基于物聯(lián)網(wǎng)的高職實(shí)訓(xùn)平臺(tái)構(gòu)建及其關(guān)鍵技術(shù)分析

詹小英 黃銀娟 盧錦川

【摘 要】給出一種適合高職院校實(shí)訓(xùn)平臺(tái)管理的物聯(lián)網(wǎng)模型，將M2M模型與高職實(shí)訓(xùn)環(huán)境相結(jié)合，對(duì)實(shí)訓(xùn)設(shè)備與人進(jìn)行綜合監(jiān)管，最大限度監(jiān)控各子實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)。經(jīng)與春茂機(jī)電實(shí)訓(xùn)環(huán)境的融合應(yīng)用分析，該平臺(tái)滿足校企實(shí)訓(xùn)要求，有效解決了信息孤島問題，加大了對(duì)實(shí)訓(xùn)人及設(shè)備的監(jiān)管力度，提高了實(shí)訓(xùn)培養(yǎng)效率及質(zhì)量。

【關(guān)鍵詞】實(shí)訓(xùn)平臺(tái) 物聯(lián)網(wǎng) 高職院校 M2M模型

【中圖分類號(hào)】 G 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】 A

【文章編號(hào)】0450-9889（2015）08C-0190-03

在高職教學(xué)管理中，實(shí)訓(xùn)室提供專業(yè)的實(shí)訓(xùn)環(huán)境，是培養(yǎng)特定高技能人才的必備場所。然而，由于企業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)水平的提高，特別是電類相關(guān)行業(yè)新技術(shù)、新設(shè)備的廣泛應(yīng)用，如何推陳出新，既滿足企業(yè)對(duì)專業(yè)人才需求，又能不斷升級(jí)并優(yōu)化實(shí)訓(xùn)平臺(tái)是確保高職教育改革與可持續(xù)發(fā)展的前提保障。

當(dāng)前的實(shí)訓(xùn)平臺(tái)（PTP，practice training platform）存在不少的弊端，主要表現(xiàn)為：一是實(shí)訓(xùn)設(shè)備老化，更新周期長；二是實(shí)訓(xùn)平臺(tái)彼此孤立，信息化程度低，管理水平落后；三是實(shí)際利用率低，實(shí)訓(xùn)效果較差。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，基于物聯(lián)網(wǎng)的人、物等信息數(shù)據(jù)的采集和管理系統(tǒng)已日趨成熟，在高職院校多實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的綜合管理和智能控制上表現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景：一是可實(shí)現(xiàn)多實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的集中管理，有效地解決單個(gè)實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)中的信息孤島問題；二是有助于總結(jié)實(shí)訓(xùn)過程中的問題，實(shí)現(xiàn)實(shí)訓(xùn)過程中人與設(shè)備的綜合管理；三是有利于加強(qiáng)校企合作與交流，適時(shí)更新實(shí)訓(xùn)計(jì)劃，提高人才培養(yǎng)質(zhì)量；四是有助于實(shí)訓(xùn)者根據(jù)實(shí)訓(xùn)情況合理選擇實(shí)訓(xùn)條件，確保實(shí)訓(xùn)效率的前提下，盡快掌握實(shí)訓(xùn)要領(lǐng)。

因此，為實(shí)現(xiàn)多實(shí)訓(xùn)環(huán)境中人與設(shè)備的智能管理，本文提出一種適用于高職實(shí)訓(xùn)管理與教學(xué)的物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)架?；谠摌?gòu)架對(duì)某校機(jī)電一體化中心、工業(yè)控制中心和電工電子實(shí)訓(xùn)室等進(jìn)行組網(wǎng)，對(duì)單個(gè)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)進(jìn)行集中管理，一方面加強(qiáng)實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)中信息交流與可監(jiān)控性，提高實(shí)訓(xùn)平臺(tái)智能化管理水平，另一方面為衡量實(shí)訓(xùn)培養(yǎng)質(zhì)量提供參考依據(jù)。

