一套构思完整的物联网实验室建设实施方案.docx

一套构思完整的物联网实验室建设方案 物联网是通过各种传感设备，把物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络，可广泛应用于各行各业，如把各种传感器嵌入或装备到电网、铁路、桥梁、隧道、公路、建筑、供水系统、大坝、油气管道等各种物体中，形成物联网，通过无线信息的收发，便于通讯和监管，不用数据线，成本低，使用便利。 1999年美国麻省理工学院（mit）首次提出物联网的概念，是指把所有物品通过射频识别（rfid）等信息传感设备与互联网连接起来，实现智能化识别和管理的网络。国际电信联盟（itu）在2005年的年度报告中对概念的涵义进行了扩展，该报告中指出，信息与通信技术的目标已经从任何时间、任何地点连接任何人，发展到连接任何物品的阶段，而万物的连接就形成了物联网。在这份报告所提到的物联网中，除rfid技术外，更多的新技术，例如：传感器、纳米、嵌入式芯片等技术被广泛应用。 2009年初，美国已将新能源和物联网列为振兴经济的两大武器，世界其它国家、公司、团体都将物联网的发展提升到了战略高度，相关的技术、应用、产品也得到了极大的发展。我国也开始加速推动物联网的进程，我国的物联网发展与世界基本同步，目前传感网标准体系已形成初步框架，向国际标准化组织提交的多项标准提案也被采纳。2009年下半年以来，物联网概念火遍中国，中央、地方、企业都从各自角度展开了一系列行动谋划和进入物联网2009年10月，科技部同意在无锡太湖国际科技园建立国家（无锡）传感网国际科技合作基地，以加快引进国际领先的传感信息技术，推进国内传感信息产业的发展。 在物联网的产业价值链中，有着众多的参与者，传感器企业、rfid芯片企业、rfid读卡器企业是最早被关注的，各种传感器不断翻新；还有各种电子设备制造企业，海尔已经让其冰箱上网了，交通管理系统根据行车的速度和位置随时发布各条道路的交通状况，广告公司利用物联网随时更新其户内和户外电子广告内容，联邦快递可以在每个物流环节更新其递送物品的位置，供其内部管理人员和客户的查询。物联网相关技术的人才的培养需要相关的各种条件，主要包括物质条件、人力资源条件、技术积累等。 物联网可划分为一个由感知层、网络层和应用层组成的三层体系，感知层主要包括二维码标签和识读器、rfid标签和读写器、摄像头、gps、传感器以及m2m终端、传感器网络和传感器网关等，在这一层次要解决的重点问题是感知、识别物体，采集、捕获信息。感知层要突破的方向是具备更敏感、更全面的感知能力，解决低功耗、小型化和低成本的问题。 完备的无处不在的移动通信网络是物联网发展的基础条件，中国移动在物联网的实践与创新是把移动通信能力向下与感知层结合起来，通过在机器内部嵌入gsm/td通信模块，以无线通信等为接入手段，为客户提供综合的信息化解决方案，以满足客户对监控、指挥调度、数据采集和测量等方面的信息化需求，即m2m应用。目前中国移动在m2m领域已形成一整套拥有自主知识产权的技术标准、解决方案和相关产品，并已面向政府、行业和家庭开展多样化的物联网应用实践。 物联网创新实验系统可实现多种物联网构架，面向各大高校及大专院校的专业教学及创新和竞赛，提供了众多实验例程，便于学生熟悉和掌握物联网的构成及实际应用。 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。硬件设备包括微型无线传感器、rfid、gps、td-scdma和其他配套设备。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、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，不同网络的组成形式，开发出更多实用性强的物联网应用模式。 硬件设备 物联网zigbee技术教学实验平台 实验平台实验内容组成 1、协议分析层面：z-stack寻址：间接传送；单播传送；多播（组播）传送；广播传送 多对一路由选择协议等。 2、网络拓扑层面。星型无线传感器网络；树簇型无线网络；网络同步；加入/退出网络等。 3、传感器节点层面。温湿度传感器实验；光电传感器实验；压力传感器实验等。 