兰州交大物联网工程实验室建设申请书.docx
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兰州交大物联网工程实验室建设申请书
项目编号：
实验室建设项目申请书
实验室名称：
物联网工程及系统实验室
项目名称：
物联网工程及系统实验室建设
项目负责人：
联系电话：
申请经费：
50万元
申请时间：
2012年7月10日
实验室管理处制
兰州交通大学实验室建设项目申请书
项目名称
物联网工程及系统实验室建设
项目所在单位
电信学院
项目分类
教学■科研■
实验室名称
物联网工程及系统
项目建设类型
新建■改建□更新□
实验室类别
基础□专业■
项目建设用房
有■无□
项目负责人
项目实施年月
2012年7月
仪器设备经费
50
其它配套经费
0
经费总额
50
建设依据（教学计划、教学大纲、确定的教学任务、科研任务）：
1．专业建设现状
2010年初，教育部下达了高校设置物联网专业申报通知。
在学校、学院领导的高度重视和精心组织下，我校成功申报了物联网工程专业，成为甘肃省首家拥有物联网工程专业的高校。
2011年，我校招收的第一批物联网工程专业的61名本科生已入校学习，正处于基础课程学习阶段。
为保证后续教学要求，急需建设与教学环节配合的实验室。
从物联网工程专业培养目标来看，本专业面向现代信息处理技术，培养从事物联网领域的系统设计、系统分析与科技开发及研究等方面，能够适应国家信息网络战略产业发展需求并承担相应管理和技术工作的高级物联网工程人才的高等工程技术人才，要求学生具备强的实际操作、创新实践能力，这对本专业的实验室建设提出了高的要求。
从教学计划和教学大纲来看，实践教学（如表1所示）占到物联网工程专业%的教学课时，如不及时开展物联网工程及系统实验室的建设，这部分教学工作将无法开展。
表1物联网工程专业”专业课程设置表
按照物联网专业对学生培养的基本要求，学生应具备相关专业（电子技术、软件、通信、网络等）共性基础知识，同时掌握基础物联网关键技术、了物联网最新发展、最新动态和主要技术标准，并能够形成系统性的知识体系。
具有综合应用能力、自主学习、自我发展的基本能力，能够适应不断变化的未来物联网发展的需求。
为此，本专业在专业教育部分开设了如表2所示的课程。
这些课程，都需要实验教学的支撑，才能达到良好的教学效果。
表2“物联网工程专业”专业课程设置表
2．物联网实验室建设现状
自物联网工程专业设立以来，学校一直积极进行着物联网工程专业实验室的筹划工作，已安排了近150M2的初步实验室用房，且组织多位专业老师到国内已建设了类似实验室的高校进行了参观调研，撰写了翔实的实验室建设规划报告和申请书。
只是由于学校概预算和统一部署的原因，物联网工程专业实验室设备采购还处于规划阶段。
3．实验室建设总体规划
（1）物联网专业特点
物联网是典型的交叉学科，涉及电子、计算机、测控与通信等多领域相关专业知识；物联网专业培养的人才，不仅要掌握传感器、微处理器、嵌入式技术和相应的软件技术，还要掌握无线通讯、高频设计、低功耗、无线传感网络以及3G无线网络设计等最新技术；物联网不同于其它专业，是现有信息技术综合集成化的产物，它的呈现形式是“一个实际落地的应用系统”。
（2）物联网专业培养要求
物联网专业应用的多样性，要求我们必须培养宽口径人才；要重视基础训练，同时，要求培养应用系统综合开发能力；物联网应用性非常强的学科，仅传授技术是一定不够的，一定要立足实践，从应用入手，要落地。
（3）物联网实验室建设目标
实验室建设应重视基本应用开发能力培养；实验环境能培养学生对实际物联网应用项目的整体把握的能力；有条件的建立宽泛实验环境，增加学生选择的机会，鼓励创新精神。
