物联网实验室建设方案2012-11-29.doc

上海企想信息技术有限公司XXX学院物联网实训室建设方案上海企想信息技术有限公司20XX年XX月目录1. 方案背景42. 物联网技术应用专业52.1 专业建设背景52.1.1 国家发展战略需要52.1.2 物联网产业发展需要大量人才52.1.3 人才培养需要专业建设62.2 人才培养目标62.2.1 职业面向72.2.2 培养规格72.3 实现培养目标途径72.3.1 人才培养模式72.3.2 教学组织与实施83. 方案特色94. 物联网实验室方案设计104.1 实验室布局104.2 实验室组成104.3 基本实验套件114.3.1 ZigBee实验套件114.3.2 RFID实验套件134.3.3 WIFI/GPRS/蓝牙实验套件134.4 实验操作台154.4.1 基础控制区154.4.2 智能家居模拟应用模块164.4.3 智能温室大棚模拟应用模块174.4.4 智能货架管理系统174.5 物联网网关184.6 物联网演示沙盘184.6.1 智能家居沙盘184.6.2 智能交通沙盘194.6.3温室大棚沙盘204.7 物联网样板间204.7.1 智能家居样板间204.7.2 物联网环境监测样板间244.7.3 物联网智能农业大棚管理系统样板间274.7.4 物联网智能交通系统样板间314.7.5 物联网人员定位系统样板间354.7.6 智能仓库样板间384.10 实验室环境监测与控制系统414.11 智能物联网展板414.12 配套实验平台软件424.13 实验室管理系统435. 实验课程体系445.1 嵌入式开发基础实验445.2 ZigBee基本组网与参数读写实验445.3 ZigBee组网实验以及传感数据采集与控制实验445.4 蓝牙无线传感网实验455.5 WiFi无线传感网实验455.6 GPRS无线传感网实验455.7 RFID射频识别基础与应用实验455.8 无线传感实验平台455.9 物联网沙盘演示实验455.10 智能家居模拟系统465.11 综合实验466. 校企合作467. 公司简介498. 企想的优势518.1 上海企想的“五个唯一”518.2 具有丰富的举办各种大赛的经验528.3 丰富的校企合作内容538.4 物联网实训室整体优势549. 方案总结及前景展望571. 方案背景物联网是通过信息传感设备，按约定的协议实现人与人、人与物、物与物全面互联的网络，其主要特征是通过射频识别、传感器等方式获取物理世界的各种信息，结合互联网、移动通信网等网络进行信息的传送与交互，采用智能计算技术对信息进行分析处理，从而提高对物质世界的感知能力，实现智能化的决策和控制。物联网技术和产业的发展将引发新一轮信息技术革命和产业革命，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。物联网概念是庞大和丰富的，其中涵盖了大量现有的专业门类和技术体系，而在其系统集成和应用端，可以说物联网技术将能够应用于工业、农业、服务业、环保、军事、交通、家居等几乎所有的领域。2009 年8月7日，国务院总理温家宝视察中科院无锡高新微纳传感网工程技术研发中心时发表重要讲话：提出了“在激烈的国际竞争中，迅速建立中国的传感信息中心或感知中国中心”的重要指示；2009年11月3日让科技引领中国可持续发展的讲话中，温家宝总理再次提出“要着力突破传感网、物联网关键技术，及早部署后IP 时代相关技术研发，使信息网络产业成为推动产业升级、迈向信息社会的发动机”。2010年两会期间，物联网再次成为热议话题。随着感知中国战略的启动及逐步展开，中国物联网产业发展面临巨大机遇。目前，物联网技术还属于一个新兴技术，正在快速发展。学习与掌握物联网的技术理论，发展方向及其行业应用是目前高等教育的核心目标。2010年最新的教育部通知已将物联网、传感网作为战略性新兴产业相关专业的重点，开始鼓励各高校申报相关专业。可以预见，在不久的将来，无线传感网络将给我们的生活带来革命性的变化。根据九江职业技术学院实验室目前的情况以及和老师的沟通，参照我们以往的实验室建设经验，我们提出如下的建设方案。2. 物联网技术应用专业2.1 专业建设背景2.1.1 国家发展战略需要国家“十二五”规划指出：在未来的五年中，国家要培育发展战略性新兴产业，推动重点领域跨越发展，大力发展节能环保、新一代信息技术、新能源、新材料等战略性新兴产业。新一代信息技术产业重点发展下一代互联网、三网融合、物联网、云计算、高端服务器和信息服务。2010年3月5日，温家宝总理在政府工作报告中，将“加快物联网的研发应用”明确纳入重点振兴产业。物联网产业发展研究（2010）中指出，预计五年后中国的物联网产业的整体产值将超过一万亿规模，到2020年，物联网产业的整体产值将超过五万亿规模。2.1.2 物联网产业发展需要大量人才物联网用途广泛，遍及现代物流、智能家居、精细农牧业、智能交通、环境保护、政府工作、智能消防、工业监测等多个领域，社会对物联网技术方面的人才需求巨大。