物聯(lián)網(wǎng)實驗室環(huán)境監(jiān)測教學(xué)實驗平臺研究

摘要：本文以構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)課程的實驗教學(xué)平臺為核心，探討射頻識別（RFID）技術(shù)和傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）技術(shù)的實驗教學(xué)系統(tǒng)的解決方案，研究和設(shè)計了面向?qū)嶒炇噎h(huán)境舒適度監(jiān)測的物聯(lián)網(wǎng)實時數(shù)據(jù)監(jiān)控和處理的實驗平臺，運用該平臺可實現(xiàn)傳感器節(jié)點感知和采集、RFID讀寫、物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)和通信、信息查詢及報警等實驗過程，實驗平臺有助于學(xué)生理解面向具體應(yīng)用的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，且具有擴展性便于擴展實驗。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；實驗教學(xué)；傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)；數(shù)據(jù)采集

中圖分類號：G642.0 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2014）10-0158-04

一、引言

物聯(lián)網(wǎng)被看作是繼計算機、互聯(lián)網(wǎng)與移動通信網(wǎng)之后的又一個信息產(chǎn)業(yè)浪潮。近年來國內(nèi)外高校紛紛開設(shè)了物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)專業(yè)和課程。物聯(lián)網(wǎng)課程強調(diào)理論技術(shù)與實踐的緊密結(jié)合，對課程實驗有較高的要求，需要一體化的實驗配套設(shè)施，且需要設(shè)計具有較強直觀性、實用性并能有效驗證物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)原理的實驗平臺和系統(tǒng)等。目前在物聯(lián)網(wǎng)實驗方面還沒有有效的實驗教學(xué)解決方案，因此，很多高校開始組織研究和設(shè)計力量研發(fā)適合自身實驗教學(xué)特點、專業(yè)性強的實驗教學(xué)平臺。

目前國內(nèi)高校開展物聯(lián)網(wǎng)實驗仍以單項技術(shù)實驗為主，如以RFID標(biāo)識讀寫實驗、以單片機或嵌入式平臺為主的各類型傳感器實驗。這些實驗主要從物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)技術(shù)入手，以掌握物聯(lián)網(wǎng)基本支撐技術(shù)為主導(dǎo)思想。而對于實際物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)如智能行車安全應(yīng)用系統(tǒng)、智能醫(yī)療系統(tǒng)、智能家居系統(tǒng)等，因系統(tǒng)規(guī)模大、設(shè)計復(fù)雜、涉及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)較多等因素，在教學(xué)中以理論講解為主，實驗平臺設(shè)計和實現(xiàn)起來有一定困難。針對上述現(xiàn)狀和問題，本文旨在探討物聯(lián)網(wǎng)實驗教學(xué)平臺的新方法，在現(xiàn)有單項物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)實驗基礎(chǔ)上，設(shè)計和實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測實驗平臺，擬采用該平臺為學(xué)生展示物聯(lián)網(wǎng)基本系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)、組網(wǎng)技術(shù)和方法，并通過對實驗室環(huán)境舒適度物理量進行監(jiān)測，旨在幫助學(xué)生理解物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)如傳感器技術(shù)、傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的主要原理和實現(xiàn)過程，以便學(xué)生能夠加深理解、學(xué)以致用。本文提出的實驗平臺依托通信與系統(tǒng)工程專業(yè)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用成果、院校內(nèi)部現(xiàn)有的校園網(wǎng)絡(luò)和硬件資源，設(shè)計、開發(fā)一個物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境監(jiān)測實驗教學(xué)平臺用于智能實時監(jiān)測實驗室環(huán)境舒適度數(shù)據(jù)，提高對理論教學(xué)的支持能力，旨在提供一種面向?qū)嶋H應(yīng)用的物聯(lián)網(wǎng)實驗教學(xué)系統(tǒng)的主流解決方案，為今后物聯(lián)網(wǎng)實驗教學(xué)的發(fā)展提供依據(jù)和參考。本文設(shè)計和實現(xiàn)的物聯(lián)網(wǎng)實驗室監(jiān)測教學(xué)實驗平臺的主要優(yōu)勢在于：

1.該實驗平臺構(gòu)建在物聯(lián)網(wǎng)單項實驗基礎(chǔ)上，對現(xiàn)有RFID技術(shù)、傳感器技術(shù)、無線通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進行了融合，并以實際應(yīng)用即實驗室環(huán)境監(jiān)測為目標(biāo)，有效實現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)實驗的直觀性、實用性，通過實驗平臺能夠?qū)崿F(xiàn)實時數(shù)據(jù)采集和報警處理等，有效驗證了物聯(lián)網(wǎng)各支撐技術(shù)的原理和方法。相比現(xiàn)有單項實驗而言，增強了實用性，建立了一個小型的物聯(lián)網(wǎng)示范實驗系統(tǒng)，便于學(xué)生理解物聯(lián)網(wǎng)原理和技術(shù)，提高實際動手能力。