依据以上考虑，物联网工程专业实验室应能承担以下功能：
图1物联网工程实验室功能示意图
由于物联网涉及的领域非常广泛，经过大量调研，根据目前我校及我院优势，结合专业建设及未来培训与实训的具体情况，建立物联网实验室应该体现出以下方面：
①强调理论结合实践，应结合工程应用的重点案例进行实验室规划建设；②强调关键技术的工程应用性，应体现物联网感知、传输、服务应用三个层面的关键技术和最新工程应用；③强调实验的层次性，应结合学生学制特点，形成物联网体现与教学计划紧密结合的实验设置，使学生在1-2年级了解物联网系统，2-3年级掌握物联网3个层次的关键技术，3-4年级能够完成物联网系统级设计、规划、实施及应用创新；④强调实验中体现物联网知识体系的系统性和综合性，实现本科所学理论内容与物联网工程应用系统的综合；⑤强调实验中对学生创新性支持，应在体系完整的前提下，预设开放式开发应用端口；⑥强调我校及学院学科特色，应体现我校为交通服务和为地方服务特色，构建具备特色的物联网实验。
4．实验室建设思路
如前所述，物联网专业与通信、计算机、电子专业密不可分，而我校在通信、计算机、电子专业实验室建设上已经有了相当投资，因此，物联网专业实验室的建设思路是：
体现系统，基础复用，突出特色。
在“体现系统”方面，把握感知层、网络层、应用层的主线，提供完整的实验链条。
图2物联网工程实验室三层功能
在“基础复用”上，相关的“单片机基础实验”、“嵌入式基础实验”等，将利用学校已有实验室资源。
至于共享机制，则需学校层面的组织和协调。
在“突出特色”上，根据建设经费额度及我校和学院学科特色，将“智能交通领域”作为实验室的行业规划特色，以此选择“智能行车系统”，“智能行车系统”包括当前智能交通中重要的两部分——道路行车监控和智能车辆管理（含ETC）两部分。
5．承担的教学、培训任务
本科生教学任务：
物联网工程及系统实验室为新建实验室，即将承担物联网工程专业《物联网工程导论》、《无线通信原理与应用》、《RFID原理与技术》、《传感器原理及应用》、《无线传感网》、《嵌入式系统设计》等6门核心课程对应的实验教学，学生数60人/年；教学大纲中上述6门课程分别对应开设物联网系统体验实验、RFID应用实验、传感器应用实验、物联网业务数据库设计、无线传感网综合设计、物联网应用系统综合设计、物联网智能交通实训等共计150课时的实验。
同时，实验室还承担课程设计和毕业设计等内容。
培训教学任务：
我校作为“物联网产业及应用推进联盟”的副理事单位，已与联盟达成成立“物联网西北培训中心”的意向，物联网的工程性特点决定着，实验培训是保证培训质量的关键环节。
此外，由于物联网工程专业特点，具有学科交叉性，其应用涉及到土木、交通运输、机械、环工等领域，加强对学生兴趣引导，通过开发实验等加强学生自主创新能力培养，吸纳全校有兴趣学生参与到物联网产业中来。
6．实验室建设具体内容
（一）物联网教学实验开发平台
该平台以ARM11嵌入式网关为核心，板载集成有ZigBee无线传感器模块、RFID射频读卡模块、Bluetooth蓝牙通讯模块、GSM/GPRS通讯模块。
另可直接外扩其他多种通讯模块，如WIFI、3G、GPS等。
平台应是教学、实验、通讯、应用于一体的高级平台，适用于想学习物联网组成及应用的高校师生，通过了解物联网系统结构组成及原理，掌握物联网技术的应用，并进行物联网系统的独立开发。
根据物联网三层体系结构特征，首先对于物联网感知层的教学，平台提供作应射频识别、传感器节点和路由器网络的硬件，以及网络协议数据采集控制软件等资源。
1、嵌入式网关系统：
系统应配备的网关处理器为基于ARM11架构的S3C6410，运行目前主流的嵌入式操作系统：
Linux、Android、WindowsCE。
