基于物聯網的環境監控實訓平臺設計探究

默少麗， 王 康， 張懷超， 周寶朕， 藺 驍， 任祎龍

(內蒙古科技大學 工程訓練中心,內蒙古 包頭 014010)

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基于物聯網的環境監控實訓平臺設計探究

默少麗， 王 康， 張懷超， 周寶朕， 藺 驍， 任祎龍

(內蒙古科技大學 工程訓練中心,內蒙古 包頭 014010)

針對物聯網專業實驗內容的單調性與缺乏性，以校創新基地水庫風景區項目為背景，設計了一種結合無線傳感網與物聯網的綜合性實訓平臺。該平臺設計為感知層、傳輸層和應用控制層的三層模塊化構架設計，以傳感網構成的感知層將風景區底層各節點多傳感器數據采集融合處理，通過以無線ZigBee構建的傳輸層將各傳感器數據傳輸到網關節點，網關節點通過TCP/IP協議與樂聯網云平臺搭建雙向連接，完成數據鏈的雙向通信，實現云平臺的數據顯示和遠程控制功能。最后，實現了云平臺、APP、短信等多元終端的數據顯示與遠程控制功能，對物聯網專業學習起到了重要改善作用。

物聯網； 傳感網； 環境監控； 云平臺； 科技創新

0 引 言

物聯網(Internet of Things，IOT)作為我國五大新興戰略性產業之一，寫入政府工作報告，物聯網在國內受到了極大的關注。就發展趨勢而言，物聯網將是下一個推動世界高速發展的“重要生產力”，是繼通信網之后的另一個萬億級市場。但是由于物聯網在我國剛剛起步，從事該行業的高端人才比較匱乏，為了給這個新興行業及時輸送人才以滿足需求，教育部下發了關于物聯網專業開設申請，各大高等高職院校紛紛開設物聯網技術相關專業[1]。新專業的開設離不開實驗與實訓，但是市場上的實驗設備或者實訓平臺造價昂貴并且實現功能單調，不能很好的結合其他傳知識點內容，對于物聯網專業的推廣造成阻礙，因此，自行開發一套物聯網實訓平臺不僅可以滿足本科專業的應用需求，同時也鍛煉了開發隊員的團隊合作能力。

1 平臺建設背景及必要性

該平臺是以學校的科技創新基地項目為背景，一方面是為了總結科技創新經驗;另一方面是為了建設完成一批功能較為完善、符合科技創新特征、涵蓋全校工科專業特點的綜合性實訓平臺，同時，改進學生科技創新培養思路，實現分層次、立體化創新培養模式，讓更多學生投身其中，促進專業學習效能，努力提高學生專業素質、培養創新能力，提高就業質量[2]。

平臺與嵌入式、網絡通信、傳感器、自動識別等技術相關。物聯網的一大特點就是諸多技術的融合，實現數據的多終端共享與交互[3]。因此，建設基于環境監控的物聯網實訓平臺在一定程度上可以幫助學生學習和融匯多門學科的系統知識。因此，該實訓平臺可以對相關專業學生的應用技術能力的培養和實踐操作水平的提高起到重要的作用[4]。

2 實訓平臺系統組成

2.1 系統構架

該實訓平臺是以水庫風景區的環境監控為背景設計的，從邏輯層面看，主要分為：感知層，傳輸層和應用控制層[5]。感知層主要由溫濕度，煙霧火焰，風速壓力等各類傳感器以及光伏電池板、風輪發電機和電磁閥等構成；傳輸層運用了兩種信息傳輸方式:①無線Zigbee組成的底層無線傳感網，②無線wifi構建的與物聯網云平臺的數據交換網絡；應用控制層主要用來實現數據的存儲、查詢、分析以及執行機構的反向控制等功能設計。

從結構層面看，該實訓平臺的底層主要分為四大部分：山體部分、大壩及壩橋部分、上下水湖部分、觀光電梯部分，為實現不同模塊的不同實驗功能，每部分單獨設計控制模塊，控制模塊將完成傳感器數據的采集上傳、控制指令的解析以及底層分節點之間信息的交換等任務。圖1為實訓平臺的系統總體結構圖。

