上海理工物联网实验室建设方案

上海理工大学 物联网实验室建设方案 上海企想信息技术有限公司 2011 年 10 月 目录目录 1 方案背景 2 2 方案特色 2 3 物联网实验室方案设计 3 3 1 实验室布局 3 3 2 实验室组成 4 3 3 配套软件 14 4 物联网专业核心课程及实验课程体系 17 4 1 物联网专业核心课程建议 17 4 2 实验课程体系 17 1 方案背景方案背景 物联网是通过信息传感设备 按约定的协议实现人与人 人与物 物与物全面互 联的网络 其主要特征是通过射频识别 传感器等方式获取物理世界的各种信息 结 合互联网 移动通信网等网络进行信息的传送与交互 采用智能计算技术对信息进行 分析处理 从而提高对物质世界的感知能力 实现智能化的决策和控制 物联网技术和产业的发展将引发新一轮信息技术革命和产业革命 是信息产业领 域未来竞争的制高点和产业升级的核心驱动力 物联网概念是庞大和丰富的 其中涵 盖了大量现有的专业门类和技术体系 而在其系统集成和应用端 可以说物联网技术 将能够应用于工业 农业 服务业 环保 军事 交通 家居等几乎所有的领域 2009 年 8 月 7 日 国务院总理温家宝视察中科院无锡高新微纳传感网工程技术研 发中心时发表重要讲话 提出了 在激烈的国际竞争中 迅速建立中国的 传感信息 中心 或 感知中国 中心 的重要指示 2009 年 11 月 3 日 让科技引领中国可持 续发展 的讲话中 温家宝总理再次提出 要着力突破传感网 物联网关键技术 及 早部署后 IP 时代相关技术研发 使信息网络产业成为推动产业升级 迈向信息社会 的 发动机 2010 年两会期间 物联网再次成为热议话题 随着感知中国战略的启 动及逐步展开 中国物联网产业发展面临巨大机遇 目前 物联网技术还属于一个新兴技术 正在快速发展 学习与掌握物联网的技 术理论 发展方向及其行业应用是目前高等教育的核心目标 2010 年最新的教育部通 知已将物联网 传感网作为战略性新兴产业相关专业的重点 开始鼓励各高校申报相 关专业 可以预见 在不久的将来 无线传感网络将给我们的生活带来革命性的变化 根据上海理工实验室目前的情况以及和老师的沟通 参照我们以往的实验室建设 经验 我们提出如下的建设方案 2 方案特色方案特色 系统性 系统性 方案的设计是在详细分析物联网应用系统架构的基础上 系统性地覆盖传感 层 接入层 网络层 应用层等各个层次的主流技术 为用户提供完整的物联网工程 专业实验实训解决方案 同时 整个实验室设备可连接为一个局域网络并可接入到校园网 配以功能强大 的实验室管理系统 可以跟踪管理学生的实验时间 实验内容 实验结果 为教学效 果分析提供及时并详细可靠的数据来源 模块化 模块化 采用模块化的设计模式 可以根据实际需求选配各种模块组建实训环境 具 有很强的灵活性并易于扩展 易操作 易操作 采用一体化的操作台 集成监控屏幕 传感器 执行器件 跳线 开关 监 控仪表 串口插槽等 并采用可视化的监控软件 界面友好 操作简便 真正的真正的 透明透明 教学教学 通过直观和形象的应用场景 使学生可以直接体会物联网的应 用场景 开放产品设计的软硬件资源 同时配套详细的教学试验文档 让学生以工程 开发形式学习原理知识 融会贯通各个学科的知识 达到真正的学以致用 3 物联网实验室方案设计物联网实验室方案设计 3 1 实验室布局实验室布局 由于目前的实验室空间非常紧张 因此在设计时候充分考虑的空间上的利用以及设备 选用的合理性 如下图所示 物联网实验室部分主要包括 6 个实验操作台 放置在实验室的中央空间部分 大约是 7 2m 4 8m 另外考虑到与原有综合布线实验设备结合 我们配置了 2 套智能家居实验套 件 使学生可以同时在综合布线墙上进行物联网实验 3 2 实验室组成实验室组成 在这个方案中我们把整个物联网实验室分为几个部分 