物联网教学实验开发系统

物联网实训室建设方案

生产厂家：上海左岸芯慧电子科技有公司

1. 背景

物联网是通过信息传感设备，按约定的协议实现人与人、人与物、物与物全面互联的网络，其主要特征是通过射频识别、传感器等方式获取物理世界的各种信息，结合互联网、移动通信网等网络进行信息的传送与交互，采用智能计算技术对信息进行分析处理，从而提高对物质世界的感知能力，实现智能化的决策和控制。

物联网技术和产业的发展将引发新一轮信息技术革命和产业革命，是信息产业领域未来竞争的制高点和产业升级的核心驱动力。物联网概念是庞大和丰富的，其中涵盖了大量现有的专业门类和技术体系，而在其系统集成和应用端，可以说物联网技术将能够应用于工业、农业、服务业、环保、军事、交通、家居等几乎所有的领域。

无线传感网络正是适应于这样背景下的全新网络技术。无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，WSN）是当前国际上备受关注的、涉及多学科高度交叉、知识高度集成的前沿热点研究领域。它综合了传感器、RFID技术、嵌入式计算、现代网络及无线通信和分布式信息处理等技术，能够通过各类集成化的微型传感器协同完成对各种环境或监测对象的信息的实时监控、感知和采集，这些信息通过无线方式被发送，并以自组织多跳的网络方式传送到用户终端，从而实现物理世界、计算世界以及人类社会这三元世界的连通。

2 建设目标

2.1 无线传感器网络研究目前情况

WSN的商用迄今可以划分为三个阶段：2003-2004年，WSN开始被试用，以验证投资回报；2005-2006年，WSN的使用量持续增长，重点关注可靠性和集成度；而2007-2010年为WSN的起飞期，新应用不断涌现，出货量高速增长，这一时期为消费者驱动，重点关注成本和尺寸。

根据美国多家知名市场公司预测，到2008年，WSN节点全球出货量将超过1亿个，市场销售总额超

过20亿美元。专门致力于无线技术研究的美国加利福尼亚圣迭戈（原圣地亚哥）市场调研公司ON World 近期发布的一份报告，预计到2011年，世界市场无线传感器网络（WSN）系统与服务将飞升至约46亿美元，并呈现爆炸式增长，现阶段国内市场应用正在整体评估和试探阶段，但是相应的研究工作已经开展；近期主要用户为高校、研究机构（包含为交通、环境、农业、能源、国防等政府部门服务的科研院所），企业研发中心；中长期目标用户为海量使用的政府和企业(包括交通、环境、农业、能源、国防等政府部门)以及未来可能使用无线传感器网络的各类企业提供平台和应用案例。到目前为止，国内外己经推出了几十种成型的无线传感器网络节点设备。

国外主要节点设备技术分析：

（1）Smart dust是美国DARR/MTO MEMS支持的项目，其目的是研制体积不超过1mm3，使用太阳能电池，具有光通信能力的自治传感器节点。由于体积小，重量轻，该节点可以附着在其他物体上，甚至在空气中浮动。

(2) Mica节点由加州大学伯克利分校研制，用于传感器网络研究的演示平台的试验节点，Mica系列节点包括WeC、Renee、Mica、Mica2、Mica2dot和SPec等。WeC、Renee、Mica这三款节点无线通信模块都采用了RFM公司的TR1000芯片，而Mica2、Mica2dot这两款节点无线通信模块都采用了ChiPcon公司的CC1000芯片，处理器采用了Atmel公司的Atmega128芯片。Mica3节点采用Atmegal28L与CC1020相结合的结构，拥有强大的传感器板接口。Micaz节点无线通信电路采用的是Chipcon公司的CC2420芯片。

(3) Telos节点是美国国防部DARPA支持NEST项目的一部分，该节点已经被MoteV公司产品化了。节点采用MSP430和CC2420相结合的构架，采用USB-COM桥接口，直接通过USB接口供电、编程和控制，进一步简化了外部接口。

(4) TMote Sky节点是加州大学伯克利分校研制的Mica系列节点的后续产品，它采用Tl公司的MSP430微处理器和Chipcon公司的CC2420。TMote Sky主要用于监测活动火山，监测其运动情况、周边环境和突发情况。节点上装有麦克风和地震检波器传感器，用来收集震动和声音数据，利用TI公司的AD7710模数转换器，转换成数字信号传输，来达到监测火山活动的目的。

（5）EyesIFX节点是由欧洲研究计划(European Research Projeet)中自组织传感器网络研究项目的成果之一，节点采用TI的MSP430微处理器作为节点处理控制中心，无线通信芯片采用的是TDA5250，节点仅需一节AAA电池供电即可。

（6）U3(U-cube)节点由东京大学的Yoshihiro Kwahara等提出。U3节点采用的是立方体的概念，它把能量供应模块、处理器模块、无线通信模块、数据采集模块分别做成了四个小电路板，然后通过插针接口将四者连接在一起，优点就是可以随时重构节点，例如，当需要改变传感器类型时，只需把数据采集模块

换成相应所需的传感器即可，而不用重新设计电路板。U3节点处理器模块采用Micochip公司的PIC18F452，无线通信模块采用CDC-TR-02B实现，采用AAA充电电池提供节点工作电压。

2.1 我校物联网发展目标

（1）建立完整的无线传感网实验室

完成了传感器热插拔节点板设计，在此基础完成1000个点以上自组网和自恢复协议，初步实现一个具有动态可扩充能力的新型传感器网络数据库管理系统的实验室研究。

整个实验室将分为学生实验实训平台和教师科研和学生创新设计二部分。建成后实验室不但可以提供给30位学生同时进行无线传感网络的实训训练，还可根据行业应用需求，搭建起数个应用模型，用于教师科研和学生创新设计，如：可以利用实验室WSN节点在校园内搭建一个环境监测系统，对校园内相关环境参数进行监测，监测结果可以通过实验室LED大屏实时发布，同时也可通WEBserver进行发布和远程登录及控制。

（2）建立完整的物联网节点的软件架构

物联网节点由传感器模块、路由协议管理模块、系统控制模块、无线收发模块和能量控制模块五部分组成，每个传感器节点兼顾传统网络节点终端和路由器双重功能，除了进行本地信息收集和数据处理外，还要对其他节点转发来的数据进行存储、管理和融合等处理，同时与其他节点协作完成一些特定任务。为了能够实现最为稳定的节点互联，信息互通，我将采用伯克利大学编写的TinyOS操作系统，并把该操作系统移植到目前比较新的SOC 芯片（CC2430）上，在节点上实现完整的MAC协议以及路由协议，并可以根据应用场合的不同根据实际的需要替换为不同的路由协议。主题软件架构框架如下：