引言

物聯(lián)網(wǎng)已成為當前世界新一輪經(jīng)濟和科技發(fā)展的戰(zhàn)略制高點之一，在培養(yǎng)技術技能型物聯(lián)網(wǎng)人才的過程中，物聯(lián)網(wǎng)實訓平臺起著關鍵作用。目前，各廠家推出的設備主要有無線傳感器網(wǎng)絡實驗箱、RFID實驗箱等，為首批開設物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的院校提供了實訓平臺，但也存在著一些問題急需解決：實驗箱提供的實訓項目多為驗證性實驗，無法滿足基于真實項目的實訓要求；硬件平臺沒有形成統(tǒng)一標準，在應用系統(tǒng)開發(fā)過程中，兼容性差；物聯(lián)網(wǎng)應用領域呈現(xiàn)多樣化，在智能軟件開發(fā)過程中，存在大量的重復性工作等。

本文提煉出物聯(lián)網(wǎng)應用系統(tǒng)中的共性功能，將復雜的基于硬件的編程通過函數(shù)的形式提供給用戶，設計開發(fā)物聯(lián)網(wǎng)綜合實訓平臺。在使用該平臺進行系統(tǒng)開發(fā)時，用戶只需借助某一高級語言（如C#），通過函數(shù)調(diào)用便可完成物聯(lián)網(wǎng)應用系統(tǒng)的搭建，并按照一定的業(yè)務規(guī)則通過配置參數(shù)（如閾值設置、警告觸發(fā)動作、數(shù)據(jù)展示方式等）來生成某一特定領域的智能應用系統(tǒng)。

1平臺需求分析

1.1平臺目標

大多數(shù)公司開發(fā)的物聯(lián)網(wǎng)應用系統(tǒng)實訓平臺主要能夠完成一些基礎實驗的驗證，如跑馬燈、串口通信、溫濕度傳感器實驗等，最后通過一個綜合項目，如智能家居的應用來訓練學生的綜合能力。這種實訓平臺偏向于底層開發(fā)的訓練，需要學生對硬件開發(fā)有一定基礎，具備一定的嵌入式開發(fā)能力，高職學生很難達到這一水平。

本實訓平臺的研制，使物聯(lián)網(wǎng)應用系統(tǒng)綜合集成平臺屏蔽對硬件的開發(fā)，直接用高級語言來實現(xiàn)傳感器節(jié)點間的通信,并通過封裝，完成執(zhí)行結構的控制函數(shù)，使學生在使用該平臺時，只需根據(jù)項目功能要求，選擇合適的傳感器節(jié)點，通過系統(tǒng)參數(shù)的設置，就能拼裝出滿足需求的物聯(lián)網(wǎng)應用系統(tǒng)。

1.2平臺用戶

本實訓平臺主要針對職業(yè)院校的學生，以訓練學生物聯(lián)網(wǎng)應用系統(tǒng)的集成能力，使學生了解無線傳感器網(wǎng)絡、RFID等基本的知識，掌握C#等編程語言和數(shù)據(jù)庫技術，具備物聯(lián)網(wǎng)應用系統(tǒng)的分析與設計能力。

1.3平臺功能

本實訓平臺為高職學生了解和開發(fā)物聯(lián)網(wǎng)應用系統(tǒng)提供了一個孵化平臺，學生不必全部掌握復雜的基于硬件的編程,只需調(diào)用平臺提供的函數(shù)便可完成物聯(lián)網(wǎng)應用系統(tǒng)的搭建，根據(jù)實際項目的功能要求,按照一定的業(yè)務規(guī)則通過配置參數(shù)（如閾值設置、警告觸發(fā)動作、數(shù)據(jù)展示方式等）來生成某一特定領域的智能應用系統(tǒng)。

2物聯(lián)網(wǎng)綜合實訓平臺架構設計

物聯(lián)網(wǎng)綜合實訓平臺中將傳感器采集的數(shù)據(jù)類型進行提煉，分成數(shù)字量輸入和模擬量輸入兩大類型的數(shù)據(jù)；將執(zhí)行機構進行提煉，分成數(shù)字量輸出和模擬量輸出兩大類型。因此，整個綜合實訓平臺分成三個部分：第一部分完成數(shù)據(jù)采集功能，第二部分完成數(shù)據(jù)處理與分析功能，第三部分完成執(zhí)行機構智能控制功能。教師可根據(jù)某一領域的具體應用案例，設計智能應用系統(tǒng)功能，學生根據(jù)系統(tǒng)功能，選擇合適的傳感器、設計系統(tǒng)流程和業(yè)務規(guī)則、設置系統(tǒng)參數(shù)，通過模塊化的編程實現(xiàn)智能化的控制，完成整個應用案例的模型搭建。物聯(lián)網(wǎng)綜合實訓平臺的功能框架如圖1所示。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)綜合實訓平臺功能框架圖

