CN204406757U - 一种基于嵌入式系统的物联网实验箱 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种基于嵌入式系统的物联网实验箱，包括箱体以及底板，还包括基于ARM内核的第一核心主板和第二核心主板，基于ATMEL ARM7处理器的移动平台、基于CC2430射频芯片的ZigBee模块、RFID射频芯片、基于C1110单片机的射频收发模块以及基于GPRS2.5G网络的GPRS模块。本实用新型通过设置两个基于嵌入式系统的核心主板和其外围扩展电路，可以有针对性地实现不同类别不同层次物联网技术实验的实验需求。该物联网实验箱结构清晰简单，可以完成110余个物联网技术的相关实验、功能多样、使用灵活、满足了物联网专业综合实验的需求。

Description

一种基于嵌入式系统的物联网实验箱

技术领域

本实用新型涉及实验装置设备技术领域，尤其涉及一种基于嵌入式系统的物联网实验箱。

背景技术

物联网技术的核心是利用各种不同的传感设备，按照不同的通信协议实现人与人、人与物以及物与物之间的信息交换。通过物联网技术可以克服信息传输中大多数时间地域的限制，其所形成的庞大的网络系统能实现智能化识别、定位、监控、管理等多种功能。

物联网技术应用领域广，发展空间大。近年来不少高校都设立了以物联网技术为核心的专业。然而，物联网技术的后台支持是复杂的理论和技术。从数据采集与感知、数据传输到平台应用等各个阶段均涉及到电子、通信、计算机等多个领域的技术结合。因此，如何帮助学生直观的掌握相关知识和技术就成了各高校和科研机构亟待解决的一项难题。

目前课堂中所使用的物联网专业实验设备通常是在原有通信试验箱或电子试验箱的基础上进行简单改造形成的，功能单一、灵活性差且缺少理解物联网技术的关键要素，无法满足物联网技术综合实验的需要。

发明内容

本实用新型提供了一种基于嵌入式系统的物联网试验箱，旨在解决传统物联网试验箱功能单一且灵活性差的缺陷。

本实用新型提供的技术方案是一种基于嵌入式系统的物联网实验箱，包括箱体以及底板：

还包括基于ARM内核的第一核心主板和第二核心主板；所述第一核心主板和第二核心主板分别与外部存储器相连，所述外部存储器连接至32位数据总线；

所述第一核心主板集成有多路串行接口和通用I/O端口、还集成有JTAG接口，全双工串口UART、 USB端口以及时钟电路；

所述第二核心主板集成有复位控制器、低功耗RC振荡器、电源管理控制器、先进的终端控制器、调试单元、周期性间隔定时器、看门狗、实时定时器、并行IO控制器、外设数据控制器、同步串行控制器、通用同步/异步收发器、主/从串行外设、定时器/计数器、PWM控制器、双线接口和模数转换器；

所述物联网实验箱还包括：基于ARM处理器的移动平台、基于CC2430射频芯片的ZigBee模块、RFID射频芯片、基于C1110单片机的射频收发模块以及基于GPRS2.5G网络的GPRS模块。

采用双核心主板的主旨在于帮助学生从不同层面理解物联网原理、组网以及应用。高校在设计实验时会将涉及不同应用领域的实验加以区分，其中涉及工业控制和Internet设备的实验为理解物联网技术的基础。但是，此类实验所需要的资源配置较小，可以采用配置较低的芯片实现相关功能。因此，所述第二核心主板设置为以ARM7TDMI为内核的ARM7核心主板，与所述ARM7核心主板相连接的外部存储器为32K FLASH。ARM7具有嵌入式ICE-RT逻辑，调试开发方便，功耗极低，非常便于学生理解嵌入式系统的片上功能。

进一步的，为了实现涉及其它更高需求应用场合的相关实验，所述第一核心主板选用以配置较高的芯片。优选ARM9核心主板，与所述ARM9核心主板相连接的外部存储器包括64MSDRAM和64MNAND FLASH。

ARM9核心主板支持DSP指令集和多种主流嵌入式操作系统，适合需要高速数字信号处理的场合，所以需要将实验箱的扩展功能组件与第一核心主板相连接。因此，所述ARM9核心主板上集成有触摸屏接口、数字屏接口、 GPRS接口、 SD卡存储接口、GPS接口、CAN总线接口和RJ-45接口; 所述ARM9核心主板还连接有外扩RTC电路。

进一步的，作为ARM9核心主板的替代方案，所述第一核心主板也可以是ARM11核心主板；与所述ARM11核心主板相连接的外部存储器包括256M的Mobile DDR内存和2G的NAND FLASH存储器。

