物联网实训基地设计方案.docx
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物联网实训基地设计方案
物联网实训基地设计方案
1概述
1.1建设背景
物联网即Machine to Machine,旨在实现人、设备与系统间的智能互连,在业界被认为是继计算机、互联网与移动通信网之后的世界信息产业第三次浪潮,具有巨大的经济效益和社会效益,因此,必须重视物联网的研究和专业人才的培养。
中国在以互联网技术为先导的上一次科技发展浪潮中未占先机,在目前的物联网研发中要力争抢占先机,把握主动权,分享新技术对经济和社会发展带来的恩惠。
而抢占先机最关键的是人才培养,中国要想成为物联网强国,必须加快本土物联网人才的大规模培养,改变互联网时代人才总是从国外引进的局面。
十二五物联网产业重点领域包括智能交通、智能物流、智能电网、智能医疗、智能工业、智能农业、环境监控与灾害预警、智能家居、公共安全、社会公共事业、金融与服务业、智慧城市、国防与军事等。
其中智能交通未来5年约有20万的人才需求,智能物流至2014年人才缺口在50万人以上,未来5-10年智能电网与新能源电力产业人才将达到百万人,智能医疗专业技术人才市场需求将超出百万,智能工业人才需求目前缺口约需50万人,智能农业的各类专业人才在现代农业“十二五”当中的缺口1000万人以上。
产业发展,人才先行,人才是科技发展的关键。
由于物联网起步伊始,目前,我国从事该行业的人才极其匮乏。
为了在这个新兴行业中争得先机,许多企业和地方政府都在纷抢占物联网人才资源。
正是由于目前我国物联网内行业的极大需要，高校的物联网专业课程日趋发展成熟，目前物联网技术专业部分专业素质课程主要以课程讲授为主，这种教学模式下，同学缺乏实际操作经验保障，缺少团队合作素质培养，不仅难以增强对相关理论的深刻理解和融会贯通，更难以激发主动创新的精神，物联网技术是一门全新的应用性很强的综合学科，需要在实践中体会。
所以高校有自己的实践教学环境是很有必要的，这将使学生毕业时更适应企业的工作环境。
安徽中控仪表有限公司是定位物联网技术产品和服务的高新技术企业。
专注技术先进、质量可靠的智能仪表和过程控制系统等自动化产品的研发、生产和销售，并始终致力于为用户提供全面的自动化系统工程解决方案。
安徽中控仪表有限公司高度重视高校各种实训系统的研发，相继为中国石油大学、承德石油技术学院等一批高校量身定制了实验室实训系统，本次集中了一批业务水平优秀、现场经验丰富的工程师，为安徽国际商务学院的物联网智能实训室的建设提供了有力保障。
1.2建设意义
●教学意义
培养从事物联网领域的系统设计、系统分析与及系统开发的高技能人才。
培养学生合理的知识结构，具备扎实的物联网理论与实践知识，并具备在物联网领域跟踪新知识、新技术的能力以及较强的物联网应用能力。
通过理论课程的教学并结合实训室的实验，让学生亲自动手，接触各种实训室设备。
最终达到能让学生独立构架各种物联网应用系统。
通过理论与实践的结合，感知体验与动手的结合、方案设计与实际验证的结合，提高学生的动手能力，积累实践经验，从而提高学生的水平。
●科研水平提高意义
物联网技术是继计算机、互联网与移动通信网之后的又一次信息产业浪潮，是一个全新的技术领域，包含RFID射频技术、有线传感技术、无线传感技术、数据交换与网络异构、终端管理等关键技术。
实训室物联网设备通过射频识别等设备与互联网连接起来，实现智能化识别和管理，通过建设物联网实训室为教师提供物联网应用研究的科研平台，通过实训室促进教师与科研人员进行更好的科研研究。
2建设目标和建设原则
2.1建设目标
