高校物联网演示平台设计与实现

王永强+陈舵

摘要：针对物联网工程专业学生理论多，实践少的特点。提出了一个基于ZigBee、Bluetooth，IPv6等作为通信节点，上传采集的传感器信号到智能终端进行显示、处理的高校物联网演示平台的建设方案。该平台可以用于学生的综合实训和课外实践，还可以用于创新性实践项目参考。

关键词：物联网；演示平台；传感器；节点

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2014）34-8330-02

物联网是新一代信息技术的重要组成部分，其英文名称是：“The Internet of things”。顾名思义，物联网就是物物相连的互联网[1]。物联网工程是国家倡导开办的、战略性新兴产业相关本科专业。目前教育部已经批准200余所学校开办物联网工程专业，在校学生总数在近两年内将超过10000人，使得物联网工程专业成为各类高校竞相开设的热门专业之一[2]。但对于物联网工程教学来讲，存在理论内容多，学生实践能力不好提升等问题。有的高校，引入物联网智能平台进行教学，但设备昂贵，并且不能很好地进行二次开发。

本文针对上述问题，对物联网演示平台建设进行了相应研究分析，并进行了设计，内容包括平台的总体设计，系统软硬件平台搭建以及系统软件的开发。该平台可以使学生深入掌握所学知识，提高学生的实践能力。

1 物联网演示平台组成

该演示平台主要包括 CORTEX A8主板、传感器、WIFI、蓝牙、ZigBee，IPv6六大模块，ARM底板上引出常用接口，传感器采用模块化接口，以插针的方式连接到WIFI、蓝牙、ZigBee，IPv6上。传感器采集信号后，通过WIFI、蓝牙、ZigBee，IPv6传送到CORTEX A8网关，利用QT界面进行显示，控制。该平台应用了物联网无线网络，传感器网络，RFID技术[3]，以及嵌入式系统等技术。物联网演示平台结构图如图1所示。

该平台通过WIFI、Bluetooth、ZigBee，IPv6四种通信节点，可以迅速构成小规模的无线传感网络。在各个无线传感网上的终端节点上，配备温湿度、光照、震动、结露、酒精、烟雾，红外等共12种传感器，通过基于MCU的智能传感器模块，与父节点及智能网关建立连接，实现传感器数据的实时采集于通信。

为了提高该演示平台效果，可以用蜂鸣器、LED 灯等辅助设备代表终端节点上的可控设备。比如温湿度，烟雾浓度等高于安全阈值时，利用蜂鸣器等辅助设备，自动报警，从而模拟演示平台常见的应用场景。

2 演示平台系统的开发

该演示平台由无线数据节点，智能终端及显示平台组成。演示平台的建立，包括环境搭建，以及软件系统开发两部分组成。

2.1 演示平台环境搭建

无线数据采集节点由处理器STM32W108为核心的开发板搭建的。STM32W108是基于ARM Cortex-M3的高性能32位处理器，集成 802.15.4射频收发器，板载天线。扩展了ST-link和J-link接口，用于程序调试。STM32W108具有不同的运行模式，而且运行模式之间的转换时间短，进一步降低了能耗，尤其适用于超低功耗要求的系统。

2.2 智能终端

智能终端，CPU为Samsung S5PV210处理器，该处理器是高性能的32位微处理器，基于ARM CortexM-A8，运行频率为1GHZ，并配有512MBDDR2内存和1GB扩展flash，附带7寸的高清电阻压力触摸液晶屏。该智能终端，运行速度快，支持高速数据传输，支持3D图形加速及视频播放。

2.2.1 演示平台软件系统

本演示系统所用到的软件开发平台有4个。

1） Cortex-A8智能终端平台，采用Linux-2.6.35+Qt4.7作为操作系统及图形界面工具，采用IAR for Cortex-A8软件平台进行开发。

