物联网应用开发实训系统解决方案

物联网开发实训

物联网应用开发实训系统物联网应用开发实训系统

建设方案建设方案 方案

北京西普阳光教育科技有限公司.北京.中国

2013年9月

物联网开发实训

1 建设背景

随着国家对物联网产业的重视，物联网相关人才的培养显得日益紧迫，2010年7月，教育部正式公布了首批30所高校新设立物联网工程专业，到2012年已有一百多所本科院校获批开设物联网工程专业，还有更多院校利用网络工程等专业开始物联网方向等形式进行招生。《物联网工程》专业是2011版高等院校本科学科专业目录中，计算机科学与技术学科下新增的一个本科专业。物联网专业作为一个涉及到计算机科学与技术、软件工程、通信工程、电子工程、网络工程等多专业学科的交叉专业，毕业学生可能从事传感器制造、网络融合、集成应用开发等多领域的工作，其配套实验室建设直接关系到学生素质的培养。

2 建设目标及意义

目前市面上的物联网实训产品，大多以展示为主，功能相对单一，并缺少实验环境，方法和相关课程体系，缺乏实训及综合应用开发的管理手段。要建设好物联网实训室，就得对物联网有一个准确、全面的认识，物联网是一个由感知层、传输层、处理层和应用层共同构成的庞大的社会信息系统，是一个涉及国民经济各行各业、社会与生活各个领域的一个无所不包的庞大的产业链。因此物联网实训室既要包括完整的体系架构，也要有完善而详尽的开发、运维文档，更需要通过相关手段将物联网体系内各种技术手段结合到一起，实现一站式实训教学的最终目标。

物联网开发实训

3 系统概述

1）系统简介

物联网应用开发实训系统主要面向有相关师资背景的物联网工程专业，以教学开发实训为目的,以相关行业应用为技术背景，满足有开发，运维等培养方向的院校的相关需求。可以提升学生的学习兴趣，并使其对物联网体系架构内的技术的理解与实操水平得到显著提高。本系统将按照相关软硬件实训的国家标准，提供完整的应用开发实训文档，以供参考。

2）系统特点

应用广泛的物联网场景

近几年中国移动、中国联通基站数量不断增加，网络覆盖日益完善，但移动基站大部分安装在偏远的山区，常年无人值守，部分盗窃分子也将目光盯上了基站内的设施。偷盗目标主要集中在各种线缆、空调室内室外机、变压器芯等等，多数选择偏远、警力不容易达到的地方，且存在反复同一地点作案的规律，一般偷盗时间短、破坏严重、造成通信中断，后果恶劣。智能化门禁、报警、监控系统的应用将大大提高无人值守基站的实时监控能力和出入权限的管理能力、数据的自动存储、问题的分析水平，提高运行维护的效率和大大降低成本。

物联网开发实训

该工程实训项目从感知、传输、处理、应用等多层次设计，培养学生的前端感知设备安装及程序开发、网络组网、网络安全防护、应用系统开发等综合技能。 丰富的物联网热点技术

涵盖了包括无线传感器网络技术，射频识别技术，智能传感器采集技术，网络视频采集技术，有线网络传输技术，3G数据传输技术，信息安全及大数据分析技术，智能决策系统，专家分析系统，GIS地图技术在内的多种物联网产业内应用最为广泛的多种热点技术。 完善，细致的应用开发实训文档

区别于物联网专业传统的实验文档或简单的开发文档，物联网应用开发系统按照国家示范性软件学院教材《软件项目实训》的标准来进行编写，内容涵盖了《WSN组网与数据采集及M2M模块》；《RFID，PLC以及摄像头模块》；《网络配置及安全策略模块》；《GIS、视频功能模块》；《数据采集，实时监控画面模块》；《历史曲线绘制，报表导出模块》；《远程自动化控制及报警模块》等系统功能模块的开发流程文档，方便相关认可老师完成教学工作。

4 项目架构项目架构

a)

系统开发技术

典型的目标开发程序由感知层、传输与处理层、应用层组成。这样的程序符合目前业内厂商开发相关应用的架构，实训人员通过这个项目的开发可以了解到物联网应用开发的完整架构。各部分开发所涉及到的开发技术如下图：

物联网开发实训

b) 系统逻辑架构

i.

