物聯(lián)網(wǎng)工程應用-基于人工智能經(jīng)典案例 課件 第三章 物聯(lián)網(wǎng)實驗系統(tǒng)的硬件平臺和軟件開發(fā)環(huán)境

物聯(lián)網(wǎng)工程應用信息科學與工程學院電子與通信系黃如副教授3引言物聯(lián)網(wǎng)實驗系統(tǒng)的硬件平臺和軟件開發(fā)環(huán)境前兩章對物聯(lián)網(wǎng)技術相關理論知識進行了介紹，但技術主要為了服務于應用，在應用前，為防止不必要的損失，一般都會進行仿真實驗，確保整個系統(tǒng)的正確性與可行性。本章將介紹物聯(lián)網(wǎng)實驗開發(fā)板—ZT-EVB開發(fā)平臺及CVT-IOT-VSL教學實驗箱，以及物聯(lián)網(wǎng)軟件開發(fā)工具—IAR軟件，并通過它們實現(xiàn)射頻類網(wǎng)絡與通信實驗和物聯(lián)網(wǎng)綜合實驗。同時本章還介紹在物聯(lián)網(wǎng)中廣泛應用的Python及其對應環(huán)境的配置，以助于后續(xù)章節(jié)中物聯(lián)網(wǎng)案例從設備數(shù)據(jù)采集、處理、存儲、可視化到機器學習、人工智能的全方位開發(fā)。33物聯(lián)網(wǎng)實驗系統(tǒng)的硬件平臺和軟件開發(fā)環(huán)境硬件平臺和軟件開發(fā)環(huán)境概述物聯(lián)網(wǎng)實驗的硬件平臺和軟件開發(fā)環(huán)境概述：物聯(lián)網(wǎng)實驗系統(tǒng)需要硬件平臺和軟件開發(fā)環(huán)境的支持，以確保系統(tǒng)的正確性與可行性。硬件平臺：提供物聯(lián)網(wǎng)實驗所需的硬件資源，支持傳感器、通信模塊等的集成。軟件開發(fā)環(huán)境：提供編程、調(diào)試、仿真等工具，幫助開發(fā)者實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)應用。硬件平臺ZT-EVB開發(fā)平臺：由多個ZigBee節(jié)點模塊組成的無線傳感器網(wǎng)絡。支持傳感器技術、嵌入式計算技術、無線通信技術等。核心芯片：TI公司的CC2530，支持ZigBee和RF4CE應用。主要接口：DEBUG接口、USB接口、RS232接口、RS485接口等。CVT-IOT-VSL教學實驗箱：集成了ZigBee、藍牙、RFID等多種通信技術。核心處理器：Cortex-A9，支持Linux/Android/WinCE操作系統(tǒng)。支持多種傳感器模塊：光照傳感器、溫濕度傳感器、紅外傳感器等。模塊化設計，兼容各種傳感器網(wǎng)絡。43物聯(lián)網(wǎng)實驗系統(tǒng)的硬件平臺和軟件開發(fā)環(huán)境硬件平臺和軟件開發(fā)環(huán)境概述軟件開發(fā)工具IAR軟件：用于嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的集成開發(fā)環(huán)境（IDE）。支持8051、ARM等多種微控制器。提供代碼編寫、調(diào)試、編譯、下載等功能。Python：廣泛應用于物聯(lián)網(wǎng)中的數(shù)據(jù)采集、處理、存儲、可視化等任務。簡潔易學，擁有豐富的庫支持。Anaconda：開源的數(shù)據(jù)科學平臺，專為Python和R語言開發(fā)。包含包管理器Conda和圖形界面AnacondaNavigator。預裝了大量數(shù)據(jù)科學包和工具，如NumPy、Pandas、JupyterNotebook等。53物聯(lián)網(wǎng)實驗系統(tǒng)的硬件平臺和軟件開發(fā)環(huán)境ZT-EVB開發(fā)平臺ZT-EVB開發(fā)平臺簡介概述：ZT-EVB開發(fā)平臺是一個基于ZigBee技術的無線傳感器網(wǎng)絡開發(fā)平臺，適用于物聯(lián)網(wǎng)實驗和開發(fā)。