物联网工程应用-基于人工智能经典案例 课件 第三章 物联网实验系统的硬件平台和软件开发环境

物联网工程应用信息科学与工程学院电子与通信系黄如副教授3引言物联网实验系统的硬件平台和软件开发环境前两章对物联网技术相关理论知识进行了介绍，但技术主要为了服务于应用，在应用前，为防止不必要的损失，一般都会进行仿真实验，确保整个系统的正确性与可行性。本章将介绍物联网实验开发板—ZT-EVB开发平台及CVT-IOT-VSL教学实验箱，以及物联网软件开发工具—IAR软件，并通过它们实现射频类网络与通信实验和物联网综合实验。同时本章还介绍在物联网中广泛应用的Python及其对应环境的配置，以助于后续章节中物联网案例从设备数据采集、处理、存储、可视化到机器学习、人工智能的全方位开发。33物联网实验系统的硬件平台和软件开发环境硬件平台和软件开发环境概述物联网实验的硬件平台和软件开发环境概述：物联网实验系统需要硬件平台和软件开发环境的支持，以确保系统的正确性与可行性。硬件平台：提供物联网实验所需的硬件资源，支持传感器、通信模块等的集成。软件开发环境：提供编程、调试、仿真等工具，帮助开发者实现物联网应用。硬件平台ZT-EVB开发平台：由多个ZigBee节点模块组成的无线传感器网络。支持传感器技术、嵌入式计算技术、无线通信技术等。核心芯片：TI公司的CC2530，支持ZigBee和RF4CE应用。主要接口：DEBUG接口、USB接口、RS232接口、RS485接口等。CVT-IOT-VSL教学实验箱：集成了ZigBee、蓝牙、RFID等多种通信技术。核心处理器：Cortex-A9，支持Linux/Android/WinCE操作系统。支持多种传感器模块：光照传感器、温湿度传感器、红外传感器等。模块化设计，兼容各种传感器网络。43物联网实验系统的硬件平台和软件开发环境硬件平台和软件开发环境概述软件开发工具IAR软件：用于嵌入式系统开发的集成开发环境（IDE）。支持8051、ARM等多种微控制器。提供代码编写、调试、编译、下载等功能。Python：广泛应用于物联网中的数据采集、处理、存储、可视化等任务。简洁易学，拥有丰富的库支持。Anaconda：开源的数据科学平台，专为Python和R语言开发。包含包管理器Conda和图形界面AnacondaNavigator。预装了大量数据科学包和工具，如NumPy、Pandas、JupyterNotebook等。53物联网实验系统的硬件平台和软件开发环境ZT-EVB开发平台ZT-EVB开发平台简介概述：ZT-EVB开发平台是一个基于ZigBee技术的无线传感器网络开发平台，适用于物联网实验和开发。特点：支持多种传感器技术、嵌入式计算技术、无线通信技术。提供丰富的硬件资源，便于开发者进行自由开发。低功耗设计，适合长时间运行的物联网应用。硬件组成ZigBee节点模块：多个ZigBee节点模块组成无线传感器网络。支持无线数据的收发、转发及无线自组织网络的构建。CC2530芯片：符合IEEE802.15.4标准的无线收发芯片。支持ZigBee和RF4CE应用，具有高接收灵敏度和抗干扰特性。内置8KB闪存，支持多种网络协议栈（如Z-Stack、RemoTI、SimpliciTI）。63物联网实验系统的硬件平台和软件开发环境CVT-IOT-VSL教学实验箱CVT-IOT-VSL教学实验箱简介概述：CVT-IOT-VSL教学实验箱是一个全功能的无线传感器网络教学系统，集成了多种通信技术和传感器模块。特点：支持ZigBee、蓝牙、Wi-Fi、RFID等多种通信技术。采用Cortex-A9嵌入式处理器，支持多种操作系统（Linux/Android/WinCE）。提供丰富的实验例程，便于物联网课程的学习和实践。硬件组成Cortex-A9处理器：高性能嵌入式处理器，支持复杂的计算任务。ZigBee模块：支持ZigBee通信，兼容TICC2530和STSTM32W方案。蓝牙模块：支持蓝牙4.0通信，适用于低功耗设备。Wi-Fi模块：支持Wi-Fi通信，适用于高速数据传输。RFID模块：支持125K、ISO14443、900MHz等多种RFID标准。73物联网实验系统的硬件平台和软件开发环境IAR软件的安装与应用IAR软件的安装步骤步骤1：双击autorun.exe文件，选择“InstallIAREmbeddedWorkbench”。步骤2：接受许可协议，输入序列号，选择安装路径。步骤3：选择完全安装或自定义安装，完成安装。