一种物联网应用开发箱的制作方法

本发明属于教学实验箱技术领域，具体为一种物联网应用开发箱。

背景技术：

随着“工业4.0”战略在全球范围内的影响，我国对物联网产业越来越重视，培养物联网产业相关人才也变得迫在眉睫。《物联网工程》专业是一个综合性新学科、工程实践性强，自2010年开办以来面临着“师资、教材、实验平台”三缺位的办学难题。其中，物联网实验平台建设是物联网专业人才培养的关键所在，物联网专业配套实验设施设直接关系到该专业学生素质的培养。再加上该专业学生动手能力弱与社会需求相脱节，物联网人才培养关键是要想办法提高学生实践能力。

目前市面上大部分学生物联网实验箱都为独立的柜体，体积大、成本高，并且大多以展示为主，功能相对单一，不利于培养学生的应用开发能力。

技术实现要素：

本发明提供一种物联网应用开发箱，以解决现有实验箱体积大、功能单一，不利于培养学生的应用开发能力的技术问题。

本发明是采用如下的技术方案实现的：

一种物联网应用开发箱，包括应用开发模块、串口通信模块、无线传输模块、数据采集模块、控制模块、面包板、杜邦线、USB线以及开发箱箱体，所述无线传输模块、所述数据采集模块、所述控制模块与所述应用开发模块通过杜邦线连接，所述应用开发模块与PC机通过USB线连接，再通过相应的程序，形成所述串口通信模块。

所述应用开发模块采用Arduino UNO开发板实现，以ATmega328单片机为处理器核心，14路数字输入/输出口（其中6路可作为PWM输出），6路模拟输入。

所述串口通信模块采用串行通信方式，Arduino UNO开发板使用TTL电平的串行协议，通过USB接口与PC机通讯。Arduino UNO开发板对串口操作主要利用Arduino提供的Serial对象即可对串口进行操作。Arduino开发板对串口初始化只需要调用Serial.begin(speed)函数即可打开串口进行通信，只需要调用Serial.print(val)或者Serial.println(val)函数即可实现往串口发送数据，调用Serial.read()函数即可实现串口接收数据。

所述无线传输模块包括Zigbee通信单元和WiFi通信单元两部分。在没有WiFi的地方采用Zigbee通信单元实现通信，在有WiFi的地方直接采用WiFi通信。Zigbee通信单元为采用ZigBee技术的无线模块，支持点对点以及点对多点网络通信，此模块需要一个XBEE底板、XBee，把XBee模块插到XBEE底板上构成Zigbee节点，采用802.15.4协议栈，通过串口与单片机等设备间进行通信，快速地将设备接入到ZigBee网络；WiFi通信单元包括WiFi开发模块，该模块采用超低功耗的UART-WiFi透传模块ESP8266模块，通过与Arduino UNO开发板中单片机通信，可将实验所用设备连接到Wi-Fi无线网络上，进行互联网或局域网通信，实现联网功能。

所述数据采集模块包括温湿度传感器、光敏传感器、红外接收传感器、CO₂传感器。

所述温湿度传感器的供电电压为3.3~5.5VDC，输出为单总线数字信号，温度的测量范围为0~50℃、精度为+-2℃，湿度的测量范围为20-90%RH、精度为+-5%RH。

所述光敏传感器采用灵敏型光敏电阻传感器，使用宽电压LM393比较器，工作电压为3.3V-5VDC，输出形式为DO数字开关量输出（0和1）和AO模拟电压输出。

所述红外接收传感器采用的是1838红外接收头，接收角度为90°，接收距离为18米，工作电压2.7-5.5V。

所述CO₂传感器的测试浓度范围为0—10000ppm，供电电压为6VDC，具有信号输出指示功能，双路信号输出：模拟量输出30~50mV，输出电压越高代表CO₂浓度越高；TTL输出低电平为有效信号，输出为低电平时信号灯亮。

所述控制模块包括LED灯、4路数码管、步进电机与步进电机驱动、蜂鸣器。

所述LED灯通过R、G、B三个引脚的PWM电压输入可以调节三种基色（红/蓝/绿）的强度从而实现全彩的混色效果，其采用共阴驱动，工作电压为5V。

所述4路数码管为动态驱动，当单片机输出字形码时，单片机通过对位选通COM端电路的控制，来决定是哪个数码管显示字形。

所述步进电机为一种将电脉冲转化为角位移的执行机构，每当步进电机接收到一个驱动信号后，都将按照一定的方向转动一个固定的角度，电机转动的速度及加速度的改变由控制脉冲的频率来实现，步进电机的角位移量是通过控制脉冲的个数来精确控制的，其往往需要与步进电机驱动模块相连使用；所述步进电机驱动模块使用ST公司的L298N作为主驱动芯片，驱动能力强，抗干扰能力强，工作电压高，最高工作电压可达46V；输出电流大，瞬间峰值电流可达3A，持续工作电流为2A；额定功率25W。

所述蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，采用直流电压供电，当电流达到一定程度时，就会发出声响，进行报警。