特點：支持多種傳感器技術、嵌入式計算技術、無線通信技術。提供豐富的硬件資源，便于開發(fā)者進行自由開發(fā)。低功耗設計，適合長時間運行的物聯(lián)網(wǎng)應用。硬件組成ZigBee節(jié)點模塊：多個ZigBee節(jié)點模塊組成無線傳感器網(wǎng)絡。支持無線數(shù)據(jù)的收發(fā)、轉(zhuǎn)發(fā)及無線自組織網(wǎng)絡的構建。CC2530芯片：符合IEEE802.15.4標準的無線收發(fā)芯片。支持ZigBee和RF4CE應用，具有高接收靈敏度和抗干擾特性。內(nèi)置8KB閃存，支持多種網(wǎng)絡協(xié)議棧（如Z-Stack、RemoTI、SimpliciTI）。63物聯(lián)網(wǎng)實驗系統(tǒng)的硬件平臺和軟件開發(fā)環(huán)境CVT-IOT-VSL教學實驗箱CVT-IOT-VSL教學實驗箱簡介概述：CVT-IOT-VSL教學實驗箱是一個全功能的無線傳感器網(wǎng)絡教學系統(tǒng)，集成了多種通信技術和傳感器模塊。特點：支持ZigBee、藍牙、Wi-Fi、RFID等多種通信技術。采用Cortex-A9嵌入式處理器，支持多種操作系統(tǒng)（Linux/Android/WinCE）。提供豐富的實驗例程，便于物聯(lián)網(wǎng)課程的學習和實踐。硬件組成Cortex-A9處理器：高性能嵌入式處理器，支持復雜的計算任務。ZigBee模塊：支持ZigBee通信，兼容TICC2530和STSTM32W方案。藍牙模塊：支持藍牙4.0通信，適用于低功耗設備。Wi-Fi模塊：支持Wi-Fi通信，適用于高速數(shù)據(jù)傳輸。RFID模塊：支持125K、ISO14443、900MHz等多種RFID標準。73物聯(lián)網(wǎng)實驗系統(tǒng)的硬件平臺和軟件開發(fā)環(huán)境IAR軟件的安裝與應用IAR軟件的安裝步驟步驟1：雙擊autorun.exe文件，選擇“InstallIAREmbeddedWorkbench”。步驟2：接受許可協(xié)議，輸入序列號，選擇安裝路徑。步驟3：選擇完全安裝或自定義安裝，完成安裝。步驟4：安裝完成后，配置開發(fā)環(huán)境，確保與硬件平臺兼容。IAR軟件的應用創(chuàng)建工程：打開IAR軟件，創(chuàng)建新的Workspace工作空間。選擇工程類型（如8051），創(chuàng)建新工程并命名。編寫代碼：創(chuàng)建C文件，編寫程序代碼。將C文件加入工程，配置工程選項（如Target、Stack/Heap等）。調(diào)試程序：使用仿真器連接開發(fā)平臺，下載程序到硬件。設置斷點，監(jiān)控變量值，調(diào)試程序運行。83物聯(lián)網(wǎng)實驗系統(tǒng)的硬件平臺和軟件開發(fā)環(huán)境Anaconda與Python環(huán)境配置Anaconda的安裝步驟步驟1：進入Anaconda官網(wǎng)，下載適合操作系統(tǒng)的安裝包。步驟2：雙擊安裝包，選擇安裝路徑，單擊“Next”按鈕。步驟3：接受許可協(xié)議，選擇“Justme”安裝選項。步驟4：選擇安裝路徑，單擊“Install”按鈕，等待安裝完成。步驟5：安裝完成后，配置系統(tǒng)環(huán)境變量，確保Anaconda命令可用。TensorFlow和PyTorch的環(huán)境配置TensorFlow環(huán)境配置：創(chuàng)建虛擬環(huán)境：condacreate-ntensorflowpython=3.7激活環(huán)境：condaactivatetensorflow安裝TensorFlow：pipinstalltensorflow==2.5.0PyTorch環(huán)境配置：創(chuàng)建虛擬環(huán)境：condacreate-npytorchpython=3.7激活環(huán)境：condaactivatepytorch安裝PyTorch：根據(jù)官網(wǎng)提供的命令安裝適合的版本。