2.2 系統工作原理

在實訓平臺的監控系統中，每個底層模塊控制器上都安裝有無線Zigbee模塊，這些無線Zigbee模塊組成自組織網絡，用來交換有關數據上傳的信息[6]，以確保傳感網數據鏈的完整性。在每個模塊都將傳感器采集到的實時數據傳輸到網關主節點后，主節點通過外部提供的網絡wifi環境將數據上傳到云平臺實時顯示，并通過訪問云平臺的API接口或外部TCP服務器來實現數據的查詢以及遠程控制等相關功能。圖2為系統原理圖。

以反向控制功能為例介紹系統的具體工作原理。在客戶端發送控制命令后，云平臺會將收到的控制命令發送給TCP服務器，服務器轉換格式后下發給網關，網關將解析的指令有針對性的下發給對應的分節點，分節點在執行了具體的操作后，檢查是否執行成功，并將判斷出的信息發送給網關，網關則將收到的信息推送給給服務器，服務器再回復給平臺，平臺根據收到的信息顯示提示是否執行成功的消息框，以此來完成反控操作。

圖1 實訓平臺的系統總體結構圖

圖2 系統原理圖

3 平臺實驗設計

該實訓平臺的實驗重點在于傳感網與物聯網的設計構建。在這兩部分實驗中，傳感網實驗內容主要包括：傳感器選型、數據融合、通信協議制定、以及多節點傳感網搭建，而物聯網部分主要包括：網關設計、網絡通信協議制定、云平臺設計等。其中，傳感網的通信協議采用的是普通幀格式形式，而物聯網通信協議采用的是TCP/IP協議[7]。另外，云平臺設計主要包括API接口調用、TCP服務器綁定以及顯示界面的設計等。

該實訓平臺針對的是物聯網專業實驗的單調與缺乏性，因此，在設計該平臺時，需要考慮實驗內容的綜合性、延伸性以及實用性，為更加詳細的闡述該實訓平臺的功能，以下將重點從傳感網構建、物聯網實驗設計等方面進行介紹[8]。

3.1 傳感網實驗設計

傳感網實驗部分，主要綜合傳感器選型、傳感器采集數據的處理以及傳感節點之間的通信方式三部分的功能子實驗。

在硬件選型上，該平臺涉及到的傳感器執行器較多，主要包括風速、紅外、超聲、火焰、煙霧、壓力、溫濕度、電壓電流、等傳感器以及繼電器、電機、電磁閥等執行器構成，對于學生來說可以更好地了解并熟悉不同類型傳感器的工作原理，初始數據采集的處理方式，最重要的是學會對新的硬件功能模塊熟悉和使用，這對以后的學習有很大的幫助[9]。

考慮到平臺的實用性以及應用對象，平臺中構建的傳感網為小范圍局域傳感網，其目的是讓學生學習了解傳感網的構建原理與方式。該設計中，傳感網的數據處理單元采用的是Cortex-M3系列的STM32F103VET6單片機，通信單元采用的是無線ZigBee模塊。另外，為更好地解釋傳感網組建形式，讓學生明白組網的實際形成原理，設計中將自組織多跳組網方式[10]，設計成定點連接組網，即節點在測量自身周圍目標環境的數據后，向既定的目標節點發送消息，以此來完成節點間的連接，在理解組網方式的基礎上，該部分也可拓展為自組織多跳組網方式，充分體現了該平臺的綜合性與延伸性[11]。

為了方便傳感網的構建，快捷有效實現數據交換，減少運行時間，該設計對每個底層節點的無線ZigBee模塊和模塊子功能都進行了編碼，同時也對底層各模塊之間內容的傳輸制定了傳輸協議，命令幀格式和響應幀格式采用了相同的格式，并且由于各模塊子功能較多，所以該協議采用的是雙ID的模式，即一個編碼ID確定節點，另一個編碼ID確定功能[12]。表1為數據幀格式。