所述面包板用于实现多个传感器模块与所述应用开发模块的串并联，各种电子元器件以及各模块根据需要随意插入或拔出，免去了焊接使元件可重复使用。

所述杜邦线起到连接作用，用于所述无线传输模块、所述数据采集模块、所述控制模块与所述应用开发模块之间的连接。

所述USB线用于所述应用开发模块与PC机连接。

所述开发箱箱体用于承载上述各模块元件。

本发明的有益效果是：本发明提出的一种物联网应用开发箱，是一种通用性强、可扩展性高的物联网应用开发箱，箱体简便易携，不拘泥于实验开发的场所地点，学生可根据自己的应用开发需求更换所述数据采集模块、所述控制模块中各模块的传感器，充分激发学生的物联网应用开发热情和能量，引导其快速进入物联网应用开发的行列，为物联网应用开发快速健康发展储备人才。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明的一个具体实施例。

具体实施方式

下面结合附图1以及附图2进一步详细描述本发明一种物联网应用开发箱，所述领域的技术人员在阅读了本具体实施后，能够实现本发明所述的技术方案，显然，本发明中所述方案是一部分实施方案，而非全部的实施方案。

如图1所示，一种物联网应用开发箱由应用开发模块、串口通信模块、无线传输模块、数据采集模块、控制模块、面包板、杜邦线、USB线以及开发箱箱体所构成。其中，所述应用开发模块采用Arduino UNO开发板，所述数据采集模块、所述控制模块通过杜邦线与所述应用开发模块有机结合，实现物联网三层架构中感知层的信息采集和系统控制。所述数据采集模块将所采集数据传输至所述应用开发模块中，所述应用开发模块中单片机对所采集到的数据进行处理并显示，同时根据预先设定的条件，在所述数据采集模块所采集的数值达到一定数值时控制所述控制模块中传感器动作，并且还可以对采集到的传感器数据通过所述串口通信模块发送到PC机。所述无线传输模块包括Zigbee通信单元和WiFi通信单元两部分。在没有WiFi的地方采用Zigbee通信单元实现通信，Zigbee通信单元通过杜邦线和所述应用开发模块形成局部Zigbee局域网，所述数据采集模块通过所述Zigbee通信单元与网关通信，可将数据上传至云平台，可实现远程查看，并且可以通过在云平台改变所述控制模块的动作状态，通过网关和所述Zigbee通信单元下传至所述应用开发模块中的单片机，实现远程控制的功能。在WiFi覆盖的场所直接采用WiFi通信，所述WiFi通信单元通过与所述应用开发模块中单片机通信，可将实验所用设备连接到Wi-Fi无线网络上，进行互联网或局域网通信，不用再通过网关可直接将数据采集模块所采集数据上传至云平台，并且云平台也可直接通过所述WiFi通信单元向所述应用开发模块中的单片机下达命令，实现远程查看以及控制功能。

所述数据采集模块包括温湿度传感器、光敏传感器、红外接收传感器、CO₂传感器。温湿度传感器采集环境中温度与湿度的数值；光敏传感器采集环境中光照亮度的数值；红外接收传感器接收解调红外信号；CO₂传感器检测环境中的CO2浓度。

所述控制模块包括LED灯、4路数码管、步进电机与步进电机驱动、蜂鸣器。PC机通过所述串口通信模块与所述应用开发模块通信，通过对相应数值的设定来控制LED灯亮灭、4路数码管显示数字、步进电机的转动以及蜂鸣器报警。也可根据预先设定的条件，在所述数据采集模块所采集的数值达到一定数值时控制LED灯亮灭、4路数码管显示数字、步进电机的转动以及蜂鸣器报警。也可通过所述无线传输模块与网关通信或直接将实验设备联网，通过云平台远程控制LED灯亮灭、4路数码管显示数字、步进电机的转动以及蜂鸣器报警。

如图2所示，所述应用开发模块通过USB线与PC机连接，温湿度传感器、蜂鸣器通过杜邦线与所述应用开发模块连接，温湿度传感器采集环境中的温度和湿度数值，并将所采集的温湿度数值传给所述应用开发模块，通过所述应用开发模块中的单片机对数据进行处理，再通过所述串口通信模块传送至PC机，这样我们就可以在PC机上看到温湿度传感器所采集的环境中的温湿度值。假设我们设定当环境中的温度大于10℃时蜂鸣器报警，这样当温湿度传感器感测到环境中的温度超过10℃时，所述应用开发模块中单片机控制蜂鸣器动作，发出声音报警。我们也可以将所述Zigbee通信单元通过杜邦线和所述应用开发模块连接形成局部Zigbee局域网，通过和网关之间的通信将上述温湿度传感器所采集的环境中的温湿度值上传至云平台，实现数据的远程查看。在云平台设定当环境中的温度大于10℃时蜂鸣器报警，通过网关和所述Zigbee通信单元下传至所述应用开发模块中的单片机，控制蜂鸣器报警。在WiFi覆盖的场所，直接通过所述WiFi通信单元直接将上述温湿度传感器所采集的环境中的温湿度值上传至云平台，实现数据的远程查看。在云平台设定当环境中的温度大于10℃时蜂鸣器报警，通过所述WiFi通信单元下传至所述应用开发模块中的单片机，控制蜂鸣器报警。

本发明上述一种物联网应用开发箱，不仅适用于教学实验还可用于学生自主进行应用开发练习，以提高学生的物联网学习热情与开发能力。