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

楊會(huì)

摘 要：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是多種技術(shù)的融合，應(yīng)用型本科院校的物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)建設(shè)應(yīng)結(jié)合學(xué)校自身特點(diǎn)，在優(yōu)化專業(yè)課程體系的同時(shí)，著力于物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)。針對(duì)我校當(dāng)前建設(shè)物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室的應(yīng)用需求，提出了物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的具體思路和發(fā)展前景，并引入窄帶物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與窄帶物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)相結(jié)合來(lái)搭建可供學(xué)生實(shí)際操作的移動(dòng)互聯(lián)應(yīng)用實(shí)訓(xùn)平臺(tái)。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；智能實(shí)驗(yàn)室；窄帶物聯(lián)網(wǎng)通信；移動(dòng)互聯(lián)

中圖分類號(hào)：TP393；G64 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2017）09-0-02

0 引 言

國(guó)家“十三五”規(guī)劃綱要明確提出“發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)環(huán)應(yīng)用”，將致力于加強(qiáng)通用協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)的研究，推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)不同行業(yè)不同領(lǐng)域應(yīng)用間的互聯(lián)互通、資源共享和應(yīng)用協(xié)同[1]。在此大形勢(shì)下，作為應(yīng)用型本科院校，在人才培養(yǎng)方面，不僅要重視物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)，更應(yīng)重視特定應(yīng)用領(lǐng)域的實(shí)際工作能力，因此必須高度重視與理論教學(xué)相輔相成的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境的建設(shè)。本文以宿遷學(xué)院物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)為例，詳細(xì)闡述了物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的應(yīng)用需求、建設(shè)思路以及針對(duì)應(yīng)用型本科院校學(xué)生的建設(shè)特色。

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

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是集計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)、通信技術(shù)、嵌入式技術(shù)等多種技術(shù)的綜合技術(shù)[2]，作為應(yīng)用型本科院校，物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)已獲批準(zhǔn)并將開(kāi)始招生。為了能夠培養(yǎng)高素質(zhì)、動(dòng)手能力強(qiáng)的綜合應(yīng)用型人才，物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)迫在眉睫。

1.1 滿足基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的需求

物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室建成后首先要滿足物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)、電子工程專業(yè)、通信工程專業(yè)等與專業(yè)培養(yǎng)方案有關(guān)實(shí)驗(yàn)課程的要求。物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)設(shè)的相關(guān)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程不僅可以加深學(xué)生對(duì)相關(guān)專業(yè)知識(shí)的認(rèn)識(shí)與理解，也可以培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力，為學(xué)生畢業(yè)后從事相關(guān)專業(yè)工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1.2 滿足實(shí)訓(xùn)和參加比賽的需求

與其他學(xué)科相比，物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)是一門(mén)集成創(chuàng)新型的應(yīng)用性很強(qiáng)的綜合學(xué)科，為了培養(yǎng)本學(xué)科人才的創(chuàng)新能力和綜合應(yīng)用能力，物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室還應(yīng)滿足實(shí)訓(xùn)和比賽的需求。

實(shí)訓(xùn)課程是面向企業(yè)對(duì)人才的真實(shí)需求，運(yùn)用企業(yè)當(dāng)期運(yùn)行的真實(shí)項(xiàng)目，實(shí)施案例教學(xué)，并按照企業(yè)的實(shí)際用人需求，定向培養(yǎng)具有職業(yè)品行素質(zhì)和行業(yè)領(lǐng)域知識(shí)的技能型人才。

當(dāng)今針對(duì)大學(xué)生的比賽項(xiàng)目大多是基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)平臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此建設(shè)物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室，使學(xué)生能夠接觸到最前沿的科技，并能參與到這樣的比賽和項(xiàng)目中，對(duì)學(xué)生來(lái)說(shuō)無(wú)疑是一種與平常教學(xué)不一樣的經(jīng)歷和體會(huì)。

1.3 滿足科研需求

由于應(yīng)用型本科院校對(duì)教師科研能力的要求越來(lái)越高，特別是對(duì)物聯(lián)網(wǎng)這種多學(xué)科交叉的新專業(yè)來(lái)說(shuō)，教師的知識(shí)和技能都存在不足之處，因此需要通過(guò)科研探索來(lái)提高教師的科研能力；需要在建設(shè)物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室時(shí)充分考慮教師在科研層面的需求，從硬件平臺(tái)以及軟件平臺(tái)提供相應(yīng)的支撐。

2 物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的思路

物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)主要分為基礎(chǔ)理論認(rèn)知平臺(tái)、智能實(shí)驗(yàn)室實(shí)訓(xùn)平臺(tái)、應(yīng)用設(shè)計(jì)創(chuàng)新平臺(tái)。

