*章  概述

1.1行业应用发展背景

继计算机、互联网和新一代移动通信技术飞速发展之后，“物联网”成为世界信息产业的第三次浪潮。为了随时随地的实现人与人、人与物、物与物之间的交互，远程信息采集、网络大容量信息交互传输和控制、信息汇聚、智能分析和决策等成为未来信息领域发展的重点，“物联网及其应用”研究已被国家和各省市列为十二.五发展的重点领域之一，图1-1为物联网发展趋势。

图1-1 物联网发展趋势

自从1999年提出物联网概念后，韩国、日本、新加坡、英国、欧盟、美国等相继提出与物联网相关的系列战略规划。2009年，*总理在无锡考察时提出了“感知中国”的概念，凸显了政府对物联网技术的重视；2010年，温总理在政府工作报告中明确指出了加快物联网的研发应用，加大对战略性新兴产业的投入和政策支持，利用物联网技术来推动经济发展方式的转变。如今，物联网已经成为我国信息产业的重要组成部分。物联网由三大部分组成，分别为物联网感知层、物联网网络层和物联网应用层，图1-2为物联网的网络结构。物联网必须具备三个特征：全面感知，即利用RFID、传感器、二维码等随时随地收集相关物体的信息；可传递，即通过各种电信网络以及互联网，将相关物体的信息实时正确地传递出去；智能处理，即利用各种智能计算技术（如模糊识别、云计算等）来分析和处理海量数据和信息，并对物体进行智能化的管理。结合以上三个特征解决问题正是信息专业学生针对现代和未来信息技术发展必须掌握的核心关键技术，也是我们建设信息专业创新实验室的出发点。

图1-2 物联网网络结构

1.2行业应用的需求

在物联网强大的全面感知、智能处理、全网互联等技术支撑下，其应用领域得到了很大程度的拓展，已经从zui初的物流管理延伸至各行各业。图1-2列出了绿色农业、工业监控、公共安全、城市管理、远程医疗、智能家居、智能交通、环境监测等八大行业应用，瞄准这一需求，我们针对移动通信、公共安全、智能家居、智能交通、智慧医疗等行业的应用构建信息专业创新实验平台。构建了远程多媒体网络传输和系列软件作为平台的网络层，通过远程接入实验设备和行业应用软件分别支持有线网络和无线网络接入，学生可以通过接入设备进行网上实验，通过加载不同的应用软件实现了在各行业的应用实验。

由于信息专业行业应用涵盖广泛，其网络规划、工程技术、研发、维护、行业销售、业务销售、后台运营、管理等各个方面都需要高级技术人员、工程师以及具备行业知识的销售工程师，因此构建信息专业创新实验室以适应快速发展的信息技术显得尤为必要。

1.3复合型实用型人才培养的需求

信息专业创新实验室定位于培养符合电子、通信、计算机、控制等领域新技术人才需求的实用型人才，结合物联网及行业应用体系，构建远程多媒体网络传输和系列软件作为平台的网络层，与各高校共同制定涵盖本学科的教育体系，如电子专业，我们会注重开发感知类实验，引入各种射频识别传感技术实验；通信专业，我们会注重引入协议转换、传输交互及移动互联等技术实验；计算机专业，我们会引入基于Android和ios操作系统的手机应用软件实验；控制专业，强调的是智能家居类远程控制实验。目的是与高校老师共同合作，通过配套的核心硬件和软件结合教师的二次开发设计出适合本校教学体系的实验案例，共同打造符合信息专业市场需求的应用型人才。

针对行业应用需求，复合型人才不仅要求信息专业学生熟练掌握硬件技术，而且要求学生很好地掌握软件技术。因此，该实验方案要求学生必须既懂硬件又懂软件，培养复合型高级技术人才才能被社会广泛接纳。信息专业创新实验平台要求学生很好地掌握感知层的前端实验设备，同时，通过远程多媒体网络传输平台和系列软件以及应用层很好地掌握网络层和应用层软件技术，才能设计出符合实际行业需求的应用系统。

