物联网实验实训中心建设方案详细.docx
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物联网实验实训中心建设方案详细
高校物联网实验/实训中心建设方案
感知地球，感知中国
梦想开启未来
一、前言
物联网被称为继计算机、互联网之后，世界信息产业的第三次浪潮，它在加快经济结构调整、推进社会信息化进程、扩大就业等方面将发挥越来越重要的作用。
为了加快物联网产业技术人才的培养，2010年至今，教育部已经批准了30家大学开设物联网本科专业，另外全国许多高职院校也在积极尝试进行物联网教学体系的建设，新设物联网技术课程的教学课程。
高校类院校在产业中走在最前沿，物联网产业也需求大量应用型技术人才。
物联网技术从应用角度看，有以下特点：
广泛性、综合性；物联网技术的发展，其应用和技术将面向非常广泛的领域，不仅仅是目前大家看到的通讯，电子，自动化，计算机等热门专业和领域，而且将涉与农业，交通，建筑，航海，航天，医学，矿业，金融，材料，军工等等领域和专业。
实用性、多样化；物联网的应用领域覆盖到各个角落、各个领域，重点有五大领域：
一是智能电网；二是智能交通；三是智能医疗；四是智能家居；五是RFID（射频识别）产业。
（其中智能家居和RFID领域也是已经大量产业化的应用）
物联网教学方面的问题：
1、物联网技术涉与多学科，多个前沿技术领域，目前国传统的工程师培训体系和工程师再教育体系，对这一全新的技术领域完全是空白，既没有现成的教材体系，也没有现成的实验设备体系，同时也缺乏合格的物联网专业教师；
2、国高校在物联网专业和物联网学院方面才刚刚起步，还必须经历教师培训，教材编写，实验设备配备的漫长学习过程，以4年制物联网专业为实例，如果今年2010年招收学生，到2016年才会有物联网专业学生毕业，而感知中国对物联网人才的迫切需求，不可能许可这样漫长的等待过程；
高校类学校在教育目标上主要为，培养适合企事业单位需求的应用型和技能型专门人才。
物联网产业特点决定了对此类人才的需求非常巨大，因此，面对物联网人才培养的困境，如何另辟蹊径，找到一种适合高校人才培养的方法，在短时间培养出高质量的物联网应用技术人才，可以作为一项重要课题来研究探讨。
高校开展物联网教学，需要结合学校自身条件，充分考虑物联网技术的应用特点，踏踏实实的开展工作。
本文旨在高校物联网实训中心建设方面进行抛砖引玉，通过物联网演示中心介绍物联网技术在生活、工作中的实际应用；建设物联网教学体系探讨机制；设立物联网实训平台，针对物联网某项应用领域如智能家居，建设仿真环境，结合物联网开发套件、实验箱、教学仪器，进行应用开发与教学。
整套方案，期待校企互动合作，为普与物联网技术知识，并在高校物联网学科建设方面做一些尝试性、探索性的工作。
二、背景知识、系统概述、设计原则和规依据
1.物联网技术体系
“物联网”产业的技术支撑体系主要分为三个层次：
感知层，网络层和应用层。
感知层是物联网的底层基础，包括了RFID、智能卡、微电子机械加工（MEMS）、传感器等等数据采集和感知技术；网络层是“物联网”互联互通关键，包括无线传感网络，WiFi自组网、机器间通信（M2M）的移动通讯网络等通信技术；应用层是具体应用的系统集成技术，包括数据融合、数据挖掘、商业智能、地理信息系统（GIS）等等软件技术。
1.1实训中心设计原则
省邮电学校为国家重点高校，是省通信类技术人才培养基地。
实训中心新增物联网实验/实训中心。
该中心结合学校通信专业优势，结合物联网网络层、应用层技术研究，利用3G（TD-SCDMA）技术与智能家居、智能物流、智能交通等领域无缝对接；通过3G模块控制家电等终端设备。
通过TD-SCDMA模块传输各种感知设备采集的信息，并在客户终端显示。
