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物联网应用开发实验平台设计

发表时间：2020/10/19 来源：《基层建设》2020年第19期作者：姚威

[导读] 摘要：随着经济和科技水平的提高，物联网作为我国战略性新兴产业得到高度重视，其应用型人才需求旺盛，实验室建设则是人才培养的关键所在，通过对物联网应用开发实验平台的功能分析，从应用开发模块、无线传感器节点、控制节点三个方面的设计和实验环境的搭建，构建物联网应用开发实验平台，强化物联网实验室建设，提升学生应用能力的培养。

        大连东软信息学院辽宁省大连市 116033
        摘要：随着经济和科技水平的提高，物联网作为我国战略性新兴产业得到高度重视，其应用型人才需求旺盛，实验室建设则是人才培养的关键所在，通过对物联网应用开发实验平台的功能分析，从应用开发模块、无线传感器节点、控制节点三个方面的设计和实验环境的搭建，构建物联网应用开发实验平台，强化物联网实验室建设，提升学生应用能力的培养。
        关键词：物联网；实验平台；应用开发
        引言
        由于实验设备及实验系统研发难度较大、研发周期较长等特点，多数高校的实验相关设备与系统一般来自第三方，通过教师自主研发的较少。采用第三方实验设备及系统，与高校实验教学关联性与针对性不强，往往不能满足实验教学的需求。针对以上问题，本文提出了通过教师自主设计开发一款基于物联网的综合实验系统，系统与物联网相关课程实验相结合，满足实验实训的要求，同时能够满足创新创业教育与教学的需求。
        1物联网应用开发实验平台功能分析
        物联网体系架构由感知层、网络层和应用层组成，在感知层通过IOT设备进行信息采集、传输处理和自动控制；在应用层一般使用运程控制端通过网络层向IOT设备获取信息或发送控制指令，IOT设备返回信息或执行指令，经过网络分析并显示在远程的控制端；处理和存储IOT设备采集的信息的位置有很多，如云存储端、本地数据库、远程控制端或者IOT设备；IOT网关则是连接感知网络与传统通信网络的纽带，可以实现协议转换、感知节点管理和远程控制。
        1.1总体设计
        物联网应用开发实验平台总体设计，主要由无线传感器节点、应用开发模块、控制节点、PC机或云平台等部分组成。无线传感器节点负责采集环境中的温度等数据，并将所采集的数据传给应用开发模块对数据进行处理，再传送至PC机或云平台等上位机，这样就可以在上位机上看到传感器所采集的各种数据。上位机对环境中相应数值的设定，通过应用开发模块来控制控制节点的动作；同时预设好某个数值，当达到该数值时应用开发模块发出控制指令使控制节点动作。
        1.2系统的功能模块
        系统包括称重硬件单元、主机单元以及手机APP单元。称重硬件单元包括称重传感器、数模转换模块、微处理器单元、通信模块、电源模块等，实现重量数据采集、转换及处理；主机单元包括设置参数、功能单元、存储单元及打印单元等功能模块，实现重心重量的计算、控制、设置、存储、打印等功能；手机App单元与主机单元类似，包括设置参数、功能单元、存储单元及打印单元等功能模块，通过手机端实现对重心重量信息的处理、控制及管理。称重硬件部分包括，一是传感器部分，实现重量数据采集；二是模数转换部分，实现重量电压模拟信号转换为数字信号；三是控制处理部分，实现重量的计算处理及系统数据的存储管理；四是通信部分，主要指微控制单元与上位机即主机与手机端主控制器的通信，包括ZigBee、蓝牙、WiFi、串口等通信方式；五是电源部分，为了保证便携式系统能够在无交流电环境下正常工作，由电源控制单元为系统提供两路电源，一是直接提供电源适配器，二是通过蓄电池组供电。
        1.3应用开发模块设计
        应用开发模块的嵌入式网关基于S5PV210处理器设计，该处理器采用ARMCortexTM-A8内核，ARMV7指令集，主频可达1GHZ，64/32位内部总线结构，32/32KB的数据/指令一级缓存，512KB的二级缓存，可以实现超过2.0DMIPS/MHz的高性能运算能力，包含强大的多媒体硬件编解码功能。