建立“以职业能力为目标、以项目为导向”的人才培养模式，以服务为宗旨,以就业为导向,面向市场需求,以培养职业岗位技能为目标,基于工作过程进行教学设计。
以技能训练为核心,突出学生关键能力与实践能力的培养,按照学生职业岗位能力从初学到熟练的成长过程,由浅入深设置物联网专业基础课，专业课学习，由于物联网专业是一个要求动手实践的科目，所以学生学好书本知识的同时，实际操作的实验室是重中之重。
通过专业课程的学习，理论知识结合物联网智能实训室的实际操作，学生毕业后可就业于与物联网相关的企业、行业，从事物联网相关的工作。
2.2建设原则
物联网实训实验室设计本着以下几条原则实施：
1）技术主流先进的原则：
目前物联网行业正是井喷式发展时期，无论硬件资源、软件资源都没有形成统一的主流协议，因此安徽国际商务学院的物联网智能实训室必须从硬件、软件选型上走主流，让毕业生步入社会就可从事物联网企业的技术工作。
2）硬件、软件兼容性扩展行强：
智能实训室的建设本着未来大趋势的发展方向，所有硬件主体部分留有足够的接口，供未来5-10年即将诞生的其他硬件资源连接，软件的设计以框架结构为主，将来有新的需求时方便其他软件的开发对接。
3）经济实用型原则：
物联网智能实训室本着功能强大，设备选型性价比高的思想建设，安徽中控仪表有限公司在三个实训室的硬件选型上慎之又慎，各大板块都在最低成本的基础上开发出最丰富的实训功能，与软件开发人员开发的各种高度仿真的应用软件贴合紧密，最大限度的降低资源浪费。
4）贴合高校需求原则：
安徽中控仪表有限公司严格按照安徽国际商务学院的物联网专业人才培养计划设计此次物联网智能实训室，保证每一项功能的开发都高度贴合学院人才培养目标，并为学院实训室后期的维护升级提供技术支持，解决学院后顾之忧，为学院的硬件基础设施建设添砖加瓦。
3系统方案设计
物联网综合实训基地共有三大模块，分别为基础实训室、应用实训室、应用展示互动中心，集物联网基础教学实验实训、应用体验、互动展示为一体，能够切实配合学校已有的教学计划，将教学理论结合事件，引领学生从入门向专业进行发展，指导学生职业就业方向。
基础实训室能够因材施教，针对不同基础的学生进行针对性教学。
按照学校课程设计思路，由理论知识体系，结合实验性设备，在物联网学科中以碎片化教学整合出模块化教学，从横向理论结合纵向动手实践打造立体，交互式教学模式，从而让学生定位学习发展方向上清晰明确，如：
硬件电路设计，底层开发设计，单片机开发，软件接口驱动编写，自定义网络传输协议栈，到上位机跨平台应用。
让学生按照自己所学的知识，以自身兴趣爱好相结合，定位适合自己在物联网领域所学习的目标。
为今后就业打造夯实的基础。
学校层面，老师可通过深入的理论知识和动手开发，结合实际本地区，院校发展方向，形成院校独特的一套教学模式，做到有的放矢，目标明确，另外，在不断更新知识体系结构的同时，深入研究性课题，发表论文等；其次还能与社会企业紧密，培养企业物联网人才，企业级解决方案等，让物联网教学设备做到可利用最大化。
应用实训室集智能家居、智能安防、智能仓储于一体，使得学生在学校实训室中即可以亲身感受到现代物联网技术所呈现的科技力量，激发学生兴趣点，从而对物联网技术课程奠定基础，与此同时，智能家居工程类套件也可以让学生在课余“脑洞大开”，独立进行组网设计、智能家居组建等等，实现理论到时间的飞跃。
应用展示中心以沙盘、模型、实物、展板等形式进行建设，主要满足学生的专业和职业认知，对学院以及物联网实训基地的整体情况等通过视频进行展现，附带有促进校内外交流的功能。
3.1基础实训室
3.1.1物联网教学设备介绍
1、物联网综合教学实训平台
（1）平台介绍
