物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)實(shí)訓(xùn)平臺構(gòu)建與研究

摘 要：針對現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)發(fā)展的新趨勢，構(gòu)建了包括基礎(chǔ)控制實(shí)驗(yàn)、智能家居模擬應(yīng)用模塊、溫室大棚模擬應(yīng)用模塊和智能貨架模擬應(yīng)用模塊在內(nèi)的現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)實(shí)訓(xùn)平臺，探討了物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)實(shí)訓(xùn)平臺架構(gòu)及其功能模塊，并完成了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式等改革，很好的完善了整個實(shí)驗(yàn)教學(xué)體制和實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，為學(xué)生在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)及工程應(yīng)用方面提供了完善的實(shí)踐平臺，為高校建立虛擬實(shí)訓(xùn)基地提供理論參考。

關(guān)鍵詞：現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)；實(shí)訓(xùn)平臺；智能家居；溫室大棚；智能貨架

中圖分類號：G40-057 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

1 引言（Introduction）

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)屬于一個新興技術(shù)，正在快速發(fā)展。學(xué)習(xí)與掌握物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)理論，發(fā)展方向及其行業(yè)應(yīng)用是目前高等教育的核心目標(biāo)。2010年最新的教育部通知已將物聯(lián)網(wǎng)、傳感網(wǎng)作為戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)相關(guān)專業(yè)的重點(diǎn)，開始鼓勵各高校申報(bào)相關(guān)專業(yè)。目前，我國已有50多所高校設(shè)置了物聯(lián)網(wǎng)本科專業(yè)和30多所高職院校設(shè)置了物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)?？茖I(yè)。物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)具有實(shí)踐性、工程性、實(shí)用性等特征，實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)尤為重要。學(xué)生只有在“動手做”“學(xué)中做”“做中學(xué)”和“真正練”中體會和掌握物聯(lián)網(wǎng)工程的思想[1]。由于物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)是近年新開的專業(yè)，實(shí)訓(xùn)基地和實(shí)訓(xùn)平臺都沒有到位，都在摸索之中。另外目前大部分高校存在資金來源有限，配套實(shí)訓(xùn)設(shè)備一直存在與課程教學(xué)配套性差，實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)資源不足，教學(xué)效率低，教學(xué)成本高，學(xué)校與實(shí)習(xí)基地之間缺乏互動等問題，均影響學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)[2]。為解決這一問題，我們在課程改革的同時，加強(qiáng)對現(xiàn)有配套實(shí)訓(xùn)設(shè)備的改造和技術(shù)開發(fā)，構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)實(shí)訓(xùn)平臺，通過CDIO項(xiàng)目化課程學(xué)習(xí)，學(xué)生可以在實(shí)訓(xùn)中進(jìn)行真實(shí)項(xiàng)目訓(xùn)練，體驗(yàn)企業(yè)工作環(huán)境，提高實(shí)訓(xùn)效果，提高辦學(xué)效益[3]。

2 設(shè)計(jì)特色（Features of design）

系統(tǒng)性：方案的設(shè)計(jì)是在詳細(xì)分析物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)架構(gòu)的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)性地覆蓋傳感層、接入層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層等各個層次的主流技術(shù)，為用戶提供完整的物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)解決方案。同時，整個實(shí)驗(yàn)室設(shè)備可連接為一個局域網(wǎng)絡(luò)并可接入到校園網(wǎng)，配以功能強(qiáng)大的實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)，可以跟蹤管理學(xué)生的實(shí)驗(yàn)時間、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)結(jié)果，為教學(xué)效果分析提供及時并詳細(xì)可靠的數(shù)據(jù)來源。

模塊化：采用模塊化的設(shè)計(jì)模式，可以根據(jù)實(shí)際需求選配各種模塊組建實(shí)訓(xùn)環(huán)境，具有很強(qiáng)的靈活性并易于擴(kuò)展。

易操作：采用一體化的操作臺，集成監(jiān)控屏幕、傳感器、執(zhí)行器件、跳線、開關(guān)、監(jiān)控儀表、串口插槽等；并采用可視化的監(jiān)控軟件，界面友好，操作簡便。

真正的“透明”教學(xué)：通過直觀和形象的應(yīng)用場景，使學(xué)生可以直接體會物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用場景；開放產(chǎn)品設(shè)計(jì)的軟硬件資源，同時配套詳細(xì)的教學(xué)試驗(yàn)文檔，讓學(xué)生以工程開發(fā)形式學(xué)習(xí)原理知識，融會貫通各個學(xué)科的知識，達(dá)到真正的學(xué)以致用。