93物聯(lián)網(wǎng)實驗系統(tǒng)的硬件平臺和軟件開發(fā)環(huán)境射頻類網(wǎng)絡與通信實驗概述實驗設備ZT-EVB開發(fā)平臺：基于ZigBee技術的無線傳感器網(wǎng)絡開發(fā)平臺。支持多種傳感器和通信模塊，適用于射頻類網(wǎng)絡實驗。CVT-IOT-VSL實驗箱：集成了ZigBee、藍牙、Wi-Fi等多種通信技術的教學實驗箱。提供豐富的硬件資源和實驗例程，便于射頻類網(wǎng)絡實驗的開展。射頻類網(wǎng)絡與通信實驗的目的目的：掌握ZigBee無線通信技術，理解射頻類網(wǎng)絡的工作原理。熟悉Z-Stack協(xié)議棧的運行機制，掌握綁定控制、廣播與單播通信的實現(xiàn)方法。通過實驗加深對物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議的理解，提升實際開發(fā)能力。103物聯(lián)網(wǎng)實驗系統(tǒng)的硬件平臺和軟件開發(fā)環(huán)境Z-Stack協(xié)議棧運行實驗實驗目的學習ZigBee協(xié)議棧：理解ZigBee協(xié)議棧的分層結構和工作原理。熟悉Z-Stack架構：掌握Z-Stack協(xié)議棧的核心代碼架構和運行機制。實現(xiàn)LED控制功能：通過修改協(xié)議棧代碼，實現(xiàn)LED的控制功能。實驗步驟安裝Z-Stack協(xié)議棧：下載并安裝Z-Stack協(xié)議棧，確保開發(fā)環(huán)境配置正確。分析協(xié)議棧軟件架構：打開IAR軟件，加載Z-Stack協(xié)議棧工程，分析協(xié)議棧的目錄結構和代碼架構。重點關注main函數(shù)、osal_init_system函數(shù)和osal_start_system函數(shù)的執(zhí)行流程。調(diào)試協(xié)議棧代碼：在IAR軟件中設置斷點，調(diào)試協(xié)議棧代碼，觀察函數(shù)調(diào)用和變量值的變化。修改協(xié)議棧代碼，添加LED控制功能，驗證代碼的正確性。113物聯(lián)網(wǎng)實驗系統(tǒng)的硬件平臺和軟件開發(fā)環(huán)境綁定控制機制實驗實驗目的學習ZigBee綁定機制：理解ZigBee綁定機制的工作原理和應用場景。修改按鍵驅(qū)動：掌握按鍵驅(qū)動的修改方法，實現(xiàn)綁定請求的觸發(fā)。實現(xiàn)綁定控制：通過實驗實現(xiàn)終端設備間的綁定控制，驗證綁定機制的有效性。實驗步驟配置硬件接口：將ZT-EVB開發(fā)平臺的DEBUGGER接口與計算機連接，配置電源和通信接口。設計綁定控制流程圖：設計綁定控制的流程圖，明確綁定請求的觸發(fā)和處理流程。修改按鍵驅(qū)動：修改協(xié)議棧中的按鍵驅(qū)動，實現(xiàn)綁定請求的觸發(fā)功能。在應用層添加綁定請求的處理函數(shù)，確保綁定請求的正確發(fā)送和處理。123物聯(lián)網(wǎng)實驗系統(tǒng)的硬件平臺和軟件開發(fā)環(huán)境廣播與單播通信實驗實驗目的學習ZigBee廣播與單播通信技術：理解廣播與單播通信的工作原理和區(qū)別。掌握無線數(shù)據(jù)的收發(fā)方法：通過實驗掌握無線數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收方法。驗證通信功能的正確性：通過實驗觀察網(wǎng)關與終端設備的通信狀態(tài)，驗證通信功能的正確性。