2.該實驗平臺構(gòu)建在現(xiàn)有實驗室網(wǎng)絡(luò)條件和硬件設(shè)備基礎(chǔ)上，充分利用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)資源和硬件節(jié)點資源，實驗系統(tǒng)中智能監(jiān)測的RFID設(shè)備、傳感器節(jié)點設(shè)備采用分布式組網(wǎng)，方式靈活、易于擴展；能有效地為學(xué)生提供一個分布式自主、協(xié)作的實驗學(xué)習(xí)環(huán)境，并有助于后一步隨學(xué)習(xí)進程開展，增加和擴充實驗平臺結(jié)構(gòu)，逐步擴展平臺資源和豐富實驗平臺功能。此外，本實驗平臺組網(wǎng)簡單、靈活，也可被移植到其他相似類型的應(yīng)用場景中去。

二、物聯(lián)網(wǎng)實驗室環(huán)境監(jiān)測實驗平臺

物聯(lián)網(wǎng)實驗室環(huán)境監(jiān)測教學(xué)實驗平臺系統(tǒng)旨在利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)如RFID技術(shù)、傳感器技術(shù)、無線通信技術(shù)作為有效監(jiān)測手段，以實驗室環(huán)境監(jiān)測作為典型示范應(yīng)用，實現(xiàn)有效的實時實驗室典型位置區(qū)域的環(huán)境數(shù)據(jù)采集和舒適度決策報警的智能提示功能。實驗過程中，我們將布設(shè)若干傳感器節(jié)點設(shè)備，放置在實驗室典型位置區(qū)域用于監(jiān)測環(huán)境數(shù)據(jù)（這里主要采用溫濕度傳感器、光照傳感器等采集環(huán)境基本物理量），同時我們還在部分實驗室硬件設(shè)備資源如手機、筆記本電腦上貼上RFID標(biāo)簽，以及在人員身上攜帶RFID標(biāo)簽如實驗室門禁卡等，這些攜帶RFID標(biāo)簽的設(shè)備經(jīng)人員攜帶等方式在實驗的過程中改變放置位置，用于跟蹤設(shè)備所處環(huán)境的實時環(huán)境數(shù)據(jù)信息。整個實驗環(huán)境中的智能終端和節(jié)點設(shè)備，通過自組織方式組網(wǎng)，傳感器節(jié)點通過多跳方式將采集的數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)絽R聚節(jié)點，匯聚節(jié)點通過實驗室現(xiàn)有的局域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)資源接入后臺監(jiān)控服務(wù)器，用戶通過B/S方式訪問監(jiān)控服務(wù)器實現(xiàn)實時實驗室環(huán)境數(shù)據(jù)查詢功能，包括典型實驗區(qū)域的環(huán)境數(shù)據(jù)和配有RFID標(biāo)簽的特定設(shè)備所處環(huán)境周邊環(huán)境數(shù)據(jù)的查詢等等。此外，監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計功能提供了數(shù)據(jù)決策方案，根據(jù)采集的環(huán)境數(shù)據(jù)和預(yù)先設(shè)定的閾值實現(xiàn)實驗室環(huán)境舒適度的報警功能。

從網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)上考慮，該實驗平臺系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)主要包括三大部分：傳感器節(jié)點、匯聚節(jié)點和監(jiān)控服務(wù)器，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。傳感器節(jié)點用于感知環(huán)境中的物理量數(shù)據(jù)，并以多跳形式傳輸。從功能上來說，相鄰的幾個智能節(jié)點可形成簇，共同協(xié)同監(jiān)測實驗室環(huán)境狀態(tài)，簇內(nèi)的一部分部分節(jié)點作為普通的智能采集節(jié)點，有一個節(jié)點除了承擔(dān)采集功能外，還需要承擔(dān)簇內(nèi)的調(diào)度管理，當(dāng)然，也可通過監(jiān)控服務(wù)器的遠程配置，靈活設(shè)置各節(jié)點功能。匯聚節(jié)點負責(zé)把傳感器采集的數(shù)據(jù)信息進行匯聚，收集和融合所有監(jiān)測數(shù)據(jù)，然后通過實驗室網(wǎng)絡(luò)資源包括無線或者有線的方式，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控服務(wù)器上。監(jiān)控服務(wù)器可提供具有權(quán)限的用戶訪問和查詢實驗室環(huán)境數(shù)據(jù)以及提供相應(yīng)用戶環(huán)境舒適度報警信息等。因此監(jiān)控服務(wù)器是信息最終匯集和分析處理的地方，其核心是數(shù)據(jù)庫，借助數(shù)據(jù)庫管理功能，可將數(shù)據(jù)顯示在監(jiān)測用戶的PC機上，在后一步擴展實驗中，還可以根據(jù)需求將數(shù)據(jù)提供給有權(quán)限的手機和PDA用戶。監(jiān)控服務(wù)器提供的預(yù)警功能可完成緊急情況下的舒適度預(yù)警，為應(yīng)急處理工作提供依據(jù)。

