物联网信息平台及运用实验室 .doc

物联网信息平台及应用实验室 广州飞瑞敖电子科技有限公司 番禺区番禺大道北555号天安节能科技园创新大厦410室 电话：020 22883738传真：020 22883197目录一、实验室建设背景3二、实验室建设方案31. 实验室建设核心理念32. 实验室建设目标43. 实验室建设技术分析54. 实验室建设方案综述65. 实验内容和设备75.1 物联网网络层实验75.2 物联网感知层实验85.3 物联网应用层实验85.4 部分实验简介95.4.1 网络层95.4.2 感知层115.4.3 应用层155.5 实验设备175.6 物联网信息平台拓扑结构205.7 方案特点21三、典型案例211. 合肥工业大学物联网联合实验室212. 更多案例222.1 行业案例222.2 实验室案例23四、关于飞瑞敖公司24物联网信息平台及应用实验室建设方案一、实验室建设背景物联网，顾名思义，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仍然是互联网，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。因此，物联网是指运用传感器、射频识别（RFID）、智能嵌入式等技术，使信息传感设备实时感知任何需要的信息，按照约定的协议，通过可能的网络（如基于WiFi的无线局域网、2G/3G等）接入方式，把任何物体与互联网相连接，进行信息交换和通信，实现物与物、物与人的泛在链接，实现对物体的智能化识别、定位、跟踪、控制和管理。从“智慧地球”到“感知中国”；从新的经济增长点到政府支持鼓励的一系列措施；从国家中长期科学与技术发展规划到各高校、科研院所的研究，都可看出物联网在在当今科学技术领域的重要地位。2009年8月，温家宝总理视察无锡物联网产业研究院，并做出重要指示：物联网技术是未来科技的制高点，是我国新兴战略型产业未来发展的方向之一！中国物联网产业的总体规模，预计到2015年将超过1万亿、2020年将超过5万亿。毫无疑问，国家对物联网的产业发展是大力支持的，而且在未来的四年中将有2000多所高校建成物联网实验室，为国家培养这方面的实用型人才。物联网并非新技术，而是将现有的传感技术，计算机网络技术，通信技术以及自动控制技术等各种技术的高度融合。因此，如何利用已有设备，构建符合产业需求的实验环境将是物联网实验室建设的关键。二、实验室建设方案1. 实验室建设核心理念在可预见的未来，物联网必将引领信息产业革命的又一次浪潮。作为培养市场需求人才的各类高等院校，职业教育院校及培训机构，开设物联网相关专业及课程，或者在现有专业中引入物联网技术，建设物联网相关实验室，成为当务之急。教育部也发文明确支持各个学校建设物联网相关专业及实验室。图1：教育部文件物联网实验室在教育行业的地位无容置疑，但目前各个学校实验室的发展存在着偏重单项技能和素质的培养，实验课程实用性不强等问题。针对以上问题，广州飞瑞敖公司以“把握发展趋势，提高应用能力”为目标，提出物联网信息平台及应用实验室解决方案，其意义在于：提高教学科研水平，提高学生应用能力，促进学生就业，提升学校竞争力。其建设和发展的三个理念如下：u 充分体验，激发兴趣u 三个层次，全面覆盖u 应用为先，提升能力图2：物联网三个层面2. 实验室建设目标激发学生学习兴趣，培养学生动手能力，助力学校科研工作。 面向基础性教学实验的支持加深学生对物联网技术基础理论知识的了解；加深学生对物联网技术在不同行业的应用的理解。 面向行业的综合应用性实验的支持紧密结合物联网产业技术的发展，规划和建设若干个具有行业应用背景的物联网场景和实验项目，激发学生兴趣，培养其物联网工程技术设计、应用和管理的综合能力。 面向学校科研项目的开放性平台支持物联网融合了多种技术，由于多学科的交叉融合和影响，使得新的技术创新成为可能。物联网实验室将构建射频识别，无线传感网，通信网络，中间件技术及嵌入式技术等多种技术的平台，为学校科研人员提供一个开放的环境平台支撑，并为开展具体的行业应用及交叉学科的教学研究提供技术支持。