应用层部分

ALDAL组件为应用层的数据访问功能组件，完成应用层程序与数据库的交互。ALBLL组件为应用层业务逻辑组件，系统业务逻辑在此组件中实现。ALUtility组件为应用层提供了一些工具例如Email发送、日志记录等功能。ALEntity组件是应用层的业务实体组件，封装了所有的业务实体。WebUI是基于http://实现的展现界面。

ii. 传输与处理层部分

ModBus组件是对ModBus协议的代码封装，对外提供了使用ModBus协议进行数据传输的服务接口。RFID组件是对RFID设备读取的代码封装。ModBusExample是基于ModBus组件和RFID组件的一个可执行程序，可以用于测试ModBus组件也可以读取RFID的信息并存储至数据库。

iii. 感知层部分

ARM网关程序是运行在ARM网关设备上的程序。该程序通过ModBus协议与上层通信并通过串口与基站节点通信。基站节点程序运行在基站节点上，该程序通过串口与ARM网关通信并通过ZigBee无线协议与各个节点通信。节点程序运行在传感器节点上，实时获取传感器数据通过ZigBee协议反馈给基站节点，并接收和执行基站节点的控制命令。

物联网开发实训

5 实训形式实训形式

a) 功能模块

本实训项目采用学员分组的项目管理模式，每组完成系统中的一个或多个模块，最后所有模块整合在一起，开发出一个典型的物联网应用系统。在实训中，负责每个功能模块的学生均可以演练、体验项目立项、计划、需求分析、设计、编码、测试等步骤的全过程，按照企业的正规开发流程组织实施，分阶段性向项目总监进行总结和汇报工作。通过以上形式，要让学员真正熟悉物联网产品应用在企业开发过程中的具体方法。以下为本项目的模块分组情况: 1

功能模块 WSN组网与数据采集及M2M模块

描述

利用WSN实验箱所有的传感器网络，搭配不同种类的传感器和扩展版，实现传感器命令接收、数据采集、数据发送等基础功能供上层模块调用；实现M2M命令接收和数据发送；实现扩展版上风扇、灯光等的控制

2

RFID，PLC及摄像头

模块

利用PLC搭配不同种类的传感器和和报警器，实现传感器命令接收、数据采集、数据发送等基础功能供上层模块调用；实现视频监控，实现标签的读写功能。

3

WSN传输服务层

对每个WSN传感器开启线程定时轮询特定传感器的数据并写入数据库。提供对每个WSN实验箱设备的LED和风扇的控制接口。

4

GIS、视频功能模块 系统从GPS节点获取设备的位置信息（经纬度值），根据经纬度

值，把该设备以标注的形式显示在地图上，同时要显示设备的相关信息。

5

数据采集，实时监控

模块

动态显示实时数据以及开关控制功能，包含光照、温湿度等传感器采集到的数据的实时更新显示。实时的开关控制功能，通过在界面上点击开关实现对远程LED灯及风扇的控制。提供进入视频系统的入口按钮，通过点击在新窗口打开视频监控画面。

6

历史曲线，报表导出

模块

7

远程自动化控制及

报警模块

通过查询系统中的历史数据绘制曲线图以展示各种数据的历史变化趋势并支持将历史数据从系统中导出到Excel格式文档中。 报警模块通过可自定义的报警规则，将采集到的触发报警值的数据，动态的以邮件的形式报警，并有查询报警记录和将报警记录导入到Excel中功能。

8

RFID客户端程序

记录刷卡的时间和卡ID，显示并保存在本地；并可将本地数据同

物联网开发实训

步到服务器；可以通过导出查看刷卡的历史记录。

9

项目汇总及整合

项目整合需要在将之前的所有模块开发完成的基础上，将各个模块功能整合在一起，以完成整个物联网应用系统的开发。

表1.模块划分表格

b) 团队分组

可将学生按自身能力水平分成项目组若干个，每个项目组均以独立的项目案例为背景，演练、体验项目准备、需求分析、设计、编码、测试等项目阶段的全过程，按照企业的开发流程组织实施，各项目阶段完成后可以组织小组向项目经理进行阶段性总结和汇报并评审。通过以上形式，要让学员真正熟悉安全产品应用在企业开发过程中的具体方法。

