传感网应用开发实训室建设方案

传感网应用开发实训室概述

物联网是我国战略性新兴产业的重要组成部分，《物联网“十二五”发展规划》圈定了10大领域重点示范工程，第一个关键技术创新工程提出“充分发挥企业主体作用，积极利用高校和研究所实验室的现有研究成果，在信息感知和信息处理技术领域追赶国际先进水平，在信息传输技术领域达到国际领先水平，增强信息安全保障能力，力争尽快突破关键核心技术，形成较为完备的物联网技术体系并实现产业化。”，表明传感网技术是构建物联网的基础和核心,处于极为重要的地位,需要作为国家战略方向来发展。《“十四五”规划》 圈定物联网是我国7大数字经济重点产业之一，“将物联网感知设施、通信系统等纳入公共基础设施统一规划建设，推进市政公用设施、建筑等物联网应用和智能化改造。”是建设智慧城市和数字乡村的核心，是“十四五”规划和2035年远景目标之一。据工信部统计，传感网应用开发在其领域五年内需要的人才约为1 000 万。从产业需求看，物联网人才总体可分为研究型人才和工程应用型人才两类。

研究型人才主要为研究生层次或研究型高校所培养的毕业生，是各类“研究型企业”或“高新企业”的研发部、研究院所急需的人才。在高等院校和科研院所物联网研究型人才培养方面，偏重于研究型和创新型，具有跨学科复合型特点。工程应用型人才主要为各类中高职学校或信息类本科学院毕业生，以从事物联网系统设计、产品开发、物联网项目实施等为主，以系统设计、产品开发、工程项目策划与实施为主的企业，更应注重工程应用技术能力的培养，加强工程实践的实际训练，突出技术应用能力、培养创新能力。

随着近几年大量物联网应用系统开发完成，开始转向系统的实施与维护过程，物联网应用型人才的占比已赶上甚至超过了研发型人才需求。巨大的市场潜力，广阔的行业发展前景，急待提高的人员素质，为职业学校办好此朝阳专业建立信心和决心。很多高职院校抓住此良好环境和契机，建设好该新兴专业，传感器应用开发实训室是保障此专业能较好完成教学效果的前提和必要条件。

第一部分 前景

1.1传感网应用开发实训室就业前景

传感网应用开发是物联网产业链中基础性、关键性岗位，是最具物联网特征的专业技术岗位。 传感网涉及城市公共安全、公共卫生、安全生产、医疗保健、 工业控制、军事国防、智能交通、智慧城市、智能家居、环境监测、农业监测等领域。 传感网技术应用范围极为广泛,几乎覆盖了国民经济各个领域,是实现互联网和物理世界融合的关键技术之一。随着传感网与云计算、大数据、人工智能等技术的深度结合,其应用前景非常广阔。

1.2传感网应用开发实训室建设的需求分析和必要性

①　传感网技术具有广阔的应用前景,是实现物联网的关键技术之一。建设传感网应用开发实训室,可以培养学生的实际动手能力,使其掌握传感网系统设计、部署和应用开发的全过程。

②　目前传感网技术快速发展,但行业应用人才短缺。通过建设实训室,可以为相关行业培养应用型人才,提高学生就业竞争力。

③　传感网系统设计和应用开发涉及多学科交叉,如传感器技术、嵌入式系统、网络通信、信号处理等。建立实训室可以形成完整的知识体系。

④　实训室可以获得各类传感器、嵌入式平台、网络设备等硬件设备,让学生在真实环境中进行编程和调试,掌握系统集成方法。

⑤　具备一定软件平台,可以进行应用开发和数据分析展示。学生可以在软硬件环境下进行项目设计,培养系统视角。

⑥　实训室建设需要一定投入,但相比于社会培训费用,学校自主建设实训室可以降低学生实习成本。

⑦　实训室的建设可以充分利用学校师资和科研优势,使教学和科研能够有效结合,提高人才培养质量。

实训室建设着眼于培养学生的物联网传感网应用开发技能。在继承传统实验室的数据采集、有线组网、无线通信、低功耗窄带组网通信、通讯协议设计与应用等课程基础上,实训室将强化从数据采集到系统开发的全流程训练,使学生从基础认知到实际项目应用迈进。实训室采购的设备和材料包括:面向传感网应用开发的实训套件、支持物联网全栈开发的智能实训平台、用于单片机应用开发的学习套件,以及电子实验所需的仪器设备、桌椅等。通过构建完整的实训环境,本实训室的建设目标是培养学生掌握物联网系统设计、分析和开发等高端技能。

