物聯(lián)網(wǎng)工程專(zhuān)業(yè)實(shí)踐教學(xué)體系研究

崔艷榮, 陳 勇, 胡蓉華

(長(zhǎng)江大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院, 湖北 荊州 434023)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是信息技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展到一定程度的產(chǎn)物,是我國(guó)“十二五”期間大力發(fā)展的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè),物聯(lián)網(wǎng)工程專(zhuān)業(yè)正是在這樣背景下的新增專(zhuān)業(yè)[1]。物聯(lián)網(wǎng)工程專(zhuān)業(yè)為物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展培養(yǎng)高素質(zhì)的應(yīng)用型、研究型和創(chuàng)新型人才,科學(xué)合理的實(shí)踐教學(xué)體系是培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用能力、研究能力和創(chuàng)新能力的有力保障[2]。由于是新專(zhuān)業(yè),其理論課程體系及實(shí)踐教學(xué)體系都在探索之中,特別是實(shí)踐教學(xué)體系,不同的高校有不同的側(cè)重點(diǎn)。文獻(xiàn)[2]中提出了一種基于競(jìng)賽驅(qū)動(dòng)的實(shí)踐教學(xué)體系,把學(xué)科競(jìng)賽與實(shí)踐教學(xué)結(jié)合起來(lái)貫穿整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)工程專(zhuān)業(yè)實(shí)踐教學(xué);文獻(xiàn)[3]從師資隊(duì)伍、教材建設(shè)、實(shí)驗(yàn)室及實(shí)習(xí)基地建設(shè)等方面構(gòu)建了其實(shí)踐教學(xué)體系;文獻(xiàn)[4]將物聯(lián)網(wǎng)工程專(zhuān)業(yè)實(shí)踐教學(xué)模塊化;文獻(xiàn)[5]提出創(chuàng)新教學(xué)理念、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)考核及加強(qiáng)師資建設(shè)、平臺(tái)建設(shè)、教材建設(shè)、校企合作的“四創(chuàng)新、四加強(qiáng)”的實(shí)踐教學(xué)體系;文獻(xiàn)[6-10]將CDIO理念應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)工程專(zhuān)業(yè)實(shí)踐教學(xué)體系中;有的實(shí)踐教學(xué)以校企合作為基礎(chǔ)[11-12],有的以工程認(rèn)證為導(dǎo)向[13]。本文從我校物聯(lián)網(wǎng)工程專(zhuān)業(yè)實(shí)際情況出發(fā),探究物聯(lián)網(wǎng)工程專(zhuān)業(yè)實(shí)踐教學(xué)體系。

1 物聯(lián)網(wǎng)工程專(zhuān)業(yè)實(shí)踐教學(xué)體系設(shè)置

物聯(lián)網(wǎng)工程專(zhuān)業(yè)實(shí)踐教學(xué)體系由課程實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)、實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)、畢業(yè)設(shè)計(jì)及學(xué)科競(jìng)賽5部分組成。其中課程實(shí)驗(yàn)和課程設(shè)計(jì)主要根據(jù)理論課程設(shè)置配套進(jìn)行,還有少量課程設(shè)置單獨(dú)的實(shí)驗(yàn)課;實(shí)訓(xùn)是利用2周時(shí)間對(duì)某個(gè)知識(shí)體系進(jìn)行綜合訓(xùn)練;實(shí)習(xí)是用6周時(shí)間與企業(yè)合作,對(duì)專(zhuān)業(yè)知識(shí)進(jìn)行綜合訓(xùn)練;畢業(yè)設(shè)計(jì)是學(xué)生利用12周時(shí)間完成從選題、開(kāi)題到系統(tǒng)設(shè)計(jì)及測(cè)試的一整套工作,訓(xùn)練學(xué)生的綜合應(yīng)用能力;學(xué)科競(jìng)賽則以競(jìng)賽為契機(jī),貫穿專(zhuān)業(yè)學(xué)習(xí)全過(guò)程,旨在提高學(xué)生的動(dòng)手能力。下面主要從課程實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)和實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)3方面進(jìn)行介紹。

2 課程實(shí)驗(yàn)及課程設(shè)計(jì)

