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物联网通信与组网技术实验箱

一、平台简介

    LGWL-IPV6B 型 物联网通信与组网技术实验箱集成WiFi、Bluetooth、IEEE802.15.4、ZigBee等多种短距离无线通讯模块,最大亮点是将6LowPAN(IPv6)互联网协议移植到传感网应用层中,与ZigBee传感网使用的ZStack协议栈并存,共同支持双协议栈,实现传感器节点可唯一寻址。物联网通信与组网技术实验箱采用三星Cortex-A9 S5P4418四核处理器作为智能网关,支持6LowPAN和ZStack双协议解析,具有1GB内存、8GB大容量存储空间、7寸电容触摸显示屏、丰富的外围接口,可板载GPS定位、WIFI/BT二合一通讯、4G移动通讯等多种模块,内嵌Android、Linux双系统,可一键切换。方便学校开展各种传感器及通讯知识的教授、嵌入式系统开发和Android应用开发。物联网通信与组网技术实验箱提供丰富的实验例程和实验手册,能够满足无线传感器网络、微控制器原理、嵌入式系统开发、Android移动应用开发等课程的教学与实践。

二、平台功能

1.物联网通信与组网技术实验箱 各个传感器节点具有监测环境参数或设备驱动控制的功能;
2. 传感器节点可组建WiFi、蓝牙、IEEE802.15.4三种无线网络,通过Contiki操作系统和IPv6协议,实现采样数据的无线传输;
3. 传感器节点可组建ZigBee无线网络,实现数据的无线传输;
4. 网关与节点具有CoAP应用协议通信的功能;
5. 网关应用软件通过CoAP服务和串口服务,将WiFi、蓝牙、IEEE802.15.4、以及ZigBee感控节点数据解析处理,在网关的Mesh拓扑图中实时流动地显示传感器数据的上、下行走向;
6. 网关应用软件展示的传感器节点,可随意拖动,不会影响网络的拓扑结构和数据流向。
7. 可在拓扑图中点击任一种传感器节点,进入下一级界面,查看当前传感器节点的采样数值、曲线形式展示,或控制设备开关状态。
三、配置清单