第二章         信息专业创新实验室建设框架

2.1创新实验设计思路

信息专业创新实验室建设是现代信息技术应用于实践教学后产生的一种新的实验教学形式，是以学习者为主体的运用多种媒体和多种交互手段帮助学习者更方便更有效学习的一种教学方式，是计算机技术和网络技术在远程教育领域的应用，也将是今后电子信息类学生实验系统发展的主流。大力发展远程实验教育，对于促进教育的跨越式发展和建立终身教育体系，具有重要的现实意义。信息专业创新实验室包括远程多媒体网络传输平台和系统软件、数据库和必要的硬件接入设备，面向现代信息技术在移动通信、智能交通、智能家居、公共安全、远程教育、智慧医疗、绿色农业等行业的应用，结合信息专业创新型人才培养的迫切需求，zui大限度的使用网络手段实施实践教学、管理、测试和交流，完成针对多媒体信息的实时、非实时交互教学，并利用计算机系统的强大计算能力，进行教学成果的跟踪、统计、分析，改善了传统实验教学在这方面的不足。学生通过远程多媒体网络传输平台的实践教学和操作，能很好地掌握移动通信技术、网络通信技术、嵌入式系统技术、物联网技术等课程的基本理论，并具有移动通信、智能交通、智能家居、公共安全、远程教育等行业应用理念和设计、开发、创新实践的能力。

从信息专业创新实验方案触发，还可有衍生出满足社会需求的工业解决方案，高校教师可以依托该创新平台从事科研项目的设计和开发。

2.2实验设计特点

信息专业创新实验室建设中，远程多媒体网络传输平台由8个系统软件模块、若干套系统接入终端以及教师自己期望开发的实验案例组成。

其中，8个系统软件及模块包括SIP信令接入模块、媒体中转服务器系统模块、媒体分发系统软件、Web服务器管理软件、多媒体存储系统软件、用户接入客户端软件、终端设备接入软件、媒体平台安全模块软件，实现多媒体数据的网络传输和交互功能，通过提供可执行代码、软件开发包（SDK）、所有程序的接口详细说明文档和用户手册等，供教师和学生进行本地和远程实验并进一步开发系列行业应用软件。平台开设的实验涵盖了大部分信息工程基础和专业课，如：通信原理、移动通信原理、现代交换原理、嵌入式系统原理及应用、信息安全基础、数字信号处理、数字图像处理、多媒体通信、流媒体技术、XML编程、数据通信与计算机网络、TCP/IP原理及网络编程、DirectX编程等。

系统接入终端设备带有以太网接口、GSM/GPRS/3G网络接口、485接口、SD卡接口、JTAG接口、SATA硬盘接口等，支持学生可以通过该接入设备进行本地局域网和远程网上实验。接入设备具有音视频和传感数据的采集和远程传输功能，可以进行20多个硬件和软件设计、调试以及综合型实验。包括GSM/GPRS/3G等移动通信应用实验；支持IP、远程视频监控等公共安全应用实验；支持移动侦测、字符叠加、智能对讲、485接口控制等智能家居应用实验；支持GPS定位、车辆移动轨迹回放等智能交通应用实验等。这些实验强调实验内容的共享性和创新性，具有鲜明的特色。学生除了可以在规定的实验室做硬件和软件实验外，还允许学生租用设备在任何一个能够上网的场所（比如学生宿舍）进行硬件和软件实验，可以同时容纳几百学生一起进行远程多媒体通信实验，不仅可以与本校学生一起做实验，而且还可以与外校通信学生一起做实验，真正达到实验的共享。

通过远程多媒体网络传输平台，不仅可以远程进行共享性实验，同时教师还可以很好地管理实验。管理学生是否在做实验？实验时间多长？做了哪几个实验？实验是否成功等，做到实验的可运行、可管理，可持续发展。同时，通过开放的软件接口，允许学生设计符合自己要求的创新性实验，培养学生的自主创新实践能力。

提供的平台具有的特点如下：

1.      三种教学模式相结合

*，在线教学模式。学生通过网络平台，可以和指导教师约定学习时间，只需要拥有实验接入设备和网络，无论在何处，都能达到实验教学的学习效果。

第二，离线教学模式。当教师不在电脑旁时，学生亦可进行学习。教师可以通过教师端接入软件将任务和课件等发送给在线学生。因此，学生在教师不在线的时候可以通过对材料的学习进行知识的积累，充分利用了学习时间。

第三，在线与离线相结合的混合模式。当教师和学生同时在线时，教师可以对学生进行现场实验指导，然后给予学生一定的思考时间，同时给学生发送离线教学资料，让学生在课后进行进一步学习。同时，该实验平台还能帮助学生进一步感受教学过程，从而更加有效地完成教学内容。