2.1 課程設(shè)置

我校計(jì)算機(jī)類(lèi)專(zhuān)業(yè)實(shí)現(xiàn)大類(lèi)招生,物聯(lián)網(wǎng)工程專(zhuān)業(yè)在一年級(jí)和二年級(jí)實(shí)行大類(lèi)培養(yǎng),大類(lèi)培養(yǎng)期間主要完成通識(shí)教育和學(xué)科基礎(chǔ)課教育,三、四年級(jí)完成專(zhuān)業(yè)必修課和選修課的學(xué)習(xí)。通識(shí)課程主要是高等數(shù)學(xué)、大學(xué)英語(yǔ)及體育、人文社科類(lèi)課程;學(xué)科基礎(chǔ)課包含數(shù)學(xué)類(lèi)、物理類(lèi)及計(jì)算機(jī)類(lèi)3大部分,其中數(shù)學(xué)類(lèi)有線性代數(shù)、離散數(shù)學(xué)、概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì);物理類(lèi)的課程則有大學(xué)物理及大學(xué)物理實(shí)驗(yàn);計(jì)算機(jī)類(lèi)有計(jì)算機(jī)導(dǎo)論、C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)、面向?qū)ο罂梢暬幊獭⑺惴ㄅc數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、電子技術(shù)基礎(chǔ)、電子技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)。

根據(jù)市場(chǎng)需求,結(jié)合我校實(shí)際,圍繞物聯(lián)網(wǎng)3層體系結(jié)構(gòu),專(zhuān)業(yè)必修課包括計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、操作系統(tǒng)原理、計(jì)算機(jī)組成原理與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、傳感器原理及應(yīng)用、物聯(lián)網(wǎng)原理與應(yīng)用、RFID原理及應(yīng)用、傳感器網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)、數(shù)據(jù)處理與智能決策、物聯(lián)網(wǎng)工程設(shè)計(jì)與實(shí)施。

2.2 課程實(shí)驗(yàn)和課程設(shè)計(jì)

根據(jù)課程的不同性質(zhì),分別安排了上機(jī)課、實(shí)驗(yàn)課和課程設(shè)計(jì)等實(shí)踐類(lèi)教學(xué)。其中,通識(shí)教育階段涉及到的實(shí)踐類(lèi)教學(xué)主要有軍事理論與軍事訓(xùn)練及社會(huì)實(shí)踐;學(xué)科基礎(chǔ)課中物理類(lèi)課程開(kāi)設(shè)了32個(gè)學(xué)時(shí)的物理實(shí)驗(yàn)課程,計(jì)算機(jī)類(lèi)課程開(kāi)設(shè)了電子技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)及不同學(xué)時(shí)的上機(jī),除了計(jì)算機(jī)導(dǎo)論外,其他的計(jì)算機(jī)類(lèi)課程都安排了2周的課程設(shè)計(jì)。

專(zhuān)業(yè)必修課程中的操作系統(tǒng)原理和數(shù)據(jù)處理與智能決策分別安排了12學(xué)時(shí)和8學(xué)時(shí)的上機(jī)操作,其他均安排了12學(xué)時(shí)或8學(xué)時(shí)的實(shí)驗(yàn)課程。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)處理與智能決策、傳感器網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)工程設(shè)計(jì)與實(shí)施均安排了2周的課程設(shè)計(jì)。

3 實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)

實(shí)習(xí)為期6周,學(xué)校與實(shí)習(xí)單位共同制定實(shí)習(xí)大綱和實(shí)習(xí)內(nèi)容,學(xué)校選派優(yōu)秀指導(dǎo)教師和企業(yè)導(dǎo)師共同指導(dǎo)學(xué)生實(shí)習(xí)。根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)3層體系結(jié)構(gòu),實(shí)習(xí)內(nèi)容包括感知層對(duì)數(shù)據(jù)的獲取、傳輸層對(duì)數(shù)據(jù)的傳輸及應(yīng)用層對(duì)數(shù)據(jù)的應(yīng)用等內(nèi)容,還設(shè)置了智能家居、智能農(nóng)業(yè)、智能交通等綜合實(shí)訓(xùn)。

3.1 數(shù)據(jù)獲取實(shí)訓(xùn)

