應(yīng)用型本科院校物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)研究

冀松++南曉青

摘要：物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)是物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)建設(shè)中的一個(gè)重要組成部分，該文從應(yīng)用型本科院校的具體需求出發(fā)，從建設(shè)原則、需求分析、建設(shè)內(nèi)容三個(gè)方面提出了物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)規(guī)劃。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；實(shí)驗(yàn)室建設(shè)；傳感器；射頻識(shí)別

中圖分類號(hào)：G482 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2016）11-0110-02

物聯(lián)網(wǎng)是通過射頻識(shí)別（RFID）、傳感器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，進(jìn)行信息交換和通訊，以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)是集傳感技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)等多種學(xué)科的綜合應(yīng)用。物聯(lián)網(wǎng)解決的是信息世界與物理世界的互聯(lián)互通。目前我國物聯(lián)網(wǎng)運(yùn)用領(lǐng)域包括智能家居、智能農(nóng)業(yè)、智能交通、智能工業(yè)、智能環(huán)保、智能醫(yī)療等。到目前為止國內(nèi)眾多高校申請(qǐng)和開展了物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的招生和教學(xué)工作。高校要想擔(dān)當(dāng)起新形勢下物聯(lián)網(wǎng)人才的培養(yǎng)，建設(shè)一個(gè)設(shè)施齊全、技術(shù)先進(jìn)、質(zhì)量可靠的物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室迫在眉睫。中國地質(zhì)大學(xué)長城學(xué)院也于2015年招收了第一屆物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的本科學(xué)生。物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)相對(duì)其它專業(yè)來說更側(cè)重實(shí)踐性和應(yīng)用性，因此我們的實(shí)驗(yàn)室建設(shè)是我們整個(gè)學(xué)科建設(shè)中的重點(diǎn)工作。

1 物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的原則

1.1 與本校的培養(yǎng)目標(biāo)相適應(yīng)原則

任何實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)都要與本校的培養(yǎng)目標(biāo)相一致，物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室也不例外。作為應(yīng)用型本科院校，主要培養(yǎng)的是應(yīng)用型人才，而非研究性人才，主要鍛煉學(xué)生物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)的組網(wǎng)、調(diào)試、安裝、售后服務(wù)、技術(shù)支持，培養(yǎng)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)、施工與運(yùn)維人才。因此學(xué)院實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)應(yīng)該以滿足基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)為主，旨在滿足培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力。

1.2 先進(jìn)性原則

物聯(lián)網(wǎng)是被稱為繼計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)之后世界信息產(chǎn)業(yè)第三次浪潮，是一個(gè)前沿的技術(shù)，因此實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)也應(yīng)遵循先進(jìn)性的原則，購置新設(shè)備、采用新技術(shù)以滿足需求。

1.3 模塊化可擴(kuò)展原則

物聯(lián)網(wǎng)涉及到感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層三個(gè)層次，每個(gè)層次都有各自的技術(shù)，這些技術(shù)可以用模塊化的思想實(shí)現(xiàn)，各模塊之間要遵循統(tǒng)一的電氣和數(shù)據(jù)接口，可以自由組合重構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)。

2 物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)需求分析

2.1 物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的技術(shù)需求

從技術(shù)架構(gòu)上來看，物聯(lián)網(wǎng)可分為三層：感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。

感知層的作用相當(dāng)于人的眼耳鼻喉和皮膚等感知系統(tǒng)，它是物聯(lián)網(wǎng)識(shí)別物體、采集信息的手段，其主要功能是識(shí)別物體、采集信息、數(shù)據(jù)匯聚等。感知層由各種傳感器、執(zhí)行器、短距離無線通信、數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)等構(gòu)成，包括：傳感器、二維碼掃描儀、RFID 標(biāo)簽和讀寫器、攝像頭、GPS 等感知終端；步進(jìn)電機(jī)、直流電機(jī)、繼電器、電磁閥等各種執(zhí)行器；ZigBee、Wi-Fi、IPv6、藍(lán)牙等短距離無線通信節(jié)點(diǎn)及網(wǎng)關(guān)。

網(wǎng)絡(luò)層由各種私有網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)、有線和無線通信網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)服務(wù)器和云計(jì)算平臺(tái)等組成，相當(dāng)于人的神經(jīng)中樞和大腦，負(fù)責(zé)傳遞和處理感知層獲取的信息。

應(yīng)用層是物聯(lián)網(wǎng)和用戶（包括人、組織和其他系統(tǒng)）的接口，它與行業(yè)需求相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)各種物聯(lián)網(wǎng)的智能應(yīng)用，例如智能電網(wǎng)、智能交通、智能家居等。

物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室的相關(guān)設(shè)備需要滿足以上物聯(lián)網(wǎng)的三個(gè)層次結(jié)構(gòu)中各個(gè)組部分的相關(guān)實(shí)驗(yàn)。

2.2 物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的應(yīng)用需求

1）滿足物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)要求

實(shí)驗(yàn)室建成后需要滿足培養(yǎng)方案上開設(shè)課程的相關(guān)實(shí)驗(yàn)，這是實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的基本要求。通過這些基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)使學(xué)生能夠更好地理解和掌握專業(yè)知識(shí)。