提供智能家居整体解决方案，由学生动手进行设备安装，调试，操作，维护，通过手机，电脑等终端控制家用电器，体会物联网的实质。
物联网的主要技术是短距离/长距离无线通信。
通过物联网多网络实训系统了解物联网通信本质，对物联网有一个广泛的了解。
物联网的技术体系框架图
2.系统概述
建设物联网实训中心，包括智能家居演示中心，物联网应用技术实训室两大部分。
实训中心效果图
实训中心规划介绍
项目
容
目的
智能家居演示中心
本设计包含的系统为：
情境灯光控制、遥控窗帘控制、家庭影院控制、室空气环境监测、空调控制、智能PDA遥控、彩色触摸屏控制、住家安防监视、远端WEB控制等。
以上各个系统相互联系，融合为一个网络，相互响应，做到真正意义上的智能。
充分体现物联网技术在家居方面的应用，为下一步介绍物联网理论知识、物联网实训室提供感性认识
物联网技术层次体系
物联网教学体系规划
结合演示中心，采用多媒体手段，介绍物联网技术体系、物联网教学体系。
多媒体容包括电子展板、国外技术专家讲解影像
对物联网的体系架构进行讲解分析，初步掌握物联网技术体系概要、物联网教学体系规划、高职院校物联网理论课、实训课设置和教学目标
物联网应用技术实训室
针对物联网技术体系，建立物联网专业实训室，传感层包括各类可扩展的传感器组合进行数据采集，网络层包括ZIGBEE技术、
蓝牙技术、
WIFI技术，并结合仿真智能家居模型，进行应用层的教学开发工作。
理论联系实际应用，利用较短时间，实现培养应用型、技术型人才的教学目标，为物联网产业提供实用性人才。
3.设计原则和要求
人性化
“人”作为对象的主体，系统设计应紧紧围绕着人们的实际需求，以实用、简便、经济、安全的原则，满足管理这一特定使用功能。
用户需要操作方便，功能实用，外观美观大方的智能家居系统。
系统要有吸引来宾的外观和功能，能体现用户高品质生活品位。
同时要化繁为简、高度人性、注重健康。
通过智能家居演示中心，让人了解何为“物联网”，普与物联网只是；充分体验物联网技术的应用，切实感受到物联网技术带来的益处。
实用性
演示中心选用的系统和产品都应能使用户得到实实在在的受益，并满足近期使用和远期发展的需要。
在多种实现途经中，选择最经济可行的途经。
实训室的配置的实验设备能够满足高职院校的物联网实验教学和开发需求。
针对职业学院人才培养特点，由浅入深介绍物联网教学和知识体系，并通过专业实训室的动手实践，达到在物联网开发应用方面，具备很强动手实践能力的专业人才培养目标。
创新性、示性。
根据物联网感知层、网络层、应用层体系架构，建设各类专业实训室，是国专科院校在物联网教学方面的创新和探索，在全国专科院校物联网专业教学提供示性作用。
安全可靠性
系统的设计应具有较高的可靠性，在系统故障或事故造成中断后，能确保数据的准确性、完整性和一致性，并具备迅速恢复的功能。
易操作性
系统与其功能的配置以能给用户提供舒适、安全、方便、快捷为准则，其操作应简便易学，而绝不能因“智能”而给用户带来不便，甚至烦恼。
透明封装，开放接口
除了满足演示需求，系统同样考虑到教学开发的需求，家居的每个控制系统、数据采集终端节点等器件统一设计成透明、可拆卸封装，方便老师和学生替换演示，同时开放每个子系统开放软件接口，通过外接PC，进行上位机、或者终端程序替换演示，讲解技术原理。
4.规依据
《低功耗无线传感器网络标准》IEEE802.15.4
《无线局域网网状网络标准》IEEE802.11s
《民用建筑电气设计规》JGJ/T16-92
《建筑电气安装工程质量检验评定标准》GBJ303-88；
《施工现场临时用电安全技术规》JGJ46-88；
《中国电气装置安装工程施工与验收规》GBJ232-82；
《系统接地的型式与安全技术要求》GB14050-93；
