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基于物联网技术的智慧实验室近远程测控系统

更新时间：2019-12-21 17:06:19 大小：1M 上传用户：xiaohei1810 查看TA发布的资源 标签：物联网智慧实验室近远程测控系统 下载积分：1分评价赚积分（如何评价?）打赏收藏评论(0) 举报

资料介绍

针对物联网教学中理论实验管理一体化的趋势,提出一种基于物联网技术的智慧实验室近远程测控系统方案;方案中设计了一种可将理论教学、实验自学、安全管理三位一体化的智慧实验室测控系统结构,通过融合无线传感网、嵌入式网关、网络通信、数据库等多种物联网相关技术,实现了一个可实时近远程访问教学、实验测试、设备控制、维护管理的物联网智慧实验室测控系统;测试证明,该系统可良好实时地运用于理论实验管理一体化教学中,分别满足教师端、学生端、实验师端三方的教学、自学和管理需求,促进在线离线教育方式融合,为智慧课堂教学提供良好平台.

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文章绩号：1671—459812018)11—0052—06

DOI：10．16526／j．cnki．11--4762／tp．2018+11．012

中圈分类号· TM938

文献标识码：A

基于物联网技术的智慧实验室近远程测控系统

李

薇1，杨庆华2，赵玉萍1

(1．西华师范大学计算机学院，四川南充 637000；2．川北医学院医学影像学院，四川南充637000)

摘要：针对物联网教学中理论实验管理一体化的趋势，提出一种基于物联网技术的智慧实验室近远程测控系统方案；方案中

设计了一种可将理论教学、实验自学、安全管理三位一体化的智慧实验室测控系统结构，通过融合无线传感网、嵌入式网关、网

络通信、数据库等多种物联网相关技术，实现了一个可实时近远程访问教学、实验测试、设备控制、维护管理的物联网智慧实验

室测控系统，测试证明，该系统可良好实时地运用于理论实验管理一体化教学中，分别满足教师端、学生端、实验师端三方的教

学、自学和管理需求，促进在线离线教育方式融合，为智慧课堂教学提供良好平台。

关键词：物联网；智慧实验室；浏控系统；无线传感网；嵌入式网关；Javaweh

of Near--remote Measurement--control

for

Implementation

System

based on Internet of

Intelligent Laboratory

Things Technology

Weil，Yang Qinghua2，Zhao Yupin91

SehooI，China West Normal

(1．College

2．College

Computer

University，Nanchong，Sichuan 637000。China；

Sichuan Medical 637000，China)