物联网综合教学实验系列平台FC-IOT-ST（以下简称ST）主要应用于物联网综合教学实验，它是从物联网整体教学实验实训的角度出发，形象化整体化地展示物联网的方方面面，可贯穿于物联网日常专业教学，目的是让物联网学习者对物联网整体及各项技术有个全面直观的认识及对物联网专业技能的实验实训乃至学习和掌握，ST也为老师在物联网系统基础教学提供平台。
在为学习者的学习提供环境的同时，ST还为学生提供了一系列操作开发实验竞赛课题项目，真正做到理论结合实践。
ST按照物联网三层结构自上而下分为感知层、网络层以及应用层，并在此基础上加入了测量区、拓展区以及学习区。
感知层由采集控制区和自动识别区构成；传输区将多功能网关和FC-KZ控制主机相结合，并通过高清HDMI在19寸显示器上运行Android4.2操作系统；应用区展示了未来物联网行业应用，并根据行业应用不同分为O2O智能超市、智能交通、智能电网三个方向的应用，每一个应用形成一个子系列产品（O2O智能超市ST710、智能交通ST740、智能电网ST790）。
测量区辅助学生在物联网学习，在开发、调试起到辅助促进作用。
除此以外，ST还配有日常教学教材、实验实训指导书、配件以及相关软件。
日常教学教材将日常理论教学与ST相结合，做到理论与产品相结合，老师可以通过日常教学教材和ST相结合的方式进行日常教学，让学生摆脱枯燥的理论学习。
实验实训指导书用于学生进行实验实训课程，通过指导书有的放矢地进行实验实训，培养自身的专业技能。
配件用于整个平台的日常操作、开发调试。
软件分为教学实验软件、教学管理软件以及平台管理软件，教学实验软件用于日常仿真教学实验实训以及竞赛课程设计等，教学管理软件用于日常教学测试考试评分，平台管理软件用于统计产品的使用状况，包括产品使用次数、使用时间等信息。
（2）主要功能模块描述
1）感知层
感知层主要由采集控制区和自动识别区构成，采用ZigBee技术进行传输通信。
采集区采用传感器技术，表现形式充分展示出教学互动性，采集区集成了温湿度传感器、光照强度传感器、人体红外传感器、振动传感器、超声波传感器模块，由外力或外界因素触发采集模块，上位机获取最终数据结果；控制区则相反，由使用者对上位机发出指令与控制，硬件则表现出结果，学生通过操作对每一个传感器的工作进行认识和学习。
自动识别区集成了低频、高频、超高频RFID读写设备，通过模拟医生上班过程场景，停车、门禁、查看电子病历展示出三种不同的频段，学生可以对不同频段RFID技术的工作方式及应用领域有了深刻的认识和了解。
2）网络层
网络层将多功能网关与流媒体FC-KZ控制主机相结合，一方面展示了多种异构网络之间的传输与通信，另一方展示了在Android高性能操作系统下的软硬件互动、嵌入式开发以及应用开发的过程。
3）测量区
测量区配有ZigBee协议分析仪、测量电压电流设备，主要用于辅助学生老师来进行物联网的教学、学习以及开发。
逻辑分析仪可以帮助用户学习分析物联网各种协议数据，并且在用户二次开发时利用此设备进行调试，使整个开发事半功倍。
ZigBee协议分析仪主要针对ZigBee协议，有助于用户更加快捷有效地学习ZigBee协议，同时在用户针对ZigBee进行开发时也有很好的效果。
4）拓展区
拓展区应用流行的arduino开源平台，提供多种开源接口，充分调动学生学习兴趣、培养学生动手开发能力以及提高学生自主创新意识和能力。
同时可供学生进行应用开发、竞赛以及调试。
5）学习区
学习区用于学生对物联网关键技术特别是无线传感网技术的学习，培养学生嵌入式开发和无线传感网开发能力。
学习区采用cc2530ZigBee模块，学生可通过此模块进行嵌入式及ZigBee协议、组网和应用的开发学习。
6）应用层
应用区展示了未来物联网行业应用，并根据行业应用不同分为智能交通、智能超市、智能电网，每一个应用形成一个子系列产品（智能超市ST710、智能交通ST740、智能电网ST790）。