第二部分 传感网应用开发实训室介绍

2.1传感网应用开发实训套件

2.1.1、传感网应用开发实验平台

1) 平台配置3个不同安全电压等级的独立电源输出接口,以满足不同实验需求。

2) 平台内置集成电路实验面包板,可自由组装电路。

3) 平台经过可靠性验证,实验模块与平台之间采用弹性探针方式连接,确保信号传输稳定。

4) 平台采用磁性吸合的非固定连接方式,方便模块的拆装升级。

5) 平台可支持各类课程的实训教学。

6) 平台能实时监测实验模块的状态。

7) 平台符合传感网应用开发职业技能认证的培训要求。

8) 平台支持“通讯”和“自动”两种通信模式,一键切换,操作简便。

9) 可与PC和Android设备联机进行实验操作。

2.1.2、ZigBee协调器模块

1) 适用于 2.4GHz 频段\ IEEE 802.15.4、ZigBee 和 RF4CE 无线应用。

2) 支持 ZigBee 2007 和 ZigBee 2007 PRO 两种协议标准。

3) 配备 RS-232 串口进行数据通信。

4) 可应用于基于 2.4GHz IEEE 802.15.4 的系统、RF4CE 控制系统以及 ZigBee 系统。

5) 模块可以外接数字量输入端口、模拟量输入端口、数字量输入输出端口。

6) 支持点对点、星形、树形和广播等多种无线网络组网模式。

7) 配置 USB 2.0 的全速接口控制器。

2.1.3、ZigBee模块

1) 符合2.4GHz频段、IEEE 802.15.4、ZigBee和RF4CE无线标准。

2) 兼容ZigBee 2007和ZigBee 2007 PRO两个协议版本。

3) 模块可以外接数字量输入接口、模拟量输入接口和数字量输入输出接口。

4) 支持点对点、星形、树形和广播等多种无线网络组网模式。

5) 可应用于基于2.4GHz IEEE 802.15.4的系统、RF4CE控制系统以及ZigBee系统。

2.1.4、M3主控模块（CAN/485）

1) 支持国际标准化的CAN串行通信协议。

2) 通过CAN收发器芯片连接到物理总线。

3) 内置TVS/ESD保护(HBM ±2kV),防止驱动器输出短路。

4) 支持高速、低功耗和斜率控制三种工作模式。

5) 兼容ISO 11898-2标准。

6) 数据传输速率至少达到1Mbps。

7) 内置±16kV HBM等级的总线ESD保护。

8) 配备独立的RS-485串行通信总线,收发可控制。

9) 3.3V供电,兼容5V逻辑电平接口。

10) 总线可连接不少于120个节点。

11) 支持连接32个收发器的总线网络。

12) 传输速率可达到10Mbps以上。

2.1.5、NB-IoT模块

1) 内置32位Cortex-M3,主频范围32kHz至32MHz,包含64K Flash、16K RAM、4K EEPROM存储器,集成12位24通道ADC。

2) 支持900MHz(B8)和850MHz(B5)两种频段。

3) 可扩展连接各类传感器。

4) 提供SWD线级调试接口。

5) 支持节点独立供电。

6) 通过UART下载固件程序。

7) 可连接OLED液晶显示屏。

8) 支持AT指令集:3GPP TR 45.820以及扩展AT指令。

2.1.6、LoRa模块

1) 工作电压为3.3V或5V。

2) 无线工作频段为401-510MHz。

3) 支持连接SPI/I2C接口的OLED显示屏。

4) 采用LoRa调制方式,同时兼容FSK、GFSK、OOK等传统调制。

5) 提供不低于USB 2.0的全速接口。

6) 最大发射功率为19±1 dBm,接收灵敏度不低于-136±1dBm(250bps)。

7) 提供扩展接口,可连接各类传感器模块。

8) 支持硬件跳频技术(FHSS)。

2.1.7、蓝牙通讯模块

1) 采用 Bluetooth 4.0 标准芯片。

2) 射频工作在不低于 2.4GHz 的频段。

3) 无线传输速率可达到 2Mbps。

4) 可编程功率输出,最大可达到 4dBm。

5) 支持低功耗工作模式,外部中断可以唤醒系统。

2.1.8、Wi-Fi通讯模块

1) 符合 IEEE 802.11b/g/n 无线网络标准。

2) 使用32位的微控制器,支持80/160MHz主频,集成10bit高精度ADC,支持RTOS实时操作系统,内置TCP/IP协议栈。

3) 支持 WEP/TKIP/AES 加密算法。

4) 支持 Wi-Fi Direct 点对点直连。

5) 支持 WPA/WPA-PSK、WPA2/WPA2-PSK 安全机制。

6) 传输距离室内约50米,室外开阔地区约100米。

7) 支持 Station/SoftAP/SoftAP+Station 工作模式。

2.1.9、多功能底座

1) 支持USB供电,采用USB-B型母口。

2) 内置UART到USB 2.0的转接电路,实现模块与PC机间的数据通信。

3) 内置 1000mAh 的可充电锂电池,可通过滑动开关切换电池供电或USB供电,带充电管理功能,充电状态通过指示灯显示。

4) 具有一个RS-485接口,可将NB-IoT、LoRa等无线通信模块连接到其他带RS-485接口的设备上。

2.1.10、物联网网关

1) 处理器主频不低于580MHz,内置DDR2控制器、SPI接口、PCI-E控制器、TF卡接口等,具有丰富的硬件资源,可作为高端产品的高性能CPU。

2) 集成10/100自适应以太网,可直接实现LAN/WAN功能,每个收发器通过变压器连接到网口,符合IEEE802.3和IEEE802.3u标准。

3) 安全性:使用硬件加密芯片,包含EEPROM 阵列,可用于存储16 个密钥、证书、其他读/写、只读或密码数据、使用记录和安全配置。可通过多种方式限制对存储器各个部分的访问,并且可以锁定配置以防止更改。可通过标准I2C 接口1 Mb/s 的速度访问器件。芯片可采用椭圆曲线加密和ECDSA 签名协议实施完整的非对称(公钥/私钥)加密签名解决方案。该器件可对NIST 标准P256 主曲线进行硬件加速,并支持从高质量私钥生成到ECDSA 签名生成、ECDH 密钥协议和ECDSA 公钥签名验证的完整密钥生命周期。此外,芯片还可以在硬件中实施AES-128、SHA256 以及多种SHA 衍生品,如HMAC(SHA)、PRF(TLS 中的密钥派生功能)和HKDF。便于GCM 加密/解密/身份验证,支持Galois Field Multiply。

4) WIFI功能:

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