北京革新創展科技有限公司-物聯網創新教學實訓系統方案(IOT)

簡介：北京革新創展科技有限公司提供的物聯網創新教學實訓系統實現對智能傳感器采集、ZigBee組網、WIFI組網、雙模藍牙組網、嵌入式系統、異構多網融合、MQTT消息隊列遙測傳輸等技術的實驗學習?？梢酝瓿?a target="_blank">智能家居、智能農業等物聯網典型行業應用實訓。通過學習，可以將物聯網各種基礎知識進行綜合應用達到融會貫通。

1．系統結構
在技術架構上，物聯網創新教學實訓平臺包含完整的物聯網架構，包括感知層、網絡層和應用層。

2 . 系統介紹
北京革新創展科技有限公司物聯網創新教學實訓系統是一款綜合物聯網各項知識點，集成各種物聯網應用實例的實驗實訓設備。宏觀上分為感知層、網絡層、應用層三個既獨立又關聯的結構。采用模塊化設計，包含各種傳感器執行器、嵌入式網關、各種通信節點，系統結構劃分清晰。所有節點設備、傳感器、執行器等均可以無縫組合。內嵌控制系統、LAN網絡、多網融合系統等，為學生實驗提供設備的開發、接線、調試與操作平臺。
物聯網創新教學實訓系統支持多個物聯網相關課程的教學，課程的范圍涵蓋傳統的無線傳感網、基礎嵌入式開發等課程，同時也囊括了智能傳感器、物聯網組網技術、物聯網中間件技術、物聯網工程應用等課程。

