物聯網綜合實訓系統設計

王 鑫，郭書軍

（北方工業大學 信息學院，北京 100144）

0 引 言

隨著物聯網技術的迅速發展，各高校相應地增加了物聯網專業，物聯網綜合實訓成為物聯網專業學生走上工作崗位前需要學習的最為重要的學習內容之一[1-2]。物聯網綜合實訓系統將物聯網專業學生在專業技能課程中所學的專業知識與技能串聯在一起，學生需要完成一個典型的、較復雜的、接近以后工作的物聯網項目的設計與開發。

傳統的物聯網實驗過程中經常出現連線錯誤、設備安裝慢等問題，影響實驗課程的效果與進度。為了讓學生能夠準確理解實訓任務，快速搭建課程要求的物聯網項目，深入地掌握物聯網課程相關知識與技術，設計一種基于實驗教學競賽的物聯網綜合實訓系統。該系統可以提升教學效率與學生的學習興趣，對物聯網專業學生的學習與以后的工作有很大的幫助[3]，教師也可以進行準確考評，解決管理難題[4]。

1 系統方案設計

為增強系統的可維護性，減少學生因連線錯誤而浪費時間，系統采用模塊化設計思想，將傳感器模塊與主控芯片采用插拔式的結合方法，令傳感器與執行器的拆裝組合更方便[5]。

1.1 系統需求

設計中對系統提出需求：處理器具有高速運算能力，能夠滿足對數據處理與后續項目實訓開發的要求；具有記憶存儲的能力，可通過設備進行查看，也可以通過調取服務器數據查看歷史數據；通用模塊接口的設計，多種傳感器即插即用，無需費時連線；傳感器與執行器的種類豐富，選型盡量貼近工程實踐，為學生以后的工作學習打下基礎；具有多種無線、有線通信方式，可自由組網配置，滿足不同的需求；測控終端低功耗設計，盡量貼近物聯網設備實際需求[6]。

1.2 總體設計

本文所研究的基于實驗教學競賽的物聯網綜合實訓系統基于物聯網架構進行設計[7]，測控終端配置低功耗ARM Cortex M0+處理器STM32L071KBU，結合各傳感器模塊，實現傳感數據的采集與處理。用于數據傳輸的無線通信LoRa模塊是基于SX1278的工業級解決方案，SPI總線接口適用于小數據量的遠距離復雜環境數據傳輸，更符合實際工作項目需求。本系統架構如圖1所示。

圖1 系統架構

物聯網綜合實訓系統分為測控終端、網關、服務器和用戶終端。測控終端通過傳感器采集傳感數據，控制執行器，由無線通信LoRa模塊將數據傳至網關，并接收網關傳回的命令，網關通過無線或有線通信模塊將數據上傳至服務器，服務器對數據進行存儲，供遠程用戶終端進行數據分析或控制。

2 系統硬件設計

2.1 測控終端硬件設計

本系統測控終端采用STM32L071KBU為主控芯片，對終端進行控制與數據采集。該芯片配置ARM Cortex M0+處理器，具有低功耗的特點，符合實際項目對功耗的要求。使用無線通信LoRa方式對數據進行傳輸，具有可遠距離傳輸、低功耗、網絡部署靈活等特點。同時測控終端搭配OLED屏，可以實時顯示采集到的傳感數據信息。測控終端硬件結構框圖如圖2所示。

2.1.1 傳感器模塊

傳感器模塊包含溫度傳感器模塊、濕度傳感器模塊、空氣質量傳感器模塊和數字陀螺儀傳感器模塊等。各傳感器選型都貼近工程實踐，可以通過統一接口自由接入，任意配置。

圖2 測控終端硬件結構框圖

2.1.2 執行器模塊

執行器模塊包含高亮LED、繼電器和步進電機等。學生可以自由根據采集到的傳感數據設計實訓項目，控制各執行器，滿足不同層次人群的需求。

2.1.3 LoRa模塊

用于數據傳輸的無線通信LoRa模塊是基于SX1278的工業級解決方案，而SPI總線接口可用于底層協議開發。用戶可根據實踐項目的具體情況進行二次開發，設計訂制無線網絡通信協議，具有可自行組織大規模網絡的特點[8]，適用于小數據量的遠距離復雜環境數據傳輸，更符合實際工作項目需求。無線通信LoRa模塊的電路如圖3所示。

圖3 無線通信LoRa模塊的電路

2.2 網關硬件設計

本系統的網關采用STM32F429VET6為主控芯片，180 MHz主頻，ARM Cortex M4內核，結合多種無線通信模塊與有線通信模塊，完成傳感數據的接收并將數據上傳至服務器。網關同時配置串口屏，該串口屏為電容觸碰智能屏，可完成人機交互界面設計。網關硬件結構如圖4所示。

圖4 網關硬件結構

3 系統軟件設計

3.1 測控終端軟件設計

首先對測控終端進行系統初始化[9]，然后通過學生設定好的采集時間間隔采集傳感數據，對傳感數據進行處理，將數據通過無線通信方式上傳至網關，控制執行器，接收網關發送的命令信息等操作。測控終端軟件流程如圖5所示。

圖5 測控終端軟件流程

3.2 網關軟件設計

對網關進行系統初始化，循環檢測是否接收到測控終端發送來的傳感數據，如果接收到傳感數據則對數據進行處理，發送命令信息至測控終端，再將數據通過無線/有線通信方式上傳至服務器。網關軟件流程如圖6所示。

圖6 網關軟件流程

4 結 語

本文介紹的基于實驗教學競賽需求的物聯網綜合實訓系統，可廣泛應用于高校的物聯網專業，物聯網專業的學生可使用本綜合實訓系統進行競賽、日常實訓及靈活設計物聯網實訓場景，學習與掌握不同通信方式的特點與技巧，為以后的工作、學習夯實基礎，具有廣泛的應用前景[10]。