基于樹莓派、IoT平臺(tái)和AppInventor構(gòu)建職業(yè)院校物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境研究

侯敬熙

摘? ?要：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)快速發(fā)展的今天，市場上對(duì)物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)人才的需求也逐漸增大，職業(yè)學(xué)校計(jì)算機(jī)專業(yè)改革也在向物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)方向轉(zhuǎn)變。不過，職業(yè)學(xué)校在實(shí)施物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)教學(xué)實(shí)驗(yàn)環(huán)境過程中，遇到了一些困難。文章將結(jié)合樹莓派、IoT平臺(tái)和AppInventor等技術(shù)，探索適合職校學(xué)生特點(diǎn)的物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境，培養(yǎng)厚基礎(chǔ)、寬口徑、強(qiáng)能力的綜合性人才。

關(guān)鍵詞：職業(yè)院校;物聯(lián)網(wǎng);實(shí)驗(yàn)環(huán)境

1? ? 職業(yè)學(xué)校物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)困境

當(dāng)前，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)受到各職業(yè)院校的重視，職業(yè)學(xué)校也積極加強(qiáng)了物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)規(guī)則和課程設(shè)置，在中山市全職業(yè)學(xué)校當(dāng)中，有已開設(shè)物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的，也有有意開設(shè)物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)或已開展物聯(lián)網(wǎng)課程探究的。物聯(lián)網(wǎng)目前教學(xué)在仍處于探索與實(shí)踐的階段，人才培養(yǎng)的數(shù)量和質(zhì)量與市場的實(shí)際需求有較大的差距。導(dǎo)致物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)困境的有如下因素。

1.1? 物聯(lián)網(wǎng)實(shí)踐教學(xué)不科學(xué)

物聯(lián)網(wǎng)是多個(gè)學(xué)科技術(shù)交叉融合的新興發(fā)展技術(shù)，主要涉及網(wǎng)絡(luò)、軟件開發(fā)和電子等綜合的學(xué)科應(yīng)用。大多數(shù)職業(yè)學(xué)校學(xué)科體系不能與市場接軌，使實(shí)訓(xùn)課程只能通過模擬軟件進(jìn)行教學(xué)，或者以理論講解為主、實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)并沒有真正達(dá)到預(yù)期中的教學(xué)效果。

1.2? 物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)設(shè)備價(jià)格不菲

物聯(lián)網(wǎng)作為一個(gè)新開設(shè)的專業(yè)，意味著需要投入資源，然而，物聯(lián)網(wǎng)當(dāng)前沒有統(tǒng)一的應(yīng)用規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，很多廠商面向職業(yè)院校提供價(jià)格不菲的物聯(lián)網(wǎng)實(shí)訓(xùn)室的解決方案，而且這些解決方案標(biāo)準(zhǔn)不一致、靈活性差，使得學(xué)校付出高成本，學(xué)生卻達(dá)不到實(shí)際工程的應(yīng)用技能標(biāo)準(zhǔn)。

1.3? 校企合作程度低

職業(yè)院校物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)課程的重點(diǎn)是培養(yǎng)學(xué)生從事物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)中工程施工與管理和設(shè)備的安裝、調(diào)試、維護(hù)、運(yùn)行管理等一線工作。由于現(xiàn)在不同企業(yè)應(yīng)用場景和標(biāo)準(zhǔn)不一致，沒有企業(yè)參與教學(xué)過程，培養(yǎng)出來的學(xué)生大多都不能做到對(duì)口就業(yè)，更不用談高質(zhì)量就業(yè)。

2? ? 物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)環(huán)境的設(shè)計(jì)方案

構(gòu)建“理實(shí)一體化”物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)環(huán)境為：感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。所構(gòu)建的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，不能只偏重某一技術(shù)開展，應(yīng)以典型的綜合項(xiàng)目開展實(shí)訓(xùn)。

2.1? 感知層—樹莓派

感知層主要通過傳感器實(shí)現(xiàn)環(huán)境信息的采集，需要用到的設(shè)備較多且復(fù)雜。樹莓派是一款基于Linux系統(tǒng)的卡片式計(jì)算機(jī)，很容易得到各種配套的硬件模塊和多種開發(fā)工具[1]。

2.2? 網(wǎng)絡(luò)層—IoT平臺(tái)

網(wǎng)絡(luò)層的主要任務(wù)是傳感器和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和管理，當(dāng)前國內(nèi)做得比較好物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)（IoT平臺(tái)）有中國移動(dòng)OneNet平臺(tái)、百度IoT平臺(tái)等，文章后面的教學(xué)實(shí)例將采用中國移動(dòng)OneNet平臺(tái)進(jìn)行演示。

