一种物联网应用实训系统及其实训方法

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一种物联网应用实训系统及其实训方法\n技术领域\n[0001] 本发明涉及一种实训系统及其实训方法，特别是一种物联网应用实训系统及其实训方法。适合于各院校、研究院所使用。\n背景技术\n[0002] 目前已有的基于物联网的实训装置主要有实验箱式、实验板式和实验台式三种实训装置。\n[0003] 其中，实验箱式实训装置可以包含常用物联网应用的各项功能实验，但是存在以下缺点：1）缺乏对应的物联网执行设备；2）实验演示内容、设备布局等与实际应用设计脱节；3）各项实验之间没有关联性。虽然这种形式有利于教学进程的独立实施，但由于学生对于物联网及其控制对象和控制过程往往缺乏感性认识，在没有系统性的各种实训项目完成后，头脑中还是一团乱糟糟，从而造成学生的学习动力不足。\n[0004] 实验板式实训装置价格便宜，但是存在如下缺点：1）资源较少，只能进行较少的物联网应用基础功能实验；2）缺乏对应的物联网执行设备；3）实验演示内容、设备之间连线等与实际应用脱节；4）各项实验之间没有关联性。虽然这种形式有利于教学进程的独立实施，但由于学生对于物联网及其控制对象和控制过程往往缺乏感性认识，在没有系统性的各种实训项目完成后，头脑中还是一团乱糟糟，从而造成学生的学习动力不足。\n[0005] 实验台式实训装置资源丰富，几乎包含常用物联网应用的各项功能实验和模拟执行设备。但是存在如下缺点：1）仍然未能脱离插接式、演示式的实训性质；2）实验演示内容、设备之间连线等与实际应用脱节；3）各项实验之间没有关联性。虽然这种形式有利于教学进程的独立实施，但由于学生对于物联网及其控制对象和控制过程往往缺乏感性认识，在没有系统性的各种实训项目完成后，头脑中还是一团乱糟糟，从而造成学生的学习动力不足。\n发明内容\n[0006] 本发明的目的是针对上述不足之处提供一种物联网应用实训系统及其实训方法，以物联网为基础，在物联网应用设备装调实训架上可安装各类真正的传感和执行设备，将各种实训项目有机结合，有效提高学生的专业能力、方法能力和社会能力。\n[0007] 一种物联网应用实训系统及其实训方法是采取以下技术方案实现的：一种物联网应用实训系统包括实训架、开关电源、传感模块、隔离继电器模块、传感执行设备、PWM调压模块和3.3V电压模块，所述的开关电源和传感模块安装在网孔板上，开关电源为本发明系统提供所需的+5V和+12V直流电源信号。\n[0008] 在传感模块上根据实训内容需要分别安装有温湿度传感器、光照度传感器、红外传感器、烟雾传感器和震动传感器等，传感模块为实训系统提供所需的具体传感对象的数据采集以及数据的无线传输；隔离继电器模块安装在网孔板上，所述隔离继电器采用光电隔离驱动继电器，来自传感模块的控制信号通过光耦隔离驱动继电器闭合或断开，进而控制相对应的传感执行设备，起到信号隔离和驱动的作用。 \n[0009] PWM调压模块安装在网孔板上，输入端连接光照度传感模块发送的PWM控制信号，进而将其调制为对应的电压信号，通过输出端连接到可调光LED灯泡，调节LED灯泡的亮度。\n[0010] 3.3V电压模块安装在网孔板上。输入端连接直流12V电源，其产生的3.3V电源通过输出端连接至传感模块。\n[0011] 所述实训架由三块网孔板通过机械连接构成。\n[0012] 所述传感执行设备包括电吹风、轴流风机、加湿器、可调光LED灯、电控锁、报警器和模拟卷帘门等，还可扩展安装红外、烟感、震动等传感执行设备。\n[0013] 一种物联网应用实训系统的实训方法包括如下步骤：\n[0014] 1）根据实训内容要求将传感模块、传感执行设备、3.3V电压模块、隔离继电器模块和PWM调压模块安装在实训架网孔板上适当位置。