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1、 维能通信物联网实验室方案 24 2020年4月19日 文档仅供参考 维能通信物联网实验室建设方案 南京维能通信技术有限公司 11月 一、 方案背景 2 二、 方案特色 3 三、 物联网实验室方案介绍 3 3.1实验室组成 3 3.2实验室布局 4 3.3实验室设备介绍 6 四、物联网实训平台 12 4.1无线智能家居安防系统 12 教与学: 13 4.2智能温室大棚控制系统 15 4.3 RFID仓储物流 18 教与学: 19 4.4农产品溯源 19 典型软件实现的功能
2、 21 教与学: 21 4.5个人保健 21 五、物联网体验中心成功案例 22 一、 方案背景 物联网是一个由感知层、网络层、应用层等构成的庞大的社会信息系统,涉及国民经济各行各业、社会生活各个领域。物联网结构复杂,其连接范围及其功能远远大于互联网:它扩大连接到物品,实现物物(也包括人)相连,能够形成一个连接万亿个物品(设备)和数亿人的无比庞大的数据库,采集和存储着海量信息;它不但能够分析处理信息知识,而且具有控制指挥的”智能”,从而具有处理和解决问题的功能。 物联网一方面能够提高经济效益,大大节约成本;另一方面能够为全球经济的复苏提供
3、技术动力。当前,美国、欧盟等都在投入巨资深入研究探索物联网。中国也正在高度关注、重视物联网的研究,工业和信息化部会同有关部门,在新一代信息技术方面正在开展研究,以形成支持新一代信息技术发展的政策措施。 另外,在”物联网”普及以后,用于动物、植物和机器、物品的传感器与电子标签及配套的接口装置的数量将大大超过手机的数量。物联网的推广将会成为推进经济发展的又一个驱动器,为产业开拓了又一个潜力无穷的发展机会。按照当前对物联网的需求,在近年内就需要按亿计的传感器和电子标签,这将大大推进信息技术元件的生产,同时增加大量的就业机会。美国权威咨询机构FORRESTER预测,2020年,世界上物物互联的业务
4、跟人与人通信的业务相比,将达到30比１,因此,”物联网”被称为是下一个万亿级的通信业务, 由此我们知道,物联网是继计算机、互联网和移动通信之后新一轮信息技术革命,是信息产业领域未来竞争的制高点和产业升级的核心驱动力,是加速推进工业化、信息化融合的催化剂。发展物联网,是实现技术自主可控,保障国家安全的迫切需要;是促进产业结构调整,推进两化融合的迫切需要;是发展特色新兴产业,带动经济发展的迫切需要;是提升整体创新能力,建设创新型国家的迫切需要。作为高校,适应经济发展要求,着眼未来,为物联网、传感网这类战略性新兴产业提供人才资源保障,这是历史赋予的使命,更是面向未来的理智选择! 二、 方案特
5、色 l 系统学习物联网知识的实验平台:方案涵盖物联网的传感、传输和应用各层主流技术,由浅到深为用户提供完整的实验内容,同时配套详细的实验指导书。 l 切身体验物联网应用的实训平台:方案经过各相关领域的应用实训,让学生不但切身体验各种场景,而且,经过工程的形式强化理论,达到知识的融会贯通。 l 深入研究物联网技术的开发平台:开放的实验、实训软件资源,功能强大的硬件配套,是教师、兴趣小组做课题研究的得力助手;是锻炼动手能力,提高创新能力的理想选择。 三、 物联网实验室方案介绍 3.1实验室组成 由各种硬件(实验柜、前端模块等)、软件构成的多功能实验室,提供了从基础的实验套件、模块到包含
6、丰富模拟应用的实验柜,再到可用于工程上的物联网展示厅,形成从理论到实际应用的完整体系结构。 硬件组成: 物联网实验柜系列 物联网智能实验开发平台Ⅰ型 物联网智能实验开发平台Ⅱ型 物联网智能实验开发平台Ⅲ型 物联网智能实验开发平台Ⅲ-A型 传感器及控制模块 玻璃破碎探测传感器 雨滴传感器 颜色传感器 光强度传感器 三轴加速度传感器 温湿度传感器 烟雾感应传感器 红外遥控模块 指纹识别模块 人体感应模块 手机浇花模块 窗帘遥控模块 Zigbee实验套件 Zigbee协调器模块 Zigbee路由器模块 Zigbee传感控制节点模块 样板间(实训
