物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)與科研體系結(jié)構(gòu)研究

周丁丁，李慧華

（1.周口師范學(xué)院 實(shí)驗(yàn)室與設(shè)備管理處，河南 周口466001；2.周口職業(yè)技術(shù)學(xué)院 醫(yī)學(xué)院，河南 周口466000）

物聯(lián)網(wǎng)被稱為繼計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)之后的第三次信息浪潮，它將互聯(lián)網(wǎng)用戶端延伸到物與物之間的連接，通過(guò)射頻識(shí)別（RFID）、紅外感應(yīng)、全球定位技術(shù)將物品按照規(guī)定的協(xié)議連接到互聯(lián)網(wǎng)，并實(shí)現(xiàn)彼此的信息交換，達(dá)到物品智能、跟蹤、監(jiān)控和管理的網(wǎng)絡(luò)化.目前國(guó)內(nèi)外對(duì)物聯(lián)網(wǎng)高度重視，在美國(guó)，奧巴馬就職后提出“智慧地球”的概念，這也是美國(guó)首次提出物聯(lián)網(wǎng)的概念.作為新一輪的IT技術(shù)革命，奧巴馬意在利用“智慧地球”來(lái)刺激美國(guó)經(jīng)濟(jì)，借此將美國(guó)經(jīng)濟(jì)帶出低谷.美國(guó)權(quán)威咨詢機(jī)構(gòu)FORRESTER預(yù)測(cè)，到2020年，物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)與互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)之比將達(dá)到30∶1.在歐洲，2009年6月，歐盟委員會(huì)向歐盟議會(huì)、理事會(huì)、歐洲經(jīng)濟(jì)和社會(huì)委員會(huì)遞交了《歐盟物聯(lián)網(wǎng)行動(dòng)計(jì)劃》，其目的是希望歐洲通過(guò)構(gòu)建新型物聯(lián)網(wǎng)管理框架來(lái)引領(lǐng)世界“物聯(lián)網(wǎng)”發(fā)展［1］.溫家寶同志2010年3月5日在十一屆全國(guó)人大三次會(huì)議上做政府工作報(bào)告時(shí)提出要大力培育戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，加快物聯(lián)網(wǎng)的研發(fā)應(yīng)用.工信部也明確表示，物聯(lián)網(wǎng)已正式列入國(guó)家重點(diǎn)發(fā)展的五大戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)之一.在政府的大力號(hào)召下，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)必將成為未來(lái)各地重要的創(chuàng)新產(chǎn)業(yè).產(chǎn)業(yè)的發(fā)展催生人才的需求，一方面加強(qiáng)物聯(lián)網(wǎng)專(zhuān)業(yè)的人才培養(yǎng)迫在眉睫，它可以為物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供重要的人才支持，另一方面加強(qiáng)對(duì)高校教師科研創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，可以為物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新產(chǎn)業(yè)提供良好的環(huán)境.傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)專(zhuān)業(yè)中不包含物聯(lián)網(wǎng)的內(nèi)容，且缺乏實(shí)際應(yīng)用能力的培養(yǎng)，如何在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)專(zhuān)業(yè)中加入物聯(lián)網(wǎng)專(zhuān)業(yè)的內(nèi)容，并提高理論和實(shí)踐相結(jié)合的動(dòng)手和創(chuàng)新的能力，將是筆者所要提出的一個(gè)研究方案；另外如何打造高校教師物聯(lián)網(wǎng)的科研創(chuàng)新平臺(tái)是筆者另一個(gè)研究的目標(biāo).

1 物聯(lián)網(wǎng)概念

物聯(lián)網(wǎng)是通過(guò)射頻識(shí)別RFID［2］、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備按照約定的協(xié)議把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來(lái)進(jìn)行信息交換和通訊，以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò).物聯(lián)網(wǎng)在信息與通信的世界里獲得了一個(gè)新的溝通維度，它將任何時(shí)間任何地點(diǎn)人與人之間的溝通和連接擴(kuò)展到任何時(shí)間和任何地點(diǎn)，人與物，物與物之間的溝通和連接.根據(jù)國(guó)際電信聯(lián)盟ITU的描述，在物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代通過(guò)在各種各樣的物品上嵌入一種短距離的移動(dòng)收發(fā)器，物品將被智能化，這樣世界上所有的物品都可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)主動(dòng)進(jìn)行信息交換.物聯(lián)網(wǎng)是互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用擴(kuò)展，簡(jiǎn)而言之，物聯(lián)網(wǎng)就是“物物相連的互聯(lián)網(wǎng)”.