2.3? 應(yīng)用層—AppInventor

應(yīng)用層作為與用戶直接交互的接口層，將用戶的各種反饋操作由應(yīng)用層告訴系統(tǒng)，采用AppInventor，以圖形化、拼接式的方式開發(fā)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序，能在一定程度上規(guī)避復(fù)雜的程序語言學(xué)習(xí)[2]。

3? ? 溫度監(jiān)控教學(xué)實(shí)例

結(jié)合以上設(shè)備建成一套實(shí)用可靠的物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)環(huán)境，以溫度監(jiān)控課例進(jìn)行介紹。

3.1? 樹莓派傳感器的搭建

在本實(shí)例中采用熱敏電阻作為溫度傳感器，需要用到的器材包括：面包板和跳線、1 kΩ熱敏電阻、2個(gè)1 kΩ電阻、330 nF電容器，在樹莓派編輯器中定義GPIO接口，獲取熱敏電阻的讀數(shù)并轉(zhuǎn)化為溫度讀數(shù)，將阻值轉(zhuǎn)換為以攝氏度為單位的溫度，通過熱敏電阻的阻值計(jì)算溫度的時(shí)候，需要利用Steinhart-Hart方程進(jìn)行一些復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算。

3.2? 在樹莓派上安裝MQTT協(xié)議的Python擴(kuò)展庫

消息隊(duì)列遙測傳輸（Message Queueing Telemetry Transport ，MQTT）是一種輕量級(jí)消息傳遞協(xié)議，提供的消息發(fā)布和訂閱機(jī)制，可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間（一對(duì)多）的消息交互，適用于物聯(lián)網(wǎng)連接設(shè)備的通信，把傳感器的數(shù)據(jù)通過MQTT協(xié)議上傳到服務(wù)器，在樹莓派中編寫代碼，傳入通信地址、端口和超時(shí)時(shí)間。

3.3? 中國移動(dòng)OneNet平臺(tái)

OneNet平臺(tái)是由中國移動(dòng)打造的PaaS物聯(lián)網(wǎng)開放平臺(tái)，從端到云，從數(shù)據(jù)采集、傳輸、計(jì)算、存儲(chǔ)、展現(xiàn)到分析，都提供了全面的基礎(chǔ)產(chǎn)品和服務(wù)。OneNet平臺(tái)通過主流的物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議（如HTTP，EDP，MQTT，Modbus，JT/T808等）幫助設(shè)備與云端之間建立安全可靠的雙向連接，還支撐海量設(shè)備的數(shù)據(jù)收集、監(jiān)控、故障等各種物聯(lián)網(wǎng)場景，其完善的協(xié)議封裝、簡化的開發(fā)流程，適合職校學(xué)生水平應(yīng)用。

（1）創(chuàng)建產(chǎn)品：進(jìn)入OneNet平臺(tái)的開發(fā)者中心，創(chuàng)建一個(gè)公開協(xié)議產(chǎn)品，接入?yún)f(xié)議為MQTT。

（2）新建設(shè)備：在OneNet平臺(tái)上創(chuàng)建設(shè)備，通過調(diào)用創(chuàng)建設(shè)備API實(shí)現(xiàn)設(shè)備的創(chuàng)建，輸入設(shè)備的設(shè)備名、接入?yún)f(xié)議、鑒權(quán)信息以及MasterKey等信息。創(chuàng)建消息發(fā)布與訂閱，輸入主題topic，選擇該身份擁有的權(quán)限，發(fā)布消息（Publish）、訂閱消息（Subscribe），成功創(chuàng)建消息發(fā)布者和訂閱者身份。

（3）配置MQTT客戶端：在MQTT客戶端填寫連接參數(shù)相數(shù)信息，配置文件名稱（Profile Name）、地址域名（Broker Address）、端口（Broker Port）、自動(dòng)生成ID號(hào)（Client ID），成功連接后，即可開始訂閱消息。打開Subscribe標(biāo)簽，配置主題topic，選擇默認(rèn)的QoS 0，完成進(jìn)行訂閱操作。

3.4? AppInventor應(yīng)用開發(fā)

