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物聯網智能家居實訓沙盤模型是針對高等院校智能家居實訓的需求,綜合運用傳感器采集、執(zhí)行器控制、無線傳感器網絡、嵌入式系統(tǒng)、RFID系統(tǒng)、網絡通信、云平臺系統(tǒng)等物聯網技術以及多學科技術的交叉融合,依托部署在沙盤內的各種傳感器節(jié)點、控制節(jié)點、智能網關、智能終端實現家居生活環(huán)境的智能環(huán)境監(jiān)測、智能安防監(jiān)測、智能設備控制、智能設備聯動等功能,貼近真實智能家居系統(tǒng),為物聯網智能家居實訓教學提供了一個完備的應用實訓系統(tǒng)。
物聯網智能家居實訓沙盤模型實驗系統(tǒng)資源豐富,覆蓋多種課程實驗,可完成單片機技術、嵌入式技術、RFID射頻識別技術、無線傳感器網絡技術、無線通訊技術、傳感器技術、云平臺技術、電子技術應用等諸多課程的實驗實訓,課程實驗提供開放的軟件及代碼資源,支持二次開發(fā),著重培養(yǎng)學生的實際動手能力與編程能力,可實現教學、科研、學生畢業(yè)設計等相關物聯網課題。
一、沙盤模型特點:

物聯網智能家居實訓沙盤模型是一款以綜合實訓為主的實景沙盤,沙盤主要由實景演示區(qū)和綜合實訓區(qū)兩部分組成,通過將實景演示區(qū)的平層沙盤和綜合實訓區(qū)的物聯網模塊相結合,實現通過外圍物聯網模塊控制沙盤內的燈光和電器,完成智能家居系統(tǒng)的實訓實驗。
1、智能家居沙盤采用高強度鋁合金骨架,外形尺寸1.1m*1.0m*0.25m;
2、智能家居沙盤包含12路燈光、電動窗簾、電動窗戶、電視機、電動門、空調、排風扇、警示燈、監(jiān)控以及全部燈光開關,均可通過外圍實驗模塊進行控制;
3、智能家居沙盤采用一體式供電結構,整個沙盤只需連接一根電源線即可,通過一根電源線可以為16路模塊供電,省去繁雜的接線工作,便于學生使用操作;
4、智能家居沙盤表面集成16個實驗模塊插槽,所有實驗插槽均可進行磁吸式連接,并且集成防短路設計,支持至多個模塊的聯動實驗,可在單個知識點學習的基礎上,進行多模塊綜合應用實驗,可完成無線傳感網絡實驗等多種復雜的聯網實驗;
5、智能家居沙盤內部與外圍物聯網模塊底板連接,可通過物聯網模塊直接控制智能家居的燈光和電器,代碼開源,支持二次開發(fā);
6、提供NewIOT物聯網實驗平臺,用于實驗調試及相關物聯網模塊基礎配置;
二、沙盤模塊:

1、采用磁吸式可拆卸結構,集成防呆設計,避免短路;
2、可以無縫吸附到智能家居實訓沙盤上,插槽集成供電功能,無需單獨外接電源;
3、實驗模塊表面集成電路圖(下圖),便于學生更直觀的了解元器件的組成及模塊的運行原理:

4、模塊均采用磁吸式接口設計+搭積木式結構,集成標準的12路彈性插針,可以實現供電、仿真調試、數據通信、IO口拓展等功能,同時支持搭積木式的多級磁吸聯接,通過彈性插針即可通信,無須外接跳線,通過模塊相互搭積木,組成一套完整的物聯網系統(tǒng),如:STM32處理器+ZigBee無線模塊+傳感器模塊(3層垂直積木,無須額外接線),可拓展性強,如下圖所示:


