基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的實(shí)驗(yàn)室建設(shè)

貴州商學(xué)院 張樹軍

一、研究的理論和實(shí)際應(yīng)用價值

物聯(lián)網(wǎng)是繼微型計算機(jī)普及應(yīng)用、互聯(lián)網(wǎng)普及應(yīng)用之后的第三次信息技術(shù)革命浪潮；是電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通訊技術(shù)等相關(guān)技術(shù)發(fā)明累積到一定量，即由“量”變到“質(zhì)”變的必然產(chǎn)物；是未來十至十五年必將深刻、廣泛影響人類社會工作、生活、學(xué)習(xí)的新技術(shù)。當(dāng)前，處于發(fā)展初期的物聯(lián)網(wǎng)理論研究及技術(shù)應(yīng)用如火如荼，國家層面的有美國的“智慧地球”、歐洲針對物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的十四點(diǎn)行動計劃、日本的“i-japan”計劃、韓國的“u-korea”戰(zhàn)略等等。從2009年至今，國家大力倡導(dǎo)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，2011年11月，國務(wù)院工業(yè)和信息化部發(fā)布了《物聯(lián)網(wǎng)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》、2013年國務(wù)院又出臺《國務(wù)院關(guān)于推進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)有序健康發(fā)展的指導(dǎo)意見》國發(fā)〔2013〕7 號文件。在國家強(qiáng)力推進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的形勢下，各省市紛紛制定各自的物聯(lián)網(wǎng)規(guī)劃，貴州省于2012年2月，由經(jīng)濟(jì)和信息化委員會編制并下發(fā)了《貴州省“十二五”物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》。在發(fā)展規(guī)劃的引導(dǎo)下，“智慧城市”“智能物流”“智能交通”“智慧校園”“智慧醫(yī)療”“車聯(lián)網(wǎng)”等不同層次范圍的物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)方案不斷推出，也有許多方案正在建設(shè)中。

雖然上述物聯(lián)網(wǎng)的研究開發(fā)及技術(shù)應(yīng)用熱火朝天，但至今沒有一個大家公認(rèn)的、體驗(yàn)到的、完整的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，以我校實(shí)驗(yàn)室建設(shè)作為物聯(lián)網(wǎng)的研究對象，能避免復(fù)雜的環(huán)境因素。在這樣的小環(huán)境中，通過課題的研究設(shè)計以及相應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)配套設(shè)施設(shè)備的設(shè)置，創(chuàng)造一個真實(shí)的物聯(lián)網(wǎng)體驗(yàn)環(huán)境（見附件的《新校區(qū)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)物聯(lián)網(wǎng)初步方案》）作為電子類專業(yè)，特別是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)的實(shí)訓(xùn)環(huán)境，同時也為學(xué)校今后建設(shè)“智慧校園”做好準(zhǔn)備工作。課題的目標(biāo)是基于實(shí)驗(yàn)室建設(shè)環(huán)境下對感知、控制的具體要求以及使用人的功能要求，探討在小規(guī)模試驗(yàn)的環(huán)境下建立可供體驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)、研究的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)支撐平臺及網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。通過對該平臺及架構(gòu)的研究，其理論價值是驗(yàn)證物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的理論、方法、框架、平臺的有效性，其實(shí)際應(yīng)用價值是為今后我校物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的開發(fā)、設(shè)計和運(yùn)行提供基礎(chǔ)的技術(shù)支撐。

二、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國外金融危機(jī)引起的增長低迷還沒有消退，但大量圍繞電力、通信、交通、環(huán)境的智慧型基礎(chǔ)設(shè)施依然加緊實(shí)施?；A(chǔ)性的關(guān)鍵技術(shù)研究不斷進(jìn)步，如美國加州大學(xué)、麻省理工學(xué)院、奧本大學(xué)、賓漢頓大學(xué)、克利夫蘭大學(xué)等在極低功耗無線傳感網(wǎng)絡(luò)、自組織傳感器網(wǎng)絡(luò)、傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的應(yīng)用層設(shè)計、基于IP的移動網(wǎng)絡(luò)和自組織網(wǎng)絡(luò)方面、結(jié)合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)等方面開展研究，新加坡國立大學(xué)在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)方面進(jìn)行研究，物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)也在加快研究。另外，RFID 技術(shù)、GPS/GIS 技術(shù)的應(yīng)用持續(xù)升溫，IPv6、M2M、3GPP 等技術(shù)的研究漸趨成熟，近距離無線通訊、傳感器網(wǎng)絡(luò)、泛在網(wǎng)絡(luò)等網(wǎng)絡(luò)技術(shù)也隨物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用而快速成長，這也顯示了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究的不斷進(jìn)步。

國內(nèi)最早于1999年啟動傳感網(wǎng)工程，由中科院對物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)工程項目進(jìn)行專門研究。近年來有更多的科研院所參與了物聯(lián)網(wǎng)的研究，在物聯(lián)網(wǎng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)方面研究突出的有南京郵電大學(xué)的UbiCell 系列節(jié)點(diǎn)、中國科學(xué)院計算技術(shù)研究所的GAINS 系列節(jié)點(diǎn)、香港科技大學(xué)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)；在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的軟件及平臺方面突出的有：南京郵電大學(xué)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究中心開發(fā)的基于移動代理的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中間件平臺、南京郵電大學(xué)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)集成開發(fā)平臺MeshIDEMeshIDE、中國科學(xué)院寧波計算所的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分析與管理平臺。在物聯(lián)網(wǎng)理論研究方面提出許多具有創(chuàng)新性的想法的有，南京郵電大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、清華大學(xué)、上海交通大學(xué)、北京郵電大學(xué)。