三、演示中心系统组成
1.智能家居演示中心
智能家居演示中心（选项一）
智能家居演示中心平面图（选项二）
2.智能家居系统组成
本设计包含的系统为：
智能灯光、遥控窗帘、家庭影院、室空气环境监测、智能空调、能耗管理、智能PDA遥控、彩色触摸屏控制、智能家居安防、远端WEB控制等。
以上各个系统相互联系，融合为一个网络，相互响应，做到真正意义上的智能。
3.智能家居系统设计理念
设计理念：
科技、舒适、健康、节能、安全、人性。
4.智能家居简介
1）远程控制——手机、，远程控制所有的灯和电器。
2）定时控制——定制生活场景，定时开关灯和电器。
室的窗帘、热水器、电饭煲、音响、空调等家电定时自动开关机，门厅口的“全关”键，所有的灯和电器全部熄灭，安防系统自动布防；
3）智能照明——让灯光成为艺术，梦幻灯光，随心创造！
1）.软启功能：
灯光的渐亮渐暗功能,能让眼睛免受灯光骤亮骤暗的刺激,同时还可以延长灯具的使用寿命。
2）.调光功能：
灯光的调亮调暗功能,除了营造温馨与浪漫的氛围，还能达到节能和环保的功能。
3）.亮度记忆：
灯光亮度记忆的功能，使灯光更富人情味,让的灯光充满变幻魔力。
4）.全开全关:
轻松实现灯和电器的一键全关和所有灯的一键紧急全开功能、人性化的控制。
5）走廊、玄观灯光，通过人体感应器，晚上人经过，自动亮起；庭院灯光，根据亮度和时间进行控制。
4）无线遥控——使用一个遥控器，实现遥控所有的灯和电器；轻按场景按钮，实现“会客”、“就餐”、“影院”等灯光和电器的组合场景。
5）场景控制——梦幻场景，一触而就。
轻触演示厅门口的“回家”键，预设开启的灯和电器就自动开启；轻触“就餐”键，就餐的灯光和电器组合场景即刻出现；轻触“影院”键，灯光和电器组合场景随之出现；
6）能耗管理——厅所有电器、水、燃气通过数据采集终端，无线网络，实现无线抄表、管理功能，并通过控制台、PDA可视化管理；
7）电动窗帘：
感应照度的自动开闭、遥控控制。
8）定向音响：
传统的音响，其声场是发散的，如果多个音源在一起，便会互相干扰，无法分辨清楚声音容。
采用定向音响技术，您只会在指定的围听到您想要的容，即使在多个音源很近的情况下，您也不必担心。
9）中央空调/新风：
健康、节能、舒适、集中统一管理。
10）智能安防——分防入侵检测，家居安全两部分容；放心地工作，安心地生活，忠诚管家，时刻守护！
门禁：
进门处设置UHF远距离读卡设备，来宾发放识别卡，通过权限设置，可控制是否能够进入演示厅、实训室；
防盗：
窗的位置额外安装窗磁、红外幕帘传感器来防，室外、室布控视频监测点。
家居安全：
在家居安全方面，演示中心将安装各类信号监测模块，包括：
火情监测：
安装温度探测装置。
煤气泄露监测：
主要设置于煤气管道，阀门附近。
探测空气中化学成分浓度。
烟尘监测：
类似于煤气泄漏监测，探测空气成分浓度。
5.ZigBee技术
ZigBee是一组基于IEEE批准通过的802.15.4无线标准研制开发的，有关组网、安全和应用软件方面的技术标准。
它是一种短距离、低复杂度、低功耗、低数据传输率、低成本的双向无线通信技术。
该技术可以应用于超低功率损耗的无线网络中，它满足ISO/OSI参考模型。
其物理层和MAC层采用了IEEE802.5.4标准；ZigBee联盟定义了上层部分,包括网络层和应用层;用户层由用户自己定义。
目前，许多公司都提出了ZigBee解决方案。
ZigBee技术的主要优点有：
（1）省电：
两节五号电池可使用长达六个月到两年左右的时间；
（2）可靠；采用了碰撞避免机制；
（3）成本低；
（4）时延短；
（5）网络容量大；
（6）安全：
ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用AES-128，各种应用可以灵活确定其安全属性。