微型无线传感器 微型无线传感器分为温度，湿度，光电，触力等多种传感器。每个节点由mcu/rf部分、传感器部分和电源管理部分组成，包括智能三项传感节点与智能触力传感节点。 （1）智能三项传感节点 支持温度，湿度，光电三种传感器，支持2.4g无线组网，配备按键输入和led输出，支持电池工作，并配套电池充电功能。 （2）智能触力传感节点 支持压力传感器，支持2.4g无线组网，配备按键输入和led输出，支持电池工作，并配套电池充电功能。 通用传感器以及被控对象 通用传感器以及被控对象包括通用调试器母板，红外模拟传感器母板，超声波模拟传感器母板，酒精浓度传感器母板，电机控制器母板等。每种母版均支持对微型无线传感器的程序更新与调试，母板可独立控制自身硬件，也可联合微型无线传感器进行联网，实现网络化控制。系统配置一个无线线网络电源充电模块，同时支持8个无线模块的供电或充电。 嵌入式网关嵌入式网关采用嵌入式pxa270系统。 （1）核心板 cpu：intelxscalepxa270520mhz sdram：64mbyte flash：32mbyte 以太网：100methernetcontroller（lan91c111） cpld：xilinx95144（117userio） 接口：160pin接口 （2）底板 以太网接口：100m以太网接口1个 视频： 4.3寸tftlcd（包含触摸屏和有机玻璃外壳） 音频：ac97标准音频输入输出接口 usbclient：1个，支持pc与设备同步 串行接口：3个，uart0是系统的调试端口；uart1是带有流控制的5线串行接口，可以连接gprs/gsm-modem；uart2是标准的3线串口（等等） 软件资源 1、无线传感网软件 2、嵌入式网关软件 3、pc数据管理与分析软件 实验资源 实验从无线网络处理器的基本实验，逐步进阶到无线数据采集通信的高级实验，即能满足基础的教学要求，又能加强学生的实际应用能力。基于cc2430的实验cc2430是ti2.4g无线网络的主流控制器，是微型无线传感器的核心控制器。实验内容共计63个。 射频识别（rfid）原理技术与应用实验平台 给学生以具体的真实的系统感性认识，加强学生对rfid系统原理的理解和认识，更好的帮助学生学好、学透rfid技术。同时也给非通信专业的学生增加通信方面的专业知识，实验过程真实具体。 产品特点 结合具体rfid教材射频识别（rfid）原理与应用，针对性强； 增加通信基础知识实验内容，扩展非通信专业学生的通信专业知识； 采用分立元件开发rfid原理机，展现rfid各个组成部分原理和具体电路，加深学生对rfid系统的理解； 实验中各部分信号都可以用示波器测试和观看，实验过程生动、真实； 实验平台囊括目前实际应用的三套系统，实验内容丰富、知识覆盖全面； 配有完整的的rfid读写器系统，可以开展相关的硬件电路测试实验和相关软件协议的测试和实验。 射频识别（rfid）原理技术与应用实验平台规格： 1、载波频率：125khz、13.56mhz、920-925mhz 2、支持协议：iso14443a，iso14443b，iso1569 3、 iso18000-6b，iso18000-6c（epcgen2） 3、作用距离：iso14443：7-15cm， iso15693：10-30cm， iso18000-6b：6-12m 4、通信接口：rs232 5、电源：220v/ac rfid实验平台实验项目9大模块有100个实验内容。 （欢迎咨询） multi-radio嵌入式wifi开发平台 multi-radio嵌入式wifi开发平台采用两个嵌入式wifi模块（g2m5477），以arm9（pxa270）为核心，平台具有完全开放特性，可以开发嵌入式wifi的mac协议、路由协议、应用层协议等，同时平台具有3个独立的功耗测试电路，电路可以自行连续测量功率消耗。 目前传感器网络的一个发展趋势为高速率传输，经过以cc1000系列和cc2420系列为代表的两代传感器网络节点的发展，传感器网络节点进入高速嵌入式wifi阶段。g2m5477的小体积、超低功耗（电池更换周期可达3-4年以上）、高速率、高性能（模块内包含44mhzrisccpu），为无线传感器网络下一代节点的研究和应用提供了良好的研究平台。 