物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)課程教學內(nèi)容及方法探討

彭維平，宋 成，王 磊

（河南理工大學 計算機科學與技術(shù)學院，河南 焦作 454003）

物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)課程教學內(nèi)容及方法探討

彭維平，宋 成，王 磊

（河南理工大學 計算機科學與技術(shù)學院，河南 焦作 454003）

針對物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)課程內(nèi)容涵蓋面廣、交叉性強、教學內(nèi)容難以把握的教學實際，結(jié)合近年來的教學實踐，對該課程的定位和特征進行分析，提出統(tǒng)籌規(guī)劃架構(gòu)為先、分層設計上下層服務次之、逐層細化技術(shù)為基的課程內(nèi)容規(guī)劃思想，闡述如何通過強化先進的組網(wǎng)技術(shù)和方法，使學生掌握必要的技能，提高學生的實際動手能力。

物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)；系統(tǒng)架構(gòu)；實景觀摩；項目式教學；翻轉(zhuǎn)課堂

0 引 言

信息時代，物聯(lián)網(wǎng)無處不在。據(jù)IDC測算，2020年全球物聯(lián)網(wǎng)有望影響的下游市場規(guī)模將突破3萬億美元，超過250億臺系統(tǒng)/裝置聯(lián)網(wǎng)[1]。面對如此龐大的智能設備和網(wǎng)絡設備聯(lián)網(wǎng)需求，規(guī)劃設計人員需要根據(jù)不同設備及產(chǎn)品的工作特性，設計出既能滿足各類業(yè)務需求和應用的聯(lián)網(wǎng)方式及組網(wǎng)結(jié)構(gòu)，又能合理有效地使系統(tǒng)能對外提供各級各類服務，這對技術(shù)人才在物聯(lián)網(wǎng)設備組網(wǎng)中的知識水平和技能提出更高的要求。

物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)課程的學習對提高學生的網(wǎng)絡規(guī)劃和設計能力至關(guān)重要，但目前我國各高校相關(guān)專業(yè)的辦學尚處于摸索階段，還未形成成熟的教學內(nèi)容體系，探索一套切實可行的教學內(nèi)容及教學模式很有必要。

1 課程定位

物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)課程是在學生學習并掌握物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)所有專業(yè)基礎課和絕大部分專業(yè)必修課之后開設的一門專業(yè)必修課，其目的是讓學生通過本門課程的學習，掌握當前常用的物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)和方法，然后將之前學習的專業(yè)知識進行整合和融會貫通，并進行系統(tǒng)規(guī)劃和設計，進一步提高學生對物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的設計開發(fā)與實際應用能力。在物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)教學和知識體系架構(gòu)中，物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)課程是一門承上啟下的課程[2]，其知識體系架構(gòu)如圖1所示。物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)課程除了配套的實驗教學環(huán)節(jié)之外，還會安排1—2周的課程設計，通常在第3學年第1或第2學期開設。

此課程開設的前提是學生具備一定的傳感器、單片機或嵌入式程序設計和無線傳感器網(wǎng)絡基礎，掌握計算機網(wǎng)絡組網(wǎng)的方式和方法，能運用可視化編程語言和數(shù)據(jù)庫技術(shù)進行數(shù)據(jù)管理，因此，必須先修的前導課程主要包括單片機與嵌入式技術(shù)、計算機網(wǎng)絡、高級語言程序設計技術(shù)、無線傳感器網(wǎng)絡技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、RFID技術(shù)等，后續(xù)課程為物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)集成與應用。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)課程知識體系結(jié)構(gòu)圖

2 組網(wǎng)特征

物聯(lián)網(wǎng)作為一種新興的信息網(wǎng)絡技術(shù)，本質(zhì)上是將各種傳感器技術(shù)、網(wǎng)絡技術(shù)、人工智能和自動控制技術(shù)集成與融合，使人與人、人與物、物與物相連，構(gòu)成一個準泛在的網(wǎng)絡，是互聯(lián)網(wǎng)的延伸和擴展，其核心和基礎仍然是互聯(lián)網(wǎng)。相比傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的組網(wǎng)技術(shù)，物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)除了包含計算機網(wǎng)絡組網(wǎng)領(lǐng)域的相關(guān)技術(shù)和方法之外，還具有其獨特的地方，主要包括以下三方面。

（1）聯(lián)網(wǎng)主體多樣化。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的一個顯著特征是全面感知，它是各種感知技術(shù)的綜合應用，聯(lián)網(wǎng)設備包括（計算機網(wǎng)絡領(lǐng)域）交換機、路由器、PC機和服務器，還包含（物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域）感知節(jié)點、匯聚節(jié)點、RFID標簽、RFID讀寫器、智能網(wǎng)關(guān)、移動終端等。