2.      激发学生学习兴趣，提高学习的积极性

学生不仅可以通过完成教师的实验，还可根据实验指导书，按照自己的兴趣完成各种生动形象的多媒体在线实验，提升了学生的学习积极性。

3.      提高实验教学质量及学生学习效率

本平台通过提供一系列声音和图像的实验，在教学中给学生带来视觉和听觉上的刺激，以此来调动学生积极性，提高学习效率。

4.      有利于课堂教学的合理规划和优化

教师可以通过网络多媒体技术的帮助合理进行实验设计教学计划，丰富教学内容，增加课堂时间的有效利用率，深入浅出，提高学生知识的接受能力。

5.      有利于教师工作负担的减轻

传统的实验需要教师和学生安排统一的时间，前往统一的实验地点，在规定的时间内完成相应的实验。这样的安排往往由于教师精力有限，无法解决所有学生在实验时遇到的问题，同时教师也无法观察学生在实验过程中是否操作不当，只能通过观察结果来判断学生的实验成功与否。而本平台能够将学生的所有操作及结果进行记录，以文本的方式传输到服务器端。教师则可通过这些文本的分析，给出学生实验的成绩，大大提高了教师的工作效率，减轻其负担。

6.      有利于学生思维能力的培养及情感体验

由于远程多媒体实验具有形象、交互便利、感染力强等优点，这有利于在教学中将知识和情感有机结合，达到教学*化的效果。在远程技术教学中运用多媒体技术方便学生足不出户地体验各种*的音视频效果。例如：学生在进行视频采集实验的时候，可以通过客户端软件，观察远端另一个学生手机摄像头采集的视频，这将*培养学生情感的体验。

7.      教学内容涵盖广泛

平台开设的实验涵盖了大部分信息工程基础和专业课，如：通信原理、移动通信原理、现代交换原理、嵌入式系统原理及应用、信息安全基础、数字信号处理、数字图像处理、多媒体通信、流媒体技术、XML编程、数据通信与计算机网络、TCP/IP原理及网络编程、DirectX编程等。学生通过平台实验教学，对所学课程加深理解，方便地进行二次实验开发，具备较强的实践创新和应用能力。

2.3创新实验架构

远程多媒体网络传输平台采用分布式架构，由接入设备、学生远程实验平台接口、教师管理接口以及中心平台集群服务器及系统软件、3G/互联网络等组成，示意图2-1如下：

图2-1远程多媒体网络传输平台架构

接入设备带有以太网接口、GSM/GPRS/3G网络接口、485接口、SD卡接口、JTAG接口、SATA硬盘接口等，内嵌终端设备接入软件，将采集的视频、音频、报警、GPS等数据通过协议和3G/互联网上传给中心平台集群服务器进行数据的统一处理和传输。

中心集群服务器包括系统软件及模块，主要有SIP信令接入模块、媒体中转服务器系统模块、媒体分发系统软件、Web服务器管理软件、多媒体存储系统软件、用户接入客户端软件、终端设备接入软件、媒体平台安全模块软件，实现多媒体数据的网络传输和交互功能。

学生远程实验平台接口由中心集群服务器软件提供，通过用户接入客户端软件（学生部分）实现各类应用实验。

教师管理接口由中心集群服务器软件提供，通过用户接入客户端软件（教师部分）实现各类应用实验的管理。

2.4实验架构组成

整个实验架构由教师、学生、设备、智能手机及远程多媒体传输平台系列软件构成，示意图见2-2。

图2-2实验架构组成

远程多媒体传输平台系列软件提供了教师、学生、远程接入设备、智能手机及各种实验终端的接入，实现了人与人、人与物、物与物之间的通信机制，保证各个实验项目的顺利进行。

第三章  信息专业创新实验室总体建设方案

3.1    总体布局规划

根据实训基地建设的特点，应创造一个安全、舒适、美化的实验室环境。根据应用需求，有局域网和广域网两种方案供选择。

局域网方案：需部署2-3台服务器大约10平方米左右的场地，服务器由局域网互联，服务器数量根据应用不同可以增加或减少。学生实验接入设备根据需要可配置30-40台不等，备有上机操作的电脑和桌椅，一般需要100平方米的场地。

广域网方案：除了局域网方案需要配置的设备和场地，另需申请1条外网专线，可以是电信/移动/联通，目的是实验接入设备可以放置在任意一个可以上网的地方，并可以不配备专门的实验用房，实验场地灵活选择（可以在学生宿舍或老师家里）。

