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摘要：针对物联网专业缺乏创新创业平台和人才培养体系的问题，提出了一套物联网套件实验，其中实验有基于STM32和ZigBee的人体报警、光照与灯光联动实验。系统选择STM32系列作为主控芯片，通过人体红外、光照度传感器采集模块连接使用ZigBee无线通信，将数据发送至PM4412网关，利用Gateway2软件将数据发送至物联网云服务器端，在Web端布置显示界面，远程监测室内是否有人和光照度数据，远程控制LED灯和声光报警器;同时可以设置自动控制策略，通过传感器采集的光照度数据自动控制补光灯的打开与关闭以及是否启动报警系统。
关键词：物联网专业 ZigBee 人体红外传感器 物联网云服务器
中图分类号：TU 文献标识码：A 文章编号：（2021）-01-104
引言
党的十九大报告对于优先发展教育作了专门论述，报告指出加快一流大学和一流学科的建设，并实现高等教育内涵式的发展。物联网作为我国五大新兴战略产业之一，学习并掌握物联网关键技术理论，培养适合国家和行业发展的特色专业人才已经成为高校物联网专业的核心教育目标[1]。当前，教育部已经在超过200家高校开设了物联网专业的建设，作为物联网专业建设的重要实践基地，物联网实验室的建设和专题实验内容的设计将成为重中之重。
物联网专业工程性和实践性强的突出特点，而当前教学中普遍存在重理论、轻实践的问题，知识体系与工程实践能力之间没有形成有效的互补和衔接，较难实现物联网学科建设和专业型人才培养[2]。实验教学作为理论教学的扩展和延伸，是培养专业性人才的一个重要组成部分，故从物联网工程专业创新创业实验平台和创新创业人才培养体系出发，基于物联网实验教学项目的实验套件开发，不仅能为物联网专业的特色和专业方向服务，而且其与理论课程教学相结合，提高了学生的学习兴趣[3]。
将物联网实验套件应用到专业方向综合实践，增加课程设计的教学内容，提高课程创新性，本文将开源实验套件和物联网技术以及云处理技术相结合，制定了一套适合物联网专业学生学习的实验。此套实验平台使用各类传感器感知周围环境，通过ZigBee通信模块，将数据上传至物联网云服务系统[4]。
1 系统方案设计
人体红外报警系统采用STM32作为主控芯片，将传感器采集到的数据通过ZigBee无线网络发送给PM422嵌入式网关，其利用Gateway2软件将采集到的传感器数据通过MQTT协议以无线网络的方式发送到物联网云服务器端，在物联网云服务Web端可布置显示界面，远程监测是否有人以及查看环境光照数据，并可远程控制LED并是否启动声光报警器。
本系统依托于物联网架构，主要分为感知层、网络层以及应用层三层，感知层为各类传感器和执行部件，感知层需要统一接口与上层交换数据，网关作为网络层，与Internet网络通信，应用层包括网络客户端，通过ZigBee实现网络客户端与各类传感器之间通信。
2 系统硬件设计
教学实验平台的硬件设计采用ARM芯片STM32系列芯片作为主控芯片，该芯片采用32为高精度，采用Cortex-M内核，工作频率最高达72MHz，具有丰富的外设接口可使用。统一型工业节点模块作为数据传递模块，通过RS485控制总线，遵循统一的控制网络通讯协议，与系统信息控制中心相连，实现系统数据通讯。系统利用人体红外传感器、光照度传感器、声光报警器和ZigBee无线通信技术接收数据并汇总PM4412嵌入式网关。
本系统中，ZigBee技术是一种短距离、低功耗的无线传感通信网络，最大的特点是可以自动组成一个网状网络，本系统使用PM4412嵌入式网关将设备之间的数据传输联动起来，具体硬件连接图如图3所示。
3 系统软件设计
人体红外报警系统软件由数据采集程序和上位机检测程序两部分组成，数据采集程序实现Gateways2软件将采集到的传感器数据通过MQTT协议以无线网络的方式发送到上位机物联网云服务器端显示。
