一、系统特点

1.全场景协议生态集成：支持五十多种工业与物联网协议。

2.工业化硬件设计：所有功能模块全部采用标准工业化设计，传感器、控制系统、网络结构、控制对象、系统软件设计均与工业现场完全相同的配置。

3.采用“对比+置换”的实训教学设计：始终贯穿“以目标为导向，以过程促结果”的教学理念。

4.采用“学习”—“模仿”—“创新”的教学模式：从零起步，循序渐进，由浅入深。

5.沉浸式数字工厂环境：涵盖数字工厂、数字农业、数字交通等应用场景。

6.打通教学与实际应用数据链路：使学习与应用无缝对接，教学环境与应用场景无差别。

二、系统功能

聚焦底层通信协议的系统化训练与深度学习。集成多协议支持，如Modbus、MQTT、CAN、LoRa等，模块化硬件设计及虚实融合环境，结合全链路开发工具，赋能工业物联网、车联网、智慧农业等场景的实战能力培养，帮助学生从理论到应用无缝衔接，掌握协议开发、调试与行业落地的核心技能

三、系统构成

1.云服务 + 数据采集终端 + 操控终端 + 数据可视化孪生系统

2.系统配置：

(1).数据采集单元：

风速、风向、温湿度、太阳能辐射、降雨量、气压、大气质量、PM2.5、土壤氮磷钾、土壤温湿度、应变力、光谱、60G雷达检测、加速度计、磁力计、GPS模块、超声波测距、红外避障、噪音传感器、心率、血压、血样等各类传感器。

(2).操作单元：

l 工业场景操控台：铝合金型材外壳，7寸串口屏，CNC工艺的PVC面板，WIFI无线通讯，主控采用多块STM32F407核心单元。

l 手持移动式操作终端：PVC外壳，WIFI/2.4G通信，3.5寸彩色液晶显示屏。

(3).数据中继单元：

l Linux/Android中继网关：主控采用国产CPU，八核Cortex-A72&A53异构处理器，6TOPS NPU，4GB RAM，32GB Flash。

l STM32中继网关：主控采用STM32H750，基于ARM Cortex-M7内核的高性能MCU，主频达480 MHz，内置128 KB SRAM和1 MB Flash。

l 4G网络路由：支持全网通，支持热点接入。

l 终端电路单元：采用STMF407，基于工作频率为168 MHz的Cortex-M4内核的高性能MCU，具有512KB~1MB Flash和192KB SRAM。