实验操作台部分 整体实验室 物联网信息化部分 包括集中监控显示部分 以及与原有综合布线网络设备结合进行物联 网综合布线综合应用区 一 实验操作台 一 实验操作台 物联网实验操作台根据物联网技 术的实验内容和应用系统的特点定制 它不仅美观实用 具有较好的展示效 果 并且提供丰富 完善的实验操作 环境 方便学生的实验操作以及实验 室的管理 同时 采用模块化的设计 模式 模拟各种物联网在不同行业的 典型应用 可以根据实际需求选配各 种模块组建具有行业特色的物联网工 程实验室 名称名称参数与功能参数与功能 规格尺寸 1580 mm 1580 mm 800 mm 基础控制区用于基本的传感数据采集与输出控制实验 智能家居模拟应用模块模拟智能家居应用 温室大棚模拟应用模块模拟农业智能温室大棚应用 智能货架区利用 RFID 技术 通过软件对产品模块进行管理 PC 机套件19 寸 LCD 显示器 主机 键盘 鼠标 PCI 转多串口卡 电源及配件提供 5V 12V 等电源接口 以及电源适配线缆 串口及配件 通用串行接口扩展到桌面 以方便模块与 PC 通信 提供串口线 缆 1 基础控制区基础控制区 物联网实训操作台基础控制区 集 成了多种传感器和输出控制设备 学生 利用 ZigBee 协调器 路由器 传感控制 节点板 GPRS WiFi 和蓝牙传感控制节 点板 采用多种无线技术完成环境数据 采集和控制实验 组网实验 同时也可 以进行组合创新实验 名名 称称功能描述功能描述 温湿度传感器模块采集环境的温度与湿度 光敏传感器模块采集环境的光照强度 烟雾探测传感器模块模拟安防中的烟雾探测 人体感应传感器模拟安防中的入侵检测 紧急呼救按键模块紧急呼救求助按钮 数码管模块模块温度显示等 LED 灯模块模拟室内照明 直流电机模拟空调风扇等家电设备 步进电机模块电动窗帘 洗衣机等设备 继电器输出 灯 模拟环境加温设备 各功能模块节点 ZigBee 协调器 路由器 参考定位节点 传感控制节点 GPRS WiFi 蓝牙传感控制节点 RFID RFID 低频 高频和超高频读写器与标签 2 智能家居模拟应用模块智能家居模拟应用模块 物联网智能家居模拟应用模块实现 家居环境监测 智能家电自动控制 安 防系统与报警 远程监控等功能 通过 ZigBee 协调器和传感控制节点 组成无线网络 采集室内温度 湿度和 光照度 实现燃气与烟雾探测 入侵探 测 门窗防撬 紧急求助报警等功能 并将采集的数据传输到服务器 对模拟 的家电设备进行控制功能 同时 也可 以利用 GPRS 进行短信控制与报警等 名称功能描述功能描述数量数量 温湿度传感器模块采集环境的温度与湿度 1 光敏传感器模块采集环境的光线强度 1 烟雾探测传感器模块用于安防中的烟雾探测 1 燃气探测传感器模块用于安防中的燃气探测 1 人体感应传感器模块模拟安防中的入侵检测 1 干簧门磁模拟安防中的门窗防撬 1 紧急呼救按键模块紧急呼救求助按钮 1 数码管模块2 位数码管 模拟空调温度设定 1 LED 灯模块一组四只 LED 灯 模拟室内照明 1 直流电机模拟空调风扇等家电设备 1 步进电机模块电动窗帘 洗衣机等设备 1 ZigBee 协调器 组建 ZigBee 无线网络 将传感控制节点采集的数据传输 到服务器进行处理 1 ZigBee 传感控制节点 利用 ZigBee 协调器 通过传感控制节点采集多种传感数 据 并进行输出控制 3 GPRS Modem GPRS 短信 1 网络摄像头 采集捕捉视频图像 远程实时动态摄像监控 可远程通过 手机 电脑实时动态监控家中的情况 1 PC 服务器 提供智能家居演示系统软件界面 实现数据采集处理与控 制 进行视频捕捉与监控 1 3 智能温室大棚模拟应用模块智能温室大棚模拟应用模块 采用无线传感网络技术 可定时采集 空气温度 空气湿度 