3 體系結(jié)構(gòu)與功能（System structure and function）

這里以智能家居為例說明系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)、功能和開發(fā)。

3.1 智能家居應(yīng)用系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

智能家居是一個居住環(huán)境，是以住宅為平臺安裝有智能家居系統(tǒng)的居住環(huán)境，實(shí)施智能家居系統(tǒng)的過程就稱為智能家居集成。系統(tǒng)采用無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對家中溫度、濕度、光照等環(huán)境參數(shù)的檢測，以及通過煙霧、人體感應(yīng)的感知設(shè)備實(shí)現(xiàn)家庭的安防、消防等功能。智能家居系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3.2 智能家居應(yīng)用系統(tǒng)功能

通過ZigBee協(xié)調(diào)器和傳感控制節(jié)點(diǎn)組成無線網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)智能家居應(yīng)用中包括安防、環(huán)境監(jiān)測、家電控制、遠(yuǎn)程控制、窗簾控制、網(wǎng)絡(luò)攝像等功能，具體包括：

（1）環(huán)境監(jiān)測：采集室內(nèi)溫度、濕度和光照度，并實(shí)時顯示。

（2）安防：實(shí)現(xiàn)燃?xì)馀c煙霧探測、入侵探測、門窗防撬，緊急求助報(bào)警等功能，并將采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)器。

（3）家電控制：模擬空調(diào)、彩電、燈光、排風(fēng)扇等，并可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

（4）網(wǎng)絡(luò)攝像：可遠(yuǎn)程查看家中情況。

（5）邏輯控制：可定義各種控制邏輯，實(shí)現(xiàn)對家中設(shè)備的自動控制，如超高設(shè)定的溫度自動打開空調(diào)、衛(wèi)生間濕度過大自動打開排風(fēng)扇等。

（6）遠(yuǎn)程控制：可通過手機(jī)、筆記本等通過Internet實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

（7）情景模式控制：可設(shè)置各種情景模式，如離家模式、睡眠模式、起床模式等，實(shí)現(xiàn)對家中設(shè)備的組合一鍵式控制。

4 詳細(xì)設(shè)計(jì)（Detail design）

物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)操作臺根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和應(yīng)用系統(tǒng)的特點(diǎn)定制，它不僅美觀實(shí)用、具有較好的展示效果，并且提供豐富、完善的實(shí)驗(yàn)操作環(huán)境，方便學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作以及實(shí)驗(yàn)室的管理。同時，采用模塊化的設(shè)計(jì)模式，模擬各種物聯(lián)網(wǎng)在不同行業(yè)的典型應(yīng)用、可以根據(jù)實(shí)際需求選配各種模塊組建具有行業(yè)特色的物聯(lián)網(wǎng)工程實(shí)驗(yàn)室。在設(shè)計(jì)過程中，我們把整個物聯(lián)網(wǎng)實(shí)訓(xùn)平臺分為基礎(chǔ)控制區(qū)、智能家居模擬應(yīng)用模塊、溫室大棚模擬應(yīng)用模塊、智能貨架模擬應(yīng)用模塊等部分組成。各個組成部分參數(shù)與功能如表1所示。

基礎(chǔ)控制區(qū)：物聯(lián)網(wǎng)實(shí)訓(xùn)操作臺基礎(chǔ)控制區(qū)，集成了多種傳感器和輸出控制設(shè)備，學(xué)生利用ZigBee協(xié)調(diào)器、路由器、傳感控制節(jié)點(diǎn)板，GPRS、WiFi和藍(lán)牙傳感控制節(jié)點(diǎn)板，采用多種無線技術(shù)完成環(huán)境數(shù)據(jù)采集和控制實(shí)驗(yàn)，組網(wǎng)實(shí)驗(yàn)，同時也可以進(jìn)行組合創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)。

智能家居模擬應(yīng)用模塊：物聯(lián)網(wǎng)智能家居模擬應(yīng)用模塊實(shí)現(xiàn)家居環(huán)境監(jiān)測、智能家電自動控制、安防系統(tǒng)與報(bào)警、遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能。通過ZigBee協(xié)調(diào)器和傳感控制節(jié)點(diǎn)組成無線網(wǎng)絡(luò)，采集室內(nèi)溫度、濕度和光照度，實(shí)現(xiàn)燃?xì)馀c煙霧探測、入侵探測、門窗防撬，緊急求助報(bào)警等功能，并將采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)器，對模擬的家電設(shè)備進(jìn)行控制功能。