然而,处于政策高地中的物联网,却面临人才匮乏的巨大压力。据测算,物联网的产业规模比互联网产业大20倍以上,而物联网技术领域需要的人才每年也将在百万人的量级。据工信部统计，物联网主要领域均需要大量人才。各物联网应用领域的人才需求状况（单位：万人）物联网人才是多学科复合型人才，培养难度较大，各高职应在结合高职人才培养目标定位的基础上，充分考虑特殊行业对人才培养提出的挑战。例如，现代物流、智能家居和精细农牧业等相关领域在物联网中同时需要家居、农业和物流等领域的知识，需要较高的专业性。各高职院校应该充分发挥自己院校的优势，结合物联网新技术，选择合适的人才培养方向。在中国RFID产业发展年度报告（2010）中指出，物联网95%技术问题已解决。目前，最为紧缺的物联网人才不是高精尖人才，而是应用和服务人才。物联网是战略性新兴产业，需要大量的创新应用。这种人才需求情况正好符合高职的人才培养定位。目前，毕业生的就业岗位主要有物联网技术研发、物联网产品研发、物联网应用开发、物联网产品测试、物联网应用系统的实施与维护、物联网技术营销、物联网应用推广等。针对高职与本科人才培养定位的不同，培养情况见下图：适合高职学生的职业岗位2.1.3 人才培养需要专业建设物联网人才需求需要大量高校开设物联网专业。教育部在2010年3月发出的关于战略性新兴产业相关专业申报和审批工作的通知，为了响应号召，我校在软件技术、网络技术以及机电一体化专业的基础上组建了物联网应用技术专业。综上所述，国家发展战略和区域经济发展均需要物联网，物联网发展需要大量专业人才，培养物联网人才需要建设一批优秀的物联网应用技术专业。因此，继续加大投入，大力加强高等职业学校的专业建设，深化教育教学改革，整体提高人才培养质量和办学水平，将XXX学校中的物联网应用技术专业建设好，带动XX省乃至全国物联网专业的发展，促进高等职业教育更好地为国家经济发展方式转变服务，为现代产业体系建设提供充足的高端技能型专门人才支撑，满足物联网产业发展对人才的需要，促进就业、改善民生、建设人力资源强国是非常必要的。2.2 人才培养目标物联网专业培养掌握物联网基本理论、计算机网络技术、物联网技术、物联网工程施工安装调试技术、物联网通信组网技术、物联网工程使用及其维护技术，能够从事物联网相关专业的产品生产、技术服务、维护维修、产品推广及营销等工作岗位的德智体美等全面发展的高素质技能型专门人才。2.2.1 职业面向（1）主要就业岗位物联网系统维护工程师、物联网嵌入式系统工程师、物联网软件开发工程师、物联网系统架构师。（2）其它就业岗位物联网产品咨询与销售顾问、系统维护员、高级文员。2.2.2 培养规格（1）专业能力 能够进行物联网应用系统简单集成测试； 能够进行物联网工程现场施工及管理； 能够进行物联网传感器安装及调试； 能够进行物联网网络安装； 能够进行物联网无线组网安装及调试； 能够进行物联网工程竣工测试与验收； 能够掌握一门脚本设计语言； 能够独立制作物联网应用的网站。 能够进行物联网网络的日常运营维护。（2）方法能力 具有自主学习新知识和新技能的能力； 具有综合运用所学知识分析问题和解决问题的能力； 具有制定工作计划的能力； 具有查找、阅读工程资料与文献的能力； 职业生涯规划能力； 判断决策能力。（3）社会能力 具有较强的口头与书面表达能力； 具有人际沟通与团队协作能力； 具备计划、组织和协调能力； 具有技术应用与创新能力。2.3 实现培养目标途径2.3.1 人才培养模式面向IT产业，培养面向物联网相关专业的产品生产、技术服务、维护维修、产品推广及营销等工作需要的高素质技能型专门人才，培养具有传感设备与射频RFD设备的检测调试与安装维护、网络安全控制与管理、网络通信工程及网络信息服务、物联网工程施工安装调试、嵌入式系统开发与测试、系统集成与调试等专业能力，并具备文档阅读和写作能力、敬业和团队精神以及求知欲和进取心等职业必备素质。以培养学生职业能力和职业素养为切入点，改革教学内容，以项目为引导，同时参照职业资格标准，优化教学设计，以物联网系统开发过程为载体，构建与专业人才培养模式相适应的的课程体系；精选教学内容，设计实训项目，开发学习情境；按照学做一体的教学要求，进行课程教学设计，加强课程教学的场地建设、教学队伍建设及课程管理；建立以职业能力培养为核心的课程标准，规范课程教学的基本要求，形成教学质量校企双方评价机制。将学生职业能力的形成过程与物联网系统开发过程有机结合，形成“职业情境、项目导入”的、具有鲜明高职特色的工学结合物联网人才培养模式。加强校内外实训实习教学基地建设。整合现有教学资源，以项目实训和生产性实训为主导，按照“真实环境、真实项目、真实身份、真实压力”的建设要求进一步加强专业实训条件建设，将实训基地建成集教学、培训、职业技能鉴定和技术服务为一体的开放性、多功能、具有先进水平的区域性专业实训教学与物联网技术服务中心；按照互惠双赢的建设思路，以省内及沿海一带软件企业为基础，加强校外实习基地建设。