物联网应用开发实验平台设计研究

物联网应用开发实验平台设计研究

摘要:物联网作为我国战略性新兴产业得到高度重视,其应用型人才需求旺盛,实验室建设则是人才培养的关键所在,通过对物联网应用开发实验平台的功能分析,从应用开发模块、无线传感器节点、控制节点三个方面的设计和实验环境的搭建,构建物联网应用开发实验平台,强化物联网实验室建设,提升学生应用能力的培养。

关键词:物联网;实验平台;应用开发

0引言

益于良好的外部环境及市场前景,经过业界的共同努力,物联网(InternetofThings,IOT)进到了应用的深化阶段,有望带动设备制造业、运营商、应用市场等领域的蓬勃发展,今后几年将继续保持快速增长,根据工信部的预测,2020年成熟时将启动万亿元级别的市场规模。目前,互联网企业、运营商及传统行业等巨头企业是物联网产业感知层、网络层、平台层建设的重要力量,投入高、研发力量强,占据了绝大部分市场,同时他们已经搭好了物联网通用的技术平台,在一定程度上为中小企业降低了物联网应用层的准入门槛,应用层市场空间和人才需求大[1],物联网应用开发实验平台建设则是物联网应用型人才培养的关键所在,而目前市面上的物联网实验平台功能相对单一,不利于培养学生的应用开发能力;或体形大,实验室建设成本高。

1物联网应用开发实验平台功能分析

物联网体系架构由感知层、网络层和应用层组成,在感知层通过IOT设备进行信息采集、传输处理和自动控制;在应用层一般使用运程控制端通过网络层向IOT设备获取信息或发送控制指令,IOT设备返回信息或执行指令,经过网络分析并显示在远程的控制端;处理和存储IOT设备采集的信息的位置有很多,如云存储端、本地数据库、远程控制端或者IOT设备;IOT网关则是连接感知网络与传统通信网络的纽带,可以实现协议转换、感知节点管理和远程控制。由此可见,物联网应用系统开发所涉及的知识面广、技术要求高,涵盖了传感器技术、RFID技术、接口控制技术、ZigBee等无线传感网组网技术、网络技术、Android/Linux应用开发和数据库技术[2,3]。通过上述物联网应用系统的分析,物联网应用开发实验平台需要感知端、网络、控制端、网关和上位机,完成数据的采集处理、传输和控制以及应用开发。

2实验平台设计方案

2.1总体设计

物联网应用开发实验平台总体设计框架如图1所示,主要由无线传感器节点、应用开发模块、控制节点、PC机或云平台等部分组成。无线传感器节点负责采集环境中的温度等数据,并将所采集的数据传给应用开发模块对数据进行处理,再传送至PC机或云平台等上位机,这样就可以在上位机上看到传感器所采集的各种数据。上位机对环境中相应数值的设定,通过应用开发模块来控制控制节点的动作;同时预设好某个数值,当达到该数值时应用开发模块发出控制指令使控制节点动作。

2.2应用开发模块设计

应用开发模块的嵌入式网关基于S5PV210处理器设计,该处理器采用ARMCortexTM-A8内核,ARMV7指令集,主频可达1GHZ,64/32位内部总线结构,32/32KB的数据/指令一级缓存,512KB的二级缓存,可以实现超过2.0DMIPS/MHz的高性能运算能力,包含强大的多媒体硬件编解码功能[6]。应用开发模块采用核心板与底板分离的形式,如图2所示,即将S5PV210的最小系统高度集成为核心板结构,采用6层PCB设计,与底板采用邮票连接方式,核心板资源配置如表1所示。而系统的设备,例如RS485、LVDS、UART、LCD等接口,键盘、USB模块、GPS模块等则放置在底板上,底板采用两层板即可满足设计要求。

2.3无线传感器节点设计

无线传感器网络系统包括若干无线传感器节点、一个无线网络协调器和一套后台监控软件。其中,无线传感器节点具有本地数据采集传输和转发邻节点数据的双重功能,可以在后台管理软件和协调器的控制下采集数据,并将数据经过多跳路由传输。无线传感器节点由传感模块、无线节点模块和电源板三个部分构成,采用独立分离设计,其底板如图3所示,方便在实验中更换和维护,有利于学生自主进行应用开发实验,以提高他们的应用开发能力。