在物联网服务器端可进行添加网关、执行器、变量、基础控制策略等页面编辑，编辑完成后即可在系统项目视图上观察当前光照度值和是否有人的检测情况，光照度数据和人体红外值达到自动控制策略数值时会触发控制对应执行器。
4 测试与分析
本系统通过实现监测是否有人和光照度等参数，触发声光报警器，首先，将工业节点模块连接到PC机下载对应节点的采样控制程序，协调器模块进行相对应的模式配置，配置完成后，在网关Gateway2软件上，进行人体红外、声光报警器、光照传感器和LED灯对应工业节点的绑定，设置完成后，打开物联网云服务器Web端，完成页面编辑与发布。
经过测试，终端传感器节点采集数据，经过协调器、串口与网关通信，网关与协调器建立连接，将采集到的數据进行汇总上传至物联网云服务器端，实时显示在系统界面上，通过控制策略触发警报。
5 总结
本文通过嵌入式技术、传感器技术和无线通信技术，实现人体报警、光照与灯光联动系统设计，达到通过软硬件设计对人体、光照度采集和报警功能，上位机显示监测数据。该系统具有良好的可靠性、准确性和成本较低等优点，实验操作简易，推广性高，该实验能较好的融合在物联网专业实验教学中，达到物联网专业的实验教学目标。
参考文献
[1]安健，桂小林，杨麦顺.物联网工程专业实验教学初探[J].实验室研究与探索，2014，33（10）：151-155.
[2]郭晓然，张总，许燕.物联网综合性创新性项目驱动的实验教学改革[J].物联网技术，2021，11（02）：110-112+115.
[3]张德育，谷月，刘猛，张文波，田明浩.物联网虚拟仿真类实验教学系统的开发与设计[J].数字通信世界，2021（01）：271-272.
[4]陆翔，王鹏，袁幸杰，孙农亮.基于Ardunio的智能家居实验开发平台研究[J].实验室科学，2020，23（06）：76-79+84.
作者简介蔚 （1981-） ， 女， 副教授， 重庆邮电大学，研究方向为物联网与智能家居、网络控制;
刘庆，女，23，冯建强 男， 23，吴志强， 23， 重庆邮电大学，业物联网与网络化控制教育部重点实验室 在读研究生 研究方向：物联网技术与应用。
基金：2020年教育部产学合作协同育人计划项目——面向物联网工程专业的创新创业实验平台研究
重庆邮电大学
关键词：物联网专业 ZigBee 人体红外传感器 物联网云服务器
中图分类号：TU 文献标识码：A 文章编号：（2021）-01-104
引言
党的十九大报告对于优先发展教育作了专门论述，报告指出加快一流大学和一流学科的建设，并实现高等教育内涵式的发展。物联网作为我国五大新兴战略产业之一，学习并掌握物联网关键技术理论，培养适合国家和行业发展的特色专业人才已经成为高校物联网专业的核心教育目标[1]。当前，教育部已经在超过200家高校开设了物联网专业的建设，作为物联网专业建设的重要实践基地，物联网实验室的建设和专题实验内容的设计将成为重中之重。
物联网专业工程性和实践性强的突出特点，而当前教学中普遍存在重理论、轻实践的问题，知识体系与工程实践能力之间没有形成有效的互补和衔接，较难实现物联网学科建设和专业型人才培养[2]。实验教学作为理论教学的扩展和延伸，是培养专业性人才的一个重要组成部分，故从物联网工程专业创新创业实验平台和创新创业人才培养体系出发，基于物联网实验教学项目的实验套件开发，不仅能为物联网专业的特色和专业方向服务，而且其与理论课程教学相结合，提高了学生的学习兴趣[3]。
将物联网实验套件应用到专业方向综合实践，增加课程设计的教学内容，提高课程创新性，本文将开源实验套件和物联网技术以及云处理技术相结合，制定了一套适合物联网专业学生学习的实验。此套实验平台使用各类传感器感知周围环境，通过ZigBee通信模块，将数据上传至物联网云服务系统[4]。
1 系统方案设计
