物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)課程體系與實踐探討

馬忠梅，孫娟，李奇

（北京理工大學 計算機學院，北京 100081）

引 言

物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things，IOT）是指通過射頻識別（RFID）、傳感器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設備，按約定的協(xié)議，把任何物體與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，進行信息交換和通信，以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡。物聯(lián)網(wǎng)概念的引入，把互聯(lián)網(wǎng)的應用延伸和擴展到了任何物體與物體之間，進行信息交換和通信。物聯(lián)網(wǎng)是繼計算機互聯(lián)網(wǎng)與移動通信網(wǎng)絡之后的又一次信息產(chǎn)業(yè)革命。物聯(lián)網(wǎng)概念是1999年由麻省理工學院自動標識中心（MIT Auto－ID Center）提出的。2005年，國際電信聯(lián)盟（ITU）發(fā)布了一份題為《The Internet of Things》的年度報告，正式將“物聯(lián)網(wǎng)”命名為“the Internet of Things”。2009年8月，溫家寶總理考察中科院無錫高新微納傳感網(wǎng)工程技術研發(fā)中心，明確要求盡快建立中國的傳感信息中心，也就是“感知中國”中心。筆者從微控制器應用到ARM＆Linux嵌入式系統(tǒng)，又回歸到微控制器的研究教學，親歷近30年國內嵌入式應用的發(fā)展歷程。下面就物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)、物聯(lián)網(wǎng)課程體系和物聯(lián)網(wǎng)實踐3方面介紹國內現(xiàn)階段的情況，望和大家一起探討。

1 物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)

在教育部首批戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)相關本科新專業(yè)中，物聯(lián)網(wǎng)相關專業(yè)就有700多所學校申報，最終28家IOT、5家WSN獲批，共33所高校。其中70%設在計算機學院。在2011年3月28日又批了第二批27所高校的物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)，這樣全國現(xiàn)共有62所高校開設物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)。

物聯(lián)網(wǎng)工程是交叉學科，是多個學科的融合，即計算機科學與技術、信息與通信工程、微電子學科、檢測與自動化和儀器科學與技術。物聯(lián)網(wǎng)工程是復合專業(yè)，涉及控制理論與控制工程、微電子檢測、通信工程和計算機與信息專業(yè)，對應物聯(lián)網(wǎng)的控制、感知、傳輸和信息處理技術。

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡架構由感知層、網(wǎng)絡層、應用層組成。計算機學院在物聯(lián)網(wǎng)技術的網(wǎng)絡層和應用層領域具有很好的研究基礎，而感知層更多依賴的是軟硬件結合的嵌入式系統(tǒng)技術。物聯(lián)網(wǎng)的傳感器接口、RFID讀寫都涉及嵌入式技術，但實際上新技術含量很少，可看作是一個新袋子。

物聯(lián)網(wǎng)主要涵蓋RFID（＞5.5）、無線傳感器網(wǎng)絡（＞8.5）、M2M智能手機（＜4.5）等技術領域。其中括號里表達的是難度系數(shù)，可以看出無線傳感器網(wǎng)絡是最難的。

2 物聯(lián)網(wǎng)課程體系

2.1 課程體系考慮因素

物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)主要在計算機學院，但物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)只是本科專業(yè)，要考慮學生的畢業(yè)出口問題?，F(xiàn)大部分本科生都選擇考研，而計算機專業(yè)屬于全國統(tǒng)考，其專業(yè)基礎綜合考試涵蓋數(shù)據(jù)結構、計算機組成原理、操作系統(tǒng)和計算機網(wǎng)絡等學科專業(yè)基礎課程。這些課程中的數(shù)據(jù)結構離不開C語言程序設計，計算機組成原理又有計算機體系結構的內容，實際涉及6門課，這6門課動了就會影響學生考研。綜合考慮，最好還是在原來計算機專業(yè)課的基礎上進行增加和替換，而不完全是要做出一個新的課程體系。

已出版的物聯(lián)網(wǎng)工程書籍，有的涵蓋深奧的算法或涉及多個專業(yè)的內容，碩士和博士研究生都未必能看懂。教學的目的應是授之以漁，而不是授之以魚，廣而全反而會把初學的學生嚇跑，關鍵是培養(yǎng)學生興趣。從應用角度出發(fā)，實際上很多硬件都是以模塊形式出現(xiàn)，如RF讀卡器模塊和傳感器模塊，不用了解里面的工作原理就能做應用設計。物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)是我國現(xiàn)階段的國家需要，為國家培養(yǎng)后備人才。嵌入式系統(tǒng)推廣這么多年，教育部也沒有批為專業(yè)。實際上物聯(lián)網(wǎng)的難點還是在嵌入式系統(tǒng)方面，而嵌入式方向要以實踐為主，不會動手，怎么能應付軟硬件結合的嵌入式系統(tǒng)應用？

