物联网教学与实验系统

1.一种物联网教学与实验系统，由三部分组成：(1)教师端，由教师计算机、投影仪和幕布组成；(2)网关部分，核心为支持有线多节点WLAN和Wi-Fi的无线路由，并且无线路由可以连接到互联网；(3)学生端，由多组学生计算机及学生实验装置、以及学生的个人智能手机或平板电脑组成；学生实验装置以及学生的个人智能手机或平板电脑与无线路由组成无线网络，学生实验装置包括作为核心部分的单片机及与单片机相连的多个LED指示灯、Wi-Fi模块、E2PROM(5)、RS232串口、传感器以及编程器，RS232串口连接相对应的学生计算机；传感器与单片机通过I/O口相连；
2
EPROM(5)与单片机连接，用来存放TCP/IP协议栈所必须的信息以及根据教学需要存储感兴趣的数据；
多个LED指示灯，与单片机的普通IO口相连，包括两个LED指示灯，一个指示灯用来实时显示TCP/IP协议栈运行状态，另一个指示灯用来作为自定义的状态指示或测试、或作为被控对象通过Wi-Fi网络远程无线控制；
Wi-Fi模块和E2PROM(5)与单片机通讯，所述单片机为PIC单片机，Wi-Fi模块支持无线局域网802.11b/g/n多种传输标准；在单片机中运行相应的TCP/IP协议栈和Wi-Fi接口程序；
教师计算机用于运行事先由教师编写完成的总监控软件界面并且投影至幕布。
2.根据权利要求1所述的物联网教学与实验系统，其特征在于，RS232串口连接学生计算机的串口，学生计算机用于完成以下任务：任务一：使用集成开发环境编写程序并通过编程器对单片机进行编程和调试；任务二：使用串口调试软件接收单片机向学生计算机发送的串口数据或反之向单片机发送串口数据；任务三：使用Labview软件实现任务二的功能；
任务四：使用组态软件实现任务二的功能；任务五：学生自行编写上位机软件实现任务二的功能。
3.根据权利要求1所述的物联网教学与实验系统，其特征在于，学生使用单片机内置AD实现数据采集和转换的功能；基于开源的TCP/IP协议栈，调用TCP/IP协议栈API实现联网、数据发送功能；学生编写或修改单片机程序，使Wi-Fi模块连接至无线路由。
4.根据权利要求1所述的物联网教学与实验系统，其特征在于，学生根据自己爱好编写运行于自己个人智能手机或平板电脑的APP，并执行如下的任务：
(1)采集传感器数据，并通过无线网络经由无线路由发送至教师计算机，教师计算机的IP地址和总监控软件的端口(PORT)号事先公布于学生，教师计算机的总监控软件收到数据后，投影至幕布；
(2)学生将数据发送至自己的个人智能手机或平板电脑，自行根据自己个人智能手机运行的系统，调用个人智能手机API编写APP完成数据接收和显示的功能；
(3)学生编写运行于自己个人智能手机或平板电脑的APP，实现对LED指示灯的控制功能；
(4)在教师计算机上搭建Web服务器，将总监控软件显示的内容以网页形式显示，网页上也有控制按钮，控制指定的学生实验装置上的LED指示灯的亮灭。
5.根据权利要求1所述的物联网教学与实验系统，其特征在于，所述的传感器包括温度、光照及加速度传感器和GPS传感器输入设备。

物联网教学与实验系统\n技术领域\n[0001] 本发明属于教学科研技术领域，具体涉及一种用于物联网教学科研的物联网教学与实验系统。\n背景技术\n[0002] 物联网是一个基于互联网、传统电信网等信息载体，让所有能够被独立寻址的普通物理对象实现互联互通的网络。射频识别技术、智能传感器、无线网络、大数据处理与云计算等新技术的应用使得物联网技术极大提高了人们的生活质量和智能化程度。物联网被称为继计算机、互联网之后世界信息产业发展的第三次浪潮，作为新的产业增长点和未来技术发展的趋势，物联网逐渐受到企业、国家的重视，各大高等院校也分别开设了物联网工程专业或相关课程，旨在培养新型人才。\n[0003] 物联网工程专业或相关课程，其特点是理论与实验结合紧密，与其他专业不同，其呈现形式是一个具体的应用系统。故实验设备和实验教学在其中发挥重要作用。然而目前物联网教学装置往往存在如下缺点：(一)无线通讯采用现成的模块，学生对于通讯协议栈的原理及其作用的学习仅停留在理论层面，深入性欠佳；(二)没有能够发挥现有无线通讯(例如Wi-Fi)的功能，实验设备或偏向工业应用或偏向智能家居应用，综合性欠佳；(三)实验装置各自为立，使得实验室的设备没能作为一个统一的系统，互联性欠佳。