物聯(lián)網(wǎng)感知層獲取數(shù)據(jù)的方式主要有兩種,一種是通過(guò)傳感器獲取,一種是通過(guò)射頻識(shí)別獲取。通過(guò)檢測(cè)類(lèi)傳感器實(shí)驗(yàn)可以獲取光照、酒精、聲音等數(shù)據(jù),通過(guò)感知類(lèi)傳感器實(shí)驗(yàn)可以獲取超聲波、甲醛、CO等數(shù)據(jù),通過(guò)控制類(lèi)傳感器實(shí)驗(yàn)可以獲取對(duì)LED燈、繼電器等進(jìn)行控制的數(shù)據(jù)。基于RFID射頻識(shí)別獲取數(shù)據(jù)的實(shí)訓(xùn)可以包含如下內(nèi)容：RFID系統(tǒng)的編碼、RFID系統(tǒng)的載波產(chǎn)生、RFID系統(tǒng)RF信號(hào)的整形和放大、內(nèi)部模擬信號(hào)測(cè)試、數(shù)字信號(hào)測(cè)試、標(biāo)簽信息讀寫(xiě)、RFID防沖撞實(shí)驗(yàn)、CRC實(shí)驗(yàn)、RFID信令實(shí)驗(yàn)、數(shù)據(jù)包發(fā)送與接收、寫(xiě)入數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式標(biāo)識(shí)命令、鎖定數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式標(biāo)識(shí)指令、獲得系統(tǒng)信息指令、獲得多個(gè)塊的安全狀態(tài)指令等。

3.2 數(shù)據(jù)傳輸實(shí)訓(xùn)

數(shù)據(jù)傳輸有通過(guò)傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸和通過(guò)RFID組網(wǎng)傳輸兩大類(lèi)。通過(guò)傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù),根據(jù)不同的通信方式可以設(shè)置為基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn);基于IPv6網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn);基于Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn)和 基于藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn)。其中,基于ZigBee通信的實(shí)驗(yàn)是重點(diǎn),又可以細(xì)分為 STM32 LED燈的控制實(shí)驗(yàn)、ZigBee組網(wǎng)實(shí)驗(yàn)、基于ZigBee的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)、基于ZigBee的SensorDemo圖形顯示實(shí)驗(yàn)、基于ZigBee的HomeAutomation實(shí)驗(yàn)及基于ZigBee的Z-Tools使用實(shí)驗(yàn)。通過(guò)這些實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生了解掌握Z(yǔ)-STACK協(xié)議棧及ZigBee組網(wǎng)技術(shù),熟悉ZigBee開(kāi)發(fā)工具。為了讓學(xué)生了解當(dāng)前工業(yè)傳感器接口,還可以安排如下實(shí)驗(yàn)：工業(yè)級(jí)檢測(cè)類(lèi)傳感器模塊實(shí)驗(yàn)、工業(yè)級(jí)控制類(lèi)傳感器模塊實(shí)驗(yàn)、工業(yè)級(jí)信號(hào)識(shí)別傳感器模塊實(shí)驗(yàn)和工業(yè)級(jí)數(shù)字信號(hào)類(lèi)傳感器模塊實(shí)驗(yàn)。

通過(guò)RFID組網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)的實(shí)驗(yàn)包括：HF 13.56M ISO 15693 實(shí)驗(yàn)、UHF 900M ISO 18000-6實(shí)驗(yàn)、高頻13.56M ISO 14443模塊實(shí)驗(yàn)、LF 125K ID卡讀取實(shí)驗(yàn)、2.4G RFID模塊配置操作實(shí)驗(yàn)。通過(guò)這些實(shí)驗(yàn),讓學(xué)生了解并熟悉RFID多個(gè)頻段模塊,包括低頻、高頻、超高頻以及2.4G,并且清楚它們各自的RFID協(xié)議。

3.3 數(shù)據(jù)應(yīng)用實(shí)訓(xùn)

為了將接收到的數(shù)據(jù)應(yīng)用到具體的行業(yè)領(lǐng)域,在數(shù)據(jù)應(yīng)用實(shí)訓(xùn)階段可以安排如下實(shí)驗(yàn)：

(1) 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用實(shí)驗(yàn)。通過(guò)本系列實(shí)驗(yàn),讓學(xué)生學(xué)習(xí)了解Linux系統(tǒng)及GUI編程方法,并開(kāi)發(fā)自己的上層應(yīng)用系統(tǒng)。這些實(shí)驗(yàn)包括：基礎(chǔ)應(yīng)用實(shí)驗(yàn)(SOCKET 網(wǎng)絡(luò)編程、嵌入式WebServer移植);基于Qt的GUI實(shí)驗(yàn)(基于QtDesigner的程序設(shè)計(jì)、搭建Qt/Embedded環(huán)境);底層系統(tǒng)構(gòu)建實(shí)驗(yàn)(Linux內(nèi)核裁剪與編譯、構(gòu)建根文件系統(tǒng));底層驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)(內(nèi)核驅(qū)動(dòng)入門(mén)、按鍵中斷驅(qū)動(dòng)及控制)等。

