《物联网技术》实验指导书.docx
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《物联网技术》实验指导书
高校物联网信息平台
物联网网络体系
实验指导书
实验一感知层认知实验
一、实验目的
1、初步了解不同的感知层设备的传统有线数据采集方法,建立对感知层设备的直观认识。
2、了解如何读取感知层采集的数据。
二、实验内容
1、通过高频RFID读卡器感应射频卡信息,并将数据上传给PC。
2、读取温湿度传感器的温湿度值。
三、实验设备
硬件:
1、物联网网络体系实验箱1套
2、PC机1台
软件:
串口大师(ComMaster.exe)
(所有软件均位于配套光盘\...\物联网网络体系实验箱\应用程序\目录下)
四、实验原理
感知层是物联网的皮肤和五官——用于识别物体、采集信息。
感知层包括二维码标签和识读器、RFID标签和读写器、摄像头、GPS、传感器、M2M终端、传感器网关等,主要功能是识别物体、采集信息,与人体结构中皮肤和五官的作用类似。
五、实验步骤
本实验箱的感知层设备为:
高频RFID读卡器、温湿度传感器以及PLC。
1、用实验箱配套的公母直连串口线接入PC机的串口和实验箱的高频RFID读卡器串口接口,打开“我的电脑”-“设备管理器”-“端口”,查看该串口设备对应的端口号,如图1,端口号为(COM4);
图1查看串口的端口号
2、打开“串口大师”,选择正确的串口端口号(本例为COM4),设置波特率为9600,数据位为8,校验位为NO,停止位为1,点击“打开串口”,指示按键变红色,如图2所示;
图2打开串口大师(ComMaster)
3、使用高频标签在高频RFID读卡器上方刷一次卡,读卡器会有“滴”声读卡提示音,此时观察“串口大师”的“数据接收区”,会出现读到的高频标签的卡号信息,如图3所示;
图3高频RFID读卡器通过串口上传读卡信息
4、点击“串口大师”上的“关闭串口”按键,并清空“数据接收区”,断开高频读卡器电源以及串口的连接线;
5、利用公母直连串口线连接PC机和实验箱上的温湿度传感器模块;
6、打开“串口大师”,选择串口端口号,设置波特率为9600,数据位为8,校验位为NO,停止位为1,点击“打开串口”,指示按键变红色;
7、在“串口大师”的“数据发送区”输入读取指令“HC01”,并点击发送,观察“数据接收区”返回的数值,该数值即为温湿度传感器在接收到读取指令时的温湿度值,如图4所示;
图4温湿度传感器通过串口上传温湿度数据
8、使用Modbus协议读取温湿度传感器数据。
知识点:
Modbus协议
Modbus协议是应用于电子控制器上的一种通用语言。
通过此协议,控制器相互之间、控制器经由网络(例如以太网)和其它设备之间可以通信。
它已经成为一通用工业标准。
有了它,不同厂商生产的控制设备可以连成工业网络,进行集中监控。
此协议定义了一个控制器能认识使用的消息结构,而不管它们是经过何种网络进行通信的。
它描述了一控制器请求访问其它设备的过程,如何回应来自其它设备的请求,以及怎样侦测错误并记录。
它制定了消息域格局和内容的公共格式。
有兴趣的同学可以去查看翻阅更多资料,这里先做试验,然后从试验结果中学习知识。
利用串口线连接PC机和温湿度传感器相连。
Modbus协议规定此时的上位机读取数据的指令是十六进制的
00030000000002C5DA
而数据返回的格式是
00030004T_HiT_LoRH_HiRH_LoCRC0CRC1
具体协议内容请参考附件中的的《串口温湿度传感器》文档。
在串口大师上发送第一组字符串,注意勾选左侧的16进制发送,和上方的16进制显示如图5所示,既可以返回按照Modbus协议规定的温湿度数据。
图5Modbus协议读取温湿度数据
在此次实验中,读取的数据是01030400fa0208daa4,根据刚才所介绍的方法,
T_Hi(温度高八位)是00
T_Lo(温度低八位)是fa
根据公式计算Temp=(T_Hi*256+T_Lo)/10=(0*256+0xfa)/10=250/10=25℃