College，Nanchong，Sichuan

of Medical

Imaging，North

view

the

in the

of Internet

Abstract：In

trend of

integration

theory，experiment，and management

teaching

based 0n the

things，this

of Inter-

scheme of near—remote measurement and control

for

paper presents

system

intelligent laboratory

structure has

technology

which

designed

net of

this

kind of

measurement and control

in-

scheme，a

things．In

intelligent Iaboratory

system

and

the fusion of related of the Internet of

technologies

tegrate theory teaching。experiment se“一study

safety management．Through

such as the wireless sensor

network，embedded communication，database，etc．，an

gateway，network

things

measurement and control

intelligent laboratory

of the Internet of

can be used for real—time near—remote access

system

things

implemented。which

maintenance

test results show that the can be used

system

control，and

management．The

teaching，experimental testing，equipment

in the

well and in real time．It can meet the needs of

theory，experiment，and management

integrated teaching

teaching，self—stud-

of online and offline

education，

integration

and

of teachers，students

the

and

management

experimentalists respectively，promote

and

for wisdom classroom

provide good platfom

teaching．

and control

Keywords：IOT；Intelligence laboratory；Measurement

system；WSN；Embedded gateway；Javaweb

或课堂相关研究，如智慧实验室架构[1。21、智慧实验室监控

系统口]、智慧课堂研究n]。同时，也出现了许多基于物联网

技术的应用／管理／服务系统研究或设计，如智能家居监控

系统或平台研究[s“”，类似系统设计(采集监测／安防系统／

污水监测／古树管理)[I““，及系统关键机制研究，如安全

机制‘”]、架构‘“]、组网‘”]、计算处理‘181、组合与验证‘”]、

节点数据收集协议研究[2叼等。该文顺应新工科教育实用、

交叉与综合的特点要求，针对物联网教学中理论实验管理

一体化的趋势，从将物联网复合技术和现代教育技术融合

的角度，提出可将物联网课程的理论教学、实验自学、安

全管理三位一体化融合的智慧实验室测控系统，设计了系

统总体框架结构、层次和功能模块、双向数据信息流，研究

了感知、传输、应用三层中各层功能的关键实现方法。

引言

在具有实用性、交叉性与综合性特点的新工科教育时

代，在复合技术型的物联网教学中，融合工科教育和物联

网复合技术应用的迫切需求，使得基于物联网技术的理论、

实验、管理三位一体化的智慧实验室和智慧课堂的教育特

点成为必然趋势。目前，国内外已出现了一些智慧实验室

收稿日期：2018一09—06；修回日期：2018一09—29。

基金项目：2018年度四川省教育科研资助重点项目(川教函

[20181495号)；2017年产学合作协同育人项目(201702018062)；四

川省教育厅自然科学一般项目(17ZB0430)；西华师范大学校级英才

科研基金项目(17YCl54)；西华师范大学校级教改项目

(JGXMYBl8178)。

作者简介：李薇(1982一)，女，四川广安人，副教授，硕士，主要

从事物联网技术、嵌入式开发、信号处理方向的研究。

杨庆华(1977一)，男，江西弋阳人，副教授，硕士，主要从事医学

图像处理、虚拟实验、影像物理与设备方向的研究。

智慧实验室测控系统总体框架结构设计

智慧实验室近远程测控系统总体设计如图1所示。系

统大致分感知、传输、应用层三层。网络类型主要涉及室

内LAN网、校园LAN网、外部wAN网或Internet网络。

其中室内LAN网被校园LAN网包含。系统地点主要涉及

赵玉萍(1975一)，女，湖北荆门人。副教授，硕士，主要从事计算

机应用、现代教育技术方向的研究。

万方数据

· 53·

第11期

李薇，等；基于物联网技术的智慧实验室近远程测控系统

WAN或Intet同

捧肉自疰

l沂／谎杂洲监薯}■f空驺．师嫱31

’，．一．一一

远程管理室I

。I兀

近程浏啦罂嫱(学生媸2)

近程测览嚣(教师靖1)

有线／无线理论教室

校园

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用

层

l滔控平台nH数据库I{

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l测控平台lH数据库l||潮控平台耷—嫩据库q

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室

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髂NI协调器节点1

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WSNI协调器节点n

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Zisbee

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五

云

摄

像

头

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红外

控制器

节点

传摩篙

节点

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节点器铡l瓣

感

知

层

头

矧禚TH辨mmHm．

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辚

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n₀

红外控

制设备

终端

蚓群l麟

lflm

nTnk I

实验WSNn子同

1f、旧k卜1 剖攀

ir训i

实验|SNi子同

教学全景-蜊1子网

实验-驯2子网

图1 智慧实验室近远程测控系统总体框架结构设计

对应室内LAN网络的物联网实验室、位于校园LAN网络

(实验室外)的理论教室和学生宿舍、位于校园LAN或

WAN网络或互联网的校内或远程管理室。

1．1系统层次和功能模块

1．2系统双向数据信息流

针对每个无线传感网的终端类型，系统信息流分为传

感器、控制设备、摄像头数据信息流。系统三种终端数据

信息流程如图2所示。由图可知，三种数据信息流方向均

为双向，依照方向每种数据信息流又可分为上传和下发数

据信息流两种。各数据信息流说明如表2所示。

系统层次、功能模块和组成描述如表1所示。

表1 系统层次、功能模块和组成

星成

功能模块

传感器节点n—fm+有线控制器

1)无线传感子网1

节点n一谴+红外控制器节点J

+协调器节点i

感知层一n

2)云摄像头1—3

云台、镜头、存储空间等

传输层 3)传输子网1--n

路由器i+网关i+交换机i

中问件i+Web应用8L数据库服

务器i+SQLServer数据库i+

测控平台i

4)服务器端1--n

应用层

图2系统三种终端数据信息流程

5)浏览器访问端

教师端1+学生端2+实验师端3

系统各层功能关键实现

系统功能关键实现主要包括感知层实现(无线传感网

+云摄像头)、传输层实现(网关+路由器+交换机)、应

用层实现(服务器端+教师端+学生端+实验师端)。

2．1系统感知层实现

五部分功能模块描述如下：

1)采集汇聚上传传感数据、反馈节点状态、接收下发

操作指令和配置数据、接受上传请求命令。

2)采集上传视频数据、反馈摄像头状态、接收下发操

作指令和配置摄像头数据。

感知层功能主要基于物联网实验室内竹个无线传感子

网(1个教学全景WSN和竹一1个实验WSN)和3个云摄

像头实现。系统感知层功能为：通过各WSN子网，采集各

自WSN传感数据(温度／湿度／光敏／可燃气体／热释电)、

搜集WSN终端设备(传感器终端、窗帘／灯光／fl禁有线控

制终端、电视／空调／投影仪／霓虹灯红外控制终端)状态和

终端节点(传感器节点、有线控制节点、红外控制节点)

