物联网工程应用-基于人工智能经典案例【教案】 第3章 物联网实验系统的硬件平台和软件开发环境

1、封面《物联网工程应用》教案课程名称：物联网技术及应用总学时／周学时：48/4开课时间：第1周至第12周授课年级、班级：信息工程2025级使用教材：物联网工程应用授课教师：2、教案扉页课程要求（在培养方案中的地位、开课学期，先修、后续课程）《物联网技术及应用》是信息工程、自动化专业的专业课，在专业课程体系中占有重要地位。开课学期：先修课程/后修课程：电路原理、嵌入式系统原理与应用教学目标课程目标1：掌握物联网相关的基本知识和分析设计方法。课程目标2：掌握物联网基本协议，如：Zigbee协议。课程目标3：掌握物联网关键支撑技术：网络中间件技术和基于传感网网络的关键技术。课程目标4：能够针对物联网特定功能及技术指标需求，完成物联网相关子系统的工程设计。课程目标5：掌握一些经典的网络应用算法，了解物联网发展中的经典应用。课程目标6：能够自主设计智能算法，使其胜任智能交通、环境保护、智能家居等不同领域中的工作。课程目标7：能够对物联网系统的软、硬件、网络算法、工程软件进行设计与开发，在设计中体现创新意识。课程目标8：能够处理物联网领域的复杂工程问题，考虑不同环境的需求，综合设计解决方案。教学方法讲授、讨论+实验课程性质（创新意识、实践能力培养）本课程将物联网理论研究和工程实践相结合，按照“物体信息感知、感知信息传输、感知信息处理服务及应用”的教学路线展开，涵盖物联网领域的重要内容和最新技术。主要教学内容涉及无线传感器网络节能机制设计、物联网平台与协议架构研究、近场无线通信技术标准及应用研究、物联网定位技术、信息处理与服务管理技术、物联网智能信息处理技术、物联网的服务与管理等，引导学生在大国崛起的奋斗道路中，树立面向物联网核心理论的自主知识产权化、基于物联网电路的中国智造化及物联网中国芯设计的重要作用，实现全面感知、可靠传输、智能处理、自动控制的物联网技术研究及应用的教学目标。旨在培养具备计算机网络专业知识技能，掌握网络、射频、无线通信相关技术，从事物联网领域系统设计与科技开发方面的高等工程技术人才。参考资料1《物联网工程应用技术实践教程》、黄如、电子工业出版社、2014年2《物联网工程工程原理与应用》、黄如、电子工业出版社、2020年3《射频识别技术原理与应用》、周晓、电子工业出版社、2015年4《传感器技术》、谢双维、中国计量出版社、2015年5《物联网导论（第二版）》、刘云浩、科学出版社出版、2013年备注说明3、教案内容第3章物联网实验系统的硬件平台和软件开发环境课题名称第3章物联网实验系统的硬件平台和软件开发环境计划学时12课时内容分析本章介绍了物联网实验的嵌入式硬件系统平台、集成开发环境和软件设计流程，以及各类实验。通过这些实验，可以加深读者对物联网基础理论的理解，提高动手能力，为如何实际应用所学的物联网知识提供参考，也为更深入地学习物联网知识打下坚实的基础。教学目标及基本要求熟悉物联网实验系统的硬件平台和软件开发环境，包括ZT-EVB开发平台、CVT-IOT-VSL教学实验箱、IAR软件、Anaconda软件、TensorFlow和PyTorch环境配置。掌握IAR软件的安装和应用，能够使用IAR进行嵌入式系统的开发和调试。学会Anaconda软件的安装，以及TensorFlow和PyTorch环境的配置，为后续的机器学习和深度学习实验打下基础。通过射频类网络与通信实验，理解Z-Stack协议栈的运行机制，掌握绑定控制、广播和单播通信、传感器数据采集等基本技能。完成物联网综合实验，包括区域异常温度监控、网络无线定位、车位资源监控和基于深度残差网络的垃圾分类，提高学生的实际操作能力和问题解决能力。培养学生的实验设计和数据分析能力，能够独立完成物联网相关实验，并对实验结果进行合理的解释和分析。教学重点熟悉物联网实验系统的硬件平台和软件开发环境。