表1 通信協議幀格式

3.2 物聯網實驗設計

物聯網實驗的主要功能是實現傳感網數據的網絡上傳以及平臺的實時監控，在所接收到的數據超過所設定的上下指標值時執行方向控制操作，并向客戶終端推送示警報告，報告形式包括微信、微博及短信，用戶在收到報告后，可進行自主反向控制。

在云平臺設計實驗中，主要綜合API接口調用、TCP服務器綁定以及網絡通信協議的制定等內容。服務器的每個API接口都對應著其特定的功能[13]，在平臺中，掉用的API 接口有兩種，一種是數據上傳所調用的V1接口，另一種是反向控制時，控制指令下發接口為8080。該子實驗更好的幫助學生學習了解服務器的調用原理以及調用方式，明白通信協議的具體制定方式及含義。調用API上傳數據的協議格式為：

curl --request POST http://www.lewei50.com/api/V1/Gateway/UpdateSensors/01 --data “[{′Name′:′T1′,′Value′:′23′}]” --header “userkey : ********* ”

此外，為了保持服務器實時在線，需要對服務器進行綁定設置，其綁定形式一般是在一定的時間間隔內向服務器發送心跳包，服務器通過心跳包來確保數據的準確性以及實時性。心跳包格式為：

(“{“ method ” : ” update ” , ” gatewayNo ” : ” ** ” , ” userkey ” : ” ******** ”}&^!”) ;

物聯網實驗部分主要是幫助學生在學習了解網絡通信方式的基礎上，學習服務器的API調用方式，并綜合云平臺來實現與底層傳感網的結合，以達到傳感網數據的網絡上傳效果[14]。

4 結 語

總的來說，建立高校物聯網實訓平臺是實踐操作學習的有效途徑，該實訓平臺從最基本的底層傳感器數據的采集融合到較復雜邏輯層的應用控制設計，涵蓋的三個層面的設計應用，可以有效地強化學生在教學活動中的思維水平，增強學生在教學中的思考程度，對教學質量有明顯提高。

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[2] 徐魯寧,郭曉功,胡 斌.高職院校物聯網專業實訓平臺建設探索[J]. 河南科技,2014(10):258-259.

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[4] 黃 崢,古 鵬.物聯網實驗建設研與探討究[J].實驗技術與管理,2012,29(2):191-195.

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[6] 周丁丁,李慧華.物聯網教學與科研體系結構研究[J].周口師范學院學報,2014,31(5):131-133.

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[8] 華 馳,畢海峰,王 輝,等. 基于太陽能光伏組件監測的物聯網專業綜合實驗研究[J]. 實驗技術與管理,2014,31(2):135-139.[9] 戴 娟,倪 瑛.智能傳感器物聯網綜合實訓平臺的設計[J].南京工業職業技術學院學報,2011,11(2):64-66.

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Research on the Design of Training Platform for Environmental Monitoring Based on Internet of Things

MOShao-li,WANGKang,ZHANGHuai-chao,ZHOUBao-zhen,LINXiao,RENYi-long

(School of Information Engineering of IMUST， Baotou 014010， China)

In view of the monotonicity and the lack of professional experiment for the Internet of Things, a combination of wireless sensor network and the Internet of Things integrated training platform is designed. The platform takes a three layers modular architecture design, i.e., perception layer, transport layer and control layer. The perception layer which is composed of sensor network fusion processes multi sensor data and sends to the gateway node, the gateway node builds a two-way connection with the cloud platform by using TCP/IP to complete the two-way communication of data chain and realized the cloud platform data display and remote control function. Finally, the cloud platform, APP, SMS and the terminal control and display are realized. It has played an important role on the network of laboratory construction.

Internet of Things; sensor network; environment monitoring； cloud platform; technological innovation

2015-09-06

默少麗(1960-)，女，河北新樂人，高級實驗師，主要從事電子實驗技術研究。Tel.：157 7125 0128;E-mail：hswkcg@126.com

G 642.0

A

1006-7167(2016)08-0235-03