2.3.2 教学组织与实施校企合作共同实施人才培养，将企业物联网应用案例引入课堂教学，根据课程体系和学习领域安排表，组织开展课程教学。课程教学执行相应的课程教学标准，以项目为载体，采用学做一体的教学形式，完成课程教学内容，实现课程教学目标。引进优秀的实训体系和企业项目案例，建设“物联网技术综合实训室”，进而构建一个设备先进、功能强大的校内生产性“物联网研发实训中心”，并与国家工程中心合作申报建设成立物联网工程技术研究中心。充分利用教育部IOTT全国物联网应用专业人才实训基地，开展物联网开发工程师和开发工程师的培训和认证。与上海企想公司合作建立满足企业级开发实训室；打造成最具规模与权威性的物联网职业人才培养基地和企业物联网职业培训基地。3. 方案特色1. 系统性：方案的设计是在详细分析物联网应用系统架构的基础上，系统性地覆盖传感层、接入层、网络层、应用层等各个层次的主流技术，为用户提供完整的物联网工程专业实验实训解决方案。同时，整个实验室设备可连接为一个局域网络并可接入到校园网，配以功能强大的实验室管理系统，可以跟踪管理学生的实验时间、实验内容、实验结果，为教学效果分析提供及时并详细可靠的数据来源。2. 模块化：采用模块化的设计模式，可以根据实际需求选配各种模块组建实训环境，具有很强的灵活性并易于扩展。3. 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。4. 真正的“透明”教学：通过直观和形象的应用场景，使学生可以直接体会物联网的应用场景；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。4. 物联网实验室方案设计4.1 实验室布局在设计时候充分考虑的空间上的利用以及设备选用的合理性。如下图所示：整个实训室可划分为教学区、体验区、基础试验区、综合试验区、模拟应用区以及阅览区等几个区域。体验区：通过触摸屏、大屏幕等人机界面，可以方便地查看整个物联网实训室的环境参数如温湿度、光照度等信息，也可以方便地控制窗帘、灯光、空调、门禁等。同时，物联网展板可以展示最新的物联网技术、应用以及发展趋势。教学区：教师进行讲解和示范实验基础实验区：学生利用基本实验套件进行各种物联网基础实验综合试验区：学生在物联网实训台进行智能家居、温室大棚、智能货架等综合实验。模拟应用区：通过沙盘直观形象地展示实际应用。4.2 实验室组成实验室主要包括以下几个组成部分：基本实验套件：包括zigbee实验套件、RFID实验套件、WIFI/GPRS/蓝牙实验套件等，学生可以进行配置、组网、传感器采集与控制、嵌入式软件开发等实验。实训操作台：实训操作台集成各种必要的物联网实验环境，包括各种典型应用模块如智能家居、温室大棚、智能货架等，适合于学生进行各种综合应用实验。物联网网关：嵌入式物联网网关，实现无线传感网络与Internet和移动通信网络（GSM, CDMA）的互联。实验室智能环境监测与控制：将整个实验室建设成为一个典型的物联网应用系统，包括实验室的环境监测（温湿度、光照、烟雾等），灯光控制、窗帘控制、空调控制、投影幕布控制、门禁控制，可实现各种条件控制、情景控制等模式。给予学生一个全方位的、真实的典型物联网应用体验。沙盘模型：包括智能家居沙盘、智能交通沙盘、温室大棚沙盘，相比于操作台，沙盘能够更加直观地演示应用的实际情况。样板间系统：智能家居样板间、 智能仓储样板间、温室大棚样板间等大屏幕、触摸屏：大屏幕可以用于显示视频监控图像，也可以显示当前实验室的环境数据。而触摸屏则提供一个方便的体验环境，学生和参观者可以在触摸屏进行方便地操作，实现对实验室内各种设备如灯光、窗帘、空调、门禁、投影幕布等进行方便的控制。物联网展板：展示最新的物联网技术、应用、和发展趋势。同时结合人体感应技术，当检测到有人靠近时，自动打开彩色灯光、播放背景音乐、语音介绍等，给人以全方位的物联网高新技术体验。配套软件：ZigBee无线传感网实验平台软件、蓝牙无线传感网实验平台软件、WiFi无线传感网实验平台软件；GPRS无线传感网实验平台软件、RFID实验平台软件、RFID智能货架管理软件、智能家居演示平台软件；智能温室大棚演示平台软件、智能家居沙盘演示平台软件、实验室管理系统软件。4.3 基本实验套件4.3.1 ZigBee实验套件Zigbee实验套件包括1个zigbee协调器、2个zigbee路由器、4个zigbee传感控制节点、1个定位节点。可进行zigbee参数设置、组网、匹配绑定、传感数据采集与控制、协议分析等实验。名称说明名称：ZigBee协调器型号：CH-Z-C6911包括CC2430射频底板和支持底板，射频顶板与支持底板可以无缝连接，构成完整系统。射频顶板采用TI公司支持ZigBee2006协议栈的射频芯片CC2430作为收发处理核心，利用2.4G的SMA天线进行通信。