3．系統構成
北京革新創展科技有限公司物聯網創新教學實訓系統實現對智能傳感器采集、ZigBee組網、WIFI組網、雙模藍牙組網、嵌入式系統、異構多網融合、MQTT消息隊列遙測傳輸等技術的實驗學習?？梢酝瓿芍悄芗揖?、智能農業等物聯網典型行業應用實訓?？梢詫⑽锫摼W各種基礎知識進行綜合應用達到融會貫通。
3.1 主要功能模塊
(1)異構多網融合組件
物聯網異構多網融合嵌入式網關基于TI公司32位ARM Cortex-M4內核, 主頻120MHz, 內置CRC、AES、DES、SHA/MD5硬件安全單元;
內置Zigbee通信模塊，支持Zigbee協議規范，內置Z-Stack協議棧，可實現Zigbee自組網，支持星狀網、MESH網。內置低功耗WIFI通信模塊，支持IEEE 802.11b/g/n協議；內置TCP/IP協議棧：工業級BSD Socket API，同時支持8路TCP或者UDP Socket通信，同時支持2路TLS和SSL Socket通信。支持WIFI Station、WIFI AP和WiFi直連模式.支持SmartConfig、WPS2快速連接技術。內置雙模藍牙通信模塊，支持典型藍牙2.0BR/EDR協議規范，同時支持低功耗藍牙4.0BLE協議規范，內置藍牙協議棧，支持多種藍牙Profile。內置無線無源雙向通信通信模塊，工作頻段868.3MHz，遵循ISO/IEC 14543-3-10協議，提供雙向無線接口，同時也提供雙向串行接口，符合EnOcean協議規范。
集成RS485通信模塊，可實現RS485工業總線設備接入；集成CAN總線通信模塊，支持CAN總線設備接入；集成RS232模塊，支持設備串口調試及外接設備；集成以太網通信模塊，方便接入互聯網。同時支持串口和以太網數據上傳。
(2)Zigbee無線傳感網組件
采用TI CC2538實現，ARM Cortex M3處理器，32MHz主頻，遵循Zigbee協議規范，內置Z-Stack協議棧，可實現Zigbee自組網，支持星狀網、MESH網。集成RFX2401C功率放大器 +22dBm 輸出功率；集成低噪聲放大器 ，板載三個單色LED指示燈，板載兩個功能按鍵一個復位按鍵。板載IPX外接天線底座，板載PCB天線。
板載段式LCD屏、板載3個RGB LED指示燈、板載四個擴展功能按鍵、板載1個JoyStick搖桿按鍵、板載CH340 USB轉串口模塊；板載2組2*20管腳IO接口，包含ADC、I2C、SPI、UART等總線的擴展接口，可擴展傳感器模塊及其他模塊。
(3)雙模藍牙網絡組件
雙模藍牙通信，采用MCU+RF芯片的結構設計，MCU采用TI TM4C123G ，32位ARM Cortex-M4 80MHz主頻，射頻采用2.4GHz雙模藍牙Smart Ready控制器CC2564；同時支持藍牙2.0和藍牙4.0協議，集成了基本速率(BR) / 增強型數據速率 (EDR) / 低功耗 (LE)并且與藍牙 4.0 技術規范（直到 HCI 層）兼容。BR/EDR特性支持七個激活器件，BLE特性支持6 個同步連接；板載陶瓷天線。
板載3個單色LED指示燈，板載兩個功能按鍵及一個復位按鍵；板載段式LCD屏，板載3個RGB LED指示燈，板載四個擴展功能按鍵，板載1個JoyStick搖桿按鍵，板載CH340 USB轉串口模塊。板載2組2*20管腳IO接口，包含ADC、I2C、SPI、UART等總線的擴展接口，可擴展傳感器模塊及其他模塊。
(4)低功耗WIFI網絡組件
采用TI CC3200控制器，內置80MHz ARM Cortex-M4內核和2.4GHz WiFi射頻單元, 支持IEEE 802.11 b/g/n協議，支持WEP/WPA/WPA2。支持WIFI基站、WIFI訪問點和 Wi-Fi 直接模式。內置AES、DES、3DES、SHA2、MD5、CRC等硬件加密引擎; 內置TCP/IP協議棧：工業級BSD Socket API，同時支持8路TCP或者UDP Socket通信，同時支持2路TLS和SSL Socket通信。支持SmartConfig、WPS2快速連接技術。板載2個單色LED指示燈，板載兩個功能按鍵一個復位按鍵，板載一個RGB 網絡狀態指示燈，內置FTDI調試器，無需仿真器即可在線調試仿真下載程序。
板載段式LCD屏、板載3個RGB LED指示燈、板載四個擴展功能按鍵、板載1個JoyStick搖桿按鍵、板載CH340 USB轉串口模塊；板載2組2*20管腳IO接口，包含ADC、I2C、SPI、UART等總線的擴展接口，可擴展傳感器模塊及其他模塊。
(5)無線無源網絡組件
超低功耗無線無源環境能量獲取技術模塊,采用MCU+RF射頻的結構設計，基于環境能量獲取技術實現傳感采集與通信。TI TM4C123G 80MHz主頻32位ARM Cortex-M4. 無線無源射頻部分采用EnOcean公司TCM310F模塊，能夠實現EnOcean系統中的網關功能。符合ISO/IEC 14543-3-10標準。工作頻率868 MHz,提供了雙向的無線接口，同時也提供了雙向的串行接口。能夠連接多達15個使用Smart Ack功能的雙向傳感器。板載段式LCD屏、RGB LED指示燈、功能按鍵、JoyStick搖桿按鍵，板載CH340 USB轉串口模塊。
(6)智能傳感器組件
包含多個智能傳感器模塊，每個智能傳感器模塊均內置身份識別系統，系統自動監測傳感器身份及數據類型。
1)溫濕度檢測傳感器： I2C總線通信，內置身份識別系統，板載存儲器，高精度數字輸出，濕度檢測范圍0％RH～100％RH，精度±4.5 %RH，溫度監測范圍0℃～50℃精度±0.5 °C，濕度漂移≤0.5%RH/yr，溫度漂移≤0.04℃/yr，濕度響應時間3s，溫度響應時間3-20s
2)光強檢測傳感器：I2C總線通信，內置身份識別系統，板載存儲器，高精度數字輸出，光源依賴性弱，峰值靈敏度波長560nm，受紅外線影響很小，量程1 - 65535 lx，0.5lx高精度測量耗時120ms~180ms，1lx標準測量耗時120ms~180ms，4lx低精度測量耗時16ms~24ms
3)三軸加速度傳感器：I2C總線通信，內置身份識別系統，板載存儲器，高精度數字輸出，水平檢測運動識別，5000g抗沖擊，測量范圍±8g，靈敏度64計數 / g，XY帶寬6kHz Z帶寬3.4kHz
4)超聲波傳感器：I2C總線通信，內置身份識別系統，板載存儲器，測量角度15°，探測距離2cm-180cm；精度可達0.3cm
5)繼電器控制模塊：I2C總線通信，內置身份識別系統，板載存儲器，觸點形式1H/1Z；最大切換電壓：277VAC/30VDC；最大切換電流：1H 15A /1Z 10A；機械耐久性：1×107次；電耐久性1×105次（常開觸點，7A 250VAC）；5×104次（常開觸點，10A 250VAC）；絕緣電阻：100MΩ；觸點與線圈間介質耐壓1500VAC/1min；斷開觸點間介質耐壓750VAC /1min；動作時間10ms；釋放時間5ms
6)煙霧檢測傳感器模塊：I2C總線通信，內置身份識別系統，板載存儲器，模擬信號輸出，加熱功耗≤900mW；探測濃度范圍100ppm-20000ppm；標準工作溫度：20℃±2℃Vc:5.0V±0.1V；工作濕度65%±5%Vh:5.0V±0.1V；靈敏度R0(air)/RS (0.1%CH4)＞5；預熱時間< 20s；響應時間< 10s；恢復時間< 30s
7)酒精檢測傳感器模塊：I2C總線通信，內置身份識別系統，板載存儲器，模擬信號輸出，測量范圍10-1000ppm（Alcohol）；加熱電壓5.0V±0.2V；加熱電阻31Ω±3Ω；加熱功耗≤900mW；響應時間< 10s；恢復時間< 30s；斜率200ppm/1v
8)熱釋電檢測傳感器模塊：I2C總線通信，內置身份識別系統，板載存儲器，被動式熱釋電紅外探測器，響應時間3～30s；感應距離<7米；電壓輸出型；延時時間 0.5-200S可調；封鎖時間2.5S；感應角度<100°錐角