(1)传感模块

系统包含多种传感模块,有常用的温度、湿度、光敏、光线、烟雾、可燃气、二氧化碳、火焰、RFID门禁、红外对射、GPS定位、声音等十多种传感信号采集。考虑学生的创新能力培养,预留了传感器扩展用的接口。

(2)无线节点模块

主芯片采用TI公司的CC2530F128,2.4G载频,棒状天线。CC2530具有代码预取功能的低功耗8051微控制器内核,RF性能优良,内置8-KB可编程内存,CC2530F128具有128KB闪存,支持Z-Stack协议栈。(3)电源板实现无线节点模块与传感模块的连接,采用两节电池供电,但保留外接直流电源接口。

2.4控制节点设计

控制节点包括风扇、步进电机、LED灯、电磁阀、蜂鸣器等,实现对环境感知的反馈控制。这些器件采用交流供电,在交流供电回路中添加ZigBee微控制器实现远程控制。根据预先设定的条件,在传感模块所采集的数值达到一定数值时通过应用开发模块来启动控制节点。PC机或云平台也可直接设定相应数值,控制相应节点器件的动作。

3实验环境的搭建

3.1应用开发模块系统烧写

(1)硬件连接应用开发模块通过串口和PC机相连进行交互,查看应用开发模块输出的串口信息以及通过串口控制应用开发模块,也可以通过RJ45网口连接进行网络传输,通过OTG-USB接口将UBoot、Kernel、Rootfs等下载、烧写到应用开发模块的NandFlash中。

(2)制作系统启动用的SD卡

在windows操作系统下,把SD卡进行分区,预留前10MB给uboot,然后格式化成FAT32。用moviNAND_Fusing_Tool_v2.0工具软件把u-boot.bin烧写到SD卡中。

(3)烧写应用开发模块系统

在SD卡上新建文件夹,命名为sdfuse,把需要烧写的系统文件u-boot.bin、kernel.img、system.img、ramdisk-uboot.img等复制到sdfuse文件夹里。用SD卡启动系统,选择u-boot菜单或直接输入命令“sdfuseflashall”烧写应用开发模块系统。

3.2Android开发环境搭建

在PC机上搭建基于Android的物联网应用开发环境,需要安装Java开发工具包JDK,配置Windows上JDK的三个环境变量JAVA_HOME、Path、CLASSPATH,安装配置Android软件开发工具包SDK,安装Android全功能的开发环境AndroidStudio。并安装开发Z-Stack协议栈应用程序的辅助软件IAR8.10-8051等[7]。至此,基于Android开发的物联网应用开发实验平台搭建完成,通过对各环节的测试调试后,可以在上面进行步进电机控制等基础实验、光线传感器节点设计等Zigbee实验、温湿度传感器数据采集等传感器实验,也可以以项目的形式选择几个任务来组织实训,如温湿度监测、RFID门禁、家居调光、烟雾和燃气报警等开发智能家居项目。为方便学生学习,尽快步入应用开发正道,平台预设了物联网应用中比较典型的智能家居、智慧农业和智能货架等应用开发项目。

4结束语

本文设计的物联网应用开发实验平台简洁实用,功能齐全,可以放在一个实验箱里,有效降低实验室建设成本。将网关等昂贵硬件集成在电路板上,而无线传感器节点的分离设计,可提高实验教学部署的速度和灵活性,方便学生自由搭建物联网应用环境,以提高学生的物联网学习热情与创新能力。

参考文献

[1]中投顾问.2019-2023年中国物联网产业深度调研及投资前景预测报告(上下卷)[EB/OL].[2020-05-01].

[2]沈苏彬,杨震.物联网体系结构及其标准化[J].南京邮电大学学报(自然科学版),2015,35(01):1-18.

[3]熊茂华.物联网技术及应用开发[M].北京:清华大学出版社,2014.

[4]王亚维.基于Linux的物联网实训平台设计与实现[D].大连:大连理工大学,2016.

[5]赵建敏,李琦,陈波.物联网综合实验系统设计[J].实验室研究与探索,2018,37(12):147-150,156.

[6]姜有光,杜亚江,齐金平,等.嵌入式无线传感网络网关设计与远程维护[J].测控技术,2017,36(03):94-97,106.

[7]赵晓伟.Android开发环境在Linux平台上的搭建[J].计算机与数字工程,2016,44(08):1615-1618,1624.

作者:吴俊强 芦欣 单位:无锡工艺职业技术学院机电与信息工程学院 无锡泛太科技有限公司