2 物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)體系結(jié)構(gòu)研究

作為一門(mén)新專(zhuān)業(yè)，物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)應(yīng)該做到理論和實(shí)踐相結(jié)合，從知識(shí)、能力、素質(zhì)三方面來(lái)構(gòu)建現(xiàn)代教育的內(nèi)容.

2.1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)基礎(chǔ)

物聯(lián)網(wǎng)作為新生事物，其實(shí)技術(shù)方面并不新，它是由很多既有的技術(shù)作為支撐，這些技術(shù)包含有射頻識(shí)別RFID、產(chǎn)品電子代碼EPC、ZIGBEE技術(shù)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)等.其體系結(jié)構(gòu)包含三層，分別為應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層和感知層.應(yīng)用層主要面向不同行業(yè)所產(chǎn)生的不同應(yīng)用，具體涉及的技術(shù)包括云計(jì)算、中間件、人工智能和數(shù)據(jù)挖掘等.網(wǎng)絡(luò)層主要建立在Internet和移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)之上，因此需要有線網(wǎng)絡(luò)和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的技術(shù)作為支撐.具體的技術(shù)包括IPV6，2G／3G，WIFI和ZIGBEE等通信技術(shù).而感知層則主要面向物體的數(shù)據(jù)采集層面，包括FRID和無(wú)線傳感器技術(shù).從物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展不難看出其具有技術(shù)高集成和學(xué)科多交叉的特點(diǎn).物聯(lián)網(wǎng)是傳感網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、智能服務(wù)的綜合體.每個(gè)學(xué)校要結(jié)合自身的特點(diǎn)來(lái)設(shè)置和劃分學(xué)科方向，如感知識(shí)別的傳感器方向、物聯(lián)網(wǎng)的無(wú)線通信方向等.因此在高校的教學(xué)中需要構(gòu)建相應(yīng)的知識(shí)體系和課程體系.

圖1 物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)圖

2.2 物聯(lián)網(wǎng)知識(shí)體系

物聯(lián)網(wǎng)工程專(zhuān)業(yè)主要包含的知識(shí)體系有感知識(shí)別、網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建、管理服務(wù)、創(chuàng)新應(yīng)用.其中感知識(shí)別由數(shù)據(jù)采集子層、短距離通信技術(shù)和協(xié)同信息處理子層構(gòu)成.數(shù)據(jù)采集子層主要包含傳感器、RFID、多媒體信息采集、二維碼和實(shí)時(shí)定位技術(shù)，并通過(guò)短距離通信技術(shù)來(lái)完成數(shù)據(jù)的協(xié)同處理和傳輸交換.網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建主要是將來(lái)自感知層的信息通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)綉?yīng)用層，其中包含有移動(dòng)通信網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、行業(yè)網(wǎng)和融合技術(shù)，涉及協(xié)議的構(gòu)建和設(shè)計(jì).管理服務(wù)主要需要云計(jì)算平臺(tái)作為數(shù)據(jù)的服務(wù)支撐，人工智能和分布式智能系統(tǒng)可以對(duì)海量數(shù)據(jù)進(jìn)行高效處理，并提供高效智能的支撐平臺(tái).創(chuàng)新應(yīng)用主要是考慮和行業(yè)的應(yīng)用相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)物與物相連，解決具體的應(yīng)用問(wèn)題.如智能物流可以實(shí)時(shí)定位物流過(guò)程主體物品的狀態(tài)，完成從發(fā)送方到接收方的全面監(jiān)控.智能家居可以為家庭提供家電控制、照明控制、窗簾控制、電話遠(yuǎn)程控制、室內(nèi)外遙控、防盜報(bào)警以及可編程定時(shí)控制等多種功能和手段，使您的生活更加舒適、便利和安全.智慧農(nóng)業(yè)利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為打造精細(xì)化農(nóng)業(yè)提供信息化支撐服務(wù).筆者提到的物聯(lián)網(wǎng)知識(shí)體系是建立在物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)之上，其中感知識(shí)別屬于感知層，網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建屬于網(wǎng)絡(luò)層，管理服務(wù)和創(chuàng)新應(yīng)用處于應(yīng)用層.這樣就使所提到的知識(shí)體系和物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)有了一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，使物聯(lián)網(wǎng)知識(shí)體系更具體和完備.