(4).显示单元：960*350mm的LED多色单元显示屏，防水金属外壳。

(5).摄像头单元：两路400万像素网络高清相机。

四、基础实验例程

1.传感器的采集与标定实验

(1) 电流型传感器采集与标定实验

(2) 电压型传感器采集与标定实验

(3) 总线型传感器采集与标定实验等

2.ModBus专题实验：

(1) Modbus RTU基础数据采集

(2) Modbus TCP工业设备控制

(3) Modbus异常响应与故障排查

(4) 多从站轮询控制实验

(5) Modbus与MQTT协议转换网关

(6) Modbus ASCII格式通信实验

(7) 基于Modbus的能源管理实验

(8) Modbus与PLC的复杂逻辑控制

(9) Modbus协议安全防护实训

(10) 农业物联网中的Modbus应用等。

3.以太网专题实验：

(1) TCP/IP双机通信实验

(2) UDP广播通信与组播应用开发

(3) 以太网交换机VLAN配置与管理

(4) 网络抓包分析（Wireshark）与协议逆向

(5) 基于MQTT协议的物联网云平台对接

(6) 网络时间同步协议（NTP）实现等。

4.工业实时以太网（EtherCAT）专题实验：

(1) EtherCAT主从站通信建立与数据帧解析实验

(2) EtherCAT线型/树型拓扑组网实验

(3) EtherCAT周期时间与抖动分析实验

(4) 多轴伺服运动控制同步性实验

(5) EtherCAT从站状态机异常恢复实验

(6) EtherCAT网络诊断工具链应用实验等

5.RS232专题实验：

(1) RS232串口数据收发基础实验

(2) 串口通信协议自定义与解析

(3) 多串口设备轮询控制

(4) 串口通信超时与错误处理机制设计

(5) RS232与无线模块通信适配

(6) 基于串口的工业设备控制

(7) 串口数据加密与解密实现等。

6.RS485专题实验：

(1) RS485总线多从站通信配置实验

(2) 长距离RS485通信稳定性实验

(3) RS485与RS232协议转换实验

(4) 工业仪表数据采集实验

(5) 多主站总线竞争与优先级调度实验

(6) RS485总线故障模拟与排查实验等。

7.I2C专题实验：

(1) I2C主从设备基础通信实验

(2) 多I2C设备总线地址冲突解决实验

(3) 基于I2C的传感器数据采集实验

(4) OLED屏幕驱动与图形显示实验

(5) 多主模式下I2C总线仲裁逻辑实现实验

(6) 低功耗I2C设备休眠唤醒控制实验等。

8.SPI专题实验：

(1) SPI全双工通信与数据帧格式解析

(2) SPI Flash存储器读写实验

(3) SPI接口TFT液晶屏驱动与图形渲染实验

(4) SPI主从模式切换与多主通信

(5) SPI协议DMA传输优化

(6) SPI与I2C协议性能对比实验

(7) SPI与无线模块通信实验等。

9.CAN总线专题实验：

(1) CAN总线基础报文收发实验

(2) CAN网络多节点通信与优先级仲裁实验

(3) CAN总线错误帧检测与处理机制实验

(4) CAN FD高速通信协议配置与测试实验

(5) CAN总线数据加密与身份认证实验

(6) CAN的工业设备远程诊断系统实验等。

10.USB专题实验：

(1) USB HID键盘输入模拟实验

(2) 上位机通过USB与设备通信实验

(3) USB虚拟串口通信实验

(4) USB大容量存储设备实验

(5) USB OTG主从模式切换实验

(6) USB DFU模式固件升级实验

(7) USB协议数据包抓取实验

(8) 设备间的USB通信实验等。

11.蓝牙专题实验：

(1) BLE广播与扫描实验

(2) BLE数据传输实验

(3) 蓝牙串口透传实验

(4) 蓝牙Mesh多节点通信实验

(5) 蓝牙配对加密实验

(6) 蓝牙HID设备模拟实验

(7) 蓝牙音频传输实验等。

12.LoRa专题实验：

(1) LoRa点对点数据传输实验

(2) LoRaWAN入网与OTAA激活实验

(3) 多节点LoRa Mesh组网实验

(4) LoRa数据加密实验

(5) 低功耗休眠模式控制实验

(6) LoRa网关数据转发实验等。

13.2.4G专题实验：

(1) 2.4G跳频通信实验

(2) 自定义协议双向数据传输实验

(3) 多通道并行通信控制实验

(4) 2.4G无线遥控器设计实验

(5) 2.4G广播数据中继实验

(6) 2.4G组网实验等。

14.Zigbee专题实验：