掌握IAR和Anaconda软件的安装和应用。完成物联网综合实验。教学难点完成物联网综合实验。教学方式讲授、讨论+实验教学过程第1-2课时（硬件平台介绍）一、创设情境，引出本节内容作为本书实验平台的ZT-EVB开发平台，是由多个ZigBee节点模块组成的无线传感器网络。该开发平台综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等多种技术，使用者可以根据所需的应用在该套件上进行自由开发。ZT-EVB套件可结合多个传感器建立各种形式的无线网络，用于无线数据的收发、转发及无线自组织网络的构建。基于ZT-EVB套件的软/硬件实验平台，将为学生研究物联网领域工程实践及实验的设计方案，提供有效的学习工具和实践平台。CVT-IOT-VSL全功能无线传感器网络教学实验系统，集无线ZigBee、Bluetooth、RFID等通信技术于一体，采用强大的Cortex-A9嵌入式处理器（可搭配Linux/Android/WinCE操作系统）作为智能终端，配合多种传感器模块，提供丰富的实验例程，便于物联网无线网络、传感器网络、RFID技术、嵌入式系统、下一代互联网等多种物联网课程的学习进入重点知识的讲解（1）ZT-EVB开发平台本课程的物联网教学实验系统在设计中采用ZigBee技术作为物联网实验系统的无线通信标准，综合考虑实验系统的功能可扩展性要求和硬件设备低功耗策略，本系统采用了以TI公司CC2530芯片为核心的ZT-EVB开发平台和以Z-Stack为核心的ZigBee协议栈方案。其中，CC2530是符合IEEE802.15.4标准的无线收发芯片，提供支持ZigBee和RF4CE应用的片上系统（SoC）解决方案，整合了业界领先的RF收发器的优良性能，具有良好的抗干扰特性和极高的接收灵敏度，能够提供可靠的链路传输质量；系统内可编程8KB闪存，配备TI所支持的包括Z-Stack、RemoTI和SimpliciTI在内的网络协议栈来简化系统应用开发，这使其能更快地获得物联网应用市场。CC2530有4种不同的闪存版本：CC2530F32/64/128/256，分别具有32/64/128/256KB闪存。CC2530具有的不同运行模式使得它尤其适应超低功耗要求的系统。运行模式之间的转换时间短，进一步保证了低能源消耗。CC2530使用业界标准的增强型8051内核，相对于其他通用的8位微控制器来说，有更丰富的资源及更快的速度。CC2530的主要资源包含单周期的8051兼容内核、8KB的SRAM、32/64/128/256KB的闪存、两线调试接口允许对片上闪存进行编程、通过不同的运行模式使其可以低功耗运行、21个数字I/O引脚、5个独立的DMA通道、一个独立的16位定时器、两个8位定时器、一个16位MAC定时器、一个睡眠定时器、支持14位模数转换的ADC、一个随机数发生器、支持IEEE802.15.4全部安全机制的AES外部协处理器、4个可选定时器间隔的看门狗、两个串行通信接口、USB控制器、RF内核控制模拟无线电模块。（2）CVT-IOT-VSL教学实验箱CVT-IOT-VSL全功能无线传感器网络教学实验系统，集无线ZigBee、Bluetooth、RFID等通信技术于一体，采用强大的Cortex-A9嵌入式处理器（可搭配Linux/Android/WinCE操作系统）作为智能终端，配合多种传感器模块，提供丰富的实验例程，便于物联网无线网络、传感器网络、RFID技术、嵌入式系统、下一代互联网等多种物联网课程的学习。系统配备ZigBee（兼容TICC2530和STSTM32W两套方案）、蓝牙、Wi-Fi无线通信节点，可以快速构成小规模ZigBee、Wi-Fi、蓝牙通信网络。同时，模块化的开发方式使其完全兼容各种传感器网络，并可以在互联网上实现对各种通信节点的透明访问。RFID无线射频识别模块分为可读写125K模块、ISO14443模块、可读写15693模块、900MHz模块及2.4GHz有源标签读写器模块。