大學里重要的是教會學習的方法，在各專業(yè)的主干課程基礎上，在物聯(lián)網(wǎng)方面有所加強即可。

2.2 計算機學院物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)課程

物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)核心課程按軟件和硬件分為：硬件方面的電子電路基礎、物聯(lián)網(wǎng)硬件基礎、計算機網(wǎng)絡和無線傳感網(wǎng)，軟件方面的程序設計基礎、操作系統(tǒng)系統(tǒng)編程、數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)挖掘。

下面的課程是筆者所在學院一個對嵌入式方向感興趣的學生所學課程的基礎上加了幾門物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)必需的課，用黑體加重給出，要加其他的課就需要替換現(xiàn)有的課。一個學生要求的學分是固定的，學太多課沒有太多的意義，關鍵是引導他們進行工程實踐。這個學生畢設采用32位微控制器完成了傳感器數(shù)據(jù)采集、無線傳感網(wǎng)協(xié)議棧的移植，將采集數(shù)據(jù)通過串口和USB口傳送給微機。由此看來，該學生所學的知識可以應對物聯(lián)網(wǎng)應用項目開發(fā)。

專業(yè)基礎課：物聯(lián)網(wǎng)技術導論、計算機科學導論、程序設計基礎（C語言）、離散數(shù)學、數(shù)字電子技術基礎、電路分析基礎、模擬電子技術基礎、數(shù)值分析。

專業(yè)必修課：無線傳感器網(wǎng)絡、數(shù)據(jù)結構與算法設計、面向對象程序設計、計算理論與算法分析設計、數(shù)據(jù)庫原理與設計、計算機組成原理、匯編語言程序設計、操作系統(tǒng)、編譯原理與設計、軟件工程基礎、計算機體系結構、計算機網(wǎng)絡、微機接口技術、信號與系統(tǒng)、自動控制原理。

專業(yè)選修課：微控制器接口技術、計算機圖形學、人工智能基礎、嵌入式系統(tǒng)、多媒體技術、網(wǎng)絡信息安全、軟件體系結構、分布式計算原理與應用、Web軟件技術、硬件描述語言與計算機硬件模塊設計。

專業(yè)實踐課：數(shù)字電子技術實驗、模擬電子技術實驗、操作系統(tǒng)課程設計、程序設計方法與實踐、Web開發(fā)基礎、軟件基礎實習、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)開發(fā)、匯編與接口課程設計、計算機組成原理硬件實驗、軟件工程綜合訓練、Visual C＋＋數(shù)據(jù)通信編程實踐。

學院的老師還打算開設微電子與傳感器技術、無線自組網(wǎng)理論及應用、無線網(wǎng)絡技術及應用、普適計算、服務計算與云計算、異構網(wǎng)絡互聯(lián)技術、傳感器網(wǎng)數(shù)據(jù)融合技術、物聯(lián)網(wǎng)信息處理技術和海量信息處理。

2.3 專業(yè)及特色課程

按物聯(lián)網(wǎng)層次：

① 感知層——射頻識別技術、傳感器技術基礎、嵌入式系統(tǒng)接口技術。最好在電路分析基礎、模擬電子技術基礎、數(shù)字電子技術基礎等課程基礎上開設。

② 網(wǎng)絡層——計算機網(wǎng)絡、無線傳感器網(wǎng)絡、通信原理。

其他基本上是應用層的課，可多可少，看學校偏重哪方面應用。專業(yè)入門課物聯(lián)網(wǎng)技術導論是必需的，而想開設物聯(lián)網(wǎng)技術與應用或物聯(lián)網(wǎng)原理與應用這樣廣而全的課，在有限的學時內是不太現(xiàn)實的。