(2) TinyOS2無(wú)線傳感網(wǎng)實(shí)驗(yàn)。通過(guò)本系列實(shí)驗(yàn),學(xué)習(xí)基于TinyOS系統(tǒng)的ZigBee,掌握Z(yǔ)igBee技術(shù)及TinyOS系統(tǒng)。具體實(shí)驗(yàn)包括：環(huán)境的搭建( IAR軟件的安裝、 Cygwin軟件的安裝等);CC2530基本的外設(shè)實(shí)驗(yàn)(基于CC2530在TinyOS控制實(shí)驗(yàn));CC2530的無(wú)線電(基于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信、基于TinyOS網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中的分發(fā)協(xié)議);接口和底層實(shí)現(xiàn)的組件等。

(3) Android4.0系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)。通過(guò)本系列實(shí)驗(yàn),學(xué)習(xí)并且掌握Android從環(huán)境搭建到程序執(zhí)行的開(kāi)發(fā)過(guò)程,了解Android底層串口通信。具體實(shí)驗(yàn)設(shè)置如下：Android開(kāi)發(fā)環(huán)境搭建(Android Ubuntu開(kāi)發(fā)環(huán)境建立等);Android系統(tǒng)架構(gòu)實(shí)驗(yàn),Android內(nèi)核移植與編譯實(shí)驗(yàn)等;Android中間層實(shí)驗(yàn)( LED實(shí)驗(yàn)、Beep實(shí)驗(yàn)、UART串口實(shí)驗(yàn)等);Android綜合應(yīng)用(GPRS撥號(hào)實(shí)驗(yàn)、Wi-Fi聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)、開(kāi)源游戲移植實(shí)驗(yàn));Android SDK開(kāi)發(fā)(Android ADB調(diào)試實(shí)驗(yàn)、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)連接實(shí)驗(yàn));Android綜合實(shí)訓(xùn)應(yīng)用(RFID 電子錢(qián)包應(yīng)用實(shí)驗(yàn)、RFID 讀卡實(shí)驗(yàn))。

3.4 綜合實(shí)訓(xùn)

綜合實(shí)訓(xùn)可以提高學(xué)生綜合應(yīng)用能力,設(shè)置了如下內(nèi)容：

(1) 物聯(lián)網(wǎng)智能家居綜合實(shí)訓(xùn)。通過(guò)該系列實(shí)訓(xùn),使學(xué)生直觀認(rèn)識(shí)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在實(shí)際家居中的應(yīng)用,了解智能家居的硬件體系及軟件構(gòu)成。具體內(nèi)容如下：ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)組網(wǎng)實(shí)訓(xùn);各個(gè)傳感器數(shù)據(jù)采集繪制曲線實(shí)訓(xùn);門(mén)禁控制及使用實(shí)訓(xùn);視頻監(jiān)控與遠(yuǎn)程訪問(wèn);GSM/GPRS短信息控制實(shí)訓(xùn);WEB遠(yuǎn)程服務(wù)器監(jiān)控實(shí)訓(xùn);場(chǎng)景聯(lián)動(dòng)演示實(shí)訓(xùn);Android手持設(shè)備接入控制實(shí)訓(xùn);紅外家電遙控使用實(shí)訓(xùn);電動(dòng)窗簾控制及使用實(shí)訓(xùn);Android客戶(hù)端應(yīng)用實(shí)訓(xùn)等。

(2) 物聯(lián)網(wǎng)智能農(nóng)業(yè)綜合實(shí)訓(xùn)。通過(guò)該系列實(shí)訓(xùn),使學(xué)生直觀認(rèn)識(shí)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在實(shí)際農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用,了解智慧農(nóng)業(yè)的硬件體系及軟件構(gòu)成。具體內(nèi)容如下：傳感器檢測(cè)實(shí)訓(xùn);環(huán)境智能調(diào)控實(shí)訓(xùn);反饋控制實(shí)訓(xùn);環(huán)境數(shù)據(jù)庫(kù)處理實(shí)訓(xùn);卷簾控制實(shí)訓(xùn);GSM/GPRS短信息控制實(shí)訓(xùn);WEB遠(yuǎn)程服務(wù)器監(jiān)控實(shí)訓(xùn);Android手持設(shè)備遠(yuǎn)程控制實(shí)訓(xùn)等。