7、)系统 智能家居样板间 智能停车场样板间 智能物流样板间 智能农业样板间 智能交通样板间 …… 沙盘模型 智能家居沙盘模型 智能农业沙盘模型 智能交通沙盘模型 …… 软件组成: 应用软件 基础实验:BEEP、AD、Telephone、Video…… 电子秘书 环境监测 门禁检测 音乐播放器 智能家居安防系统软件 系统软件 物联网智能实验开发平台软件 3.2实验室布局 整个实验室主要有教学区、实训区。具体布局见下图: 智能家居安防实训平台 智能温室大棚实训平台 RFID仓储物流管理实训平台 智能停车场管理平台 教师教学区
8、 学生实训区 教学区:教师使用实验柜进行授课,学生可用实验柜进行基础和实训实验。在进行教学实验时,学生可进行分组操作。 演示区:对于不同应用领域设计不同的样板间、演示沙盘。 3.3实验室设备介绍 ⑴物联网智能实验开发平台Ⅰ/Ⅱ型 SeaIOT-DP01-C(简称Ⅰ型柜)、SeaIOT-DP02-C(简称Ⅱ型柜)物联网智能实验开发平台是把传感器技术、无线通讯技术、嵌入式物联网应用技术整合一起的专业型研发及综合实训平台。两种型号的主要区别是外观和结构,Ⅱ型柜多了可容纳PC机的空间。 与普通的实训系统相比(1) 物
9、联网应用软件更为专业、高端、智能化,完全面向终端产品应用开发设计 (2)前端传感器采用模块化设计、独创加入机电一体化功能(3)无线通讯系统支持多种通讯协议,如433M、ZIGBEE、蓝牙、WIFI及3G等,构建了多网融合的构思,实现了不同网络的信息交互。 本综合实训平台采用三星公司主频为400MHz的高端S3C2440微处理器(可扩展800M 的S3C6410),前端采用TI公司的MSP430低功耗单片机(433M及ZIGBEE功能)配合丰富的外围设备接口,是一款优秀的物联网学习和开发平台。 网关核心配置: 模块 功能 配置参数 PCB板 性能稳定,经过强电磁环境考验 6层
10、PCB设计 处理器 S3C2440A处理器 可升级S3C6410 主频400MHz,可倍频至533MHz SDRAM RAM 64M字节 2片HY57V561620(32M) NANDFlash NAND Flash 128M字节 K9F1G08U0B 时钟 RTC时钟 12MHz系统外部时钟源; 32.768KHz的RTC时钟源 网关接口配置: 模块 功能 配置参数 PCB板 性能稳定 2层PCB设计 电源 供电 9V 、12V UART 串口数据传输 一个五线异步串口,一个三线串口, 两个三线TTL电平扩展引出 485 4
11、85数据传输 一路485接口 ADC 10位AD通道 ADC接口 SPI 2路SPI接口 2路SPI接口 PWM 外接直流电机 外接直流电机 网卡 DM9000网卡 100M网口,采用DM9000AE,带联接和传输指示灯 USB USB Device,程序下载 USB HOST,挂载USB设备 一个USB Device接口 三个USB HOST接口 音频 音频输出,输入 一路立体声音频输出扬声器;另一路音频输入麦克风 SD卡 外接存储设备 一个SD卡接口 触摸LCD 终端显示 LCD和触摸屏接口,支持7寸TFT液晶屏 VGA 终端
12、显示 终端显示 CAN CAN总线数据传输 CAN-bus规范V2.0 JTAG 调试 配有下载调试板,可进行下载、程序仿真调试 IIC IIC接口 外接256字节的EEPROM存储单元 ZLG7290控制的键盘和显示LED; GPIO GPIO接口 蜂鸣器、LED灯、步进电机 USB摄像头 拍照、录像 中星微摄像头 适用手持设备,摄像监控方面。 USB接口 中星微摄像头(30万) 采用最经典稳定的中芯微301P方案,色彩逼真 速率30fps/s,硬件30万,插值500万像素影像 感光器件:高品质CMOS1/3inch,超CCD感光效果,VGA/C