(1) Zigbee终端节点入网实验

(2) Zigbee Coordinator组网控制实验

(3) Zigbee路由节点数据中继实验

(4) Zigbee绑定与场景控制实验

(5) OTA无线设备升级实验

(6) Zigbee与WiFi网关互联实验

(7) 多播与广播通信测试实验等。

15.NB-IoT专题实验：

(1) AT指令控制NB模组入网实验

(2) 低功耗PSM/eDRX模式配置实验

(3) UDP非确认数据传输测试实验

(4) 基站信号质量（RSRP/RSRQ）监测实验

(5) 数据加密与IMSI保护实验

(6) 定时唤醒上报传感器数据实验

(7) 异常断网自动重连机制实验等。

16.4G/5G专题实验：

(1) 4G PPP拨号上网实验

(2) HTTP/HTTPS云端API调用实验

(3) 5G高速FTP文件传输实验

(4) GPS+4G双模定位跟踪实验

(5) 短信收发实验

(6) 多路TCP连接负载均衡实验等。

五、QT、LabView、Android上下位机数据交互实验

1. 上下位机数据传输实验

2. 智能家居远程控制终端实验

3. 车载CAN总线通信实验

4. 环境监测LoRa中继传输实验

5. 健康参数与体征监测系统实验

6. 工业电机的速度角度远程控制与调试实验

7. 智能农业NB-IoT喷灌控制系统

8. 视频流采集传输实验等。

六、“云—边—端”综合实验：

1. 基于LoRa的环境监测实验

2. 太阳能电池板发电状态检测诊断实验

3. 农业土壤墒情监测实验

4. 基于4G/5G的远程设备控制实验

5. 基于Zigbee智能家具控制实验等。

七、孪生工业场景：

农业灌溉、农业种植、工业产线、智能家居、智能交通、无人值守。

八、解决五大教学痛点

1. 教学环境与应用场景割裂 → 真实工业级环境

(1).工业场景还原：智能制造产线、车联网系统、智慧农业等。

(2).协议级故障模拟：注入工业网络攻击、设备通信异常、报文丢失、CRC校验失败。

2. 教学设备与时代脱节 → 百种传感器联动

(1).多学科传感器生态：环境监测、智慧农业、工业控制、健康检测、生物化学。

(2).跨设备协同实验：点对点、点对多点和多点对多点之间的协同通信。

3. 学生能力断层 → 四阶学习曲线

基础层（模仿）、进阶层（复制）、高阶层（创新）、专家层（突破）。

4. 调试技能欠缺 → 训练学生的专业调试技能

学习使用Wireshark、Modbus Poll、CANalyzer、UART Tools等主流工具进行实时协议监控，全方位的深度解析。

5. 理论晦涩难懂 → 可视化呈现

(1).动态模拟协议流程：如HTTP请求/响应动画、MQTT主题订阅关系图。

(2).面展示设备状态：如PLC运行指示灯、机器人关节角度、传感器实时数值。

九、解决学生的哪些问题

1.编程能力提升：

(1).分层代码开发：硬件驱动层、后端协议逻辑层、前端应用交互层：

(2)全栈开发实战：从STM32进行数据采集（硬件驱动层） → 数据处理（后端协议逻辑层） → 云端大屏（前端应用交互层）全链路开发。

2.协议调试能力强化：协议分层教学，协议库完善并提供标准协议库及自定义私有协议库等资源。

3.调试工具支持：提供业界主流调试工具。

4.协议移植能力：学习使用跨平台开发与协议适配优化。

5.课设毕设支持：

(1).硬件方面：工业级PLC、各类传感器套件。

(2).软件方面：开放LabVIEW、QT等工程模板。

十、行业场景的深度赋能

1.打通教学与实际应用数据链。

2.教学与实际运用的无缝对接。

3.企业级开发流程：从需求分析、协议选型、代码开发、联调测试等都完全遵循企业级工业规范。

4.通信故障的复现：在实验室重现工业现场常见问题，提供企业级排查手册。

十一、面向专业及针对课程

1. 电子信息类核心课程：《通信原理》、《嵌入式系统设计》、《数字信号处理》、《微波技术与天线设计》、《FPGA开发与应用》

2. 计算机/物联网类核心课程：《计算机网络》、《物联网工程》、《分布式系统》、《云计算技术》、《边缘计算与AIoT》

3. 自动化/工业控制类核心课程：《工业通信网络》、《PLC原理及应用》、《机器人控制工程》、《工业物联网技术》、《智能制造系统》

4. 车辆工程类核心课程：《汽车电子控制技术》、《车载总线技术》、《新能源汽车技术》、《智能驾驶系统设计》、《车联网安全技术》

5. 农业工程类核心课程：《精准农业技术》、《农业物联网》、《农业信息化技术》、《农业机械自动化》、《农业大数据分析》