同理
RH_Hi(湿度高八位)是02
RH_Lo(湿度低八位)是08
根据公式计算RH=(RH_Hi*256+RH_Lo)/10=(2*256+0x08)/10=520/10=52%
同学们可以比较通过ACSII(HC01)字符串得到的数据和通过Modbus协议得到数据之间的区别。
六、实验报告要求
1、记录实验结果。
2、画出高频RFID读卡器读卡上传数据的流程图。
3、画出温湿度传感器采集并上传数据的流程图。
实验二网络层传输实验
一、实验目的
1、了解网络层传输设备的重要参数和配置方法
2、了解网络层如何传输数据
二、实验内容
1、配置WiFi设备服务器并接入无线局域网
2、配置无线数传模块并传输数据
三、实验设备
硬件:
1、物联网网络体系实验箱1套
2、PC机2台
软件:
串口大师(ComMaster.exe)
无线数传模块配置工具(Rf-Magic42t.exe)
四、实验原理
1、物联网-网络层采用互联网中成熟的传输技术,其特点在于传输内容并不复杂的物品感知和控制信息及属性信息数据。
网络层要解决的技术问题是要建立一种统一的数据传输协议(如:
TCP/IP协议、MODBUS-RTU协议等),使物品的感知和控制信息与不同物联网管理平台信息交换。
2、PING(PacketInternetGrope),因特网包探索器,用于测试网络连接量的程序。
Ping发送一个ICMP回声请求消息给目的地址并报告是否收到所希望的ICMP回声应答,该命令体现了网络层的传输。
3、无线数据传输通信拓扑图
图1无线数据传输通信拓扑图
五、实验步骤
本实验箱的网络层设备为:
2个无线数传模块以及WiFi设备服务器。
5.1、WiFi设备服务器网络传输
1、实验箱左上角为WiFi设备服务器模块,在它下方的标签上记录了该模块接入的无线网络的SSID,该无线网络的密码,本模块的IP地址和开放的数据PORT号。
2、给WiFi设备服务器上电;
3、将PC机连入与WiFi设备服务器相同的SSID,设置PC机的无线IP地址和WiFi设备服务器为同一网段,打开命令提示符,尝试PINGWiFi设备服务器的地址,本例中假设WiFi设备服务器的IP地址是192.168.0.5,如可以PING通,如图2所示,则说明无线网络是连通的;
图2PC机与WiFi设备服务器通讯
5.2、无线数传模块的配置和管理
利用串口线将PC机和实验箱内的无线数传模块底板上的RS232接口相连。
PC机正确连接串口线后,可以在我的电脑->设备管理器->端口(Com和LPT)中看到相关的硬件信息,如图3所示,此时我们使用了PC机上的COM3端口,根据不同情况此COM号会不同,请同学们确定自己的COM号。
图3,找到了串口设备
打开配套光盘\...\物联网网络体系实验箱\软件\RF-Magic42.exe软件,给无线数传模块上电(一定要先打开软件再上电!
),此时在软件的下端会有FoundDevice!
的字样出现,说明我们的软件已经找到了设备,如图4所示,
图4RF-Magic42软件
点击软件上的ReadR键,可以获得此时无线数传模块的默认配置,如图5所示:
图5,无线数传模块的默认配置
无线数传模块的默认配置为:
串口端(SeriesParameters),9600-8-N-1,RS232协议
射频端(RFParameters),波特率9600,射频频道433MHz。
特别注意:
请不要修改串口端的参数,以及射频端的波特率,但是一定要在老师的指导下,修改射频频道。
因为默认情况下,一个实验室内的所有实验箱上的所有无线数块都工作在同一个射频频道上,这样在接下来的数据传输实验中会发生数据混传的情况,也就是说一个实验箱上无线数传模块发送的数据会被另外一个实验箱上的无线数传模块接收,从而导致无法正常进行实验。
射频频道参数的有效值范围是433MHz-478MHz,步进为1MHz。
请在老师的指导下,为不同的实验箱分配不同的射频频道。
但是同时要保持同一个实验箱上的两个无线数传模块工作在同一个射频频道上!