13、IF格式 Video数据格式:8/16bit 工作温度:0°-40° 手机模块 收发短信、语言通话、发送彩信 PTM100 GPRS彩信模块 功能指标 三频段:GSM900/DCS1800/PCS1900MHz GPRS 多时隙 Class 12 标准AT 指令集:GSM 07.07 电源电压:3.4 ～ 4.3 V 射频 无线数据传输 CC1100 体积小(QLP 4×4mm封装,20脚) 真正的单片UHF RF收发器 频率波段:300-348 MHz、400-464 MHz和800-928 MHz 高灵敏度(1.2kbps下-110dBm,1％数据包误
14、差率) 可编程控制的数据传输率,可达500kbps 较低的电流消耗(RX中15.6mA,2.4kbps,433MHz) ⑵物联网智能实验开发平台 ⅢA 型 SeaIOT-DP03A(简称ⅢA型机) 创造性的集成了433M、ZIGBEE两个物联网开发平台,还集成了经过手机GSM网络控制的电器开关柜功能。 下图是维能通信ⅢA型柜原理拓扑图,由图可见,ⅢA型柜由黄色的ZIGBEE无线传感网系统和绿色的433M无线传感网系统构成。主机部分采用三星S3C2440网关(可升级为三星S3C6410嵌入式网关),其中433M部分标配10个无线传感网传
15、感器节点,ZIGBEE部分标配8个无线传感网传感器节点。 维能通信ⅢA型柜原理拓扑图 参数说明: 参数 协议 说明 网络节点 433M 节点可选 CC1101 等型号 CC1101-433 无线模块采用TI(chipcon)高性能无线芯片CC1101开发,是一种低成本、高度集成的UHF收发器,专为低功耗无线应用而设计。支持外接直流电源、干电池、USB口等供电方式,其中干电池供电模式可同时为传感器和CC1101长时间供电,便于有效范围内无障碍任意移动。 Zigbee 使用TI当下主流Zigbee解决方案中推荐的处理器CC2530F25
16、6;含有丰富的I/O端口、A/D和各种常见外围接口(定时器、UART、DMA、中断等);适应2.4-GHz IEEE 802.15.4;具有片内256K的可编程Flash,和8K的SRAM;工作电压2.0V-3.6V,超低功耗,支持休眠及唤醒功能;支持TI 官方Z-Stack /Pro协议栈;传输距离:可视距离400 米;基于IAR5.10.6 集成开发环境的工程仿真调试环境;支持形状网、树状网和网状(Mesh)组网方式;支持路由中继功能、网络节点自动修复功能 传感器节点 433M 1. 温度检测模块 2. 湿度检测模块 3. 震动探测模块 4. 玻璃破碎探测模块 5
17、 气体检测模块 6. 烟雾检测模块 7. 红外遥控模块 8. RFID射频模块 9. 指纹识别模块 10. 其它传感器模块 Zigbee 1. 温度/湿度传感器: 用于检测当前环境温度/湿度 2. 光强度传感器:用于检测光照强度检测 3. 三轴加速度传感器:三轴数字加速度传感器模块 4. 气压传感器:用于检测当前环境气压及温度 5. 颜色传感器:检测颜色的传感器模块 6. 雨滴传感器:用于对周围环境是否下雨等做检测 7. 其它传感器模块 嵌入式网关 嵌入式网关处理器采用S3C2440(可升级S3C6410)微处理器,S3C2440A采用了A
18、RM920t的内核,0.13um的CMOS标准宏单元和存储器单元。其低功耗,简单,优雅,且全静态设计特别适合于对成本和功率敏感型的应用。 1. 64M RAM,128M NAND FLASH 2. 2 端口USB 主机/1 端口USB 设备(1.1 版) 3. 3个UART,引出2个RS232口 4. UDA1314解码器接口 5. 7寸真彩色LCD,外带触摸屏,分辨率800*480 6. 摄像头接口,支持中芯微芯片微型130万像素摄像头 7. DM9000 10/100M网卡 8. SD卡接口 ⑶传感器及控制模块 名称:温度模块 名称:湿度模块 名