配备Linux和Android系统完善的实验体系文档及代码资料
2、丰富的通讯接口模块：
短距离通讯模块：
ZigBee模块（6个，可扩展；CC2430和CC2530可选）；RFID模块（读卡器1个，电子标签2个；采用步进电机电路模拟动态读卡过程）；Bluetooth模块（1主1从设备；从设备板载温湿度传感器，另可外接传感器）；
长距离通讯模块：
以太网/WIFI；GPRS；
板载ZigBee仿真器
3、传感器模块：
可更换、选配丰富的传感器模块；标配传感器（10个）：
温湿度传感器、热释红外传感器、广谱气体传感器、声响开关/光敏、红外对射传感器、干簧门磁/霍尔开关传感器、压力传感器、仪表放大器、接近开关/红外反射传感器、三轴加速度传感器。
平台应提供如下几个典型实验案例：
①ZigBee无线传感器网络应用案例：
该案例通过友好直观的人机交互界面，展示了ZigBee网络中节点的拓扑结构和传感器状态信息，用户可以通过触摸屏操作查看监视整个ZigBee的无线传感器网络情况。
用户可以根据实际需求，灵活选择ZigBee模块配套传感器模块，通过案例开发文档，可以实现定制自己的应用程序。
②蓝牙数据采集案例：
该案例采用蓝牙模块进行温湿度数据的采集和显示，蓝牙主、从模块自动配对，主模块负责将从模块采集的传感器数据发送给网关设备进行处理和绘图。
③ETC不停车收费系统案例：
该案例以高速路不停车收费系统为应用案例，采用RFID射频模块进行ID卡的信息读取，板载步进电机的转动模拟车辆刷卡过程，生动直观的将卡片信息显示在人机界面中。
④智能家居应用案例：
该案例以智能家居为应用对象，采用ZigBee无线传感器网络模拟家庭中多种传感器状态进行监测和控制，并可通过GSM手机短信进行家居安防的报警等。
学生用计算机，推荐配置：
CPU，AMDSempronX2190双核处理器，内存，2GB，硬盘：
500G
教师用计算机，推荐配置：
CPU,奔腾双核G630，内存：
4GB，硬盘：
500G
（二）智能行车物联网系统
智能交通作为我国交通发展的重要方向，对行车的智能化管理是其主要部分，本系统基于先进的电子技术、传感器技术、无线通信技术、电力自动化技术、计算机技术和网络通讯技术，将交通中的行车和停车两方面主要内容有机地结合起来，实现智能化综合管理，实现道路交通中监控（远/近程）、ETC、停车场智能管理的物联网系统。
该系统作为物联网应用的一个综合实验、演示平台，可以让学生从实际生活中感受物联网的应用，并通过实践快速学习嵌入式、RFID、GPRS、图像处理等技术。
①系统体系结构及功能
系统采用3-4辆高度智能的模拟小车来模拟公路驾驶和小区停车实验，搭建模拟包括高速公路、收费站、闸杆、感应线圈和摄像头、RFID读卡器、激光测速、GPS定位、道路车辆占有状况等整套系统的沙盘演示。
系统分为两部分：
一是智能停车场管理，二是智能行车及ETC管理。
智能停车场管理通过丰富的中断源、IO控制、LCD模块输出，快速准确的实现RFID读写器信息读取、传感器信息采集、无线通信以及语音播报等功能。
实现了停车场车辆管理、手机短信查询、停车场监控等功能。
智能行车及ETC管理通过图像处理、IO控制、测速及定位传感、LCD模块输出等，实现道路车辆速度监控、车辆信息获取、路口ETC收费、道路车辆占有状况的相关模拟。
图10智能行车物联网系统概貌图图11智能行车系统硬件框架图
②智能小车
智能小车由车身底盘、直流电机、舵机、车身红外反射传感器、红外探测传感器、避障传感器、无线遥控接收板卡、运动控制板卡、高级编程板卡、CMOS摄像头、Wi-Fi无线通信模块、RFID标签等设备组成，可以完成无线遥控、自动寻迹行驶、图像识别与成像、无线通信、车辆统计等演示。
