高职物联网综合实训平台的设计与开发

引言

物联网已成为当前世界新一轮经济和科技发展的战略制高点之一，在培养技术技能型物联网人才的过程中，物联网实训平台起着关键作用。目前，各厂家推出的设备主要有无线传感器网络实验箱、RFID实验箱等，为首批开设物联网专业的院校提供了实训平台，但也存在着一些问题急需解决：实验箱提供的实训项目多为验证性实验，无法满足基于真实项目的实训要求；硬件平台没有形成统一标准，在应用系统开发过程中，兼容性差；物联网应用领域呈现多样化，在智能软件开发过程中，存在大量的重复性工作等。

本文提炼出物联网应用系统中的共性功能，将复杂的基于硬件的编程通过函数的形式提供给用户，设计开发物联网综合实训平台。在使用该平台进行系统开发时，用户只需借助某一高级语言（如C#），通过函数调用便可完成物联网应用系统的搭建，并按照一定的业务规则通过配置参数（如阈值设置、警告触发动作、数据展示方式等）来生成某一特定领域的智能应用系统。

1平台需求分析

1.1平台目标

大多数公司开发的物联网应用系统实训平台主要能够完成一些基础实验的验证，如跑马灯、串口通信、温湿度传感器实验等，最后通过一个综合项目，如智能家居的应用来训练学生的综合能力。这种实训平台偏向于底层开发的训练，需要学生对硬件开发有一定基础，具备一定的嵌入式开发能力，高职学生很难达到这一水平。

本实训平台的研制，使物联网应用系统综合集成平台屏蔽对硬件的开发，直接用高级语言来实现传感器节点间的通信,并通过封装，完成执行结构的控制函数，使学生在使用该平台时，只需根据项目功能要求，选择合适的传感器节点，通过系统参数的设置，就能拼装出满足需求的物联网应用系统。

1.2平台用户

本实训平台主要针对职业院校的学生，以训练学生物联网应用系统的集成能力，使学生了解无线传感器网络、RFID等基本的知识，掌握C#等编程语言和数据库技术，具备物联网应用系统的分析与设计能力。

1.3平台功能

本实训平台为高职学生了解和开发物联网应用系统提供了一个孵化平台，学生不必全部掌握复杂的基于硬件的编程,只需调用平台提供的函数便可完成物联网应用系统的搭建，根据实际项目的功能要求,按照一定的业务规则通过配置参数（如阈值设置、警告触发动作、数据展示方式等）来生成某一特定领域的智能应用系统。

2物联网综合实训平台架构设计

物联网综合实训平台中将传感器采集的数据类型进行提炼，分成数字量输入和模拟量输入两大类型的数据；将执行机构进行提炼，分成数字量输出和模拟量输出两大类型。因此，整个综合实训平台分成三个部分：第一部分完成数据采集功能，第二部分完成数据处理与分析功能，第三部分完成执行机构智能控制功能。教师可根据某一领域的具体应用案例，设计智能应用系统功能，学生根据系统功能，选择合适的传感器、设计系统流程和业务规则、设置系统参数，通过模块化的编程实现智能化的控制，完成整个应用案例的模型搭建。物联网综合实训平台的功能框架如图1所示。

图1 物联网综合实训平台功能框架图

3物联网综合实训平台设计与实现

3.1协调器、传感器节点硬件设计与开发

协调器、传感器节点的基本硬件功能模块如图2所示,主要由处理单元、无线收发单元、传感单元和电源管理单元等几部分组成。传感单元主要由传感器、数/模转换模块等构成,主要用于获取信息，并将其转化成数字信号；处理单元是传感器节点的核心模块，主要负责协调和控制传感节点各部分的工作，各层的通信协议、数据融合等数据处理也是由处理单元来实现的；无线收发单元由无线射频电路和天线组成，主要负责收发数据和交换控制信息;电源管理单元是任何电子系统的必备基础模块，为传感器节点提供正常工作所需的能源。

3.1.1处理单元

从处理器的角度来看，无线传感器网络节点可以分为两类[2]:一类采用以ARM处理器为代表的高端处理器，该类节点的能量消耗比较大，多数支持DVS（动态电压调节）或DFS（动态频率调节）等节能策略，其处理能力较强，适合于图像等高数据量业务的应用，一般采用高端处理器来作为网络汇聚节点或网关节点；另外一类是采用低端微控制器为代表的节点，常见的有采用8/16位的单片机，该类节点的处理能力相对较弱，但能量消耗功率很小，一般用作前端数据采集节点。在选择处理器时，应首先考虑系统对处理能力的需要,然后再考虑功耗问题。