一、實(shí)訓(xùn)現(xiàn)狀及需求分析

實(shí)訓(xùn)平臺(tái)是為實(shí)訓(xùn)人員提供實(shí)訓(xùn)機(jī)會(huì)，是加強(qiáng)校企合作、提高高職人才培養(yǎng)質(zhì)量的前提。某單位實(shí)訓(xùn)平臺(tái)包括機(jī)電一體化中心、工業(yè)控制中心、電工電子實(shí)訓(xùn)室、電子信息技術(shù)中心、鼎光電子教學(xué)工廠、春茂電氣自動(dòng)化設(shè)備生產(chǎn)車間及校外實(shí)訓(xùn)基地等，對(duì)于日常實(shí)訓(xùn)管理，以單個(gè)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)為單位，主要依靠實(shí)訓(xùn)教師實(shí)時(shí)監(jiān)督管理，智能化水平低。另外，從校企合作的角度來說，校內(nèi)實(shí)訓(xùn)條件并不能完全適應(yīng)企業(yè)發(fā)展要求，為此，必須基于當(dāng)前實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，加強(qiáng)整體管理以及信息融合，提高整體平臺(tái)的智能化：第一，實(shí)訓(xùn)平臺(tái)擬實(shí)現(xiàn)多個(gè)子平臺(tái)的集成，既能有效采集實(shí)訓(xùn)成果信息，又能適時(shí)監(jiān)控實(shí)訓(xùn)過程中人與設(shè)備狀態(tài)。第二，實(shí)訓(xùn)平臺(tái)提供校企合作基礎(chǔ)。企業(yè)通過現(xiàn)有實(shí)訓(xùn)條件為學(xué)生制訂滿足自身企業(yè)發(fā)展的實(shí)訓(xùn)計(jì)劃，由校方按實(shí)訓(xùn)計(jì)劃培養(yǎng)特定技能人才，根據(jù)實(shí)訓(xùn)結(jié)果及實(shí)訓(xùn)過程采集數(shù)據(jù)對(duì)實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)做出評(píng)價(jià)。第三，實(shí)訓(xùn)平臺(tái)便于管理和維護(hù)，有較高的性價(jià)比。

二、PTP物聯(lián)網(wǎng)模型構(gòu)建

（一）PTP物聯(lián)網(wǎng)模型結(jié)構(gòu)。物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用模型主要分為三類：一是基于EPCGlobal的應(yīng)用框架，特別是以RFID為核心的編碼、識(shí)別處理模型，主要面向于某種信號(hào)的采集，如園區(qū)車輛管理等。二是基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的多平臺(tái)融合監(jiān)控，面向于分散對(duì)象的信息采集，如物聯(lián)網(wǎng)路燈等。三是基于有線和無線的M2M（machine to machine）物聯(lián)網(wǎng)框架，面向局部范圍內(nèi)信息的采集和處理。對(duì)于實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的物聯(lián)網(wǎng)模型，主要是實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化中心、工業(yè)控制中心、電工電子實(shí)訓(xùn)室、電子信息技術(shù)中心等多個(gè)實(shí)訓(xùn)過程中數(shù)據(jù)融合，考慮到實(shí)訓(xùn)室實(shí)際的地位位置分布，可采用M2M有線和無線通信相結(jié)合的“應(yīng)答”模型。如圖1，該物聯(lián)網(wǎng)模型提供四層框架，依次為應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層、服務(wù)層、物理層。

圖1 實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的物聯(lián)網(wǎng)模型

應(yīng)用層根據(jù)使用對(duì)象的不同提供多級(jí)顯示服務(wù)，I類用戶顯示整個(gè)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)信息，并為整體實(shí)訓(xùn)提供指導(dǎo)，II類用戶對(duì)單個(gè)實(shí)訓(xùn)室進(jìn)行監(jiān)管、III類用戶面向?qū)嵱?xùn)對(duì)象，提供實(shí)訓(xùn)過程中必要的實(shí)訓(xùn)信息（如實(shí)訓(xùn)任務(wù)、步驟、錯(cuò)誤報(bào)警等）。

網(wǎng)絡(luò)層包括校內(nèi)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)及校外合作企業(yè)的網(wǎng)絡(luò)連接及訪問服務(wù)。校內(nèi)提供了無線和有線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)通信，校外以ADSL為媒介，實(shí)現(xiàn)校內(nèi)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)與校外合作企業(yè)的信息交互。服務(wù)層是聯(lián)系應(yīng)用層與物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的重要組成，應(yīng)用服務(wù)器將各實(shí)訓(xùn)平臺(tái)采集到的信息存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中，各級(jí)用戶根據(jù)其訪問等級(jí)從WEB服務(wù)器中獲取對(duì)應(yīng)信息。

子實(shí)訓(xùn)平臺(tái)包括大量的感應(yīng)節(jié)點(diǎn)，即物理層節(jié)點(diǎn)，通過一系列傳感器，采集實(shí)訓(xùn)過程中的基本數(shù)據(jù)信息，如在電工電子實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，以CC2430為基本的“感知”模塊，測量關(guān)鍵點(diǎn)處端電壓及電流信號(hào)。