Cortex-A9智能终端平台可进行Linux/Android/WinCE三种嵌入式编程开发，包括开发环境搭建、Bootloader开发、嵌入式操作系统移植、驱动程序调试与开发、应用程序的移植与开发等。配备磁检测传感器、光照传感器、红外对射传感器、红外反射传感器、结露传感器、酒精传感器、人体检测传感器、三轴加速度传感器、声响检测传感器、温/湿度传感器、烟雾传感器、振动检测传感器这12种传感器模块及传感器扩展接口板（可以根据教学需要定制自己需要的传感器），可以通过标准接口与通信节点建立连接，实现传感器数据的快速采集和通信。（3）IAR软件的安装及应用双击autorun.exe文件，选择InstallIAREmbeddedWorkbench，单击Next按钮，选中Iacceptthetermsofthelicenseagreement选项，再单击Next按钮，从光盘上找到序号并填入，单击Next按钮，根据需要选择完全安装（Complete）或自定义安装（Custom），单击Next按钮，选择安装路径后完成。安装完成后，打开IAR软件，建立Workspace工作空间，进入IARIDE环境。单击Project菜单，选择CreateNewProject...命令建立新工程。弹出选择工程类型对话框，确认Toolchain栏已经选择8051，在Projecttemplates栏中选择Emptyproject，单击OK按钮。弹出创建工程目录对话框，选择一个路径，给该工程取名为lesson1，然后单击“保存”按钮。单击File菜单，选择New→File命令，创建一个C文件，用于写程序，命名后单击“保存”按钮，将该C文件保存在该工程所在的同一个文件夹里，并命名为lesson1.c，将lesson1.c文件加入该工程，并在lesson1.c文件中写入程序。在配置工程选项时，选择Project菜单下的Options命令，配置与CC2530相关的选项。选择GeneralOptions→Target命令，配置Target，选择Codemodel（标准模式）为Near，选择Datamodel（数据模式）为Small，选择Callingconvention（调用约定）为IDATAstackreentrant，以及其他参数。单击Device栏右边的按钮，选择程序安装位置，如这里是IARSystems\EmbeddedWorkbench5.4\8051\config\devices\TexasInstruments下的文档CC2530F256.i51。选择DataPointer选项卡，选择NumberofDPTRs（数据指针数）为1，Size为16bit，默认即为该配置选择Stack/Heap选项卡：改变XDATA栈的大小为0x1FF。在Linker选项的Output选项卡中勾选Overridedefault，可以在下面的文本框中更改输出文件名。如果要用C-SPY进行调试，那么应选中Format下面的DebuginformationforC-SPY。采用交互式方法设置并监控断点，将插入点的位置指向目标语句，然后选择ToggleBreakpoint命令。在编辑窗口选择要插入断点的语句，选择Edit→ToggleBreakpoint命令，或者在工具栏上单击按钮。选择View→Disassembly命令，打开反汇编调试窗口，用户可看到当前C语句对应的汇编语言指令。寄存器窗口允许用户监控并修改寄存器的内容。选择View→Register命令，打开寄存器窗口。运行程序时，选择Debug→Go命令，或者单击调试工具栏中的按钮，程序将运行至断点。若没有设置断点，则选择Debug→Break命令或单击调试工具栏中的按钮，停止程序运行。若用ZT-DEBUGGER下载程序，则Debugger中的Driver要选为TexasInstruments，目的是配合使用本书所采用的仿真器ZT-DEBUGGER。