无线传感器网络节点本质上是一个微型嵌入式系统，嵌入式微处理器与通用的微处理器最大的不同点就是嵌入式微处理器多数工作在用户自己设计的系统中，嵌入式系统设计的差异性较大，因此选择是多样化的叫微处理器的选型应综合考虑系统的性能、功耗、价格、开发工具的配备等因素，然后决定使用哪一种比较合适的处理器。

本文中选择的CC2530包含一个高性能2.4GHzDSSS（直接序列扩频）射频收发器核心和一颗增强型工业标准的8位8051微控制器内核（运行时钟为32MHz）。它具有64/128/256KB可编程闪存和SKB的RAM,还包含模/数转换器（ADC）、定时器（Timer）、AES128协同处理器、看门狗定时器（WatchDogTimer）、32kHz晶振的休眠模式定时器、上电复位电路（PoweronReset）、掉电检测电路（BrownoutDetection）以及21个可编程I/O引脚。CC2530增强型8051内核使用标准8051指令集，具有8倍于标准8051内核的性能。

3.1.2无线攵发单元

无线传感器网络应用的无线通信技术通常包括IEEE802.11b、IEEE802.15.4（ZigBee）、Bluetooth、UWB、RFID和IrDA等，还有很多芯片双方通信的协议由用户自己定义，这些芯片一般工作在ISM免费频段。

CC2530是IEEE802.15.4、ZigBee和RF4CE应用的一个真正的片上系统(SoC)解决方案，它结合了领先的RF收发器的优良性能，可确保短距离通信的有效性和可靠性。CC2530只需极少的外围元器件，外围电路包括晶振时钟电路、射频输入/输出匹配电路和微控制器接口电路三部分。芯片本振信号既可由外部有源晶体提供，也可由内部电路提供，由内部电路提供时需外加晶体振荡器和两个负载电容，电容的大小取决于晶体频率及输入容抗等参数。射频I/O匹配电路主要用来匹配芯片的输入输出阻抗，使其输入输出阻抗为50Q,同时为芯片内部的PA及LNA提供直流偏置。

3.1.3传感单元

传感器节点的主要功能是信息采集，它既可以采集模拟量，又可以采集数字量。本论文中主要包含温度、湿度、光照等传感器节点，对周围的环境进行监测。

3.1.4电池管理单元

电池的种类很多，无线传感器网络节点的电池一般不易更换，所以选择电池非常重要。在设计本论文中的节点电源时,我们选择了可充电的锂聚合物电池作为电源，市场可购买到便宜的锂聚合物电池，但这只是电池裸片，必须在电池两端加上保护电路，严格避免锂聚合物电池使用过程中出现过充、过放现象，否则会严重损害电池性能。

3.2四类传感器节点的软件控制程序设计

四类传感器节点(数字量输入、模拟量输入、数字量输出、模拟量输出)的软件控制程序设计主要分三个部分：第一部分为串口通信编程，包括选择串口名称、设置通信速率、打开串口、串口数据发送和接收、关闭串口等功能；第二部分为协调器发送数据编程，通过ZigBee协议，完成协调器向各节点进行数据传输的功能；第三部分为节点数据返回编程，各节点将执行控制命令的结果通过ZigBee协议返回给协调器。

3.3外接控制机构的设计与开发

外接控制机构主要是综合实训平台中智能化控制部分,将传感器采集的数据与数据库中的标准值进行比较，根据预先设置的阈值做出执行判断，输出结果主要分数字量输出和模拟量输出两种类型。这样，用户就可以根据实际案例中的应用情况，外接相关的操作设备便可完成智能化的控制。如在智能家居系统中，根据外界光线的强弱来控制是否开启照明设备，通过外接控制结构中的数字量输出模块与LED灯相连接,即可实现该效果。

3.4综合平台的集成

在数据集成部分，主要通过SQLServer数据库技术，根据不同类型的传感器节点设计不同的数据表，将采集的数据进行存储，通过SQL查询语句的编写完成数据查询、分析,实现综合实训平台的实时数据查询、历史记录查询、智能化趋势预测等功能，为集成平台提供便捷的数据接口。

在系统软件集成部分，主要是将传感器节点采集的数据与数据库中的标准值进行比较，根据不同的结果来控制相应的外接控制机构，实现应用系统的智能化功能。

4结语

基于本实训平台，可以设计各类物联网应用系统的集成项目。例如，在设计智能家居系统时，只需根据项目需求，在模拟量输入节点上接入温湿度、光照度等传感器，设置温度、湿度、光照度的阈值，并选择相应的执行操作，便能搭建简单的智能控制系统，图3所示便是这个智能控制系统的系统界面图。。

图3智能控制系统界面

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