Anduibee物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的探索與實(shí)踐

車楠+杜寧+王姚

摘 要：物聯(lián)網(wǎng)作為目前各高校建立的新興專業(yè)學(xué)科，具有多學(xué)科融合以及面向系統(tǒng)級工程應(yīng)用的特點(diǎn)，如何構(gòu)建其實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系是物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)與方向發(fā)展的關(guān)鍵問題。文章從物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)課程體系現(xiàn)狀出發(fā)，結(jié)合哈爾濱理工大學(xué)軟件學(xué)院物聯(lián)網(wǎng)方向自制實(shí)驗(yàn)設(shè)備研發(fā)經(jīng)驗(yàn)，構(gòu)建了以Arduino、Android與XBee技術(shù)為主體的物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；高校

中圖分類號：G642.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1002-4107（2015）11-0033-02

物聯(lián)網(wǎng)被稱為繼計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)之后世界信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的第三次浪潮，在智能交通、公共安全、工業(yè)監(jiān)測、環(huán)境監(jiān)測、智能家居等各方面都有著廣泛的需求和應(yīng)用前景?？梢晕锫?lián)網(wǎng)究竟是什么？物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)內(nèi)涵是什么？物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的課程體系應(yīng)該怎么樣構(gòu)架？應(yīng)該組織什么樣的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目來支撐這個課程體系？這幾個問題一直是業(yè)內(nèi)教育者所思考的問題。

一、物聯(lián)網(wǎng)概念

物聯(lián)網(wǎng)這個概念被提出之前很久就存在很多符合物聯(lián)網(wǎng)特征的應(yīng)用項(xiàng)目，只不過那時候還沒有這個詞，大家通常將諸如此類的應(yīng)用項(xiàng)目冠名于某某遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)、某某遠(yuǎn)程采樣系統(tǒng)、某某智能系統(tǒng)等。最近幾年由于無線技術(shù)、低功耗技術(shù)的日趨成熟，及從研發(fā)到產(chǎn)品化，很多以前很好的創(chuàng)新性應(yīng)用想法有了扎實(shí)的技術(shù)依托。在十多年前是很難想象到一個無線傳感器節(jié)點(diǎn)能夠僅依靠電池供電工作長達(dá)幾年的時間。提及傳感器網(wǎng)絡(luò)里程碑式的應(yīng)用，不得不提到加州大學(xué)伯克利分校的大鴨島傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控項(xiàng)目，該項(xiàng)目實(shí)施于2002年，整個系統(tǒng)僅僅有30個節(jié)點(diǎn)。而隨著技術(shù)的發(fā)展僅僅在2007年左右，ZigBee聯(lián)盟提出了能夠支持上千個節(jié)點(diǎn)的ZigBee PRO協(xié)議棧，該領(lǐng)域發(fā)展的速度可見一斑。還有很多其他技術(shù)的發(fā)展也延伸了物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用領(lǐng)域，如RFID技術(shù)的成熟，使得物聯(lián)網(wǎng)在支付、物流等領(lǐng)域井噴式地發(fā)展；云計(jì)算技術(shù)的迅猛發(fā)展，使得物聯(lián)網(wǎng)所采集的信息有了存儲和計(jì)算的載體。

綜上所述，物聯(lián)網(wǎng)這個概念是依托于多種技術(shù)的發(fā)展涌現(xiàn)出來的，其核心是依靠于各種類型設(shè)備之間的互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)Machine to Machine（M2M）級別的應(yīng)用。

二、物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)內(nèi)涵

截止到目前來看，區(qū)別于傳統(tǒng)專業(yè)，物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)并沒有一個本專業(yè)獨(dú)有的核心技術(shù)，事實(shí)上物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中所使用的各種技術(shù)都是其他學(xué)科技術(shù)發(fā)展的結(jié)晶。以無線傳感器網(wǎng)絡(luò)為例，計(jì)算機(jī)學(xué)科貢獻(xiàn)了無線通信的應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層、安全加密等技術(shù)；通信學(xué)科貢獻(xiàn)了物理層技術(shù)；電子學(xué)科貢獻(xiàn)了各種低功耗模塊技術(shù)；儀器儀表、物理、化學(xué)等學(xué)科貢獻(xiàn)了各種傳感技術(shù)。也就是說，物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)是上述專業(yè)發(fā)展到一定程度孕育而生的。那么物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)內(nèi)涵在哪里？由于物聯(lián)網(wǎng)本身涵蓋了多個學(xué)科的知識范疇，如果簡單向某個學(xué)科的內(nèi)涵進(jìn)行靠攏，那么設(shè)置物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)本身就缺乏了其應(yīng)有的意義和價值。事實(shí)上，物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)設(shè)置應(yīng)該是面向多種現(xiàn)有多學(xué)科技術(shù)應(yīng)用集成和物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。

