高職物聯(lián)網(wǎng)綜合實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

引言

物聯(lián)網(wǎng)已成為當(dāng)前世界新一輪經(jīng)濟(jì)和科技發(fā)展的戰(zhàn)略制高點(diǎn)之一，在培養(yǎng)技術(shù)技能型物聯(lián)網(wǎng)人才的過(guò)程中，物聯(lián)網(wǎng)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)起著關(guān)鍵作用。目前，各廠家推出的設(shè)備主要有無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)箱、RFID實(shí)驗(yàn)箱等，為首批開(kāi)設(shè)物聯(lián)網(wǎng)專(zhuān)業(yè)的院校提供了實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，但也存在著一些問(wèn)題急需解決：實(shí)驗(yàn)箱提供的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目多為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，無(wú)法滿(mǎn)足基于真實(shí)項(xiàng)目的實(shí)訓(xùn)要求；硬件平臺(tái)沒(méi)有形成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，在應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，兼容性差；物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用領(lǐng)域呈現(xiàn)多樣化，在智能軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程中，存在大量的重復(fù)性工作等。

本文提煉出物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)中的共性功能，將復(fù)雜的基于硬件的編程通過(guò)函數(shù)的形式提供給用戶(hù)，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)物聯(lián)網(wǎng)綜合實(shí)訓(xùn)平臺(tái)。在使用該平臺(tái)進(jìn)行系統(tǒng)開(kāi)發(fā)時(shí)，用戶(hù)只需借助某一高級(jí)語(yǔ)言（如C#），通過(guò)函數(shù)調(diào)用便可完成物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)的搭建，并按照一定的業(yè)務(wù)規(guī)則通過(guò)配置參數(shù)（如閾值設(shè)置、警告觸發(fā)動(dòng)作、數(shù)據(jù)展示方式等）來(lái)生成某一特定領(lǐng)域的智能應(yīng)用系統(tǒng)。

1平臺(tái)需求分析

1.1平臺(tái)目標(biāo)

大多數(shù)公司開(kāi)發(fā)的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)主要能夠完成一些基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證，如跑馬燈、串口通信、溫濕度傳感器實(shí)驗(yàn)等，最后通過(guò)一個(gè)綜合項(xiàng)目，如智能家居的應(yīng)用來(lái)訓(xùn)練學(xué)生的綜合能力。這種實(shí)訓(xùn)平臺(tái)偏向于底層開(kāi)發(fā)的訓(xùn)練，需要學(xué)生對(duì)硬件開(kāi)發(fā)有一定基礎(chǔ)，具備一定的嵌入式開(kāi)發(fā)能力，高職學(xué)生很難達(dá)到這一水平。

本實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的研制，使物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)綜合集成平臺(tái)屏蔽對(duì)硬件的開(kāi)發(fā)，直接用高級(jí)語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)間的通信,并通過(guò)封裝，完成執(zhí)行結(jié)構(gòu)的控制函數(shù)，使學(xué)生在使用該平臺(tái)時(shí)，只需根據(jù)項(xiàng)目功能要求，選擇合適的傳感器節(jié)點(diǎn)，通過(guò)系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置，就能拼裝出滿(mǎn)足需求的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)。

1.2平臺(tái)用戶(hù)

本實(shí)訓(xùn)平臺(tái)主要針對(duì)職業(yè)院校的學(xué)生，以訓(xùn)練學(xué)生物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)的集成能力，使學(xué)生了解無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)、RFID等基本的知識(shí)，掌握C#等編程語(yǔ)言和數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，具備物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)能力。

1.3平臺(tái)功能

本實(shí)訓(xùn)平臺(tái)為高職學(xué)生了解和開(kāi)發(fā)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)提供了一個(gè)孵化平臺(tái)，學(xué)生不必全部掌握復(fù)雜的基于硬件的編程,只需調(diào)用平臺(tái)提供的函數(shù)便可完成物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)的搭建，根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目的功能要求,按照一定的業(yè)務(wù)規(guī)則通過(guò)配置參數(shù)（如閾值設(shè)置、警告觸發(fā)動(dòng)作、數(shù)據(jù)展示方式等）來(lái)生成某一特定領(lǐng)域的智能應(yīng)用系統(tǒng)。