O2O智能超市综合教学实训平台（ST710）
O2O智能超市详细布局图
O2O智能超市效果图
模拟未来超市线上线下（O2O）的发展趋势，即线上选取商品，通过在线支付，自动配送商品，以及线下到店获取商品并进行支付。
其中线下到店的整个过程为：
◆采用手机号登录名和密码登录手机APP系统；
◆进入手机APP系统后获取线上采购商品订单；
◆利用模拟带有NFC功能手机（使用卡模式）刷高频RFID读写模块对用户线上选取商品的定位，每个不同类别商品指示灯将自动亮起，指示选取的商品；
◆用户在对商品质量进行查询，把带有高频标签的商品在模拟带有NFC功能手机（使用读取模式）进行读取，把整个商品的供应链信息进行查询（包括生产、加工、物流信息等），充分掌握整个商品溯源信息；
◆用户在确认商品质量无误后，利用模拟带有NFC功能手机进行最后订单支付。
智能交通综合教学实训平台
智能交通详细布局图
◆智能停车场模拟一个地下停车场，使用高频RFID读卡模块：
◆当车辆入库时，在RFID读卡器上进行刷卡，系统自动记录车辆信息，如车牌号，进入时间等；
◆当入库车主找车时，可在模拟的自助终端机上，输入车牌号，定位车辆，调取车辆位置信息；
◆当小车出库时，系统提示弹从哪个出口进行出库，选择完成，小车按照指定的规划路线移动到出口；
◆小车出库时，再次刷高频卡系统提示小车在库时间，收费标准，以及最后停车的费用，缴纳费用后，小车成功出库。
◆智能数字站台模拟不同线路的公交车：
公交车车在运行的时候，当点击某个站点的时候，系统显示此站点最近一辆公交车到站的路线、到站信息，到站距离，同时这类信息模拟成公交数字站台输出显示到LED显示屏上；
◆当点击某个公交车的时候，系统模拟调度中心显示该车辆的车牌号，驾驶人信息，公交车内的环境值，以及此车辆的移动速度。
智能电网综合教学实训平台
智能电网详细布局图
远程抄表模拟供电局向三类用户抄表，工业用电，商业用电，居民用电：
◆工业用电，可以设置工业用电费率，查看该工业用电用电情况（包括总用电量、分时段的用电量、总用电费用、分时段用电费用以及工业用电分析图），也可以远程停止供电等；
◆民用用电，可以设置峰谷时段，峰谷费率，查看该民用用电情况（包括总用电量、总用电费用、峰谷用电量、峰谷用电费用、分时段用电量以及分时段用电费用等），也可以远程停止供电；
◆商业用电，可以设置商用用电费率，查看该商用用电用电情况（包括总用电量、分时段的用电量、总用电费用、分时段用电费用以及商用用电分析图），也可以远程停止供电等。
用电分析为对家用电器进行用电统计及分析，这里使用四个电量采集模块，每个电量采集模块对应一个模拟家电电器，并对这些模拟电器的电压、电流、功率和用电量进行采集，除此以外可以对每一个模拟家用电器分时段进行电量分析也可以在一个时段对不同家电进行统计分析。
（3）设备清单
序号
区域
序号
名称
技术参数
数量
备注
1
感知区
1
ZigBee节点
采用TICC2530模块，支持基于IEEE802.15.4的ZigBee2007/PRO协议
支持TI最新Z-STACK协议栈
工作频段：
2.4GHz
网络拓扑结构：
星状、网状
支持电池与mini-USB两种供电方式并配有拨动开关进行电源开关，mini-USB除了供电外还可以用于数据传输
工作电压：
2-3.6V
传输距离：
150-300米
接收灵敏度：
-97dBm
配有JTAG仿真器下载接口
提供复位按键和组网按键，并预留两个按键供用户定义
提供4个LED指示灯用于电源指示与工作指示工作
9个
2
低频RFID读写模块
工作频率：
125KHz
工作电压：
3-5.5V
读卡距离：
3-20cm
工作温度：
-25-+70℃
天线尺寸：