其他學校、學院不同于計算機學院的專業(yè)課及特色課有：密碼學基礎、信號處理基礎、圖像處理技術、射頻識別技術、傳感器技術基礎、Linux操作系統(tǒng)編程、Android操作系統(tǒng)編程、無線傳感網(wǎng)與自組織網(wǎng)絡、電子商務、數(shù)據(jù)挖掘、移動通信、傳感器與檢測技術、Web系統(tǒng)開發(fā)與集成、下一代互聯(lián)網(wǎng)、模式識別、網(wǎng)絡管理、物流管理概論、智能交通概論和環(huán)境工程概論。

3 物聯(lián)網(wǎng)實踐

3.1 實驗設備

物聯(lián)網(wǎng)實踐可以采用實驗套件、開發(fā)板等，對于電子愛好者很實用。但是，對高校來說還是實驗箱比較實用，便于管理和保存。筆者曾跟實驗箱設計公司探討實驗箱的核心板插電可以獨立工作，這樣學生入門時可以拿回去自己學習做部分內容，而實驗箱主板上的豐富外設是為了完成綜合實驗和系統(tǒng)實驗的需要，實驗驗收時再到實驗室來。

物聯(lián)網(wǎng)實驗箱中主要的還是無線傳感器網(wǎng)絡部分。實際有微控制器就夠了，現(xiàn)在的微控制器集成網(wǎng)口和USB口的很多，采集的數(shù)據(jù)很容易就傳送給微機。而現(xiàn)在有的實驗箱廠商就是把原來的嵌入式系統(tǒng)實驗箱加上無線傳感網(wǎng)絡部分，號稱帶嵌入式操作系統(tǒng)的微處理器板子是網(wǎng)關，無形中增加了實驗箱的價格。涉及多種體系結構的處理器，帶操作系統(tǒng)，也增加了教學的難度。

無線傳感網(wǎng)絡部分主要涉及網(wǎng)絡協(xié)議棧，然而工程實際應用的技術并不一定適用于教學。有的網(wǎng)絡協(xié)議棧完全固化在無線傳感網(wǎng)絡模塊中，甚至都不知道模塊用的是何種芯片。若學校側重工程應用，可以選擇固化協(xié)議棧教學方案。要做無線傳感網(wǎng)絡教學，又是研究型大學，當然希望網(wǎng)絡協(xié)議棧開放源碼。下面介紹固化和開源兩類常用協(xié)議棧。

3.2 固化協(xié)議棧

（1）XBee系列

美國DIGI公司的ZigBee模塊XBee，是一種遠距離低功耗的數(shù)據(jù)透傳模塊，包含2.4GHz、900MHz和868 MHz 3種頻段，同時可兼容IEEE 802.15.4相關協(xié)議。每個模塊都可以作為路由節(jié)點、協(xié)調器以及終端節(jié)點，可組建無線mesh網(wǎng)絡。XBee模塊是內置協(xié)議棧，包含AP和ATI兩種配置命令，可通過X－CTU以及ZigBee Operator這兩款軟件進行調試。模塊可以通過普通串口（UART）與其他設備進行連接，通過控制命令來進行控制。

（2）Jennic系列

JN5121無線模塊是英國Jennic公司（現(xiàn)被NXP公司收購）的第一款ZigBee模塊（后續(xù)包括JN5139、JN5148等）。JN5121也是第一款真正意義上兼容于IEEE 802.15.4的低功耗、低成本無線模塊。該模塊內置一款32位的RISC處理器，配置有2.4GHz頻段的IEEE 802.15.4標準的無線收發(fā)器，64KB的ROM，96KB的RAM，21路GPIO。JN5121內置的ROM存儲器，集成了點對點通信與網(wǎng)狀網(wǎng)通信的完整協(xié)議棧。

（3）SNAP系列

SNAP網(wǎng)絡是由CEL公司與Synapse Wireless公司合作開發(fā)的面向無線傳感網(wǎng)應用的無線mesh協(xié)議。SNAP為復雜的ZigBee網(wǎng)絡提供一個簡單、可靠、智能的完整組網(wǎng)方案，同時，因為使用“對等網(wǎng)絡”概念，功耗優(yōu)化明顯，冗余性能優(yōu)異。SNAP具有很多特點，包括無組網(wǎng)過程、無需預先構架網(wǎng)絡拓撲、對等網(wǎng)絡、布網(wǎng)簡單、內置Python虛擬機、編程以腳本方式編程、空中升級以及可在運行時調用所有功能等。