三、归纳总结，随堂练习，布置作业（1）对课堂上讲解的知识点进行总结，使用学习通的练习题巩固本节课的知识点。第3-4课时（软件开发环境介绍）一、回顾上节课内容，引出本节内容（1）对上节课留的作业进行答疑（2）回顾上节课内容，引出本节课主题在上一节课中已经介绍了本课程所使用的硬件平台以及安装使用方法，下面将介绍本课程使用到的软件开发环境。二、进行重点知识的讲解（1）Anaconda软件的介绍Python在物联网中广泛应用于传感器数据采集与处理、数据存储与分析、数据可视化、边缘计算、网络通信与消息传输、云平台集成，以及人工智能与机器学习。简洁易学的语法、丰富的库支持和强大的数据处理能力，使得Python成为IoT开发中不可或缺的工具，能够帮助开发者实现从设备数据获取到复杂的分析和预测，构建完整的IoT系统。总体来说，Python在物联网中扮演了从设备数据采集、处理、存储、可视化到机器学习预测的全方位角色，成为物联网开发中不可或缺的工具。Anaconda是一个被广泛使用的开源集成数据科学平台，专为Python和R语言开发，包含了包管理器Conda和图形界面AnacondaNavigator。它预装了大量数据科学包（如NumPy、Pandas、SciPy等）和工具（如JupyterNotebook、Spyder），简化了环境管理和包管理，支持跨平台使用，使数据科学家和开发者能够高效地进行数据分析、机器学习和学术研究。（2）TensorFlow环境介绍在Anaconda中，TensorFlow是一个广泛使用的深度学习框架，提供了构建与训练机器学习和深度学习模型的强大工具。它支持复杂的神经网络架构、自动微分、分布式计算和数据预处理，并内置多种优化器，提升模型训练效果。TensorFlow还支持将模型部署到生产环境中，通过TensorFlowServing实现实时推理服务。利用Anaconda的包管理和环境管理功能，用户可以轻松创建独立的环境来运行TensorFlow项目，避免依赖冲突和环境配置问题，使得安装和管理TensorFlow及其相关库变得更加便捷，从而专注于模型开发和研究。通过创建虚拟环境并安装TensorFlow，用户可以迅速开始深度学习项目的开发。（3）PyTorch环境介绍PyTorch是除TensorFlow外另一个流行的深度学习框架，两者各有其特点和优势。PyTorch采用动态计算图，代码直观，易于调试，特别适用于快速原型开发和学术研究；其文档详尽，社区活跃，用户友好。TensorFlow最初使用静态计算图，性能优化和部署方面表现优异，适合大规模生产环境；从2.0版开始支持EagerExecution，使其更加灵活，并集成Keras高层API简化模型构建。PyTorch在灵活性和易用性上占优，而TensorFlow在工业级应用、优化和生态系统的成熟度方面更具优势。选择哪一个框架通常取决于具体项目需求和开发团队的偏好。三、归纳总结，随堂练习，布置作业（1）对课堂上讲解的知识点进行总结，使用学习通中的随堂练习题巩固本节课的知识点。第5-6课时（射频类网络与通信实验（1））一、回顾上节课内容，引出本节内容（1）对上节课留的作业进行答疑（2）回顾上节课内容，引出本节课主题在介绍完软硬件平台后，开始进行射频类网络与通信实验。二、进行重点知识的讲解（1）Z-Stack协议栈运行实验1．实验目的（1）学习IEEE802.15.4标准和ZigBee协议栈的相关术语概念；（2）熟悉Z-Stack协议栈核心代码架构，加深理解Z-Stack的体系结构和运行方式；（3）了解Z-Stack主要函数的功能并熟悉其调用方法，掌握在协议栈已有工程案例的基础上修改和添加应用层功能代码的编程方法；（4）熟悉基于Z-Stack协议栈的应用程序开发过程。2．实验设备硬件：计算机一台（操作系统为WindowsXP或Windows7）；ZT-EVB开发平台套件；ZT-Debugger仿真器。