19、称:震动探测模块 名称:玻璃破碎探测模块 名称:气体检测模块 名称:烟雾检测模块 名称:红外遥控模块 名称:RFID射频模块 名称:指纹识别模块 名称:光强度传感器模块 名称:三轴加速度传感器模块 名称:颜色传感器模块 名称:雨滴传感器模块 名称:气压传感器模块 名称:温湿度传感器模块 名称:窗帘遥控模块 名称:台灯控制模块 名称:手机浇花模块 名称:摄像头模块 名称: 名称: 四、物联网实训平台
20、无线智能家居安防系统 左图为无线智能家居系统的设计框图,主要包括前端传感器部分,安防控制主机、报警部分和家电控制部分。前端传感器主要是使用各类不同用途的传感器探测家居环境中的物理参数,如烟雾、水浸、门窗等;安防控制主机主要实现这个系统的控制硬件和可视化软件;报警部分和家电控制部分是其实现的主要目的,异常情况下拉响警笛、拨出报警电话等;经过安防主机的无线通信开启或者关闭家电,使得家居生活更加安全,智能,方便。 名称 功能描述 联发动作 温度检测模块 经过检测室内温度 开启空调降温 湿度检测模块 检测室内湿度 开启空调除湿 玻璃破碎探测模块 检测玻璃是否破
21、碎 触发GSM报警 气体检测模块 检测液化气浓度 开窗,触发GSM报警 烟雾检测模块 检测室内烟雾浓度 触发GSM报警 红外遥控模块 对各种家用电器进行控制 RFID射频模块 用于门禁系统中进行身份识别 指纹识别模块 用于门禁系统中进行身份识别 光强度传感器 用于检测光照强度检测 控制电灯的开关 雨滴传感器 用于对周围环境是否下雨等做检测 关闭窗户 手机浇花模块 经过主机远程实现自动浇花 遥控窗帘模块 经过主机实现对窗帘的自动控制 台灯控制模块(压力传感器) 经过压力传感器控制台灯的开关
22、Zigbee协调器 组建ZigBee无线网络,将传感控制节点采集的数据传输到主机进行处理。 GSM模块 可发短信、彩信、拨打电话 摄像头模块 用于门禁系统中进行访客记录、拍照、录像 主机模块 信息处理中心,对于系统各方面的信息进行处理 智能家居安防综合实训平台软件 电子秘书基础实训 环境监测基础实训 门禁检测基础实训 家庭安防基础实训 家居安防综合实训平台 教与学: Ø 经过教师指导,学生利用可用模块搭建自己的硬件开发平台,提高学生的动手能力 Ø 搭建软件环境,了解wince内核编译过程,建立嵌入式开发环境(eMbedded Visual C
23、),学会用C++编写应用程序 Ø 经过电子秘书模块让学生学会GPRS和GSM相关知识。 Ø 经过环境监测模块,让学生学会在IAR中编程,掌握I2C、SPI总线协议和CC1100无线收发模块的工作原理。 Ø 经过门禁系统模块,让学生掌握摄像头、人体感应等相关组件的编程 Ø 经过家庭安防模块,让学生掌握智能家居中关键功能的实现过程。 Ø 经过家居安防综合实训平台,让学生掌握整个系统的设计与实现过程,培养学生进行项目开发的能力。
24、
25、
26、 以下实训基于433传感器转换为Zigbee;433相关程序改写成Zigbee程序;2440板升级到6410、A8 4.1无线智能家居安防系统 初步采用VS 编写(wince)。(修改原系统) 名称 功能描述 联发动作 温度检测模块 经过检测室内温度 开
27、启空调降温 湿度检测模块 检测室内湿度 开启空调除湿 玻璃破碎探测模块 检测玻璃是否破碎 触发GSM报警 气体检测模块 检测液化气浓度 开窗,触发GSM报警 烟雾检测模块 检测室内烟雾浓度 触发GSM报警 红外遥控模块 对各种家用电器进行控制 RFID射频模块 用于门禁系统中进行身份识别 指纹识别模块 用于门禁系统中进行身份识别 光强度传感器 用于检测光照强度检测 控制电灯的开关 雨滴传感器 用于对周围环境是否下雨等做检测 关闭窗户 手机浇花模块 经过主机远程实现自动浇花 遥控窗帘模块