3.2 系統軟件
系統軟件采用MQTT消息隊列遙測傳輸技術，可以以網絡拓撲圖的形式展示實訓臺中的WIFI、藍牙、Zigbee和無線無源4種通信方式的組網功能；可以以圖形化的界面展示了各種傳感器的數據采集以及被控對象控制功能。同時支持MQTT協議和串口協議方式通信。設計開放、簡單、輕量、易于實現。使用發布/訂閱消息模式，提供一對多的消息分發，解除應用程序之間的耦合。當實訓臺中的智能網關通過網絡通信時，按照網關連接的MQTT代理軟件的網絡位置，可以使實訓臺中各種節點和傳感器管理監控方式在局域網和廣域網之間靈活的切換。內嵌智能家居系統、智能農業系統、智能安防系統等應用，可實現家居環境數據監測、家電手動和自動控制、安防報警、農業大棚環境數據監測以及自動調節等功能；各種應用系統智能識別通信方式，同時支持串口、局域網、廣域網免配置連接通信。具有節點云、局域云、廣域云三層物聯網通信架構。

3.3 教學實驗資源
（1）無線傳感網課程：
?Cortex-M3開發基礎實驗
?IAR工程建立實驗
?LED-Blinky實驗
?LCD顯示控制實驗
?GPIO中斷實驗
?ADC模數轉換器實驗
?Timer定時器實驗
?睡眠模式實驗
?UART串口通信實驗
?SPI接口實驗
?UART轉USB實驗
?RF基礎開發實驗
?點對點通信實驗
?發射功率設置實驗
?無線信道設置實驗
?無線監聽實驗
?應答ACK實驗
?Z-Stack無線網絡基礎實驗
?星狀網自動組網實驗
?MESH網自動組網實驗
?Zigbee組應用實驗
?綁定的簡單應用實驗
?網絡采集控制實驗
（2）智能傳感器課程：
入門實驗
?智能傳感器底板LED Blinky實驗
?無線模塊識別實驗
?單個傳感器實驗
?數字溫濕度傳感器實驗
?數字光強度傳感器實驗
?數字三軸加速度傳感器實驗
?數字大氣壓傳感器實驗
?數字九軸傳感器實驗
?兩通道電壓輸出傳感器實驗
?超聲波測距傳感器實驗
?兩通道繼電器輸出模塊實驗
?人體熱釋電紅外傳感器實驗
?紅外光電計數傳感器實驗
?位移傳感器實驗
?二氧化碳傳感器實驗
?酒精傳感器實驗
?煙霧傳感器實驗
?觸力傳感器實驗
?霍爾傳感器實驗
?電流檢測傳感器實驗
?電壓檢測傳感器實驗
?心率檢測傳感器實驗
?DB9串口擴展模塊通信實驗
?GPS定位擴展模塊實驗
?MP3擴展模塊音頻播放實驗
（3）WIFI組網課程：
Cortex-M4基礎開發實驗
?IAR工程建立實驗
?LEDBlinky實驗
?I2C接口實驗
?外部中斷實驗
?ADC模數轉換器實驗
?定時器實驗
?UART接口通信實驗
?SPI接口通信實驗
?UART轉USB接口實驗
?WiFi網絡應用入門
?WIFI連接策略實驗
?WLAN Station入門實驗
?WLAN AP 入門實驗
?WiFi收發器模式實驗
?WiFi網絡基礎應用
?TCP Server實驗
?TCP Server實驗
?TCP Client實驗
?WiFi高級網絡應用
?SmartConfig實驗
?WPS實驗
?HTTP Server實驗
?基于Android的三軸加速度傳感器實驗
?基于Android的氣壓傳感器實驗
?基于Android的溫濕度傳感器實驗
?基于Andorid的光照度傳感器實驗
（4）藍牙組網課程：
Cortex-M4基礎開發實驗
?IAR工程建立實驗
?LED-Blinky實驗
?看門狗實驗
?I2C接口LCD實驗
?GPIO外部中斷實驗
?ADC采集實驗
?定時器實驗
?冬眠模式及喚醒實驗
?UART接口實驗
?SPI接口實驗
?UART轉USB實驗
?Bluetooth協議Profile相關實驗
?ANP Demo相關實驗
?HID Demo相關實驗
?HRP Demo相關實驗
?HTP Demo相關實驗
?PASP Demo相關實驗
?SPP Demo相關實驗
?SPPLE Demo相關實驗
（5）無線無源組網課程：
Cortex-M4基礎開發實驗
?IAR工程建立實驗
?LED-Blinky實驗
?I2C接口LCD實驗
?GPIO中斷實驗
?ADC采集實驗
?定時器實驗
?UART接口實驗
?SPI接口實驗
?UART轉USB實驗
?EnOcean相關實驗
（6）物聯網工程綜合實訓：
MQTT云端采集控制
?智能家居系統
?智能農業系統
?智能燈光控制系統
?智能環境監測系統