支持底板包括CC2430复位系统、JTAG在线仿真下载接口、RS232串口、以太网接口等。协调器能够建立网络，并且对加入的节点进行管理和访问，对整个ZigBee网络进行维护名称：ZigBee路由器型号：CH-Z-RT6921包括CC2430射频底板和支持底板，射频顶板与支持底板可以无缝连接，构成完整系统。射频顶板采用TI公司支持ZigBee2006协议栈的射频芯片CC2430作为收发处理核心，利用2.4G的SMA天线进行通信。支持底板包括CC2430复位系统、JTAG在线仿真下载接口等。路由器节点用于连接其它节点和协调器名称：ZigBee定位节点型号：CH-Z-LN6922包括CC2431射频顶板和支持底板，射频顶板与支持底板可以无缝连接，构成完整系统。射频顶板采用TI公司支持ZigBee2006协议栈的射频芯片CC2431作为收发处理核心，利用2.4G的SMA天线进行通信。支持底板包括CC2431复位系统、JTAG在线仿真下载接口等。定位节点将自动被准确定位，并将定位信息和节点ID等信息，实时发送给上位机。名称：ZigBee传感控制节点型号：CH-Z-SC6931包括CC2430射频底板和支持底板，射频顶板与支持底板可以无缝连接，构成完整系统。射频顶板采用TI公司支持ZigBee2006协议栈的射频芯片CC2430作为收发处理核心，利用2.4G的SMA天线进行通信。支持底板完整的3电源供电系统（电池盒、外接电源、仿真器供电）、与ZigBee2006协议栈无缝连接的按键系统、LED流水灯、温度传感器电路、温湿度传感器电路、高性能串口通信电路、蜂鸣器控制电路、继电器控制直流电机电路、光敏传感器电路以及IO排针等等。提供数据访问接口以方便计算机应用程序开发。传感器节点采集传感器数据，并通过zigbee网络传输到计算机网络，可以自带温度、湿度、光敏传感器，并保留传感器接口，外接传感器名称：ZigBee参考节点型号：CH-Z-RF6921包括CC2430射频底板和支持底板，射频顶板与支持底板可以无缝连接，构成完整系统。射频顶板采用TI公司支持ZigBee2006协议栈的射频芯片CC2430作为收发处理核心，利用2.4G的SMA天线进行通信。支持底板包括CC2430复位系统、JTAG在线仿真下载接口等。参考节点是固定的、并已知自身位置的节点，通过上位机软件可以实现对参考节点的参数配置。4.3.2 RFID实验套件RFID实验套件包括1个低频读写器、1个高频读写器、若干RFID标签，可进行RFID标签读写、读写器与PC通信、信令控制、读写器嵌入式编程等实验。名称说明名称：低频RFID读写器型号：CH-R-L801模块化设计：包括LF射频顶板和支持电路底板支持标准：EM ID，ISO11784/85（FDX-B）读卡距离：0-5cm，读卡时间：约32.768ms，工作频率：125KHz提供高性能通信串口RS232，数据透明传输提供以太网RJ45和WIFI网络接口供数据访问接口以方便计算机应用程序开发名称：高频RFID读写器型号：CH-R-H801模块化设计：包括HF射频顶板和支持电路底板支持标准：ISO14443A，ISO14443B，ISO15693读卡距离：0-7cm，读卡时间：1-2ms，工作频率：13.56MHz提供高性能通信串口RS232，数据透明传输提供以太网RJ45和WIFI网络接口供数据访问接口以方便计算机应用程序开发4.3.3 WIFI/GPRS/蓝牙实验套件GPRS/WIFI/蓝牙套件包括1个GPRS传感控制节点、1个GPRS Modem、1个wifi控制节点、1个蓝牙主节点、1个蓝牙传感控制节点。可进行GPRS/WIFI/蓝牙等参数设置、组网连接、传感数据采集与控制、协议分析等实验。名称说明名称：GPRS传感控制节点型号：CH-G-SC301模块化设计：包括GPRS通讯顶板和支持电路底板提供高性能通信串口RS232，数据透明传输提供多种传感器输入接口：温度、光敏、温湿度、CO2浓度、燃气探测、烟雾探测、干簧管、土壤温湿度、紧急按键等，进行多种传感数据的采集提供多种输出控制接口：直流电机、步进电机、继电器输出、数码管、LED流水灯等，进行多种输出设备控制内嵌TCP/IP协议，便于网络化管理通过GPRS网络，实现短信收发与报警，远程数据采集和输出控制，实现与监控中心端的数据通信名称：GPRS