北京革新创展科技有限公司-物联网创新教学实训系统方案(IOT)

简介：北京革新创展科技有限公司提供的物联网创新教学实训系统实现对智能传感器采集、ZigBee组网、WIFI组网、双模蓝牙组网、嵌入式系统、异构多网融合、MQTT消息队列遥测传输等技术的实验学习。可以完成智能家居、智能农业等物联网典型行业应用实训。通过学习，可以将物联网各种基础知识进行综合应用达到融会贯通。

1．系统结构
在技术架构上，物联网创新教学实训平台包含完整的物联网架构，包括感知层、网络层和应用层。

2 . 系统介绍
北京革新创展科技有限公司物联网创新教学实训系统是一款综合物联网各项知识点，集成各种物联网应用实例的实验实训设备。宏观上分为感知层、网络层、应用层三个既独立又关联的结构。采用模块化设计，包含各种传感器执行器、嵌入式网关、各种通信节点，系统结构划分清晰。所有节点设备、传感器、执行器等均可以无缝组合。内嵌控制系统、LAN网络、多网融合系统等，为学生实验提供设备的开发、接线、调试与操作平台。
物联网创新教学实训系统支持多个物联网相关课程的教学，课程的范围涵盖传统的无线传感网、基础嵌入式开发等课程，同时也囊括了智能传感器、物联网组网技术、物联网中间件技术、物联网工程应用等课程。