從邏輯功能結(jié)構(gòu)上考慮，該實驗平臺系統(tǒng)主要完成的是對實驗室環(huán)境的溫濕度等基本物理量信息的采集、傳輸和處理，在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)對實驗室環(huán)境的實時舒適度監(jiān)測和報警維護。圖2為實驗平臺系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)示意圖。endprint

根據(jù)圖2所示的實驗平臺系統(tǒng)功能邏輯結(jié)構(gòu)圖，從軟件設(shè)計的角度，實驗平臺功能的具體實現(xiàn)包括以下幾個部分：（1）數(shù)據(jù)分析和處理。實驗平臺系統(tǒng)軟件借助數(shù)據(jù)庫和PC機的功能完成對采集數(shù)據(jù)的接收、分析和處理。主要包括將數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫中，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的程序?qū)?shù)據(jù)進行分析處理。（2）系統(tǒng)配置。對數(shù)據(jù)進行處理分析之后，系統(tǒng)軟件借助數(shù)據(jù)庫來完成服務(wù)器配置、傳感器節(jié)點配置、RFID設(shè)備配置、事件和報警信息配置以及管理權(quán)限配置。這些功能配置在預(yù)先設(shè)定之后，即可實現(xiàn)對實驗室舒適度環(huán)境的管理和維護。具體包括：在網(wǎng)絡(luò)連接或網(wǎng)絡(luò)組織前，進行正確的數(shù)據(jù)庫配置。包括IP、端口、數(shù)據(jù)庫名稱的配置等。監(jiān)控服務(wù)器和數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點的通信，提供串行232接口，因此需要對端口號、速率、停止、開始、數(shù)據(jù)位、CRC配置。通信接口的配置可選擇使用特定通信方式進行數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)接入。在實驗室環(huán)境監(jiān)測實驗平臺系統(tǒng)中，需要對智能節(jié)點和設(shè)備進行配置，人工指定節(jié)點的功能和工作狀態(tài)。并對節(jié)點的當(dāng)前能量狀態(tài)以及節(jié)點所測得的相關(guān)環(huán)境參量值進行設(shè)置，方便網(wǎng)絡(luò)進行分析管理。對于舒適度異常報警的設(shè)置是指通過設(shè)置報警閾值，當(dāng)確認(rèn)監(jiān)測到實驗室環(huán)境舒適度數(shù)據(jù)如溫濕度超過設(shè)置閾值，可自動啟動報警提示模式。管理權(quán)限配置是指用戶權(quán)限設(shè)置，可通過設(shè)置權(quán)限，限定不同類型和級別的用戶，分配不同的權(quán)限，比如一般用戶可查看數(shù)據(jù)和監(jiān)測信息，高級用戶可進行網(wǎng)絡(luò)的配置和配置數(shù)據(jù)庫等。（3）監(jiān)測信息顯示。系統(tǒng)提供實時監(jiān)控功能，借助顯示屏、PC機和數(shù)據(jù)庫，可以將實驗室舒適度信息實時顯示在顯示屏上，包括圖表曲線信息以及相關(guān)預(yù)警信息。在驗證用戶權(quán)限后提供交互界面，用戶通過輸入條件可以查詢實驗室環(huán)境舒適度信息，包括數(shù)據(jù)庫存儲的實時和歷史信息，并且以圖表的形式顯示。圖3是實驗平臺系統(tǒng)的監(jiān)測示意界面。

三、物聯(lián)網(wǎng)實驗教學(xué)的工作流程和實驗案例

物聯(lián)網(wǎng)實驗教學(xué)流程結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示，在實驗教學(xué)過程中使用前述實驗平臺系統(tǒng)分3步進行實驗，幫助學(xué)生理解物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備基本工作方式、傳感器自組織組網(wǎng)、傳感器網(wǎng)絡(luò)信息采集和匯聚以及使用實驗平臺實現(xiàn)實驗室環(huán)境數(shù)據(jù)的查詢和數(shù)據(jù)報警功能。如圖4所示，實驗第1步為物聯(lián)網(wǎng)智能終端的調(diào)試和使用，具體包括傳感器節(jié)點數(shù)據(jù)采集實驗和RFID讀寫實驗。實驗第2步為傳感器節(jié)點組網(wǎng)和數(shù)據(jù)匯聚實驗，即傳感器節(jié)點自組織形成簡單拓撲的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，組網(wǎng)后數(shù)據(jù)信息由多跳轉(zhuǎn)發(fā)最終收集到匯聚節(jié)點的過程。實驗第3步為實驗室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)觀測實驗，即利用平臺提供的監(jiān)控模塊，實驗室局域網(wǎng)用戶接入監(jiān)控服務(wù)器對監(jiān)控管理系統(tǒng)進行訪問，提供查詢條件得到信息查詢結(jié)果，并在客戶端以圖形化方式展示；同時客戶端接入監(jiān)控管理系統(tǒng)時，如某實驗室某特定點舒適度物理量數(shù)據(jù)值超過預(yù)設(shè)閾值，則客戶端可得到報警對話框提示。

