高校新型物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)方案探索

王海春　余龍　李均

摘要：目前，教育部已批準(zhǔn)了多所高校設(shè)置物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)。作為物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)建設(shè)之一的物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)，是物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)人才培養(yǎng)中很重要的部分。本文在分析了傳統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)存在的問題基礎(chǔ)上，提出了創(chuàng)新型物聯(lián)網(wǎng)集成實(shí)驗(yàn)室建設(shè)方案。

關(guān)鍵詞：專業(yè)建設(shè)；實(shí)驗(yàn)室建設(shè)；物聯(lián)網(wǎng)工程；物聯(lián)網(wǎng)集成實(shí)驗(yàn)室

中圖分類號：G647 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）52-0240-02

物聯(lián)網(wǎng)是戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的重要組成部分，是繼計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)通信之后新一輪的信息技術(shù)革命，正成為推動(dòng)信息技術(shù)在各行各業(yè)更深入應(yīng)用的新一輪的信息化浪潮。發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)是實(shí)現(xiàn)技術(shù)自主可控，保障國家安全的迫切需要；是發(fā)展戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，帶動(dòng)經(jīng)濟(jì)增長的迫切需要；是提升整體創(chuàng)新能力，建設(shè)創(chuàng)新型國家的迫切需要。物聯(lián)網(wǎng)是通過信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議實(shí)現(xiàn)人與人、人與物、物與物全面互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)，其主要特征是通過射頻識(shí)別、傳感器等方式獲取物理世界的各種信息，結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)通信網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息的傳送與交互，采用智能計(jì)算技術(shù)對信息進(jìn)行分析處理，從而提高對物質(zhì)世界的感知能力，實(shí)現(xiàn)智能化的決策和控制。目前，很多高校和職業(yè)學(xué)校在規(guī)劃建設(shè)和不斷完善物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)室，但是如何在預(yù)算有限的成本空間下，建立一個(gè)理想的、具有先進(jìn)性的物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室，是大家普遍關(guān)心的問題，也是高校和職業(yè)學(xué)校實(shí)驗(yàn)室建設(shè)所面臨的一個(gè)全新挑戰(zhàn)。

一、物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的背景

目前，全國高校物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)可以劃分為三個(gè)階段：（1）2010—2011年，全國物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)正式招生，實(shí)驗(yàn)室建設(shè)參考電子工程實(shí)驗(yàn)室建設(shè)方案進(jìn)行。（2）2011—2013年，建立在網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上的物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)工程開始投入使用。（3）2013—2015年，以云計(jì)算為基礎(chǔ)的具有物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)特色的實(shí)驗(yàn)室建設(shè)工程開始實(shí)施。傳統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)工程人才培養(yǎng)計(jì)劃，物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的技術(shù)實(shí)驗(yàn)，主要包含三個(gè)部分：基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)室、專業(yè)實(shí)驗(yàn)室和綜合實(shí)驗(yàn)室。由于全國高校的物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)由多個(gè)不同的學(xué)院舉辦，如有的辦在計(jì)算機(jī)學(xué)院，有的辦在電子工程學(xué)院，有的辦在通信學(xué)院。不同的背景決定了物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的建設(shè)和實(shí)驗(yàn)室建設(shè)，都帶有了原來的專業(yè)特色。

二、傳統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)現(xiàn)狀

高校工程應(yīng)用型專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)是高素質(zhì)的技術(shù)應(yīng)用人才，就嵌入式和物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)而言，在課程設(shè)置上，要求基礎(chǔ)理論以“實(shí)用、夠用”為度，突出實(shí)踐教學(xué)，注重學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)。實(shí)踐課程體系設(shè)置是實(shí)現(xiàn)實(shí)踐能力培養(yǎng)目標(biāo)的重要手段，嵌入式和物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)實(shí)踐教學(xué)課程的設(shè)置大致應(yīng)包含基礎(chǔ)實(shí)踐、專業(yè)實(shí)踐、應(yīng)用創(chuàng)新實(shí)踐三個(gè)層次。理論上，傳統(tǒng)基礎(chǔ)上的物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)理念指導(dǎo)下的物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)，主要是建設(shè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)室、專業(yè)實(shí)驗(yàn)室和綜合實(shí)驗(yàn)室。