人体红外报警系统采用STM32作为主控芯片，将传感器采集到的数据通过ZigBee无线网络发送给PM422嵌入式网关，其利用Gateway2软件将采集到的传感器数据通过MQTT协议以无线网络的方式发送到物联网云服务器端，在物联网云服务Web端可布置显示界面，远程监测是否有人以及查看环境光照数据，并可远程控制LED并是否启动声光报警器。
本系统依托于物联网架构，主要分为感知层、网络层以及应用层三层，感知层为各类传感器和执行部件，感知层需要统一接口与上层交换数据，网关作为网络层，与Internet网络通信，应用层包括网络客户端，通过ZigBee实现网络客户端与各类传感器之间通信。
2 系统硬件设计
教学实验平台的硬件设计采用ARM芯片STM32系列芯片作为主控芯片，该芯片采用32为高精度，采用Cortex-M内核，工作频率最高达72MHz，具有丰富的外设接口可使用。统一型工业节点模块作为数据传递模块，通过RS485控制总线，遵循统一的控制网络通讯协议，与系统信息控制中心相连，实现系统数据通讯。系统利用人体红外传感器、光照度传感器、声光报警器和ZigBee无线通信技术接收数据并汇总PM4412嵌入式网关。
本系统中，ZigBee技术是一种短距离、低功耗的无线传感通信网络，最大的特点是可以自动组成一个网状网络，本系统使用PM4412嵌入式网关将设备之间的数据传输联动起来，具体硬件连接图如图3所示。
3 系统软件设计
人体红外报警系统软件由数据采集程序和上位机检测程序两部分组成，数据采集程序实现Gateways2软件将采集到的传感器数据通过MQTT协议以无线网络的方式发送到上位机物联网云服务器端显示。
在物联网服务器端可进行添加网关、执行器、变量、基础控制策略等页面编辑，编辑完成后即可在系统项目视图上观察当前光照度值和是否有人的检测情况，光照度数据和人体红外值达到自动控制策略数值时会触发控制对应执行器。
4 测试与分析
本系统通过实现监测是否有人和光照度等参数，触发声光报警器，首先，将工业节点模块连接到PC机下载对应节点的采样控制程序，协调器模块进行相对应的模式配置，配置完成后，在网关Gateway2软件上，进行人体红外、声光报警器、光照传感器和LED灯对应工业节点的绑定，设置完成后，打开物联网云服务器Web端，完成页面编辑与发布。
经过测试，终端传感器节点采集数据，经过协调器、串口与网关通信，网关与协调器建立连接，将采集到的數据进行汇总上传至物联网云服务器端，实时显示在系统界面上，通过控制策略触发警报。
5 总结
本文通过嵌入式技术、传感器技术和无线通信技术，实现人体报警、光照与灯光联动系统设计，达到通过软硬件设计对人体、光照度采集和报警功能，上位机显示监测数据。该系统具有良好的可靠性、准确性和成本较低等优点，实验操作简易，推广性高，该实验能较好的融合在物联网专业实验教学中，达到物联网专业的实验教学目标。
参考文献
[1]安健，桂小林，杨麦顺.物联网工程专业实验教学初探[J].实验室研究与探索，2014，33（10）：151-155.
[2]郭晓然，张总，许燕.物联网综合性创新性项目驱动的实验教学改革[J].物联网技术，2021，11（02）：110-112+115.
[3]张德育，谷月，刘猛，张文波，田明浩.物联网虚拟仿真类实验教学系统的开发与设计[J].数字通信世界，2021（01）：271-272.
[4]陆翔，王鹏，袁幸杰，孙农亮.基于Ardunio的智能家居实验开发平台研究[J].实验室科学，2020，23（06）：76-79+84.
作者简介蔚 （1981-） ， 女， 副教授， 重庆邮电大学，研究方向为物联网与智能家居、网络控制;
刘庆，女，23，冯建强 男， 23，吴志强， 23， 重庆邮电大学，业物联网与网络化控制教育部重点实验室 在读研究生 研究方向：物联网技术与应用。
基金：2020年教育部产学合作协同育人计划项目——面向物联网工程专业的创新创业实验平台研究
重庆邮电大学