實驗步驟配置硬件：將ZT-EVB開發(fā)平臺通過USB接口與計算機連接，配置電源和通信接口。編譯并下載程序：在IAR軟件中編譯廣播與單播通信的程序，下載到開發(fā)平臺。觀察通信狀態(tài)：通過串口調(diào)試助手觀察網(wǎng)關與終端設備的通信狀態(tài)，驗證數(shù)據(jù)的正確收發(fā)。133物聯(lián)網(wǎng)實驗系統(tǒng)的硬件平臺和軟件開發(fā)環(huán)境光照傳感器采集實驗實驗目的掌握光照傳感器的操作方法：了解光照傳感器的工作原理，掌握其數(shù)據(jù)采集方法。實現(xiàn)光照數(shù)據(jù)的采集與顯示：通過實驗采集環(huán)境光照數(shù)據(jù)，并通過串口調(diào)試助手顯示采集結果。實驗步驟配置硬件：將光照傳感器模塊連接到ZT-EVB開發(fā)平臺或CVT-IOT-VSL實驗箱。確保傳感器與開發(fā)平臺的電源和通信接口正確連接。編寫采集程序：使用IAR軟件或Python編寫光照數(shù)據(jù)采集程序。程序功能：讀取光照傳感器的模擬信號，將其轉(zhuǎn)換為光照強度值。通過串口將采集到的光照數(shù)據(jù)發(fā)送到計算機。調(diào)試與運行：將程序下載到開發(fā)平臺，運行程序。通過串口調(diào)試助手觀察光照數(shù)據(jù)的實時變化。。143物聯(lián)網(wǎng)實驗系統(tǒng)的硬件平臺和軟件開發(fā)環(huán)境藍牙組網(wǎng)配置實驗實驗目的掌握藍牙4.0通信原理：理解藍牙4.0的低功耗特性和通信機制。組建藍牙網(wǎng)絡：通過實驗實現(xiàn)藍牙主從設備的組網(wǎng)，掌握藍牙網(wǎng)絡的配置方法。實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸：驗證藍牙設備間的數(shù)據(jù)傳輸功能，確保通信的穩(wěn)定性和可靠性。實驗步驟配置藍牙模塊：將藍牙模塊插入ZT-EVB開發(fā)平臺或CVT-IOT-VSL實驗箱。確保模塊與開發(fā)平臺的電源和通信接口正確連接。燒錄程序：使用IAR軟件或Python編寫藍牙通信程序。主設備程序：掃描周圍的藍牙從設備，發(fā)起連接請求。從設備程序：廣播自身信息，等待主設備連接。將程序分別燒錄到主從設備中。組網(wǎng)與數(shù)據(jù)傳輸：啟動主從設備，觀察設備間的連接狀態(tài)。通過主設備向從設備發(fā)送數(shù)據(jù)，驗證數(shù)據(jù)傳輸功能。153物聯(lián)網(wǎng)實驗系統(tǒng)的硬件平臺和軟件開發(fā)環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)綜合實驗概述物聯(lián)網(wǎng)綜合實驗的目的目的：通過綜合實驗，掌握物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)方法。理解物聯(lián)網(wǎng)技術在環(huán)境監(jiān)控、定位和資源管理中的應用。提升對物聯(lián)網(wǎng)硬件、軟件和通信協(xié)議的綜合應用能力。實驗內(nèi)容區(qū)域異常溫度監(jiān)控：通過ZigBee網(wǎng)絡監(jiān)控區(qū)域溫度，實現(xiàn)異常溫度的實時報警。網(wǎng)絡無線定位：基于ZigBee網(wǎng)絡，實現(xiàn)無線定位功能，掌握定位算法的應用。車位資源監(jiān)控：模擬停車位資源的無線監(jiān)控，實現(xiàn)車位占用狀態(tài)的實時顯示?；谏疃葰埐罹W(wǎng)絡的垃圾分類：基于ResNet構建垃圾分類模型，實現(xiàn)對垃圾圖像的自動分類。