圖2 物聯(lián)網(wǎng)專(zhuān)業(yè)的知識(shí)體系圖

2.3 物聯(lián)網(wǎng)課程體系

物聯(lián)網(wǎng)的知識(shí)體系是學(xué)校制定專(zhuān)業(yè)教學(xué)計(jì)劃的依據(jù)，同時(shí)它在專(zhuān)業(yè)教學(xué)計(jì)劃中的實(shí)施需要通過(guò)課程體系來(lái)體現(xiàn)，因此課程體系被稱為知識(shí)體系的延伸和實(shí)施.由于物聯(lián)網(wǎng)是多學(xué)科交叉的產(chǎn)物，因此在進(jìn)行課程設(shè)置時(shí)需要考慮到不同學(xué)校的特點(diǎn)，筆者以一般應(yīng)用型高校為背景，將課程體系分為公共基礎(chǔ)課、學(xué)科專(zhuān)業(yè)課和實(shí)踐課.公共基礎(chǔ)課包含大學(xué)工學(xué)本科階段所需要掌握的基礎(chǔ)課程，具體有物理、數(shù)學(xué)等計(jì)算機(jī)交叉學(xué)科課程和計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)所必備的計(jì)算機(jī)公共基礎(chǔ)和程序設(shè)計(jì)等課程.另外包含全校都要開(kāi)設(shè)的英語(yǔ)、體育、政治等公共課.學(xué)科專(zhuān)業(yè)課程指本學(xué)科內(nèi)的專(zhuān)業(yè)課程，針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)學(xué)科專(zhuān)業(yè)分為專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)主干課、專(zhuān)業(yè)必修課、專(zhuān)業(yè)選修課.專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)主干課的主要課程有數(shù)字和模擬電子技術(shù)、離散數(shù)學(xué)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、電路分析基礎(chǔ)、物聯(lián)網(wǎng)工程導(dǎo)論、計(jì)算機(jī)組成原理、傳感器原理、通信原理、形式語(yǔ)言與自動(dòng)機(jī)理論等課程.專(zhuān)業(yè)必修課的主要課程有計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、操作系統(tǒng)、面向?qū)ο笳Z(yǔ)言編程、ZIGBEE協(xié)議與應(yīng)用、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù).專(zhuān)業(yè)選修課的主要課程有ARM編程、嵌入式操作系統(tǒng)、單片機(jī)原理、JAVA語(yǔ)言、軟件工程、網(wǎng)絡(luò)安全、網(wǎng)絡(luò)編程、WEB技術(shù)開(kāi)發(fā)、TCP／IP協(xié)議、云計(jì)算、FRID技術(shù)原理、多媒體技術(shù)等.物聯(lián)網(wǎng)專(zhuān)業(yè)的實(shí)踐課程包含有專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)、課外實(shí)踐、專(zhuān)業(yè)實(shí)習(xí)和畢業(yè)設(shè)計(jì)四個(gè)部分.其中專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)主要指嵌入式課程設(shè)計(jì)、物聯(lián)網(wǎng)工程實(shí)驗(yàn)、移動(dòng)設(shè)備應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn).課外實(shí)踐主要是通過(guò)和企業(yè)合作或者參加校外組織的專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)大賽來(lái)完成.專(zhuān)業(yè)實(shí)習(xí)主要是通過(guò)到相關(guān)企業(yè)中進(jìn)行具體的實(shí)戰(zhàn)演習(xí).畢業(yè)設(shè)計(jì)是在校內(nèi)外專(zhuān)業(yè)實(shí)習(xí)的基礎(chǔ)上，完成物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā).另外建設(shè)物聯(lián)網(wǎng)專(zhuān)業(yè)工程實(shí)驗(yàn)室，將教師的科研和學(xué)生的具體工程實(shí)踐相結(jié)合，以更好地完成實(shí)踐和理論的結(jié)合，并培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力.