（2）傳輸技術(shù)復雜化。

物聯(lián)網(wǎng)應用中各種感知手段采集的信息通過有線和無線網(wǎng)絡與互聯(lián)網(wǎng)融合，并通過互聯(lián)網(wǎng)將信息實時而準確地傳遞出去，由于所傳遞的信息數(shù)量極其龐大，形成海量信息，所以在傳輸過程中，為保障數(shù)據(jù)的正確性和及時性，必須適應各種異構(gòu)的網(wǎng)絡和協(xié)議。

（3）數(shù)據(jù)處理智能化。

物聯(lián)網(wǎng)不僅能提供傳感器的連接，還能將感知層采集的數(shù)據(jù)利用數(shù)據(jù)融合、模式識別等智能信息處理技術(shù)進行分析、加工和處理，為管理者的手動決策和智能設備的自主決策提供數(shù)據(jù)支持。

3 教學內(nèi)容規(guī)劃

目前，與物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)課程相關(guān)的參考書及教材較少，大致分為兩種類型：第一類采用系統(tǒng)分層的方式逐層講解每一層相關(guān)的技術(shù)[3]，如從數(shù)據(jù)鏈路層的互聯(lián)技術(shù)到網(wǎng)絡層的網(wǎng)絡協(xié)議和路由器與交換機配置技術(shù)，再到應用層的綜合布線、網(wǎng)絡管理、物聯(lián)網(wǎng)對象名稱解析服務等，講解的技術(shù)涵蓋面十分廣闊；第二類采用案例式教學模式[4]，以講解物聯(lián)網(wǎng)在多個行業(yè)的應用需求以及相關(guān)的組網(wǎng)技術(shù)為主，如物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能家居、智能工業(yè)、智能農(nóng)業(yè)、智能物流、智能交通、智能電網(wǎng)、智能環(huán)保、智能安防、智能醫(yī)療等多領(lǐng)域的應用。兩種類型的講授內(nèi)容各有側(cè)重，在實際教學過程中，需要綜合利用這兩種類型的資源優(yōu)勢，有選擇、有目的地組織課堂教學內(nèi)容。

3.1 統(tǒng)籌規(guī)劃，架構(gòu)為先

開設物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)課程之前，學生已經(jīng)學習過計算機網(wǎng)絡、無線傳感器網(wǎng)絡、RFID應用等相關(guān)課程，物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)本質(zhì)上就是這些技術(shù)的綜合。學生雖然掌握其中的很多知識點和基礎技能，但無法將這些技術(shù)和知識較好地聯(lián)系起來，知識點支離破碎，缺乏對這些知識點應用的融會貫通能力，仍然迷茫于如何應用，也會導致學生失去學習興趣。

由此，筆者建議在講授技術(shù)知識之前，從系統(tǒng)總體架構(gòu)的角度，對學生學習過的知識點做初步融合，用體系架構(gòu)的總體思路來啟發(fā)學生，讓學生對本門課程有總體的認識?？傮w架構(gòu)是一個項目或應用的總體輪廓和框架，偏向于概念，是從項目整體出發(fā)，明確問題的范圍，然后確定所需組件和服務。通過此環(huán)節(jié)，讓學生構(gòu)建對某個應用的大局觀，有利于培養(yǎng)學生對具體項目的掌控度，教學過程中講解的一個通用架構(gòu)如圖2所示。

3.2 分層設計，上下層服務次之

架構(gòu)設計能讓學生從宏觀上對物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)產(chǎn)生一定了解，分層設計則是讓學生從服務提供的角度認識每一層需要為上一層提供哪些服務、常用的技術(shù)和方法。目前，受到各界廣泛認可的物聯(lián)網(wǎng)分層為信息感知層、物聯(lián)接入層、網(wǎng)絡傳輸層、智能處理層和應用接口層。信息感知層主要是對物的感知和識別，涉及的技術(shù)有RFID、傳感器、多媒體信息捕獲、位置服務、GPS技術(shù)等；物聯(lián)接入層主要涉及藍牙、WIFI、Zigbee、WIMAX、GPRS技術(shù)等[5]；網(wǎng)絡傳輸層主要涉及以IPv4和IPv6為核心建立的互聯(lián)網(wǎng)平臺；智能處理層主要涉及數(shù)據(jù)融合技術(shù)、海量數(shù)據(jù)分析、云計算技術(shù)等；應用接口層則是以各類行業(yè)應用為主，針對不同的行業(yè)采用不同的解決方案。