（二）M2M模型通信的“應(yīng)答”構(gòu)建。物聯(lián)網(wǎng)M2M模型通信采用輪轉(zhuǎn)查詢的“應(yīng)答”模式，特別是圖1中的電工電子實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，采用了IEEE 802.15.4協(xié)議的ZigBee通信。首先，系統(tǒng)初始化，依次校驗(yàn)物理層、網(wǎng)絡(luò)層、服務(wù)層、應(yīng)用層標(biāo)志位，若標(biāo)志位無改變，則完成一次輪轉(zhuǎn)，若標(biāo)志位改變，則需返回處理事件，并重新開始校驗(yàn)，如網(wǎng)絡(luò)層標(biāo)志位改變，返回網(wǎng)絡(luò)層處理事件（NWK_Process_Event），并從物理層重新校驗(yàn)，如圖2。

圖2 ZigBee協(xié)議軟件構(gòu)建流程

以電工電子實(shí)訓(xùn)平臺(tái)物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)通信為例進(jìn)一步分析M2M模型通信的“應(yīng)答”機(jī)制：實(shí)訓(xùn)開始，系統(tǒng)初始化，各實(shí)訓(xùn)節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求加入網(wǎng)絡(luò)，與Sink節(jié)點(diǎn)（網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器）交互，調(diào)用aplJoitNetwork（ ）函數(shù)，校驗(yàn)符號(hào)位，加入該節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)。單個(gè)節(jié)點(diǎn)與Sink節(jié)點(diǎn)交互時(shí)，為了方便，可使交互在同一程序目錄下執(zhí)行，然后按照交互目的，調(diào)用不同的事件處理程序。

三、多實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的融合及其關(guān)鍵技術(shù)分析

（一）多實(shí)訓(xùn)平臺(tái)及設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)連接。根據(jù)各實(shí)訓(xùn)平臺(tái)硬件配置，子實(shí)訓(xùn)平臺(tái)及其設(shè)備的接入可分為：

1.基于路由器/交換機(jī)的有線連接，如工業(yè)控制中心、電子信息技術(shù)中心等，這些平臺(tái)設(shè)備多通過有線連接入網(wǎng)。圖3給出了基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分兩級(jí)管理模式：第一級(jí)主要是對(duì)應(yīng)于子平臺(tái)的監(jiān)控計(jì)算機(jī)（教師端，II類用戶），監(jiān)控學(xué)生端設(shè)備；第二級(jí)是整個(gè)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的監(jiān)控管理中心，包括校內(nèi)以及校外管理用戶（I類用戶）。

2.基于Zigbee的無線連接，如電工電子實(shí)訓(xùn)室等，多以CC2430無線單片機(jī)為核心，采集學(xué)生端設(shè)備數(shù)據(jù)，并與上層用戶數(shù)據(jù)交換。

由于實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的復(fù)雜性，多數(shù)情況下有線和無線通信需協(xié)同進(jìn)行，如在鼎光電子教學(xué)廠和春茂電氣自動(dòng)化設(shè)備生產(chǎn)車間，工控機(jī)、大型設(shè)備的并網(wǎng)連接以有線連接為主，而某些敷設(shè)線路冗雜的地方則以無線連接為主，如電氣柜溫度檢測節(jié)點(diǎn)等。

圖3 實(shí)訓(xùn)平臺(tái)有線連接的星形拓?fù)?/p>

（二）基于Zigbee的無線收發(fā)技術(shù)。Zigbee無線通信可基于CC2430無線單片機(jī)中射頻（RF）收發(fā)裝置實(shí)現(xiàn)，如圖4，待發(fā)數(shù)據(jù)經(jīng)2.4GHz直接序列擴(kuò)頻并放大后，由天線發(fā)出，接收到的RF信號(hào)經(jīng)解擴(kuò)恢復(fù)到原發(fā)送數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信號(hào)收發(fā)。