（4）Ember系列

Ember公司創(chuàng)立于2001年，其開發(fā)技術源自麻省理工學院。Ember公司在無線傳感網(wǎng)領域推出的具有代表性的EM250是單片解決方案，它集成了2.4GHz、兼容IEEE 802.15.4的收發(fā)器以及一個16位XAP2b微處理器，同時還集成包括閃存和SRAM存儲器與基于ZigBee應用的外設。EmberNet棧在系統(tǒng)模式下運行時可以連通到芯片的任意區(qū)域；在應用模式下，應用代碼連通到EM250設備的通路則相對受限。

（5）STM32W 系列

意法半導體（ST）公司于2009年底推出的STM32W系列無線傳感網(wǎng)射頻集成單片機，采用32位ARM Cortex－M3內核，片上整合2.4GHz IEEE 802.15.4收發(fā)器和低功耗MAC、AES128硬件加密引擎，STM32W108內置128KB Flash和8KB SRAM，具有高性能、低功耗的特點。STM32W108CBU61芯片固化了由Ember公司提供的、經(jīng)過ZigBee Alliance認證的ZigBee2007Pro協(xié)議棧，具有優(yōu)異的性能和良好的兼容性，可以和其他經(jīng)過ZigBee Alliance認證的第三方產(chǎn)品互聯(lián)互通。

3.3 開源協(xié)議棧

（1）XBOW 及TinyOS

Crossbow（簡稱XBOW，現(xiàn)被新美半導體收購）技術來源于UC Berkeley相關團隊，而后者是無線傳感器網(wǎng)絡領域的開拓者和引領者，共同推出的TinyOS是傳感網(wǎng)領域研究者使用最多的平臺，其硬件節(jié)點包括MICA、MICA2、MICAZ等，也是國際上最流行的硬件平臺，是研究者和學習者理想的實驗環(huán)境。MICAz產(chǎn)品能夠工作在全球2.4GHz ISM 波段上，且支持IEEE 802.15.4微型無線測量系統(tǒng)和ZigBee協(xié)議標準，可以直接使用XBOW提供的成熟xmesh協(xié)議棧，搭建自己的傳感器網(wǎng)絡。它可以說是做得最正統(tǒng)的傳感器網(wǎng)絡，基于TinyOS、nesC開發(fā)。

（2）Z－Stack協(xié)議棧

Z－Stack協(xié)議棧是由Chipcon公司（后被TI公司收購）開發(fā)的較全面支持ZigBee協(xié)議的開源協(xié)議棧，也是業(yè)界廣泛使用的離產(chǎn)品化較近的協(xié)議棧。Z－Stack協(xié)議棧支持的芯片包括TI公司的8位 MCU CC2530／CC2430、16位MCU MSP430、32位 MCU LM3S9B96，Atmel公司的AVR系列MCU，Microchip公司的PIC系列 MCU以及Freescale公司的MC1319x等。

TI公司最新提供的32位微控制器LM3S9B96＋CC2520做協(xié)調器節(jié)點，配8位8051核CC2530傳感器采集節(jié)點的無線傳感器網(wǎng)絡套件是較理想的教學平臺。LM3S9B96片內有串口、網(wǎng)口、USB口，與主機通信也可用USB虛擬串口實現(xiàn)，根本不需要什么嵌入式網(wǎng)關。

我們與TI公司成立了“北京理工大學—美國德州儀器物聯(lián)網(wǎng)技術聯(lián)合實驗室”，TI公司提供了原廠32位MCU和8位MCU評估套件。我們期待國內公司能夠生產(chǎn)出這種方案的實驗箱。8051內核的CC2530到ARM Cortex－M3內核的LM3S9B96都是MCU，這樣的實驗方案學生更容易接受，跨度不大。TI原廠方案已評估，用在物聯(lián)網(wǎng)競賽上，設計了“智能泊車引導系統(tǒng)”。在本刊發(fā)表論文“LM3S9B96與CC2520平臺上的ZigBee無線組網(wǎng)技術及應用”。

另外，我們還得到TI公司大學計劃支持，為推廣TI公司32位微控制器，編寫了《ARM Cortex核TI微控制器教程》一書。其中“物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集與傳輸”這一章，專門針對物聯(lián)網(wǎng)技術涉及的溫濕度、光照度、加速度傳感器和RFID，給出采集程序。還包括ZigBee點對點通信和32位網(wǎng)絡協(xié)調器節(jié)點設計內容。