项目经理可由实训讲师担任，监督监控每个项目组的进度和质量，指导项目组长的工作并参与项目组的各阶段评审给出指导意见；学生通过内部沟通协商直接扮演项目开发组中的成员角色，主要包括：项目组长、开发人员、测试人员等，了解在项目开发团队中的角色组成、实施过程、项目规范以及执行办法，进而在团队合作中认识到沟通能力的重要性，养成良好的职业习惯和素养。下表是学生扮演角色职责的主要注释，学生可根据自身情况酌量考虑。 角色 项目组长

主要职责

负责小组成员工作角色的分配及相互协调；

能力要求 具备团队组织

人员构成 1人

配合项目经理对项目进度进行指定、跟踪和管理； 和管理经验； 负责项目中各阶段评审及其他活动的组织； 承担部分开发工作；

开发人员

参与需求分析活动并完成相应的需求文档； 参与项目设计，根据需求文档完成系统架构、用户界面、数据库和功能模块划分等设计和相应设计文档的制作；

按照设计文档完成编码并提交测试人员进行测试；

及时跟踪测试中发现的各种缺陷并修复； 对个人开发活动进行日志记录并汇报；

测试人员

参与需求分析活动并与开发人员一起完成相应的需求文档；

认真负责； 思维全面细致；

1~2人

熟练开发工具的使用和代码编写；

1~4人

物联网开发实训

建立测试环境；

根据需求和设计文档完成测试用例的编写； 根据测试用例完成测试；

记录和跟踪测试发现的缺陷，完成测试报告；

表2.小组人员安排

项目的实施可以参照CMM L2相关规范，力争通过这个项目的研发，使团队在技术水平、团队成熟度、个人能力、过程控制及项目管理等几个方面都得到改善和提高，提高成员技术水平和业务能力，加强责任心，增进沟通。力争通过项目工作，使他们在技术水平，个人管理能力，合作沟通能力等方面得到锻炼和提高。

c) 实训时间进度

本实训项目采用学员分组的项目管理模式，每组完成系统中的一个或多个模块，最后所有模块整合在一起形成一个完整的系统。每个小组的开发都按照完整的项目开发过程进行，各个阶段的时间可以按照学员的技术和经验等灵活制定。下表是一般的进度时间参考。 编号 课程组成

课程 周期 课程

课时 2人日 5人日 20人日 20人日 5人日 2人日 2人日 2人日 10人日 2人日 2人日

通过设计开发，实

需求说明书；

通过设计开发，实现PLC等工业产品的监控功能；实现视频监控，实现标

详细设计 编码实现 系统测试

4

WSN传输

52天

需求分析

签的读写功能。

需求说明书； 概要设计文档；详细设计文档；项目代码； 测试结果

目标

实践目标及产出物

产出物 项目团队成员及

实训项目介绍 团队组建 需求分析

成项目团队角色； 职责列表； 通过设计开发，实现感知层各类型传感器的数据监控，并通过wsn组网，汇聚在网关侧。

需求说明书； 概要设计文档；详细设计文档；项目代码； 测试结果

WSN组网2

与数据采集及M2M模块开发

52日

人

概要设计 详细设计 编码实现 系统测试 需求分析

3

RFID、PLC及摄像头模块开发

18日

人

概要设计

物联网开发实训

服务层开发

概要设计 详细设计 编码实现 系统测试 需求分析

5人日 20人日 20人日 5人日 2人日 5人日 10人日 10人日 3人日 2人日 5人日 10人日 15人日 3人日 2人日 5人日 10人日 10人日 3人日 2人日 5人日 10人日 10人日 3人日 2人日 5人日 10人日 10人日