MODEM型号：CH-GM501模块化设计：包括GPRS通讯顶板和支持电路底板提供高性能通信串口RS232，数据透明传输提供数据访问接口以方便计算机应用程序开发内嵌TCP/IP协议，便于网络化管理通过GPRS网络，实现短信收发与报警，实现与监控中心端的数据通信名称说明名称：WiFi传感控制节点型号：CH-W-SC301模块化设计：WiFi传感控制节点包括Wifi通讯模块和支持电路底板采用完全的嵌入式系统，提供数据访问接口以方便计算机应用程序开发提供多种传感器输入接口：温度、光敏、温湿度、CO2浓度、燃气探测、烟雾探测、干簧管、土壤温湿度、紧急按键等，进行多种传感数据的采集提供多种输出控制接口：直流电机、步进电机、继电器输出、数码管、LED流水灯等，进行多种输出设备控制提供高性能通信串口RS232，对WiFi节点进行设置采用标准TCP/IP协议，通过WiFi网络，进行数据采集和输出控制，实现与监控中心端的数据通信名称：蓝牙传感控制节点型号：CH-B-SC301模块化设计：蓝牙传感控制节点包括蓝牙通讯模块和支持电路底板采用完全的嵌入式系统，提供数据访问接口以方便计算机应用程序开发提供多种传感器输入接口：温度、光敏、温湿度、CO2浓度、燃气探测、烟雾探测、干簧管、土壤温湿度、紧急按键等，进行多种传感数据的采集提供多种输出控制接口：直流电机、步进电机、继电器输出、数码管、LED流水灯等，进行多种输出设备控制提供高性能通信串口RS232，对蓝牙节点进行设置采用标准TCP/IP协议，通过蓝牙网络，进行数据采集和输出控制，实现与监控中心端的数据通信4.4 实验操作台物联网实验操作台根据物联网技术的实验内容和应用系统的特点定制，它不仅美观实用、具有较好的展示效果，并且提供丰富、完善的实验操作环境，方便学生的实验操作以及实验室的管理。同时，采用模块化的设计模式，模拟各种物联网在不同行业的典型应用、可以根据实际需求选配各种模块组建具有行业特色的物联网工程实验室。名称参数与功能规格尺寸1580 mm1580 mm800 mm基础控制区用于基本的传感数据采集与输出控制实验智能家居模拟应用模块模拟智能家居应用温室大棚模拟应用模块模拟农业智能温室大棚应用智能货架区利用RFID技术，通过软件对产品模块进行管理电源及配件提供9V、12V等电源接口，以及电源适配线缆。串口及配件通用串行接口扩展到桌面，以方便模块与PC通信，提供串口线缆4.4.1 基础控制区物联网实训操作台基础控制区，集成了多种传感器和输出控制设备，学生利用ZigBee协调器、路由器、传感控制节点板，GPRS、WiFi和蓝牙传感控制节点板，采用多种无线技术完成环境数据采集和控制实验，组网实验，同时也可以进行组合创新实验。名 称功能描述温湿度传感器模块采集环境的温度与湿度光敏传感器模块采集环境的光照强度烟雾探测传感器模块模拟安防中的烟雾探测人体感应传感器模拟安防中的入侵检测紧急呼救按键模块紧急呼救求助按钮数码管模块模块温度显示等LED灯模块模拟室内照明直流电机模拟空调风扇等家电设备步进电机模块电动窗帘、洗衣机等设备继电器输出（灯）模拟环境加温设备4.4.2 智能家居模拟应用模块物联网智能家居模拟应用模块实现家居环境监测、智能家电自动控制、安防系统与报警、远程监控等功能。通过ZigBee协调器和传感控制节点组成无线网络，采集室内温度、湿度和光照度，实现燃气与烟雾探测、入侵探测、门窗防撬，紧急求助报警等功能，并将采集的数据传输到服务器，对模拟的家电设备进行控制功能，同时，也可以利用GPRS进行短信控制与报警等。名称功能描述数量温湿度传感器模块采集环境的温度与湿度1光敏传感器模块采集环境的光线强度1烟雾探测传感器模块用于安防中的烟雾探测1燃气探测传感器模块用于安防中的燃气探测1人体感应传感器模块模拟安防中的入侵检测1干簧门磁模拟安防中的门窗防撬1紧急呼救按键模块紧急呼救求助按钮1数码管模块2位数码管，模拟空调温度设定1LED灯模块一组四只LED灯，模拟室内照明1直流电机模拟空调风扇等家电设备1步进电机模块电动窗帘、洗衣机等设备1ZigBee传感控制节点利用ZigBee协调器，通过传感控制节点采集多种传感数据，并进行输出控制。3网络摄像头采集捕捉视频图像，远程实时动态摄像监控，可远程通过手机、电脑实时动态监控家中的情况14.4.3 智能温室大棚模拟应用模块采用无线传感网络技术，可定时采集空气温度、空气湿度、CO2浓度、光照强度，土壤温度和水分等，来获得作物生长的最佳条件，通过自动调节温室环境、实现温室集约化、网络化远程管理。利用ZigBee协调器，通过传感控制节点将环境监测数据传输到服务器，并以图表方式显示给用户，当监测数据出现异常时，可利用软件网络实现对温室设备（温、光、气、水等）的自动控制，也可以通过Internet网络、手机短信远程监测环境信息和设备运行状态等。名称功能描述数量温湿度传感器模块采集温室环境的空气温度与湿度1光敏传感器模块采集温室环境的光照强度1CO2传感器模块监测温室环境空气中的CO2浓度1LED灯模块一组四只LED灯，模拟温室大棚内环境加温1直流电机模拟温室大棚内风机/换气设备1继电器输出（灯）模拟温室大棚内补光灯1电磁阀水阀模拟开闸放水，实现对土壤微喷灌溉1ZigBee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服务器进行处理。1ZigBee传感控制节点利用ZigBee协调器，通过传感控制节点采集多种传感数据，并进行输出控制。