3．系统构成
北京革新创展科技有限公司物联网创新教学实训系统实现对智能传感器采集、ZigBee组网、WIFI组网、双模蓝牙组网、嵌入式系统、异构多网融合、MQTT消息队列遥测传输等技术的实验学习。可以完成智能家居、智能农业等物联网典型行业应用实训。可以将物联网各种基础知识进行综合应用达到融会贯通。
3.1 主要功能模块
(1)异构多网融合组件
物联网异构多网融合嵌入式网关基于TI公司32位ARM Cortex-M4内核, 主频120MHz, 内置CRC、AES、DES、SHA/MD5硬件安全单元;
内置Zigbee通信模块，支持Zigbee协议规范，内置Z-Stack协议栈，可实现Zigbee自组网，支持星状网、MESH网。内置低功耗WIFI通信模块，支持IEEE 802.11b/g/n协议；内置TCP/IP协议栈：工业级BSD Socket API，同时支持8路TCP或者UDP Socket通信，同时支持2路TLS和SSL Socket通信。支持WIFI Station、WIFI AP和WiFi直连模式.支持SmartConfig、WPS2快速连接技术。内置双模蓝牙通信模块，支持典型蓝牙2.0BR/EDR协议规范，同时支持低功耗蓝牙4.0BLE协议规范，内置蓝牙协议栈，支持多种蓝牙Profile。内置无线无源双向通信通信模块，工作频段868.3MHz，遵循ISO/IEC 14543-3-10协议，提供双向无线接口，同时也提供双向串行接口，符合EnOcean协议规范。
集成RS485通信模块，可实现RS485工业总线设备接入；集成CAN总线通信模块，支持CAN总线设备接入；集成RS232模块，支持设备串口调试及外接设备；集成以太网通信模块，方便接入互联网。同时支持串口和以太网数据上传。
(2)Zigbee无线传感网组件
采用TI CC2538实现，ARM Cortex M3处理器，32MHz主频，遵循Zigbee协议规范，内置Z-Stack协议栈，可实现Zigbee自组网，支持星状网、MESH网。集成RFX2401C功率放大器 +22dBm 输出功率；集成低噪声放大器 ，板载三个单色LED指示灯，板载两个功能按键一个复位按键。板载IPX外接天线底座，板载PCB天线。
板载段式LCD屏、板载3个RGB LED指示灯、板载四个扩展功能按键、板载1个JoyStick摇杆按键、板载CH340 USB转串口模块；板载2组2*20管脚IO接口，包含ADC、I2C、SPI、UART等总线的扩展接口，可扩展传感器模块及其他模块。
(3)双模蓝牙网络组件
双模蓝牙通信，采用MCU+RF芯片的结构设计，MCU采用TI TM4C123G ，32位ARM Cortex-M4 80MHz主频，射频采用2.4GHz双模蓝牙Smart Ready控制器CC2564；同时支持蓝牙2.0和蓝牙4.0协议，集成了基本速率(BR) / 增强型数据速率 (EDR) / 低功耗 (LE)并且与蓝牙 4.0 技术规范（直到 HCI 层）兼容。BR/EDR特性支持七个激活器件，BLE特性支持6 个同步连接；板载陶瓷天线。
板载3个单色LED指示灯，板载两个功能按键及一个复位按键；板载段式LCD屏，板载3个RGB LED指示灯，板载四个扩展功能按键，板载1个JoyStick摇杆按键，板载CH340 USB转串口模块。板载2组2*20管脚IO接口，包含ADC、I2C、SPI、UART等总线的扩展接口，可扩展传感器模块及其他模块。
(4)低功耗WIFI网络组件
采用TI CC3200控制器，内置80MHz ARM Cortex-M4内核和2.4GHz WiFi射频单元, 支持IEEE 802.11 b/g/n协议，支持WEP/WPA/WPA2。支持WIFI基站、WIFI访问点和 Wi-Fi 直接模式。内置AES、DES、3DES、SHA2、MD5、CRC等硬件加密引擎; 内置TCP/IP协议栈：工业级BSD Socket API，同时支持8路TCP或者UDP Socket通信，同时支持2路TLS和SSL Socket通信。支持SmartConfig、WPS2快速连接技术。板载2个单色LED指示灯，板载两个功能按键一个复位按键，板载一个RGB 网络状态指示灯，内置FTDI调试器，无需仿真器即可在线调试仿真下载程序。
板载段式LCD屏、板载3个RGB LED指示灯、板载四个扩展功能按键、板载1个JoyStick摇杆按键、板载CH340 USB转串口模块；板载2组2*20管脚IO接口，包含ADC、I2C、SPI、UART等总线的扩展接口，可扩展传感器模块及其他模块。
(5)无线无源网络组件
超低功耗无线无源环境能量获取技术模块,采用MCU+RF射频的结构设计，基于环境能量获取技术实现传感采集与通信。TI TM4C123G 80MHz主频32位ARM Cortex-M4. 无线无源射频部分采用EnOcean公司TCM310F模块，能够实现EnOcean系统中的网关功能。符合ISO/IEC 14543-3-10标准。工作频率868 MHz,提供了双向的无线接口，同时也提供了双向的串行接口。能够连接多达15个使用Smart Ack功能的双向传感器。板载段式LCD屏、RGB LED指示灯、功能按键、JoyStick摇杆按键，板载CH340 USB转串口模块。
(6)智能传感器组件
包含多个智能传感器模块，每个智能传感器模块均内置身份识别系统，系统自动监测传感器身份及数据类型。
1)温湿度检测传感器： I2C总线通信，内置身份识别系统，板载存储器，高精度数字输出，湿度检测范围0％RH～100％RH，精度±4.5 %RH，温度监测范围0℃～50℃精度±0.5 °C，湿度漂移≤0.5%RH/yr，温度漂移≤0.04℃/yr，湿度响应时间3s，温度响应时间3-20s
2)光强检测传感器：I2C总线通信，内置身份识别系统，板载存储器，高精度数字输出，光源依赖性弱，峰值灵敏度波长560nm，受红外线影响很小，量程1 - 65535 lx，0.5lx高精度测量耗时120ms~180ms，1lx标准测量耗时120ms~180ms，4lx低精度测量耗时16ms~24ms
3)三轴加速度传感器：I2C总线通信，内置身份识别系统，板载存储器，高精度数字输出，水平检测运动识别，5000g抗冲击，测量范围±8g，灵敏度64计数 / g，XY带宽6kHz Z带宽3.4kHz
4)超声波传感器：I2C总线通信，内置身份识别系统，板载存储器，测量角度15°，探测距离2cm-180cm；精度可达0.3cm
5)继电器控制模块：I2C总线通信，内置身份识别系统，板载存储器，触点形式1H/1Z；最大切换电压：277VAC/30VDC；最大切换电流：1H 15A /1Z 10A；机械耐久性：1×107次；电耐久性1×105次（常开触点，7A 250VAC）；5×104次（常开触点，10A 250VAC）；绝缘电阻：100MΩ；触点与线圈间介质耐压1500VAC/1min；断开触点间介质耐压750VAC /1min；动作时间10ms；释放时间5ms
6)烟雾检测传感器模块：I2C总线通信，内置身份识别系统，板载存储器，模拟信号输出，加热功耗≤900mW；探测浓度范围100ppm-20000ppm；标准工作温度：20℃±2℃Vc:5.0V±0.1V；工作湿度65%±5%Vh:5.0V±0.1V；灵敏度R0(air)/RS (0.1%CH4)＞5；预热时间< 20s；响应时间< 10s；恢复时间< 30s
7)酒精检测传感器模块：I2C总线通信，内置身份识别系统，板载存储器，模拟信号输出，测量范围10-1000ppm（Alcohol）；加热电压5.0V±0.2V；加热电阻31Ω±3Ω；加热功耗≤900mW；响应时间< 10s；恢复时间< 30s；斜率200ppm/1v
8)热释电检测传感器模块：I2C总线通信，内置身份识别系统，板载存储器，被动式热释电红外探测器，响应时间3～30s；感应距离<7米；电压输出型；延时时间 0.5-200S可调；封锁时间2.5S；感应角度<100°锥角