智能小车下位机采用STM32处理器（Cortex-M3内核），负责控制电机驱动、无线遥控、传感器检测、指示灯显示等；上位机采用2410处理器，负责图像处理、无线传输等。
下位机部分还包括：
传感器采集模块、电机控制模块、无线电接收发送模块、GPS定位模块、烧写调试模块。
智能小车软件系统实现如下功能：
软件功能：
无线遥控、自动循迹、遇障拍照无线传输图片、板载RFID标签。
图12智能小车结构图
③嵌入式终端部分
图13嵌入式终端结构
嵌入式终端设备主要用来运行系统上位机ETC收费软件和连接控制RFID读卡模块与闸口状态的控制器。
软件实现：
高速路不停车ETC界面软件、显示车辆信息、计费信息等；车辆即时速度信息、车辆定位信息、摄像头拍照功能；WIFI图片接收；RFID读卡模块控制。
控制器具体参数：
处理器：
基于Xscale技术的PXA270处理器主频520MHz
存储器：
64MBSDRAM，64MBNandFlash，16MBNorFlash
输入接口：
1路TTL串口接GPRS模块，1路TTL串口接zigbee协调器，2路RS485串口,1路RS232控制终端串口，1个网口，2路模拟摄像头接口，两路音频接口
存储设备接口：
MiniSD卡接口，usb接口
扩展接口：
4路继电器输出，4路有源输出，16路输入
④RFID读卡模块与闸口机械单元部分
图14RFID读卡模块及闸口机械单元部分
RFID读卡模块与嵌入式终端使用总线的连接方式交换电子标签数据信息，并通过IO接口控制闸口机械动作。
⑤拍照及测速模块
激光位移测速模块与嵌入式终端使用总线的连接方式传输车辆的图片及即时测速信息，并在ETC软件界面进行显示处理。
⑥RFID读卡系统
RFID读卡系统作为单独的系统，模拟当车辆经过RFID读卡区域时，可以读取安装在车身上的RFID标签，结合数据库和网络服务器，在电脑屏幕上显示当前车辆编号、车辆的其他信息、本次计费信息、卡内余额信息等，并自动打开闸杆放行，完成ETC收费系统演示功能。
图15读卡系统结构图示
⑦定位控制系统
将获得的GPS数据通过内置GPRS模块以流量的方式发送到车辆监控服务器，获得车辆的位置等信息实时发送到客户端，显示在客户端上。
支持二次开发，可适用于工程，物流，公交运输等行业的车辆管理应用。
⑧Android3G手机开发应用
采用ARM11处理器和Android操作系统，可实现基于EclipseAndroidSDK开发工具的上层开发，同时具有丰富的硬件接口和共享资源，可直接外扩其他多种通讯模块，包括WIFI、GPRS、3G等模块。
实现车辆管理、车辆交费等信息的短信发送，并支持二次开发。
⑨停车场车辆管理系统
物联网智能停车管理系统，模拟车辆从进入停车场到离开的整个过程，主要实现了车辆识别、拍照、闸机控制、车位状态检测、手持终端访问五部分功能，其中车位状态检测要求实现室内和室外两种方式。
该系统中，控制器通过网络连接双通道UHFRFID读写器，实现出入口车辆信息识别等功能，同时连接两路模拟摄像头进行出入口车辆图片的拍摄。
通过RS232连接ZigBee协调器与闸机及车位ZigBee节点组网，实现闸机控制、获得停车位的状态信息。
手持设备通过以太网/WIFI连接控制器，进行停车位状态查看及预约，预约成功会收到控制器通过GPRS发送的短信提示码。
1、系统具体功能介绍：
①车辆识别：
采用工业级双通道UHF读写器连接2个陶瓷天线（天线分别安装在停车场的出入口）实现车辆信息的识别，其具有非接触、动态识别、同时识别多卡、通道识别、读写快速等优点。
②闸机控制/拍照
采用ZigBee节点外接步进电机实现闸机的抬杆、降杆，当识别到车辆时自动执行拍照及开关闸机操作。