1.基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)室。通過課程實(shí)驗(yàn)和課程設(shè)計(jì)的方式，完成學(xué)科基礎(chǔ)模塊中相應(yīng)課程的實(shí)驗(yàn)，模擬電子數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)，高頻微波通信和無線通信，傳感器和單片機(jī)原理與應(yīng)用實(shí)驗(yàn)，C語言和匯編語言，實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，等等?；A(chǔ)實(shí)踐旨在使學(xué)生掌握進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)所要求的基本技能，主要包括基本工具的使用、基本元器件的檢測和相關(guān)電路的調(diào)試、仿真器的使用和調(diào)試以及軟件的使用和開發(fā)等。

2.專業(yè)實(shí)驗(yàn)室。通過課程實(shí)驗(yàn)和課程設(shè)計(jì)的方式，專業(yè)基礎(chǔ)模塊和專業(yè)課模塊中相應(yīng)課程的實(shí)驗(yàn)，包括通信原理實(shí)驗(yàn)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)、傳感網(wǎng)實(shí)驗(yàn)、RFID實(shí)驗(yàn)、移動(dòng)互聯(lián)實(shí)驗(yàn)、IPV6實(shí)驗(yàn)、高級Linux和安卓等大型移動(dòng)嵌入式操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)等。其中，大部分實(shí)驗(yàn)都涉及到物聯(lián)網(wǎng)的單項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。專業(yè)實(shí)踐的目的在于培養(yǎng)學(xué)生物聯(lián)網(wǎng)單項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的基本技能和專項(xiàng)技能。

3.綜合實(shí)驗(yàn)室。需要能夠支持畢業(yè)設(shè)計(jì)、電子競賽、科研課題和應(yīng)用實(shí)訓(xùn)等形式，著眼于物聯(lián)網(wǎng)知識(shí)和技能的綜合運(yùn)用，其目的在于通過一系列的實(shí)踐活動(dòng)，鍛煉學(xué)生的應(yīng)用創(chuàng)新能力。實(shí)踐活動(dòng)中需要學(xué)生利用所學(xué)的知識(shí)和技能分析、解決實(shí)際問題，使學(xué)生獲取更多的直接經(jīng)驗(yàn)和間接經(jīng)驗(yàn)。綜合實(shí)驗(yàn)室提供的嵌入式和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)平臺(tái)，使學(xué)生可基于已有的示范系統(tǒng)獲得物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)的感性認(rèn)識(shí)，進(jìn)而在其上進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)，或者自主選題參加電子競賽。教師也可以將科研課題引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，以科研課題為背景，循序漸進(jìn)地開展與科研課題相關(guān)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，逐步引導(dǎo)學(xué)生在綜合實(shí)驗(yàn)室完成科研型實(shí)驗(yàn)。

按照這個(gè)理論上的方案來建設(shè)的實(shí)驗(yàn)室，主要存在兩方面的問題：一是必然會(huì)導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)室出現(xiàn)越來越大和越來越多的趨勢，實(shí)驗(yàn)室加大和加多，必然導(dǎo)致使用能源的增加，管理難度增加和實(shí)驗(yàn)室建設(shè)成本上升，這一點(diǎn)對資金有限和場地有限的許多高校來說，建設(shè)實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)室會(huì)造成很大困擾。二是存在技術(shù)上的落后，沒有反映物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的新趨勢和新技術(shù)。

三、密切聯(lián)系物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展趨勢的集成實(shí)驗(yàn)室建設(shè)方案

1.物聯(lián)網(wǎng)新架構(gòu)及特點(diǎn)。經(jīng)過近幾年的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)日趨成熟，如果將物聯(lián)網(wǎng)比喻成一座大廈，各種物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用工程和應(yīng)用產(chǎn)品就是這個(gè)大廈的主體結(jié)構(gòu)。而各種相關(guān)的技術(shù)，特別是新興的無線通信和無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（包括ZigBee、藍(lán)牙、WiFi、RFID等）構(gòu)成了大廈的基礎(chǔ)?；谠贫撕驮朴?jì)算的互聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)，云計(jì)算，將億萬個(gè)不同的節(jié)點(diǎn)和設(shè)備連接成為巨大的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，無處不在的智能手機(jī)等移動(dòng)互聯(lián)設(shè)備，通過云端服務(wù)器和云計(jì)算結(jié)構(gòu)連接到億萬物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了聯(lián)網(wǎng)控制和獲取各種傳感器數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)停留在原來電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)建設(shè)的模板上，沒有與時(shí)俱進(jìn)，不能與當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的現(xiàn)狀密切聯(lián)系，不利于培養(yǎng)能適應(yīng)當(dāng)前技術(shù)發(fā)展實(shí)際的物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)技術(shù)人才。要建設(shè)新的緊密聯(lián)系當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)新發(fā)展的物聯(lián)網(wǎng)工程技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，就需要物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)室整體網(wǎng)絡(luò)覆蓋，要將多種移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)、傳感器網(wǎng)絡(luò)、高速無線網(wǎng)絡(luò)與有線網(wǎng)絡(luò)實(shí)施多層次的完整覆蓋。同時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)對實(shí)驗(yàn)的指導(dǎo)和監(jiān)控，方便教師指導(dǎo)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)和保存實(shí)驗(yàn)原始數(shù)據(jù)，要將實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)室內(nèi)部的相關(guān)SOC芯片、部件和互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)等通過這個(gè)完全覆蓋實(shí)驗(yàn)室的網(wǎng)絡(luò)連接到云計(jì)算服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫，最終連接到智能手機(jī)和平板等移動(dòng)終端設(shè)備，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室基于云的系統(tǒng)集成。