24.4.4 智能货架管理系统物联网实训操作台包含了一个RFID智能货架，它由RFID高频读写器、天线多路器和若干平板天线构成，货架内嵌的平板天线采用水平方式放置，平放于每层货架的底部，每层货架放置一组数码管输出，用于显示当前该层货架商品的数量。将基础实验中使用的每个设备当作货品，在其底部贴上电子标签（写入货品信息），平放于货架的天线上，保证能够读取到货品信息。使用时要领用和归还。智能货架管理系统的功能包括：货物盘点、货物位置查询、领用/归还、防盗报警等功能。4.5 物联网网关为了实现无线传感网络与Internet和移动通信网络（GSM, CDMA）的互联，我们设计了一款以ARM9处理器为核心，基于Linux操作系统的物联网网关。物联网网关是物联网应用的核心，主要实现 Internet网，GSM网的接入，远程控制，以及实现协议转换连接家庭内部异构网络的功能。相比于基于PC的物联网网关方案，不需要计算机一直处于开 机状态，并且成本低，硬件、软件简单透明，更加适合于物联网专业的实验教学。4.6 物联网演示沙盘4.6.1 智能家居沙盘通过ZigBee协调器和传感控制节点组成无线网络，实现智能家居应用中包括安防、环境监测、家电控制、远程控制、窗帘控制、网络摄像等功能，具体包括：（1）环境监测：采集室内温度、湿度和光照度，并实时显示。（2）安防：实现燃气与烟雾探测、入侵探测、门窗防撬，紧急求助报警等功能，并将采集的数据传输到服务器，（3）家电控制：模拟空调、彩电、灯光、排风扇等，并可实现远程控制（4）网络摄像：可远程查看家中情况（5）逻辑控制：可定义各种控制逻辑，实现对家中设备的自动控制，如超高设定的温度自动打开空调、卫生间湿度过大自动打开排风扇等。（6）远程控制：可通过手机、笔记本等通过Internet实现远程监控（7）情景模式控制：可设置各种情景模式，如离家模式、睡眠模式、起床模式等，实现对家中设备的组合一键式控制。4.6.2 智能交通沙盘智能交通系统是物联网技术在交通自动化方面的典型应用，包括交通十字路口、超速抓拍点、卡口抓拍点和隧道监控点。各场景相应的交通信号灯、限速标志牌、隧 道警告牌、道路指示标牌等标志种类齐全；道路标线、分道线、转向标志、停车线、人行横道等标线完全符合交通规定；隧道照明灯、通行灯、禁行灯以及路灯、 LED灯、闪光灯等灯具均能正常工作。4.6.3温室大棚沙盘采用无线传感网络技术，可定时采集空气温度、空气湿度、CO2浓度、光照强度，土壤温度和水分等，来获得作物生长的最佳条件，通过自动调节温室环境、实现 温室集约化、网络化远程管理。利用ZigBee协调器，通过传感控制节点将环境监测数据传输到服务器，并以图表方式显示给用户，当监测数据出现异常时，可 利用软件网络实现对温室设备的自动控制，也可以通过Internet网络、手机短信远程监测环境信息和设备运行状态等。4.7 物联网样板间4.7.1 智能家居样板间4.7.1.1 系统设计智能家居系统是物联网技术在家庭自动化方面的典型应用，包括智能环境监测、智能家电控制、灯光控制、窗帘控制、智能安防、远程监控等几个部分，系统结构拓扑图如下：4.7.1.2系统功能1. 安防系统对人身安全、财产安全等进行实时监控，发生入室盗窃、火灾、煤气泄漏和紧急求助等情况时自动拨打用户设定的电话，及时播报险情。l 数字智能网关能够外接各种安防探测器（如红外、门磁）； l 如果发生警情，报警信息通过小区局域网络，发送给小区管理中心监控主机，同时自家电话报警系统会将报警信息发送给业主或相关责任人； l 用户同时可以设定报警自动抓拍功能，同时把抓拍的照片通过电子邮件发送给用户； l 在发生报警时智能网关将通过文字和声音提示用户哪里发生报警； l 当您外出时，家中如有访客，可以通过留影留言功能让您了解访客的情况。2. 监视系统互联网远程实时动态摄像监控，可远程通过手机、电脑实时动态监控家中的情况。3. 门禁系统门口机和室内机之间可实现可视对讲4. 智能灯光系统实现对灯光的自动化控制，并可创造任意的环境氛围和灯光场景，如家庭影院的放映灯光、晚宴灯光、聚会灯光、读报灯光，根据外界光线自动调节室内灯光，根据不同时间段自动调节灯光。l 灯光情景控制模式：通过对智能开关的组合学习，可以对家庭单元的各个房间定义个性化的灯光场景需要。比如：全开全关模式、家庭影院模式、会客模式、聚餐模式、夜间模式、起早模式等; l 联动控制：灯光、电器(空调)、电动窗帘三者的控制可以通过情景控制模式联动，如门磁可以设定与灯光、窗帘、电器等设备的联动工作。比如：回家开门后，灯光打开、窗帘开启、空调开启等联动工作。 l 定时控制：在设定的时间点对家电、灯光、窗帘等带电设备进行控制。如：早上7.30闹钟响起，窗帘缓缓开启，音乐开始播放。5. 电器控制系统把所有能控制的电器组成一个管理系统，除了可以实现本地对家电的控制之外，还可以通过遥控、场景、定时、电话以及互联网远程等多种控制方式实现对电器的智能管理与控制。6. 