Zigbee网络结构图
6.ZigBee智能家居网络
在智能家居系统中，将ZigBee无线网络技术应用于家庭网络已成为趋势。
这不仅仅是因为无线网络可以提供更大的灵活性、流动性，省去花在综合布线上的费用和精力，而且更因为它符合家庭网络的通讯特点。
ZigBee智能家居网络系统组成
ZigBee智能家居是以家庭为单位进行设计安装，每个家庭都安装一个家庭网关、若干个无线通讯ZigBee子节点模块。
在家庭网关和每个子节点上都接有一个无线网络收发模块（符号ZigBee技术标准的产品），通过这些无线网络收发模块，数据在网关和子节点之间进行传送。
其系统组成如下图所示。
7.zigbee网关与节点
其中zigbee网关是家庭网络的核心，是连接彼此孤立分散的子网或网络用具、实现信息的交互和共享，并将网和外部网连接，实现外网络互通和鉴权的设备。
实现部组网方面，本系统采用ZigBee无线通信标准。
网关采用GPRS无线方式连接外部网络。
网关全部采用无线通信方式，可以避免布线的繁琐。
ZigBee收发器通过SPI接口和MCU连接。
可以将收发器连接到锁、灯或您想监视或控制的任何设备的传感器上。
这些贴有标签的设备作为无线网络中的节点，和连接在网路协调器上的的中心节点进行通信。
网络协调器通过以太网能够连接到WEB上，因此，需要时我们可以监视网络中的任意一台设备，甚至可以监视正在处理的任务。
Zigbee应用节点采用通用型设计，外观如下图：
节点功能描述如下：
1、总体功能：
节点采用双核心芯片设计，可支持AT模式、透明传输模式、开发模式三种工作模式、采用硬件拨码设置，简单明了，稳定方便。
2、接口部分与功能：
JTAG接口：
针对zigbee芯片的程序下载、在线仿真等基于源码的二次开发
UART接口：
提供RS232接口和USB接口两种表现方式、用于节点配置和测试
IO接口：
提供8个通用IO口，可配置为开关量输入检测或TTL电平输出控制
AD接口：
提供4路AD输入采集端口
拨码开关：
用于透明传输模式下的节点收发模式设置以与地址标示配置
选择开关：
选择AT模式、透明传输模式、开发模式切换
3、接口扩展模块：
提供继电器扩展模块
电机驱动模块
8.智能家居各子系统
1）智能照明子系统
本系统实现演示中心所有灯光照明的智能管理。
工作原理如图所示：
1、设备配置
本系统需要数个智能开关取替传统琴键式开关，分别控制所有照明灯光。
1个多路遥控器，用于遥控所有照明灯光。
2、功能说明
A、无需重新布线，适应任何负载与灯具，触摸式开关。
B、灯光软启动，亮度可调。
C、可以通过多路遥控器、实施遥控。
也可以使用PC机、手持智能网关、手机对其进行远程控制。
D、具有场景设置功能，任意设置用户想要的场景。
E、本系统中智能开关具有停电自锁功能。
2）视频监控子系统
本系统负责重要区域的监视。
1、设备配置
本系统设置2台网络摄像机，都是彩色红外摄像机，主要负责监控大门、室。
工作原理如图所示：
2、功能说明
A、全方位监视入口、室主要监视重要区域。
C、通过互联网在全球任何可以上网的地方看到上述监视区域。
D、与报警探测器联动，抓拍报警一瞬间的现场图片，并且发送要移动终端上，为准确判断警情提供充分的依据，并有效减少误报。
3）安防报警子系统
系统可设置4路有线防区、若干路无线防区接入家居智能平台，如下图所示：
1、设备配置
室报警（永久布防）：
设置无线燃气探测器1个和燃气切断阀1个，无线烟火报警器1个，安装烟火探测器，共计8个。
配置无线紧急报警器，2个；
室外：
红外报警和摄像机联动报警，发送图片到移动终端上；门窗设置门（窗）磁报警器，玻璃破碎报警器。
上述报警设备共计：
