CN112991856A - 一种教学用物联网实训平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种教学用物联网实训平台，该实训平台是自制的完整体系的物联网实训平台，完整映射物联网四层结构，包括感知层、网络层、平台层、应用层。该实训平台采用开源资源，模块化设计，避开框架使用，学生通过自主原生构建物联网系统来学习物联网原理及技术。优点在于，自主原生构建物联网系统，期间，利用多种手段和工具在本实训平台的各个节点上实时查看数据状态，做到让学生真正触及到抽象的物联网。

Description

一种教学用物联网实训平台

技术领域

本发明属于物联网领域，具体涉及一种教学用物联网实训平台。

背景技术

随着物联网技术的高速发展，培养物联网的专业技术人才也显得尤为重要。

目前，多数大专院校通过各种物联网实训平台进行物联网教学。对现有的实训平台进行分析，发现所采用的物联网实训设备主要有两大类。一是在原有的嵌入式开发实验箱基础上做适当的改进，添加上各种无线技术所构成的传感网，再通过串口连接到pc端可视化显示以及控制执行器，这样的实训平台不能让学生切实理解物联网体系结构及其原理；二是利用现有的云端IOT，学生只能触及到感知层和应用层，不能深入理解网络层和平台层的原理，也就不能让学生完整地学习物联网系统。

其中，嵌入式系统采用复杂的Linux操作系统，云端技术采用难以掌握的框架，致使增加学生的学习成本和压力。

另外，实训平台生产企业出于对知识产权保护的原因，学生无法介入到某些关键模块的代码编程层面，也就无法切实地掌握物联网原理。

介于上述种种因素，致使学生对物联网学习产生一定困难，因此，这些实训平台在使用上具有一定的局限性。

发明内容

为解决现有技术存在的问题和不足，本发明提供一种更加有利于学生理解物联网原理，掌握物联网技术的教学用物联网实训平台。

一种教学用物联网实训平台，包括感知层、网络层、平台层、应用层四个层次结构。感知层包括传感网和web摄像头，网络层包括路由器，平台层包括MQTT代理服务器、数据中心、web服务器、流媒体服务器，应用层包括web显示终端。物联网系统的感知层、网络层、平台层以及应用层均为自主研发，属于模块化体系，各模块相对独立，利用既定接口和数据帧格式完成通讯任务，在数据链路上的各个节点都可以实时监测到相关数据。

进一步地，zigbee传感网将所采集的数据通过路由器传输至MQTT代理服务器，MQTT代理服务器将数据推送到数据库保存，同时推送到应用层web显示终端可视化显示数据，从而构成上行数据链路。

进一步地，web摄像头采集图像，利用FFmpeg拉视频流到流媒体服务器，推送到web显示终端，同时推送到数据中心以分段时间形式保存视频。

进一步地，在web显示终端，利用点击事件触发按钮或滑动块，将信号发送到MQTT代理服务器，再由MQTT服务器推送到感知层，从而构成下行数据链路。

进一步地，web显示终端为PC端或移动端或pad端，web显示终端采用自适应web页面设计。

进一步地，后端数据库和web界面前端分离，利用restful模式API接口关联。

进一步地，后端数据库和web端采用MVC架构设计。

进一步地，传感网由arduino开发板结合XBee（zigbee）模块构成，传感网包括zigbee终端节点、zigbee路由器节点、zigbee协调器节点，arduino开发板上连接有传感器或执行器，在zigbee协调器节点所在的arduino开发板上采用freeRTOS多任务管理进程。

进一步地，代理服务器模块为MQTT代理服务器，采用node.js的开源模块Mosca，流媒体服务器采用开源node-midea-sever流媒体服务器。

进一步地，学生可以在所采集到的数据基础上，做二次开发。

进一步地，每个arduino开发板可通过串口监视器查看由传感器所采集到的数据及格式；利用串口监视器查看路由器节点或是协调器节点所接收到的数据及其格式；在开源mosca中采用断言语句，在指令终端显示所经过的数据及其格式；利用USB dongle抓取空气中的ZigBee数据做协议分析；在数据中心中查看数据表和视频文件；在web显示终端，利用浏览器的开发者工具查看所接收到的数据和所有发送的数据；在开源的FFmpeg运行窗口中查看所拉媒体流的情况。

本发明的有益之处在于：

1.本实训平台是个自主研发的完整体系的物联网系统，采用模块化设计，便于学生逐个模块学习。

2.本实训平台指导学生学会创建（DIY）物联网系统来学习物联网原理及技术。如创建无线传感网，创建视频广播，构建上下行数据链路，实现数据保存，设计数据可视化显示界面等物联网技术。

3.本实训平台采用多种手段及工具，在各节点上采用“探针”方式实时查看数据传输的状态，让学生明白物联网系统中的数据传输状况和控制原理。

4.本实训平台全部采用开源技术，避开使用框架，利用原生代码，旨在具象化物联网原理和技术。学生通过自主实践操作（DIY），包括物联网结构布局，编写代码，调试功能，做到让学生真正触及到抽象的物联网。

附图说明

图1为本发明一种教学用物联网实训平台的示意图。

图2为本发明一种教学用物联网实训平台中web显示终端界面的示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