三、物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的課程體系

由于物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)面向涉及多學(xué)科的工程應(yīng)用型人才培養(yǎng)，課程體系應(yīng)該能夠支撐起物聯(lián)網(wǎng)工程系統(tǒng)集成，也就是說，物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)課程體系建設(shè)應(yīng)該與物聯(lián)網(wǎng)工程體系相符合?，F(xiàn)在多數(shù)物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的課程體系都是依據(jù)此建立起來的，物聯(lián)網(wǎng)工程體系中一般可以劃分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層。感知層一般涵蓋物聯(lián)網(wǎng)MCU技術(shù)、傳感器技術(shù)、RFID技術(shù)等；網(wǎng)絡(luò)層一般涵蓋ZigBee技術(shù)、802.11 WIFI通信技術(shù)、藍(lán)牙通信技術(shù)、802.15.4通信技術(shù)等；應(yīng)用層一般包含中間件技術(shù)、移動終端開發(fā)技術(shù)、云計(jì)算技術(shù)等[1]。

四、物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系

根據(jù)Libelium提出的物聯(lián)網(wǎng)基本架構(gòu)，我們軟件學(xué)院提出了自己的AnduiBee物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)路線用以支撐物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)理論和教學(xué)工作，而AnduiBee的由來在于AnduiBee=Arduino+Android+XBee，即我們選擇Arduino開源軟硬件平臺作為開發(fā)物聯(lián)網(wǎng)MCU的平臺；選擇Android開源平臺作為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)平臺；選擇XBee標(biāo)準(zhǔn)系列射頻模塊作為網(wǎng)絡(luò)層實(shí)現(xiàn)載體（如圖1所示）[2]。

根據(jù)該架構(gòu)，結(jié)合國際上物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域通用技術(shù)，AnduiBee給出了物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)的一般化技術(shù)路線，而我們AnduiBee的教學(xué)解決方案就是以該技術(shù)路線為依托，以能夠使學(xué)生搭建和實(shí)現(xiàn)一個完整物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)為教學(xué)目的，結(jié)合國際流行的開源軟硬件技術(shù)，通過深入淺出的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)置，使學(xué)生掌握與國際教學(xué)水平接軌和工業(yè)化水平接軌的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。通常物聯(lián)網(wǎng)會被劃分為三個層：感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層，上圖給出了AnduiBee物聯(lián)網(wǎng)解決方案針對每個層的技術(shù)路線，該技術(shù)路線充分參考了Libelium、Digi等頂級物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)提供商的解決方案[3]，采用了國際流行的開源軟硬件技術(shù)，符合國際開源軟硬件標(biāo)準(zhǔn)。

AnduiBee物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系是我們依據(jù)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)集成所需技術(shù)環(huán)節(jié)制訂的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系（如圖2所示），該體系結(jié)合了目前國際物聯(lián)網(wǎng)廣泛使用的技術(shù)。本文主要講解的理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的項(xiàng)目就是基于這個體系完成的，我們選擇了廣泛和通用的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，即實(shí)驗(yàn)體系中主線和推薦使用部分在本書內(nèi)進(jìn)行詳細(xì)說明，其他部分在www.anduibee.com的網(wǎng)站上都能找到詳細(xì)的指導(dǎo)材料。

圖2中實(shí)線部分本身是我們實(shí)驗(yàn)體系中主干課程，而虛線部分是面向大學(xué)生實(shí)踐活動、創(chuàng)新活動、深入研究學(xué)習(xí)而設(shè)立的選修實(shí)驗(yàn)。

在感知層中基于Arduino的物聯(lián)網(wǎng)MCU開發(fā)技術(shù)是對應(yīng)傳統(tǒng)單片機(jī)技術(shù)這門課程[4]，通過引入Arduino

這一世界知名的開源軟硬件平臺，能夠使學(xué)生了解到國際上通用單片機(jī)軟硬件開發(fā)方式，并針對物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域通常涉及的單片機(jī)應(yīng)用環(huán)節(jié)，有針對性地開設(shè)了相關(guān)環(huán)節(jié)。作為物聯(lián)網(wǎng)重要組成部分，傳感器應(yīng)用技術(shù)中包括了傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域通常使用的傳感器技術(shù)，其中包括溫濕度傳感器、光感傳感器等，并通過上述所提到Arduino平臺結(jié)合進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生充分掌握傳感器開發(fā)使用方式。在RFID技術(shù)環(huán)節(jié)我們提供兩個課程：一個是基于廣泛使用PN532射頻的芯片的RFID開發(fā)技術(shù)，該課程主要是通過針對于PN532這一專業(yè)芯片的接口開發(fā)技術(shù)，通過Arduino使用SPI接口對PN532進(jìn)行控制和采樣；另外一種低頻的RFID應(yīng)用技術(shù)，主要采用Arduino外加射頻電路完成RFID物理層功能，通過該部分可以使學(xué)生理解物理層工作原理包括曼徹斯特編碼解碼、信號載波和濾波工作過程。