傳感器節(jié)點數(shù)據(jù)采集：實驗中采用ZigBee來實現(xiàn)傳感器的物理層。包括協(xié)調(diào)器和傳感控制節(jié)點，使用溫濕度傳感器進行數(shù)據(jù)采集。溫度傳感器數(shù)據(jù)采集使用板載的DS18B20傳感器采集節(jié)點工作溫度。

RFID讀寫：RFID按應(yīng)用頻率的不同分為低頻（LF）、高頻（HF）、超高頻（UHF）、微波（MW），相對應(yīng)的代表性頻率分別為：低頻135KHz以下、高頻13.56MHz、超高頻860M-960MHz、微波2.4G-5.8G。目前，實際RFID應(yīng)用以低頻和高頻產(chǎn)品為主，但超高頻標(biāo)簽因其具有可識別距離遠和成本低的優(yōu)勢，未來將有望逐漸成為主流。RFID讀寫器底板支持低頻讀寫器模塊、高頻讀寫器模塊和超高頻讀寫器模塊；支持串口、WiFi、以太網(wǎng)口三種通信方式。低頻RFID讀寫實驗包括兩步：第一步設(shè)置串口工作方式并啟動低頻，第二步為讀卡操作，打開串口模塊低頻選項卡，選擇正確的標(biāo)簽類型，開始讀卡操作。

物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)通信與數(shù)據(jù)收集實驗：采用無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，可定時采集實驗室環(huán)境的相關(guān)環(huán)境數(shù)據(jù)，利用ZigBee協(xié)調(diào)器，通過傳感控制節(jié)點將環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)器，并以圖表方式顯示給用戶，當(dāng)監(jiān)測數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時，可利用軟件網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)對實驗室環(huán)境的控制。也可通過Internet網(wǎng)絡(luò)、手機短信遠程監(jiān)測環(huán)境信息和設(shè)備運行狀態(tài)等。用戶通過訪問監(jiān)控服務(wù)器可根據(jù)實驗室環(huán)境監(jiān)測實驗系統(tǒng)界面交互，實現(xiàn)查詢?nèi)蝿?wù)，完成實驗室環(huán)境的數(shù)據(jù)采集和控制。

四、總結(jié)

本文以構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)實驗室環(huán)境監(jiān)控實驗教學(xué)平臺為核心，探索通過實驗平臺的設(shè)計與實現(xiàn)，以及使用該平臺實現(xiàn)實驗室舒適度實時監(jiān)測的解決方案，提出了面向?qū)嶋H應(yīng)用的物聯(lián)網(wǎng)實驗平臺的一般構(gòu)建結(jié)構(gòu)和運用該平臺實現(xiàn)實驗教學(xué)系統(tǒng)的實驗工作流程。該平臺有效地運用了現(xiàn)有實驗室軟硬件工作資源，實驗平臺系統(tǒng)架構(gòu)易于擴展，運用該套系統(tǒng)能有步驟、循序漸進地幫助學(xué)生理解物聯(lián)網(wǎng)硬件設(shè)備調(diào)試和使用方法、物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)原理、數(shù)據(jù)傳輸和路由方法，以及面向?qū)嶋H應(yīng)用的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)和信息交互方法。構(gòu)建在該實驗平臺上開展教學(xué)實驗具有較好的實驗教學(xué)效果，既有單項實驗單元，又有面向?qū)嶋H應(yīng)用的典型示范，有助于學(xué)生在理解物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)原理的基礎(chǔ)上，提高動手能力和實際解決問題能力。該平臺架構(gòu)具有可擴展性，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展和物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)課程的深入開展，我們將進一步擴展和完善整套系統(tǒng)，使得該實驗平臺系統(tǒng)能融合其他物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)技術(shù)實驗和應(yīng)用。

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基金項目：教育部留學(xué)回國人員科研啟動基金資助項目；湖北省自然科學(xué)基金（2011CDB446）。

作者簡介：曾園園（1980-），女，博士/博士后，講師，主要研究領(lǐng)域為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、無線自組網(wǎng)。endprint