3物聯(lián)網(wǎng)綜合實訓平臺設計與實現(xiàn)

3.1協(xié)調(diào)器、傳感器節(jié)點硬件設計與開發(fā)

協(xié)調(diào)器、傳感器節(jié)點的基本硬件功能模塊如圖2所示,主要由處理單元、無線收發(fā)單元、傳感單元和電源管理單元等幾部分組成。傳感單元主要由傳感器、數(shù)/模轉換模塊等構成,主要用于獲取信息，并將其轉化成數(shù)字信號；處理單元是傳感器節(jié)點的核心模塊，主要負責協(xié)調(diào)和控制傳感節(jié)點各部分的工作，各層的通信協(xié)議、數(shù)據(jù)融合等數(shù)據(jù)處理也是由處理單元來實現(xiàn)的；無線收發(fā)單元由無線射頻電路和天線組成，主要負責收發(fā)數(shù)據(jù)和交換控制信息;電源管理單元是任何電子系統(tǒng)的必備基礎模塊，為傳感器節(jié)點提供正常工作所需的能源。

3.1.1處理單元

從處理器的角度來看，無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點可以分為兩類[2]:一類采用以ARM處理器為代表的高端處理器，該類節(jié)點的能量消耗比較大，多數(shù)支持DVS（動態(tài)電壓調(diào)節(jié)）或DFS（動態(tài)頻率調(diào)節(jié)）等節(jié)能策略，其處理能力較強，適合于圖像等高數(shù)據(jù)量業(yè)務的應用，一般采用高端處理器來作為網(wǎng)絡匯聚節(jié)點或網(wǎng)關節(jié)點；另外一類是采用低端微控制器為代表的節(jié)點，常見的有采用8/16位的單片機，該類節(jié)點的處理能力相對較弱，但能量消耗功率很小，一般用作前端數(shù)據(jù)采集節(jié)點。在選擇處理器時，應首先考慮系統(tǒng)對處理能力的需要,然后再考慮功耗問題。

無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點本質(zhì)上是一個微型嵌入式系統(tǒng)，嵌入式微處理器與通用的微處理器最大的不同點就是嵌入式微處理器多數(shù)工作在用戶自己設計的系統(tǒng)中，嵌入式系統(tǒng)設計的差異性較大，因此選擇是多樣化的叫微處理器的選型應綜合考慮系統(tǒng)的性能、功耗、價格、開發(fā)工具的配備等因素，然后決定使用哪一種比較合適的處理器。

本文中選擇的CC2530包含一個高性能2.4GHzDSSS（直接序列擴頻）射頻收發(fā)器核心和一顆增強型工業(yè)標準的8位8051微控制器內(nèi)核（運行時鐘為32MHz）。它具有64/128/256KB可編程閃存和SKB的RAM,還包含模/數(shù)轉換器（ADC）、定時器（Timer）、AES128協(xié)同處理器、看門狗定時器（WatchDogTimer）、32kHz晶振的休眠模式定時器、上電復位電路（PoweronReset）、掉電檢測電路（BrownoutDetection）以及21個可編程I/O引腳。CC2530增強型8051內(nèi)核使用標準8051指令集，具有8倍于標準8051內(nèi)核的性能。

3.1.2無線攵發(fā)單元

無線傳感器網(wǎng)絡應用的無線通信技術通常包括IEEE802.11b、IEEE802.15.4（ZigBee）、Bluetooth、UWB、RFID和IrDA等，還有很多芯片雙方通信的協(xié)議由用戶自己定義，這些芯片一般工作在ISM免費頻段。