圖4 CC2430射頻（RF）收發(fā)裝置

對(duì)于2.4GHz直接序列擴(kuò)頻技術(shù)，IEEE 802.15.4給出了對(duì)應(yīng)的擴(kuò)頻步驟：將二進(jìn)制數(shù)據(jù)每個(gè)字節(jié)的低4位轉(zhuǎn)換為一個(gè)符號(hào)，高4位轉(zhuǎn)換為另一個(gè)符號(hào)；擴(kuò)展得到的符號(hào)數(shù)據(jù)為一個(gè)32bit的PN序列；擴(kuò)展后的序列通過半正弦脈沖調(diào)制，將數(shù)據(jù)信號(hào)映射到載波信號(hào)中。待發(fā)送數(shù)據(jù)調(diào)制結(jié)束后，設(shè)置寄存器為“CTRL1.TX_MODE=0；STXON”準(zhǔn)備待發(fā)，若信道空閑，啟用數(shù)據(jù)校準(zhǔn)并發(fā)送，當(dāng)沒有字節(jié)寫入SFLUSHTX時(shí)，TXFIFO緩沖器給出下溢脈沖，表明發(fā)送結(jié)束；在接收端，寄存器設(shè)置為“DMCTRL1. RX_MODE=0；SRXON”，準(zhǔn)備接收，若RXFIFO溢出，接收中斷，當(dāng)復(fù)位后無信息流，則表示完成數(shù)據(jù)接收，將接收到的RF信號(hào)解擴(kuò)即可獲得待發(fā)數(shù)據(jù)。

高職實(shí)訓(xùn)平臺(tái)信息的無線收發(fā)是利用CC2430無線模塊實(shí)現(xiàn)的。在春茂電氣自動(dòng)化設(shè)備生產(chǎn)車間，采集關(guān)鍵點(diǎn)（變壓器、控制柜等）電流、電壓、溫度等參數(shù)，將數(shù)據(jù)寫入128位的發(fā)送緩存，設(shè)置寄存器，經(jīng)多次跳躍后到Sink節(jié)點(diǎn)接收，將子節(jié)點(diǎn)采集到數(shù)據(jù)傳給無線路由設(shè)備，并上載服務(wù)器數(shù)據(jù)中心，根據(jù)用戶等級(jí)差異，訪問對(duì)應(yīng)WEB服務(wù)器，對(duì)平臺(tái)設(shè)備等進(jìn)行監(jiān)控。同時(shí)，根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)，I、II類用戶可對(duì)學(xué)生單個(gè)實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)進(jìn)行評(píng)價(jià)，對(duì)其實(shí)訓(xùn)過程存在的問題進(jìn)行說明，給出合理化建議，并通過該課程的教學(xué)管理平臺(tái)發(fā)布，使受訓(xùn)學(xué)生加深實(shí)訓(xùn)過程的定性認(rèn)識(shí)。

（三）實(shí)訓(xùn)過程遠(yuǎn)程管理技術(shù)。高職物聯(lián)網(wǎng)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)不僅對(duì)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控管理，還要對(duì)受訓(xùn)人進(jìn)行管理，適時(shí)評(píng)價(jià)并提高實(shí)訓(xùn)效果：企業(yè)根據(jù)自身發(fā)展需求制訂學(xué)生的實(shí)訓(xùn)計(jì)劃，校方提供實(shí)訓(xùn)環(huán)境。在實(shí)訓(xùn)過程中，利用M2M框架，一方面監(jiān)控實(shí)訓(xùn)設(shè)備，確保實(shí)訓(xùn)安全；另一方面采集實(shí)訓(xùn)信息（到課狀況、實(shí)訓(xùn)時(shí)間、PLC程序、電工電子導(dǎo)通信息等），評(píng)價(jià)實(shí)訓(xùn)過程，真正實(shí)現(xiàn)設(shè)備和人的共同管理。

實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的遠(yuǎn)程管理是基于服務(wù)器層面的各用戶之間的信息交互，包含不同用戶對(duì)某一事物的認(rèn)知分析，如圖5所示。企業(yè)用戶和教師用戶從各自WEB界面獲得學(xué)生A的實(shí)訓(xùn)情況，并通過WEB界面將實(shí)訓(xùn)評(píng)價(jià)、建議等輸入到數(shù)據(jù)服務(wù)器中，然后由實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的綜合管理中心發(fā)布，學(xué)生A通過訪問WEB服務(wù)器認(rèn)清實(shí)訓(xùn)過程的不足，并根據(jù)給出的建議，不斷優(yōu)化并提高實(shí)訓(xùn)技能。

圖5 基于服務(wù)層的多用戶信息交互示意圖

四、實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的運(yùn)行評(píng)價(jià)與效果分析

高職院校實(shí)訓(xùn)平臺(tái)以M2M物聯(lián)網(wǎng)框架為基礎(chǔ)，對(duì)某校春茂電氣自動(dòng)化設(shè)備生產(chǎn)車間等部分實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)管理。