3.2 系统软件
系统软件采用MQTT消息队列遥测传输技术，可以以网络拓扑图的形式展示实训台中的WIFI、蓝牙、Zigbee和无线无源4种通信方式的组网功能；可以以图形化的界面展示了各种传感器的数据采集以及被控对象控制功能。同时支持MQTT协议和串口协议方式通信。设计开放、简单、轻量、易于实现。使用发布/订阅消息模式，提供一对多的消息分发，解除应用程序之间的耦合。当实训台中的智能网关通过网络通信时，按照网关连接的MQTT代理软件的网络位置，可以使实训台中各种节点和传感器管理监控方式在局域网和广域网之间灵活的切换。内嵌智能家居系统、智能农业系统、智能安防系统等应用，可实现家居环境数据监测、家电手动和自动控制、安防报警、农业大棚环境数据监测以及自动调节等功能；各种应用系统智能识别通信方式，同时支持串口、局域网、广域网免配置连接通信。具有节点云、局域云、广域云三层物联网通信架构。

3.3 教学实验资源
（1）无线传感网课程：
Cortex-M3开发基础实验
IAR工程建立实验
LED-Blinky实验
LCD显示控制实验
GPIO中断实验
ADC模数转换器实验
Timer定时器实验
睡眠模式实验
UART串口通信实验
SPI接口实验
UART转USB实验
RF基础开发实验
点对点通信实验
发射功率设置实验
无线信道设置实验
无线监听实验
应答ACK实验
Z-Stack无线网络基础实验
星状网自动组网实验
MESH网自动组网实验
Zigbee组应用实验
绑定的简单应用实验
网络采集控制实验
（2）智能传感器课程：
入门实验
智能传感器底板LED Blinky实验
无线模块识别实验
单个传感器实验
数字温湿度传感器实验
数字光强度传感器实验
数字三轴加速度传感器实验
数字大气压传感器实验
数字九轴传感器实验
两通道电压输出传感器实验
超声波测距传感器实验
两通道继电器输出模块实验
人体热释电红外传感器实验
红外光电计数传感器实验
位移传感器实验
二氧化碳传感器实验
酒精传感器实验
烟雾传感器实验
触力传感器实验
霍尔传感器实验
电流检测传感器实验
电压检测传感器实验
心率检测传感器实验
DB9串口扩展模块通信实验
GPS定位扩展模块实验
MP3扩展模块音频播放实验
（3）WIFI组网课程：
Cortex-M4基础开发实验
IAR工程建立实验
LEDBlinky实验
I2C接口实验
外部中断实验
ADC模数转换器实验
定时器实验
UART接口通信实验
SPI接口通信实验
UART转USB接口实验
WiFi网络应用入门
WIFI连接策略实验
WLAN Station入门实验
WLAN AP 入门实验
WiFi收发器模式实验
WiFi网络基础应用
TCP Server实验
TCP Server实验
TCP Client实验
WiFi高级网络应用
SmartConfig实验
WPS实验
HTTP Server实验
基于Android的三轴加速度传感器实验
基于Android的气压传感器实验
基于Android的温湿度传感器实验
基于Andorid的光照度传感器实验
（4）蓝牙组网课程：
Cortex-M4基础开发实验
IAR工程建立实验
LED-Blinky实验
看门狗实验
I2C接口LCD实验
GPIO外部中断实验
ADC采集实验
定时器实验
冬眠模式及唤醒实验
UART接口实验
SPI接口实验
UART转USB实验
Bluetooth协议Profile相关实验
ANP Demo相关实验
HID Demo相关实验
HRP Demo相关实验
HTP Demo相关实验
PASP Demo相关实验
SPP Demo相关实验
SPPLE Demo相关实验
（5）无线无源组网课程：
Cortex-M4基础开发实验
IAR工程建立实验
LED-Blinky实验
I2C接口LCD实验
GPIO中断实验
ADC采集实验
定时器实验
UART接口实验
SPI接口实验
UART转USB实验
EnOcean相关实验
（6）物联网工程综合实训：
MQTT云端采集控制
智能家居系统
智能农业系统
智能灯光控制系统
智能环境监测系统