CC2530是IEEE802.15.4、ZigBee和RF4CE應用的一個真正的片上系統(tǒng)(SoC)解決方案，它結合了領先的RF收發(fā)器的優(yōu)良性能，可確保短距離通信的有效性和可靠性。CC2530只需極少的外圍元器件，外圍電路包括晶振時鐘電路、射頻輸入/輸出匹配電路和微控制器接口電路三部分。芯片本振信號既可由外部有源晶體提供，也可由內(nèi)部電路提供，由內(nèi)部電路提供時需外加晶體振蕩器和兩個負載電容，電容的大小取決于晶體頻率及輸入容抗等參數(shù)。射頻I/O匹配電路主要用來匹配芯片的輸入輸出阻抗，使其輸入輸出阻抗為50Q,同時為芯片內(nèi)部的PA及LNA提供直流偏置。

3.1.3傳感單元

傳感器節(jié)點的主要功能是信息采集，它既可以采集模擬量，又可以采集數(shù)字量。本論文中主要包含溫度、濕度、光照等傳感器節(jié)點，對周圍的環(huán)境進行監(jiān)測。

3.1.4電池管理單元

電池的種類很多，無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的電池一般不易更換，所以選擇電池非常重要。在設計本論文中的節(jié)點電源時,我們選擇了可充電的鋰聚合物電池作為電源，市場可購買到便宜的鋰聚合物電池，但這只是電池裸片，必須在電池兩端加上保護電路，嚴格避免鋰聚合物電池使用過程中出現(xiàn)過充、過放現(xiàn)象，否則會嚴重損害電池性能。

3.2四類傳感器節(jié)點的軟件控制程序設計

四類傳感器節(jié)點(數(shù)字量輸入、模擬量輸入、數(shù)字量輸出、模擬量輸出)的軟件控制程序設計主要分三個部分：第一部分為串口通信編程，包括選擇串口名稱、設置通信速率、打開串口、串口數(shù)據(jù)發(fā)送和接收、關閉串口等功能；第二部分為協(xié)調(diào)器發(fā)送數(shù)據(jù)編程，通過ZigBee協(xié)議，完成協(xié)調(diào)器向各節(jié)點進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ埽坏谌糠譃楣?jié)點數(shù)據(jù)返回編程，各節(jié)點將執(zhí)行控制命令的結果通過ZigBee協(xié)議返回給協(xié)調(diào)器。

3.3外接控制機構的設計與開發(fā)

外接控制機構主要是綜合實訓平臺中智能化控制部分,將傳感器采集的數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫中的標準值進行比較，根據(jù)預先設置的閾值做出執(zhí)行判斷，輸出結果主要分數(shù)字量輸出和模擬量輸出兩種類型。這樣，用戶就可以根據(jù)實際案例中的應用情況，外接相關的操作設備便可完成智能化的控制。如在智能家居系統(tǒng)中，根據(jù)外界光線的強弱來控制是否開啟照明設備，通過外接控制結構中的數(shù)字量輸出模塊與LED燈相連接,即可實現(xiàn)該效果。

3.4綜合平臺的集成

在數(shù)據(jù)集成部分，主要通過SQLServer數(shù)據(jù)庫技術，根據(jù)不同類型的傳感器節(jié)點設計不同的數(shù)據(jù)表，將采集的數(shù)據(jù)進行存儲，通過SQL查詢語句的編寫完成數(shù)據(jù)查詢、分析,實現(xiàn)綜合實訓平臺的實時數(shù)據(jù)查詢、歷史記錄查詢、智能化趨勢預測等功能，為集成平臺提供便捷的數(shù)據(jù)接口。

在系統(tǒng)軟件集成部分，主要是將傳感器節(jié)點采集的數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫中的標準值進行比較，根據(jù)不同的結果來控制相應的外接控制機構，實現(xiàn)應用系統(tǒng)的智能化功能。

4結語

基于本實訓平臺，可以設計各類物聯(lián)網(wǎng)應用系統(tǒng)的集成項目。例如，在設計智能家居系統(tǒng)時，只需根據(jù)項目需求，在模擬量輸入節(jié)點上接入溫濕度、光照度等傳感器，設置溫度、濕度、光照度的閾值，并選擇相應的執(zhí)行操作，便能搭建簡單的智能控制系統(tǒng)，圖3所示便是這個智能控制系統(tǒng)的系統(tǒng)界面圖。。

圖3智能控制系統(tǒng)界面

20211024_61751892a6871__高職物聯(lián)網(wǎng)綜合實訓平臺的設計與開發(fā)