面向應用型本科的物聯網實訓平臺的設計

鄭斌

摘要：本文主要研究面向應用型本科的物聯網實訓平臺的開發，將當前熱門的嵌入式技術和最具市場潛力的智能家居產品方案結合，旨在為高校師生接觸和研究物聯網技術搭建橋梁。

關鍵詞：物聯網；智能門禁；智能環境監測；智能安防；智能家電

中圖分類號：TP273.5 文獻標識碼：A 論文編號：1674-2117（2016）01-0076-03

引言

物聯網是一個涵蓋和跨越大量現有的專業門類和技術體系的國家戰略性新興技術，是當前世界新一輪經濟和科技發展的戰略制高點之一。[1-3]如何與時俱進地培養物聯網專業人才成了高校教育的首要任務。從2010年以來，全國200多所本科院校、100多所專科院校相繼開設了物聯網工程專業。物聯網技術是下一代信息技術的代表[4]，物聯網是典型的交叉學科，如何利用3～4年時間讓學生熟悉和掌握物聯網技術，培養滿足社會需求的物聯網專業人才，各高校和社會各界人士都在積極探討。高校教師團隊身處一線教育崗位，結合學生學習的實際需求與教學需求，設計一套適合培養優秀的物聯網專業人才的教學設備，有著重大的社會意義。[5-7]

在物聯網的眾多典型應用中，智能家居和我們的生活關系最密切，其市場正日漸興起。伴隨著巨大的產業需求，我國智能家居產業的人才需求量也一路高漲。智能家居的目的是創造一個優質高效、舒適安全、便利節能、健康環保的居住環境，優化人們的生活方式和居住環境，幫助人們有效地安排時間、節約各種能源。[8-10]智能家居平臺也是一個涵蓋多種交叉學科的綜合平臺，是將理論知識靈活應用到實際生活的經典之作。[11]因此，研究和學習智能家居的開發過程成為許多高校培養物聯網應用人才的一個有效途徑。

學生在物聯網實訓平臺的實踐中不僅能接觸到硬件設計、軟件代碼編寫，還能體會實際產品開發過程中各相關專業知識的交叉引用，積累開發經驗。有了物聯網實訓平臺，學生不用走出校門、不用找企業實習，在實驗室里就能積累項目經驗、培養團體精神、提高技術技能，為就業創造更好、更多的機會。

實訓平臺整體設計

面向應用型本科的物聯網實訓平臺，以物聯網技術在智能家居領域的綜合應用為切入點，將與居家生活有關的各種設備有機地結合起來，通過網絡遠程綜合管理設備。筆者主要采取點面結合的研究方法，吸收了嵌入式處理器、ZigBee無線模塊、RFID模塊的最新研究成果，并注重對各大高校需求進行調研，以期找到符合大多數普通高校所要求的物聯網實訓平臺的設計方案，構建求大同存小異的物聯網實訓平臺。本文按功能將物聯網實訓平臺劃分為4個子系統，下頁圖1是系統的整體結構框架圖。

各模塊的主要功能包括：

①中央控制器：中央控制器是物聯網綜合集成創新實踐平臺的核心，中央控制器采用S3C6410+Linux操作系統，通過QT界面功能菜單、來自互聯網負責的命令、手機短信控制和遙控器控制信息等多種控制手段，控制實訓平臺的各個終端節點。

②智能門禁子系統：門禁模塊主要實現指紋識別、ID卡識別、密碼識別、可視對講、文本留言、語音留言和圖像留言等功能。門禁控制器采用S3C6410+Linux操作系統，通過QT界面功能菜單以及外圍模塊連接中央控制器共同實現門禁的各項功能。

③智能環境監測子系統：室內信息包括室內溫度、室內濕度及室內光照度等信息；傳感器采集到相應信息后，通過ZigBee網絡傳輸給中央控制器，中央控制器通過友好的人機交互界面實時顯示室內環境信息，同時以折線圖的方式，清楚地展現出環境變化情況，環境監測信息同時會作為其他子系統控制判斷的依據。