31*46*3m
支持EM400X、EM4050、EM4150、EM4070、EM4170标签
1个
3
高频RFID读写模块
工作频率：
13.56MHz
工作电压：
2.7-5.5V
读卡距离：
<12cm
工作温度：
-40-110℃
支持ISO15693、ISO18000-3ISO14443A/B标签
支持NFC（近场通信）标准NFCIP-1
1个
4
超高频RFID读写模块
工作频率：
860-960MHz；902-928MHz（Typ）
工作电压：
3.5-5V
工作电流：
静态15mA寻卡420mA
支持ISO18000-6C/EPCClassGen2
通讯接口：
TTLUart接口/
多标签识别性能：
>50张标签
标签识别速度：
>50张/秒
识别距离：
可达10米以上（根据天线选择的不同）
1个
5
温湿度传感器
采用SHT10芯片
测湿范围：
0～100%RH
测温范围：
-40～123.8℃
相应时间：
湿度：
8s，温度：
5-30s
分辨率：
湿度：
0.05%RH，温度：
0.01℃
重复性：
湿度：
0.1%RH，温度：
0.1℃
测量精度：
±4.5%RH，温度精度：
±0.5℃
1个
6
人体红外传感器
采用HC-SR501芯片
工作电压：
DC5V～20V
静态电流：
65uA
电平输出：
高3.3V，低0V
延时时间：
可调（0.3～10分钟）
封锁时间：
0.2秒
触发方式：
L不可重复，H可重复，默认值为H
感应范围：
小于120度锥角，7米以内
工作温度：
-15-+70℃
1个
7
光照强度传感器
采用BH1750FVI芯片
供电电源：
3-5V
工作电流：
<1.7mA（5V）
响应时间：
<0.2us
通信协议：
标准NXPIIC通信协议
强度范围：
0-65535lx
传感器内置16bitAD转换器直接数字输出
1个
8
步进电机
5V小型步进电机
1个
9
超声波传感器
工作电压：
DC5V
静态电流：
<2mA
电平输出：
高5V，低0V
感应角度：
不大于15度
探测距离：
2cm-450cm
1个
10
振动传感器
使用传感器：
震动开关
最大工作电压（Vmax）：
12V
最大工作电流（Imax）：
5mA
开路电阻：
10M
导通电阻：
5Ω
使用寿命：
50万次
1个
2
测量区
1
直流电参数
数字测量仪
测量电压：
220V供电：
100V-265V；DC
5V供电：
0-265V
测量电流：
DC0.005-16A
功率最大值：
AC≤3520W
工作电源交流电压：
AC80-260V
工作电源直流电压：
5V
电压、电流、功率精确等级：
±1.0%
功耗：
<1W
工作温度：
-10-+60℃
湿度：
≤95%，不结露，无腐蚀性气体
场所
1个
2
ZigBee协议
分析仪
采用TICC2531-USBDongle模块
工作频带：
2405-2480MHz
支持802.15.4、ZigBee2007/Pro等标
准
网络拓扑结构：
星状、网状
通信范围：
300米
接收灵敏度：
-97dBm
配合packetsniffer软件，可作为独
立的协议分析仪使用，并支持部分非TI
ZigBee芯片抓包
1个
3
电压表
测量范围：
0-50V
分辨率：
1V
耐压：
交流50Hz，2KV压时1分钟
使用条件：
-20-+50℃，相对湿度≤95%
（25℃）
1个
4
电流表
测量范围：
0-5A
分辨率：
0.1A
耐压：
交流50Hz，2KV压时1分钟
使用条件：
-20-+50℃，相对湿度≤95%
（25℃）
1个
3
传输区
1
FC-KZ
控制器
硬件：
CPU：
AllWinnerA20SoC,1GHzARM
CortexA7双核
