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物联网2实验室
时间:2019-09-23 15:53:21   来源:  作者:  点击数:11

<span style="font-family: 宋体, SimSun; font-size: 18px;">中国系统工程学会过程系统工程专业委员会文件</span>

云平台物联网一体化创新实训系统

一、简介

本实训平台以实际智能楼宇和电力线载波通信系统为原型,从实验教学设备的科学性、工程性、实用性、安全性和一体化五个方面进行设计,采用节点感知层、网关传输层和能耗管理层三层架构,涉及了物联网、计算机科学与技术、自动化、测控技术与仪器、机械工程等相关专业的知识点(表1),涵盖了多(7)门课程一系列复杂度逐渐增加的66个实验项目,能够实现大一到大四一体化创新实践训练。实训系统架构如图1所示。

图1 云平台物联网一体化创新实训系统整体架构图

表1涉及的课程及对应的知识点

二、系统组成

1、平台总体效果图

实训平台长3.6m、宽1.8m,采用铝板作为支撑面、能同时容纳6-8名学生同步实验,如图2所示。

图2 一体化创新实训平台照片

2、各层组成设备介绍

(1)节点感知层

节点感知层主要包括信息采集、控制、驱动、通信、显示和接口等6类模块。采集的信息包括4个环境信息(PM2.5、CO2、温度、湿度)、4个状态信息(开/关窗、风扇、照明、空调)和3个电量信息(风扇、照明和空调);控制对象包括风扇、照明和空调等3个,用于人体舒适度调节;驱动模块主要用于开关继电器和电机;显示模块主要是LED指示灯和LCD显示;接口模块主要包括继电器输出、SPI、CAN总线、485总线、I2C和多个I/O口等接口。节点感知层的基本功能框图如图3所示。

图3 节点感知层基本功能框图

为了保证实验设备的通用性、开放性与可扩展性,采用通用底板+功能主板的形式进行设计。底板与主板功能分配如图4所示。

图4 节点感知层底板+主板功能分配示意图

设计的通用底板实物如图5所示。

电力线载波通信模块 安全保护模块 电源模块 RS485通信模块 接口模块 CAN通信模块

(a)底板底面功能模块外观

电源模块 电量检测模块 信号隔离模块

(b)底板顶面功能模块外观

(d)电量检测主板

显示模块 按键模块 PM2.5采集模块 CO2采集模块 温湿度采集模块

(c)环境信息采集主板


图 5 节点感知层底板+主板外观图

(2)网关传输层

网关传输层主要完成与节点感知层、能耗管理层进行通信,并对节点感知层采集的数据进行存储。与节点感知层的通信方式有电力线载波、CAN总线和485总线;与能耗管理层的通信方式有GPRS、WIFI和以太网三种方式,其中GPRS模块支持2个IP地址同时在线,WIFI通信模块支持Station和AP双模双在线。智能网关支持三种通信协议,分别是:376.1-2009、376.2-2009、DLT645-2007。原理框图如图6所示。

图6 网关传输层原理框图

考虑到网关传输层功能的可扩展性,采用标准化接口+CPU主板+底板+通信模块的形式设计,实物外观如图7所示。

显示模块 主板 按键模块 CAN通信模块 电力线载波通信模块 RS485通信模块

(a)底板、主板与节点感知层通信模块实物图

GPRS模块 以太网模块 WIFI模块

(b)与能耗管理层通信模块实物图

图7 网关传输层实物图

(3)能耗管理层

能耗管理层由上位机检测平台组成,完成智能建筑能耗检测与优化控制。具体功能包括:数据的可视化展示和节点感知层环境信息设定值优化等功能。基于LabVIEW软件开发的总体展示界面如图8所示。

图8 总体展示界面

数据的可视化展示包括监控和统计两个方面,其界面如图9所示。

(a)数据监控界面

(b)数据统计界面

图9 能耗管理层部分软件界面

设定值优化功能首先基于人体舒适度指数、阶梯电价等信息确定目标函数,再用相关的优化算法确定节点感知层控制模块中环境信息的参数设定值,以达到能耗最小的目的。

三、可开设的实验项目

四、实验教学过程——基于CDIO

采用CDIO工程教育模式,教学过程包括C(构思)、D(设计)、I(实施)和D(运行)四个子过程,如下图所示。

各环节的具体工作内容如下:

1、构思环节

主要完成项目的需求分析和总体方案设计。

2、设计环节

主要通过查阅技术资料等资源,完成系统硬件、软件、算法等的详细设计。


3、实施环节

主要完成项目的现场安装、调试和试运行。

4、运行环节

主要完成项目实施的可靠性验证。

五、平台特色

(1)实际工程项目与实训平台一体化设计

将实际工程项目原汁原味地搬到实验室的同时,配套了一体化实训平台,使学生身临其境,激发学生的学习兴趣和求知欲。

(2)平台融合了科学性、工程性、实用性、安全性和一体化五个特征

科学性:在理论上涉及到了包括模拟电子、数字电子、传感器、单片机、嵌入式、计算机控制技术、虚拟仪器等多门自动化专业核心课程的主要知识点;

工程性:源于横向工程项目成果;

实用性:采用节点感知层、网关传输层和能耗管理层三层架构设计,能够同时满足多门课程实验,且实验平台易于操作、性能稳定;

安全性:采用底板+主板设计思想,双板分离可以隔离220V强电等不安全因素,通讯接口均设计了安全指示灯和过压过流保护电路;

一体化:涵盖了信号处理的完整信息链,大一到大四一体化培养。

(3)平台融入了CDIO工程教育理念

在实验过程中,严格采用CDIO工程教育理念,在宏观上为学生解决工程问题提供了指导原则,训练学生的工程和设计思维;在微观上,强化动手实践和创新能力的培养。


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