④智能安防子系統：安防模塊由火焰、煙霧、燃氣及人體紅外4種傳感器及終端檢測控制器組成，負責防火、防爆及防盜探測報警。在正常布防狀態下，安防模塊節點將采集到的實時數據通過ZigBee網絡將報警信息發送給中央控制器，中央控制器根據設定的閾值和預設的報警方案啟動報警，預警方式有短信、聲光、語音和文字等。

⑤智能家電控制子系統：家電控制包括燈光控制、窗簾控制、風扇控制。控制家電時，中央控制器接收互聯網、手機客戶端或中央控制器QT界面功能菜單控制命令，通過ZigBee網絡將控制命令發送給由目標家電連接的終端節點，控制相應的家電。控制燈光的亮/滅和窗簾的開/合；在自動情境模式中，通過檢測室內光照度等信息，完成燈光及窗簾的自動控制。

各子系統設計

1.智能門禁子系統設計

主控制器由嵌入式網關、7寸顯示觸摸屏、室內攝像頭、3G模塊等組成。嵌入式網關采用ARM1176JZF-S3C6410 + Linux 2.6操作系統。網關的輸入方式采用電阻式觸摸屏輸入，用戶可在觸摸屏上通過點觸來實現對智能終端的控制，也可以通過觸摸屏來輸入信息。主控制器按照使用功能又分為室內中央控制器和室外門禁控制器。室外門禁控制器通過以太網路由器組成局域網，其結構框架圖如圖2所示。

2.智能環境監測子系統設計

室內環境監測模塊主要由ZigBee節點、溫濕度檢測傳感器、光照度檢測傳感器和二氧化碳檢測傳感器組成。ZigBee節點將采集到的室內環境信息，通過無線方式傳遞給協調器；協調器模塊通過串口1與室內中央控制器連接；中央控制器通過讀取串口數據獲得數據幀，再根據通信協議解析協議內容提取溫濕度和光照度的具體數據值。圖3所示的是ZigBee網絡下的環境監測子系統。

3.智能安防子系統設計

安防模塊主要由ZigBee節點、火焰傳感器、煙霧傳感器、燃氣傳感器和人體紅外傳感器組成。ZigBee節點將采集到的安防信息，通過無線方式傳遞給協調器；協調器模塊通過串口1與室內中央控制器連接；中央控制器通過讀取串口數據獲得數據幀，再根據通信協議解析協議內容提取各安防監測數據。在布防時，中央控制器通過串口發送指令給協調器，協調器再根據節點編號發送給目標節點。圖4所示的是ZigBee網絡下的安防子系統。

4.智能家電控制子系統設計

家電控制模塊主要由ZigBee節點、LED呼吸燈、電動窗簾和PWM風扇組成，室內中央空調接收來自QT界面、Web網頁、手機客戶端或短信發來的控制指令，將指令轉化為控制命令幀，發送給協調器。協調器再通過ZigBee網絡將指令發送給要控制的家電模塊。ZigBee節點模塊在接收到控制命令幀后，通過協議解析命令幀，控制家電模塊做出相應動作。圖5所示的是ZigBee網絡下的家電控制子系統。

結語

筆者將物聯網實訓平臺分成4個部分，分別設計了各部分的個子系統，此實訓平臺具有以下一些特點：①多學科集成創新技術。諸多技術的融合可加深物聯網工程及相關專業的學生對一些關鍵物聯網技術的理解，方便他們靈活學習和應用各科知識，提高實踐和創新能力。②嵌入式可視對講技術。門禁模塊與中央控制器組成局域網，以S3C6410+QT的開發模式，在Linux操作系統中移植Qt4.7.0，通過TCP/IP協議進行音視頻的實時交互，實現模擬門禁監控與對講功能。③多傳感器網絡的數據識別與采集。能同時采集多種類的終端傳感器，在ZigBee節點上完成數據的識別、傳送和采集。相信隨著科技的發展，實訓平臺將會越來越完善。

參考文獻：

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