步骤4：安装完成后，配置开发环境，确保与硬件平台兼容。IAR软件的应用创建工程：打开IAR软件，创建新的Workspace工作空间。选择工程类型（如8051），创建新工程并命名。编写代码：创建C文件，编写程序代码。将C文件加入工程，配置工程选项（如Target、Stack/Heap等）。调试程序：使用仿真器连接开发平台，下载程序到硬件。设置断点，监控变量值，调试程序运行。83物联网实验系统的硬件平台和软件开发环境Anaconda与Python环境配置Anaconda的安装步骤步骤1：进入Anaconda官网，下载适合操作系统的安装包。步骤2：双击安装包，选择安装路径，单击“Next”按钮。步骤3：接受许可协议，选择“Justme”安装选项。步骤4：选择安装路径，单击“Install”按钮，等待安装完成。步骤5：安装完成后，配置系统环境变量，确保Anaconda命令可用。TensorFlow和PyTorch的环境配置TensorFlow环境配置：创建虚拟环境：condacreate-ntensorflowpython=3.7激活环境：condaactivatetensorflow安装TensorFlow：pipinstalltensorflow==2.5.0PyTorch环境配置：创建虚拟环境：condacreate-npytorchpython=3.7激活环境：condaactivatepytorch安装PyTorch：根据官网提供的命令安装适合的版本。93物联网实验系统的硬件平台和软件开发环境射频类网络与通信实验概述实验设备ZT-EVB开发平台：基于ZigBee技术的无线传感器网络开发平台。支持多种传感器和通信模块，适用于射频类网络实验。CVT-IOT-VSL实验箱：集成了ZigBee、蓝牙、Wi-Fi等多种通信技术的教学实验箱。提供丰富的硬件资源和实验例程，便于射频类网络实验的开展。射频类网络与通信实验的目的目的：掌握ZigBee无线通信技术，理解射频类网络的工作原理。熟悉Z-Stack协议栈的运行机制，掌握绑定控制、广播与单播通信的实现方法。通过实验加深对物联网通信协议的理解，提升实际开发能力。103物联网实验系统的硬件平台和软件开发环境Z-Stack协议栈运行实验实验目的学习ZigBee协议栈：理解ZigBee协议栈的分层结构和工作原理。熟悉Z-Stack架构：掌握Z-Stack协议栈的核心代码架构和运行机制。实现LED控制功能：通过修改协议栈代码，实现LED的控制功能。实验步骤安装Z-Stack协议栈：下载并安装Z-Stack协议栈，确保开发环境配置正确。分析协议栈软件架构：打开IAR软件，加载Z-Stack协议栈工程，分析协议栈的目录结构和代码架构。重点关注main函数、osal_init_system函数和osal_start_system函数的执行流程。调试协议栈代码：在IAR软件中设置断点，调试协议栈代码，观察函数调用和变量值的变化。修改协议栈代码，添加LED控制功能，验证代码的正确性。113物联网实验系统的硬件平台和软件开发环境绑定控制机制实验实验目的学习ZigBee绑定机制：理解ZigBee绑定机制的工作原理和应用场景。修改按键驱动：掌握按键驱动的修改方法，实现绑定请求的触发。实现绑定控制：通过实验实现终端设备间的绑定控制，验证绑定机制的有效性。实验步骤配置硬件接口：将ZT-EVB开发平台的DEBUGGER接口与计算机连接，配置电源和通信接口。设计绑定控制流程图：设计绑定控制的流程图，明确绑定请求的触发和处理流程。修改按键驱动：修改协议栈中的按键驱动，实现绑定请求的触发功能。在应用层添加绑定请求的处理函数，确保绑定请求的正确发送和处理。123物联网实验系统的硬件平台和软件开发环境广播与单播通信实验实验目的学习ZigBee广播与单播通信技术：理解广播与单播通信的工作原理和区别。掌握无线数据的收发方法：通过实验掌握无线数据的发送和接收方法。验证通信功能的正确性：通过实验观察网关与终端设备的通信状态，验证通信功能的正确性。实验步骤配置硬件：将ZT-EVB开发平台通过USB接口与计算机连接，配置电源和通信接口。编译并下载程序：在IAR软件中编译广播与单播通信的程序，下载到开发平台。观察通信状态：通过串口调试助手观察网关与终端设备的通信状态，验证数据的正确收发。133物联网实验系统的硬件平台和软件开发环境光照传感器采集实验实验目的掌握光照传感器的操作方法：了解光照传感器的工作原理，掌握其数据采集方法。