图3：实验室建设目标和功能3. 实验室建设技术分析以光载无线交换机为通信网络之核心设备构建融合有线局域网、无线局域网、移动通信网，无线传感网、各种嵌入式设备、终端感知器件以及系统管理和应用软件为一体的开放性物联网综合信息实验平台。此平台通信主要是基于 802.11b/g/n的 WiFi标准和TCP/IP协议标准的，具有社会应用十分广泛，联网十分方便的优点。图4：物联网三个层面技术分析光载无线交换机构建的无线局域网与学校现有的有线局域网能够很好地融合，互为补充，除了作为实验用无线网络外，还可在此平台上为学校添加更多的实际应用。图5：校园网络图及应用4. 实验室建设方案综述广州飞瑞敖公司的物联网信息平台是一个由以WiFi无线局域网及模拟光纤通信为核心技术的光载无线交换机，结合嵌入式M2M终端设备组建的物联网综合信息网络平台。以此为依托组建的教学及科研用物联网实验室之建设将遵循可靠性、开放性、可扩展性和先进性原则，总体设计应符合实际教学及科研要求。广州飞瑞敖公司不仅为学校组建一套完整的物联网信息平台及应用系统，而且还将协助学校确定实验内容、编写相关实验指导手册，并为学校提供师资培训和完善的售后服务，以形成一个完整的物联网实验教学科研体系： 1） 实验指导手册是实验教学的核心组成部分，它包括每个实验的教学目的、实验的真实环境、实验设备、网络拓扑、实验操作步骤、实验结果、验证及论述等。 2） 我们还将协助学校对教师进行培训。通过系统培训，教师能够快速熟悉相关概念和原理，掌握相关设备的配置、调试等技术，理解每个实验的重点和难点，在较短的时间内即可开展对学生的实验教学，并将实验课程结合到教学计划中。 3） 完善的售后服务。我们为学校提供实验设备安装、调试、维护和维修服务，以及日后的软件升级，实验内容升级和教师科研项目技术交流和指导。除此之外，我们还可根据需要帮助学校搭建一个展示物联网相关产品和应用的区域，可直观地表现出物联网应用，从而激发学生的学习兴趣。在规划实验室的同时，我们建议将实验室建设成为一个小型的物联网应用环境。通过添加若干RFID标签，RFID读写器，WiFi考勤机，WiFi摄像头，温湿度传感器以及飞瑞敖提供的相关软件，可以实现整个实验室内的固定资产设备自主管理和人员考勤管理；而且预留了接口和开放软件源代码，更可作为综合性实验项目。5. 实验内容和设备根据物联网的三个层面可将实验规划为三大类，分别是物联网网络层实验，物联网感知层实验以及物联网应用层实验。飞瑞敖的光载无线物联网信息平台完美支持以上三大类实验。5.1 物联网网络层实验实验1. 光载无线交换机组装实验实验2. 光载无线交换机测试实验实验3. 模拟光纤链路实验实验4. 光纤、同轴电缆混合信号分布实验实验5. 分布式天线实验实验6. 无线网络信号分布实验实验7. 室内无线局域网络干扰测试实验(*)实验8. 有线局域网组网实验实验9. 无线局域网组网实验实验10. 有线、无线混合组网实验实验11. 无线接入点（AP）管理与配置实验实验12. 无线局域网体系结构实验(*)5.2 物联网感知层实验实验13. WiFi设备服务器管理与配置实验实验14. 基于433MHz的无线传输通信实验实验15. 基于433MHz的无线温湿度传感器实验实验16. 基于ZigBee的无线传输通信实验实验17. 基于ZigBee的无线温湿度传感器实验实验18. 短距离无线/WiFi数据网关实验(*)实验19. WiFi-低频无源射频识别（LF RFID）认识与读写实验实验20. WiFi-高频无源射频识别（HF RFID）认识与读写实验实验21. WiFi-特高频无源射频识别（UHF RFID）认识与读写实验实验22. WiFi-有源特高频射频识别(UHF RFID)认识与读写实验实验23. 无线温湿度传感器综合设计实验（*）实验24. WiFi设备服务器设计实验（*）5.3 物联网应用层实验实验25. 人员考勤管理系统设计与应用实验26. 仓储物资管理系统设计与应用实验27. 无线环境监测系统设计与应用实验28. 无线视频监控系统设计与应用实验29. 室内智能灯光控制实验实验30. 