5.3无线数传自组网的传输(一对一)
1、如图1,利用实验箱配套的串口线分别连接两个无线数传模块和两台PC机,为无线数传模块上电;
2、打开两台PC机上的“串口大师”,设置波特率为9600,数据位为8,校验位为NO,停止位为1,点击“打开串口”,指示按键变红色;
注意:
如果出现“串口被占用”的错误,重新插拔一下串口线即可。
3、在PC1上串口大师的数据发送区输入“123456”,然后点击“发送”,观察PC2上串口大师的数据接收区能否收到字符串,在PC2上串口大师的数据发送区输入“abcdef”,点击“发送”,观察PC1上串口大师的数据接收区能否收到字符串,如图6;
PC1的串口大师PC2的串口大师
图6无线数据传输通信
六、实验报告要求
1、记录改变不同参数对应的实验结果。
实验三感知层设备无线数传通信实验
一、实验目的
1、了解串行接口、串口通信标准及连接方式
2、了解无线数传模块结构
3、了解无线数据传输通信过程
二、实验内容
1、学习配置和管理无线数传模块
2、学会RS232、TTL等串口的连接
3、验证数据的无线半双工通信
三、实验设备
硬件:
1、PC机2台
2、物联网网络体系实验箱1套
软件:
1、串口大师(ComMaster.exe)
四、实验原理
4.1、数据传送方式
图1数据传送方式分类图
4.2、串口通信协议-RS-232标准
RS-232(ANSI/EIA-232标准,RS:
recommendedStandard,推荐标准)是IBM-PC及其兼容机上的串行连接标准。
可用于许多用途,比如连接鼠标、打印机或者Modem,同时也可以接工业仪器仪表。
用于驱动和连线的改进,实际应用中RS-232的传输长度或者速度常常超过标准的值。
RS-232只限于PC串口和设备间点对点的通信,RS-232串口通信最远距离是50英尺(约15米)。
目前RS-232是PC机与通信工业中应用最广泛的一种串行接口。
RS-232被定义为一种在低速率串行通讯中增加通讯距离的单端标准。
RS-232采取不平衡传输方式,即所谓单端通讯。
图2RS232串行DB9接头
表1RS232管脚说明
4.3、RS232串口通信接线方法(三线制)
图3RS232串口通信接线方法
4.4、无线数传模块
无线数传模块(RFWirelessDataTransceiverModule),无线数据传输广泛地运用在车辆监控、遥控、遥测、小型无线网络、无线抄表、门禁系统、小区传呼、工业数据采集系统、无线标签、身份识别、非接触RF智能卡、小型无线数据终端、安全防火系统、无线遥控系统、生物信号采集、水文气象监控、机器人控制、无线232数据通信、无线485/422数据通信、数字音频、数字图像传输等领域中。
无线数传模块结构框图如图所示:
图4无线数传模块结构框图
工作原理:
通过MCU控制射频收发芯片RF-IC的寄存器来实现无线数据的发送和接收。
五、实验步骤
根据《网络层传输实验》所述,在做次实验室请将不同实验箱上的无线数传模块的射频工作频道调为不同的值。
5.1、利用无线数传模块读取温湿度传感器数据
利用实验箱配套的“公公交叉串口线”,将实验箱内的一个无线数传模块和温湿度传感器模块相连接,另一个无线数传模块通过公母直连串口线和PC机相连接,在PC机上打开ComMaster软件,设置波特率为9600-8-N-1,在发送区内发送数据HC01,观察接收区内是否有数据返回,如图5所示:
图5,读取温湿度传感器数据
温湿度传感器的正确数据返回格式是H:
xx:
RH,C:
yy.zz,表明现在的湿度是xx%,温度是摄氏yy.zz度。
5.2、利用无线数传模块读取高频读卡器数据