电动窗帘系统对窗帘进行智能控制和管理，可以用遥控、定时等多种智能控制方式实现对窗帘的开关、停止等控制，以及一键式场景效果的实现。7. 家庭影院及背景音乐系统背景音乐系统就是通过专业布线结合智能网关，将声音源信号接入各个房间及任何需要背景音乐系统的地方（包括浴室、厨房及阳台），通过各房间相应的控制面板独立控制在房内的背景音乐专用音箱，让每个房间都能听到美妙的背景音乐。4.7.1.3 控制模式1. 手动控制保留所有灯及电器的原有手动开关，不会因为局部智能设备的故障，导致不能实现控制。2. 智能无线遥控一个遥控器，可对所有的灯光、电器及安防的设备进行智能遥控和一键式场景控制、实现全宅灯光及电器的开关、临时定时等遥控，各种编址操作，4路一键式情景模式，配合数字网络转发器，实现本地及异地万能遥控。3. 一键情景控制一键实现各种情景灯光及电器组合效果，可以用遥控器、智能开关、电脑等实现“外出、在家、就餐、影院”等多种模式。4. 电话远程控制可以实现用电话或手机远程控制整个智能住宅系统以及实现安防系统的自动电话报警功能，无论您在哪里,只要一个电话就可以随时实现对住宅内所有灯及各种电器的远程控制，离家时，忘记关灯或电器，打个电话就可实现全关，回家前，打个电话可以先把热水器启动，空调打开；若配置了安防系统，则当家里发生入室盗窃等各种险情，安防系统自动拨打预设的电话号码。5. Internet远程监控通过互联网实现远程监控、操作、维护以及系统备份与系统还原，通过用户授权，可以实现远程售后服务。无论在世界各地，只要通过INTERNET网都可随时了解家里灯及电器的开关状态，包括远程控制，随时根据需求，更改系统配置、定时管理事件，还可随时修改报警电话号码；6. 事件定时控制可以个性化定义各种灯及电器的定时开关事件，一个事件管理模块总共可以设置多达87个事件，完全可以将每天、每月、甚至一年的各种事件设置进去，充分满足用户的实际需求。可设置早上定时起床模式，晚上自动关窗帘模式，还有出差模式等。4.7.1.4 实训内容1. 实际智能家居应用体验智能家居样板间集成目前典型的智能家居应用，让学生能够直观地了解智能家居应用的各项内容，了解和使用实际的智能家居应用产品、了解家电控制、安防控制、环境监控、灯光控制、门禁防盗、远程监控、情景模式等等智能家居典型应用场景。2. 智能家居工程规划，设计思路提供智能家居工程规划、设计文档，让学生了解整个智能家居应用工程的设计、开发和实施过程。3. 智能家居应用工程嵌入式程序、上位机程序设计开发智能家居工程中提供开再开发产品模块，学生可以自己设计智能家居中的各种应用逻辑。4.7.2 物联网环境监测样板间4.7.2.1 系统设计近年来自然灾害的横行提醒人们迫切需要对环境进行精确、实时监控，以降低火灾、自然灾害等对人类造成的生命财产损失。但是，传统的有线方式布线难度大、成本高且维护困难，因而需要另一种体系结构来对无人职守的环境进行实时连续地监控，从而让监控网络摆脱电缆布线和人工坚守的束缚。无线环境监测系统在面向缺乏电源、通信等基础设施的野外等恶劣场景中的大范围环境监测应用中有着突出的优势。系统采用了无线数据采集网络（Zigbee）实现对传感器数据的采集和传输。无线环境监测传感器包括一氧化碳传感器、二氧化碳传感器、氧气传感器等。这些传感器进行环境数据采集并通过低功耗多跳无线自组织网络进行数据传输，无需在数据采集网络范围内建设电缆和通信线缆等基础设施，各个传感器之间可以自动地相互进行数据中继转发，从而可以保证组网和通信的可靠性，并能够扩大监测网络的部署范围，降低部署难度。长距离无线中继器通过长距离无线通信技术 将环境数据转发到与Internet连接的环境监测路由器，从而大大拓展了在恶劣场景中的系统部署范围。环境监测路由器将数据推送到数据处理与访问服务器。相应的工作人员都可以使用计算机的Web浏览器实时查询最新的环境数据和历史数据，为方便在恶劣场景下长期系统运行中的维护操作，该系统集成了远程系统状态监测功能。该功能可实时报告系统中所有设备的当前状态，并协助维护人员分析故障原因。 系统结构图传感器节点是系统的数据源，它主要由等多路传感器采集模块、信号调理模块和无线收发模块组成，负责采集和上传监测区域内的各种环境参数和接收环境监控中心发送的模式控制命令。中心控制节点负责启动整个网络和维护节点，采集无线传感器网络上传来的环境参数，并通过串口发送到监控中心计算机上，同时侦听串口接收中断，用以向传感器节点发送模式控制指令，因此，在中心控制节点的硬件平台上可扩展使用RS232串口。除了上述特殊需求外，中心控制节点的结构设计与传感器节点的不同之处是其不包含传感器组和信号调理模块。4.7.2.2 功能设计管理软件包括4 个工作模块：实时监测模块、参数配置模块、综合统计模块、用户设置模块。 实时监测模块主要用来显示各个监测点采集模块的运行趋势图，采集到的数据表格等。在这个模块里还要完成数据丢失报警、趋势图打印、发送各种指令等功能。趋势图可以保存电子文档，以便传阅。 