由于ARM11核心主板实时响应更快且具有加强实时数据的处理能力，所以可以实现与消费电子、无线和网络应用领域的相关实验。为了连接相关外围扩展模块，所述ARM11核心主板上集成有12MHz、48 MHz、27 MHz、32.768 KHz的时钟源，用于连接SD卡或无线网卡的复用接口，用于连接音频设备的接口，用于连接麦克风的接口，触摸屏接口，CVBS输出接口， CMOS摄像头接口和插针扩展口。

进一步的，所述ARM11核心主板还包括扩展单元；所述扩展单元包括温度传感器、红外接收头、LED以及蜂鸣器。

进一步的，所述移动平台上设置有GSM/GPRS通信模块以及板载时钟模块。

为方便组网，所述底板分为两层，其中，所述第一核心主板和RFID射频芯片设置在所述底板的第二层；所述第一核心主板、第二核心主板、移动平台、ZigBee模块、RFID射频芯片、射频收发模块以及GPRS模块均设置在所述底板上开设的扣槽中。

本实用新型所提供的基于嵌入式系统的物联网实验箱，通过设置两个基于嵌入式系统的核心主板和其外围扩展电路，可以有针对性地实现不同类别不同层次物联网技术实验的实验需求。该物联网实验箱结构清晰简单，可以完成110余个物联网技术的相关实验、功能多样、使用灵活、满足了物联网专业综合实验的需求。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型所提供的基于嵌入式系统的物联网实验箱的第一种实施例的结构示意图；

图2为本实用新型所提供的基于嵌入式系统的物联网实验箱的第二种实施例的结构示意图。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

与传统的实验箱相比，本实用新型所提供的物联网实验箱采用了双嵌入式系统核心主板的形式。其原因在于，虽然物联网技术的应用领域相当广泛且一直在不断扩展，但其中最为基础和核心的依旧是工业控制。这就存在一个矛盾，如果实验箱中仅仅配备低配置的处理器芯片，就无法开展关于电子设备、网络等技术领域对硬件要求较高的相关实验；而如果仅配备高配置的处理器，又很难通过实验使学生理解嵌入式系统片上功能在物联网领域的基础应用。所以，采用双嵌入式系统核心主板的形式可以很好的解决这一问题，详述如下：

实施例一，如图1所示，本实施例所提供的基于嵌入式系统的物联网实验箱采用第一核心主板、第二核心主板加扩展板的设计方式。基于ARM微处理器内核的第一核心主板和第二核心主板，能将所有的I/O全部引出，在核心主板上只提供最基本的接口，便于学生进行实验操作。

如图1所示，第一核心主板为以Samsung S3C2440AL处理器为核心的ARM9核心主板，其最高主频可达到533MHz。ARM9核心主板的微处理器采用Harvard结构，五级流水线，时钟频率为120MHz-200MHz，在高性能和低功耗特性方面可以表现出最佳的性能。ARM9核心主板支持WindowsCE, Linux等多种操作系统，可以实现如搭建Linux开发环境、编译配置Linux内核、GPIO驱动、以太网通讯、IO控制等14组实验。

本实施例中的ARM9核心主板连接有外部存储器SDRAM以及NAND FLASH，其中SDRAM为系统代码的运行场所，FLASH存放嵌入式操作系统、实验应用程序或其他在系统掉电后需要保存的数据。SDRAM和NAND FLASH连接至32位数据总线与处理器进行数据交换。根据实验的具体要求，SDRAM和NAND FLASH均为64M，可以满足大部分物联网实验的数据存储需要。SDRAM和FLASH通过表贴封装的双排插针将信号线及控制线引出。这样，只需要设计不同的扩展板即可实现不同的实验功能。

 所述ARM9核心主板上集成有至少7路串行扩展口，其中一路作为Debug调试接口，两路可以作为RS-485的复用接口，即可以实现试验箱与其他硬件应用系统的短距离双向串行通信；8路通用I/O输入端口，4路通用I/O端口。此外，ARM9核心主板上还设置有一JTAG接口，通过该接口可以对系统进行调试以及编程。

作为实验箱的核心芯片，ARM9核心主板需要根据实验的不同扩展不同的外部功能模块。所以，ARM9核心主板上还集成有多个功能接口，如一路GPRS接口、一路GPS接口、一路ZigBee接口、四路10位ADC、一路CAN总线接口、一路100M以太网RJ-45接口，以及用于直接连接四线电阻式触摸屏的触摸屏接口、用于与TFT及LCD屏直接连接的数字屏接口，用于与USB设备直接连接的USB接口，用于与SD卡连接的SD卡存储接口。ARM9核心主板还设置有外扩RTC电路，足以满足不同应用场合的扩展功能模块需求。