利用实验箱配套的“公公交叉串口线”,将实验箱内的一个无线数传模块和高频读卡器模块相连接,另一个无线数传模块通过串口线和PC机相连接,在PC机上打开ComMaster软件,设置波特率为9600-8-N-1,将实验箱配套的RFID卡靠近读卡器进行读卡操作,观察ComMaster的接收区是否能够收到一个十位数的数据信息,如图6所示:
图6,成功收到了RFID卡的信息
5.3利用无线数传模块控制PLC
使用实验箱中配套的三根公公交叉线中最长的一根(注意:
必须是这根)连接PLC和一个无线数传模块。
利用串口线连接PC机和另一个无线数传模块。
根据附件《实验箱1_V.01_ModBus格式测试命令.txt》文档中的介绍,我们可以在PC机上给出相应指令,来通过PLC控制流水灯,LED,蜂鸣器等外围设备。
六、实验报告要求
1、记录实验结果。
2、写出无线数据传输的流程。
实验四感知层设备WiFi通信实验
一、实验目的
1、了解WiFi设备服务器的工作原理、结构
2、掌握WiFi设备服务器的管理与配置方法
二、实验内容
学会WiFi设备服务器的管理与配置方法
三、实验设备
硬件:
1、PC机1台
2、物联网网络体系实验箱1套
软件:
1、ComMaster
2、TCP/UDP调试软件
(所有软件均位于配套光盘\...\物联网实验室\物联网网络体系实验箱\应用软件件)
四、实验原理
4.1、基本概念
WiFi设备服务器是基于Uart接口的符合wifi无线网络标准的嵌入式模块,内置无线网络协议IEEE802.11协议栈以及TCP/IP协议栈,能够实现用户串口RS-232,RS-485数据到无线网络之间的转换;通过WiFi设备服务器,传统的串口设备也能轻松接入无线网络。
4.2、WiFi设备服务器主要功能
1、基于自组网的无线网络(Adhoc):
Adhoc——也称为自组网,是仅由两个及以上无线终端组成,网络中不存在AP,这种类型的网络是一种松散的结构,网络中所有的STA都可以直接通信。
2.、基于AP组建的基础无线网络(Infra):
Infra——也称为基础网,是由AP创建,众多无线终端加入所组成的无线网络,这种类型的网络的特点是AP是整个网络的中心,网络中所有的通信都通过AP来转发完成。
3、灵活的参数配置:
1)基于串口连接,使用配置管理程序;
2)基于串口连接,使用Windows下的超级终端程序;
3)基于网络连接,使用IE浏览器进行web配置;
4)基于无线连接,使用配置管理程序;
4、安全机制:
本模块支持多种无线网络加密方式,能充分保证用户数据的安全传输,包括:
WEP64/WEP128/TKIP/CCMP(AES)WEP/WPA-PSK/WPA2-PSK。
5、支持通过指定信道号的方式来进行快速联网。
五、实验步骤
5.1、利用WiFi设备服务器读取高频RFID读卡器数据实验
将WiFi设备服务器和高频读卡器通过实验箱配套的“公公交叉串口线”相连,在PC机(需保证PC机可以PING通WiFi设备服务器)上打开TCP/UDP调试软件,点击“创建连接”,输入WiFi设备服务器的IP地址和数据端口,如图1所示,点击“创建”,
图1,创建TCP连接
进入如图2所示界面,点击“连接”,如果此后显示的是“断开连接”的话,证明连接成功,进行刷卡操作,看一下在数据返回区是否能够收到RFID卡的数据,如果收到,证明实验成功,如图3所示。
此时WiFi设备服务器从串口接收到了RFID读卡器传来的数据,然后它又将此数据通过WiFi无线网络传输到了PC机的应用程序上,证明了WiFi设备服务器的功能和作用,反之亦然,我们也可以从PC机上发送数据给WiFi设备服务器,然后由它将数据转发给接入它的串口设备,此实验可以通过将WiFi设备服务器和温湿度传感器相连来完成,将此实验留给同学们自己尝试。
