基于物联网的环境监控实训平台设计探究

默少丽， 王 康， 张怀超， 周宝朕， 蔺 骁， 任祎龙

(内蒙古科技大学 工程训练中心,内蒙古 包头 014010)



基于物联网的环境监控实训平台设计探究

默少丽， 王 康， 张怀超， 周宝朕， 蔺 骁， 任祎龙

(内蒙古科技大学 工程训练中心,内蒙古 包头 014010)

针对物联网专业实验内容的单调性与缺乏性，以校创新基地水库风景区项目为背景，设计了一种结合无线传感网与物联网的综合性实训平台。该平台设计为感知层、传输层和应用控制层的三层模块化构架设计，以传感网构成的感知层将风景区底层各节点多传感器数据采集融合处理，通过以无线ZigBee构建的传输层将各传感器数据传输到网关节点，网关节点通过TCP/IP协议与乐联网云平台搭建双向连接，完成数据链的双向通信，实现云平台的数据显示和远程控制功能。最后，实现了云平台、APP、短信等多元终端的数据显示与远程控制功能，对物联网专业学习起到了重要改善作用。

物联网； 传感网； 环境监控； 云平台； 科技创新

0 引 言

物联网(Internet of Things，IOT)作为我国五大新兴战略性产业之一，写入政府工作报告，物联网在国内受到了极大的关注。就发展趋势而言，物联网将是下一个推动世界高速发展的“重要生产力”，是继通信网之后的另一个万亿级市场。但是由于物联网在我国刚刚起步，从事该行业的高端人才比较匮乏，为了给这个新兴行业及时输送人才以满足需求，教育部下发了关于物联网专业开设申请，各大高等高职院校纷纷开设物联网技术相关专业[1]。新专业的开设离不开实验与实训，但是市场上的实验设备或者实训平台造价昂贵并且实现功能单调，不能很好的结合其他传知识点内容，对于物联网专业的推广造成阻碍，因此，自行开发一套物联网实训平台不仅可以满足本科专业的应用需求，同时也锻炼了开发队员的团队合作能力。

1 平台建设背景及必要性

该平台是以学校的科技创新基地项目为背景，一方面是为了总结科技创新经验;另一方面是为了建设完成一批功能较为完善、符合科技创新特征、涵盖全校工科专业特点的综合性实训平台，同时，改进学生科技创新培养思路，实现分层次、立体化创新培养模式，让更多学生投身其中，促进专业学习效能，努力提高学生专业素质、培养创新能力，提高就业质量[2]。

平台与嵌入式、网络通信、传感器、自动识别等技术相关。物联网的一大特点就是诸多技术的融合，实现数据的多终端共享与交互[3]。因此，建设基于环境监控的物联网实训平台在一定程度上可以帮助学生学习和融汇多门学科的系统知识。因此，该实训平台可以对相关专业学生的应用技术能力的培养和实践操作水平的提高起到重要的作用[4]。

2 实训平台系统组成

2.1 系统构架

该实训平台是以水库风景区的环境监控为背景设计的，从逻辑层面看，主要分为：感知层，传输层和应用控制层[5]。感知层主要由温湿度，烟雾火焰，风速压力等各类传感器以及光伏电池板、风轮发电机和电磁阀等构成；传输层运用了两种信息传输方式:①无线Zigbee组成的底层无线传感网，②无线wifi构建的与物联网云平台的数据交换网络；应用控制层主要用来实现数据的存储、查询、分析以及执行机构的反向控制等功能设计。

从结构层面看，该实训平台的底层主要分为四大部分：山体部分、大坝及坝桥部分、上下水湖部分、观光电梯部分，为实现不同模块的不同实验功能，每部分单独设计控制模块，控制模块将完成传感器数据的采集上传、控制指令的解析以及底层分节点之间信息的交换等任务。图1为实训平台的系统总体结构图。

2.2 系统工作原理

在实训平台的监控系统中，每个底层模块控制器上都安装有无线Zigbee模块，这些无线Zigbee模块组成自组织网络，用来交换有关数据上传的信息[6]，以确保传感网数据链的完整性。在每个模块都将传感器采集到的实时数据传输到网关主节点后，主节点通过外部提供的网络wifi环境将数据上传到云平台实时显示，并通过访问云平台的API接口或外部TCP服务器来实现数据的查询以及远程控制等相关功能。图2为系统原理图。

以反向控制功能为例介绍系统的具体工作原理。在客户端发送控制命令后，云平台会将收到的控制命令发送给TCP服务器，服务器转换格式后下发给网关，网关将解析的指令有针对性的下发给对应的分节点，分节点在执行了具体的操作后，检查是否执行成功，并将判断出的信息发送给网关，网关则将收到的信息推送给给服务器，服务器再回复给平台，平台根据收到的信息显示提示是否执行成功的消息框，以此来完成反控操作。

图1 实训平台的系统总体结构图

图2 系统原理图

3 平台实验设计

该实训平台的实验重点在于传感网与物联网的设计构建。在这两部分实验中，传感网实验内容主要包括：传感器选型、数据融合、通信协议制定、以及多节点传感网搭建，而物联网部分主要包括：网关设计、网络通信协议制定、云平台设计等。其中，传感网的通信协议采用的是普通帧格式形式，而物联网通信协议采用的是TCP/IP协议[7]。另外，云平台设计主要包括API接口调用、TCP服务器绑定以及显示界面的设计等。

该实训平台针对的是物联网专业实验的单调与缺乏性，因此，在设计该平台时，需要考虑实验内容的综合性、延伸性以及实用性，为更加详细的阐述该实训平台的功能，以下将重点从传感网构建、物联网实验设计等方面进行介绍[8]。