網(wǎng)絡(luò)層部分中，802.15.4無線通信技術(shù)，802.15.4技術(shù)一種面向點(diǎn)對點(diǎn)、星型網(wǎng)絡(luò)的無線通信協(xié)議，其本身可以作為ZigBee協(xié)議棧的物理層和MAC層，實(shí)驗(yàn)體系加入這一環(huán)節(jié)原因在當(dāng)整體ZigBee的協(xié)議棧工作的時候，MAC層部分可控制接口就被封裝了起來，無法體現(xiàn)出MAC層的工作原理，其實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括了：802.15.4點(diǎn)對點(diǎn)通信、 遠(yuǎn)程控制模擬和數(shù)字I/O、API操作實(shí)現(xiàn)本地和遠(yuǎn)程控制、 配置管腳睡眠和周期睡眠、Arduino控制XBee模塊通信、 建立星型網(wǎng)絡(luò)、 網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的數(shù)字/模擬采樣。而對于ZigBee技術(shù)部分實(shí)驗(yàn)，我們采用的是ZigBee 2007/pro協(xié)議棧，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括ZigBee網(wǎng)絡(luò)建立和路由協(xié)議實(shí)驗(yàn)、 ZigBee 2007 PRO安全實(shí)驗(yàn)、ZigBee網(wǎng)絡(luò)中終端節(jié)點(diǎn)休眠實(shí)驗(yàn)、ZigBee應(yīng)用層實(shí)驗(yàn)、Zigbee模塊與MCU配合開發(fā)方法（其中MCU也采用前文所述的Arduino平臺）。對于802.11協(xié)議棧既WIFI實(shí)驗(yàn)部分實(shí)驗(yàn)包括了：帶有基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)WIFI通信實(shí)驗(yàn)、 S6B周期性模擬和數(shù)字I/O采樣、基于IP Service XBeeS6B遠(yuǎn)程AT命令實(shí)驗(yàn)、 IP Service的串口信息通信、 通用API使用方法、使用API中IPV4模式完成數(shù)據(jù)傳輸、 基于XBee S6B 的HTTP應(yīng)用層實(shí)驗(yàn)。藍(lán)牙應(yīng)用技術(shù)部分，我們分為兩類：藍(lán)牙2.0、藍(lán)牙4.0，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括：藍(lán)牙主/從配置、 MCU模塊控制藍(lán)牙模塊等，值得注意的是我們在藍(lán)牙4.0實(shí)驗(yàn)中加入了現(xiàn)在廣受關(guān)注的Ibeacon實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)。

應(yīng)用層部分中，M2M物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)及中間件環(huán)節(jié)采用的是DIGI公司出品DIA網(wǎng)關(guān)中間件技術(shù)，該中間件技術(shù)可以支持ZigBee節(jié)點(diǎn)信息采集、數(shù)據(jù)云信息傳遞、一致性保證等功能，可以通過中間件上的應(yīng)用開發(fā)從而實(shí)現(xiàn)用戶所定制的應(yīng)用，由于中間件技術(shù)是解決大量數(shù)據(jù)傳輸和管理的核心技術(shù)，所以我們的實(shí)驗(yàn)體系中引入這Connector網(wǎng)關(guān)與Zigbee節(jié)點(diǎn)間通信實(shí)驗(yàn)、Connector X2e網(wǎng)關(guān)DIA中間件編程實(shí)驗(yàn)、Device Cloud配置與Android端程序設(shè)計(jì)；對于數(shù)據(jù)表現(xiàn)方面我們采用Android這一廣泛使用的開源移動終端平臺作為我們教學(xué)和實(shí)驗(yàn)的載體，所以我們在體系中加入了Android物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)技術(shù)環(huán)節(jié)，著重體現(xiàn)Android開發(fā)中的無線技術(shù)開發(fā)，包括藍(lán)牙、WIFI網(wǎng)絡(luò)編程，RFID等。

參考文獻(xiàn)：

[1]王志良，閆紀(jì)錚.普通高等學(xué)校物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)知識體

系和課程規(guī)劃[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，

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