3.2    实验室总体设计方案

本项目可分为学生实验端、服务器平台以及教师控制端3大部分。学生实验端可分为实验接入设备和学生控制软件，实验接入设备是实验承载体，是真正负责完成实验的主体；控制软件集成串口、网口及其他协议接口通信功能；学生在进行实验的同时，服务器平台会根据实验进展把实验状态传送给教师控制端，当实验结束时还能自动分析得出实验成绩发送给教师客户端。教师控制端人性化的界面设计实现实验状态显示，并且学生信息、实验信息以及实验成绩的查询及输入均在这里进行。本系统由于需要存储学生信息，学生实验信息以及学生成绩等，需要使用数据库，这里采用MySQL数据库和客户端交互。系统框架如图3-1：

图3-1图3-1信息专业创新实验框架图

远程多媒体网络传输平台是创新实验方案的重要组成部分，普诺远程多媒体网络传输平台是一个分布式系统，它由SIP信令接入系统软件、媒体中转服务器、媒体分发服务器、WEB服务器、多媒体存储服务器、媒体平台安全模块及用户接入等系统软件和模块组成，总体架构如图3-2。各软件功能点如下：

图3-2 远程多媒体网络传输平台设计

1、SIP信令接入系统软件：它为各种设备和用户提供了接入服务。平台采用将数据流和信令流分开的设计方式，通过合理地设计信令机制，该信令接入软件能够处理及管理大量接入请求，从而zui大限度提升服务器整体性能。该软件与用户接入客户端软件、终端设备接入软件协同工作，共同完成设备和用户的远程接入。

2、媒体中转及媒体分发系统软件：它提供设备和用户之间的透明传输，具有网络穿透功能，同时。平台通过设计媒体中转和分发软件，合理利用服务器带宽资源，架起设备与用户之间透明的桥梁，从而规避了设备上行带宽不足的瓶颈。同时，软件还采用了*的缓存机制，有效地降低了客户访问延迟，也匹配了设备发送速率和用户接收速率。

3、WEB服务器管理软件：它提供用户和设备的权限、GPS定位、媒体流等的管理。软件管理员可以通过Web接口对其下所有的子设备和用户进行权限分级管理。同时还具有对设备进行定位，显示设备运行轨迹以及媒体流实时查看等功能。

4、多媒体存储服务器软件：它提供媒体信息的集中存储。本存储系统软件使用了“时间索引+块数据”的数据结构，抛弃了传统文件系统，提高了流媒体数据的管理效率，同时使用基于iSCSI协议的IP SAN直存技术，简化了系统的架构，通过集中式数据管理，实现了对资源的统一划分和调度，实现数据的全局性管理。

5、媒体平台安全模块软件：它提供终端设备和用户身份的双层认证。针对传统基于软件的SIP安全方案容易被盗用、欺骗和入侵的问题 ，结合可信计算技术，媒体平台安全模块设计了对终端系统与用户身份的双层认证结构，使用一种SIP进行互联网多媒体通信的安全方案。该方案利用可信平台模块和直接匿名证明算法设计了新的SIP注册协议，提高了多媒体通信系统的安全性。

6、用户接入客户端软件：它为用户提供服务应用接口。

第四章 各模块实验室建设方案

4.1   智能家居实验

4.1.1 智能家居趋势

根据哥本哈根会议，我国明确了节能减排，绿色建筑的目标，这就使得住宅智能化凸显出了其合理规划，zui大限度的节约能源的优势。而中国“智能家居网络”必在“智能化住宅”的框架下形成一个新型的IT产业，而这一切必将对未来我国房地产的健康有效发展起着深远的影响。

所谓智能家居是现代电子技术、自动化技术及通信技术相结合的产物。它能够通过有线和无线的方式，自动控制和管理家电设备，对楼道、家庭环境的安全进行监控报警，控制设备的开关，集中或远程控制温度、湿度的调节，提供现代化的通信、信息服务等等。合理利用周围环境资源，为工作和生活提供便利，并尽可能的节约能耗。

目前由于智能家居系统还缺乏统一明确的标准，许多公司开发出的产品都是基于自己组建的网络和信息交换协议，很多产品是针对特定的组网环境开发的，部分核心技术没有对外公布，技术复杂，直接导致了使用范围的局限性。再则，缺乏对应的第三方产品，各个接入设备之间不能兼容，互操作性差，不利于产品的扩充，因而进一步局限的产品的发展。再加上现有的系统建设成本维护成本居高不下，严重影响了产品的普及。因此，设计一个符合国家国情和规范的集远程控制盒本地控制为一体的智能家居系统是具有非常具有现实意义的，且势在必行。

