CN103093683A - 基于物联网的教育实训综合平台装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于物联网的教育实训综合平台装置，平台装置包括机柜，机柜上设有中控机、无线传感网节点和工业控制模拟装置；中控机包括控制器、操作屏和通信传输模块，控制器与计算机连接，计算机进行图形化编程模块和程序指令生成模块的设计，并下载至控制器；无线传感网节点与控制器通过zigbee通讯模块无线连接，控制器通过总线和工业控制模拟装置连接；本发明采用以上技术方案，实现控制器与计算机同样自动控制应用，通过图形化编程模块和程序指令生成模块实现无线传感网节点采集数据的实时监控和工业控制模拟装置的控制机制，方便学生可以对各点的关键技术进行组合，模拟物联网的应用领域，保持良好的教学效果，减少教育重复投资及资源浪费。

Description

基于物联网的教育实训综合平台装置

技术领域

本发明涉及一种教育实训平台装置，特别涉及一种基于物联网的教育实训综合平台装置。

背景技术

物联网作为一种新兴的产业，目前还没有相关的行业应用标准；同时针对教育方面，各学科学校进行物联网实验室建设也没有一个统一的规范和标准，处于一种无序的状态。虽然市场上有很多企业或者学校做了很多物联网实验室建设的方案，但大多数都以销售产品为目的，并没有考虑到教学环境，没有很好的与教学相贴近。总而使得大多数实验室建设后，处于不用或者很少用、学生不感兴趣等尴尬的境地。

从互联网时代向物联网时代跨越的过程中，随着信息的采集与智能计算技术的迅速发展和互联网与通讯的广泛应用，以及互联网网络带宽的迅速增长及持续增加，物联网技术也得到广泛的应用，大规模发展物联网及先关产业的时机日趋成熟。伴随着物联网技术的发展，各种感知技术将得到广泛应用。 根据物联网的三层特征，首先对于物联网感知层的教学，平台提供了多种射频识别、传感器节点和路由器网络等硬件、网络协议和数据采集控制软件等资源。目前，物联网技术被广泛的应用在监控防盗、车载、工业、家居、医疗、环境监控等各行各业上，却忽略了教学平台。教学平台现有的设备还处于一种固定的形式，各种不同性能的设备还处于相对独立的零散形式，以及拓展性能较差的形式。这类设备在现代教育技术应用中，存在以下不足之处：

① 使用方（学校）投入资金大：在教学过程中，将需要安装多种应用设备，教学局限；同时投入大量的资金，给学校带来经费开支大，学校难以实现广泛性的有效利用，学校教学难以实现面面俱到。

②   拓展性差：应用设备包括网络、显示设备、传输端口都需要单独安装，无论对于整体管理或区域联机操作等均带来不便。

③   应用层面窄：授课老师只能以单一的设备演示教学单一功能的设备性能，教学应用差，效率低。无法体现出相对于基于物联网设备教学应用的广泛性。 

④    安装、调试、维修复杂：因各种教学设备种类多，并以分散形式分布，占用教室面积大，连接线路复杂，并需要多种专业人员进行安装、调试、保养和维修。

同时，现有技术中利用Zigbee应用于物联网中的方式是单独在Zigbee设备做个相匹配的遥控器，该遥控器可以固定地控制一些终端设备，这样只能进行封闭式的网内信息交换，没有很好地解决Zigbee网内、网外互通交融问题。有的是在Zigbee设备里面再做个Zigbee通讯模块，实现3G网络其他命令转换到内网中间来，但这种应用很受限制，导致命令接口和命令协议经常修改，这种方案对在一些简单的控制设备可以，作为演示、概念还是可以的，但作为实用的角度来说的话，不是一种很好的方式，解决不了大规模的终端设备与外网互通的问题，代表不了今后发展趋势，也没充分解决内网和外网转换问题。传统技术中解决与外网的连接很多采用方式是通过短信猫，这样对电信运营商就存在一定的依赖性，也会产生相应的资费。