2.1 基礎(chǔ)理論認(rèn)知平臺(tái)

物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)理論認(rèn)知平臺(tái)主要是指為滿足物聯(lián)網(wǎng)等相關(guān)專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程的需求而配備的物聯(lián)網(wǎng)綜合實(shí)驗(yàn)箱。該實(shí)驗(yàn)箱能夠提供完整的、層次化的物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)體系，提供與單片機(jī)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)、傳感器技術(shù)以及Android技術(shù)等相關(guān)的一系列實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，見(jiàn)表1所列。

物聯(lián)網(wǎng)綜合實(shí)驗(yàn)箱應(yīng)能夠完整地體現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的三層結(jié)構(gòu)，即感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。從硬件應(yīng)用到軟件設(shè)計(jì)，一步步引導(dǎo)學(xué)生了解整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)。此外，實(shí)驗(yàn)箱應(yīng)采用模塊化設(shè)計(jì)，不僅方便學(xué)生和老師選擇性地做一些感興趣的實(shí)驗(yàn)，還便于實(shí)驗(yàn)員進(jìn)行檢修和維護(hù)。最重要的是要具備二次開(kāi)發(fā)的功能，便于學(xué)生進(jìn)行其他綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的拓展，例如環(huán)境監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)、智能家居實(shí)驗(yàn)、智能交通實(shí)驗(yàn)、智能安防實(shí)驗(yàn)等。

2.2 智能實(shí)驗(yàn)室實(shí)訓(xùn)平臺(tái)

基于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)的智能實(shí)驗(yàn)室實(shí)訓(xùn)平臺(tái)[3，4]集成了LabVIEW技術(shù)、嵌入式技術(shù)、傳感器技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及App技術(shù)。實(shí)訓(xùn)平臺(tái)大致分為3部分，即服務(wù)器層、嵌入式控制終端、無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)。智能實(shí)驗(yàn)室實(shí)訓(xùn)平臺(tái)如圖1所示。

2.2.1 服務(wù)器層

服務(wù)器層通過(guò)Internet網(wǎng)同嵌入式控制終端相連，以 TCP/IP 協(xié)議進(jìn)行通信，接收來(lái)自嵌入式控制終端的數(shù)據(jù)，分析后存入數(shù)據(jù)庫(kù)以備檢索，并顯示在網(wǎng)頁(yè)上。老師可通過(guò) Web 或App的方式遠(yuǎn)程訪問(wèn)服務(wù)器，將操作結(jié)果存入數(shù)據(jù)庫(kù)，服務(wù)器通過(guò)預(yù)先的設(shè)定分析數(shù)據(jù)庫(kù)的變化，最終反映在向嵌入式控制終端發(fā)送的相應(yīng)命令上。

2.2.2 嵌入式控制終端

嵌入式控制終端位于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部，將服務(wù)器和無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)緊密聯(lián)系在一起，接收來(lái)自無(wú)線傳感網(wǎng)和攝像頭發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)，進(jìn)行處理并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)上傳服務(wù)器，可以遠(yuǎn)程通過(guò)服務(wù)器上的網(wǎng)頁(yè)進(jìn)行查看和控制。

2.2.3 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)

無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)處于系統(tǒng)最底層，通過(guò) ZigBee和溫濕度、煙霧、火光等傳感器將實(shí)驗(yàn)室的實(shí)時(shí)環(huán)境數(shù)據(jù)回傳至嵌入式控制終端，嵌入式控制終端通過(guò)對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，控制相應(yīng)繼電器組完成對(duì)設(shè)備的控制。根據(jù)實(shí)訓(xùn)需求，無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)了環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊、視頻安防模塊、智能開(kāi)關(guān)控制模塊。該無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊：該模塊通過(guò)溫度傳感器、濕度傳感器、光照傳感器等采集實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的溫度、濕度、光強(qiáng)度等信號(hào)并通過(guò)無(wú)線發(fā)射模塊上傳至嵌入式控制終端，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)最終顯示在電腦上供監(jiān)測(cè)人員查看。

視頻安防模塊：該模塊一方面通過(guò)煙霧傳感器、火光傳感器采集相應(yīng)信號(hào)來(lái)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)室有無(wú)火災(zāi)隱情，并當(dāng)有火災(zāi)發(fā)生時(shí)及時(shí)向消防部門(mén)報(bào)警；另一方面通過(guò)紅外激光傳感器采集數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)在實(shí)驗(yàn)室不開(kāi)放期間是否有人員闖入，并當(dāng)有人員闖入時(shí)及時(shí)向公安部門(mén)報(bào)警。另外還可以通過(guò)攝像頭及時(shí)對(duì)實(shí)驗(yàn)室情況進(jìn)行視頻監(jiān)控。endprint