3.1 传感网实验设计

传感网实验部分，主要综合传感器选型、传感器采集数据的处理以及传感节点之间的通信方式三部分的功能子实验。

在硬件选型上，该平台涉及到的传感器执行器较多，主要包括风速、红外、超声、火焰、烟雾、压力、温湿度、电压电流、等传感器以及继电器、电机、电磁阀等执行器构成，对于学生来说可以更好地了解并熟悉不同类型传感器的工作原理，初始数据采集的处理方式，最重要的是学会对新的硬件功能模块熟悉和使用，这对以后的学习有很大的帮助[9]。

考虑到平台的实用性以及应用对象，平台中构建的传感网为小范围局域传感网，其目的是让学生学习了解传感网的构建原理与方式。该设计中，传感网的数据处理单元采用的是Cortex-M3系列的STM32F103VET6单片机，通信单元采用的是无线ZigBee模块。另外，为更好地解释传感网组建形式，让学生明白组网的实际形成原理，设计中将自组织多跳组网方式[10]，设计成定点连接组网，即节点在测量自身周围目标环境的数据后，向既定的目标节点发送消息，以此来完成节点间的连接，在理解组网方式的基础上，该部分也可拓展为自组织多跳组网方式，充分体现了该平台的综合性与延伸性[11]。

为了方便传感网的构建，快捷有效实现数据交换，减少运行时间，该设计对每个底层节点的无线ZigBee模块和模块子功能都进行了编码，同时也对底层各模块之间内容的传输制定了传输协议，命令帧格式和响应帧格式采用了相同的格式，并且由于各模块子功能较多，所以该协议采用的是双ID的模式，即一个编码ID确定节点，另一个编码ID确定功能[12]。表1为数据帧格式。

表1 通信协议帧格式

3.2 物联网实验设计

物联网实验的主要功能是实现传感网数据的网络上传以及平台的实时监控，在所接收到的数据超过所设定的上下指标值时执行方向控制操作，并向客户终端推送示警报告，报告形式包括微信、微博及短信，用户在收到报告后，可进行自主反向控制。

在云平台设计实验中，主要综合API接口调用、TCP服务器绑定以及网络通信协议的制定等内容。服务器的每个API接口都对应着其特定的功能[13]，在平台中，掉用的API 接口有两种，一种是数据上传所调用的V1接口，另一种是反向控制时，控制指令下发接口为8080。该子实验更好的帮助学生学习了解服务器的调用原理以及调用方式，明白通信协议的具体制定方式及含义。调用API上传数据的协议格式为：

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

此外，为了保持服务器实时在线，需要对服务器进行绑定设置，其绑定形式一般是在一定的时间间隔内向服务器发送心跳包，服务器通过心跳包来确保数据的准确性以及实时性。心跳包格式为：

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

物联网实验部分主要是帮助学生在学习了解网络通信方式的基础上，学习服务器的API调用方式，并综合云平台来实现与底层传感网的结合，以达到传感网数据的网络上传效果[14]。

4 结 语

总的来说，建立高校物联网实训平台是实践操作学习的有效途径，该实训平台从最基本的底层传感器数据的采集融合到较复杂逻辑层的应用控制设计，涵盖的三个层面的设计应用，可以有效地强化学生在教学活动中的思维水平，增强学生在教学中的思考程度，对教学质量有明显提高。

[1] 周 亮,吴 昊,林水生. 基于Zigbee和MEMS的物联网综合试验研究[J]. 实验技术与管理,2014,31(5):203-206.

[2] 徐鲁宁,郭晓功,胡 斌.高职院校物联网专业实训平台建设探索[J]. 河南科技,2014(10):258-259.

[3] 冯容珍.物联网综合实训平台的设计与实现[J]. 工业控制计算机,2014,27(6):28-31.

[4] 黄 峥,古 鹏.物联网实验建设研与探讨究[J].实验技术与管理,2012,29(2):191-195.

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[6] 周丁丁,李慧华.物联网教学与科研体系结构研究[J].周口师范学院学报,2014,31(5):131-133.

[7] 周春松,白皓然,尚书旗,等.基于物联网草莓生长环境远程监控系统的设计[J].农机化研究,2014,12(12):220-223.

[8] 华 驰,毕海峰,王 辉,等. 基于太阳能光伏组件监测的物联网专业综合实验研究[J]. 实验技术与管理,2014,31(2):135-139.[9] 戴 娟,倪 瑛.智能传感器物联网综合实训平台的设计[J].南京工业职业技术学院学报,2011,11(2):64-66.

[10] 田芳明,谭 峰,衣淑娟.基于单片机的低功耗水稻育秧棚监控系统设计[J].农机化研究，2011,33(11):15-19.

[11] 刘东红,周建伟,莫凌飞. 物联网技术在食品及农产品中应用的研究进展[J]. 农业机械学报,2012(1):146-152.

[12] 胡永利,孙艳丰,尹宝才. 物联网信息感知与交互技术[J]. 计算机学报,2012(6):1147-1163.

[13] 陈明选,徐 旸. 基于物联网的智慧校园建设与发展研究[J]. 远程教育杂志,2012(4):61-65.

[14] 王保云. 物联网技术研究综述[J]. 电子测量与仪器学报,2009(12):1-7.

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

默少丽(1960-)，女，河北新乐人，高级实验师，主要从事电子实验技术研究。Tel.：157 7125 0128;E-mail：hswkcg@126.com

G 642.0

A

1006-7167(2016)08-0235-03