（一）基于M2M框架的實(shí)訓(xùn)設(shè)備管理效果分析。在春茂電氣自動(dòng)化設(shè)備生產(chǎn)車間，原先的設(shè)備大多依靠人力維護(hù)管理，對(duì)其部分進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)改造后，設(shè)備實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控，并能根據(jù)設(shè)備狀態(tài)智能維護(hù)：一是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信號(hào)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。春茂車間配置有較多的電氣裝置（如焊機(jī)等直接接電設(shè)備），且實(shí)訓(xùn)過程多是帶電作業(yè)，用電不當(dāng)可能造成設(shè)備損害，甚至危及生命安全。在某些節(jié)點(diǎn)配置CC2430無線單片機(jī)，采集并上載電流及端壓信號(hào)，當(dāng)檢測到的電流或電壓過大，超過設(shè)定閥值時(shí)，單片機(jī)能快速做出預(yù)警，斷掉電源，并將故障信息反饋I、II級(jí)用戶。二是優(yōu)化設(shè)備管理、提高經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。春茂車間配置有電氣柜，在實(shí)訓(xùn)過程中需對(duì)柜內(nèi)溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)，避免電氣設(shè)備溫升過高。通常，柜內(nèi)溫度調(diào)節(jié)裝置（空調(diào)機(jī)等）與電氣柜處于同步運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，現(xiàn)對(duì)柜內(nèi)溫升敏感設(shè)備（變壓器等）配置CC2430無線單片機(jī)，其自帶的溫度傳感器可實(shí)時(shí)測量敏感設(shè)備溫度，以此為依據(jù)，控制空調(diào)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，節(jié)約電能消耗，提高經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，如圖6（a），在確保柜內(nèi)溫度正常的前提下，M2M框架下的風(fēng)機(jī)綜合用電量更低，經(jīng)濟(jì)性更好。

（二）基于M2M框架的學(xué)生實(shí)訓(xùn)效果評(píng)價(jià)。取4組，每組8人進(jìn)行兩個(gè)實(shí)訓(xùn)過程M、N，A組采用常規(guī)實(shí)訓(xùn)M、N；B組常規(guī)實(shí)訓(xùn)M、物聯(lián)網(wǎng)實(shí)訓(xùn)N；C組常規(guī)實(shí)訓(xùn)N、物聯(lián)網(wǎng)實(shí)訓(xùn)M；D組物聯(lián)網(wǎng)實(shí)訓(xùn)M、N，如圖6（b），進(jìn)行二次重復(fù)實(shí)訓(xùn)，可見物聯(lián)網(wǎng)框架下實(shí)訓(xùn)效率更高，效果更顯著。

（a）實(shí)訓(xùn)設(shè)備經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

（b）實(shí)訓(xùn)效果對(duì)比

圖6 基于M2M框架的實(shí)訓(xùn)平臺(tái)效果分析

五、結(jié)論

從對(duì)人和物的綜合管理來說，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)有其獨(dú)特的優(yōu)勢，可實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的信息交流，提高整體的智能化水平。本文以某校實(shí)訓(xùn)平臺(tái)為基礎(chǔ)，在分析當(dāng)前實(shí)訓(xùn)環(huán)境的基礎(chǔ)上，給出了一種適用于高職實(shí)訓(xùn)管理的M2M物聯(lián)網(wǎng)框架，并以春茂實(shí)訓(xùn)中心為例，從受訓(xùn)學(xué)生與實(shí)訓(xùn)設(shè)備兩個(gè)方面分析該物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的優(yōu)劣：一是對(duì)于實(shí)訓(xùn)設(shè)備，以CC2430為終端節(jié)點(diǎn)，采集電氣柜內(nèi)溫度、重要機(jī)電設(shè)備的端電壓、電流值等信息，對(duì)實(shí)訓(xùn)過程進(jìn)行監(jiān)控，優(yōu)化設(shè)備管理，提高經(jīng)濟(jì)運(yùn)行；二是對(duì)于受訓(xùn)學(xué)生，通過服務(wù)層的信息交互，提高實(shí)訓(xùn)效率，滿足校企雙方要求的實(shí)訓(xùn)要求?？傊?，M2M物聯(lián)網(wǎng)框架適用于高職實(shí)訓(xùn)平臺(tái)管理，能實(shí)現(xiàn)多子實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的融合，有效解決單實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的信息孤島問題，對(duì)于推進(jìn)高職教育改革，提高教學(xué)質(zhì)量都有重要的意義。

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【基金項(xiàng)目】廣西高校科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目（LX2014555）

（責(zé)編 黎 原）