现定时轮询特定传感器的数据并写入数据库。提供相关设备控制接口。

概要设计文档；详细设计文档；项目代码； 测试结果

自GPS传感器获取设备的位置信息，把该设备以标注的形式显示在地图上，同时显示设备的相关信息。

需求说明书； 概要设计文档；详细设计文档；项目代码； 测试结果

GIS、视频5

功能模块开发

30日

人

概要设计 详细设计 编码实现 系统测试 需求分析

实时显示监控数据及开关控制功能，通过点击在新窗口打开视频监控画面。

需求说明书； 概要设计文档；详细设计文档；项目代码； 测试结果

数据采集、6

实时监控模块开发

35日

人

概要设计 详细设计 编码实现 系统测试 需求分析

通过设计开发，实现各种历史变化趋势并支持将历史数据从系统中导出到Excel格式文档中。

需求说明书； 概要设计文档；详细设计文档；项目代码； 测试结果

历史曲线7

绘制、报表导出模块开发

30日

人

概要设计 详细设计 编码实现 系统测试

远程自动8

化控制及报警模块开发

9

RFID客户端程序开发

30日

人30日

人

需求分析 概要设计 详细设计 编码实现 系统测试 需求分析 概要设计 详细设计 编码实现

报警模块通过可自定义的报警规则，以邮件的形式报警，并有查询或导出报警记录。

需求说明书； 概要设计文档；详细设计文档；项目代码； 测试结果

记录刷卡的时间，ID，显示，保存在本地并同步 ，可以从服务器导出查看刷卡的历史记录。

需求说明书； 概要设计文档；详细设计文档；项目代码； 测试结果

物联网开发实训

系统测试

项目汇总10

及整合开发

33日

人

需求分析 概要设计 详细设计 编码实现 系统测试

11

项目验收

2天

系统功能评审及验收 实训回顾与总结

3人日 2人日 5人日 10人日 10人日 10人日 2天

熟悉验收流程，理解软件质量标准； 回顾整体项目流

1天

程和开发技术，加深理解和掌握；

系统验收报告； 个人实训总结；职业发展规划

在所有模块开发完成的基础上，将各个模块功能整合在一起，以完成整个物联网应用系统的开发。

需求说明书； 概要设计文档；详细设计文档；项目代码； 测试结果

12 项目总结 1天

表3.实训时间进度安排表格

d) 实训组织举例

某校计算机专业使用本实训系统组织学生进行物联网方向课程实训，涉及学生30人，推荐按下表进行人员划分。

模块

及M2M模块开发 开发；GIS、视频功能模

块开发

WSN传输服务层开发 数据采集、实时监控模

块开发

历史曲线绘制报表导出

模块开发 远程自动化控制及报警

模块开发 项目汇总及整合开发

52天 35人日 30人日 30人日 30人日 33人日 48人日 工作量 52人日

人员安排

5人 5人 5人 3人 3人 3人 3人 3人

10天 11天 开发周期 表4.实训项目人员安排表格

物联网开发实训

根据以上人员分配结构，实训项目实际时间安排如下表所示 编号 实践目标及产出物

课程 周期 课程组成

目标

介绍项目情况，完成项目团队角色； 完成实训系统开发，测试过程，并形成相关过程文档 熟悉验收流程，理解软件质量标准； 回顾整体项目流程和开发技术，加深理解和掌握；

表5.实训项目时间安排表格

产出物

项目团队成员及职责列表；

实训项目介绍 团队组建

项目开发 2

12天

按照人员安排进行实际项目模块化开发

需求说明书；

概要设计文档；详细设计文档；项目代码； 测试结果 系统验收报告；

个人实训总结；职业发展规划

11 项目验收 2天

系统功能评审及验收 实训回顾与总结

12 项目总结 1天

根据学校实训室人员组成情况，建设实验室所需的硬件清单如下

序号 1 2 3 4 5

实验设备 分类

设备名称

无线传感器网络实验资源包 Rockwell1400 各类工业级传感器 无线摄像机 服务器

表6.硬件清单

单位 套 套 套 套 台

数量 8 8 8 8 1

6 典型案例

典型案例：南京信息职业技术学院

南京信息职业技术学院坐落在钟灵毓秀、虎踞龙盘的历史文化名城南京，是经江苏省政府批准、教育部备案、独立设置的国有公办高等职业技术学院。学院的前身是创建于1953年的国内第一所电子类中专学校——南京无线电工业学校。2002年学校升格为职业技术学院,学院于2004年迁入南京仙林大学城，2006年通过国家高职高专人才培养工作水平评估并被评为优秀等级。2010年被列入全国100所骨干高职院校建设单位之一。通过长期办学实践，学校形成了“厚德、重能、规范、创新”的校训，“团结务实，自强不息，注重细节，追求卓越”的学院精神以及“严谨、勤奋、求实、创新”的校风。

学院现设学院下设电子信息学院、机电学院、微电子学院、通信学院、信息服务学院、计算机与软件学院、数码艺术学院、继续教育学院、素质教育部、体育部十个教学部门。1993年以来连续五届获“江苏省文明单位”称号，2008年获得“省文明学校”称号，2009年、