CO2 浓度 光照强 度 土壤温度和水分等 来获得作物生长 的最佳条件 通过自动调节温室环境 实 现温室集约化 网络化远程管理 利用 ZigBee 协调器 通过传感控制节 点将环境监测数据传输到服务器 并以图 表方式显示给用户 当监测数据出现异常 时 可利用软件网络实现对温室设备 温 光 气 水等 的自动控制 也可以通过 Internet 网络 手机短信远程监测环境信息和设备运行状态等 名称名称功能描述功能描述数量数量 温湿度传感器模块采集温室环境的空气温度与湿度 1 光敏传感器模块采集温室环境的光照强度 1 CO2 传感器模块监测温室环境空气中的 CO2 浓度 1 LED 灯模块一组四只 LED 灯 模拟温室大棚内环境加温 1 直流电机模拟温室大棚内风机 换气设备 1 继电器输出 灯 模拟温室大棚内补光灯 1 电磁阀水阀模拟开闸放水 实现对土壤微喷灌溉 1 ZigBee 协调器 组建 ZigBee 无线网络 将传感控制节点采集的数据传输 到服务器进行处理 1 ZigBee 传感控制节点 利用 ZigBee 协调器 通过传感控制节点采集多种传感数 据 并进行输出控制 2 PC 服务器 提供温室大棚演示系统软件界面 实现温室环境数据采集 处理与控制 1 GPRS Modem GPRS 远程短信控制与报警 1 4 智能货架管理系统智能货架管理系统 物联网实训操作台包含了一个 RFID 智能货架 它由 RFID 高频 读写器 天线多路器和若干平板天线构成 货架内嵌的平板天线采 用水平方式放置 平放于每层货架的底部 每层货架放置一组数码 管输出 用于显示当前该层货架商品的数量 将基础实验中使用的每个设备当作货品 在其底部贴上电子标 签 写入货品信息 平放于货架的天线上 保证能够读取到货品 信息 使用时要领用和归还 智能货架管理系统的功能包括 货物盘点 货物位置查询 领用 归还 防盗报警等功能 5 操作台配套套件操作台配套套件 除了可以利用操作台的几个模块进行专业实验外 同样可以利用我们提供的专业套件 结合基础模块进行学生的自主实验组合 下面主要介绍一下套件配置 ZigBee 实验套件实验套件 Zigbee 实验套件包括 1 个 zigbee 协调器 2 个 zigbee 路由器 4 个 zigbee 传感控制节 点 1 个定位节点 可进行 zigbee 参数设置 组网 匹配绑定 传感数据采集与控制 协 议分析等实验 名称名称说明说明 名称 名称 ZigBee 协调器 型号 型号 CH Z C6911 包括 CC2430 射频底板和支持底板 射频顶板与支 持底板可以无缝连接 构成完整系统 射频顶板采用 TI 公司支持 ZigBee2006 协议栈的 射频芯片 CC2430 作为收发处理核心 利用 2 4G 的 SMA 天线进行通信 支持底板包括 CC2430 复位系统 JTAG 在线仿真下 载接口 RS232 串口 以太网接口等 协调器能够建立网络 并且对加入的节点进行管 理和访问 对整个 ZigBee 网络进行维护 名称 名称 ZigBee 路由器 型号 型号 CH Z RT6921 包括 CC2430 射频底板和支持底板 射频顶板与支 持底板可以无缝连接 构成完整系统 射频顶板采用 TI 公司支持 ZigBee2006 协议栈的 射频芯片 CC2430 作为收发处理核心 利用 2 4G 的 SMA 天线进行通信 支持底板包括 CC2430 复位系统 JTAG 在线仿真下 载接口等 路由器节点用于连接其它节点和协调器 名称 ZigBee 定位节点 型号 CH Z LN6922 包括 CC2431 射频顶板和支持底板 射频顶板与支 持底板可以无缝连接 构成完整系统 射频顶板采用 TI 公司支持 ZigBee2006 协议栈的 射频芯片 CC2431 作为收发处理核心 利用 2 4G 的 SMA 天线进行通信 