(3) 物聯(lián)網(wǎng)智能交通實(shí)訓(xùn)。該系列實(shí)訓(xùn)以車(chē)輛交通為核心,通過(guò)人、車(chē)、路傳感網(wǎng)的互通互聯(lián)實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)輛交通系統(tǒng)的智能控制、管理,是對(duì)傳感器技術(shù)、無(wú)線技術(shù)及RFID技術(shù)的綜合應(yīng)用。具體內(nèi)容如下： 智能車(chē)輛巡線運(yùn)動(dòng)控制實(shí)訓(xùn);智能車(chē)輛自動(dòng)避障運(yùn)動(dòng)實(shí)訓(xùn);智能車(chē)輛無(wú)線控制實(shí)訓(xùn);WEB遠(yuǎn)程服務(wù)器監(jiān)控實(shí)訓(xùn);道路傳感網(wǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)實(shí)訓(xùn);道路視頻監(jiān)控實(shí)訓(xùn);交通智能決策實(shí)訓(xùn);ETC路費(fèi)功能實(shí)訓(xùn);智能停車(chē)管理系統(tǒng)功能實(shí)訓(xùn);信號(hào)燈控制功能實(shí)訓(xùn);道路險(xiǎn)情控制實(shí)訓(xùn);GSM/GPRS短信息控制實(shí)訓(xùn);Android手持設(shè)備應(yīng)用客戶(hù)端訪問(wèn)實(shí)訓(xùn);Android手持設(shè)備控制智能車(chē)輛運(yùn)動(dòng)實(shí)訓(xùn);綜合演示功能實(shí)訓(xùn)等。

(4) RFID技術(shù)綜合實(shí)訓(xùn)。通過(guò)體驗(yàn)RFID技術(shù),了解RFID各個(gè)頻段模塊的應(yīng)用場(chǎng)景,將RFID基礎(chǔ)功能應(yīng)用到實(shí)際應(yīng)用設(shè)計(jì)中。具體內(nèi)容如下：RFID電子錢(qián)包應(yīng)用綜合實(shí)訓(xùn);門(mén)禁管理應(yīng)用綜合實(shí)訓(xùn);ETC路費(fèi)管理應(yīng)用綜合實(shí)訓(xùn);槍支管理系統(tǒng)開(kāi)發(fā)綜合實(shí)訓(xùn);圖書(shū)館管理系統(tǒng)開(kāi)發(fā)綜合實(shí)訓(xùn);人員身份管理系統(tǒng)開(kāi)發(fā)綜合實(shí)訓(xùn)等。

(5) 物聯(lián)網(wǎng)移動(dòng)互聯(lián)綜合實(shí)訓(xùn)。該系列實(shí)訓(xùn)以物聯(lián)網(wǎng)移動(dòng)互聯(lián)教學(xué)科研平臺(tái)為依托,用先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)管理思想,將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用在超市管理、物流管理及工業(yè)工程管理等方面。具體內(nèi)容如下：自動(dòng)化倉(cāng)儲(chǔ)實(shí)訓(xùn);移動(dòng)式入庫(kù)流程實(shí)訓(xùn);移動(dòng)式庫(kù)內(nèi)實(shí)訓(xùn);移動(dòng)式出庫(kù)流程實(shí)訓(xùn);摘取式電子標(biāo)簽分揀實(shí)訓(xùn);播種式電子標(biāo)簽分揀實(shí)訓(xùn);自動(dòng)化分揀實(shí)訓(xùn)及倉(cāng)儲(chǔ)收貨實(shí)訓(xùn)等。

4 結(jié)語(yǔ)

實(shí)踐教學(xué)是物聯(lián)網(wǎng)工程專(zhuān)業(yè)教學(xué)過(guò)程中的重要環(huán)節(jié),如何圍繞物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu),并結(jié)合學(xué)校實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的實(shí)際情況構(gòu)建科學(xué)合理有效的實(shí)踐課程體系,是一個(gè)值得探究的問(wèn)題。文中研究的課程設(shè)計(jì)、課程實(shí)驗(yàn)及實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)等方案還有待優(yōu)化和完善,下一步還將對(duì)物聯(lián)網(wǎng)工程專(zhuān)業(yè)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)中的畢業(yè)設(shè)計(jì)和學(xué)科競(jìng)賽進(jìn)行研究。