状态反馈数据，及摄像头终端的状态数据，经协调器上传

3)上传请求命令、状态信息、传感数据，下发操作指

令、配置数据。

4)上传、存储、分析、显示接收数据／信息／命令，提供

测控应用平台服务，提取数据／信息，下发命令和配置数据。

5)以近远程方式灵活访问测控平台，以满足三种角色

／权限／安全级别的应用需求。

万方数据

· 54·

计算机测量与控制

第26卷

表2 系统数据信息流说明

数据信息流说明

bee的无线传感网中规范化短距离无线通信，在实现节点结

构时，采用以Zigbee通信单元(无线射频单片机CC2530

类型

RF+zigbee协议栈Z—Stack)为核心的节点结构方案。节

点结构方案如表3所示。

上传数据流：传感器终端ij测量／状态数据。方向：传感器终

端玎一传感器节点i—WSNi协调器节点i一智能网关i一路

由器i一交换机i一中间件i—web应用＆数据库服务器i一

端测控平台i／数据库i。

表3节点结构组成方案

传

感

器

节点类型

数据类型

混合

组成单元

串口、继电器

下发数据流：传感器终端控制／配置等数据。方向：测控平台

i／数据库i—web应用&数据库服务器i一中间件i一交换机

i一路由器i一智能网关i-一WSNi协调器节点i一传感器节点

i一传感器终端ij。

协调器

节点

其他

资源

温度传感器其他

温度

湿度

单元

资源

其他

资源

上传数据流：控制器终端ij状态等数据。方向：控制器终端

iJ一控制器节点i----WSNi协调器节点i一智能网关i一路由

器i一交换机i一中间件i—web应用&数据库服务器i一测

控平台i／数据库i。

湿度传感器

单元

控

制

传感器终

端节点

光敏传感器其他

光敏

单元

可燃气体传其他

感器单元资源

热释电传感其他

资源

设

备

下发数据流：控制设备终端控制／配置等数据。方向：测控平

台i／数据库i--· web应用&数据库服务器i一中间件i一交换

机i一路由器i一智能网关i-,-WSNi协调器节点i一控制器节

点i一控制器终端／j。

可燃气体

基于

热释电 CC2530 RF

能量供应、

仿真接口、

地址按键、

指示灯等

通用单元

器单元

窗帘有线控其他

制单元资源

灯光有线控其他

资源

+Z—

上传数据流：摄像头终端ij状态等数据。方向：摄像头终端ij

一路由器i一交换机i一中间件i—web应用&数据库服务器

i一测控平台i／数据库i。

窗帘

灯光

Stack协

议栈的

摄

像

头

有线控

制器终

端节点

Zigbee

下发数据流：摄像头终端控制／配置等数据。方向：测控平台

i／数据库i—web应用8L数据库服务器i一中间件i一交换机

i一路由器i一摄像头ij。

制单元

资源

通信单元

门禁有线控

制单元

其他

资源

门禁

红外学习和其他

通信单元资源

红外学习和其他

通信单元资源

红外学习和其他

通信单元资源

红外学习和其他

通信单元资源

至传输层的网关；同时接收从网关下发到协调器的数据，

并分发到各终端节点及各终端设备，根据数据类型进行设

备配置或控制操作。

电视

红外控

制器终

端节点

空调

2．1．1无线传感网实现

投影仪

霓虹灯

1)无线传感子网拓扑结构。

该系统感知层的每个无线传感子网(WSNi)内部主体

采用星状拓扑结构，如图3所示。以每个WSN子网的

WSN协调器为汇聚节点和转发数据中心。各终端节点(传

感器节点、有线控制器节点和红外控制节点)通过有线

(传感器节点和有线控制节点)或红外无线(红外控制节

点)方式控制节点下挂接的具体终端设备(传感器、有线

控制设备终端、红外控制设备终端)。

3)无线传感网节点程序流程。

由表3知系统中WSN节点有协调器节点、传感器终端

节点、有线控制器终端节点、红外控制器终端节点四种类

型。不同类型的节点功能由通用功能+特色功能实现。节

点关键程序流程如图4所示。

由图4知，在无线传感子网节点程序流程中，节点经

过时钟、外设、MAC层、操作系统、中断等一系列初始化

后，进入OS启动任务调度，操作系统轮询各层是否有事件

发生。当有事件发生时，根据不同的节点角色(协调器节

点、传感器终端节点、有线控制器终端节点、红外控制器

终端节点)功能进行不同的响应。其中，协调器节点作为

网关和终端节点间的中介，主要负责上传终端节点数据，

下发来自网关的数据，同时也管理维护无线传感网。协调

器节点和网关之间通过串口进行数据交互。而终端节点

(传感器终端节点、有线控制器终端节点、红外控制器终端

节点)则作为协调器和终端之间的中介，主要负责上传终

端数据，下发协调器数据。

图3无线传感子网络拓扑结构

2)无线传感网节点组成结构。

为统一实现挂接了不同终端设备的终端节点在基于zig—

万方数据

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