2物聯(lián)網(wǎng)綜合實(shí)訓(xùn)平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)

物聯(lián)網(wǎng)綜合實(shí)訓(xùn)平臺(tái)中將傳感器采集的數(shù)據(jù)類(lèi)型進(jìn)行提煉，分成數(shù)字量輸入和模擬量輸入兩大類(lèi)型的數(shù)據(jù)；將執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行提煉，分成數(shù)字量輸出和模擬量輸出兩大類(lèi)型。因此，整個(gè)綜合實(shí)訓(xùn)平臺(tái)分成三個(gè)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(jī)構(gòu)智能控制功能。教師可根據(jù)某一領(lǐng)域的具體應(yīng)用案例，設(shè)計(jì)智能應(yīng)用系統(tǒng)功能，學(xué)生根據(jù)系統(tǒng)功能，選擇合適的傳感器、設(shè)計(jì)系統(tǒng)流程和業(yè)務(wù)規(guī)則、設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)，通過(guò)模塊化的編程實(shí)現(xiàn)智能化的控制，完成整個(gè)應(yīng)用案例的模型搭建。物聯(lián)網(wǎng)綜合實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的功能框架如圖1所示。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)綜合實(shí)訓(xùn)平臺(tái)功能框架圖

3物聯(lián)網(wǎng)綜合實(shí)訓(xùn)平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1協(xié)調(diào)器、傳感器節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

協(xié)調(diào)器、傳感器節(jié)點(diǎn)的基本硬件功能模塊如圖2所示,主要由處理單元、無(wú)線(xiàn)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(zhuǎn)換模塊等構(gòu)成,主要用于獲取信息，并將其轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)；處理單元是傳感器節(jié)點(diǎn)的核心模塊，主要負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)和控制傳感節(jié)點(diǎn)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(lái)實(shí)現(xiàn)的；無(wú)線(xiàn)收發(fā)單元由無(wú)線(xiàn)射頻電路和天線(xiàn)組成，主要負(fù)責(zé)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(chǔ)模塊，為傳感器節(jié)點(diǎn)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(lái)看，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可以分為兩類(lèi)[2]:一類(lèi)采用以ARM處理器為代表的高端處理器，該類(lèi)節(jié)點(diǎn)的能量消耗比較大，多數(shù)支持DVS（動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)）或DFS（動(dòng)態(tài)頻率調(diào)節(jié)）等節(jié)能策略，其處理能力較強(qiáng)，適合于圖像等高數(shù)據(jù)量業(yè)務(wù)的應(yīng)用，一般采用高端處理器來(lái)作為網(wǎng)絡(luò)匯聚節(jié)點(diǎn)或網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)；另外一類(lèi)是采用低端微控制器為代表的節(jié)點(diǎn)，常見(jiàn)的有采用8/16位的單片機(jī)，該類(lèi)節(jié)點(diǎn)的處理能力相對(duì)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(diǎn)。在選擇處理器時(shí)，應(yīng)首先考慮系統(tǒng)對(duì)處理能力的需要,然后再考慮功耗問(wèn)題。

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)本質(zhì)上是一個(gè)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(diǎn)就是嵌入式微處理器多數(shù)工作在用戶(hù)自己設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的差異性較大，因此選擇是多樣化的叫微處理器的選型應(yīng)綜合考慮系統(tǒng)的性能、功耗、價(jià)格、開(kāi)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(gè)高性能2.4GHzDSSS（直接序列擴(kuò)頻）射頻收發(fā)器核心和一顆增強(qiáng)型工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的8位8051微控制器內(nèi)核（運(yùn)行時(shí)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(zhuǎn)換器（ADC）、定時(shí)器（Timer）、AES128協(xié)同處理器、看門(mén)狗定時(shí)器（WatchDogTimer）、32kHz晶振的休眠模式定時(shí)器、上電復(fù)位電路（PoweronReset）、掉電檢測(cè)電路（BrownoutDetection）以及21個(gè)可編程I/O引腳。CC2530增強(qiáng)型8051內(nèi)核使用標(biāo)準(zhǔn)8051指令集，具有8倍于標(biāo)準(zhǔn)8051內(nèi)核的性能。

