崔艷榮, 陳 勇

(長江大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院, 湖北 荊州 434023)

為了大力發(fā)展戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè),教育部于2010年新設(shè)置了物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)[1],歸屬于計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)科門類。從2010年起至今,全國已有300多所院校開設(shè)了物聯(lián)網(wǎng)工程新專業(yè),這些院校涵蓋了高職高專、普通本科和“985工程”“211工程”重點(diǎn)建設(shè)高校。各高校層次不同,同層次的高校又各具特色,這使得物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的人才培養(yǎng)模式、課程體系設(shè)置和實(shí)驗(yàn)室建設(shè)方案等各不相同[2-5]。我校于2014年獲批物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè),目前處于建設(shè)期,本文擬結(jié)合我校的實(shí)際情況,對(duì)物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)方案進(jìn)行探究。

1 物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程體系

1.1 物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)知識(shí)體系結(jié)構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)是物物相聯(lián)的網(wǎng)絡(luò),其目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)人與人、人與物、物與物之間任意的通信,每一個(gè)物體均可尋址、通信、控制。物聯(lián)網(wǎng)包含感知識(shí)別層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層、應(yīng)用支撐層和應(yīng)用層,其結(jié)構(gòu)見圖1[6]。其中感知識(shí)別層處于該結(jié)構(gòu)的最底層,主要是通過傳感器技術(shù)和RFID技術(shù)獲取各類數(shù)據(jù)；網(wǎng)絡(luò)傳輸層位于感知識(shí)別層和應(yīng)用支撐層中間,負(fù)責(zé)兩層之間的數(shù)據(jù)傳輸；應(yīng)用支撐層位于應(yīng)用層下面,主要提供對(duì)網(wǎng)絡(luò)獲取數(shù)據(jù)的智能處理和服務(wù)支撐平臺(tái),包括數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)分析2個(gè)部分；應(yīng)用層是整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)中的最高層,主要是根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)的業(yè)務(wù)需求完成各類應(yīng)用。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)

1.2 物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程設(shè)置

物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)理論課程由通識(shí)教育課程、學(xué)科基礎(chǔ)課程、專業(yè)課程組成[7-10]；實(shí)踐課程由通識(shí)課程實(shí)驗(yàn)、學(xué)科基礎(chǔ)課程實(shí)驗(yàn)、專業(yè)課程實(shí)驗(yàn)和集中實(shí)踐教學(xué)等組成[11-13]。其中通識(shí)課程實(shí)驗(yàn)和學(xué)科基礎(chǔ)課程依托于計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)室可以很好地完成,這里不做討論,本文只討論與物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)核心課程和專業(yè)選修課程有關(guān)的實(shí)驗(yàn)課程。

物聯(lián)網(wǎng)工程的專業(yè)課程主要有:傳感器原理及應(yīng)用、傳感器網(wǎng)絡(luò)、嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用、RFID原理及應(yīng)用、物聯(lián)網(wǎng)原理與應(yīng)用、短距離無線通信、無線網(wǎng)絡(luò)與移動(dòng)計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理、物聯(lián)網(wǎng)控制技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)與云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)安全、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)等。這些課程覆蓋了物聯(lián)網(wǎng)的感知識(shí)別層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層、應(yīng)用支撐層及應(yīng)用層。為了理論聯(lián)系實(shí)際,培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力及分析問題解決問題的能力,這些課程設(shè)置了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn),見圖2。

圖2 物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)課程實(shí)驗(yàn)

這些實(shí)驗(yàn)課程有驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)、綜合性實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)主要是用來驗(yàn)證某門課程中有關(guān)知識(shí)點(diǎn)的正確性；綜合性實(shí)驗(yàn)融合了某門課程中有關(guān)聯(lián)的多個(gè)知識(shí)點(diǎn),通過實(shí)驗(yàn)將這些知識(shí)點(diǎn)融會(huì)貫通；設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)則是在問題或需求的驅(qū)動(dòng)下應(yīng)用所學(xué)知識(shí)或方法,構(gòu)思整套解決方案并通過實(shí)驗(yàn)對(duì)解決方案進(jìn)行驗(yàn)證,是對(duì)學(xué)生分析問題、解決問題及創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