5、模塊升級:更新最新物聯網模塊時,保證可以與智能家居實訓沙盤無縫連接,避免重復購買造成浪費;
三、實驗內容:
通過將各個實驗模塊與智能家居實訓沙盤相結合,可進行多種實訓實驗:
1、智能燈光控制實驗(12路)
2、WiFi無線通信實驗
3、智能窗簾控制實驗
4、環(huán)境檢測與聯動實驗
5、智能窗戶控制實驗
6、RFID讀卡與應用實驗
7、智能門禁控制實驗
8、云平臺配置與應用實驗
9、智能空調控制實驗
10、單片機開發(fā)與應用實驗
11、智能電視控制實驗
12、傳感器采集與應用實驗
13、智能監(jiān)控控制實驗
14、執(zhí)行器控制與應用實驗
15、智能風扇控制實驗
16、ZigBee無線傳感器網絡配置實驗
實驗中提供開源的實驗代碼,可自行修改、編譯代碼,支持二次開發(fā),可根據以上基礎實驗,自行拓展更多智能家居實驗,實現家居系統(tǒng)的開發(fā)與應用;
四、物聯網智能家居實訓沙盤模型組成:
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序號
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項目
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名稱
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數量
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備注
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1
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沙盤
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智能家居實訓沙盤
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1
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一體化供電平臺
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2
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調試平臺
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物聯網實驗平臺
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1
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一體化供電平臺
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3
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供電底板
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3.3V/5V供電底板
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16
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支持磁吸搭積木
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4
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單片機模塊
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嵌入式STM32模塊
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16
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支持磁吸搭積木
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5
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無線通訊模塊
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ZigBee無線通信模塊
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16
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支持磁吸搭積木
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WIFI無線通信模塊
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1
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支持磁吸搭積木
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6
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傳感器模塊
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空氣溫濕度傳感器
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1
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支持磁吸搭積木
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光照傳感器
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1
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支持磁吸搭積木
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霍爾(門磁)傳感器
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1
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支持磁吸搭積木
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人體紅外傳感器
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1
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支持磁吸搭積木
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氣體傳感器
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1
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支持磁吸搭積木
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火焰?zhèn)鞲衅?/span>
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1
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支持磁吸搭積木
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紅外對射傳感器
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1
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支持磁吸搭積木
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限位器傳感器
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1
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支持磁吸搭積木
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7
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執(zhí)行控制器模塊
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雙路繼電器執(zhí)行器
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4
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支持磁吸搭積木
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8
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云平臺
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公有云平臺
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1
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支持上云
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9
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其他配件
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電源線、香蕉線等
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1
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五、物聯網智能家居實訓沙盤模型參數:
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序號
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名稱
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參數
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1
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智能家居實訓沙盤

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采用鋁合金骨架,尺寸1.1m*1.0m*0.25m;
采用5V-12V安全電壓,提供1路電源總開關;
內置平層沙盤模型,支持12路燈光、電動窗簾、電動窗戶、電視機、電動門、空調、排風扇、警示燈、攝像監(jiān)控等燈光電器;
內置智能家居沙盤主板,支持多路燈光電器控制,支持wifi路由功能,支持拓展卡,支持語音控制等功能;
提供16路磁吸模塊連接板,支持物聯網模塊磁吸搭積木連接,至少支持3層模塊疊加;
提供8路接線插座,用于接線連接;
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2
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物聯網實驗平臺

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外觀尺寸:長415*寬310*高50(mm),材質:鋁合金楔形結構;
實驗平臺采用一體式供電結構,整個實驗過程只需連接一根電源線和數據線即可。
采用全新的教學模式:磁吸積木式教學,所有模塊可以進行疊羅漢式(搭積木)的組裝連接,支持多層模塊疊加,無需外數據線與電源線;
提供5V供電接口(Type-C)、以太網接口、雙路USB接口、J-link下載器接口、CC-Debugger下載器接口、RS232/RS485串口,其中J-link下載器、CC-Debugger下載器均為平臺內置,下載程序時只需將模塊吸附到平臺對應下載端即可,無需接線;
內置USB串口服務設備,通過1路USB虛擬出多路串口,根據端口虛擬出不同的串口,最多可拓展8路串口接口,其中包含普通TTL串口4路,485串口4路;
實驗平臺具備8個通用實驗模塊插槽,每個插槽集成12路接觸點,供模塊進行數據通訊及供電,并且插槽集成防短路功能,可直接將模塊吸附到插槽內,支持最多8個模塊聯動實驗;
實驗平臺上集成了485選擇鍵、ZigBee仿真器復位鍵、J-Link仿真器啟動鍵和虛擬儀器啟動鍵,在使用不同功能的時候,方便切換和使用,同時實訓平臺內部集成還原功能模塊,當通訊及仿真調試出現混亂時,只需關閉電源再重啟,即可恢復出廠設置;
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3
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3.3v/5v供電底板