图2
图3,成功接收到了数据。
5.2利用WiFi设备服务器读取温湿度传感器数据
根据前几个实验所学知识,利用WiFi设备服务器读取温湿度传感器数据。
5.3利用WiFi设备服务器控制PLC
根据前几个实验所学知识,利用WiFi设备服务器控制PLC,其中必须注意连接WiFi设备服务器和PLC的公公串口线,必须是实验箱配套公公串口线中最长的那一根。
六、实验报告要求
1、试用IE浏览器对WiFi设备服务器进行WEB配置。
实验五无线数传转WiFi数据网关实验
一、实验目的
1、了解无线数传/WiFi数据网关的构成
2、了解无线数传/WiFi数据网关的数据传输过程
二、实验内容
1、搭建无线数传/WiFi数据网关及组网
2、验证数据通过无线数传/WiFi数据网关在两种无线网络中传输
三、实验设备
硬件:
1、物联网网络体系实验箱1套
2、PC机1台
软件:
1、TCP&UDP测试工具
2、串口大师
四、实验原理
4.1、无线数传/WiFi数据网关简介
通过前两个实验,我们分别学习了无线数传模块和WiFi设备服务器的工作原理和用途,在实际生产生活当中,IP地址是相对的稀缺资源,为每个设备配置一个WiFi设备服务器的话会导致IP地址匮乏,并且价格昂贵,而无线数传模块价格低廉并且也不受到IP地址的限制,但是无线数传使用的433M频率没有WiFi这么普及,所以如果能够将两者结合起来,是一个相当完美的方案,于是无线数传转WiFi网关便孕育而生了。
4.2、无线数传/WiFi数据网关的构成
无线数传/WiFi数据网关是由无线数传模块与WiFi设备服务器的数据口对接组成,主要作用是为433M无线网络与WiFi无线网络建立连接,也称为中间件。
4.3、无线数传/WiFi数据网关组网
图1短距离无线/WiFi数据网关组网拓扑图
五、实验步骤
1、确认WiFi设备服务器和两个无线数传模块均为前两个实验中使用的默认配置参数。
WiFi设备服务器默认配置参数:
IP地址
192.168.0.***
PORT
4001
串口
9600-8-N-1
确认可以通过PC机PING通WiFi设备服务器的IP地址
无线数传模块的默认配置参数:
射频频道
不同实验箱上的均不同,同一实验箱上的必须相同
串口
9600-8-N-1
2、将WiFi设备服务器和无线数传模块1通过“公公交叉串口线”相连,将温湿度传感器模块和无线数传模块2通过“公公交叉串口线“相连。
3、为所有设备上电;
4、打开“TCP&UDP测试工具”,根据WiFi设备服务器的IP地址和端口号建立一个客户端连接,点击“连接”;在数据发送区发送指令“HC01”,观察是否有正确的温湿度传感器数据返回。
5、将无线数传模块2通过“公公交叉串口线”和高频读卡器模块相连接,进行读卡操作,观察PC机的TCP/UDP测试工具上是否有正确的数据返回。
如图2,所示:
图2无线数传转WiFi网关正常工作
6,原理分析
此时温湿度传感器和高频读卡器采集到的数据首先通过串口传递给了无线数传模块2,无线数传模块2又将数据通过(433MHz-478MHz)射频信号传递给了无线数传模块1,无线数传模块1将数据通过串口线传递给了WiFi设备服务器,最终WiFi设备服务器通过WiFi网络信号将数据传递给了PC机上的应用程序。
7,PLC的控制。
根据之前实验学习到的东西,利用无线数传转WiFi网关控制PLC,需注意需要使用最长的一根公公交叉串口线连接无线数传模块和PLC。
六、实验报告要求
1、记录实验结果。
2、画出数据传输的流程图。