2） IPv6智能网关，采用Openwrt作为操作系统，开发工具为Linux（RHEL6） ，能够实现IPv6所有功能，包括IPv4和IPv6自动转换。

3） STM32W108模块开发平台，采用IAR for STM32W108软件平台，使用Z-Stack2007协议栈进行开发，实现自动组网，自动路由，无线传输数据等功能。

4） IPv6通信子节点，采用contiki 2.5作为操作系统，使用contiki 2.5 OS uIPv6协议栈进行开发，实现自动组网，自动路由，无线传输数据等。

2.2.2 演示平台软件开发步骤

演示平台软件开发步骤一般包括以下4步：

1） 建立交叉编译环境，即建立目标开发板与PC机的联系的开发环境。

2） 在主机上编译BootLoader，烧写到目标板上。

3） 在主机上编译嵌入式linux内核，通过BootLoader 烧写到目标板上。

4） 在主机上编译文件系统以及应用程序，通过BootLoader 烧写到目标上。

2.3 演示平台系统软件设计

综上，演示平台系统软件设计包括两个方面，一方面是传感器节点的数据发送与接收，另一方面是将所接收数据通过智能终端进行显示。整体的工作流程如图2所示，虚线以上表示传感器节点的数据的发送接收，虚线以下表示数据在智能终端的显示。

2.3.1 传感器节点软件设计

传感器节点数据传送，是利用c语言构造读取传感器节点数据的函数SensorsRead（），分别调用读取各传感器的控制子函数来读取温湿度，光强，震动，人体，红外等传感器的实时数据，并设定读取频率。将读取的数据存放在c语言预先创建的结构体中，然后将读取完的数据，通过发送函数SensorsSend（）将数据放到STM32W108的寄存器上，利用WIFI、蓝牙、ZigBee，IPv6等无线协议，调用协议中相关API 函数SendData（），通过数据解析，分包组包后发送给智能终端，通过QT所设计的界面及端口进行显示。

2.3.2 演示平台显示设计

本物联网演示平台，智能终端界面采用QT4.7进行设计。 QT 是通过传输信号和槽机制[4]来实现一些动作的显示，也就是说QT界面上的各组件的处理动作将触发API层所对应的相关函数。当智能终端平台系统启动后，首先完成初始化[5]工作，及使用QTsetings读写并存储相关配置文件，然后对各接口进行全面检测，最后通过按键信息，触发底层事件，读取各串口信息，进行界面显示。其中智能网关显示了，智能家居、蓝牙、Wifi、Zigbee、IPV6，RFID的控制按钮。如果分别点击进入，可以通过根节点读取子节点上传感器数据。整个演示平台运行效果如图3所示：

3 结束语

本文提出了一种基于ZigBee、Bluetooth，IPv6等作为通信节点，上传采集分布在不同位置的传感器信号，将信号解析发送到智能终端进行显示、处理的高校物联网演示平台的实施方案。通过该平台的应用，学生可以更为直观的认识什么是物联网，激发学生的学习兴趣，能够帮助学生深入了解物联网的体系结构和相关技术，提高学生的动手实践能力。同时还可利用该平台进行物联网工程二次开发，诸如智能家居、智能交通、智慧农业、智慧校园，智慧园区等应用系统的开发。

参考文献：

[1] 吴磊，江训艳.高校智能数字校园与物联网技术研究[J].无线互联科技，2012，9（4）：42-43.

[2] 牟龙芳.物联网技术前景展望[J].信息技术与标准化，2010，51（4）：48-49.

[3] 李如年.基于RFID技术的物联网研究[J].中国电子科学研究院学报， 2009（6）：594-597.

[4] 朱小军，张志斌，刘慧鹏.基于S3C2410 芯片的嵌入式linux 系统开发环境的设计与实现[J] .自动化与仪器仪表，2012（1）： 112-118.

[5] 赵起越.浅谈智能家居系统[J] .林区教学，2011（12）：91-92.endprint