根據(jù)圖2所示的實驗平臺系統(tǒng)功能邏輯結(jié)構(gòu)圖，從軟件設(shè)計的角度，實驗平臺功能的具體實現(xiàn)包括以下幾個部分：（1）數(shù)據(jù)分析和處理。實驗平臺系統(tǒng)軟件借助數(shù)據(jù)庫和PC機的功能完成對采集數(shù)據(jù)的接收、分析和處理。主要包括將數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫中，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的程序?qū)?shù)據(jù)進行分析處理。（2）系統(tǒng)配置。對數(shù)據(jù)進行處理分析之后，系統(tǒng)軟件借助數(shù)據(jù)庫來完成服務(wù)器配置、傳感器節(jié)點配置、RFID設(shè)備配置、事件和報警信息配置以及管理權(quán)限配置。這些功能配置在預(yù)先設(shè)定之后，即可實現(xiàn)對實驗室舒適度環(huán)境的管理和維護。具體包括：在網(wǎng)絡(luò)連接或網(wǎng)絡(luò)組織前，進行正確的數(shù)據(jù)庫配置。包括IP、端口、數(shù)據(jù)庫名稱的配置等。監(jiān)控服務(wù)器和數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點的通信，提供串行232接口，因此需要對端口號、速率、停止、開始、數(shù)據(jù)位、CRC配置。通信接口的配置可選擇使用特定通信方式進行數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)接入。在實驗室環(huán)境監(jiān)測實驗平臺系統(tǒng)中，需要對智能節(jié)點和設(shè)備進行配置，人工指定節(jié)點的功能和工作狀態(tài)。并對節(jié)點的當(dāng)前能量狀態(tài)以及節(jié)點所測得的相關(guān)環(huán)境參量值進行設(shè)置，方便網(wǎng)絡(luò)進行分析管理。對于舒適度異常報警的設(shè)置是指通過設(shè)置報警閾值，當(dāng)確認(rèn)監(jiān)測到實驗室環(huán)境舒適度數(shù)據(jù)如溫濕度超過設(shè)置閾值，可自動啟動報警提示模式。管理權(quán)限配置是指用戶權(quán)限設(shè)置，可通過設(shè)置權(quán)限，限定不同類型和級別的用戶，分配不同的權(quán)限，比如一般用戶可查看數(shù)據(jù)和監(jiān)測信息，高級用戶可進行網(wǎng)絡(luò)的配置和配置數(shù)據(jù)庫等。（3）監(jiān)測信息顯示。系統(tǒng)提供實時監(jiān)控功能，借助顯示屏、PC機和數(shù)據(jù)庫，可以將實驗室舒適度信息實時顯示在顯示屏上，包括圖表曲線信息以及相關(guān)預(yù)警信息。在驗證用戶權(quán)限后提供交互界面，用戶通過輸入條件可以查詢實驗室環(huán)境舒適度信息，包括數(shù)據(jù)庫存儲的實時和歷史信息，并且以圖表的形式顯示。圖3是實驗平臺系統(tǒng)的監(jiān)測示意界面。

三、物聯(lián)網(wǎng)實驗教學(xué)的工作流程和實驗案例

物聯(lián)網(wǎng)實驗教學(xué)流程結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示，在實驗教學(xué)過程中使用前述實驗平臺系統(tǒng)分3步進行實驗，幫助學(xué)生理解物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備基本工作方式、傳感器自組織組網(wǎng)、傳感器網(wǎng)絡(luò)信息采集和匯聚以及使用實驗平臺實現(xiàn)實驗室環(huán)境數(shù)據(jù)的查詢和數(shù)據(jù)報警功能。如圖4所示，實驗第1步為物聯(lián)網(wǎng)智能終端的調(diào)試和使用，具體包括傳感器節(jié)點數(shù)據(jù)采集實驗和RFID讀寫實驗。實驗第2步為傳感器節(jié)點組網(wǎng)和數(shù)據(jù)匯聚實驗，即傳感器節(jié)點自組織形成簡單拓撲的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，組網(wǎng)后數(shù)據(jù)信息由多跳轉(zhuǎn)發(fā)最終收集到匯聚節(jié)點的過程。實驗第3步為實驗室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)觀測實驗，即利用平臺提供的監(jiān)控模塊，實驗室局域網(wǎng)用戶接入監(jiān)控服務(wù)器對監(jiān)控管理系統(tǒng)進行訪問，提供查詢條件得到信息查詢結(jié)果，并在客戶端以圖形化方式展示；同時客戶端接入監(jiān)控管理系統(tǒng)時，如某實驗室某特定點舒適度物理量數(shù)據(jù)值超過預(yù)設(shè)閾值，則客戶端可得到報警對話框提示。

傳感器節(jié)點數(shù)據(jù)采集：實驗中采用ZigBee來實現(xiàn)傳感器的物理層。包括協(xié)調(diào)器和傳感控制節(jié)點，使用溫濕度傳感器進行數(shù)據(jù)采集。溫度傳感器數(shù)據(jù)采集使用板載的DS18B20傳感器采集節(jié)點工作溫度。