智能溫室大棚模擬應(yīng)用模塊：采用無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，可定時采集空氣溫度、空氣濕度、CO2濃度、光照強(qiáng)度，土

壤溫度和水分等，來獲得作物生長的最佳條件，通過自動調(diào)節(jié)溫室環(huán)境、實(shí)現(xiàn)溫室集約化、網(wǎng)絡(luò)化遠(yuǎn)程管理。利用ZigBee協(xié)調(diào)器，通過傳感控制節(jié)點(diǎn)將環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)器，并以圖表方式顯示給用戶，當(dāng)監(jiān)測數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時，可利用軟件網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對溫室設(shè)備（溫、光、氣、水等）的自動控制。

智能貨架管理系統(tǒng)：物聯(lián)網(wǎng)實(shí)訓(xùn)操作臺包含了一個RFID智能貨架，它由RFID高頻讀寫器、天線多路器和若干平板天線構(gòu)成，貨架內(nèi)嵌的平板天線采用水平方式放置，平放于每層貨架的底部，每層貨架放置一組數(shù)碼管輸出，用于顯示當(dāng)前該層貨架商品的數(shù)量。將基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)中使用的每個設(shè)備當(dāng)作貨品，在其底部貼上電子標(biāo)簽（寫入貨品信息），平放于貨架的天線上，保證能夠讀取到貨品信息。智能貨架管理系統(tǒng)的功能包括：貨物盤點(diǎn)、貨物位置查詢等功能。

5 結(jié)論（Conclusion）

物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)實(shí)訓(xùn)平臺采用了系統(tǒng)化與模塊化的設(shè)計(jì)，既可以進(jìn)行專項(xiàng)實(shí)驗(yàn)又可以進(jìn)行綜合實(shí)驗(yàn)。專項(xiàng)實(shí)驗(yàn)主要用于ZigBee基本組網(wǎng)與參數(shù)讀寫實(shí)驗(yàn)、ZigBee傳感數(shù)據(jù)采集與控制實(shí)驗(yàn)、藍(lán)牙無線傳感網(wǎng)實(shí)驗(yàn)、WiFi無線傳感網(wǎng)實(shí)驗(yàn)、GPRS無線傳感網(wǎng)實(shí)驗(yàn)、RFID射頻識別基礎(chǔ)與應(yīng)用實(shí)驗(yàn)等實(shí)驗(yàn)，綜合實(shí)驗(yàn)主要用于ZigBee智能家居模擬應(yīng)用開發(fā)、ZigBee溫室大棚模擬應(yīng)用開發(fā)等實(shí)驗(yàn)。該實(shí)訓(xùn)平臺服務(wù)于RFID技術(shù)應(yīng)用與實(shí)踐、無線傳感網(wǎng)應(yīng)用與實(shí)踐、物聯(lián)網(wǎng)案例綜合實(shí)踐、物聯(lián)網(wǎng)信息系統(tǒng)應(yīng)用與實(shí)踐和物聯(lián)網(wǎng)課程綜合實(shí)踐等課程。通過實(shí)訓(xùn)平臺在物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)系統(tǒng)課程實(shí)施后，提煉了實(shí)訓(xùn)教學(xué)內(nèi)容，改變了實(shí)訓(xùn)教學(xué)方式方法，得到師生廣泛認(rèn)可，實(shí)施效果顯著，培養(yǎng)了學(xué)生物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)戰(zhàn)化應(yīng)用和項(xiàng)目開發(fā)能力。

參考文獻(xiàn)（References）

[1] 杜祥嶺，劉加寧.高校物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)與實(shí)訓(xùn)中心探析[J].遼寧工

業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（社會科學(xué)版），2011，13（04）：119-122.

[2] 柯強(qiáng).物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)課程建設(shè)探討[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2012，4（01）：

280-283.

[3] 馬榮飛.融CEC-CDIO理念的物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)高技能人才培養(yǎng)

研究與實(shí)踐[J].軟件工程師，2014，6：11-12.

作者簡介：

馬榮飛（1970-），男，碩士，教授.研究領(lǐng)域：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，移

動互聯(lián)開發(fā).