在中國移動(dòng)OneNet平臺(tái)開發(fā)者中心配置第三方應(yīng)用開發(fā)，調(diào)用API數(shù)據(jù)，以JSON數(shù)據(jù)交換格式將數(shù)據(jù)傳送到應(yīng)用層，在應(yīng)用層使用AppInventor與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。AppInventor可以讓使用者在不懂編程語言情況下，以可視化的拖放、拼接模塊，將解釋的JSON數(shù)據(jù)結(jié)果分項(xiàng)顯示在手機(jī)應(yīng)用，通過運(yùn)用AppInventor完成物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層的開發(fā)，學(xué)生不用糾纏編程的細(xì)節(jié)，也能訓(xùn)練計(jì)算思維，理解應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)過程。測試完成好的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，將安裝好熱敏傳感器的樹莓派放置在不同的環(huán)境下，在手機(jī)應(yīng)用程序中點(diǎn)擊“獲取溫度”按鈕，能夠?qū)崟r(shí)反饋溫度信息。

4? ? 不同類型物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的對(duì)比

在實(shí)踐中，結(jié)合樹莓派、中國移動(dòng)OneNet平臺(tái)和AppInventor構(gòu)建適合職校學(xué)生的物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)環(huán)境，符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，滿足物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)需求，使學(xué)生能夠隨時(shí)將自己的創(chuàng)意開發(fā)成為現(xiàn)實(shí)。與中山某高校正在使用的實(shí)驗(yàn)環(huán)境作對(duì)比，文章的實(shí)驗(yàn)環(huán)境可實(shí)現(xiàn)一人一套設(shè)備開展實(shí)訓(xùn)，沒有封閉了各層次的實(shí)現(xiàn)過程與CC2530和ZigBee協(xié)議原理相通，通用性和擴(kuò)展性也強(qiáng)，關(guān)鍵是價(jià)格不貴，比動(dòng)輒要幾十萬的設(shè)備來說，可以被大部分學(xué)校接受。

文章的物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)環(huán)境是依據(jù)物聯(lián)網(wǎng)層次結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，集教學(xué)和應(yīng)用與一體的物聯(lián)網(wǎng)解決方案，每個(gè)層次的實(shí)現(xiàn)方法并不是唯一，可以依據(jù)具體情況進(jìn)行替換，如感知層使用arduino，網(wǎng)絡(luò)層使用阿里智能云，應(yīng)用層使用Android開發(fā)或微信小程序等都可以完成物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目的實(shí)施[3]。

中山當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)受學(xué)制和學(xué)生學(xué)習(xí)能力、學(xué)校資金投入、實(shí)訓(xùn)條件、師資等因素限制，大部分學(xué)校不能建設(shè)完整的物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)環(huán)境。文章的實(shí)驗(yàn)環(huán)境在有限的資源條件下，完善了物聯(lián)網(wǎng)的知識(shí)教學(xué)與實(shí)訓(xùn)，以典型的應(yīng)用系統(tǒng)綜合實(shí)訓(xùn)，能有效達(dá)到學(xué)生培養(yǎng)目標(biāo)。

5? ? 結(jié)語

在產(chǎn)教融合的大背景下，物聯(lián)網(wǎng)崗位結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)層次多、知識(shí)結(jié)構(gòu)跨度大的特點(diǎn)，加強(qiáng)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)環(huán)境的建設(shè)勢在必行。文章在教學(xué)實(shí)踐中采用樹莓派、中國移動(dòng)OneNet平臺(tái)和AppInventor構(gòu)建的物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)對(duì)樹莓派傳感器設(shè)備的遠(yuǎn)程控制，可以適應(yīng)多種應(yīng)用場景，進(jìn)一步提高學(xué)生對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用能力，培養(yǎng)能適應(yīng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型升級(jí)的物聯(lián)網(wǎng)人才。

[參考文獻(xiàn)]

[1]溫江濤，張煜.物聯(lián)網(wǎng)智能家居平臺(tái)DIY[M].北京：科學(xué)出版社，2014.

[2]謝作如，鄭祥，張潔.跟我學(xué)AppInventor2[M].北京：清華大學(xué)出版社，2017.

[3]劉繼元.基于樹莓派的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用[J].電子世界，2016（8）：24-25.

Research on experimental teaching environment of Internet of Things technology

in vocational college based on Raspberry Pie， IoT platform and AppInventor

Hou Jingxi

（Zhongshan No.1 Secondary Vocational and Technical School， Zhongshan 528400， China）

Abstract：With the rapid development of Internet of Things technology， the market demand for Internet of Things professionals is gradually increasing， and the reform direction of computer major in secondary vocational schools is also changing in the direction of Internet of Things technology. However， the vocational school encountered some difficulties in the implementation of the Internet of Things technology teaching experimental environment. This paper explored the Internet of Things experimental teaching environment suitable for secondary vocational school students by combining the technology of Raspberry Pie， IOT platform and App Inventor， and cultivated comprehensive talents with thick foundation， wide caliber and strong ability.

Key words：vocational college; Internet of Things; experimental environment