本系统标配两个闸机控制模块及两个模拟摄像头模块，分别安装在停车场的出入口。
③车位状态检测
采用ZigBee节点外接光敏传感器实现（电池供电），本系统应提供5个车位检测模块（应分别有室内和室外不同环境的检测方式），实现模拟5个停车位，可以通过增加车位检测模块扩展任意个停车位。
④手持设备访问
系统提供Android系统手持客户端软件，可以实现停车位状态查看、预约、车位及离场引导等功能。
标配一个Android系统的PAD用于功能演示及开发学习。
2、系统特点：
网关服务器：
嵌入式ARM控制器；
客户端：
Android手持终端设备；
短距离通信：
无线ZigBee（TICC2430）网、RFID（UHF超高频读写器）；
长距离通信：
GPRS、以太网/WIFI；
传感器：
光敏传感器；
系统应开放架构易于二次开发，控制器用户界面采用开源、跨平台的QT4开发，API接口、帮助文档丰富，易于学习掌握；Android手持设备客户端软件：
基于EclipseAndroidSDK开发，完全开放源码；
RFID扩展应用：
UHF超高频读写器协议开放，可采用RS232或网络连接进行开发；
3、控制器具体参数：
处理器：
基于Xscale技术的PXA270处理器主频520MHZ
存储器：
64MBSDRAM，64MBNandFlash，16MBNorFlash
输入接口：
1路TTL串口接GPRS模块，1路TTL串口接zigbee协调器，2路RS485串口,1路RS232控制终端串口，1个网口，2路模拟摄像头接口，两路音频接口
存储设备接口：
MiniSD卡接口，usb接口
扩展接口：
4路继电器输出，4路有源输出，16路输入
电源：
DC12V，功耗：
≤5W
7．实验室建设费用及用地
上述项目内容建成后可以用于物联网工程专业本科生的课堂教学、课程设计以及毕业设计，研究生和青年教师培养以及社会培训，建设总成本为50万元，各项目建设费用分配如下表所示，详细内容见附件1兰州交通大学实验室建设项目技术参数表。
表1建设费用分配表
序号
项目名称
建设费用（万元）
实验容量（人次/年）
1
物联网教学实验开发平台
100
2
智能行车物联网系统
18
100
3
实验计算机
7
100
4
实验家具
5
工程施工费
合计
50
根据以上实验室建设规划，初步需要实验室用地150M2。
项目现有基础（实验室改造项目填写）：
项目的具体建设内容及经费预算安排：
项目总经费50万元。
1.仪器购置费万元（填入兰州交通大学实验室建设项目技术参数表）
2.实验家具万元（填入兰州交通大学实验室建设项目技术参数表）
3.配套建设费万元，具体用途为：
4.其他费用万元，具体用途为：
实验室装修及布线
项目完成后能开出的实验项目：
实验内容
所属课程
实验类型
实验时数
面向专业年级
人数
1.传感器工作原理（IC、温度、湿度、红外、摄像头、烟感等）
2.传感器网络工作原理（感知、传输、应用）
3.传感器传输协议工作原理
4.嵌入式软硬件平台技术（单片机、ARM）
5.Zigbee工作原理
6.RFID工作原理
7.WiFi工作原理
8.蓝牙工作原理
9.GPRS、3G无线模块工作原理
10.数据库工作原理
11.主控器与中央控制器无线通信（Zigbee）控制
12.摄像头控制
13.中央控制器接收网络短信、存储网络短信
14.网络摄像头控制
15.闸门开关控制
16.Zibee应用
17.传感器信息处理（温度、湿度、红外等）
1.物联网工程导论
2.传感器原理及应用
原理与技术
4.嵌入式系统设计
5.无线传感网
基
础
类
4
物联网工程专业2-3年级
30
1.物联网报警系统
3.物联网手机终端平台开发
4.远程控制系统
5.ETC不停车收费系统实训
6.无线传感器网络应用