支持底板包括 CC2431 复位系统 JTAG 在线仿真下 载接口等 定位节点将自动被准确定位 并将定位信息和节 点 ID 等信息 实时发送给上位机 名称名称说明说明 名称 ZigBee 传感控制节点 型号 CH Z SC6931 包括 CC2430 射频底板和支持底板 射频顶板与支 持底板可以无缝连接 构成完整系统 射频顶板采用 TI 公司支持 ZigBee2006 协议栈的 射频芯片 CC2430 作为收发处理核心 利用 2 4G 的 SMA 天线进行通信 支持底板完整的 3 电源供电系统 电池盒 外接 电源 仿真器供电 与 ZigBee2006 协议栈无缝连 接的按键系统 LED 流水灯 温度传感器电路 温湿 度传感器电路 高性能串口通信电路 蜂鸣器控制 电路 继电器控制直流电机电路 光敏传感器电路 以及 IO 排针等等 提供数据访问接口以方便计算机应用程序开发 传感器节点采集传感器数据 并通过 zigbee 网络 传输到计算机网络 可以自带温度 湿度 光敏传 感器 并保留传感器接口 外接传感器 GPRS WIFI 蓝牙实验套件蓝牙实验套件 GPRS WIFI 蓝牙套件包括 1 个 GPRS 传感控制节点 1 个 GPRS Modem 1 个 wifi 控制 节点 1 个蓝牙主节点 1 个蓝牙传感控制节点 可进行 GPRS WIFI 蓝牙等参数设置 组网 连接 传感数据采集与控制 协议分析等实验 基本上学生可以每 2 4 人一组操作台 配 置各种产品模块 名称名称说明说明 名称 GPRS 传感控制节点 型号 CH G SC301 模块化设计 包括 GPRS 通讯顶板和支持电路底板 提供高性能通信串口 RS232 数据透明传输 提供多种传感器输入接口 温度 光敏 温湿度 CO2 浓度 燃气探测 烟雾探测 干簧管 土壤温湿 度 紧急按键等 进行多种传感数据的采集 提供多种输出控制接口 直流电机 步进电机 继电器输出 数码管 LED 流水灯等 进行多种输出 设备控制 内嵌 TCP IP 协议 便于网络化管理 通过 GPRS 网络 实现短信收发与报警 远程数据 采集和输出控制 实现与监控中心端的数据通信 名称 GPRS MODEM 型号 CH GM501 模块化设计 包括 GPRS 通讯顶板和支持电路底板 提供高性能通信串口 RS232 数据透明传输 提供数据访问接口以方便计算机应用程序开发 内嵌 TCP IP 协议 便于网络化管理 通过 GPRS 网络 实现短信收发与报警 实现与监 控中心端的数据通信 名称名称说明说明 名称 WiFi 传感控制节点 型号 CH W SC301 模块化设计 WiFi 传感控制节点包括 Wifi 通讯模 块和支持电路底板 采用完全的嵌入式系统 提供数据访问接口以方 便计算机应用程序开发 提供多种传感器输入接口 温度 光敏 温湿度 CO2 浓度 燃气探测 烟雾探测 干簧管 土壤温湿 度 紧急按键等 进行多种传感数据的采集 提供多种输出控制接口 直流电机 步进电机 继电器输出 数码管 LED 流水灯等 进行多种输出 设备控制 提供高性能通信串口 RS232 对 WiFi 节点进行设 置 采用标准 TCP IP 协议 通过 WiFi 网络 进行数 据采集和输出控制 实现与监控中心端的数据通信 名称 蓝牙传感控制节点 型号 CH B SC301 模块化设计 蓝牙传感控制节点包括蓝牙通讯模 块和支持电路底板 采用完全的嵌入式系统 提供数据访问接口以方 便计算机应用程序开发 提供多种传感器输入接口 温度 光敏 温湿度 CO2 浓度 燃气探测 烟雾探测 干簧管 土壤温湿 度 紧急按键等 进行多种传感数据的采集 提供多种输出控制接口 直流电机 步进电机 继电器输出 数码管 LED 流水灯等 进行多种输出 设备控制 提供高性能通信串口 RS232 对蓝牙节点进行设置 采用标准 