28、 经过主机实现对窗帘的自动控制 台灯控制模块(压力传感器) 经过压力传感器控制台灯的开关 Zigbee协调器 组建ZigBee无线网络,将传感控制节点采集的数据传输到主机进行处理。 GSM模块 可发短信、彩信、拨打电话 摄像头模块 用于门禁系统中进行访客记录、拍照、录像 主机模块 信息处理中心,对于系统各方面的信息进行处理 智能家居安防综合实训平台软件 电子秘书基础实训 环境监测基础实训 门禁检测基础实训 家庭安防基础实训 家居安防综合实训平台 增加功能:远程访问控制(实现方式?点对点方式/Web服务器方式)
29、远程监控(网络摄像头) 能耗监测 4.2智能温室大棚控制系统 初步采用java编写(android) WIFI\有线网 GPRS\GSM 路由 网关 显示屏幕 摄像头 人体感应 用户 用户 Zigbee主节点 温度 湿度 光照 …… …… …… 风扇、 加湿器 该实训平台将当前的物联网技术、嵌入式技术和无线传感器网络技术相融合,经过不同的传感器可高精度测量温室大棚内的各种参数自动实现大棚内保温、保湿、光照等,实时监测温室内部环境。该平台还可经过GSM或PC进行远程访问和控制。 温度传感器 检测大
30、棚内温度 湿度传感器 检测大棚内湿度 光照传感器 检测大棚内光照强度 气体(CO2)传感器 检测大棚内CO2浓度 风扇控制模块 根据光照度、CO2浓度等确定是否开启 高清摄像头 视频监控 GSM模块 远程监控 太阳能增温系统控制 白天有阳光时,太阳能系统蓄热,进行水循环换热控制,将蓄水箱中的水循环至太阳能吸热板(管)中;无阳光或夜间系统进行供热循环。 温室脊热转移控制 为了充分利用能源,温室内设置脊热转移控制装置,当屋脊温度高于35℃时,启动脊热转移装置(风机),温度降至25℃时停止。 温室生态参数采集 对温室生态及环境参数进行采集、处理及储存,当参
31、数超出预定值时,能发出报警及操作提示(相关设备)。 视频监控 包含一个微型摄像头,安装在主机板上,能够经过短信命令抓取图片并发送彩信给用户。另设置高清摄像机,进行现场高清图像采集。 远程通信及报警 采用GSM网络先进的无线分组技术,经过SMS进行远程传输,用户经过手机发短信访问控制器,包括短信请求传感器数据,报警信息发送到手机,短信进行远程控制设备开关. 并预留网卡接口,以便将来接入网络或经过GPRS访问。 温室大棚控制系统 报警系统模块 远程访问控制模块 环境监测模块 温室大棚控制系统 教与学: Ø 经过教师指导,学生利用可用模块搭建自己的硬
32、件开发平台,提高学生的动手能力 Ø 搭建软件环境,了解android系统编译过程,建立嵌入式开发环境(ubuntu+eclipse),学会用java编写应用程序 Ø 掌握简单驱动的加载过程,如人体感应驱动的编写加载。 Ø 经过报警系统让学生学会编写串口、GPRS和GSM相关知识。 Ø 经过环境监测模块,让学生学会在IAR中编程,掌握I2C、SPI总线协议和ZIGBEE无线收发模块的工作原理。 Ø 经过远程访问控制模块,让学生掌握TCP\IP等网络编程及其原理。 Ø 经过温室大棚控制系统,让学生掌握整个系统的设计与实现过程,培养学生进行项目开发的能力。 4.3 RFID仓储物
33、流 初步采用VS 编写 RFID仓储物流管理系统的目标是在仓库体系中建立一条基于RFID技术的快速通道,实现库房高效管理,收发货高速自动记录。系统以RFID中间件为支撑平台,由收货、入库、盘点、出库等多个流程组成,各功能既可独立运行也可平滑连接,形成一个完整的基于RFID自动识别技术的仓储物流管理系统。 系统配置 服务器(PC): 服务端软件(运 行于PC机);VS 开发平台;Access数据库 客户端(网络读卡器):客户端软 件(运行于WINCE系统中) 无线WIFI通信模块 配套的标签或卡 实训内容 串口通讯实验 RFID读卡实验 WIFI通讯实验 以太