平台以pxa270cpu为核心，包含两个嵌入式wifi模块，wifi模块与pxa270之间采用spi高速接口（44mhz），可以完成高速multi-radio的研究工作。也可以利用一套开发平台上的两个嵌入式wifi模块完成嵌入式wifi的研究工作。 平台的代码全部开放，包括嵌入式wifi的mac层、网络层、传输层，pxa270操作系统的代码。 平台可以通过串口连接计算机直接进行开发工作，不需另购在线编程器或调试器。 支持多种传感器。平台依靠高性能pxa270cpu可以连接麦克风、摄像头等传感器，完成多媒体无线传输的研究工作。同时，平台的g2m5477模块高精度ad接口可以直接连接温度、湿度、加速度等传感器，完成基于嵌入式wifi无线传感器网络节点的研发工作。 multi-radio开发平台的主要性能指标： 同时支持2个嵌入式wifi模块，每个模块的特性如下： 802.11b/g2.4ghz，信道1-11和14，数据速率6-54mbps； iso24730-22.4ghz收发器以及125khz低频接收器； 802.11射频发射功率+18dbm（802.11g），+20dbm（802.11b）； 32位risccpu，时钟频率44mhz； sdio，数据速率可达100mbps； spi接口，最高44mbps； uart接口，最高2.7mbps； tcp/ip吞吐量可达4mbps（包含wpa2加密）； ram128kb； flashrom8mbit。 高性能的cpu（arm9）； 两个wifi模块以及整个平台的电压、电流、功率、温度的连续自动测量； 大容量存储（u盘或sd卡）； 支持音频和视频接口（可以直接连接摄像头）； 以太网、usb接口。 3.4multi-radio平台的开发目的主要如下： 面向目前广泛使用的p2p应用（如网上电影播放、大文件下载等，特点为多点同时下载，增加速率，如常用的迅雷、快车、电驴等服务），将现有的有线网络扩展到无线网络中，研究无线网络的p2p问题。 由于无线带宽和网络特性（无线一般是广播方式的，不像有线网络是交换方式的，广播方式有同信道干扰问题）的限制，采用多个无线模块（即多个radio）在同一时间进行传输，每个模块工作在不同的信道上，多个链路的同时传输增加了网络传输的吞吐量。 可以进行嵌入式wifi的研究，嵌入式wifi是下一代传感器网络节点的发展方向之一，利用此平台代码开放的特点和强劲的cpu，可以进行多种多样的开发工作，包括传感器网络多媒体的研究。 由于g2m5477的开放特点，当应用多个radio同时进行传输时，需要用新的mac协议替代已有的协议（当然也可以在高层来完成此功能，效率会低一些），利用g2m5477的mac协议的开放性，可以研发multi-radio的mac协议。 gps/gis/gprs综合实验平台 gps/gis/gprs综合实验平台是为了配合本科生、研究生卫星定位导航原理及其应用智能交通系统课程、its中的车辆定位导航方法课程、地理信息系统课程的学习而开设教学实验的基础平台。据调研，国内开设类似课程的教学单位均没有相应的实验平台，无法让学生直观的掌握基础理论知识及其应用。gps/gis/gprs综合实验平台对卫星导航定位、地理信息系统、无线数据传输深入研究 的基础上研究开发的、针对教学使用的综合实验平台。也可用于研究机构了解掌握卫星定位导航工作原理及其应用的培训设备。 5.1实验平台功能组成 实验平台主要包含fpga设置、gps数据接收、dop解算、卫星位置解算、dop与卫星仰角等关系、伪距解算、位置解算、拨码开关、扩展接口、gprs数据传输协议实现、gis数据显示等基本功能单元，供学生学习掌握卫星定位导航的基本原理以及其中的数据处理流程设计、gprs数据传输的原理与实现方法、gis显示功能的实现等内容。 开放gps数据结构和程序库供学生编程实验 编程实验： 根据导航电文和接收机时间计算gps卫星三维位置； 计算卫星信号多普勒频率 计算卫星信号经过电离层产生的延时误差； 计算卫星信号经过大气层产生的延时误差； 计算导航定位几何精度因子，即hdop、vdop、pdop、tdop、gdop； 根据已知位置和时间，预测可视卫星在轨道上的位置和多普勒频率； 建立导航方程并解方程，计算接收机ecef坐标系内的位置、时间； ecef坐标系与wgs84坐标系坐标变换编程实验 gps时间与utc时间、本地时间坐标变换编程实验。 