TCP IP 协议 通过蓝牙网络 进行数据 采集和输出控制 实现与监控中心端的数据通信 RFID 实验套件实验套件 RFID 实验套件包括 1 个低频读写器 1 个高频读写器 1 个超高频读写器 若干 RFID 标签 可进行 RFID 标签读写 读写器与 PC 通信 信令控制 读写器嵌入式编程等实验 名称名称说明说明 名称 低频 RFID 读写器 型号 CH R L801 模块化设计 包括 LF 射频顶板和支持电路底板 支持标准 EM ID ISO11784 85 FDX B 读卡距离 0 5cm 读卡时间 约 32 768ms 工作 频率 125KHz 提供高性能通信串口 RS232 数据透明传输 提供以太网 RJ45 和 WIFI 网络接口 供数据访问接口以方便计算机应用程序开发 名称 高频 RFID 读写器 型号 CH R H801 模块化设计 包括 LF 射频顶板和支持电路底板 支持标准 ISO14443A ISO14443B ISO15693 读卡距离 0 7cm 读卡时间 1 2ms 工作频率 13 56MHz 提供高性能通信串口 RS232 数据透明传输 提供以太网 RJ45 和 WIFI 网络接口 供数据访问接口以方便计算机应用程序开发 名称 超高频 RFID 读写器 型号 CH R S801 模块化设计 包括 LF 射频顶板和支持电路底板 支持标准 ISO18000 6C 读卡距离 0 20cm 读卡时间 1 2ms 工作频率 840MHz 960MHz 提供高性能通信串口 RS232 数据透明传输 提供以太网 RJ45 和 WIFI 网络接口 供数据访问接口以方便计算机应用程序开发 二 实验室物联网信息化 二 实验室物联网信息化 主要思路是将目前的实验室建设成为一个具有实际物联网应用的实验室 可以作为学 生了解物联网应用的第一次的真实体验和理解 并且可以作为实验室参观用途 目前是这样设计的 根据实验室的情况 建议可以按照如下方案进行调整 1 增加液晶显示增加液晶显示 增加了 2 个液晶电视机 一个 32 寸的作为综合控制中心 所有的控制信息可以在上面 显示 另外一个大屏液晶电视机可以显示整个实验室的布置 环境监控 视频监控以及整 个实验室的控制展示 2 大门改造大门改造 将原有实验室的门改造成玻璃门 并且安装门禁 实现门禁常用功能可以包括 刷卡 远程开门等 3 增加传感控制节点增加传感控制节点 在实验室范围内增加了温湿度传感模块 烟雾传感模块 光照度传感模块 以及安装 3 个网络摄像头 可以监控整个实验室内的环境参数以及实现视频监控 并且可以通过设置 完成与新增的控制电器设备进行互动 如设置温度条件 进行空 调的调节 设置光照度条件变化 进行电动窗帘的控制等 名称 名称 CO2 传感器模块 型号 BIZ SM CO2 名称 名称 烟雾传感器模块 型号 BIZ SM MQ2 名称 名称 温湿度传感模块 型号 BIZ SM SHT10 名称 名称 可燃气传感器模块 型号 BIZ SM MQ5 名称 名称 CO2 传感器模块 型号 BIZ SM LS 名称 名称 人体感应传感器模块 型号 BIZ SM OS 名称 名称 LED 控制模块 型号 BIZ M101 名称 名称 数码显示模块 型号 BIZ M102 4 配置配置 zigbee 参考节点参考节点 在整个实验室内安装 zigbee 参考节点 结合套件内的 zigbee 定位节点 学生可以进行 zigbee 定位实验 名称名称说明说明 名称 名称 ZigBee 参考节点 型号 型号 CH Z RF6921 包括 CC2430 射频底板和支持底板 射频顶板与支 持底板可以无缝连接 构成完整系统 射频顶板采用 TI 公司支持 ZigBee2006 协议栈的 射频芯片 CC2430 作为收发处理核心 利用 2 4G 的 SMA 天线进行通信 