物联网综合设计实验（集有线传感、无线传感、人员考勤、物资管理，灯光智能控制、风扇控制、远程监控于一体）(*)可扩展更多综合应用类实验内容（需第三方软硬件支持）。5.4 部分实验简介5.4.1 网络层5.4.1.1 实验5 - 分布式天线实验：了解无线信号在某一指定范围内的分布方法和特点，掌握相关元器件的特性，学会使用信号分/合路器、功率分配器件、馈线、室内天线等器件完成无线信号的均匀覆盖。5.4.1.1.1 主要实验设备：光载无线交换机远端天线合/分路器射频功率分配器射频电缆单模光纤干线放大器室内天线手提电脑（预装信号测量软件）5.4.1.1.2 网络拓扑：A. 射频无源分布系统图6：无源分布架构图B. 射频有源分布系统图7：有源分布架构图测量各天线覆盖区域的信号强度、信噪比、网路吞吐量。5.4.1.2 实验6 - 无线网络信号分布实验了解无线信号的强度与天线距离的关系及特点，学会测量无线信号强度，学会不同距离点网络通信速度的测量和初步分析。5.4.1.2.1 主要实验设备物联网信息平台台式电脑（带无线网卡，预装信号测量和通信速度测量软件）手提电脑（预装信号测量和通信速度测量软件）5.4.1.2.2 网络拓扑及软件测量 图8：双向无线信号测量图图9：无线信号测量软件测量和记录与天线盒不同距离点的无线信号强度和上、下行吞吐量，两机在不同距离点的通信质量评估。5.4.2 感知层5.4.2.1 实验15 - 基于433MHz的无线温湿度传感器实验了解无线温湿度传感器联网方法，学会数据采集，认识传感器通讯协议和点对多点无线传感网组织方式。5.4.2.1.1 主要实验设备物联网信息平台温湿度传感器无线数传模块WiFi设备服务器台式机（带无线网卡）或手提电脑串口线5.4.2.1.2 网络拓扑图10:基于433MHz的无线传感网组织架构5.4.2.2 实验23 - 无线温湿度传感器综合设计实验（*）以温湿度传感器为例子，了解传感器的工作原理，学会通过单片机或者嵌入式ARM来实现传感器的设计，以及基本的无线传感网组建和数据的采集处理。5.4.2.2.1 主要实验设备物联网信息平台温湿度传感器模块（元器件套件）WiFi设备服务器台式电脑（带无线网卡）或手提电脑5.4.2.2.2 设计架构：图11：无线传感器设计整体架构图12：传感器硬件电路图13：传感器时序图图14：时序的软件代码模拟5.4.3 应用层实验26 - 仓储物资管理系统设计与应用了解详细的仓储物流过程，亲自对各种电子标签进行选择和信息初始化，设计出入库计划，对物料进行出入库的读写操作，对物料进行盘点，统计和查询数据，对管理物料的相关责任人及物料进行定位。主要实验设备：物联网信息平台固定式射频读写器（低频，高频及特高频）手持式射频读写器（支持条码扫描）各类电子标签（低频，高频及特高频）WiFi设备服务器射频电缆天线台式机（带无线网卡）或手提电脑主要业务流程示意图：A：物料电子标签信息分类，注册，贴附于实验物料上，模拟产线扫描，出货包装，信息绑定，物资盘点等，如下图15。图15B: 物料出入库信息读取和处理，仓库间运输转移，人与设备定位等，如下图16。图16C: 软件模拟流程，如下图17。图17D：数据查询，如下图18。图185.5 实验设备序号功能模块设备名称数量单位备注1基于光载无线交换机的物联网信息平台主机箱2台无线信号光/电转换，信号链路射频交换，信道重构信号箱2台无线信号发生，处理，基带协议处理远端射频单元8台远端光/电转换，天线，无线信号发射和接收系统管理软件1套管理整个无线网络2设备联网模块WiFi设备服务器25个用于各种设备与WiFi无线网络的连接串口转无线模块6个RS232转WiFi,设备服务器的设计3智能家居类WiFi智能家居综合控制器6套实现灯光，窗帘，部分小家电等控制智能家居控制平台软件1套配套软件无线摄像头3个无线摄像头，支持WiFi视频监控平台软件1套配套软件4无线传感类温湿度传感器6个室内温湿度监测光照传感器6个室内光照度监测红外传感器6个人体红外探测Zigbee采集器18个作为传感器ZigBee节点或数据中继点ZigBee协调器6个作为传感器ZigBee数据汇聚点433MHz无线数传模块24个作为传感器通过433MHz无线通信传输节点和汇聚点温湿度传感器模块6套作为传感器设计基础模块，包含各类元器件环境监测平台软件1套配套软件，支持多种WSN组网方式，管理各个传感器状态，提供数据实时显示，数据查询，预警等5仓储物流管理类低频RFID标签50个低频RFID标签工作频率：125KHz低频阅读器2个低频RFID阅读器工作频率：125KHz特高频RFID标签150张特高频RFID标签工作频率：工作频率：860960MHz小型固定式射频读写器2台特高频RFID读写器，可做标签初始化，一般读操作工作频率：频率：902MHz928MHz大型固定式RFID读写器1台特高频RFID读写器，支持多标签同时读写和远距离读写工作频率：频率：902MHz928MHz手持式RFID读写器1台手持式特高频RFID读写器，内置操作系统，移动操作工作频率：频率：902MHz928MHz有源RFID标签30个有源RFID标签工作频率：2.4GHz-2.5GHz有源RFID读写器2台有源RFID读写器工作频率：2.4GHz-2.5GHz射频电缆6根射频电缆，用于连接读写器和天线天线6根天线仓储管理平台应用软件1套模拟仓储物流管理6考勤管理类高频RFID标签60个高频RFID标签工作频率：13.56MHz高频读写器2个高频RFID读写器工作频率：13.56MHz人员考勤管理平台应用软件1套模拟实验室人员考勤7嵌入式物联网实验箱（*）嵌入式物联网实验箱6个嵌入ARM，单片机及C语言，LINUX系统应用教学8其他机柜1个电子电器若干个插座，电源线，接头等电路布线1项网络布线1项9项目系统集成系统集成服务1项系统集成5.6 物联网信息平台拓扑结构图19：以光载无线交换机为核心的物联网信息平台5.7 方案特点 多学科：支持多种学科实验。 可扩展：系统设计预留传感器和执行器件接口，可以任意外接其它器件。基于接口,学生可以扩展创新硬件和软件创新，实现学习 + 创新 + 科研 的综合应用。 先进性：采用先进的光载无线通信，无线传感网及RFID中间件技术，符合实际应用要求。紧扣物联网相关新技术及发展方向。 易操作：采用一体化的操作台，集成监控、传感器、执行器件、开关、串口插槽等；并采用可视化的监控软件，界面友好，操作简便。 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实验文档，让学生以工程技术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。 三、典型案例1. 合肥工业大学物联网联合实验室合肥工业大学是一所教育部直属的全国重点大学、国家“211工程”重点建设高校和“985工程”优势学科创新平台建设高校。同时也是我国第一批开设物联网专业的高校之一。为满足未来5-10年，社会对拥有物联网专业相关学历或受过专业培训的人才的巨大需求，提升物联网实训室的价值。合肥工业大学与广州飞瑞敖电子科技有限公司联合成立了专业的物联网实训室，目标就是共同推进物联网行业的产业化，加强在科研合作及毕业生实习、就业等方面的工作。实训室课程内容设置考虑了前瞻性和实用性，覆盖了环境监测、智能仓储物流、电网电动汽车充电桩等物联网行业应用技术，强调学生的实际应用能力。图20：合肥工业大学案例2. 更多案例2.1 行业案例1 南方电网电动汽车充电桩2 中国电信集团广东研究院3 广州港集团有限公司4 广东省妇幼保健院5 四会市规划局6 广东省造纸所7 珠海市斗门区某大型水产养殖基地2.2 实验室案例1 北京邮电大学2 广东技术师范学院3 南昌工程学院4 燕山大学5 广州大学松田学院.四、关于飞瑞敖公司广州飞瑞敖电子科技有限公司是成立于2006年8月，注册资金1158万，位于广州市番禺天安科技园。公司致力于将光通信技术、无线局域网技术、嵌入式系统和射频识别技术(RFID)融为一体，构建基于WiFi国家标准和光载无线电的统一的军民两用物联网信息平台。广州飞瑞敖电子科技有限公司是国内第一家专业从事WiFi 无线通讯及光载无线电技术领域的产品