王 鑫，郭書軍

（北方工業(yè)大學 信息學院，北京 100144）

0 引 言

隨著物聯網技術的迅速發(fā)展，各高校相應地增加了物聯網專業(yè)，物聯網綜合實訓成為物聯網專業(yè)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(tǒng)將物聯網專業(yè)學生在專業(yè)技能課程中所學的專業(yè)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(fā)。

傳統(tǒng)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(tǒng)。該系統(tǒng)可以提升教學效率與學生的學習興趣，對物聯網專業(yè)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(tǒng)方案設計

為增強系統(tǒng)的可維護性，減少學生因連線錯誤而浪費時間，系統(tǒng)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(zhí)行器的拆裝組合更方便[5]。

1.1 系統(tǒng)需求

設計中對系統(tǒng)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(xù)項目實訓開發(fā)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(zhí)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(tǒng)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(yè)級解決方案，SPI總線接口適用于小數據量的遠距離復雜環(huán)境數據傳輸，更符合實際工作項目需求。本系統(tǒng)架構如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構

物聯網綜合實訓系統(tǒng)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(zhí)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(tǒng)硬件設計

2.1 測控終端硬件設計

本系統(tǒng)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(tǒng)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(zhí)行器模塊

執(zhí)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(zhí)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(yè)級解決方案，而SPI總線接口可用于底層協議開發(fā)。用戶可根據實踐項目的具體情況進行二次開發(fā)，設計訂制無線網絡通信協議，具有可自行組織大規(guī)模網絡的特點[8]，適用于小數據量的遠距離復雜環(huán)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(zhí)行器，接收網關發(fā)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(tǒng)初始化，循環(huán)檢測是否接收到測控終端發(fā)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(fā)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(tǒng)，可廣泛應用于高校的物聯網專業(yè)，物聯網專業(yè)的學生可使用本綜合實訓系統(tǒng)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]。