RFID讀寫：RFID按應(yīng)用頻率的不同分為低頻（LF）、高頻（HF）、超高頻（UHF）、微波（MW），相對應(yīng)的代表性頻率分別為：低頻135KHz以下、高頻13.56MHz、超高頻860M-960MHz、微波2.4G-5.8G。目前，實際RFID應(yīng)用以低頻和高頻產(chǎn)品為主，但超高頻標(biāo)簽因其具有可識別距離遠和成本低的優(yōu)勢，未來將有望逐漸成為主流。RFID讀寫器底板支持低頻讀寫器模塊、高頻讀寫器模塊和超高頻讀寫器模塊；支持串口、WiFi、以太網(wǎng)口三種通信方式。低頻RFID讀寫實驗包括兩步：第一步設(shè)置串口工作方式并啟動低頻，第二步為讀卡操作，打開串口模塊低頻選項卡，選擇正確的標(biāo)簽類型，開始讀卡操作。

物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)通信與數(shù)據(jù)收集實驗：采用無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，可定時采集實驗室環(huán)境的相關(guān)環(huán)境數(shù)據(jù)，利用ZigBee協(xié)調(diào)器，通過傳感控制節(jié)點將環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)器，并以圖表方式顯示給用戶，當(dāng)監(jiān)測數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時，可利用軟件網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)對實驗室環(huán)境的控制。也可通過Internet網(wǎng)絡(luò)、手機短信遠程監(jiān)測環(huán)境信息和設(shè)備運行狀態(tài)等。用戶通過訪問監(jiān)控服務(wù)器可根據(jù)實驗室環(huán)境監(jiān)測實驗系統(tǒng)界面交互，實現(xiàn)查詢?nèi)蝿?wù)，完成實驗室環(huán)境的數(shù)據(jù)采集和控制。

四、總結(jié)

本文以構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)實驗室環(huán)境監(jiān)控實驗教學(xué)平臺為核心，探索通過實驗平臺的設(shè)計與實現(xiàn)，以及使用該平臺實現(xiàn)實驗室舒適度實時監(jiān)測的解決方案，提出了面向?qū)嶋H應(yīng)用的物聯(lián)網(wǎng)實驗平臺的一般構(gòu)建結(jié)構(gòu)和運用該平臺實現(xiàn)實驗教學(xué)系統(tǒng)的實驗工作流程。該平臺有效地運用了現(xiàn)有實驗室軟硬件工作資源，實驗平臺系統(tǒng)架構(gòu)易于擴展，運用該套系統(tǒng)能有步驟、循序漸進地幫助學(xué)生理解物聯(lián)網(wǎng)硬件設(shè)備調(diào)試和使用方法、物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)原理、數(shù)據(jù)傳輸和路由方法，以及面向?qū)嶋H應(yīng)用的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)和信息交互方法。構(gòu)建在該實驗平臺上開展教學(xué)實驗具有較好的實驗教學(xué)效果，既有單項實驗單元，又有面向?qū)嶋H應(yīng)用的典型示范，有助于學(xué)生在理解物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)原理的基礎(chǔ)上，提高動手能力和實際解決問題能力。該平臺架構(gòu)具有可擴展性，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展和物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)課程的深入開展，我們將進一步擴展和完善整套系統(tǒng)，使得該實驗平臺系統(tǒng)能融合其他物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)技術(shù)實驗和應(yīng)用。

參考文獻：

[1]呂岑，毛云川，宋鐵成，沈連豐.基于RFID和ZigBee技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)實驗系統(tǒng)硬件設(shè)計與實現(xiàn)[J].信息化研究，2012，（1）：13-16.

[2]劉佳，劉柏全，宋鐵成，沈連豐.一種物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)實驗系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報，2010，（6）：89-92.

[3]成小良，鄧志東.基于ZigBee規(guī)范構(gòu)建大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[J].通信學(xué)報，2008，（11）：158-164.

[4]王春枝，宗欣露.面向物聯(lián)網(wǎng)的創(chuàng)新性層次化分級實驗教學(xué)體系研究[J].教育教學(xué)論壇，2012，（14）：246-247.

[5]魏曉寧.物聯(lián)網(wǎng)實驗教學(xué)初探[J].計算機時代，2011，（10）：49-53.

[6]付永貴.基于分組教學(xué)的高校物聯(lián)網(wǎng)實驗室構(gòu)建研究[J].中國教育信息化，2011，（5）：63-65.