物联网开发实训

2010年获得“江苏省科技工作先进高校” 称号，2003～2009年连续六年高考招生录取分数居江苏省高职院校之首。

因此，基于物联网的特点，充分考虑学校的行业背景优势以及地域特色，以物联网应用型人才培养为目标。2013年学校新建物联网实验室，采用物联网实验教学系统SXIOT-EXP、无线传感网络设备、M2M实训设备、云计算实验教学系统组建而成，完成对物联网感知层、传输层、应用层的实验环境搭建，满足物联网专业学生主要课程实验、课程设计、短学期及毕业设计等阶段需求。并由专业研发人员针对相关课程为学校50余位老师提供了30小时的技术交流培训。

典型案例：安徽理工大学

安徽理工大学位于我国重要的能源城安徽省淮南市，是一所历史悠久、特色鲜明的省属重点大学。学校是我国首批具有硕士学位、学士学位授予权的高校。现具有博士学位、硕士学位、工程硕士专业学位、高校教师在职攻读硕士学位、研究生毕业同等学力申请硕士学位和学士学位授予权。

计算机科学与工程学院设有“计算机科学与技术”、“信息安全”、“电子信息技术及仪器”、“物联网工程”四个本科专业，均具有工学学士授予权；一个“计算机科学与技术”一级学科硕士授权点，下设“计算机应用技术”、“计算机软件与理论”、“计算机体系结构”三个二级学科硕士点；一个“计算机技术”工程硕士授权点。

物联网工程是涉及到计算机、电子、通信、材料等多专业的融合与提升，如果简单堆积不同专业课程进行教学并设置实验，有限的课时安排必然无法满足需求，而且也无法形成具有物联网产业人才特色的培养方式。因此，物联网实验室的建设基于物联网的工程应用性，充分考虑学校的行业背景优势，以物联网应用创新型人才培养为目标。2012年学校新建物联网实验室，采用物联网实验教学系统SXIOT-EXP、无线传感网络设备、射频识别实验设备、无线传感网络测试设备、智能机器人应用平台、智能油罐监测系统搭建而成，完成对物联网感知层、传输层、应用层的实验环境搭建，实验室具有良好的开放性，可以支持师生进行物联网应用的创

新

性开发与研究，有效的提高了学生的创新及设计能力。

图10．安徽理工大学物联网工程实验室

物联网开发实训

7 关于西普

北京西普阳光教育科技有限公司（以下简称西普科技）成立于2002年，位于高校云集的中关村核心区域，是北京市高新技术企业，国家认定软件企业，在上海，广州，南京，武汉，西安，成都等城市均设有办事处，业务区域覆盖全国范围。

公司在教育领域耕耘多年，提供计算机学科各专业实验室建设的咨询规划、方案设计、系统建设、培训维护等服务。公司建有自己的实训基地，并与各高校共建联合教育中心，具有与学校共同开展学历教育、课程嵌套、专业共建、师资培训、学生技能实训、就业培训等IT人才培养及就业服务的能力。

公司主营业务主要包括： 信息安全、计算机网络、物联网、计算机硬件及系统、软件工程等专业实验室建设；以及SAP授权教育中心运营，Oracle授权教育中心运营、信息安全类培训等。

图11.公司主营业务

目前，在中国已有超过５００家高校正在使用我们提供的产品和服务。同时，公司联合了Oracle、SAP等各大厂商，与数十家高校共同推进特色专业人才的培养和输送。

典型用户：

物联网开发实训

图12.典型用户

附件:软硬件组成软硬件组成

1）无线传感器网络实验箱

物联网应用开发实训系统在硬件设备上复用了感知层的无线传感器网络实验箱，主要包含以下硬件

节点板

CC2530 （SoC 设计，工业标准增强型，128Kbyte Flash AD 10bit 1Ch） 2.4GHz (IEEE 802.15.4) 最大250Kbps 16个可选频段