红外报警器2对，门（窗）磁报警器2个、玻璃破碎报警器2只。
1个RFID门禁控制器完成门禁管理，取代IC卡。
标签RFIDEPCGen2读卡器
2、功能说明
A、无源RFID门禁识别系统进行门禁管理。
B、门禁控制器被非法拆卸时，立即报警；
C、具有胁迫报警功能
D、有人非法闯入周边围墙时、门窗被非法入侵、燃气泄漏、出现火警时，立即报警；
E、发出报警声、拨打预先设定的通知；
F、预先存储普通报警，不同种类的报警分别处理；
G、、互联网、触摸屏、遥控器共计4种设防、撤防手段；
H、与摄像机、灯光联动准确显示、报警的具体位置和报警性质。
4）电动窗帘子系统
本系统使窗帘智能化，从而弥补传统手动窗帘的缺点和不足。
工作原理如图所示：
1、设备配置
2个智能窗帘，以与开关。
2、功能说明
1，通过开关可以控制窗帘开合。
2，窗帘开合度可任意控制。
3，可以通过遥控器以与家电总控制器遥控窗帘。
4，可以通过室主机、手持智能网关控制遥帘。
5）环境监测子系统
环境监测子系统是由室主机和湿度探测器、温度控测器、甲醛探测器、一氧化碳探测器构成。
探测器将探测到的信息集中显示到室主机上，室主机会自动向用户发出提示。
1、设备配置
环境探头若干个，用于探测家居环境。
2、功能说明
对用户居住空间的环境状态24小时监测，一旦发现存在对健康不利的因素，
立即发出报警，提示用户作出应对。
报警提示通过室主机、PC机、和手持智能网关发出，确保万无一失。
6）能耗管理子系统
1、设备配置
整个实训中心的水表、电表各一个，空调、照明、电器分别安装能耗统计模块。
2、功能说明
对水、电能源消耗进行统计，并发送至服务器端，支持远程登录访问，查看能耗，并设置管理。
7）智能遥控子系统
本系统原理上最多可以设置若干路无线电器管理设备，主要包括无线灯光控制器、无线窗帘控制器、无线——红外转换器（空调、电视）等，这些设备采用zigbee组网，以无线通信方式接受家居智能中心的控制指令。
如下图所示：
1、设备配置
家电若干台，
家电总控制器1台。
多路遥控器1个。
2、功能说明
多路遥控器可以对灯光行管理和遥控，家电总控制器近距离的控制电视、DVD、电扇、机顶盒、窗帘、空调、灯光、音响的工作状态和场景设置。
也可以通过手智能网关、计算机以与手机远程控制。
四、实训室系统组成
1.实训规划
实训室效果图
物联网应用技术实训室即可以为学生提供综合实训，也可以开展对外技术培训和未来的职业技能鉴定工作。
2.实训设备
智能家居仿真模型
实训室配备智能家居仿真模型，供教学实训使用。
结合无线龙SensorRF2440D2.0物联网实验开发系统，进行智能家居实战开发。
基于WinCE的物联网教学/实验/开发平台
（型号：
SensorRF2440D2.0）
无线龙SensorRF2440D2.0
系统配置参数
产品型号
SensorRF2440D2.0
网关MCU
ARM920T处理器S3C2440A
网关显示屏
640X480
7英寸TFT彩色液晶屏
网关主要硬件资源
64M字节/SDRAM
以太网10/100M64M字节NAD-FLASH
SD卡接口/USB接口
总线接口
RS232接口X4
AC97音频接口
支持操作系统
WinCE/Linux
标准配备网关调试器
U-LINK2兼容、JTAG
标准配备ZigBee调试器
C51RF-3、JTAG
标准配备网关PAN控制器一
ZigBee网络协调器X1
ZigBee网络节点
ZigBee无线路由器和无线低功耗光线，加速度，温度等传感节点X4
标准配备网关PAN控制器二
蓝牙网络无线控制器X1
标准配备网关WI-FI客户端
802.11B/G/N全速WI-FI客户端
GSM/GPRS/3G
网络控制器
选配GPRS或者3G无线网络控制器