序号 名称 数量  
1 Cortex-A9网关 1  
2 网关IO基础扩展板 1  
3 三路继电器模块 1  
4 ZigBee协调器 1  
5 IEEE802.15.4主机 1  
6 Cortex-M3核心板(IPv6协议) 9  
7 CC2530主控底板 3  
8 蓝牙通信模块 3  
9 WiFi通信模块 3  
10 IEEE802.15.4通信模块 3  
11 ZigBee通信模块 3  
12 继电器控制模块 1  
13 红外对射传感器模块 1  
14 烟雾传感器模块 1  
15 双数码管显示控制模块 1  
16 温湿度传感器模块 1  
17 光敏传感器模块 1  
18 LED蜂鸣器控制模块 1  
19 霍尔传感器模块 1  
20 三轴加速度传感器模块 1  
21 红外接近传感器模块 1  
22 大气压力传感器模块 1  
23 结露传感器模块 1  
24 智能网关Android网络拓扑综合软件 1  
25 基于IPv6的无线传感网综合应用软件 1  
26 ZigBee无线传输应用软件 1  
27 DC5V3A开关电源 1  
28 交叉串口线 1  
29 交叉网线 1  
30 Mini USB数据线 1  
31 方口USB同步线 1  
32 CC2530 Debugger调试器 1  
33 TF卡读写器 1  
34 8G TF card 1  
35 USB转串口线 1  
36 J-link仿真器 1  
37 程序下载调试板V1.0 1  
四、技术指标
货物名称 型号 指标参数
物联网通信与组网技术实验箱 LGWL-IPV6B 一、整体要求
1)能够满足单片机接口及应用、传感器接口及应用、无线传感网、嵌入式操作系统开发、嵌入式Linux应用开发、Android移动应用开发等课程要求。
2)能够组建蓝牙、WiFi、IEEE802.15.4、ZigBee四种无线网络,实现数据的无线传输;
3)能够将蓝牙、WiFi、IEEE802.15.4无线网络经IPV6协议、Zigbee节点经ZStack协议融合在一个拓扑图中,在界面上显示蓝牙、WiFi、RPL802.15.4、ZigBee等节点的传感器数据或执行器状态,并实时流动地显示各个传感器数据的上、下行走向;
4)要求蓝牙、WiFi、IEEE802.15.4三种传感器节点均具有唯一的IPv6地址,统一采用IPv6协议组包通信。
5)要求网关支持Linux、Android双操作系统,支持一键烧写、一键切换。
6)要求在保证网关接入互联网的前提下,能够配置接入云服务平台,并实现移动端传感器数据的采集显示和执行器的远程控制。
二、硬件资源
1.Cortex-A9网关(1个)
1)核心板资源:
(1)CPU:Cortex-A9四核心的Samsung s5p4418,主频1.4GHz;
(2)GPU:MAIL-400,3D图形加速
(3)内存: 1GB DDR3;
(4)EMMC: 8GB;
(5)核心板+底板设计:核心板加装屏蔽罩,邮票孔方式与底板连接,抗干扰能力更强,比插针式更稳定可靠。要求引出核心板信号线,不少于188PIN。
2)网关主板资源:
(1)LCD接口:7寸IPS电容屏(16:9),分辨率1024×600;
(2)USB接口:2路USB_HOST 2.0输出,1路USB OTG;
(3)Ethernet接口:核心板内置千兆IP,外加不超过3RMB的PHY芯片即可,支持10/100/1000M,RJ45接口;
(4) 串口:2路3线RS232,1路TTL接口,1路RS485,1路Bluetooth;
(5)CAN总线接口:1路;
(6)RS485总线接口:1路;
(7)HDMI 接口:HDMI1.4a,最大支持1920*1080高清数字输出;
(8)LVDS液晶屏接口:单通道,最大支持1920*1080;
(9)摄像头接口:1路CMOS并行接口,最大支持800万像素;
(10)AV接口:1路模拟视频母口输入;
(11)外部存储扩展接口:SD卡、TF卡接口;
(12)音频接口: 1路MIC输入,1路1. 8w喇叭;
(13)按键:1个复位按键、1个休眠唤醒按键,2个音量键;
(14) 蓝牙WiFi:板载蓝牙WiFi二合一模块;
(15)Mini PCIe接口:标准可插入4G通信模模块;
(16)24Pins应用扩展接口:用于处理器外设接口扩展功能,包含3路串口、1路PWM、1路IIC、1路ADC、8个GPIO,5V电源。
2.网关IO基础扩展板(1个)
由网关直接驱动。采用HC595串入并出特点,使用较少IO扩展更多功能,默认地址0x01。1路可调电位器模拟AD采样通道,1路PWM驱动的蜂鸣器,5个触摸按键,5个LED指示灯。
3.三路继电器扩展板(1个)
由网关直接驱动。采用HC595串入并出特点,使用较少IO扩展更多功能,默认地址0x10。
可控制3路继电器,线圈机械式触点,1个常开,1个常闭,最大负载10A/277V AC。
4. ZigBee协调器(1个)
与网关的TTL UART连接。采用CC2530单片机外设接口、射频通信与ZStack协议栈的方案,具备Zigbee建网功能,具有2个组网状态及无线传输指示灯,2个功能按键,提供传感器模块接口、RS232接口、调试下载接口。
5. IEEE802.15.4主机(1个)
与网关的TTL UART连接。采用CC2530射频功能与802.15.4的从机组建射频网络,接收从机信息,向从机发送命令。具有2个组网状态及无线传输指示灯,2个功能按键,提供传感器模块接口、RS232接口、调试下载接口。
6.无线传感网通信节点(12个)
1)微控制器主板硬件资源
(1)Cortex-M3核心主板(9个)
处理器基于ARM Cortex-M3核心的STM32F103,最高主频72Mhz,内部Flash 256KB,RAM 48KB。
具有1个0.96寸OLED屏,能够显示MAC地址、上下级关系、传感器数据、网络信息等。
具有4个组网状态及无线传输指示灯,2个功能按键、1个JTAG调试接口、1个24PIN的无线射频接口,1组20*2PIN传感器接口;
标配ARM仿真器、串口下载仿真调试转接板。