\n[0015] 所述传感模块包括温湿度传感器、光照度传感器、红外传感器、烟雾传感器和震动传感器等。\n[0016] 所述传感执行设备包括电吹风、轴流风机、加湿器、可调光LED灯、电控锁、报警器、模拟卷帘门、红外、烟感和震动等。\n[0017] 2）根据实训要求，绘制系统接线图，并按接线图在网孔板上设计布线路径，完成物联网应用系统的布线和各设备器件的接线。\n[0018] 3）按照物联网ZigBee协议规范，根据实训要求进行传感网无线组网；下载Z-Stack协议栈到传感模块节点实现协调器、路由、终端节点的配置。\n[0019] 4）传感模块节点采集相应传感器的数据，并无线传输给网关。同时，传感模块节点从网关接收来自上位机或其它控制设备的指令，控制所对应的执行设备，实现对现场设备的控制。\n[0020] 本发明一种物联网应用实训系统及其实训方法克服了传统插接式、演示式的实训系统缺点，物联网实训设备的安装、布线、接线、调试完全按照市场实用的产品模式来设计，在教学过程中，借鉴工程项目式实施方法，通过教师带领学生实际进行该实训系统功能的原理设计、抗干扰设计、布局设计，然后由学生自主进行设备的选择、安装、布线、接线，进而进行功能编程、整机调试等工作。当学生完成全部实训后，即相当于经历了一次实际的物联网应用系统产品的集成、安装和调试过程。\n[0021] 本发明通过浓缩版的真实工程实践与相关课程结合，成为一个真正意义上的实训平台，学生通过在“做中学”、“学中做”，提高了实践与创新技能，符合社会对高职高专高技能人才的培养需要。\n[0022] 在实训过程中，学生可以学习到：\n[0023] 1）系统的整体设计方法与思路，包括功能分析、设备选择、资源分配等；\n[0024] 2）系统的抗干扰设计思路，包括设备的布局、信号的布线等；\n[0025] 3）常用简易控制电路的设计与使用；\n[0026] 4）满足实用功能及操作需求的商品级产品与设备的安装、操作、外形的规划与设计；\n[0027] 5）能够达到实用级系统的外观、装配工艺的初步掌握。\n附图说明\n[0028] 以下将结合附图对本发明作进一步说明：\n[0029] 图1是本发明一种物联网应用实训系统的系统构成模块示意图。\n[0030] 图2是本发明一种物联网应用实训系统的拓扑图。\n[0031] 图3是本发明一种物联网应用实训系统的原理图。\n具体实施方式\n[0032] 参照附图1~3，一种物联网应用实训系统包括实训架、开关电源KGDY、传感模块、隔离继电器模块JDQ、传感执行设备、PWM调压模块PWM和3.3V电压模块DYMK，所述的开关电源KGDY和传感模块安装在网孔板上，开关电源KGDY为本发明系统提供所需的+5V和+12V直流电源信号。\n[0033] 在传感模块上根据实训内容需要分别安装有温湿度传感器、光照度传感器、红外传感器、烟雾传感器和震动传感器等，传感模块为实训系统提供所需的具体传感对象的数据采集以及数据的无线传输；隔离继电器模块JDQ安装在网孔板上，所述隔离继电器采用光电隔离驱动继电器，来自传感模块的控制信号通过光耦隔离驱动继电器闭合或断开，进而控制相对应的传感执行设备，起到信号隔离和驱动的作用。\n[0034] PWM调压模块PWM安装在网孔板上，输入端连接光照度传感模块发送的PWM控制信号，进而将其调制为对应的电压信号，通过输出端连接到可调光LED灯泡，调节LED灯泡的亮度。\n[0035] 3.3V电压模块DYMK安装在网孔板上。输入端连接直流12V电源，其产生的3.3V电源通过输出端连接至传感模块。\n[0036] 所述实训架由三块网孔板通过机械连接构成。