面向应用型本科的物联网实训平台的设计

郑斌

摘要：本文主要研究面向应用型本科的物联网实训平台的开发，将当前热门的嵌入式技术和最具市场潜力的智能家居产品方案结合，旨在为高校师生接触和研究物联网技术搭建桥梁。

关键词：物联网；智能门禁；智能环境监测；智能安防；智能家电

中图分类号：TP273.5 文献标识码：A 论文编号：1674-2117（2016）01-0076-03

引言

物联网是一个涵盖和跨越大量现有的专业门类和技术体系的国家战略性新兴技术，是当前世界新一轮经济和科技发展的战略制高点之一。[1-3]如何与时俱进地培养物联网专业人才成了高校教育的首要任务。从2010年以来，全国200多所本科院校、100多所专科院校相继开设了物联网工程专业。物联网技术是下一代信息技术的代表[4]，物联网是典型的交叉学科，如何利用3～4年时间让学生熟悉和掌握物联网技术，培养满足社会需求的物联网专业人才，各高校和社会各界人士都在积极探讨。高校教师团队身处一线教育岗位，结合学生学习的实际需求与教学需求，设计一套适合培养优秀的物联网专业人才的教学设备，有着重大的社会意义。[5-7]

在物联网的众多典型应用中，智能家居和我们的生活关系最密切，其市场正日渐兴起。伴随着巨大的产业需求，我国智能家居产业的人才需求量也一路高涨。智能家居的目的是创造一个优质高效、舒适安全、便利节能、健康环保的居住环境，优化人们的生活方式和居住环境，帮助人们有效地安排时间、节约各种能源。[8-10]智能家居平台也是一个涵盖多种交叉学科的综合平台，是将理论知识灵活应用到实际生活的经典之作。[11]因此，研究和学习智能家居的开发过程成为许多高校培养物联网应用人才的一个有效途径。

学生在物联网实训平台的实践中不仅能接触到硬件设计、软件代码编写，还能体会实际产品开发过程中各相关专业知识的交叉引用，积累开发经验。有了物联网实训平台，学生不用走出校门、不用找企业实习，在实验室里就能积累项目经验、培养团体精神、提高技术技能，为就业创造更好、更多的机会。

实训平台整体设计

面向应用型本科的物联网实训平台，以物联网技术在智能家居领域的综合应用为切入点，将与居家生活有关的各种设备有机地结合起来，通过网络远程综合管理设备。笔者主要采取点面结合的研究方法，吸收了嵌入式处理器、ZigBee无线模块、RFID模块的最新研究成果，并注重对各大高校需求进行调研，以期找到符合大多数普通高校所要求的物联网实训平台的设计方案，构建求大同存小异的物联网实训平台。本文按功能将物联网实训平台划分为4个子系统，下页图1是系统的整体结构框架图。

各模块的主要功能包括：

①中央控制器：中央控制器是物联网综合集成创新实践平台的核心，中央控制器采用S3C6410+Linux操作系统，通过QT界面功能菜单、来自互联网负责的命令、手机短信控制和遥控器控制信息等多种控制手段，控制实训平台的各个终端节点。

②智能门禁子系统：门禁模块主要实现指纹识别、ID卡识别、密码识别、可视对讲、文本留言、语音留言和图像留言等功能。门禁控制器采用S3C6410+Linux操作系统，通过QT界面功能菜单以及外围模块连接中央控制器共同实现门禁的各项功能。

③智能环境监测子系统：室内信息包括室内温度、室内湿度及室内光照度等信息；传感器采集到相应信息后，通过ZigBee网络传输给中央控制器，中央控制器通过友好的人机交互界面实时显示室内环境信息，同时以折线图的方式，清楚地展现出环境变化情况，环境监测信息同时会作为其他子系统控制判断的依据。

④智能安防子系统：安防模块由火焰、烟雾、燃气及人体红外4种传感器及终端检测控制器组成，负责防火、防爆及防盗探测报警。在正常布防状态下，安防模块节点将采集到的实时数据通过ZigBee网络将报警信息发送给中央控制器，中央控制器根据设定的阈值和预设的报警方案启动报警，预警方式有短信、声光、语音和文字等。

⑤智能家电控制子系统：家电控制包括灯光控制、窗帘控制、风扇控制。控制家电时，中央控制器接收互联网、手机客户端或中央控制器QT界面功能菜单控制命令，通过ZigBee网络将控制命令发送给由目标家电连接的终端节点，控制相应的家电。控制灯光的亮/灭和窗帘的开/合；在自动情境模式中，通过检测室内光照度等信息，完成灯光及窗帘的自动控制。