Z－Stack協(xié)議棧上層網(wǎng)絡部分源碼開放，但和硬件相關的關鍵部分是封裝好的，未開放，沒有廠家的支持是沒辦法移植協(xié)議棧的。筆者的研究生曾開題設計32位微控制器的協(xié)調器節(jié)點，在移植協(xié)議棧時碰到了無法解決的問題，后轉到完全開源的MsstatePAN。

（3）MsstatePAN協(xié)議棧

源代碼完全開放的MsstatePAN協(xié)議棧，是由密西西比州立大學的Robert Reese教授在參考Microchip ZigBee Stack的基礎上自己編寫的。該協(xié)議棧支持硬件平臺CC2430、PIC18C4620＋CC2420和 MSP430＋CC2420。國內一些研究機構也在此精簡協(xié)議棧上進行擴充，實現(xiàn)了一些其原本不具備的功能。

我們利用TI公司收購的LM3S系列微控制器設計ZigBee硬件節(jié)點，實現(xiàn)了該平臺節(jié)點間的點對點通信，掌握了LM3S系列微控制器對射頻模塊CC2420的操作。在本刊發(fā)表論文“LM3S1138與CC2420的無線傳感器網(wǎng)絡通信”。最終，我們成功將MsstatePAN協(xié)議棧移植到了LM3S系列微控制器結合CC2420無線模塊的硬件平臺上，與TI公司第三方合作設計了物聯(lián)網(wǎng)教學實驗平臺。

物聯(lián)網(wǎng)教學實驗平臺主要由LM3S811、LM3S9B96和CC2420無線傳輸模塊構成，支持LM3S811與LM3S9B96的硬件實驗及ZigBee組網(wǎng)實驗。該平臺還可與CC2430終端節(jié)點一起組網(wǎng)。ZigBee組網(wǎng)實驗部分，根據(jù)需要可配置成星狀或樹狀網(wǎng)通信。同時，為直觀獲知當前的組網(wǎng)狀況，針對此實驗平臺專門編寫相應的PC機監(jiān)控軟件，能實時動態(tài)監(jiān)控網(wǎng)絡組網(wǎng)狀態(tài)及數(shù)據(jù)。該ZigBee網(wǎng)絡平臺可實現(xiàn)溫濕度、濕敏電阻、可燃氣體濃度、煙霧濃度、二氧化碳濃度、光照度、熱釋電人體紅外測溫、紅外線防盜信號、加速度、氧氣濃度等一系列傳感器的數(shù)據(jù)采集及無線傳輸。

（4）GOS協(xié)議棧

GOS是中國科學院推出的基于C語言的無線傳感網(wǎng)低功耗協(xié)議棧（目前該平臺由深聯(lián)科技進行維護），其突出特點是完全使用C語言開發(fā)，簡單高效，具有很好的健壯性，適合于很多工控及其他行業(yè)領域應用。目前GOS主要支持的硬件包括 ATmega128、MSP430＋CC1000或CC2420，或者其他支持相關指令集的處理器，以及具有一定開放接口的射頻芯片。

（5）ZigBee精簡協(xié)議棧

美國密西西比州立大學的Robert Reese教授出于教學、科研目的開發(fā)出一套精簡版（subset）ZigBee協(xié)議棧。該精簡協(xié)議棧實現(xiàn)了ZigBee協(xié)議的主要功能。國內一些研究機構在此精簡協(xié)議上進行擴充，實現(xiàn)了一些其原本不具備的功能。

3.4 RFID讀卡器

在嵌入式系統(tǒng)聯(lián)誼會交流過程中，知曉一種RFID讀卡器模塊，可讀校園一卡通和身份證的ID碼，當然余額和身份證信息是不允許讀的。但僅根據(jù)每個卡的唯一ID碼，也可以設計很多應用。我們設計了“基于校園一卡通的考勤管理系統(tǒng)”，彌補學生考勤管理的缺陷。一卡通作為學生在校身份證明及日常消費卡，每個學生都有，不用再買其他卡，可用其設計很好的物聯(lián)網(wǎng)教學案例。

結 語

本文是筆者近一年多來學習物聯(lián)網(wǎng)、參加各種會議的總結。由于個人的知識面有限，考慮問題可能片面，望和國內業(yè)界同仁共同探討國內的物聯(lián)網(wǎng)教學，為物聯(lián)網(wǎng)應用推廣盡自己的微薄之力。物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)不是以理論為主導，重點是在工程應用。教學應該由應用來驅動，時刻做好準備，不斷調整教學內容。因很難有適合所有學校的通用課程體系，課程設置及內容應重在特色。