\n发明内容\n[0004] 针对现有实验室教学装置的上述缺点和不足，提供一种深入性好、综合性强、互通互联的物联网教学装置，提升物联网科研教学实验的质量，满足课程教学需求。\n[0005] 为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：\n[0006] 一种物联网教学与实验系统，由三部分组成：(1)教师端，由教师计算机、投影仪和幕布组成；(2)网关部分，核心为支持有线多节点WLAN和Wi-Fi的路由器，并且路由器可以连接到互联网；(3)学生端，由多组学生计算机及学生实验装置、以及学生的个人智能手机或平板电脑组成；学生实验装置以及学生的个人智能手机或平板电脑与无线路由组成无线网络，学生实验装置包括作为核心部分的单片机及与单片机相连的多个LED指示灯、Wi-Fi模块、E2PROM5、RS232串口接口电路、传感器以及编程器，RS232串口连接相对应的学生计算机；\n[0007] 传感器与单片机通过I/O口相连；\n[0008] E2PROM5与单片机连接，用来存放TCP/IP协议栈所必须的信息以及根据教学需要存储感兴趣的数据；\n[0009] LED指示灯，与单片机的普通IO口相连，包括两个LED用来实时显示TCP/IP协议栈运行状态的指示灯以及用来作为自定义的状态指示或测试、或作为被控对象通过Wi-Fi网络远程无线控制的指示灯；\n[0010] Wi-Fi模块和E2PROM5与PIC单片机通讯，Wi-Fi模块支持无线局域网802.11b/g/n多种传输标准；在单片机中运行相应的TCP/IP协议栈和Wi-Fi接口程序；\n[0011] 教师计算机用于运行事先由教师编写完成的总监控软件界面并且投影至幕布。\n[0012] 作为优选实施方式，所述的物联网教学与实验系统，RS232接口连接学生计算机的串口，学生计算机用于完成以下任务：(1)使用集成开发环境编写程序并通过编程器对单片机进行编程和调试；(2)使用串口调试软件接收单片机向学生计算机发送的串口数据或反之；(3)使用Labview软件实现(2)中功能；(4)使用组态软件实现(2)中功能；(5)学生自行编写上位机软件实现(2)中功能；\n[0013] 学生使用单片机内置AD实现数据采集和转换的功能；基于开源的TCP/IP协议栈，调用其API实现联网、数据发送功能；学生编写或修改单片机程序，使Wi-Fi模块连接至无线路由。\n[0014] 学生根据自己爱好编写运行于自己智能手机或平板电脑的APP，并执行如下的任务：\n[0015] (1)采集传感器数据，并通过无线网络经由无线路由发送至教师计算机，教师计算机的IP地址和主监控软件的端口(PORT)号事先公布于学生，教师计算机的主监控软件收到数据后，投影至幕布；\n[0016] (2)学生将数据发送至自己的个人智能手机或平板电脑，自行根据自己手机运行的系统，调用其API编写APP完成数据接收和显示的功能。\n[0017] (3)学生编写运行于自己个人智能手机或平板电脑的APP，实现对LED指示灯的控制功能。\n[0018] (4)在教师计算机上搭建Web服务器，将主控软件显示的内容以网页形式显示，网页上也有控制按钮，控制指定的学生实验装置上的LED指示灯的亮灭。\n[0019] 所述的传感器包括温度、光照及加速度传感器和GPS输入设备，根据教学倚重和成本进行适当增、减或改。\n[0020] 本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：\n[0021] 本发明提供一种物联网教学实验装置。相比现有设计具有如下优点：\n[0022] (1)本发明综合了传感器技术、嵌入式技术、无线通讯技术以及软件开发等技术，使得教师的教学内容更加丰富、教学重点更加灵活、教学内容更加生动。\n[0023] (2)广大学生在该装置上既可以实现数据采集、传输功能，又可以深入挖掘和研究协议栈的原理和实现；既可以做个人小型实验又可以通过团队合作搭建实验室内部小型网络；既可以实现小型局域网又可以通过互联网远程异地控制。设计构架清晰且功能丰富。