3.1.2無(wú)線(xiàn)攵發(fā)單元

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)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(hù)自己定義，這些芯片一般工作在ISM免費(fèi)頻段。

CC2530是IEEE802.15.4、ZigBee和RF4CE應(yīng)用的一個(gè)真正的片上系統(tǒng)(SoC)解決方案，它結(jié)合了領(lǐng)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(shí)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(hào)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(shí)需外加晶體振蕩器和兩個(gè)負(fù)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(lái)匹配芯片的輸入輸出阻抗，使其輸入輸出阻抗為50Q,同時(shí)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(diǎn)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(diǎn)，對(duì)周?chē)沫h(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

3.1.4電池管理單元

電池的種類(lèi)很多，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的電池一般不易更換，所以選擇電池非常重要。在設(shè)計(jì)本論文中的節(jié)點(diǎn)電源時(shí),我們選擇了可充電的鋰聚合物電池作為電源，市場(chǎng)可購(gòu)買(mǎi)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(hù)電路，嚴(yán)格避免鋰聚合物電池使用過(guò)程中出現(xiàn)過(guò)充、過(guò)放現(xiàn)象，否則會(huì)嚴(yán)重?fù)p害電池性能。

3.2四類(lèi)傳感器節(jié)點(diǎn)的軟件控制程序設(shè)計(jì)

四類(lèi)傳感器節(jié)點(diǎn)(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(shè)計(jì)主要分三個(gè)部分：第一部分為串口通信編程，包括選擇串口名稱(chēng)、設(shè)置通信速率、打開(kāi)串口、串口數(shù)據(jù)發(fā)送和接收、關(guān)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(guò)ZigBee協(xié)議，完成協(xié)調(diào)器向各節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ埽坏谌糠譃楣?jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)返回編程，各節(jié)點(diǎn)將執(zhí)行控制命令的結(jié)果通過(guò)ZigBee協(xié)議返回給協(xié)調(diào)器。

3.3外接控制機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

外接控制機(jī)構(gòu)主要是綜合實(shí)訓(xùn)平臺(tái)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(kù)中的標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，根據(jù)預(yù)先設(shè)置的閾值做出執(zhí)行判斷，輸出結(jié)果主要分?jǐn)?shù)字量輸出和模擬量輸出兩種類(lèi)型。這樣，用戶(hù)就可以根據(jù)實(shí)際案例中的應(yīng)用情況，外接相關(guān)的操作設(shè)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(xiàn)的強(qiáng)弱來(lái)控制是否開(kāi)啟照明設(shè)備，通過(guò)外接控制結(jié)構(gòu)中的數(shù)字量輸出模塊與LED燈相連接,即可實(shí)現(xiàn)該效果。

3.4綜合平臺(tái)的集成

在數(shù)據(jù)集成部分，主要通過(guò)SQLServer數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，根據(jù)不同類(lèi)型的傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)不同的數(shù)據(jù)表，將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，通過(guò)SQL查詢(xún)語(yǔ)句的編寫(xiě)完成數(shù)據(jù)查詢(xún)、分析,實(shí)現(xiàn)綜合實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)查詢(xún)、歷史記錄查詢(xún)、智能化趨勢(shì)預(yù)測(cè)等功能，為集成平臺(tái)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(diǎn)采集的數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫(kù)中的標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，根據(jù)不同的結(jié)果來(lái)控制相應(yīng)的外接控制機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用系統(tǒng)的智能化功能。

4結(jié)語(yǔ)

基于本實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，可以設(shè)計(jì)各類(lèi)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)的集成項(xiàng)目。例如，在設(shè)計(jì)智能家居系統(tǒng)時(shí)，只需根據(jù)項(xiàng)目需求，在模擬量輸入節(jié)點(diǎn)上接入溫濕度、光照度等傳感器，設(shè)置溫度、濕度、光照度的閾值，并選擇相應(yīng)的執(zhí)行操作，便能搭建簡(jiǎn)單的智能控制系統(tǒng)，圖3所示便是這個(gè)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

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