基金項目：教育部留學(xué)回國人員科研啟動基金資助項目；湖北省自然科學(xué)基金（2011CDB446）。

作者簡介：曾園園（1980-），女，博士/博士后，講師，主要研究領(lǐng)域為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、無線自組網(wǎng)。endprint

根據(jù)圖2所示的實驗平臺系統(tǒng)功能邏輯結(jié)構(gòu)圖，從軟件設(shè)計的角度，實驗平臺功能的具體實現(xiàn)包括以下幾個部分：（1）數(shù)據(jù)分析和處理。實驗平臺系統(tǒng)軟件借助數(shù)據(jù)庫和PC機的功能完成對采集數(shù)據(jù)的接收、分析和處理。主要包括將數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫中，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的程序?qū)?shù)據(jù)進行分析處理。（2）系統(tǒng)配置。對數(shù)據(jù)進行處理分析之后，系統(tǒng)軟件借助數(shù)據(jù)庫來完成服務(wù)器配置、傳感器節(jié)點配置、RFID設(shè)備配置、事件和報警信息配置以及管理權(quán)限配置。這些功能配置在預(yù)先設(shè)定之后，即可實現(xiàn)對實驗室舒適度環(huán)境的管理和維護。具體包括：在網(wǎng)絡(luò)連接或網(wǎng)絡(luò)組織前，進行正確的數(shù)據(jù)庫配置。包括IP、端口、數(shù)據(jù)庫名稱的配置等。監(jiān)控服務(wù)器和數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點的通信，提供串行232接口，因此需要對端口號、速率、停止、開始、數(shù)據(jù)位、CRC配置。通信接口的配置可選擇使用特定通信方式進行數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)接入。在實驗室環(huán)境監(jiān)測實驗平臺系統(tǒng)中，需要對智能節(jié)點和設(shè)備進行配置，人工指定節(jié)點的功能和工作狀態(tài)。并對節(jié)點的當(dāng)前能量狀態(tài)以及節(jié)點所測得的相關(guān)環(huán)境參量值進行設(shè)置，方便網(wǎng)絡(luò)進行分析管理。對于舒適度異常報警的設(shè)置是指通過設(shè)置報警閾值，當(dāng)確認(rèn)監(jiān)測到實驗室環(huán)境舒適度數(shù)據(jù)如溫濕度超過設(shè)置閾值，可自動啟動報警提示模式。管理權(quán)限配置是指用戶權(quán)限設(shè)置，可通過設(shè)置權(quán)限，限定不同類型和級別的用戶，分配不同的權(quán)限，比如一般用戶可查看數(shù)據(jù)和監(jiān)測信息，高級用戶可進行網(wǎng)絡(luò)的配置和配置數(shù)據(jù)庫等。（3）監(jiān)測信息顯示。系統(tǒng)提供實時監(jiān)控功能，借助顯示屏、PC機和數(shù)據(jù)庫，可以將實驗室舒適度信息實時顯示在顯示屏上，包括圖表曲線信息以及相關(guān)預(yù)警信息。在驗證用戶權(quán)限后提供交互界面，用戶通過輸入條件可以查詢實驗室環(huán)境舒適度信息，包括數(shù)據(jù)庫存儲的實時和歷史信息，并且以圖表的形式顯示。圖3是實驗平臺系統(tǒng)的監(jiān)測示意界面。

三、物聯(lián)網(wǎng)實驗教學(xué)的工作流程和實驗案例

物聯(lián)網(wǎng)實驗教學(xué)流程結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示，在實驗教學(xué)過程中使用前述實驗平臺系統(tǒng)分3步進行實驗，幫助學(xué)生理解物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備基本工作方式、傳感器自組織組網(wǎng)、傳感器網(wǎng)絡(luò)信息采集和匯聚以及使用實驗平臺實現(xiàn)實驗室環(huán)境數(shù)據(jù)的查詢和數(shù)據(jù)報警功能。如圖4所示，實驗第1步為物聯(lián)網(wǎng)智能終端的調(diào)試和使用，具體包括傳感器節(jié)點數(shù)據(jù)采集實驗和RFID讀寫實驗。實驗第2步為傳感器節(jié)點組網(wǎng)和數(shù)據(jù)匯聚實驗，即傳感器節(jié)點自組織形成簡單拓撲的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，組網(wǎng)后數(shù)據(jù)信息由多跳轉(zhuǎn)發(fā)最終收集到匯聚節(jié)點的過程。實驗第3步為實驗室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)觀測實驗，即利用平臺提供的監(jiān)控模塊，實驗室局域網(wǎng)用戶接入監(jiān)控服務(wù)器對監(jiān)控管理系統(tǒng)進行訪問，提供查詢條件得到信息查詢結(jié)果，并在客戶端以圖形化方式展示；同時客戶端接入監(jiān)控管理系統(tǒng)時，如某實驗室某特定點舒適度物理量數(shù)據(jù)值超過預(yù)設(shè)閾值，則客戶端可得到報警對話框提示。

傳感器節(jié)點數(shù)據(jù)采集：實驗中采用ZigBee來實現(xiàn)傳感器的物理層。包括協(xié)調(diào)器和傳感控制節(jié)點，使用溫濕度傳感器進行數(shù)據(jù)采集。溫度傳感器數(shù)據(jù)采集使用板載的DS18B20傳感器采集節(jié)點工作溫度。