RFID接口
20PX2UHF和HFRFID接口
HFRFID包装
13.56MHZ
ISO14443/ISO15693
读卡器模块X1
卡片X5
UHFEPC2
RFID包装
四通道
868－925MHZ
UHF高频1W大功率读卡器模块X1
EPCGen2和ISO-18000-6电子标签X5
标准配备教材
《物联网、传感网实验箱教程》实验代码和说明光盘
3.实训项目
（1）基础实验
嵌入式开发基础知识
熟悉开发环境
多线程应用程序设计
串行端口程序设计
网络传输实验
文件系统实验
LCD控制实验
无线技术基础
无线片上系统（无线单片机）
无线数字通信信道和办法
微功耗无线网络结构和拓扑
典型的无线传感器网络――ZIGBEE
图形界面设计
安装与建立开发环境
获取图像数据到LCD设备
安装与建立单片机程序编译与烧写环境
单片机程序设计（传感器单元DEMO）
串口通讯设计
RS485通讯实验
无线点对点通信技术实现原理和办法
无线点对多点通信实现原理和办法
无线网络标准和协调器
长距离无线网络和协调器
物联网网络层软件开发和数据库
物联网网络质量和网络遥控与监控
（2）物联网家居实训
空调控制器程序设计
热水器控制器设计
电动窗帘控制设计
ZigBee通讯设计
ZigBee在智能家居上的应用
RFID无源标签实训
蓝牙技术实训
GPRS无线通讯设计
GPRS通讯设计
基于GUI的GPRS设计
（3）智能安防实训
ZigBee在智能安防上的应用
RFID技术在智能安防上的应用
WIFI技术实训
巡更系统控制器程序设计
视频控制器设计
门禁控制设计
RFID无源标签应用：
门禁考勤管理系统应用设计和开发
4.实训系统和演示系统的教学结合
1）实训系统紧扣教学设计的三层体系
硬件底层开发基于无线节点的硬件平台，针对无线片上系统芯片进行源码级的二次开发，通过开放接口和提供例程源码、让师生掌握物联网应用底层核心技术。
中间件应用AT指令是通过底层源码开发包装，为方便后来用户应用而设置的一种中间代码集，AT指令作为物联网应用技术的中间件角色，其编译原理和应用方法具有普适性，非常适合应用工程师针对应用项目进行快速开发。
上位机应用软件开发基于AT指令应用方法和应用软件开发技能，学生最终需要通过开发客户应用软件来解决实际的项目和产品应用问题，其中应用软件开发技能属于基础专业课程容，当学生具备应用软件开发技能以后，通过前面学习物联网底层和中间件应用方法，运用物联网技术特性；将可以很轻松实现目前市场领先的物联网应用项目。
实训系统软件界面
2）物联网应用技术实训室规划
1、场地规划
实训室：
80平方米，20座，同时容纳20～30人进行实验
2、物联网应用技术实训室效果图
3）物联网应用技术实训室建立的意义
1．展示实训平台用于物联网教学的关键手段。
通过实训平台的方式，可以形象生动的引导学生理解、掌握物联网技术，是学生进行理论学习和实践能力培养的重要桥梁。
2．通过实训平台，提供开发环境，可以进行应用项目开发。
实训平台配备的开发系统，可以满足以下方面的项目开发：
智能家居、智能农业、智能能量监控、环境监测、无线测量、工业自动化、智能仪器仪表、卫生保健消费型电子、计量和智能能源、楼宇自动化、医疗智能小区等应用。
五、设备清单
演示系统无线网络与控制终端设备清单（注：
不包括家电）
系统分类
产品名称
数量
单位
系统平台
可视对讲
智能家电
配套家具
音响
室主机
1
台
门口机
1
台
无线红外转发器
2
台
42寸液晶壁挂式彩电
1
套
节能壁挂空调
2
台
42英寸茶几式多点触摸桌
1
台
高级沙发
1
台
定向音箱
1
台
视频监控系统
远程安防
网络摄像机
1
台
震动传感器
1
只
一氧化碳探头
1
只
烟火传感器
1
只
升级会员 