除ARM9核心主板以外，实验箱中还包括主要用于进行片上功能实验的ARM7核心主板。ARM7核心主板上设置有复位控制器（RSTC），提供上电复位和掉电检测。该复位控制器可以提供复位源信息，用以直观地展示程序复位是何种原因造成的。同时，复位控制器可以输出复位信号，用于控制实验箱的外部设备。ARM7核心主板上还集成有低功耗RC振荡器、用于优化电源降低功耗的电源管理控制器（PMC）、具有8个优先级向量式中断源的先进的中断控制器（AIC）、用于调试双线UART的调试单元（DBGU）、由20位可编程计数器和12位间隔计数器构成的周期性间隔定时器（PIT）、有12位可编程计数器构成的看门狗（WDT）、由32为计数器构成的实时定时器（RTT）、并行IO控制器（PIOA）、9个外设数据控制器，一个同步串行控制器（SSC）、一个通用同步/异步收发器（USART）、主/从串行外设（SPI）、3通道16位定时器/计数器（TC）、4通道16位PWM控制器、一个双线接口（TWI）和模数转换器。ARM7核心主板可以实现关于ARM嵌入式系统的基础实验，培养学生对于物联网系统架构应用于工控领域的直观认识。

作为物联网技术中主要的无线通信方式。ZigBee无线技术是学生理解物联网技术的关键之一。本实验箱中设置有两个ZigBee模块。以ZigBee无线温度采集上传实验为例。实验的基本构思是采用ZigBee星型网络拓扑结构，建立主节点和从节点之间的无线传感网络。各个从节点连接数字温度传感器定时采集环境温度，并通过ZigBee网络将数据依次向主节点发送，主节点收到数据后通过串口上传ARM9核心主板, ARM9核心主板对数据进行分析处理，并在监控界面显示温度实时变化曲线。本实施例中的实验箱选用CC2430作为主节点的处理器，CC2430是支持ZigBee协议的片上系统，其集成有一个8050MCU内核以及ZigBee SoC射频芯片CC2430F128。芯片内部还包括8kb的RAM, 可选32/64/128KB的FLASH存储单元，包含模拟数字转换器、定时器、看门狗定时器、AES128协处理器等，同时提供了2个UART接口以及21个可编程I/O引脚。可以完成ARM9核心主板与PC机通信或者控制实验箱上的外扩WIFI模块CC2430自身功能完善，也可以和多种外部扩展电路配合，完成多种ZigBee通信实验。

RFID是物联网架构下的另一项重要技术，为了使学生更好地了解RFID标签识别技术。在本实施例所提供的实验箱中还设置有RFID射频芯片和五个CC1110模块。CC1110模块采用CC1110单片机。CC1110单片机是一款SOC, 其内部集成51内核和射频收发器，工作频率26MHz，具有超强的抗干扰能力和多种信号调制方式。适宜设置在多功能模块的实验箱中，在实现RFID功能的同时，还可以很好地避免各模块之间的相互干扰。

本实施例所提供的物联网实验箱中还设置有一基于ATMEL ARM7处理器的移动平台，所述移动平台所采用的通信模块为GPS/GPRS双频通信模块。所述移动平台可以通过其自身集成的通用I/O端口实现模拟量数据和数字量数据的输入，其具有2M储存空间和板载时钟模块。通过移动平台可以进行TCP传输和Internet传输等实验。

 本实施例中的实验箱还提供一个基于移动2.5G GPRS网络的GPRS模块，该移动平台中内嵌TCP/UDP协议及单片机系统的数据传输终端。移动平台中采用Siemens MC35i/MC39i工业级通讯模块，适应5V~35V宽电压，提供DB9 RS-232/422标准串行接口，可以直接与PLC、RTU、FTU、TTU等采集设备连接，实现GPRS远程实时数据传输功能。

本实施例所提供的基于嵌入式系统的物联网实验箱，通过设置ARM7核心主板和ARM9核心主板及其外围扩展电路，可以有针对性地实现不同类别不同层次物联网技术实验的实验需求。该物联网实验箱结构清晰简单，可以完成88个物联网技术的相关实验、功能多样、使用灵活。

实施例二，本实用新型所提出的实验箱也可以采用如图2所示的开发平台实现, 选用基于Samsung S3C6410处理器的ARM11核心主板作为第一核心主板和ARM7核心主板作为第二核心主板。理解物联网技术的另一个关键是其软件体系结构。物联网的软件体系结构包括与硬件相关的底层软件、操作系统、图形界面、通信协议、数据库系统和应用软件等。ARM11核心主板的工作频率为533MHz，实时响应更快，中断延迟更低，且可以为数据和指令提供足够的带宽。所以采用ARM11核心芯片可以更流畅地进行系统数据实验，比如，Android系统下的烧写实验，搭建开发环境、编译实验等等。