各子系统设计

1.智能门禁子系统设计

主控制器由嵌入式网关、7寸显示触摸屏、室内摄像头、3G模块等组成。嵌入式网关采用ARM1176JZF-S3C6410 + Linux 2.6操作系统。网关的输入方式采用电阻式触摸屏输入，用户可在触摸屏上通过点触来实现对智能终端的控制，也可以通过触摸屏来输入信息。主控制器按照使用功能又分为室内中央控制器和室外门禁控制器。室外门禁控制器通过以太网路由器组成局域网，其结构框架图如图2所示。

2.智能环境监测子系统设计

室内环境监测模块主要由ZigBee节点、温湿度检测传感器、光照度检测传感器和二氧化碳检测传感器组成。ZigBee节点将采集到的室内环境信息，通过无线方式传递给协调器；协调器模块通过串口1与室内中央控制器连接；中央控制器通过读取串口数据获得数据帧，再根据通信协议解析协议内容提取温湿度和光照度的具体数据值。图3所示的是ZigBee网络下的环境监测子系统。

3.智能安防子系统设计

安防模块主要由ZigBee节点、火焰传感器、烟雾传感器、燃气传感器和人体红外传感器组成。ZigBee节点将采集到的安防信息，通过无线方式传递给协调器；协调器模块通过串口1与室内中央控制器连接；中央控制器通过读取串口数据获得数据帧，再根据通信协议解析协议内容提取各安防监测数据。在布防时，中央控制器通过串口发送指令给协调器，协调器再根据节点编号发送给目标节点。图4所示的是ZigBee网络下的安防子系统。

4.智能家电控制子系统设计

家电控制模块主要由ZigBee节点、LED呼吸灯、电动窗帘和PWM风扇组成，室内中央空调接收来自QT界面、Web网页、手机客户端或短信发来的控制指令，将指令转化为控制命令帧，发送给协调器。协调器再通过ZigBee网络将指令发送给要控制的家电模块。ZigBee节点模块在接收到控制命令帧后，通过协议解析命令帧，控制家电模块做出相应动作。图5所示的是ZigBee网络下的家电控制子系统。

结语

笔者将物联网实训平台分成4个部分，分别设计了各部分的个子系统，此实训平台具有以下一些特点：①多学科集成创新技术。诸多技术的融合可加深物联网工程及相关专业的学生对一些关键物联网技术的理解，方便他们灵活学习和应用各科知识，提高实践和创新能力。②嵌入式可视对讲技术。门禁模块与中央控制器组成局域网，以S3C6410+QT的开发模式，在Linux操作系统中移植Qt4.7.0，通过TCP/IP协议进行音视频的实时交互，实现模拟门禁监控与对讲功能。③多传感器网络的数据识别与采集。能同时采集多种类的终端传感器，在ZigBee节点上完成数据的识别、传送和采集。相信随着科技的发展，实训平台将会越来越完善。

参考文献：

[1]朱洪波，杨龙祥，于全.物联网的技术思想与应用策略研究[J].通信学报，2010（11）：2-9.

[2]高刃.基于无线传感器网络的智能家居系统的设计与实现[J].无线通信，2012，2（4）：85-89.

[3]杜伟略，潘健.物联网综合实训平台设计[J].实验技术与管理，2013（9）：63-67.

[4]金星.嵌入式智能家居系统的总体设计与实现[D].南昌： 江西农业大学，2013.

[5]潘雷，余伟，闫艳红.高职物联网实训中心建设[J].电子商务，2013（8）：75-76.

[6]黄沛沛.物联网实验箱上位机管理系统[D].武汉：武汉理工大学，2012.

[7]陈琦，韩冰，秦伟俊，等.基于Zigbee/GPRS物联网网关系统的设计与实现[J].计算机研究与发展，2011（S2）：367-372.

[8]王志军.基于物联网技术的智能家居系统的实现研究[D].合肥：安徽理工大学，2012.

[9]汤奕，鲁针针，宁佳，等.基于电力需求响应的智能家电管理控制方案[J].电力系统自动化，2014（9）：93-99.

[10]王娟.基于ZigBee无线传感网络的智能家居系统设计与实现[D].上海：东华理工大学，2013.

[11]郑世珏，卢强.基于嵌入式的移动学习教学实验箱设计与实现[J].实验技术与管理，2012（12）：51-54.