除了隨課程開設(shè)的實(shí)驗(yàn)課外,還設(shè)計(jì)了集中實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié),包括:傳感器網(wǎng)絡(luò)綜合實(shí)驗(yàn)、 物聯(lián)網(wǎng)綜合實(shí)驗(yàn)、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用綜合實(shí)訓(xùn),每個(gè)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)為期2周。課內(nèi)分散的實(shí)驗(yàn)和集中2周的綜合實(shí)驗(yàn)及實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)和畢業(yè)設(shè)計(jì)等都需要實(shí)驗(yàn)室的支撐,如何科學(xué)合理地建設(shè)物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)室,使得實(shí)驗(yàn)室能滿足新專業(yè)實(shí)踐教學(xué)的需求、滿足學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的需求,是迫在眉睫的事情。

2 物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)

根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程的設(shè)置、集中實(shí)踐教學(xué)、實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)及畢業(yè)設(shè)計(jì)的需求,結(jié)合我院的實(shí)際情況,將物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)分為3期:第一期主要完成物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)；第二期主要完成實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的建設(shè)；第三期主要完成物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)信息融合應(yīng)用系統(tǒng)的建設(shè)。

2.1 物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)

第一期基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)室包括物聯(lián)網(wǎng)移動(dòng)互聯(lián)教學(xué)科研平臺(tái),全功能物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)科研平臺(tái),RFID綜合教學(xué)平臺(tái)等。

2.1.1 物聯(lián)網(wǎng)移動(dòng)互聯(lián)教學(xué)科研平臺(tái)

物聯(lián)網(wǎng)移動(dòng)互聯(lián)教學(xué)科研平臺(tái)擁有Android4.0、Linux3.0及以上更高版本的操作系統(tǒng)；可以板載(主板自載,非通過接口外擴(kuò))3G、GPRS、GPS、北斗2代、WiFi、藍(lán)牙、IPv6、ZigBee 6種以上的移動(dòng)互聯(lián)模塊,可快速搭建多種無線網(wǎng)絡(luò)通信應(yīng)用與開發(fā)；板載溫濕度傳感器、三軸加速度傳感器、繼電器開關(guān)模塊,帶有獨(dú)立MCU,可單獨(dú)編程使用,也可通過軟件封裝的協(xié)議集成到具體項(xiàng)目應(yīng)用中。有底層系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)層、中間層及應(yīng)用層開發(fā)案例,配套智能家居、倉儲(chǔ)環(huán)境、智能農(nóng)業(yè)、電子錢包、衛(wèi)星地圖定位、視頻監(jiān)控等項(xiàng)目綜合案例。

在物聯(lián)網(wǎng)移動(dòng)互聯(lián)教學(xué)科研平臺(tái)上可以完成傳感器網(wǎng)絡(luò)、無線網(wǎng)絡(luò)與移動(dòng)計(jì)算等課程的實(shí)驗(yàn)。

2.1.2 全功能物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)科研平臺(tái)

全功能物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)科研平臺(tái)系統(tǒng)配備ZigBee(兼容TI CC2530和ST STM32W 2套方案)、IPv6、藍(lán)牙、WiFi、TinyOS 5種無線通信節(jié)點(diǎn)及RFID讀卡器,可以快速構(gòu)成小規(guī)模ZigBee、WiFi、IPv6、藍(lán)牙、TinyOS通信網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)具有模塊化的開發(fā)方式,可以完全兼容各種傳感器網(wǎng)絡(luò),并可以在互聯(lián)網(wǎng)上實(shí)現(xiàn)對(duì)各通信節(jié)點(diǎn)的透明訪問。

通過IPv6/IPv4智能網(wǎng)關(guān)和支持802.15.4射頻的IPv6節(jié)點(diǎn)可以快速構(gòu)建IPv6網(wǎng)絡(luò)；搭配通用傳感器模塊,可以構(gòu)建基于IPv6的無線傳感器網(wǎng)絡(luò),并實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程傳感器監(jiān)測。IPv6/IPv4智能網(wǎng)關(guān)內(nèi)嵌Webserver,可以通過IE瀏覽器,直接訪問通信節(jié)點(diǎn)。

Cortex-A9智能終端能支持Linux/Android 2種操作系統(tǒng),可以提供2種操作系統(tǒng)下詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)體系,支持Linux/Android系統(tǒng)的一鍵切換。

平臺(tái)可以支持TinyOS操作系統(tǒng),可以提供TinyOS操作系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。配備磁檢測傳感器、光照傳感器、紅外對(duì)射傳感器、紅外反射傳感器、結(jié)露傳感器、酒精傳感器、人體檢測傳感器等至少12種傳感器模塊及傳感器擴(kuò)展接口板,可以通過標(biāo)準(zhǔn)接口與通信節(jié)點(diǎn)建立連接,實(shí)現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)的快速采集和通信。