由于ARM11核心主板的数据处理能力强，相应的可以扩展更多的外围功能进行实验。因此，ARM11集成有4个串口，其中包括1个无线RS 232电平串口和3个三线TTL电平串口，一个采用DM9000AE带连接和传输指示灯的100M网口，一个支持USB1.1协议的USB HOST接口，一个支持USB 2.0协议的USB SLAVE的MINI-USB插口，一个连接SD卡的高速SD卡座，一个无线网卡接口， 一个音频输出接口，一个音频输入接口，用于连接4线电阻式触摸屏的触摸屏接口，一个CVBS输出接口，一个CMOS摄像头接口、一个JTAG接口、3个插针扩展口，其中第一插针扩展口包括1路GND、一路DA、8路AD、 10路IO 和1路SPI，第二插针扩展口用于扩展矩阵键盘，第三插针扩展口连接3个TTL电平串口和6路通用I/O接口。

与ARM11核心主板相连接的外部存储器包括256M的Mobile DDR内存和2G的NAND FLASH内存，且具备 12MHz、48MHz、27MHz、32.768KHz的时钟源。与ARM11核心主板相连接的扩展功能模块包括1个温度传感器、1个红外接收头、4个LED以及1个蜂鸣器。

本实施例所提供的基于嵌入式系统的物联网实验箱，通过设置ARM7核心主板和ARM11核心主板及其外围扩展电路，可以有针对性地实现不同类别不同层次物联网技术实验的实验需求。其外围功能模块可以根据实际实验需要进行分配，核心模块既可以单独使用，也可以组合使用。该物联网实验箱结构清晰简单，可以完成共117个物联网技术的相关实验，功能多样。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种基于嵌入式系统的物联网实验箱，包括箱体以及底板，其特征在于：

所述物联网实验箱还包括基于ARM内核的第一核心主板和第二核心主板；所述第一核心主板和第二核心主板分别与外部存储器相连，所述外部存储器连接至32位数据总线；

所述第一核心主板集成有多路串行接口和通用I/O端口，还集成有JTAG接口、全双工串口UART、USB端口以及时钟电路；

所述第二核心主板集成有复位控制器、低功耗RC振荡器、电源管理控制器、先进的终端控制器、调试单元、周期性间隔定时器、看门狗、实时定时器、并行IO控制器、外设数据控制器、同步串行控制器、通用同步/异步收发器、主/从串行外设、定时器/计数器、PWM控制器、双线接口和模数转换器；

所述物联网实验箱还包括：基于ARM处理器的移动平台、基于CC2430射频芯片的ZigBee模块、RFID射频芯片、基于C1110单片机的射频收发模块以及基于GPRS2.5G网络的GPRS模块。

2.根据权利要求1所述的基于嵌入式系统的物联网实验箱，其特征在于，所述第二核心主板为以ARM7TDMI为内核的ARM7核心主板，与所述ARM7核心主板相连接的外部存储器为32K FLASH。

3.根据权利要求1或2任一项所述的基于嵌入式系统的物联网实验箱，其特征在于，所述第一核心主板为ARM9核心主板，与所述ARM9核心主板相连接的外部存储器包括64M SDRAM和64M NAND FLASH。

4.根据权利要求3所述的基于嵌入式系统的物联网实验箱，其特征在于， 所述ARM9核心主板上集成有触摸屏接口、数字屏接口、 GPRS接口、 SD卡存储接口、GPS接口、CAN总线接口和RJ-45接口; 所述ARM9核心主板还连接有外扩RTC电路。

5.根据权利要求1或2任一项所述的基于嵌入式系统的物联网实验箱，其特征在于，所述第一核心主板为ARM11核心主板；与所述ARM11核心主板相连接的外部存储器包括256M的Mobile DDR内存和2G的NAND FLASH存储器。

6.根据权利要求5所述的基于嵌入式系统的物联网实验箱，其特征在于，所述ARM11核心主板上集成有12MHz、48 MHz、27 MHz、32.768 KHz的时钟源，用于连接SD卡或无线网卡的复用接口，用于连接音频设备的接口，用于连接麦克风的接口，触摸屏接口， CVBS输出接口， CMOS摄像头接口和插针扩展口。

7.根据权利要求6所述的基于嵌入式系统的物联网实验箱，其特征在于，所述ARM11核心主板还包括扩展单元；所述扩展单元包括温度传感器、红外接收头、LED以及蜂鸣器。

8.根据权利要求1所述的基于嵌入式系统的物联网实验箱，其特征在于，所述移动平台上设置有GSM/GPRS通信模块以及板载时钟模块。

9.根据权利要求1所述的基于嵌入式系统的物联网实验箱，其特征在于，所述底板分为两层，其中，所述第一核心主板和RFID射频芯片设置在所述底板的第二层；所述第一核心主板、第二核心主板、移动平台、ZigBee模块、RFID射频芯片、射频收发模块以及GPRS模块均设置在所述底板上开设的扣槽中。