物联网工程专业实训平台构建与研究

摘 要：针对现代物联网实验发展的新趋势，构建了包括基础控制实验、智能家居模拟应用模块、温室大棚模拟应用模块和智能货架模拟应用模块在内的现代物联网实训平台，探讨了物联网专业实训平台架构及其功能模块，并完成了相应的实验教学内容、实验教学方式等改革，很好的完善了整个实验教学体制和实验教学内容，为学生在物联网系统及工程应用方面提供了完善的实践平台，为高校建立虚拟实训基地提供理论参考。

关键词：现代物联网；实训平台；智能家居；温室大棚；智能货架

中图分类号：G40-057 文献标识码：A

1 引言（Introduction）

2 设计特色（Features of design）

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：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：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“透明”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 体系结构与功能（System structure and function）

这里以智能家居为例说明系统体系结构、功能和开发。

3.1 智能家居应用系统体系结构

智能家居是一个居住环境，是以住宅为平台安装有智能家居系统的居住环境，实施智能家居系统的过程就称为智能家居集成。系统采用无线传感网络技术实现对家中温度、湿度、光照等环境参数的检测，以及通过烟雾、人体感应的感知设备实现家庭的安防、消防等功能。智能家居系统的体系结构如图1所示。

3.2 智能家居应用系统功能

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。

4 详细设计（Detail design）

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。在设计过程中，我们把整个物联网实训平台分为基础控制区、智能家居模拟应用模块、温室大棚模拟应用模块、智能货架模拟应用模块等部分组成。各个组成部分参数与功能如表1所示。

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。

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。 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。

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。智能货架管理系统的功能包括：货物盘点、货物位置查询等功能。

5 结论（Conclusion）

物联网专业实训平台采用了系统化与模块化的设计，既可以进行专项实验又可以进行综合实验。专项实验主要用于ZigBee基本组网与参数读写实验、ZigBee传感数据采集与控制实验、蓝牙无线传感网实验、WiFi无线传感网实验、GPRS无线传感网实验、RFID射频识别基础与应用实验等实验，综合实验主要用于ZigBee智能家居模拟应用开发、ZigBee温室大棚模拟应用开发等实验。该实训平台服务于RFID技术应用与实践、无线传感网应用与实践、物联网案例综合实践、物联网信息系统应用与实践和物联网课程综合实践等课程。通过实训平台在物联网专业系统课程实施后，提炼了实训教学内容，改变了实训教学方式方法，得到师生广泛认可，实施效果显著，培养了学生物联网技术实战化应用和项目开发能力。