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)配套無線通信模塊、RFID模塊采用模塊化設(shè)計(jì),標(biāo)準(zhǔn)通信接插口,可任意連接配置使用,構(gòu)成多種無線技術(shù)的WSNRFID應(yīng)用系統(tǒng)(即RFID模塊可直接連接到ZigBee、IPv6、藍(lán)牙、WIFI無線模塊上應(yīng)用)。

傳感器原理及應(yīng)用、傳感器網(wǎng)絡(luò)、嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用等課程的實(shí)驗(yàn)可以在全功能物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)科研平臺(tái)上完成。

2.1.3 RFID綜合教學(xué)平臺(tái)

平臺(tái)配有低頻125K模塊、高頻13.56MHz模塊,高頻RFID原理機(jī)模塊,超高頻915MHz和有源微波2.4GHz RFID模塊,嵌入式M2M網(wǎng)關(guān)、場景應(yīng)用模擬模塊,可選配場強(qiáng)檢測模塊和信號(hào)檢測板模塊。網(wǎng)關(guān)采用S5PV210處理器,主頻不低于1GHz,內(nèi)存不低于1GMB,Flash不低于1GB,配7寸液晶觸摸屏,板載WIFI、GPRS、3G、網(wǎng)口、音視頻接口等。

RFID原理機(jī)基于32位ARM控制器,12個(gè)按鍵,板載一體化天線,可模擬手持機(jī)工作模式多串口,可與其他配件接合使用。帶有信號(hào)探測針,通過示波器能提取、展現(xiàn)出RFID系統(tǒng)中整個(gè)的射頻信號(hào),包括編碼信號(hào)、載波信號(hào)、調(diào)制信號(hào)等,以及板載RS232串口、USB OTG接口、SD卡存儲(chǔ)接口等接口；帶有板載PCB天線和外接天線,按鍵和存儲(chǔ)接口,提供了操作方便、美觀的GUI軟件界面,無需硬件設(shè)置,即可通過軟件配置RFID實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)各個(gè)模塊。

RFID綜合教學(xué)平臺(tái)可以完成RFID原理及應(yīng)用、物聯(lián)網(wǎng)原理與應(yīng)用、嵌入式操作系統(tǒng)、短距離無線通信等課程的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

2.2 物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)實(shí)訓(xùn)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)

物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)第二期主要是實(shí)訓(xùn)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè),包括物聯(lián)網(wǎng)智能交通實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)智慧農(nóng)業(yè)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)、體驗(yàn)式智能家居實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)工程綜合實(shí)訓(xùn)臺(tái)。

2.2.1 物聯(lián)網(wǎng)智能交通實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)

該系統(tǒng)結(jié)合嵌入式系統(tǒng)、自動(dòng)識(shí)別技術(shù)、無線傳感網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)、汽車導(dǎo)航定位以及多種集成智能化技術(shù),以車輛交通為核心,通過人、車、路傳感網(wǎng)的互通互聯(lián)實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛交通系統(tǒng)的智能控制、管理。

通過該實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)使學(xué)生加深對(duì)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及智能交通系統(tǒng)應(yīng)用方向的了解與認(rèn)知,同時(shí)通過該系統(tǒng)可以讓學(xué)生熟悉智能交通系統(tǒng)相關(guān)項(xiàng)目的開發(fā),完成從具體基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)到綜合應(yīng)用的提高。

2.2.2 物聯(lián)網(wǎng)智慧農(nóng)業(yè)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)

物聯(lián)網(wǎng)智慧農(nóng)業(yè)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng),是農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的典型應(yīng)用,系統(tǒng)結(jié)合ZigBee無線組網(wǎng)技術(shù)、傳感器技術(shù)、RFID技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)控制技術(shù)、條碼識(shí)別技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)TCP/IP技術(shù)等，全面監(jiān)測農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中空氣溫濕度、土壤水分、溫濕度、光照、CO2、氣象等與農(nóng)作物生產(chǎn)息息相關(guān)的參量,快捷組建現(xiàn)場監(jiān)測控制系統(tǒng)無線傳感網(wǎng)絡(luò),可方便地進(jìn)行現(xiàn)場和遠(yuǎn)程顯示監(jiān)測、并聯(lián)動(dòng)控制遮陽簾、通風(fēng)、噴淋等設(shè)施,生動(dòng)有效地展現(xiàn)和實(shí)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的信息化與現(xiàn)代化。