2）要滿足學(xué)生實(shí)訓(xùn)和參加大賽的要求

在學(xué)生完成多門專業(yè)技術(shù)課程學(xué)習(xí)后，可以開展綜合實(shí)訓(xùn)課程，讓學(xué)生通過項(xiàng)目對(duì)前導(dǎo)課程的知識(shí)綜合應(yīng)用、融會(huì)貫通，完成知識(shí)到技能的轉(zhuǎn)化，知識(shí)點(diǎn)到知識(shí)體系的轉(zhuǎn)化。通過實(shí)訓(xùn)可以鍛煉學(xué)生的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的工程實(shí)踐能力，以便培養(yǎng)出更高水平的物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)學(xué)生。

參加物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用設(shè)計(jì)大賽是鍛煉學(xué)生實(shí)踐能力的重要方法和手段，通過比賽提高學(xué)生對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的興趣和競技能力，豐富教學(xué)內(nèi)容，活躍教學(xué)氣氛。

3）滿足學(xué)校教師物聯(lián)網(wǎng)科研

科研能力也是衡量一個(gè)專業(yè)建設(shè)的重要指標(biāo)。實(shí)驗(yàn)室建成以后，教師可以利用實(shí)驗(yàn)室開展更多地實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，從而提升教師的科研能力。

3 建設(shè)的內(nèi)容

作為培養(yǎng)應(yīng)用型人才的學(xué)院，學(xué)院的應(yīng)該從培養(yǎng)目標(biāo)需求實(shí)際出發(fā)，建立一個(gè)先進(jìn)的滿足教學(xué)、實(shí)訓(xùn)和科研的要求的綜合性的實(shí)驗(yàn)室。本實(shí)驗(yàn)室應(yīng)該包括基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、云服務(wù)平臺(tái)和智能化實(shí)驗(yàn)室，物聯(lián)網(wǎng)工程實(shí)驗(yàn)室組成結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

3.1 基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

1）RFID綜合實(shí)驗(yàn)箱是針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的RFID教學(xué)實(shí)驗(yàn)而開發(fā)的實(shí)驗(yàn)開發(fā)平臺(tái)。RFID技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)，因此有必要單獨(dú)設(shè)置購買實(shí)驗(yàn)箱。實(shí)驗(yàn)箱可以包括各種頻段的RFID讀寫器開發(fā)板、多種常見RFID標(biāo)簽、RFID應(yīng)用模塊、嵌入式系統(tǒng)、PC軟件系統(tǒng)。這五部分構(gòu)成完整的RFID體系，為學(xué)習(xí)RFID技術(shù)、了解RFID應(yīng)用、開發(fā)RFID智能化設(shè)備提供了完整、優(yōu)質(zhì)的軟硬件平臺(tái)。RFID綜合實(shí)驗(yàn)箱能夠有效地幫助師生全面的了解無線射頻RFID，掌握RFID的組成結(jié)構(gòu)、運(yùn)行環(huán)境以及工作模式，熟悉天線工作原理，掌握RFID射頻信號(hào)解碼技術(shù)等。

2）物聯(lián)網(wǎng)綜合實(shí)驗(yàn)箱

物聯(lián)網(wǎng)綜合實(shí)驗(yàn)箱應(yīng)該能夠提供完整的、層次化的物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)體系，提供從處理器技術(shù)、無線組網(wǎng)技術(shù)、嵌入式開發(fā)、應(yīng)用層開發(fā)與服務(wù)、到典型的系統(tǒng)開發(fā)實(shí)戰(zhàn)。物聯(lián)網(wǎng)綜合實(shí)驗(yàn)箱需要滿足以下三層的具體實(shí)驗(yàn)要求。

（1）傳感層：

微控制器應(yīng)用技術(shù)：單片機(jī)原理及應(yīng)用-C51系列、STM32的開發(fā)和應(yīng)用、M4系列。

傳感器技術(shù)：常見傳感器原理、數(shù)據(jù)采集與處理、圖像采集。

RFID技術(shù)應(yīng)用：RFID原理、RFID頻段分析、RFID標(biāo)簽、二維碼、條形碼技術(shù)。

無線傳感網(wǎng)技術(shù)：Zigbee、IPv6、藍(lán)牙、433M、WiFi、NFC移動(dòng)支付、RFID移動(dòng)支付。

物聯(lián)網(wǎng)與嵌入式系統(tǒng)開發(fā)：基于Cortex-A9，Linux開發(fā)、Android開發(fā)。

（2）網(wǎng)絡(luò)層：

網(wǎng)絡(luò)通信：局域網(wǎng)技術(shù)、以太網(wǎng)技術(shù)、服務(wù)器。

移動(dòng)通信：GPRS通信、3G通信、4G通信、GPS、手機(jī)安卓編程。

數(shù)據(jù)庫：數(shù)據(jù)庫編程、物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)庫服務(wù)。