圖2 通用架構(gòu)圖

3.3 逐層細化，技術(shù)為基

對于物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)，僅僅從幾種不同的信息采集模式和幾種有線或無線數(shù)據(jù)傳輸方法去分析和講解是遠遠不夠的，需要深入到具體的技術(shù)和手段，因為掌握了某一種常用技術(shù)和方法，運用其他技術(shù)就會容易很多。應用領(lǐng)域和行業(yè)千變?nèi)f化，但本質(zhì)核心技術(shù)是不變的。因此，在涉及具體的實現(xiàn)環(huán)節(jié)時，講授技術(shù)基礎和細節(jié)是非常關(guān)鍵和必要的。通過近幾年的摸索，筆者在具體實施教學中主要從以下幾個細節(jié)方面進行強化。

3.3.1 數(shù)據(jù)封裝格式JSON

無線傳感器網(wǎng)絡中存在較大數(shù)量低功耗、低能量和有限數(shù)據(jù)處理能力的終端節(jié)點，為提高這些節(jié)點封裝和解析數(shù)據(jù)的效率，我們重點引入JSON技術(shù)，通過JSON格式進行數(shù)據(jù)封裝。JSON是一種輕量級的數(shù)據(jù)交換格式，其采用鍵值構(gòu)造具有特定語法格式的字符串，易于機器的解析和生成，讀寫更加容易，且支持C、C#、Java、JavaScript、Perl、PHP 等多種語言。

3.3.2 數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議MQTT

物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中數(shù)據(jù)傳輸主要面臨3個問題：一是在網(wǎng)絡不穩(wěn)定的情況下，如何保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸；二是如何保證數(shù)據(jù)不被重復發(fā)送；三是連接斷開后如何進行自動重連。因此，使用合理有效的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議至關(guān)重要。針對這個問題，筆者給學生詳細講解了MQTT（Message Queuing Telemetry Transport，消息隊列遙測傳輸協(xié)議），這是一種基于發(fā)布/訂閱模式的輕量級通訊協(xié)議，該協(xié)議構(gòu)建于TCP/IP協(xié)議的基礎之上，由IBM在1999年發(fā)布，并于2014年被正式推薦為物聯(lián)網(wǎng)傳輸協(xié)議標準。

3.3.3 Web Services服務

物聯(lián)網(wǎng)應用環(huán)境中存在多源異構(gòu)的數(shù)據(jù)采集終端和異同的應用服務支撐平臺，這些異同給物與物之間的數(shù)據(jù)交換、服務交互和協(xié)同工作產(chǎn)生了不同程度的阻礙。針對這個問題，我們引入Web Services服務，通過Web Services服務，所有平臺均可向外界發(fā)布功能或消息，并通過Web瀏覽器實現(xiàn)數(shù)據(jù)訪問和交互。

3.3.4 跨平臺界面設計QT

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)除了需要實現(xiàn)不同類型感知網(wǎng)絡以及感知網(wǎng)絡與通信網(wǎng)絡之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換，達到局域互聯(lián)和廣域互聯(lián)之外，更重要的一點是需要在網(wǎng)關(guān)設備上提供可視化的圖形用戶操作界面，為用戶提供可視化的設備管理功能和遠程控制服務。對此，我們引入QT界面設計軟件的講授內(nèi)容。QT是一個跨平臺的C++圖形用戶界面應用程序開發(fā)框架，其模塊化程度高，可重用性較好，支持組件編程，可在不同平臺上進行本地化運行，通過signals/slots機制實現(xiàn)各個元件之間的協(xié)同工作，能提供簡單易用且功能強大的IDE——Qt Creator，進行界面開發(fā)非常方便。

3.3.5 數(shù)據(jù)庫技術(shù)

傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫技術(shù)如Oracle、SQL Server、MySQL等已經(jīng)在互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域得到廣泛應用，卻并不適合應用于M2M的應用環(huán)境，特別是應用于手機、PDA、嵌入式的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)和智能移動終端這一類設備中，因此，需要為學生增加嵌入式數(shù)據(jù)庫或內(nèi)存數(shù)據(jù)庫的內(nèi)容。如嵌入式數(shù)據(jù)庫SQLite，數(shù)據(jù)庫中所有的信息都包含在一個文件內(nèi)，并采用獨立、可嵌入且零配置的SQL數(shù)據(jù)庫引擎，適合智能移動終端設備使用；而Redis是一個可基于內(nèi)存短期存儲,也可持久化存儲的日志型Key-Value數(shù)據(jù)庫，非常適合與JSON數(shù)據(jù)格式配合使用。