实现光照数据的采集与显示：通过实验采集环境光照数据，并通过串口调试助手显示采集结果。实验步骤配置硬件：将光照传感器模块连接到ZT-EVB开发平台或CVT-IOT-VSL实验箱。确保传感器与开发平台的电源和通信接口正确连接。编写采集程序：使用IAR软件或Python编写光照数据采集程序。程序功能：读取光照传感器的模拟信号，将其转换为光照强度值。通过串口将采集到的光照数据发送到计算机。调试与运行：将程序下载到开发平台，运行程序。通过串口调试助手观察光照数据的实时变化。。143物联网实验系统的硬件平台和软件开发环境蓝牙组网配置实验实验目的掌握蓝牙4.0通信原理：理解蓝牙4.0的低功耗特性和通信机制。组建蓝牙网络：通过实验实现蓝牙主从设备的组网，掌握蓝牙网络的配置方法。实现数据传输：验证蓝牙设备间的数据传输功能，确保通信的稳定性和可靠性。实验步骤配置蓝牙模块：将蓝牙模块插入ZT-EVB开发平台或CVT-IOT-VSL实验箱。确保模块与开发平台的电源和通信接口正确连接。烧录程序：使用IAR软件或Python编写蓝牙通信程序。主设备程序：扫描周围的蓝牙从设备，发起连接请求。从设备程序：广播自身信息，等待主设备连接。将程序分别烧录到主从设备中。组网与数据传输：启动主从设备，观察设备间的连接状态。通过主设备向从设备发送数据，验证数据传输功能。153物联网实验系统的硬件平台和软件开发环境物联网综合实验概述物联网综合实验的目的目的：通过综合实验，掌握物联网系统的设计与实现方法。理解物联网技术在环境监控、定位和资源管理中的应用。提升对物联网硬件、软件和通信协议的综合应用能力。实验内容区域异常温度监控：通过ZigBee网络监控区域温度，实现异常温度的实时报警。网络无线定位：基于ZigBee网络，实现无线定位功能，掌握定位算法的应用。车位资源监控：模拟停车位资源的无线监控，实现车位占用状态的实时显示。基于深度残差网络的垃圾分类：基于ResNet构建垃圾分类模型，实现对垃圾图像的自动分类。163物联网实验系统的硬件平台和软件开发环境区域异常温度无线监控实验实验目的实现区域异常温度的无线监控：通过ZigBee网络监控区域温度，实现异常温度的实时报警。验证绑定机制在异常事件驱动数据收集中的应用。实验步骤配置硬件：将温度传感器模块连接到ZT-EVB开发平台。确保传感器与开发平台的电源和通信接口正确连接。设计监控流程图：设计区域异常温度监控的流程图，明确数据采集、传输和报警流程。编写监控程序：使用IAR软件编写温度数据采集和传输程序。通过ZigBee网络将温度数据发送到协调器，实现异常温度的实时监控。173物联网实验系统的硬件平台和软件开发环境网络无线定位实验实验目的掌握无线定位算法：理解基于RSSI的无线定位原理，掌握三边定位算法和极大似然估计法。实现ZigBee无线定位：通过实验实现无线定位功能，验证定位算法的有效性实验步骤配置硬件：将多个ZT-EVB开发平台配置为信标节点和盲节点。确保节点间的通信接口正确连接。设计定位流程图：设计无线定位的流程图，明确数据采集、距离计算和坐标估计流程。编写定位程序：使用IAR软件编写定位程序，实现RSSI数据的采集和定位算法的计算。通过ZigBee网络将定位坐标发送到协调器，实现无线定位功能。183物联网实验系统的硬件平台和软件开发环境车位资源无线监控实验实验目的模拟停车位资源的无线监控：通过ZigBee网络监控停车位的占用状态，实现车位资源的实时管理。验证无线通信在资源监控中的应用。实验步骤配置硬件：将ZT-EVB开发平台配置为车位监控终端和协调器。确保终端与协调器的通信接口正确连接。设计监控流程图：设计车位资源监控的流程图，明确数据采集、传输和显示流程。编写监控程序：使用IAR软件编写车位状态采集和传输程序。通过ZigBee网络将车位状态数据发送到协调器，实现车位资源的实时监控。193物联网实验系统的硬件平台和软件开发环境基于深度残差网络的垃圾分类实验实验目的了解深度残差网络：理解深度残差网络（ResNet）的基本原理和优势。设计垃圾分类系统：基于ResNet构建垃圾分类模型，实现对垃圾图像的自动分类。评估模型性能：通过实验评估模型的分类准确率、召回率和F1分数。实验步骤数据准备：下载TrashNet数据集，进行数据预处理（如去噪、裁剪、归一化）。将数据集划分为训练集、验证集和测试集。模型构建：构建ResNet50网络模型，设置初始超参数（如学习率、批量大小）。数据增强：应用数据增强技术（如旋转、平移、缩放、翻转）提高训练数据的多样性。超参数优化：使用粒