实验六应用层环境监测报警系统程序设计实验1
一、实验目的
1、编写物联网应用层应用程序来实现环境监测报警功能
二、实验内容
1、硬件链路连接
2、软件程序设计
三、实验设备
硬件:
1、物联网网络体系实验箱1套
2、PC机1台
软件:
TCP&UDP调试工具
四、实验原理
通过之前的几个实验,学生已经直观的接触学习和了解了物联网中多种典型的感知层数据采集设备(高频RFID读卡器、温湿度传感器和PLC)和多种典型的网络层传输方式(有线传输、433MHz无线传输、WiFi传输,433MHz+WiFi混合传输。
)
从本实验开始,我们终于来到了物联网应用开发的核心部分-物联网应用层应用程序的设计和开发中。
和以往的人机交互应用程序不同,在物联网应用层程序开发中,数据交换双方均为各种感知层设备,这也就是所谓的M2M(MachinetoMachine),应用程序相当于两个设备之间的通信桥梁和纽带,它一般以服务器程序的形式坐落于中央服务器上,所以相对于人机交换的应用程序,物联网中的应用层程序看重的更多的是稳定性,实时性和安全性。
本实验将要设计的程序示意图如下:
图1环境监测报警系统流程图
五、实验步骤
5.1、硬件连接和测试
1、按照图2所示,连接实验箱的各个硬件部分
图2实验箱硬件连接示意图
2、利用之前实验学到的知识,通过TCP&UDP软件测试是否能够读到正确的温湿度数据和控制PLC。
5.2、软件程序程序
由于笔者的能力所限,在本实验中给出的实例源码均是基于Linux操作系统的C语言开发,学生可以在领会程序的设计目的后,使用自己擅长的编程语言和编程环境进行相应的程序开发。
以下给出关键代码,该程序实例源码位于配套光盘的
\...\物联网实验室\物联网网络体系实验箱\源码\EXP6目录下。
编写程序是需要注意以下几点:
1,使用多进程(线程)的方式分别从socket中读和写数据。
2,通过与WiFi设备服务器相连接的无线数传模块发送的数据是以广播形式发送的,也就是说在编程的时候,你想要给PLC发送一条指令,其实温湿度传感器也可以收到这条指令。
在这个项目中,无法指令接收对象。
3,向温湿度传感器发送了读取指令后,温湿度传感器会返回现在的温湿度。
向PLC发送了控制指令后PLC如果正确执行的话,会返回这条控制指令的原文。
4,一定要结合\...\物联网实验室\物联网网络体系实验箱\附件\中的两个文档《串口温湿度传感器》和《实验箱1_V.01_Modbus格式测试命令》进行实验,理解文档中所描述的协议内容。
5.3、示例源码测试
在Linux环境下测试示例源码时,请确保Linux主机和WiFi设备服务器位于同一无线网络中,
运行$gccEnvironment1.c–oEnvironment1编译源码,
运行$./Environment1启动程序,
PLC的数码管上开始显示现在室内的温度值,如果该值大于30℃,蜂鸣器开始报警。
在源码中有详细的注释解析,学生可以通过实验,使用自己擅长的编程语言来完成该实验。
六、实验报告要求
实验七应用层环境监测报警系统程序设计实验2
一、实验目的
1、完善环境监测报警系统
二、实验内容
2.1、利用命令行参数的方法传递参数
2.2、利用配置文件的方法传递参数
三、实验设备
硬件:
1、物联网网络体系实验箱1套
2、PC机1台
软件:
TCP&UDP调试工具
四、实验原理
再上一个实验中,我们虽然完成了环境检测报警系统的初步功能设计,但是它从一个可以稳定高效运行的物联网应用层软件的角度来说,还是实在太简陋。
最主要的一
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