信息化社会在改变人们的工作方式和生活习惯的同时，也对我们的传统住宅提出了挑战，环视周围，我们很容易的发现，人们对家居的要求早已不再只是简单的物质需求，更为关注的是一个高度安全、舒适、便利和美观的和谐环境，*的通信设施，完备高效的信息终端，自动、智能的家电，网络化的资源管理及购物方式等等，现今社会人们日益膨胀的需求使得家居智能化已经成为一种趋势。

设计的智能家居必须解决以下的问题：

问题1：各物业小区数据采集分散、数量众多，政府如何有效管理各个小区的日常运行状况、如何有效采集各个家庭的实时数据？

----采用家庭组网、小区和控制中心采用广域云服务技术；

问题2：如何解决小区物业大容量数据存储问题以及多用户并发问题？

----采用云存储共享方式解决大数据量存储问题，采用线程池技术以及相关的中间件技术解决多用户并发问题；

问题3：已经建设的小区物业系统如何融入新的智能家居系统？

----采用开放第三方接口接入方案，制定统一的接入标准；

问题4：家庭或小区出现异常情况时的解决方法？

----采用定制增值业务完善小区和家庭的功能；

问题5：如何保证智能家居系统的可靠性、安全性和稳定性？

----采用多级安全控制策略保证系统的安全可靠性。

上述问题，将通过实验的方法让同学有效地掌握和解决以上这些问题。

4.1.2 组网拓扑图及组网说明

智能家居系统以宽带网络为基础，将分散、独立的现场监控点进行联网，实现跨区域、统一监控和统一管理，为管理决策者提供了一种全新的、直观的管理工具。除了具备视音频和各种报警信息远程采集、传输、存储、处理等业务功能外，作为新一代网络多媒体智能系统，能有效地解决当今网络视频监控系统存在的问题，具有覆盖广、容量扩容方便、多业务、可融合、管理方便、可营运、*服务等诸多优势。

所设计的智能家居系统结构如图4-1，采用分布式云计算结构，以用户为单位，组成家庭局域网，数据和媒体信息以WLAN标准联网，网关设备只要嵌入WLAN模块即可联网。小区物业中心组成云节点，所有的数据采集和分发以及存储由该云节点完成。云节点采用分布式结构，容量随小区规模而定，可以任意扩充和裁剪，以节约成本。管理中心为设置在政府管理部门的核心单元，需要数据的时候随时调用各云节点的数据，可以查看、分析和计算，供政府部门决策使用。

图4-1 智能家居系统结构

整个智能家居系统主要由三部分构成，即：家庭现场、小区物业云节点和业务应用平台（增值服务、网管服务、监控服务、手机服务等）。具体见图4-2.

图4-2  智能家居系统层次结构图

作为基于网络化的智能家居系统，将采用多层模块化结构，系统结构技术*性主要表现在：

n        业务与支撑分离

业务开发灵活、快捷，符合当今家居系统业务需求多样化的特点。

n        媒体流与信令流分离

基于媒体流与信令流的不同特性，小区物业云节点将视具体情况灵活部署，根据用户数、业务特点以及小区物业云节点带宽的不同，用户扩充方便，可以zui大限度地满足家居用户实时性要求，同时各个家庭只要*一个用户名和密码就可以进行*的管理，方便管理者的管理。

图4-3为智能家居系统数据流向图，系统采用数据流和信息流分离的方式，用户和设备通过SIP+XML协议接入系统，非常方便用户和设备的接入，将接入标准简单化。

图4-3 智能家居系统数据流向图

其中，小区云节点即为我们提供的多媒体网络传输平台，家庭网关为普诺一体化多媒体数据采集器，配上传感器和软件即可实现整个智能家居系统。

4.1.3实验内容及相关课程

以上所有实验提供源代码和二次开发接口

4.1.4 家庭网关设备

Ø        普诺一体化多媒体数据采集器技术指标

n    视频输入：1路

n    帧频：NTSC 30 fps; PAL 25fps

n    录像模式：连续录像、异步录像、定时录像和开机即录

n    分辨率：NTSC 720×480; PAL 720×576

n    压缩方式：H.264

n    支持SD卡：32G大容量存储

n    电压范围：12V

n    GPS：支持（选配）

n    3G：支持（选配）

n    通信接口：RS485、串口

n    内置OSD功能

Ø          普诺一体化多媒体数据采集器实物图

图4-4 普诺科技视频监控设备实物图