2.2.3 體驗(yàn)式智能家居實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)

體驗(yàn)式智能家居實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)以智能家居為應(yīng)用及布景對(duì)象,采用實(shí)際家居家電設(shè)備及工業(yè)級(jí)傳感器模塊,既貼近實(shí)際環(huán)境應(yīng)用,又支持教學(xué)實(shí)踐擴(kuò)展,通過真實(shí)場景的演示與實(shí)訓(xùn),激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與積極性,培養(yǎng)學(xué)生的想象力、創(chuàng)造力以及實(shí)踐動(dòng)手能力。系統(tǒng)框架如圖3所示。

2.2.4 物聯(lián)網(wǎng)工程綜合實(shí)訓(xùn)臺(tái)

物聯(lián)網(wǎng)工程綜合實(shí)訓(xùn)平臺(tái)采用工程操作臺(tái)的載體方式,板載豐富的物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備,可完全滿足物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的工程實(shí)訓(xùn)課程需求,平臺(tái)采用模塊化的設(shè)計(jì)模式,涵蓋物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)典型的行業(yè)應(yīng)用系統(tǒng),包含智能網(wǎng)關(guān)區(qū)、基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)區(qū)、RFID技術(shù)實(shí)訓(xùn)區(qū)、智能家居實(shí)訓(xùn)區(qū)等功能,平臺(tái)開放各個(gè)功能區(qū)及模塊間的硬件信號(hào)接口,用戶可以根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目應(yīng)用,動(dòng)手完成系統(tǒng)的硬件構(gòu)建和軟件開發(fā)。

2.3 云聯(lián)大數(shù)據(jù)處理與信息分析系統(tǒng)

云聯(lián)大數(shù)據(jù)處理與信息分析系統(tǒng)采用企業(yè)級(jí)分布式大數(shù)據(jù)系統(tǒng)架構(gòu),配套網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)中間件服務(wù)軟件系統(tǒng),可通過多種網(wǎng)絡(luò)載體將區(qū)域內(nèi)物聯(lián)網(wǎng)接入設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)實(shí)訓(xùn)中心的物聯(lián)網(wǎng)實(shí)訓(xùn)設(shè)備連接起來,構(gòu)成一個(gè)有機(jī)整體的物聯(lián)網(wǎng)示范系統(tǒng)。云聯(lián)大數(shù)據(jù)處理與信息分析系統(tǒng)可以通過云服務(wù)或直接通過本地網(wǎng)絡(luò)接口,完成對(duì)區(qū)域覆蓋內(nèi)、物聯(lián)網(wǎng)實(shí)訓(xùn)中心內(nèi)的設(shè)備數(shù)據(jù)的信息采集、存儲(chǔ)及智能決策處理。用戶可直觀地通過云聯(lián)大數(shù)據(jù)處理與信息分析系統(tǒng)查看、管理和處理系統(tǒng)內(nèi)的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。軟件系統(tǒng)提供物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景模式,對(duì)系統(tǒng)內(nèi)接入設(shè)備的統(tǒng)一管理,應(yīng)用場景模式可接入物聯(lián)網(wǎng)智能家居、智慧教室及物聯(lián)網(wǎng)RFID技術(shù)等相關(guān)應(yīng)用。提供物聯(lián)網(wǎng)接入設(shè)備數(shù)據(jù)庫管理與接入功能,提供大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、挖掘與計(jì)算接口,便于開展云計(jì)算與大數(shù)據(jù)方向的相關(guān)算法研究與教學(xué)。其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖3 智能家居系統(tǒng)框架圖

圖4 云聯(lián)大數(shù)據(jù)處理與信息分析系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

3 結(jié)語

物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)是新專業(yè),實(shí)驗(yàn)室建設(shè)方案對(duì)新專業(yè)的建設(shè)和發(fā)展起著至關(guān)重要的作用,實(shí)驗(yàn)室除了保障課內(nèi)實(shí)驗(yàn)外,還要為學(xué)生的實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)、畢業(yè)設(shè)計(jì)及創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)提供條件。另外,物聯(lián)網(wǎng)安全問題也日趨嚴(yán)重,物聯(lián)網(wǎng)安全實(shí)驗(yàn)室建設(shè)方案將是后續(xù)需要考慮的問題。

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