发明内容

本发明的目的在于提供一种将物联网中的感知层、传输层及应用层集成为一体的教学应用功能的教学实训平台装置。

本发明采用以下技术方案，基于物联网的教训实训综合平台装置所述的平台装置包括机柜，所述的机柜上设有中控机、无线传感网节点和工业自动控制模拟装置；所述的中控机包括控制器、操作屏、通信传输模块和外部响应装置，控制器分别连接操作屏、通信传输模块和外部响应装置；所述的控制器与计算机连接，计算机采用Windows操作系统进行图形化编程模块和程序指令生成模块的设计；图形化编程模块负责对图形化的组件或者控件通过拼装的方式生成指定功能的应用监控程序；程序指令生成模块负责对应用监控程序进行编译生成程序指令；通过计算机将所述的图形化的组件或者控件和程序指令下载至控制器，并由控制器连接的操作屏显示出与计算机相同的界面；所述的无线传感网节点对被感知设备进行持续采集数据，并通过通信传输模块的收集和处理将采集数据传输至控制器，控制器对处理后的采集数据进行统计分析并在操作屏的图形化的组件或者控件中显示；所述的工业自动控制模拟装置包括被控制设备、控制电路和传感器，所述的控制器通过RS485总线和MODBUS通讯协议与控制电路连接，所述的控制电路连接被控制设备，控制器通过应用监控程序生成的程序指令对控制电路执行通或断电的控制机制，使被控制设备对应执行相应的动作；所述的控制器通过传感器实时采集被控制设备的数据进行统计分析并在操作屏的图形化的组件或者控件中显示；控制器通过通信传输模块与远程服务器连接进行数据的双向通讯。

所述的控制器采用基于ARM Cortex-A8处理器的安卓或IOS操作系统。

所述的通信传输模块包括蓝牙通讯模块、WIFI无线通讯模块、zigbee无线通讯模块、3G通讯模块和以太网有线通讯模块，所述的控制器分别与蓝牙通讯模块、WIFI无线通讯模块、zigbee无线通讯模块、3G通讯模块和以太网有线通讯模块连接。

所述的无线传感网节点包括一个以上无线传输底板和一个以上无线传感器，所述的无线传输底板与机柜为可拆卸连接，所述的无线传感器与无线传输底板为可拆卸电连接；所述的无线传感器对被感知设备持续采集数据，并将数据通过无线传输底板发射至zigbee无线通讯模块，zigbee无线通讯模块对数据统一收集和处理并传输至控制器。

所述的控制器通过以太网有线通讯模块或3G通讯模块与互联网连接，并通过互联网与远程服务器的进行数据通讯。 

所述的控制电路包括一个以上的继电器，所述的被控制设备包括一个以上指示灯和一个以上电机，所述的控制器分别通过继电器连接指示灯和电机，所述的控制器的程序指令命令继电器执行通或断电的控制机制。

所述的机柜上设有识读装置，所述的识读装置读取的数据和图像信息通过总线或串口传输至控制器，所述的控制器通过对数据和图像信息加密、解析、验证和算法识别的方式进行处理，将处理后的数据与远程服务器进行数据通讯。

所述的识读装置包括RFID识读器、磁条卡识读器、POS机、IC卡读卡器、二维码识别器、一维码识别器或图像识别设备。

所述的机柜上设有测量装置，所述的测量装置为电压表、电流表或逻辑分析仪。

所述的外部响应装置包括键盘和通信接口。

本发明采用以上技术方案，使基于物联网的教学实训平台装置具有将物联网中的感知层、传输层及应用层集成为一体的教学应用功能；学生或老师基于计算机采用WINDOWS操作系统对自动控制技术开发采用的图形化编程使工业组态软件编程无缝移植到控制器上的安卓系统、IOS操作系统上，使之也可以进行简单图形化编程，实现和计算机一样的自动控制应用。中控机通过以太网有线通讯模块或3G通讯模块连接远程服务器数据库，实现人机交互和机器之间的交互功能的同时也确保控制器中的操作系统及固件能实时通过网络更新到最新版本，这样既能保证教育教学设备能够时刻跟进市场最新技术，还能保证教学配套软件、固件等实时升级换代；利用Zigbee无线通讯模块具有的路由功能，组网能力变得十分强大，任何一个开关、终端设备可呈蜂窝状相互转发、传递信号，它的信号所受的干扰和穿墙能力大大提高，可以对各点的关键技术进行组合，模拟物联网的各个应用领域，能够使学校不再建设很多冗余的物联网教学实训室，这样既节约了成本，又能保持良好的教学效果，大大的减少教育的重复投资及资源的浪费；同时利用多种通讯技术可将教学实训平台装置形成另一个物联网管理模式，方便学校统计和管理设备信息；通过电流表、电压表和逻辑分析仪使学生可以实时掌握平台上各电子设备的电压范围、测量本平台设备的总耗电量和实现对嵌入式底层驱动开发，最大限度的满足课题研究和实训开发者学习和使用等信息；设置的识读装置中RFID射频设备满足国际ISO电气标准及GB电气标准，磁条卡及IC卡满足中国银联金融IC卡规范及EMVCo的EMV标准规范，并通过相关技术认证标准，使学生在认证标准方面的知识面了解更广，同时使教学更加严格；整机采用一体结构设计，使设备安装、调试、维修及保养方便。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明； 