163物聯(lián)網(wǎng)實驗系統(tǒng)的硬件平臺和軟件開發(fā)環(huán)境區(qū)域異常溫度無線監(jiān)控實驗實驗目的實現(xiàn)區(qū)域異常溫度的無線監(jiān)控：通過ZigBee網(wǎng)絡監(jiān)控區(qū)域溫度，實現(xiàn)異常溫度的實時報警。驗證綁定機制在異常事件驅(qū)動數(shù)據(jù)收集中的應用。實驗步驟配置硬件：將溫度傳感器模塊連接到ZT-EVB開發(fā)平臺。確保傳感器與開發(fā)平臺的電源和通信接口正確連接。設計監(jiān)控流程圖：設計區(qū)域異常溫度監(jiān)控的流程圖，明確數(shù)據(jù)采集、傳輸和報警流程。編寫監(jiān)控程序：使用IAR軟件編寫溫度數(shù)據(jù)采集和傳輸程序。通過ZigBee網(wǎng)絡將溫度數(shù)據(jù)發(fā)送到協(xié)調(diào)器，實現(xiàn)異常溫度的實時監(jiān)控。173物聯(lián)網(wǎng)實驗系統(tǒng)的硬件平臺和軟件開發(fā)環(huán)境網(wǎng)絡無線定位實驗實驗目的掌握無線定位算法：理解基于RSSI的無線定位原理，掌握三邊定位算法和極大似然估計法。實現(xiàn)ZigBee無線定位：通過實驗實現(xiàn)無線定位功能，驗證定位算法的有效性實驗步驟配置硬件：將多個ZT-EVB開發(fā)平臺配置為信標節(jié)點和盲節(jié)點。確保節(jié)點間的通信接口正確連接。設計定位流程圖：設計無線定位的流程圖，明確數(shù)據(jù)采集、距離計算和坐標估計流程。編寫定位程序：使用IAR軟件編寫定位程序，實現(xiàn)RSSI數(shù)據(jù)的采集和定位算法的計算。通過ZigBee網(wǎng)絡將定位坐標發(fā)送到協(xié)調(diào)器，實現(xiàn)無線定位功能。183物聯(lián)網(wǎng)實驗系統(tǒng)的硬件平臺和軟件開發(fā)環(huán)境車位資源無線監(jiān)控實驗實驗目的模擬停車位資源的無線監(jiān)控：通過ZigBee網(wǎng)絡監(jiān)控停車位的占用狀態(tài)，實現(xiàn)車位資源的實時管理。驗證無線通信在資源監(jiān)控中的應用。實驗步驟配置硬件：將ZT-EVB開發(fā)平臺配置為車位監(jiān)控終端和協(xié)調(diào)器。確保終端與協(xié)調(diào)器的通信接口正確連接。設計監(jiān)控流程圖：設計車位資源監(jiān)控的流程圖，明確數(shù)據(jù)采集、傳輸和顯示流程。編寫監(jiān)控程序：使用IAR軟件編寫車位狀態(tài)采集和傳輸程序。通過ZigBee網(wǎng)絡將車位狀態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)送到協(xié)調(diào)器，實現(xiàn)車位資源的實時監(jiān)控。193物聯(lián)網(wǎng)實驗系統(tǒng)的硬件平臺和軟件開發(fā)環(huán)境基于深度殘差網(wǎng)絡的垃圾分類實驗實驗目的了解深度殘差網(wǎng)絡：理解深度殘差網(wǎng)絡（ResNet）的基本原理和優(yōu)勢。設計垃圾分類系統(tǒng)：基于ResNet構建垃圾分類模型，實現(xiàn)對垃圾圖像的自動分類。評估模型性能：通過實驗評估模型的分類準確率、召回率和F1分數(shù)。實驗步驟數(shù)據(jù)準備：下載TrashNet數(shù)據(jù)集，進行數(shù)據(jù)預處理（如去噪、裁剪、歸一化）。將數(shù)據(jù)集劃分為訓練集、驗證集和測試集。模型構建：構建ResNet50網(wǎng)絡模型，設置初始超參數(shù)（如學習率、批量大?。?。數(shù)據(jù)增強：應用數(shù)據(jù)增強技術（如旋轉(zhuǎn)、平移、縮放、翻轉(zhuǎn)）提高訓練數(shù)據(jù)的多樣性。超參數(shù)優(yōu)化：使用粒