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应用开发模块采用核心板与底板分离的形式，即将S5PV210的最小系统高度集成为核心板结构，采用6层PCB设计，与底板采用邮票连接方式。而系统的外围设备，例如RS485、LVDS、UART、LCD等接口，键盘、USB模块、GPS模块等则放置在底板上，底板采用两层板即可满足设计要求。
        1.4无线传感器节点设计
        无线传感器网络系统包括若干无线传感器节点、一个无线网络协调器和一套后台监控软件。其中，无线传感器节点具有本地数据采集传输和转发邻节点数据的双重功能，可以在后台管理软件和协调器的控制下采集数据，并将数据经过多跳路由传输。无线传感器节点由传感模块、无线节点模块和电源板三个部分构成，采用独立分离设计，方便在实验中更换和维护，有利于学生自主进行应用开发实验，以提高他们的应用开发能力。（1）传感模块系统包含多种传感模块，有常用的温度、湿度、光敏、光线、烟雾、可燃气、二氧化碳、火焰、RFID门禁、红外对射、GPS定位、声音等十多种传感信号采集。考虑学生的创新能力培养，预留了传感器扩展用的接口。（2）无线节点模块主芯片采用TI公司的CC2530F128，2.4G载频，棒状天线。CC2530具有代码预取功能的低功耗8051微控制器内核，RF性能优良，内置8-KB可编程内存，CC2530F128具有128KB闪存，支持Z-Stack协议栈。
        1.5控制节点设计
        控制节点包括风扇、步进电机、LED灯、电磁阀、蜂鸣器等，实现对环境感知的反馈控制。这些器件采用交流供电，在交流供电回路中添加ZigBee微控制器实现远程控制。根据预先设定的条件，在传感模块所采集的数值达到一定数值时通过应用开发模块来启动控制节点。PC机或云平台也可直接设定相应数值，控制相应节点器件的动作。
        2实验环境的搭建
        2.1应用开发模块系统烧写
        （1）硬件连接应用开发模块通过串口和PC机相连进行交互，查看应用开发模块输出的串口信息以及通过串口控制应用开发模块，也可以通过RJ45网口连接进行网络传输，通过OTG-USB接口将UBoot、Kernel、Rootfs等下载、烧写到应用开发模块的NandFlash中。（2）制作系统启动用的SD卡在windows操作系统下，把SD卡进行分区，预留前10MB给uboot，然后格式化成FAT32。用moviNAND_Fusing_Tool_v2.0工具软件把u-boot.bin烧写到SD卡中。（3）烧写应用开发模块系统在SD卡上新建文件夹，命名为sdfuse，把需要烧写的系统文件u-boot.bin、kernel.img、system.img、ramdisk-uboot.img等复制到sdfuse文件夹里。
        2.2Android开发环境搭建
        在PC机上搭建基于Android的物联网应用开发环境，需要安装Java开发工具包JDK，配置Windows上JDK的三个环境变量JAVA_HOME、Path、CLASSPATH，安装配置Android软件开发工具包SDK，安装Android全功能的开发环境AndroidStudio。并安装开发Z-Stack协议栈应用程序的辅助软件IAR8.10-8051等。
        结语
        本文设计的物联网应用开发实验平台简洁实用，功能齐全，可以放在一个实验箱里，有效降低实验室建设成本。将网关等昂贵硬件集成在电路板上，而无线传感器节点的分离设计，可提高实验教学部署的速度和灵活性，方便学生自由搭建物联网应用环境，以提高学生的物联网学习热情与创新能力。
        参考文献
        [1]中投顾问.2019-2023年中国物联网产业深度调研及投资前景预测报告(上下卷) origin=360_sosuo.