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提供3.3v/5v供電觸點,為上層模塊進行持續(xù)供電;
提供“通用平臺”彈性探針接觸點,用于程序下載、串口調試、供電等作用。提供搭積木彈性接觸針,用于搭積木形式教學。
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4
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嵌入式STM32處理器

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采用STM32F103處理器,內核:ARM 32位的Cortex?-M3 CPU;最高72MHz工作頻率,在存儲器的0等待周期訪問時可達1.25DMips/MHz (Dhrystone 2.1);
存儲器:
從16K到32K字節(jié)的閃存程序存儲器;
從6K到10K字節(jié)的SRAM;
支持USB、CAN、6個定時器、2個ADC 、6個通信接口;
提供485選擇端、BOOT0兩路接口;提供1個復位鍵;
程序下載方式為實驗平臺內部下載,即無須外部接線,節(jié)省接線操作時間,帶有電源保護電路;
提供“通用平臺”彈性探針接觸點,用于程序下載、串口調試、供電等作用。提供搭積木彈性接觸針,用于搭積木形式教學。
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5
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ZigBee無線通信模塊

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主芯片:CC2530F256,256K Flash,8K RAM,內置8051單片機及無線收發(fā)器,支持11-26信道更改,支持點播、組播、廣播多種類型數據通信,支持自動組網及網絡自愈功能;
串行速率:9600-115200bps多種速率可選;
無線頻率:2.4GHz;
無線協議:ZigBee2007/PRO;
通訊接口:UART;
無障礙傳輸距離:200米;
集成串口切換功能,通過跳線方式,可將通訊線路進行切換;
具備協調器、路由器及終端功能,可通過串口指令讓設備在三種類型中自由切換;
提供“通用平臺”彈性探針接觸點,用于程序下載、串口調試、供電等作用。提供搭積木彈性接觸針,用于搭積木形式教學。
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6
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Wifi無線通信模塊

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主芯片集成MAC、基頻芯片及射頻收發(fā)單元,內置低功耗運行機制,可以有效的降低功耗運行;
支持WiFi@2.4GHz802.11b/g/n無線標準;
支持WEP/WPA-PSK/WPA2-PSK安全模式;
支持AP、STA、AP+STA工作模式;
完全集成的串口轉無線TCP/UDP傳輸功能,多個串口速率選擇;
支持TCP/UDPClient注冊包機制;
支持SimpleConfig/Airkiss/usrlink快速聯網配置;
支持AT+指令集配置;
集成串口切換功能,通過跳線方式,可將通訊線路進行切換;
通過參數配置,可通過WiFi無線節(jié)點,將傳感器數據傳入云端;
提供“通用平臺”彈性探針接觸點,用于程序下載、串口調試、供電等作用。提供搭積木彈性接觸針,用于搭積木形式教學。
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7
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空氣溫濕度傳感器

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采用DHT11傳感器;
溫度:檢測范圍0-50度,精確到可以達到0.5℃;
濕度:
檢測范圍20%RH-95%RH, 精確到可以達到2%RH;
支持電容型濕度傳感實驗;
支持濕度值脈沖信號輸出;
輸出形式:數字量;
提供“通用平臺”彈性探針接觸點,用于程序下載、串口調試、供電等作用。提供搭積木彈性接觸針,用于搭積木形式教學。
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8
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光照度傳感器

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采用ROHM原裝BH1750FVI芯片;
輸出形式:數字量、模擬量;
使用寬電壓LM393電壓比較器,工作穩(wěn)定;
光照度范圍:0-65535lx
傳感器內置16bitAD轉換器,直接數字輸出,省略復雜的計算,省略標定,不區(qū)分環(huán)境光源,接近于視覺靈敏度的分光特性,可對廣泛的亮度進行1勒克斯的高精度測定;
提供“通用平臺”彈性探針接觸點,用于程序下載、串口調試、供電等作用。提供搭積木彈性接觸針,用于搭積木形式教學。
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9
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霍爾傳感器