歸納總結(jié)上述研究不難看出，第一類屬于基礎(chǔ)性研究，如標(biāo)準(zhǔn)、節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)絡(luò)、平臺等等，這類研究會對今后物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用提供支撐；第二類屬于技術(shù)應(yīng)用研究，如RFID、GPS/GIS、IPv6、M2M、3GPP 等等，技術(shù)比較成熟，但更需要要研究整合應(yīng)用；第三是理論方面研究，也有待于實(shí)踐的驗(yàn)證。然而，上述三方面都不屬于完整的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)研究，該課題正好是要從一個完整的物聯(lián)網(wǎng)出發(fā)去對物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行研究。

三、研究目標(biāo)和內(nèi)容

課題的研究，是根據(jù)智慧實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的環(huán)境對感知、控制的具體要求以及使用人的功能要求，研究設(shè)計在小規(guī)模試驗(yàn)的環(huán)境下建立一個可供體驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)、研究的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)支撐平臺及網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

1.研究智慧實(shí)驗(yàn)室建設(shè)傳感網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，根據(jù)新校區(qū)智慧實(shí)驗(yàn)室建設(shè)，各智慧教室的空間分布情況及功能分布情況進(jìn)行相關(guān)的研究設(shè)計，提出完整的傳感網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方案。

2.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)支撐平臺，研究傳感及控制系統(tǒng)集成模塊、管理系統(tǒng)模塊及智能處理模塊三個部分集成為一個整體的物聯(lián)網(wǎng)，構(gòu)成物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)支撐平臺方案。

該課題研究的核心內(nèi)容是由感知及控制系統(tǒng)集成模塊、管理系統(tǒng)模塊及智能處理模塊三個部分集成后形成的物聯(lián)網(wǎng)。該系統(tǒng)不僅將三個部分疊加到一起，還將三個部分有機(jī)的集成，特別是智能處理模塊要達(dá)到智能化的功能，要隨時訪問另外兩個模塊的數(shù)據(jù)，并根據(jù)訪問的數(shù)據(jù)分析處理做出準(zhǔn)確的判斷，輸出控制信號到控制系統(tǒng)交給執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行。

因此，要解決的重點(diǎn)問題是構(gòu)成由三個系統(tǒng)模塊組成的有機(jī)集成系統(tǒng)——物聯(lián)網(wǎng)。要突破的難點(diǎn)問題是如何按照智慧實(shí)驗(yàn)室建設(shè)環(huán)境下對感知、控制的具體要求及使用人的功能要求，設(shè)計出有機(jī)集成的三個系統(tǒng)模塊方案，并使其達(dá)到功能要求的智能化。

四、研究方法和實(shí)施步驟

1.準(zhǔn)備階段，完成課題研究方案的設(shè)計、論證與申報；確定課題組成員及其分工，建立課題研究網(wǎng)絡(luò)，完善課題管理辦法；進(jìn)行課題支撐理論的學(xué)習(xí)與培訓(xùn)，制訂課題實(shí)施預(yù)案；建立原始檔案。

2.設(shè)計階段，根據(jù)初步方案進(jìn)行系統(tǒng)的設(shè)計，系統(tǒng)設(shè)計中修改初步方案中不合理的內(nèi)容，確定實(shí)施方案。

3.編程階段，根據(jù)實(shí)施方案設(shè)計數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、底層數(shù)據(jù)庫及三個模塊的程序流程圖，并建立系統(tǒng)模型；根據(jù)設(shè)計階段的實(shí)施方案中標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)庫及程序流程圖，并依據(jù)模型進(jìn)行三個模塊的系統(tǒng)編程。

4.調(diào)試階段，三個模塊分別編程，并且相互連接，以及進(jìn)行相應(yīng)的模擬仿真調(diào)試；在仿真調(diào)試沒有問題的情況下，分塊連接各智慧教室設(shè)備進(jìn)行分別調(diào)試，對照前述的功能及關(guān)系進(jìn)行系統(tǒng)集成調(diào)試。

5.總結(jié)階段，系統(tǒng)分析過程資料，提煉、整合研究成果，撰寫課題研究工作報告和結(jié)題報告，形成課題成果。

6.前期研究及資料準(zhǔn)備，從2009年起，我校對物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)開始進(jìn)行研究，并主持2011年的校級重點(diǎn)課題《關(guān)于物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展方向的跟蹤及相關(guān)專業(yè)設(shè)置的研究》，成果之一就是物聯(lián)網(wǎng)智慧校園體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計。團(tuán)隊根據(jù)對物聯(lián)網(wǎng)研究的成果、對物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展方向的研究及物聯(lián)網(wǎng)人才需求的調(diào)查研究，成功申報了貴州商專物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)新專業(yè)。

課題成果構(gòu)成實(shí)訓(xùn)中心物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用系統(tǒng)方案，該課題的后續(xù)課題可升級為學(xué)校實(shí)訓(xùn)中心系統(tǒng)，在前面的基礎(chǔ)上升級為智慧校園系統(tǒng)。主要用作物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)的實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，同時也作為亮點(diǎn)供校內(nèi)外師生體驗(yàn)物聯(lián)網(wǎng)的概念，還可作為物聯(lián)網(wǎng)研究的系統(tǒng)平臺。

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