圖3 物聯(lián)網(wǎng)課程體系圖

3 物聯(lián)網(wǎng)科研體系結(jié)構(gòu)研究

隨著物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，人才培養(yǎng)力度的不斷加強(qiáng)，高校教師的科研水平也亟待進(jìn)一步提升，因此圍繞高校教師科研體系結(jié)構(gòu)的研究顯得尤為重要.結(jié)合對(duì)普通本科院校的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，針對(duì)高校的物聯(lián)網(wǎng)科研體系結(jié)構(gòu)大致包含如下幾個(gè)方面：1）FRID射頻識(shí)別技術(shù)的研究；2）無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)研究［3］；3）無(wú)線通信技術(shù)研究［4］；4）物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)智能處理技術(shù)研究［5］；5）物聯(lián)網(wǎng)安全技術(shù)研究［6］.其中FRID射頻識(shí)別技術(shù)主要是面向特定應(yīng)用領(lǐng)域的研究，比如物流和農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域，用于構(gòu)建智慧物流和農(nóng)業(yè)的數(shù)據(jù)識(shí)別的前端.另外，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)，物聯(lián)網(wǎng)需要通過(guò)無(wú)線傳感器來(lái)探測(cè)和獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，不同類(lèi)型的數(shù)據(jù)需要不同種類(lèi)的傳感器.因此對(duì)于無(wú)線傳感器及網(wǎng)絡(luò)的研究非常重要.可以研究的內(nèi)容包括：WSN路由算法研究、節(jié)點(diǎn)定位算法研究、安全策略研究、動(dòng)態(tài)目標(biāo)跟蹤方法研究、跨層協(xié)議設(shè)計(jì)、WSN節(jié)能功耗研究等.研究WSN的同時(shí)也需要各傳感器節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信，這就需要對(duì)無(wú)線通信技術(shù)進(jìn)行相關(guān)的研究.具體包括：ZigBee技術(shù)、藍(lán)牙技術(shù)、UWB技術(shù)等.當(dāng)人們通過(guò)無(wú)線傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的收集，利用無(wú)線通信技術(shù)完成了數(shù)據(jù)的多跳傳輸以及共享使用，下一步就需要對(duì)收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行智能化的處理.這部分就需要用到云計(jì)算和大數(shù)據(jù)的概念和技術(shù)，比如通過(guò)云計(jì)算中MAP－REDUCE計(jì)算框架實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的分布式并行處理，以提高計(jì)算效率.通過(guò)大數(shù)據(jù)處理的思想，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和挖掘.目前信息安全和網(wǎng)絡(luò)安全已經(jīng)上升到國(guó)家安全的高度，物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展也會(huì)面臨著安全問(wèn)題，因此物聯(lián)網(wǎng)安全也被納入科學(xué)研究的體系.圖4表示了物聯(lián)網(wǎng)科研體系結(jié)構(gòu).其科研體系結(jié)構(gòu)也貫穿了圖1所提到的物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)，分別從感知層，網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層不同層面來(lái)研究物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù).

圖4 物聯(lián)網(wǎng)科研體系圖

4 總結(jié)

物聯(lián)網(wǎng)作為新技術(shù)已經(jīng)受到廣泛的關(guān)注，未來(lái)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展將會(huì)帶動(dòng)整個(gè)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，帶來(lái)更多的創(chuàng)新應(yīng)用和服務(wù).因此如何培養(yǎng)物聯(lián)網(wǎng)專(zhuān)業(yè)人才將成為高校目前乃至未來(lái)需要面臨的問(wèn)題.筆者根據(jù)高校發(fā)展現(xiàn)狀，提出適合一般普通本科高校的知識(shí)體系和課程體系，為高素質(zhì)物聯(lián)網(wǎng)人才的培養(yǎng)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ).另外筆者還就普通本科高校從事物聯(lián)網(wǎng)科學(xué)研究的教師，提出合適的科研體系，為教師的科研提供一定的參考.

［1］王志良.物聯(lián)網(wǎng)工程導(dǎo)論［M］.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2011.

［2］郎為民.射頻識(shí)別 （RFID）技術(shù)原理與應(yīng)用［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

［3］李建中，高宏.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究進(jìn)展［J］.計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展，2008，45（1）：1－15.

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［6］劉強(qiáng)，崔莉，陳海明.物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用［J］.計(jì)算機(jī)科學(xué)，2010，37（6）：1－4.