7.物联网网关系统实训
8.智能车库管理系统
9.智能停车场管理系统
1.嵌入式系统设计
2.无线传感网
3.物联网应用系统综合设计
4.物联网智能交通实训
综
合
实
训
类
16
物联网工程专业3-4年级
30
1.达到教学计划要求开出的实验项目数20个，增开实验项目6个。
2.实验开出率达到75%。
3．按教学计划要求开出的实验中，设备套数达标的0套。
4.本项目每学年受益的教学任务达100人时数。
建设效益分析（专业教学、学生能力和素质培养、科研、社会效益等方面）：
（1）完成本科生教学任务
实验室建成后，能够承担目前物联网工程专业所有课程的实验教学任务，能够提供数据测试与分析、系统配置与分析、系统级体验等实际操作实验项目，以及系统设计与实验项目二次开发等创新实验，从而切实提高对学生实践创新能力的培养。
所有分实验建成后均能为实验教学、课程设计、毕业设计服务，部分实验还能承担认识实习、毕业实习等任务。
（2）满足研究生深层次学术研究的需要
实验室建设方案充分考虑物联网相关技术的发展趋势，除了能够满足本科生的实验教学任务外，部分实验室还能作为技术创新平台为研究生培养服务，完成相关仿真、测试、与分析的功能。
（3）为教师学术研究提供开发平台
实验室采用了目前主流技术，且具有充分的可扩展性，实验设备和实验内容能灵活扩展，为专业教师研究当前物联网技术最前沿的技术动态和发展方向提供实验平台，教师们可以在实验室搭建实验平台，从事学术研究。
（4）为社会培训提供实训基地
2011年我校成为“物联网产业及应用推进联盟”的副理事单位，同时，已经与联盟形成良好的合作关系，其中，由联盟支持的“物联网西北培训中心”即将成立，届时将承担物联网高级工程师、物联网工程师和物联网项目工程师等培训工作。
配套项目内容（包括主材、辅材、水电安装、室内装修、环境设施及其他维修、装修项目），实验室装修、走线、设备布置等，效果图如下：
项目所在单位意见：
负责人（签名）：
单位（盖章）：
年月日
专家论证意见：
组长（签名）：
年月日
专家姓名
专家所在单位
职称或职务
签字
实验室管理处审核意见：
负责人（签名）：
单位（盖章）：
年月日
兰州交通大学实验室建设项目技术参数表
项目名称：
物联网工程实验室建设填报日期：
2012年7月10日
代码
品目
主要技术参数
计量
单位
数量
预算单价（万元）
总价
（万元）
参考型号
1
物联网教学科研开发平台
以ARM11网关为核心，板载丰富的主流物联网技术通讯模块资源，包括ZigBee无线传感器网络模块、RFID射频读卡模块、Bluetooth蓝牙通讯模块、通讯（包括GSM/GPRS、WIFI、3G、GPS）模块。
Zigbee模块：
TICC2430，内置增强型8位51单片机；含有丰富的I/O端口、内置温度传感器、串口、A/D和各种常用外围接口等；符合标准规范，频段范围；无线数据传输速率约为20~250kb/s，通讯距离在30米左右；具有片内64K的可编程Flash，和8K的RAM；工作电压，超低功耗，支持休眠及唤醒功能；板载ZigBee仿真器电路。
Bluetooth模块：
蓝牙带EDR，2Mbps~3Mbps调制度；ClassII标准功率；通讯距离：
10米；单一模式的主、从设备对；支持AT指令进行配置；从设备可以与移动设备连接；从设备板载温湿度传感器，另可外配传感器。
RFID模块：
采用125K射频基站；韦根/UART方式ID输出；自动寻卡；串口方式下支持主动、被动模式；支持EM、TEMIC、TK及其兼容卡；读卡距离：
30-100mm；附带两个标签帖在电机转盘上。
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