支持底板包括 CC2430 复位系统 JTAG 在线仿真下 载接口等 参考节点是固定的 并已知自身位置的节点 通 过上位机软件可以实现对参考节点的参数配置 名称 ZigBee 定位节点 型号 CH Z LN6922 包括 CC2431 射频顶板和支持底板 射频顶板与支 持底板可以无缝连接 构成完整系统 射频顶板采用 TI 公司支持 ZigBee2006 协议栈的 射频芯片 CC2431 作为收发处理核心 利用 2 4G 的 SMA 天线进行通信 支持底板包括 CC2431 复位系统 JTAG 在线仿真下 载接口等 定位节点将自动被准确定位 并将定位信息和节 点 ID 等信息 实时发送给上位机 5 增加控制电器设备增加控制电器设备 增加了电动窗帘设备和模拟空调模型 由于实验室没有安装真实空调的条件 因此我 们采用一个空调模型来模拟实际空调 其实 这部分的设备也可以让学生自己进行编程和试验控制 三 物联网综合布线应用区 三 物联网综合布线应用区 考虑到增加学生物联网应用的实际操作性以及对于目前设备的充分可利用性 我们建 议可以提供该部分套件让学生在实际综合布线试验设备上进行物联网实验 更加具有真实 性 并且对学生的实际操作能力也非常有帮助 在这里 我们主要提供的智能家居套件 可以在综合布线模拟系统模拟实际的智能家 居 在布线墙上安装各种智能家居传感与控制器件 每种器件支持有线 485 总线 和无 线 zigbee 组网 具体包括 环境监控模块 包括温湿度 光照 安防模块 可燃气体 红外人体感应 烟雾 紧急按钮等 视频监控模块 网络摄像头 各种模拟控制设备 包括模拟空调 灯光 风扇 窗帘 报警器 我们可以为学生提供基于总线的控制以及基于 zigbee 无线传感网络通讯的试验内容 让学生能够更加深刻体会到基于总线机制和无线通讯方式的区别 四 智能家居沙盘 四 智能家居沙盘 通过 ZigBee 协调器和传感控制节点组成无线网络 实现智能家居应用中包括安防 环 境监测 家电控制 远程控制 窗帘控制 网络摄像等功能 具体包括 1 环境监测 采集室内温度 湿度和光照度 并实时显示 2 安防 实现燃气与烟雾探测 入侵探测 门窗防撬 紧急求助报警等功能 并将 采集的数据传输到服务器 3 家电控制 模拟空调 彩电 灯光 排风扇等 并可实现远程控制 4 网络摄像 可远程查看家中情况 5 逻辑控制 可定义各种控制逻辑 实现对家中设备的自动控制 如超高设定的温 度自动打开空调 卫生间湿度过大自动打开排风扇等 6 远程控制 可通过手机 笔记本等通过 Internet 实现远程监控 7 情景模式控制 可设置各种情景模式 如离家模式 睡眠模式 起床模式等 实现对 家中设备的组合一键式控制 3 3 配套软件配套软件 同时我们能够提供相应的上位机软件以及嵌入式系统软件 配合学生进行实验 同样 学生也可以参照这些上位机软件根据实际需求 进行修改编程 名称名称功能说明功能说明 名称 ZigBee 无线传感网实验平台软件 版本 1 1 该平台包括各种 zigbee 网络节点的嵌入 式软件以及上位机软件 ZigBee Coordinator 软件 Zigbee 路由器软件 Zigbee 参考节点软件 Zigbee 定位节点软件 Zigbee 传感控制节点软件 Zigbee 定位软件 zigbee 上位机软件 各种节点的参数设 置 传感数据采集 图表 控制指令的发 送等 名称 蓝牙无线传感网实验平台软件 版本 1 1 该平台包括蓝牙节点的嵌入式软件以及上 位机软件 蓝牙从节点软件 上位机软件 蓝牙连接设置 多种传感器 的数据采集 图标展示 多种输入输出控 制 名称名称功能说明功能说明 名称 WiFi 无线传感网实验平台软件 版本 1 1 该平台包括 wifi 节点的嵌入式软件以及 上位机软件 wifi 节点软件 上位机软件 wifi 连