一种教学用物联网实训平台，完整映射物联网四层结构，包括感知层、网络层、平台层、应用层。本实训平台感知层有zigbee传感网、web摄像头，感知层采集数据通过网络层上的路由器传输至平台层中的代理服务器和流媒体服务器，在数据中心保存数据，包括视频数据，在应用层可视化显示。实训平台采用模块化设计，各模块之间的注重API接口和数据帧格式的设计，便于在实训过程中分模块学习。只要各个模块之间的接口（api）和数据帧格式统一（正确），实现数据链路的畅通。采用多种手段和工具测试数据链路上的数据状态。

1、构建zigbee网： 构建典型的zigbee网，包括若干配置XBee（zigbee）的MCU模块，MCU为开源的arduino开发板，分别配置成zigbee终端节点、zigbee路由器节点、zigbee协调器节点。其中协调器节点采用freeRTOS操作系统。MCU配置有传感器和执行器，如温度传感器、湿度传感器、速度传感器、二维码和继电器、风扇、LED等等。

2、构建上下行数据链路：

a)zigbee终端—zigbee路由器—zigbee协调器—路由器—MQTT代理服务器—web显示端（或是数据库）。

b)web摄像头—路由器—流媒体服务器—web控制端。

3、搭建多种服务器：

a)流媒体服务器node-midea-server，以及FFmpeg；

b)MQTT代理服务器nodejs-mosca；

c)Apache服务器，后端数据库（php+mysql）；

d)Tomcat服务器，前段web界面。

4、前后端分离模块化设计： 为了尽量降低耦合度，平台层上的数据库（php+mysql）和web显示终端分离，采用restful APl接口技术，并且采用MVC模式架构，不用框架。

5、自主设计自适应web页面： Web页面分为四个区域，分别是视频显示区，实时统计图区，控制按钮区，本实训平台说明区。利用HTML5+CSS3+ JavaScript设计自适应web页面，便于在pc、pad、mobile等不同分辨率设备上显示。学生可以在现有数据基础上，自主设计和开发UI。

6、设计“探针”测试各节点数据状态： 利用多种手段和工具测试链路上各个节点的数据状态。如arduino串口监视器、xbee空气抓包、postman、mock.js、Google开发者工具、查看数据表、以及嵌入断言语句。

旨在学生在操作过程中能够掌握物联网实现原理和编程语言。

以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (10)

1.一种教学用物联网实训平台，其特征在于：包括感知层、网络层、平台层、应用层，感知层包括zigbee传感网和web摄像头，网络层包括路由器，平台层包括MQTT代理服务器、数据中心、web服务器、流媒体服务器，应用层包括web显示终端，感知层、网络层、平台层以及应用层所构成的物联网系统是自制的模块化体系，各模块相对独立，利用既定接口和数据帧格式完成通讯任务。

2.根据权利要求1所述的一种教学用物联网实训平台，其特征在于：zigbee传感网将所采集的数据通过路由器传输至MQTT代理服务器，MQTT代理服务器将数据推送到数据库保存，同时推送到应用层web显示终端可视化显示数据，从而构成上行数据链路。

3.根据权利要求2所述的一种教学用物联网实训平台，其特征在于：web摄像头采集图像，利用FFmpeg拉视频流到流媒体服务器，推送到web显示终端，同时推送到数据中心以分段时间形式保存视频，其中数据中心是由保存zigbee传感网所采集的数据的数据库和存储web摄像头采集的视频文件的文件系统组成。

4.根据权利要求3所述的一种教学用物联网实训平台，其特征在于：在web显示终端，利用点击事件触发按钮或滑动块，将信号发送到MQTT代理服务器，再由MQTT服务器推送到感知层，从而构成下行数据链路。

5.根据权利要求4所述的一种教学用物联网实训平台，其特征在于：web显示终端为PC端或mobile端或pad端，web显示终端采用自适应web页面设计。

6.根据权利要求5所述的一种教学用物联网实训平台，其特征在于：后端数据库和web前端界面分离，利用restful模式API接口关联。

7.根据权利要求6所述的一种教学用物联网实训平台，其特征在于：后端数据库和web前端整体上采用MVC架构设计。

8.根据权利要求7所述的一种教学用物联网实训平台，其特征在于：传感网由arduino开发板结合XBee模块构成，传感网包括zigbee终端节点、zigbee路由器节点、zigbee协调器节点，arduino开发板上连接有传感器或执行器，在zigbee协调器节点所在的arduino开发板采用freeRTOS多任务管理。

9.根据权利要求8所述的一种教学用物联网实训平台，其特征在于：代理服务器模块为MQTT代理服务器，采用node.js的开源模块Mosca；流媒体服务器采用开源node-midea-sever流媒体服务器，统一应用JavaScript言语。

10.根据权利要求9所述的一种教学用物联网实训平台，其特征在于：在数据链路上的各个节点，可以实时查看到相关数据及其格式，每个arduino开发板可通过串口监视器查看由传感器所采集到的数据及其格式；利用串口监视器查看路由器节点或是协调器节点所接收到的数据及其格式；利用USB dongle抓取空气中的ZigBee数据做协议分析；在开源mosca中采用断言语句，在指令终端显示所经过的数据及其格式；在数据中心中查看数据表和视频文件；在web显示终端，利用浏览器的开发者工具查看所接收到的数据和所有发送的数据；在开源FFmpeg的运行窗口中查看所拉媒体流的情况。

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