中間件：SDK、WebService開發(fā)。

（3）應(yīng)用層：

物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用：智能家居應(yīng)用開發(fā)、智慧農(nóng)業(yè)應(yīng)用開發(fā)、智能交通應(yīng)用開發(fā)、食品溯源應(yīng)用開發(fā)、智能倉儲(chǔ)應(yīng)用開發(fā)等。

物聯(lián)網(wǎng)安全：無線傳感層通信加密、數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)通信加密、應(yīng)用軟件數(shù)據(jù)通信加密等。

此外綜合實(shí)驗(yàn)箱要能夠支持多種協(xié)議，具有豐富的接口以便連接各種設(shè)備。支持網(wǎng)關(guān)、手機(jī)、云服務(wù)等多種管理服務(wù)平臺(tái)，網(wǎng)關(guān)支持Android/linux操作系統(tǒng)，運(yùn)行數(shù)據(jù)采集控制管理軟件。手機(jī)端采用Android系統(tǒng)，可遠(yuǎn)程控制的數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)。云服務(wù)系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)，可遠(yuǎn)程登錄獲取傳感器數(shù)據(jù)，并且提供開放的API接口，基于這些API接口，用戶可以輕松的進(jìn)行二次開發(fā)。

3.2 物聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)平臺(tái)

物聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)是一套針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的海量數(shù)據(jù)服務(wù)、應(yīng)用快速開發(fā)而設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，旨在提供一個(gè)開放的物聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)平臺(tái)，使傳感器數(shù)據(jù)的接入、存儲(chǔ)和展現(xiàn)變得輕松簡單，通過幾步簡單操作就可以完成物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的快速開發(fā)。

真正的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，其數(shù)據(jù)必然是海量的，必須通過大數(shù)據(jù)技術(shù)存儲(chǔ)、分析。系統(tǒng)控制、數(shù)據(jù)展示也是必須基于云端的，可全球范圍內(nèi)隨時(shí)訪問和操作。

物聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)平臺(tái)可以為老師的實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供統(tǒng)一的在線化管理平臺(tái)，提供靈活的用戶管理和權(quán)限控制機(jī)制，同時(shí)支持大規(guī)模并發(fā)訪問。因此，整個(gè)學(xué)院的所有學(xué)生，可同時(shí)接入平臺(tái)開展實(shí)驗(yàn)。老師可隨時(shí)上線檢查學(xué)生實(shí)驗(yàn)作業(yè)、項(xiàng)目設(shè)計(jì)成果，為學(xué)生的實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

物聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)平臺(tái)為學(xué)生提供在線、支持團(tuán)體合作的實(shí)驗(yàn)及項(xiàng)目設(shè)計(jì)平臺(tái)?？蔀槊课粚W(xué)生分配一個(gè)登陸賬號(hào)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果、數(shù)據(jù)、項(xiàng)目工程相互獨(dú)立，學(xué)生可在課堂之外延續(xù)實(shí)驗(yàn)。同時(shí)，支持項(xiàng)目協(xié)作，多個(gè)學(xué)生可團(tuán)隊(duì)合作，共同完成物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.3 實(shí)驗(yàn)室智能化建設(shè)

為了讓學(xué)生對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用有更加深刻的認(rèn)識(shí)，在建設(shè)的時(shí)候需要對(duì)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行智慧化改造，讓學(xué)生上課的同時(shí)不僅可以體會(huì)到智能家居帶來的舒適感還能學(xué)習(xí)智能家居的構(gòu)造與設(shè)計(jì)。集傳感器技術(shù)、嵌入式開發(fā)、綜合布線、網(wǎng)絡(luò)通信、自動(dòng)控制等技術(shù)將家居生活有關(guān)的設(shè)備、設(shè)施集成，從而構(gòu)建的一個(gè)智能、節(jié)能的智能家居實(shí)訓(xùn)環(huán)境。

智能家居應(yīng)用系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)燈光、窗簾、家電、環(huán)境監(jiān)測、安防、攝像頭等的檢測控制，可個(gè)性化定制居家、外出、看書、休閑、娛樂等情景模式，一鍵實(shí)現(xiàn)。并支持連接互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)手機(jī)、電腦上網(wǎng)的遠(yuǎn)程控制。

物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室的建立能夠讓學(xué)生深層次的接觸物聯(lián)網(wǎng)，學(xué)習(xí)物聯(lián)網(wǎng)，研究物聯(lián)網(wǎng)，讓學(xué)生將理論與實(shí)踐相結(jié)合，提高學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力?？梢耘囵B(yǎng)學(xué)生合理的知識(shí)結(jié)構(gòu)、具備扎實(shí)的電子技術(shù)、現(xiàn)代傳感器和無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)高頻和微波技術(shù)，有線和無線網(wǎng)絡(luò)通信理論、信息處理、計(jì)算機(jī)技術(shù)、系統(tǒng)工程等基礎(chǔ)理論，掌握物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的傳感層，傳輸層與應(yīng)用層關(guān)鍵設(shè)計(jì)等專門知識(shí)和技能，并且具備在本專業(yè)領(lǐng)域跟蹤新理論、新知識(shí)、新技術(shù)的能力以及較強(qiáng)的創(chuàng)新實(shí)踐能力。

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