34、网通讯实验 Access数据库操作实验 RFID仓储物流综合实验 教与学: Ø 学会在VS 中编写C++程序 Ø 掌握串口通信原理 Ø 掌握电子标签的工作原理 4.4农产品溯源 初步采用VS 编写 为每一个地块或一个品种设定一个标签,对该地块或该品种蔬菜从种植到打包上市的整个过程中的必要信息经过读入或输入设备进行及时初始信息的录入,如蔬菜的品种、生长时间,所喷施农药的名称及次数,所使用的化肥、收割时间等。 在加工过程中,再对RFID添加加工单位、加工日期、加工过程所使用的添加剂、包装重量等信息。 其过程为: 典型软件实现的功能: 教与学:
35、 Ø 学会 Ø 掌握串口通信原理 Ø 掌握电子标签的工作原理 Ø 了解超高频读写器的工作原理 Ø 了解专用电子秤的工作原理 4.5个人保健 人身上能够安装不同的传感器,对人的健康参数进行监控,而且实时传送到相关的医疗保健中心,如果有异常,保健中心经过手机,提醒您去医院检查身体。 状况:暂无资料 六、物联网体验中心成功案例 序号 项目名称 功能要求 1 开放式通道系统 开放式通道防盗系统,以RFID 技术为基础,结合自动控制技术、计算机技术、无线通讯技术、视频技术,以全新的开放式通道门禁自动识别模式,当人员未佩戴受权代表证经过时,门禁
36、会自动识别出来而且提出报警警示。能对私自带带有RFID图书出实训室有检测报警功能。 系统由数据中心、开放式防盗系统、人员管理系统及身份卡组成。开放式通道识别设备,有三个感应区,而且卡片360 度旋转仍能感应。人员管理系统主要要求包括以下功能模块:语音功能 抓拍功能 人员管理 卡片管理部分 要求进出门时能播报语音 2 客厅 一 要求能够看到当前温度湿度气压值 二 要求能经过红外对射装置控制窗帘和灯的开关 三 提供物联网ZIGBEE家庭影院控制:要求能提供对房间内电视、机顶盒的统一管理,用户可经过遥控器对房间内的设备进行控制和调用各种模式;要求触摸屏上界面能够在电视上对应显示;要求具
37、备红外学习能力;要求具有支持影片的存储和播放功能;要求具有支持任意房间的音视频点播功能;要求具有红外、网络、RS232串口通讯等接口;要求能经过按键开关、遥控器或是触摸屏控制。 四 经过家庭影院播放物联网宣传片 3 书房: RFID图书管理系统 图书馆管理采用RFID技术,要求实现读者自助借阅、24小时读者自助还书、图书管理功能及安全防盗功能。 提供物联网ZIGBEE灯光控制:要求经过遥控器调节灯光强弱;要求用GSM手机短信控制灯开关;要求人坐在凳子上,头上的灯自动打开,要求人离开时,头上的灯自动关闭。 4 书房:空调 提供物联网ZIGBEE家庭空调控制,能控制我校实训室
38、现有的空调,要求根据设定的温湿度,自动开或关闭空调。要求能经过手机短信关闭空调 5 卧室 一、要求能根据卧室内有人无人控制窗帘、灯光的开关 二、要求能测量人的体重和体温,并能播放相应语音 6 花房 手机浇花系统,要求经过短信开关浇花设备及定时功能 趣味实验系统:要求能经过压力传感器触发喷雾装置 ,达到寓教于乐效果 7 厨房 提供物联网家庭安防控制:要求烟雾报警时触发喷淋系统 ,而且语音报警。 短信控制电饭煲开关 8 学生设计体验系统 要求包含十五种以上常见物联网传感器以及演示教学系统,能进行二次开发,能经过软件演示各传感器被触发报警实验。 要求包含十种以上常见物联网传感器(不加电,与上面十五种不重复)并配以介绍, 9 被体验系统 要求能观察3种传感器工作状态 物联网智能家居体验中心样板间成功案例平面图
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