2.基于物聯(lián)網(wǎng)新架構(gòu)設(shè)計(jì)的集成實(shí)驗(yàn)室。物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的實(shí)驗(yàn)室建設(shè)，應(yīng)該與時(shí)俱進(jìn)，與當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的現(xiàn)狀密切聯(lián)系，以便培養(yǎng)能適應(yīng)當(dāng)前技術(shù)發(fā)展實(shí)際的物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)技術(shù)人才。要實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，就需要物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)室的整體網(wǎng)絡(luò)覆蓋，包括多種移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)、傳感器網(wǎng)絡(luò)、高速無線網(wǎng)絡(luò)和有線網(wǎng)絡(luò)的多層次完整覆蓋。同時(shí)，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)室內(nèi)部相關(guān)SOC芯片、部件和互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)等通過這個(gè)完全覆蓋網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室的網(wǎng)絡(luò)連接到云計(jì)算服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫，最終連接到智能手機(jī)和平板等移動(dòng)終端設(shè)備。典型的創(chuàng)新型物聯(lián)網(wǎng)集成實(shí)驗(yàn)室如圖1所示。

典型的創(chuàng)新型物聯(lián)網(wǎng)集成實(shí)驗(yàn)室建設(shè)要求：①實(shí)驗(yàn)室要與云端連接，以實(shí)現(xiàn)終端的傳感器數(shù)據(jù)隨時(shí)上傳存儲(chǔ)。②云端的傳感器數(shù)據(jù)可在本地投影儀上隨時(shí)查看。③實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)臺(tái)與本地服務(wù)器直接相連，并通過服務(wù)器與云端實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈接。④教師的計(jì)算機(jī)與學(xué)生實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)臺(tái)上的MPU可實(shí)現(xiàn)通訊連接。⑤在本地實(shí)驗(yàn)儀器倉庫中，配備了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)與檢測儀器設(shè)備，供學(xué)生借用。⑥在本地元器件倉庫中，配備了相關(guān)的元器件，供學(xué)生借用。⑦在物聯(lián)網(wǎng)案例展示區(qū)中，有與本次實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)相關(guān)的物聯(lián)網(wǎng)案例樣品，供學(xué)生參考。

和傳統(tǒng)嵌入式實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)室方案比較，集成實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)室可以實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)工程實(shí)驗(yàn)室、物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)實(shí)驗(yàn)室、電子信息實(shí)驗(yàn)室、嵌入式軟件實(shí)訓(xùn)室、RFID實(shí)訓(xùn)室等多種實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)室功能。不僅能使實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)室建設(shè)更加接近物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等技術(shù)前沿，而且通過立體空間和多種實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)室集成，大幅度地降低了實(shí)驗(yàn)室建設(shè)價(jià)格和需要場地的空間，使更多比較缺乏經(jīng)費(fèi)的高校和職業(yè)學(xué)校可以盡快開展新型實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)室建設(shè)工作。全面集成應(yīng)用實(shí)訓(xùn)場景和功能新型集成實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)室，通過多工位互聯(lián)互動(dòng)和整體應(yīng)用場景仿真，實(shí)現(xiàn)了將智能家居、智慧煤礦、智慧圖書館、智慧零售、智慧物流、智慧小區(qū)、智慧醫(yī)院等多種應(yīng)用實(shí)訓(xùn)場景和應(yīng)用實(shí)訓(xùn)功能集成在單一的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，全面強(qiáng)化了應(yīng)用體驗(yàn)和支持各種應(yīng)用開發(fā)項(xiàng)目。

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