软件：IAREmbeddedWorkbenchforMCS-51开发环境；Z-Stack协议栈开发包。3．实验要求（1）总结并分析Z-Stack体系软件的功能结构和运作原理；（2）运行Z-Stack协议栈自带的工程案例程序，测试其运行过程；（3）调试Z-Stack协议栈程序代码，熟悉协议栈的函数调用方法；（4）修改协议栈软件架构的相关程序代码，实现对LED控制的应用功能，并在ZT-EVB开发平台上运行测试。（2）绑定控制机制实验1．实验目的（1）学习绑定的流程，了解基于ZigBee协议的4种绑定表建立方式；（2）了解ZigBee设备对象的概念和功能；（3）学习Z-Stack协议栈中按键的工作机制，并学会修改按键驱动；（4）分析绑定实现过程和工作原理，能通过协议栈函数调用方式实现ZigBee设备对象间的绑定。2．实验设备硬件：计算机一台（操作系统为WindowsXP或Windows7）；ZT-EVB开发平台3套；ZT-Debugger仿真器；USB数据线3根。软件：IAREmbeddedWorkbenchforMCS-51开发环境；Z-Stack协议栈开发包。3．实验要求（1）在ZigBee网络应用层上建立一条被绑定终端A与B之间的逻辑链路，实现终端B（控制器SampleSwitch）对终端A（灯SampleLight）的控制操作。（2）要求控制过程满足：通过按键动作来选择设备在指定时间内被绑定；且绑定请求信息在规定时间内被协调器C收集，并建立绑定表条目。（3）Z-Stack广播和单播通信实验1．实验目的（1）学习ZigBee无线数据收发广播和单播通信相关技术。（2）学习如何修改Z-Stack协议栈程序，以实现广播和单播通信。2．实验设备硬件：计算机一台（操作系统为WindowsXP或Windows7）；CVT-IOT-VSL实验箱一台；CCDebugger仿真器；USB数据线一根。软件：IAREmbeddedWorkbenchforMCS-51开发环境。3．实验要求（1）观察网关节点上的灯及两个终端设备上的灯闪烁；（2）实现网络的单波通信，如在终端设备1发送消息时，只有网关才能接收到数据并通过串口显示出来，终端设备2不显示此消息。三、归纳总结，随堂练习，布置作业（1）对课堂上讲解的知识点进行总结，使用学习通中的随堂练习题巩固本节课的知识点。第7-8课时（射频类网络与通信实验（2））一、回顾上节课内容，引出本节内容（1）对上节课留的作业进行答疑（2）回顾上节课内容，引出本节课主题本节继续进行射频类网络与通信实验部分的Z-Stack广播和单播通信实验、光照传感器采集实验和蓝牙组网配置实验。二、进行重点知识的讲解（1）Z-Stack广播和单播通信实验1．实验目的（1）学习ZigBee无线数据收发广播和单播通信相关技术。（2）学习如何修改Z-Stack协议栈程序，以实现广播和单播通信。2．实验设备硬件：计算机一台（操作系统为WindowsXP或Windows7）；CVT-IOT-VSL实验箱一台；CCDebugger仿真器；USB数据线一根。软件：IAREmbeddedWorkbenchforMCS-51开发环境。3．实验要求（1）观察网关节点上的灯及两个终端设备上的灯闪烁；（2）实现网络的单波通信，如在终端设备1发送消息时，只有网关才能接收到数据并通过串口显示出来，终端设备2不显示此消息。（2）光照传感器采集实验1．实验目的（1）掌握光照传感器的操作方法；（2）掌握光照传感器采集程序的编程方法。2．实验设备硬件：计算机一台（操作系统为WindowsXP或Windows7）；CVT-IOT-VSL实验箱一台；CCDebugger仿真器；USB数据线一根。软件：IAREmbeddedWorkbenchforMCS-51开发环境。3．实验要求通过串口调试助手显示光照传感器采集到的数据。（3）蓝牙组网配置实验1．实验目的（1）掌握蓝牙4.0通信的基本原理；（2）了解BLE通信协议；（3）组建蓝牙低功耗无线网络。