图1为本发明基于物联网的教育实训综合平台装置的外观结构示意图；

图2为本发明基于物联网的教育实训综合平台装置的电路结构拓扑示意图。

具体实施方式

如图1或图2所示，基于物联网的教训实训综合平台装置包括机柜1，所述的机柜1上设有中控机2、无线传感网节点3和工业控制模拟装置4；所述的中控机2包括控制器21、操作屏22、通信传输模块23和外部响应装置，所述的控制器21分别连接操作屏22、通信传输模块23和外部响应装置；所述的控制器21与计算机5连接，计算机5采用Windows操作系统进行图形化编程模块和程序指令生成模块的设计；图形化编程模块负责对图形化的组件或者控件通过拼装的方式生成指定功能的应用监控程序；程序指令生成模块负责对应用监控程序进行编译生成程序指令；通过计算机5将所述的图形化的组件或者控件和程序指令直接通过USB口或者串口下载到嵌入式控制器21，并由控制器21连接的操作屏22显示出与计算机5相同的界面，实现和计算机5一样的自动控制应用；所述的无线传感网节点3对被感知设备31进行持续采集数据，并通过通信传输模块23的收集和处理将采集数据传输至控制器21，控制器21对处理后的采集数据进行统计分析并在操作屏22的图形化的组件或者控件中显示；所述的工业自动控制模拟4装置包括被控制设备41、控制电路42和传感器43，所述的控制器21通过RS485总线和MODBUS通讯协议与控制电路连接，所述的控制电路连接被控制设备41，控制器21通过应用监控程序生成的程序指令对控制电路执行通或断电的控制机制，使被控制设备41对应执行相应的动作；所述的控制器21通过传感器42实时采集被控制设备41的数据进行统计分析并在操作屏22的图形化的组件或者控件中显示；控制器21通过通信传输模块23与远程服务器6连接进行数据的双向通讯，所述的控制器21采用基于ARM Cortex-A8处理器的安卓或IOS操作系统。

本发明具体实施方式中所述的无线传感网节点3包括一个以上无线传输底板和一个以上无线传感器，被感知设备31的数量与无线传感网节点3的数量相对应，所述的无线传输底板与机柜1为可拆卸连接，方便进行远距离空间布局，所述的无线传感器与无线传输底板为可拆卸电连接，不同类型的无线传感器可以直接插入到无线传输底板中，可以扩充和开发出多种传感器节点；所述的无线传感器对被感知设备31持续采集数据，并将数据通过无线传输底板发射至zigbee无线通讯模块，zigbee无线通讯模块对数据统一收集和处理并传输至控制器21，利用zigbee无线通讯模块具有的路由功能，因其组网能力变得十分强大，任何一个开关、被感知设备31的均可呈蜂窝状相互转发、传递信号，它的信号所受的干扰和穿墙能力大大提高，即使某个感知设备31出现故障，其他设备也会自动查找新的设备信号，不会因为局部故障影响整个无线传感网系统的正常运行。

所述的控制器21通过以太网有线通讯模块或3G通讯模块与互联网连接，并通过互联网与远程服务器6的进行数据通讯，通过网络更新操作系统的最新版本和一些固件，保证技术的更新换代。

本发明具体实施例中的工业自动控制模拟装置4采用五个指示灯、六个的继电器和一个直流电机，所述的控制器21分别通过继电器分别连接指示灯和直流电机，控制器21通过程序指令执行对继电器的通或断电机制，从而来控制指示灯的亮或灭、直流电机的运行、停止、正转、反转等工作状态，届时可根据模拟对象的数量对应配置电机和指示灯的数量，只需在控制器上多连接一路的继电器以控制对应模拟一路的电机或指示灯。

所述的机柜1上设有识读装置7，所述的识读装置7读取的数据或图像信息通过总线或串口传输至控制器21，所述的控制器21通过对数据和图像信息加密、解析、验证和算法识别的方式进行处理，将处理后的数据与远程服务器6进行数据通讯。所述的识读装置7包括RFID识读器、磁条卡识读器、POS机、IC卡读卡器、二维码识别器、一维码识别器或图像识别设备；RFID射频识读设备满足国际ISO电气标准及GB电气标准，分为超高频（933MHz）RFID识读设备、高频（13.56MHz）RFID识读设备、低频（133KHz）RFID识读设备，超高频和低频RFID识读设备通过USB口与控制器21连接，高频RFID设备通过串口与嵌入式控制器21连接，磁条识读设备通过总线连接到POS机，与POS机实现底层数据交互，POS机对磁条数据进行加密后，通过串口和控制器21实现加密数据通讯，实现对金融磁条卡1、2、3轨道磁条数据的读写操作；图像识别设备，可实现对图形，如人脸等的识别，图像识别设备通过总线与嵌入式控制器21，并实现数据的交互，控制器21直接解析图形数据，并进行图像算法识别。