4 教學方法改革

傳統(tǒng)的教學過程中，課堂教學是學生了解和熟悉技術(shù)基礎理論和方法的主要途徑，而以掌握知識點為目標的實驗教學是學生掌握相關(guān)技術(shù)和使用方法的主要手段，將兩者相結(jié)合進行教學是目前主要的教學模式[6]。物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)涉及的內(nèi)容多、知識點零碎且交叉性強，采用傳統(tǒng)的教學方式和方法很難激發(fā)學生的學習興趣，學生也很難理解和掌握眾多零碎知識和技能之間的聯(lián)系，更難以融會貫通地使用。筆者從以下幾方面進行改革。

4.1 實景觀摩，建立大局觀

在開課之初，通常在第二次課就帶領(lǐng)學生參觀校內(nèi)智能家居實景和校外實踐基地的智能農(nóng)業(yè)大棚，進行現(xiàn)場觀摩。通過實景觀摩，首先，讓學生身臨其境，感受進入物聯(lián)時代后未來家居和智能農(nóng)業(yè)的便捷以及智能技術(shù)的神奇，激發(fā)其對未知的渴望和學習的興趣；其次，可以讓學生親自動手去組合各種智能化設備，配置它們之間的聯(lián)動關(guān)系，實實在在地感受M2M的神奇，讓學生明白這些看似遙不可及高大上的技術(shù)和方法就在我們身邊，樹立對學習好本門課程的信心；最后，幫助學生建立對物聯(lián)網(wǎng)應用的大局觀，明白組網(wǎng)技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)應用規(guī)劃中的層次和位置。

4.2 項目式教學，實物進課堂

如今網(wǎng)絡上共享的公共學習資源越來越豐富，學生可以通過智能手機等工具隨時隨地獲取資源。教師在教學過程中單純地講解技術(shù)對學生來說意義不大，更重要的是要教會學生如何靈活運用這些技術(shù)。在教學中，筆者采用了項目式教學的方法，將和某企業(yè)合作的“智能農(nóng)業(yè)大棚遠程監(jiān)控平臺”科研項目作為案例，從需求分析開始，帶領(lǐng)學生逐步完成整個項目，重點講解如何規(guī)劃和設計網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)以及如何選擇合理的組網(wǎng)方式。此外，將智能農(nóng)業(yè)大棚原型控制系統(tǒng)實物帶入課堂，讓學生零距離地認識這些工業(yè)用的部件，并通過分析設計方案和源代碼，讓學生掌握JSON數(shù)據(jù)封裝技術(shù)、MQTT服務配置、QT界面設計、Redis服務部署、SQLite數(shù)據(jù)庫等技術(shù)的使用。

4.3 翻轉(zhuǎn)課堂，實踐出真知

通過上述項目式教學環(huán)節(jié)之后，學生已經(jīng)在教師的帶領(lǐng)下逐步完成了一個完整的項目，但是這些還遠遠不夠，還需要讓學生融會貫通、靈活地運用所掌握的技術(shù)和方法。在后期教學中，我們采用了翻轉(zhuǎn)課堂的模式，以智能家居為例，采取小組合作的方法，讓各組學生作為一個團隊來規(guī)劃和設計方案，并在課堂上進行講解，教師和其他學生作為聽眾和評委，各小組之間不僅是競爭關(guān)系，還能夠互相取長補短，加深學生對知識的深入理解，提高靈活運用的能力。

5 結(jié) 語

物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)教學中承上啟下的一門核心課程，在教學過程中需要合理安排本門課程的授課內(nèi)容，選擇有效的教學方式和方法，讓學生最終學習到更多更好的技術(shù)知識，并能夠?qū)崿F(xiàn)對技術(shù)的靈活運用。筆者根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)在學科中的定位和特征，提出統(tǒng)籌規(guī)劃架構(gòu)為先，分層設計逐層細化課程內(nèi)容的規(guī)劃思想，采用實景觀摩、項目式教學、實物進課堂、翻轉(zhuǎn)課堂等教學模式，并在近三屆學生的實踐教學過程中進行相關(guān)實踐，具有較強的操作性，希望能對其他高校的教學提供一定參考。

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[2] 陳輝, 李敬兆, 詹林. 物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)人才培養(yǎng)和專業(yè)建設探索[J].計算機教育, 2014(4): 13-17.

[3] 喬平安. 物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)（高等學校物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)系列教材）[M]. 北京: 中國鐵道出版社, 2013.

[4] 薛燕紅. 物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)及案例分析[M]. 北京: 清華大學出版社, 2013.

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[6] 姚建峰, 黃式東, 孫艷歌. 物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)實踐教學體系模塊化研究[J]. 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù), 2017(1): 112-114.

1672-5913(2017)11-0095-04

G642

河南理工大學教育教學改革研究項目（2013JG030）。

彭維平，男，副教授，研究方向為物聯(lián)網(wǎng)安全及應用，pwp9999@hpu.edu.cn。

（編輯：史志偉）