ecef坐标系与wgs84坐标系坐标变换编程实验； gps时间与utc时间、本地时间坐标变换编程实验。 根据实验设计，实验一和实验四包含学生自己动手编程的部分，因此需要4课时的时间完成。学生可根据实验指导教程进行实验，并按要求完成实验报告。实验思考题用于加深学生对所做实验的理解，同时可对实验老师出实验考题时起到参考作用。 实验教学部分大概需要14课时完成，加上前序知识的讲解以及实验考试的时间，大概需要18课时左右的时间完成。若一次实验课为2课时，则需要9次课的时间。 5.6适用范围：适合通信、电子、信息、测量、自动控制、导航、遥控遥测等专业的本科生、究生gps基础教学实验、本科生 a.毕业设计、硕士生课题研究； b.适合gps应用系统的工程技术和维护人员使用。 t3g（td-scdma）技术实训系统 td-scdma技术实验系统是国内首创的为高校相关专业开展3g技术相关课程配套的可视化的专业综合实践教学平台。通过对各种比特级数据的发送、加扰、接受及分析，学生可以深入地理解与掌握t3g通信系统的技术原理和运行机制。借助次平台，还可以学习系统中的一些故障分析知识。本系统编排功能强调学生的动手实践和专业综合设计分析能力的提高，着力培养创新型人才。可完成的实验设计： 物理层结构实验： 实验1td-scdma时隙结构实验 实验2td-scdma帧结构实验 实验3信道配置实验 实验4信道数据设置实验 空中接口信道实验： 实验5传输信道实验 实验6物理信道实验 实验7信道映射操作实验 信道编码与复用实验： 实验8信道编码复用结构实验 实验9差错校验实验 实验10传输块的级联和码块分段实验 实验11信道编码实验 实验12无线帧尺寸均衡实验 实验13第一次交织实验 实验14无线帧分割实验 实验15速率匹配实验 实验16打孔或重发实验 实验17传输信道复用实验 实验18物理信道分割上实验 实验19第二次交织-帧相关实验 实验20第二次交织-时隙相关实验 实验21子帧分割实验 实验22物理信道映射实验 调制与扩频实验： 实验23调制实验 实验24扩频实验 实验25扰码实验 实验26脉冲成形实验 实验27载波输出波形实验 物理层处理过程实验（系统级）： 实验28基站发送信息配置实验 实验29无线传输环境配置实验 实验30小区搜索过程（sync-dl识别）实验 实验31小区搜索过程（midamble码识别）实验 实验32小区搜索过程（信道估计）实验 实验33随机接入参数设置实验 实验34随机接入（上行同步建立）实验 实验35随机接入（上行同步保持）实验 实验36上行uppts开环功率控制实验（免费升级） 实验37上行prach功率控制实验（免费升级） 实验38随机接入冲突实验（免费升级） 无线资源管理实验 实验39接力切换过程实验 实验40动态信道分配实验 实验41系统码分配实验 二次开发实验（5-8个） 根据需要提供开放接口，自主进行程序设计，调试验证。 6.4产品特点： 层次性：包含3g系统多个层次实验，学生可以从通信网络 系统的层次上认识通信系统，扩展了学生的认识思路。 系统性。以td-scdma标准为技术平台，有助于学生理解系统的组成及其在系统中的作用。 综合性。集成了通信原理、移动通信、数字信号处理、通信网络与交换等门课程理论知识与技术，非常利于学生对专业知识综合认识及应用能力的提高。 先进性。实验内容包含了当今通信专业一些最先进的理论，学生可以在较短的时间内掌握当今通信技术的最新发展动态，适应新技术发展的要求。 实用性：该系统是对t3g标准技术非常直观的再现，促使学生全面而深层次理解3g的理论知识内容，为以后从事3g相关工作，提高就业竞争力打下坚实的基础。开放与开发性：该实验系统提供了一些开放的接口平台，高水平的本科生、研究生及相关专业教师可以按照自己的想法进行程序设计，从而使他们的一些设计思路能很快的在该系统中得到验证，也可作为课程设计与毕业设计平台。 二次开发实验： 嵌入式智能终端系统基本开发 嵌入式网络终端开发实验 双核处理器的通信实验 嵌入式通信处理实验 嵌入式3g终端界面开发实验第16页 共16页