所述的机柜1上设有测量装置8，所述的测量装置8为电压表、电流表或逻辑分析仪，所述的采用多通道的逻辑分析仪采样多达32路数字信号和16路模拟信号；对于这些信号的多通道采集，可以实现对嵌入式底层驱动开发，所述的外部响应装置包括键盘和通信接口，在本发明中的具体实施例集成了共计六个外接通信接口，这些通信接口用来外接传感器42及被控制设备41，可以实现外部传感器和被控设备通过RS485总线、MODBUS协议无缝连接到控制器21，并受控制器21的控制。

Claims (10)

1.基于物联网的教育实训综合平台装置，其特征在于：所述的平台装置包括机柜，所述的机柜上设有中控机、无线传感网节点和工业自动控制模拟装置；所述的中控机包括控制器、操作屏、通信传输模块和外部响应装置，控制器分别连接操作屏、通信传输模块和外部响应装置；所述的控制器与计算机连接，计算机采用Windows操作系统进行图形化编程模块和程序指令生成模块的设计；图形化编程模块负责对图形化的组件或者控件通过拼装的方式生成指定功能的应用监控程序；程序指令生成模块负责对应用监控程序进行编译生成程序指令；通过计算机将所述的图形化的组件或者控件和程序指令下载至控制器，并由控制器连接的操作屏显示出与计算机相同的界面；所述的无线传感网节点对被感知设备进行持续采集数据，并通过通信传输模块的收集和处理将采集数据传输至控制器，控制器对处理后的采集数据进行统计分析并在操作屏的图形化的组件或者控件中显示；所述的工业自动控制模拟装置包括被控制设备、控制电路和传感器，所述的控制器通过RS485总线和MODBUS通讯协议与控制电路连接，所述的控制电路连接被控制设备，控制器通过应用监控程序生成的程序指令对控制电路执行通或断电的控制机制，使被控制设备对应执行相应的动作；所述的控制器通过传感器实时采集被控制设备的数据进行统计分析并在操作屏的图形化的组件或者控件中显示；控制器通过通信传输模块与远程服务器连接进行数据的双向通讯。

2.根据权利要求1所述的基于物联网的教育实训综合平台装置，其特征在于：所述的控制器采用基于ARM Cortex-A8处理器的安卓或IOS操作系统。

3.根据权利要求1所述的基于物联网的教育实训综合平台装置，其特征在于：所述的通信传输模块包括蓝牙通讯模块、WIFI无线通讯模块、zigbee无线通讯模块、3G通讯模块和以太网有线通讯模块，所述的控制器分别与蓝牙通讯模块、WIFI无线通讯模块、zigbee无线通讯模块、3G通讯模块和以太网有线通讯模块连接。

4.根据权利要求3所述的基于物联网的教育实训综合平台装置，其特征在于：所述的无线传感网节点包括一个以上无线传输底板和一个以上无线传感器，所述的无线传输底板与机柜为可拆卸连接，所述的无线传感器与无线传输底板为可拆卸电连接；所述的无线传感器对被感知设备持续采集数据，并将数据通过无线传输底板发射至zigbee无线通讯模块，zigbee无线通讯模块对数据统一收集和处理并传输至控制器。

5.根据权利要求1所述的基于物联网的教育实训综合平台装置，其特征在于：所述的控制器通过以太网有线通讯模块或3G通讯模块与互联网连接，并通过互联网与远程服务器的进行数据通讯。

6.根据权利要求1所述的基于物联网的教育实训综合平台装置，其特征在于：所述的控制电路包括一个以上的继电器，所述的被控制设备包括一个以上指示灯和一个以上电机，所述的控制器分别通过继电器连接指示灯和电机，所述的控制器的程序指令命令继电器执行通或断电的控制机制。

7.根据权利要求1所述的基于物联网的教训实训综合平台装置，其特征在于：所述的机柜上设有识读装置，所述的识读装置读取的数据和图像信息通过总线或串口传输至控制器，所述的控制器通过对数据和图像信息加密、解析、验证和算法识别的方式进行处理，将处理后的数据与远程服务器进行数据通讯。

8.根据权利要求7所述的基于物联网的教训实训综合平台装置，其特征在于：所述的识读装置包括RFID识读器、磁条卡识读器、POS机、IC卡读卡器、二维码识别器、一维码识别器或图像识别设备。

9.根据权利要求1所述的基于物联网的教训实训综合平台装置，其特征在于：所述的机柜上设有测量装置，所述的测量装置为电压表、电流表或逻辑分析仪。

10.根据权利要求1所述的基于物联网的教训实训综合平台装置，其特征在于：所述的外部响应装置包括键盘和通信接口。

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