\n[0024] (3)控制终端和实现方式多样，使得学生动手兴致高。\n附图说明\n[0025] 图1为本发明所述的物联网教学与实验系统的总体结构示意图。\n[0026] 图2为本发明所述的学生实验装置的结构示意图。\n具体实施方式\n[0027] 下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。\n[0028] 本发明提供一套物联网教学与实验系统，系统结构如图1所示。其总体结构为星形拓扑网络，具体由三部分组成：(1)教师端，由教师计算机1、投影仪和幕布2组成；(2)网关部分，核心为支持有线多节点WLAN和Wi-Fi的路由器4，并且路由器可以连接到互联网3；(3)学生端，由学生计算机6、8……10、学生实验装置5、7……9、以及学生的个人智能手机或平板电脑11组成。实验装置5、7……9以及学生的个人智能手机和平板电脑11与无线路由4组成无线网络12(仅标注部分)。学生实验装置共15套(根据需要可增加或减少)，其结构框图如图2所示。其核心部分为PIC单片机1，周边有电源模块2、LED指示3、Wi-Fi模块4、E2PROM5、RS232串口接口电路6、传感器7以及编程器8组成。RS232串口6连接学生计算机9。\n[0029] 传感器7与PIC单片机1通过I/O口相连，传感器7分为温度、光照、加速度等简单传感器和GPS等复杂的输入设备，可以根据教学倚重和成本进行适当增、减或改。\n[0030] E2PROM5通过SPI与PIC单片机连接，用来存放TCP/IP协议栈所必须的信息以及根据教学需要存储感兴趣的数据。\n[0031] LED指示灯3共8个，与PIC单片机1的普通IO口相连。其中两个LED用来实时显示TCP/IP协议栈运行状态，其他6个LED用来作为自定义的状态指示或测试、或作为被控对象通过Wi-Fi网络远程无线控制。\n[0032] RS232接口6连接学生计算机9的串口，要求学生计算机应具有串口。在学生计算机\n9上，学生完成以下任务(1)使用集成开发环境编写程序并通过编程器8对PIC单片机进行编程和调试；(2)使用串口调试软件接收PIC单片机1向学生计算机9发送的串口数据或反之；\n(3)使用Labview软件实现(2)中功能；(4)使用组态软件实现(2)中功能；(5)学生自行编写上位机软件实现(2)中功能。\n[0033] Wi-Fi模块4和E2PROM5通过SPI与PIC单片机通讯。Wi-Fi模块支持无线局域网\n802.11b/g/n多种传输标准，其工作于2.4GHz频段。在PIC单片机1中运行相应的TCP/IP协议栈和Wi-Fi接口程序。学生使用内置AD实现数据采集和转换的功能；基于开源的TCP/IP协议栈，调用其API可以实现联网、数据发送等功能。学生编写或修改PIC单片机程序，使Wi-Fi模块4连接至图1中无线路由4。\n[0034] 图1中，教师计算机1运行事先由教师编写完成的总监控软件界面并且投影至幕布\n2，学生也可以根据自己爱好编写运行于自己智能手机或平板电脑11的APP，学生通过该系统完成如下(但不限于如下)任务\n[0035] (1)采集传感器(图2中7)数据，并通过无线网络(图1中12)经由无线路由(图1中4)发送至教师计算机(图1中1)，教师计算机的IP地址和主监控软件的端口(PORT)号事先公布于学生，教师计算机的主监控软件收到数据后，投影至幕布(图1中2)，学生可以实时观察网络工作是否正常。\n[0036] (2)类似于(1)，将数据发送至自己的个人智能手机或平板电脑(图1中11)，学生自行根据自己手机运行的系统，调用其API编写APP完成数据接收和显示的功能。\n[0037] (3)与(2)相反，学生编写运行于自己个人智能手机或平板电脑(图1中11)的APP，实现对LED指示(图2中3)的控制功能。\n[0038] (4)在教师计算机(图1中6、8……10，图2中9)上搭建Web服务器，将主控软件显示的内容以网页形式显示，网页上也可以有控制按钮，控制指定的学生实验装置上的LED灯的亮灭。\n[0039] 以上内容可以依据教师教学大纲和教学进度拆分为小任务、或安排有兴趣的同学基于这套系统进行课程设计，实现Web服务器等高级功能。