参数配置模块是用来配置监测点信息的，包括添加删除监测点，监测点信息包括监测点 工作的采集模块编码、采集模块的回传点数、采集模块的回传周期、采集模块所连接的设备等。 综合统计模块是用来统计出不同的要求统计出来各式报表。报表可以打印，也可以保存电子文档。 用户模块设置用户的使用权限，以及用户的添加删除等功能。另外，还包括数据字典的输入。无线传感器网络环境监控系统的整体架构、底层硬件和应用程序软件的设计方法。系统经连接测试可组成多级无线网络，从而实现数据的传输，并可达到预期效果，同时系统稳定性、响应速度等性能都可满足实际需求。此外，本系统还具有良好的扩展性，可以根据具体要求方便地在数据采集模块上进行相应传感器的扩充以完成特定数据采集的需要。Zigbee无线传感器网络因其组网灵活、节点耗电低、可自动恢复等强大功能，其应用领域将会越来越广泛，为教学试验提供了良好的平台。4.7.2.3 实训内容1. 智能环境监测系统应用体验了解智能环境监测系统的功能、组成结构。2. 智能环境监测系统工程规划，设计思路提供智能环境监测系统工程规划、设计文档，让学生了解整个智能环境监测系统应用工程的设计、开发和实施过程。3. Zigbee采集节点配置与使用PANID、信道、物理地址、网络地址等参数读取和设置4. 传感器节点的布放学习如何合理布放传感器节点，包括间隔、节点休眠设定、采集频率设定等5. Zigbee组网技术：树形网、网状网6. Zigbee协议栈应用开发开发环境的建立基于Zstack协议栈的开发步骤7. 上位机通过串口连接zigbee网络上位机通过串口连接到zigbee协调器，学习了解串口指令，通过串口进行数据包分析，和相关编程等8. 上位机通过以太网接口连接zigbee网络上位机通过以太网口连接到zigbee协调器，学习了解串口指令，通过串口进行数据包分析，和相关编程等9. 上位机软件系统开发上位机软件设计、编程、测试等。4.7.3 物联网智能农业大棚管理系统样板间4.7.3.1 系统设计物联网在农业领域中有着广泛的应用。我们从农产品生产不同的阶段来看，无论是从种植的培育阶段和收获阶段，都可以用物联网的技术来提高它工作的效率和精细管理。目前，温室大棚在农业中应用非常广泛，因此我们选择采用物联网技术建立一个智能温室大棚模拟测控系统。农业温室大棚多用在不适宜植物生长的季节，如低温季节喜温蔬菜、花卉、林木等植物栽培或育苗，因此对植物生长环境的要求要精确地多。在温室环境里，单个温室即可成为无线传感网络的一个测量控制区，采用不同的传感器节点和具有简单执行机构的节点（如风机、低压电机、电磁阀等工作电流低的执行机构）构成无线传感网络来测量土壤温度、水分、空气温度、湿度、光照强度、CO2浓度来获得作物生长的最佳条件，通过自动调节温室环境、实现温室集约化、网络化远程管理。系统采用无线传感网络（zigbee）技术实现对传感器数据的采集和传输，具体设备包括zigbee协调器、zigbee采集节点，由于在实验室环境下，范围较小，因此组建星型网络即可。Zigbee网络连接到物联网网关，物联网网关支持、以太网、WIFI等的连接，实现zigbee网络数据到Internet等的透明数据传输。同时物联网网关支持3G/CDMA模块，能够通过CDMA网络发送传感数据和接收短信指令。4.7.3.2 功能设计1. 测控参数主要测控参数包括：（实际应用中还有很多其它指标，因为是模拟系统，选择了几种主要指标）测控指标参数空气温度范围：-40120精度：0.5土壤温度范围：-20120精度：0.5CO2浓度范围：02000PPM精度：50PPM空气湿度范围：0100%RH精度：3%RH土壤湿度范围：0100%RH精度：3%RH光照强度范围：0200000LUX精度：20LUX其中传感器包括：温度传感器、湿度传感器、土壤温湿度传感器、光强度传感器、CO2浓度传感器等。网络摄像头：监控植物生长形势及病虫害等。监控中心电脑通过无线传感网络读取传感器数据，并根据定义好的逻辑模型，控制各种执行器件，包括照明灯、加湿器、风机、电磁阀等。监控系统实时演示大棚内生产环境数值，并且可以查询历史数据和曲线图。此外，可以针对各种参数进行阈值的设定，当达到某一阈值时，控制执行器件的动作。如对大棚温湿度控制，根据大棚温湿度数据自动化对风机等相关升降温设备进行控制；光照度的控制，根据大棚光照情况，对大棚的光照设备进行控制，以达到植物最佳光照效果。2. 控制方式系统支持如下控制方式： 通过计算机局域网，在局域网内任一机器进行监控 通过Internet，进行远程监控 通过手机，进行远程监控3. RFID捆定功能可对大棚内所有农产品进行RFID捆定，针对各种农产品区域放置RFID标签，并建立农产品种植数据库，包括农产品生产时间，过程，用过何种肥料、农药等，为农产品进入流通消费领域提供数据准备。4.7.3.3 实训内容1. 智能温室大棚应用体验体验无线传感网技术在环境温湿度检测与控制、Co2检测与控制等农作物生长环境