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使用3144霍爾傳感器;
工作頻率寬:DC100KH;
使用寬電壓LM393電壓比較器,工作穩(wěn)定;
支持靈敏度可調;
支持信號輸出指示;
輸出形式:開關量
提供“通用平臺”彈性探針接觸點,用于程序下載、串口調試、供電等作用。提供搭積木彈性接觸針,用于搭積木形式教學。
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10
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人體紅外傳感器

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采用SR602感應傳感器;
感應距離:0-5M;
支持紅外對射、紅外漫反射傳感實驗;
同時提供傳感器的模擬量信號;
提供“通用平臺”彈性探針接觸點,用于程序下載、串口調試、供電等作用。提供搭積木彈性接觸針,用于搭積木形式教學。
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11
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氣體傳感器

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采用可拆卸結構,支持MQ系列半導體氣敏元件;
支持1路數字量輸出;
支持1路模擬量AD輸出功能;
支持靈敏度可調;
檢測濃度:300-10000ppm;
提供“通用平臺”彈性探針接觸點,用于程序下載、串口調試、供電等作用。提供搭積木彈性接觸針,用于搭積木形式教學。
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12
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火焰?zhèn)鞲衅?/span>

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探測角度:60°;
檢測波長:760nm-1100nm;
輸出形式:開關量;
支持靈敏度可調;
提供“通用平臺”彈性探針接觸點,用于程序下載、串口調試、供電等作用。提供搭積木彈性接觸針,用于搭積木形式教學。
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13
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紅外對射傳感器

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采用H2010直射型光電傳感器,槽寬10mm;
使用寬電壓LM393電壓比較器,工作穩(wěn)定;
具有信號輸出指示燈,輸出高電平燈滅,輸出低電平燈亮;
輸出形式:開關量;
提供“通用平臺”彈性探針接觸點,用于程序下載、串口調試、供電等作用。提供搭積木彈性接觸針,用于搭積木形式教學。
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14
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限位器傳感器

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采用工業(yè)生產的機械限位器,限位器被觸發(fā)后可以選擇高電平輸出或者低電平輸出形式;
提供雙路限位器,支持外接設備控制;
提供NO、COM、NC三路輸出端;
可以模擬一些工業(yè)傳感器的觸發(fā)采集,如紅外柵欄、人體紅外等;
輸出形式:開關量;
提供“通用平臺”彈性探針接觸點,用于程序下載、串口調試、供電等作用。提供搭積木彈性接觸針,用于搭積木形式教學。
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15
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雙路繼電器執(zhí)行器

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采用5V控制繼電器,實現雙路控制開關;
繼電器規(guī)格3A-200VAC;3A-30VDC;
提供NO、COM、NC三路輸出端,可外接控制設備;
提供雙路指示燈,顯示繼電器狀態(tài);
提供“通用平臺”彈性探針接觸點,用于程序下載、串口調試、供電等作用。提供搭積木彈性接觸針,用于搭積木形式教學。
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16
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公有云平臺

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支持傳統(tǒng)工業(yè)上云:可通過多種通訊方式,如: 5G(NB-IOT)、4G、GPRS(2.5G)、 Lora、 WiFi等,將工業(yè)上傳統(tǒng)硬件(包括教學傳感器模塊)接入云端,實現對工業(yè)生產環(huán)境數據的全面監(jiān)控;
Modbus協議:采用工業(yè)上常用的Modbus協議,可將工業(yè)級別傳感器完全移植到教學實踐中,并提供源代碼,讓學生更快的與社會接軌;
可以通過wifi、4g、nb-iot無線模塊,將傳感器數據直接采集到云端顯示;
支持云組態(tài)設置;
支持手機接收傳感器報警信息;
支持微信小程序顯示組態(tài)內容,及控制設備等功能;
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