运行IPv6协议栈实现无线通信的功能。
(2)CC2530核心主板(3个)
处理器基于CC2530F256,具有2个组网状态及无线传输指示灯,2个功能按键、1个JTAG调试接口、1个24PIN的无线射频接口,1组20*2PIN传感器接口;
标配下载仿真器。
2)无线传感网通信模块
(1)蓝牙通信模块(3个):采用UART接口的内置协议栈方案,设置从机模式,与主机配对后,将微控制器采样数据传输给主机。
(2)WiFi通信模块(3个):采用UART接口的内置TCP/UDP/HTTP协议栈方案,支持设置为AP、STA的工作模式,与网关通信后,将微控制器采样数据传送给主机,或者接收主机的控制命令控制执行器。
(3)IEEE802.15.4通信模块(3个):基于CC2530射频组网通信方案,与边界路由器组网,实现传感器数据的双向交互。
(4)ZigBee通信模块(3个):基于CC2530+ZStack协议栈组网通信方案,与Zigbee协调器组网,实现传感器数据的双向交互。
3)传感器通信模块(12个)
接口至少包含GPIO/IIC/SPI/PWM/电源/地等信号。
兼容红外接近开关、可燃气体传感器、继电器控制、双位数码管显示、温湿度传感器、光敏传感器、LEDBEEP声光执行器、霍尔传感器、三轴加速度传感器、红外对射传感器、数字气压传感器、凝露传感器等。可直接接到主板传感器接口板上,提供各类传感器接口板的原理图和技术手册。
三、软件资源
1.嵌入式操作系统:
网关处理器支持Linux3.4、Android4.4、QT4.8或更高版本,节点支持Contiki2.7、Z-Stack2007,提供板载所有硬件接口及应用模块的驱动和应用测试,开放源码。
2. 网关操作系统烧写:
提供Windows下一键刷机软件,选择需要更新的镜像文件,可通过SD卡脱离PC机一键烧写,也可通过USB线缆刷机,支持Uboot参数修改配置。系统支持一键烧写双系统Android和Linux,可一键切换。
3.支持嵌入式开发所必须的功能:
4G语音通话、短信、上网,音频录放音功能,WIFI(支持AP热点)、Ethernet上网功能,无线蓝牙功能,模拟/数字摄像头拍照、录像功能,模拟摄像头信号接入, GPS/北斗位置导航服务,HDMI音视频输出(支持1080P)。
4.无线传感网多网融合拓扑展示应用软件的功能:
能够将蓝牙、wifi、IEEE802.15.4、ZigBee不同的传输方式,由网关解析后以拓扑图的形式在界面上展示,并为上层应用提供统一的JSON数据格式。
网关界面可显示传感器采集的数据、执行器的状态,显示传感器节点的IPv6地址,能够随意拖动传感器,而不改变网络的拓扑结构;
点击网关上传感器节点图标,可进入二级界面查看传感器的实时曲线走势,或手动控制执行器的开关。
具体包括:传感器信息采集资源驱动实现,控制传感器动作资源驱动实现,拓扑综合应用程序信息采集图标的实现;
★支持IPv6和ZStack2007双协议栈数据解析。
开发环境:Android Studio
5.ZigBee无线传感网综合应用软件的功能:
具有传感器采集、执行器驱动控制、自组网无线数据传输等功能。
提供基于Z-STACK2007协议栈的数据采集传输程序源码V2.4.2以上版本。
开发环境: IAR Embedded Workbench V7.60 for 8051
6.基于IPv6的无线传感网综合应用软件的功能:
具有传感器采集、执行器控制,内置Contiki2.7操作系统,兼容IPv6协议栈实现无线通信的功能;
兼容蓝牙、WIFI、IEEE802.15.4三种通讯模块的驱动和传输。
开发环境: IAR Embedded Workbench V7.60 for ARM
四、课程实验要求
1.STM32微控制器接口应用基础实验不少于11个:LED灯控、外部中断按键检测、串口实验、systick延时实验、IIC屏显示字符串实验、RTC实验、独立看门狗实验、定时器实验、内部温度采集实验、DMA实验。
2.基于STM32的传感器采集控制实验不少于12个:光敏传感器实验、温湿度传感器实验、三轴加速度传感器实验、霍尔检测实验、红外对射传感器实验、烟雾传感器实验、LED蜂鸣器传感器实验、继电器控制实验、双数码显示实验、红外接近传感器检测、大气压力传感器检测、结露传感器检测。
3.蓝牙传感网实验不少于4个:环境搭建实验、蓝牙透传实验、蓝牙无线点灯实验、蓝牙传感器采集与控制实验。
4.WiFi传感网实验不少于6个:环境搭建实验、WiFi AT命令测试实验、WiFi STA客户端实验、WiFi STA服务器实验、WiFi无线通信实验、WiFi传感器采集与控制实验。
5.IEEE802.15.4组网实验不少于3个:802.15.4协议简介、SLIP协议简介、PAN ID与CHANNEL简介、CC2530模块单体测试实验、CC2530模块结合测试实验。
6.CC2530射频通信实验不少于5个:点对点通信、广播通信、RSSI信号强度、空中信道监听、无线遥控。
7.ZSTACK协议栈组网实验不少于9个:ZSTACK协议栈简介、ZStack协议栈工程解析、多点自组网、信息广播/组播、网络拓扑星型网、网络拓扑树型网、ZSTACK绑定、ZSTACK串口、ZSTACK温湿度采集传输实验、ZSTACK声光传输控制实验。
8.基于STM32的Contiki操作系统移植实验不少于7个: ContikiOS系统移植、LED控制、Contiki多线程、Contiki进程间通信、按键位检测、定时器使用、OLED显示。
9.IPv6多网融合实验不少于7个: Contiki网络工程解析、IPv6网关实验、WIFI 节点IPv6组网实验、蓝牙节点IPv6组网实验、RPL802.15.4 IPv6组网实验、节点间IPv6-UDP通信实验、节点间IPv6-TCP通信实验。
10.IPv6网关综合实验不少于5个: IPv6协议的多网融合框架、传感器FTBee数据通信协议、基于UDP传感器信息采集实验、基于COAP传感器数据采集和设备控制实验、IPv6网络拓扑综合实验。

关键词:
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