GPU：
OpenGLES2.0,OpenVG1.1,Mali
400双核
内存：
1GB
板载存储器：
4GBFlash,microSD卡
（TF）高达32GB
视频输出：
HDMI1.4，支持HDCP
操作系统：
Ubuntu12.04；Android4.2
Arduino扩展接口：
Arduinosockets,
ArduinoUNO；14xGPIO,2xPWM,6xADC,
1xUART,1xSPI,1xI2C
网络接口：
USBWiFi；Ethernet
10/100/1000Mbps
音频输出：
3.5mm模拟音频接口；I2S
立体声数字音频接口
LCD：
LVDS
红外辐射：
红外遥控接收器
SATA：
SATAHostsocket
蓄电池：
锂电池接口
USB：
1个USBhost,1个USBOTG
电源：
5V，2000mA
软件：
语言：
英语
API：
所有的arduino插脚都可以和所
提供的API连接；包含以下API的连接
接口：
UART、ADC、PWM、GPIO、I2C、SPI
支持编程语言：
C,C++支持GNU工具
链组；Java支持标准AndroidSDK；
Python
1个
2
网关
主机MCU:
ARMCortex-M4
支持RS232通用串行接口
符合EIA-RS-232C标准
波特率:
9600~15200
支持RS485通用串行接口
符合TIA/EIA-485-A标准
波特率:
9600~15200）
支持ZIGBEE无线接口
符合2.4G-IEEE802.15.4标准
TI高性能工业级主控芯片CC2530
外置垂直天线
支持WIFI无线接口
网络标准：
无线标准:
IEEE802.11n、
IEEE802.11g、IEEE802.11b
有线标准:
IEEE802.3、IEEE802.3u
无线传输速率:
11n:
最高可达
150Mbps
11g:
最高可达54Mbps
11b:
最高可达11Mbps
信道数：
1~14
频率范围：
2.4~2.4835G
发射功率：
12-15DBM
接口：
2个以太网口，WLAN+LAN
天线：
外置垂直天线
无线安全：
WPA-PSK/WPA2-PSK、
WPA/WPA2
网络管理:
远程WEB管理
WIFI工作模式：
无线网卡STA/无线
接入点AP/无线路由器
串口转网络（透传）：
最高传输速率
500Kbps
TCP最大连接数>20
UDP最大连接数>20
串口波特率：
1200~500Kbps（支持非
标准波特率）
支持GPRS无线接口：
工作频段：
EGSM-900MHz/DCS-
1800MHz,自动搜素频段
发射功率：
Class4（2W）@EGSM900M
Class1（1W）@DCS1800M
下行传输速率：
最大85.6Kbps
上行传输速率：
最大42.8Kbps
支持协议：
内嵌TCP/IP、TCP/UDP、
FTP/HTTP协议
支持蓝牙无线接口：
无线通信波特率：
4800、9600（默
认）、19200、38400、57600、115200、
230400、460800、921600、1382400
工作模式：
主从一体，默认为从机
通信距离：
10m（空旷地）
环境标准：
工作温度：
-20~70°C
工作湿度：
10%~90%RH（不凝结）
存储温度：
-40~80°C
存储湿度：
5%~90%RH（不凝结）
供电电源：
12VDC,3A
1个
4
应用区
1
高频RFID读写模块
工作频率：
13.56MHz
读卡速度：
<0.2秒
打卡间隔：
<0.5秒
感应距离：
1-10CM
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