0-100m可调（增强型节点可在0-800m可调） 睡眠：0.6-0.9uA

板载供电，支持2000mah可充电锂电池 模块搭配温度，湿度，光及多种传感器 基站板

微处理器 节点插座 调试接口

硬件配置

RS232接口 USB接口 LED调试 电源

C8051F320（全速USB2.0接口；16Kbyte Flash） 支持节点模块热插拔，通过标准接口与节点连接 网关调试接口，可在线调试节点程序

支持标准RS232接口，速率9600bps~115200bps可选

USB 2.0 Full speed 3个LED调试信号灯

USB口5V供电/外接5V电源/2.7-3.3V电池供电 嵌入式网关

微处理器 传送速率

硬件配置

传输通道 传输距离 超低功耗 电源 传感器

物联网开发实训

处理器 显示

SAMSUNG2440 7寸真彩触摸屏

1个100M网络RJ-45接口，采用DM9000网卡芯片

3个TTL 串口接口，它们均作了RS232电平转换 4个USB Host(使用USB 1.1协议) 1个USB Slave(使用USB 1.1协议) 标准音频输入输出接口

6个用户按键，在WinCE或Linux可定义为上、下、左、右、TAB、Enter键，6个按键可以通过排针座引出使用。 M2M通讯模块

硬件配置

接口

按键

处理器 接口

硬件配置

华为EM310

RS232，SIM卡标准接口

GSM模块(可选) GPRS网络 蓝牙接口(可选) BlueTooth 2.0接口 WIFI (可选)

IEEE 802.11a/b

3G模块（可选） TD-SCDMA/WCDMA/CDMA2000

RFID模块

13.56M，提供标准串口数据输出，配相应的RFID卡片，同时有标准接口与WSN教学平台节点连接，提供相关数据处理和通过WSN网络传输方案。

在线烧录器

微处理器

C8051F320（全速USB2.0接口；16Kbyte Flash） 烧录器接口，供电及USB通讯 连接节点，可以在线烧录程序

硬件配置

硬件配置

USB-B接口 Mini-USB接口

其他硬件设备

除无线传感网络实验箱意外的硬件还配置了一些在行业应用中使用比较频繁的工业级产品。

PLC

MicroLogix 1400 提供MicroLogix 1100的所有功能并且功能更强大:

*支持 7 块扩展模块 (1762-I/O) 总数达 224 I/O点

*内含6个100kHz 高速计数器 (在直流输入的控制器上)

*3 个高速PTO/PWM 输出,其中PTO输出达100kHz和PWM 输出达40kHz (在直流输出的控制器上)

*4 路模拟量输入和2路模拟量输出 (在内含模拟量I/O的控制器上) *2 个内含的串口支持 DF1/DH485/Modbus RTU/DNP3 Slave/ASCII 协议

*10K 字用户程序内存和10K 字用户数据内存 *内置背景灯的 LCD

硬件规格

物联网开发实训

工作温度：-10℃-50℃

工作湿度： 95％RH ，不凝结 工作电压： 22 VDC-30 VDC 平均电流：70毫安 光输出：≥ 1.2WS 闪光率：≤2秒

声压级： ≥ 100分贝 光源寿命：≥ 30000闪

采用微电脑处理器

自动温度补偿，超强抗误码 报警指示灯开/关可选

3档灵敏度可选，适应不同环境

报警输出NC/NO可选，适应不同报警主机 盒盖防拆、探测器本体防拆

报警声音：≥80dB（或无声） 供电电源：DC9V～DC28V 电 流： 静态电流 ≤200uA 报警电流 ≤45mA 工作温度：-10℃～+50℃

相对湿度：≤95%RH(40℃±2℃) 烟雾灵敏度：1.06±.26%ＦＴ. 符合标准：GB4715-2005 输出形式：声光报警/继电器无源触点（NO/NC可设置）输出 无线网络摄像机

声光报警器

红外入侵监控传

感器

硬件配置

烟感传感器

成像器件：30万 CMOS 传感器

镜头参数：标配红外镜头，f=3.6mm，F=2.0 最低照度：0Lux

其它参数：支持视频控制、双向语音、移动侦测外部告警(通过Email、FTP向告警服务器发送信

硬件性能

硬件配置

息)，厂家提供免费DDNS,并已写入设备；云台水平转角270°，垂直转角120°；10个850nm红外灯，5米有效，通过光敏电阻自动控制

分辨率：

VGA(640*480)/QVGA(320*240)/QQVGA(160*120)

视频参数

压缩格式：视频压缩格式：MJPEG；音频压缩格