智能開(kāi)關(guān)控制模塊：實(shí)驗(yàn)人員可以對(duì)實(shí)驗(yàn)室的溫度、光照強(qiáng)度、定時(shí)開(kāi)關(guān)等進(jìn)行設(shè)置。當(dāng)實(shí)驗(yàn)室溫度、走廊光照強(qiáng)度、定時(shí)時(shí)間達(dá)到用戶指定情況時(shí)嵌入式控制終端控制相應(yīng)繼電器組完成控制功能。實(shí)驗(yàn)室溫度過(guò)低或者過(guò)高時(shí)可以自動(dòng)開(kāi)啟空調(diào)，并根據(jù)光照強(qiáng)度實(shí)時(shí)控制照明燈的亮滅及智能窗簾的開(kāi)啟和關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)在用戶指定時(shí)間打開(kāi)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)關(guān)，不使用實(shí)驗(yàn)室時(shí)自動(dòng)關(guān)閉開(kāi)關(guān)的功能。

2.3 應(yīng)用設(shè)計(jì)創(chuàng)新平臺(tái)

物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)學(xué)生在通過(guò)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、實(shí)訓(xùn)平臺(tái)學(xué)習(xí)后，在對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)以及無(wú)線傳感網(wǎng)充分了解的基礎(chǔ)上，不僅可以在原有系統(tǒng)模型上進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，還可以利用創(chuàng)新平臺(tái)進(jìn)行相關(guān)應(yīng)用設(shè)計(jì)。此外，為了滿足物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)教師科研的需求與學(xué)生參加各種競(jìng)賽的需求，在建設(shè)物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室時(shí)應(yīng)考慮到應(yīng)用設(shè)計(jì)創(chuàng)新平臺(tái)的建設(shè)。該平臺(tái)以嵌入式FPGA設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)套件MyRIO作為硬件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，將LabVIEW作為軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，通過(guò)軟硬件的開(kāi)發(fā)可以使教師、學(xué)生快速搭建起一個(gè)基于物聯(lián)網(wǎng)的相關(guān)實(shí)踐創(chuàng)新項(xiàng)目平臺(tái)，從而能夠在項(xiàng)目實(shí)踐中提升教師的科研能力與學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力。

3 物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)特色

針對(duì)當(dāng)今物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的趨勢(shì)，引入窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的初步探索。作為應(yīng)用型本科院校，本次物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)考慮將物聯(lián)網(wǎng)終端與窄帶物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)相結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的實(shí)訓(xùn)平臺(tái)也是一大特色。該窄帶物聯(lián)網(wǎng)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)如圖3所示。

圖3 窄帶物聯(lián)網(wǎng)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)

NB-IoT技術(shù)是指一種專為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)的窄帶射頻技術(shù)，以室內(nèi)覆蓋、低成本、低功耗和廣連接為特點(diǎn)。物聯(lián)網(wǎng)終端雖可使用2G/3G/4G網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，但難以滿足低功耗低成本的要求，因此目前接入運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)的物聯(lián)網(wǎng)終端僅占6%[5]。引入NB-IoT技術(shù)后，可真正實(shí)現(xiàn)所有物與物的連接，這是物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展前景，也是物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的前景。

無(wú)線傳感網(wǎng)完成傳感器數(shù)據(jù)采集后，通過(guò)ZigBee無(wú)線發(fā)送給窄帶物聯(lián)網(wǎng)智能網(wǎng)關(guān)。智能網(wǎng)關(guān)接收到數(shù)據(jù)后，可完成數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換，使無(wú)線傳感網(wǎng)采集得到的數(shù)據(jù)在NB-IoT通信網(wǎng)絡(luò)中傳輸。最后通過(guò)搭載的NB-IoT通信基站系統(tǒng)，使得人們可以利用移動(dòng)設(shè)備快速便捷地訪問(wèn)無(wú)線傳感網(wǎng)采集的數(shù)據(jù)。

4 結(jié) 語(yǔ)

我們應(yīng)抓住機(jī)遇，找準(zhǔn)專業(yè)定位、優(yōu)化課程體系，重視物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)，搶占物聯(lián)網(wǎng)人才培養(yǎng)先機(jī)。本文詳細(xì)闡述了物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的應(yīng)用需求、主要內(nèi)容以及針對(duì)應(yīng)用型本科院校學(xué)生的建設(shè)特色，但我校的物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)仍處在初步探索階段，還需不斷改進(jìn)和完善，才能為社會(huì)培養(yǎng)更多的物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)人才。

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