节点
汇集节点
设备

1） 前端数据采集部分
前端数据的采集是整套项目的前沿部分,是整个项目的基础。系统将前端的鱼类生长环境参数等与食品消费的所有信息搜集。
2） 网络传输部分
网络传输主要负责将前端数据采集部分传送给服务器,并提供远程终端访问主服务器,是整个项目数据的传输通道。
3） 监控展示部分
采集到的数据经过终端设备展示给用户,使用户能够了解生产基地、生态园实时的信息。用户能够经过各种终端如个人电脑、手机、手持终端、触摸式一体机等实时了解养殖场地信息。
4） 智能控制部分
采集到的数据经过与系统设置的阀值进行对比,参数超出阀值后自动打开相应设备。
4.3.3系统硬件功能
4.3.3.1养殖场环境监测
Ø 温度监测点
温度是影响水产养殖的重要物理因子之一。水温不但影响水体水质状况,还影响养殖对象的生长发育,经过水温的观测实验,我们的粗话一下结论:水温与溶解氧含量符合等比级曲线模型水温与氨氮总量总体呈负相关关系;不同水产生物对水温 不同适应性,在适合温度范围,水温越高,养殖对象摄食量越大,而且饵料系数越小;一般水温越高,水产生物生长速度越快。经过计算养殖对象长期活动积温即可推断某一品种从育苗到商品上市所需时间;水温高低直接决定受精卵的孵化时间,在适合温度范围内,水温越高孵化时间越短。以上数据表明水温是影响水产养殖产量和品质的重要因素。传统室内养殖的大多使用附近的江河作为循环水源,江河水温受气候影响很大,大部分养殖场使用人工测温,数据的准确性和监控力度都难以得到保证。本系统采用工业级在线温度传感器,24小时全天候监测养殖水体温度。采集温度包括进水口温度,池内温度,养殖场空气温度。系统可根据不同季节、养殖品种、养殖密度等信息进行系统报警阀值设定。当温度超出阀值时,系统报警:自动打开现场声光报警器;经过手机给管理员发送报警短信;监测界面弹出报警信息。在一段时间内(可设定),温度参数持续超标,系统自动打开温控设备,温度参数恢复到标准值后,温控设备自动关闭。
Ø 光照度监测点
光照度的时间长短和强弱会影响养殖对象的繁殖周期和体表样色,繁殖周期决定产量,体表颜色和品质关系密切。本系统采用室内型光照度传感器,系统可根据不同季节、养殖品种、天气情况等信息自动计算养殖对象所需光照强度、光照时间从而判断天窗开启时间、是否需要人工关照。
4.3.3.2养殖场水质监测
Ø 溶解氧监测点
溶解氧不就是水生生物正常生理功能和健康生长的必须物质,溶解氧高能够增进水产生物的食欲,提高饲料利用率,加快生长发育。同时溶解氧也是水质改良的必须物质,是维持氮循环顺利进行的关键因素。本系统采用高精度溶解氧探头实时采集水体溶解氧含量,当水体溶氧量过低时自动打开增氧泵。
Ø PH值监测点
pH值过低,酸性水体容易致使鱼类感染寄生虫病,如纤毛虫病、鞭毛虫病;其次水体中磷酸盐溶解度受到影响,有机物分解率减慢,天然饵料的繁殖减慢;再者,鱼鳃会受到腐蚀,鱼血液酸性增强,利用氧的能力降低,尽管水体中的含氧量较高,还是会导致鱼体缺氧浮头,鱼的活动力减弱,对饵料的利用率大大降低,影响鱼类正常生长。PH值过高会增大氨的毒性,同时腐蚀鱼类鳃部组织,引起大批死亡。PH异常在传统养殖模式里不易发现,往往造成的损害比低温、缺氧更大。系统采用进口PH探头,监测水体PH值,PH值异常时,系统自动打开进出水口电磁阀进行换水,保证水生生物生长在恒定PH环境内。
Ø 氨氮含量监测点
水体内的氨氮主要来源于水生生物的排泄物,施加的肥料,残饵被微生物分解成氨基酸,再进一步分解成氨氮。同时水体氧气不足时,水体发生反硝化反应也会产生氨氮。然而,国产氨氮检测设备不成熟,进口设备价格昂贵。本系统经过放养光合细菌,细菌进行硝化作用降低水体氨氮含量,同时采用生物传感器监测光合细菌浓度,从而判断水体氨氮含量。
4.3.4智能化控制系统
Ø 给排水控制
传统养殖模式里,鱼池换水全部有人工完成,费时费力。本系统可根据水质需要进行自动换水,管理员也能够根据系统提供的实时参数判断养殖池是否需要换水,并经过远程控制系统进行换水。
Ø 增氧泵控制
一般养殖场养殖珍贵鱼种时都是24小时长时间供氧,这样养殖池内虽然不会出现缺氧现象,缺造成了能源的浪费。将增氧泵与本系统对接后,可根据水生物实际需求开启和关闭增氧泵即保证水生生物健康生长也节约了能源。
Ø 温度控制
温度过高和过低都会影响水生生物的生长状况,为了保证养殖场水温恒定,可在进水口建立水温缓冲池,经过与系统对接的温控设备调节水温,之后在将缓冲池内恒温水送入养殖池内。当养殖池温度过高时,系统自动打开进出水口,更换池水,达到降温目的。
4.3.5系统软件功能
4.3.5.1 数据采集功能
Ø 标准值设定

用户可根据专家系统和管理员经验设定标准值,采集值超出报警值时系统自动报警。
Ø 数据实时查询

可远程查看养殖场实时数据,及时在千里之外也能让您对养殖场了如指掌。
Ø 趋势图查询

趋势图查询服务可方便您观察一段时间内检测值变化较大的检测点
Ø 历史数据查询

历史数据查询服务提供个监测点检测数据查询,为研究水生生物生长规律提供科学依据。
4.3.5.2设备控制
Ø 控制形式设置

管理员可根据实际需求灵活选择控制方式,手动控制模式下管理员可经过手机、电脑等工具对养殖场设备进行远程控制,自动模式下系统根据采集的实时参数判断设备开启、关闭。
Ø 控制时间设置

自动控制下,也能够对设备进行定时自动开启功能
4.3.4 智能渔业系统设备清单(见附件三)

第五章 涉及专业和课程设计
5.1物联网涉及专业
物联网是一门综合性交叉学科,涉及电子、嵌入式开发、自动化控制、网络通信、计算机等专业知识的综合应用,物联网应用技术实训室的建立为学生的实践创新能力的培养和发挥提供了必要平台,是进行理论教学和实践能力培养的重要桥梁。
物联网涉及以下学科知识:物联网息息相关的理论及应用专业技术,辐射传感器、控制智能芯片、RFID、ZIGBEE等先进技术,面向智能自动化应用工程、智能交通系统、绿色能源的储存与监控技术、机器人系统智能控制、无线射频技术与传感通信等领域。