\n[0037] 所述传感执行设备包括电吹风、轴流风机、加湿器、可调光LED灯、电控锁、报警器和模拟卷帘门等，还可扩展安装红外、烟感、震动等传感执行设备。\n[0038] 一种物联网应用实训系统的实训方法包括如下步骤：\n[0039] 1）根据实训内容要求将传感模块、传感执行设备、3.3V电压模块DYMK、隔离继电器模块和PWM调压模块安装在实训架网孔板上适当位置。\n[0040] 所述传感模块包括温湿度传感器、光照度传感器、红外传感器、烟雾传感器和震动传感器等。\n[0041] 所述传感执行设备包括电吹风、轴流风机、加湿器、可调光LED灯、电控锁、报警器、模拟卷帘门、红外、烟感和震动等。\n[0042] 2）根据实训要求，绘制系统接线图，并按接线图在网孔板上设计布线路径，完成物联网应用系统的布线和各设备器件的接线。\n[0043] 3）按照物联网ZigBee协议规范，根据实训要求进行传感网无线组网；下载Z-Stack协议栈到传感模块节点实现协调器、路由、终端节点的配置。\n[0044] 4）传感模块节点采集相应传感器的数据，并无线传输给网关。同时，传感模块节点从网关接收来自上位机或其它控制设备的指令，控制所对应的执行设备，实现对现场设备的控制。\n[0045] 参照附图3，开关电源KGDY的L线（火线）和N线（零线）、220V插座的L线（火线）和N线（零线）以及USB充电器电源的L线（火线）和N线（零线）分别与断路器控制的L线和N线相连，断路器给开关电源KGDY和所有220V插座提供220V交流电源。USB充电器电源模块、电吹风和加湿器通过220V插座得到220V交流电源；USB充电器电源模块为所有传感模块充电；开关电源KGDY的12V电源出口与3.3V电源模块PWM、隔离继电器模块JDQ、电控锁、声光报警器以及PWM调压模块PWM的电源输入口相连，开关电源KGDY为所述3.3V电源模块DYMK、隔离继电器模块JDQ、电控锁、声光报警器以及PWM调压模块PWM提供12V直流电源；3.3V电源模块DYMK的输出端与隔离继电器模块JDQ的电源输入端相连接，为隔离继电器模块JDQ提供3.3V电源输入。\n[0046] 隔离继电器模块JDQ的输出接口IN2与电控锁节点的输入端相连接，使得隔离继电器模块JDQ、开关电源KGDY和电控锁三者形成一个回路，当输出接口IN2处于关闭状态，电控锁闭合；当输出接口IN2断开，电控锁打开。\n[0047] 隔离继电器模块JDQ的输出接口IN1与声光报警器节点的输入端相连接，使得隔离继电器模块JDQ的输出接口IN1、开关电源KGDY和声光报警器三者形成一个回路，当输出接口IN1处于关闭状态，声光报警器报警；反之，回路不报警。\n[0048] 隔离继电器模块JDQ的输出接口NO3与电吹风电源插座相连接，使得隔离继电器模块JDQ的输出接口NO3、电吹风电源插座和电吹风三者形成一个回路，当输出接口NO3处于关闭状态，电吹风开启；反之，电吹风关闭。\n[0049] 隔离继电器模块JDQ的输出接口NO4与加湿器电源插座相连接，使得隔离继电器模块JDQ的输出接口NO4、加湿器电源插座和加湿器三者形成一个回路，当输出接口NO4处于关闭状态，加湿器开启；反之，加湿器关闭。\n[0050] 光照度传感器传感模块的输出接口与PWM调压模块PWM的输入端相连接，PWM调压模块的输出端与LED灯具相连，光照度传感器传感模块输出不同信号控制PWM调压模块，从而调节LED灯具的亮度。\n[0051] 依此类推，其它传感模块的输出端与隔离继电器JDQ的输入接口相连接，通过隔离继电器模块JDQ输入与输出接口的对应关系，从而实现传感模块对隔离继电器输出的控制，间接实现对受控设备的控制。