2．实验设备硬件：计算机一台（操作系统为WindowsXP或Windows7）；CVT-IOT-VSL实验箱一台；CCDebugger仿真器；USB数据线一根。软件：IAREmbeddedWorkbenchforMCS-51开发环境。3．实验要求实现蓝牙组网。第9-10课时（物联网综合实验（1））一、回顾上节课内容，引出本节内容（1）对上节课留的作业进行答疑（2）回顾上节课内容，引出本节课主题在前面的课中已经进行了射频类网络与通信实验，下面进行物联网的综合实验。二、进行重点知识的讲解（1）区域异常温度无线监控实验1．实验目的（1）掌握绑定机制的工作原理和运作流程，并运用于监测异常事件的数据收集过程中。（2）通过绑定机制构成远端采样设备、监控控制台设备及应急处理移动设备间的自适应通信系统，实现终端异常事件触发、协调器针对性收集和移动设备实时处理的区域异常温度无线监控功能。2．实验设备硬件：计算机一台（操作系统为WindowsXP或Windows7）；ZT-EVB开发平台3套；ZT-Debugger仿真器；USB数据线3根。软件：IAREmbeddedWorkbenchforMCS-51开发环境；Z-Stack协议栈开发包；串口调试助手。3．实验要求（1）编写程序，要求实现如下功能：采用基于协议栈的绑定控制原理，远程终端节点集合在感知异常温度信息后，启动对协调器中心节点和移动终端的信息传输机制，形成区域异常温度监控报警和实时处理的闭环控制机制。（2）验证绑定机制对实现数据采集目标对象特定性的作用。将绑定机制引入异常事件驱动的物联网数据收集应用中，减小网内冗余数据的传输量和传输数据包碰撞的概率，从而减小网络整体能耗、缩短数据传输时延。（2）网络无线定位实验1．实验目的（1）在对Z-Stack协议栈学习的基础上，巩固ZigBee无线通信技术和Z-Stack协议栈架构。（2）掌握极大似然定位算法和三边定位算法，并将两类无线定位算法移植到Z-Stack协议栈中，实现对目标的精确定位。（3）利用CC2530的双向无线通信协议Basic.RF，结合应用层无线定位算法，构建ZigBee无线定位应用系统。2．实验设备硬件：计算机兼容机一台（操作系统为WindowsXP或Windows7）；ZT-EVB开发平台4套；ZT-Debugger仿真器；USB数据线4根。软件：IAREmbeddedWorkbenchforMCS-51开发环境；Z-Stack协议栈；串口调试助手。3．实验要求（1）巩固基于Z-Stack协议栈的自组网和无线收发功能的实现。（2）掌握基于接收信号强度RSSI的测距方法，了解RSSI功率与无线距离的函数关系。（3）基于三边定位算法和极大似然定位算法实现ZigBee无线定位功能。第11-12课时（物联网综合实验（2））一、回顾上节课内容，引出本节内容（1）对上节课留的作业进行答疑（2）回顾上节课内容，引出本节课主题在前面的课中已经进行了物联网综合实验，下面继续进行物联网的综合实验。二、进行重点知识的讲解（1）车位资源无线监控实验1．实验目的（1）巩固ZigBee组网功能及多点通信无线数据发送功能。（2）熟悉ZigBee模块的参数配置方法，并验证模块的GPIO端口功能。（3）掌握Z-Stack协议栈的事件产生和事件处理机制，熟悉按键的工作原理。（4）模拟停车位资源占用状况的实时监控和判断。2．实验设备硬件：计算机一台（操作系统为WindowsXP或Windows7）；ZT-EVB开发平台两套；ZT-Debugger仿真器；USB数据线两条；压力（光感）传感器。软件：IAREmbeddedWorkbenchforMCS-51开发环境；Z-Stack协议栈；串口调试助手。3．实验要求（1）以ZigBee无线自组网方式基于ZT-EVB开发平台模拟停车位占用情况的无线监控与判断。（2）用网络中每个ZT-EVB开发平台的终端上的8