RFID讀寫：RFID按應(yīng)用頻率的不同分為低頻（LF）、高頻（HF）、超高頻（UHF）、微波（MW），相對應(yīng)的代表性頻率分別為：低頻135KHz以下、高頻13.56MHz、超高頻860M-960MHz、微波2.4G-5.8G。目前，實際RFID應(yīng)用以低頻和高頻產(chǎn)品為主，但超高頻標(biāo)簽因其具有可識別距離遠和成本低的優(yōu)勢，未來將有望逐漸成為主流。RFID讀寫器底板支持低頻讀寫器模塊、高頻讀寫器模塊和超高頻讀寫器模塊；支持串口、WiFi、以太網(wǎng)口三種通信方式。低頻RFID讀寫實驗包括兩步：第一步設(shè)置串口工作方式并啟動低頻，第二步為讀卡操作，打開串口模塊低頻選項卡，選擇正確的標(biāo)簽類型，開始讀卡操作。

物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)通信與數(shù)據(jù)收集實驗：采用無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，可定時采集實驗室環(huán)境的相關(guān)環(huán)境數(shù)據(jù)，利用ZigBee協(xié)調(diào)器，通過傳感控制節(jié)點將環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)器，并以圖表方式顯示給用戶，當(dāng)監(jiān)測數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時，可利用軟件網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)對實驗室環(huán)境的控制。也可通過Internet網(wǎng)絡(luò)、手機短信遠程監(jiān)測環(huán)境信息和設(shè)備運行狀態(tài)等。用戶通過訪問監(jiān)控服務(wù)器可根據(jù)實驗室環(huán)境監(jiān)測實驗系統(tǒng)界面交互，實現(xiàn)查詢?nèi)蝿?wù)，完成實驗室環(huán)境的數(shù)據(jù)采集和控制。

四、總結(jié)

本文以構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)實驗室環(huán)境監(jiān)控實驗教學(xué)平臺為核心，探索通過實驗平臺的設(shè)計與實現(xiàn)，以及使用該平臺實現(xiàn)實驗室舒適度實時監(jiān)測的解決方案，提出了面向?qū)嶋H應(yīng)用的物聯(lián)網(wǎng)實驗平臺的一般構(gòu)建結(jié)構(gòu)和運用該平臺實現(xiàn)實驗教學(xué)系統(tǒng)的實驗工作流程。該平臺有效地運用了現(xiàn)有實驗室軟硬件工作資源，實驗平臺系統(tǒng)架構(gòu)易于擴展，運用該套系統(tǒng)能有步驟、循序漸進地幫助學(xué)生理解物聯(lián)網(wǎng)硬件設(shè)備調(diào)試和使用方法、物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)原理、數(shù)據(jù)傳輸和路由方法，以及面向?qū)嶋H應(yīng)用的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)和信息交互方法。構(gòu)建在該實驗平臺上開展教學(xué)實驗具有較好的實驗教學(xué)效果，既有單項實驗單元，又有面向?qū)嶋H應(yīng)用的典型示范，有助于學(xué)生在理解物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)原理的基礎(chǔ)上，提高動手能力和實際解決問題能力。該平臺架構(gòu)具有可擴展性，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展和物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)課程的深入開展，我們將進一步擴展和完善整套系統(tǒng)，使得該實驗平臺系統(tǒng)能融合其他物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)技術(shù)實驗和應(yīng)用。

參考文獻：

[1]呂岑，毛云川，宋鐵成，沈連豐.基于RFID和ZigBee技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)實驗系統(tǒng)硬件設(shè)計與實現(xiàn)[J].信息化研究，2012，（1）：13-16.

[2]劉佳，劉柏全，宋鐵成，沈連豐.一種物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)實驗系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報，2010，（6）：89-92.

[3]成小良，鄧志東.基于ZigBee規(guī)范構(gòu)建大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[J].通信學(xué)報，2008，（11）：158-164.

[4]王春枝，宗欣露.面向物聯(lián)網(wǎng)的創(chuàng)新性層次化分級實驗教學(xué)體系研究[J].教育教學(xué)論壇，2012，（14）：246-247.

[5]魏曉寧.物聯(lián)網(wǎng)實驗教學(xué)初探[J].計算機時代，2011，（10）：49-53.

[6]付永貴.基于分組教學(xué)的高校物聯(lián)網(wǎng)實驗室構(gòu)建研究[J].中國教育信息化，2011，（5）：63-65.

基金項目：教育部留學(xué)回國人員科研啟動基金資助項目；湖北省自然科學(xué)基金（2011CDB446）。

作者簡介：曾園園（1980-），女，博士/博士后，講師，主要研究領(lǐng)域為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、無線自組網(wǎng)。endprint