基于物聯(lián)網(wǎng)的跨專業(yè)融合教學系統(tǒng)的研究

王青芝

（青島理工大學琴島學院，山東 青島 266106）

0 引言

科技進步推動不同領域技術(shù)的融合創(chuàng)新，各行各業(yè)推進數(shù)字化改革，對創(chuàng)新型復合人才的需求與日俱增，因此，高校人才培養(yǎng)目標向著“協(xié)同創(chuàng)新”“學科融合”方向發(fā)展[1]。物聯(lián)網(wǎng)作為一個涉及計算機技術(shù)、通信技術(shù)、電子技術(shù)、測控技術(shù)、機械制造等專業(yè)的交叉學科，各大高校在設立培養(yǎng)方案時均從跨專業(yè)融合教學方面著手。結(jié)合我院綜合實踐教學培養(yǎng)現(xiàn)狀，設計基于物聯(lián)網(wǎng)的跨專業(yè)融合教學系統(tǒng)，其教學目的主要有以下兩個方面：

（1）以物聯(lián)網(wǎng)實踐項目為基礎，培養(yǎng)不同專業(yè)學生之間團結(jié)協(xié)作的能力，發(fā)揮各個專業(yè)學生實踐能力，來共同解決實際問題，淡化專業(yè)的“專一性”，以達到融合教學的目的。

（2）以“硬件平臺”+“仿真平臺”相結(jié)合的方式，對不同專業(yè)學生因材施教。其具體體現(xiàn)如下：

①感知層技術(shù)的研發(fā)。傳統(tǒng)意義上感知層是多為物聯(lián)網(wǎng)工程、電子信息工程以及嵌入式工程等具有硬件開發(fā)基礎專業(yè)的學生研究。而本教學系統(tǒng)軟件提供模擬仿真平臺，各專業(yè)學生均可參與研究。

②網(wǎng)絡層技術(shù)的研發(fā)。傳統(tǒng)意義上的網(wǎng)絡層實現(xiàn)信息系統(tǒng)中的實體間的通信與互聯(lián)，多為網(wǎng)絡工程專業(yè)的學生研究。而本教學系統(tǒng)軟件中的網(wǎng)絡層實現(xiàn)了物理世界與信息系統(tǒng)的互聯(lián)，并采用模擬仿真系統(tǒng)，各專業(yè)學生都可參與到該系統(tǒng)中，學以致用。

③應用層技術(shù)的研發(fā)。傳統(tǒng)意義上的應用層多為網(wǎng)絡工程專業(yè)、計算機科學與技術(shù)等有上層應用開發(fā)經(jīng)驗專業(yè)的學生研究?；诒鞠到y(tǒng)各專業(yè)的學生均可將自己的產(chǎn)品通過應用層平臺發(fā)布到手機、PC客戶端進行相關(guān)操作并查看效果。

1 基于物聯(lián)網(wǎng)的跨專業(yè)融合教學系統(tǒng)設計

本系統(tǒng)主要由感知層、網(wǎng)絡層和應用層三層構(gòu)成。其中，感知層采用OneNET NB-IOT開發(fā)板及各類傳感器搭建硬件電路，或者Cisco Packet Tracer軟件平臺仿真兩種方式；網(wǎng)絡層采用NB模塊與OneNET平臺互聯(lián)或Cisco Packet Tracer仿真平臺進行網(wǎng)絡和路由的配置兩種方式；應用層借助中國移動OneNET應用平臺實現(xiàn)數(shù)據(jù)在多種設備上的圖形化展示和用戶指令的下達。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 基于物聯(lián)網(wǎng)的跨專業(yè)融合教學系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 基于物聯(lián)網(wǎng)的跨專業(yè)融合教學系統(tǒng)實現(xiàn)

基于物聯(lián)網(wǎng)的跨專業(yè)融合教學系統(tǒng)的實現(xiàn)從感知層、網(wǎng)絡層和應用層三層展開。首先，通過各類傳感器感應環(huán)境的溫度、濕度、煙霧濃度等信息傳遞給單片機；其次，單片機將物理信息收集處理后，通過依托于中國移動網(wǎng)的NB模組或構(gòu)建局域網(wǎng)的方式傳遞給上層應用平臺；最后，應用平臺接收信息并進行分析處理，在PC端或手機端直觀展示，或者下達指令控制相關(guān)智能家居設備執(zhí)行加濕、通風、加熱、開燈以及報警等功能[2]。

2.1 感知層構(gòu)建與實現(xiàn)

感知層采用OneNET NB-IOT開發(fā)板及各類傳感器搭建硬件電路，或者使用Cisco Packet Tracer軟件平臺仿真兩種方式，其具體實現(xiàn)如下：

（1）采用OneNET NB-IOT開發(fā)板及各類傳感器搭建硬件電路。

圖2是OneNET NB-IOT開發(fā)板實物圖，OneNET NB-IOT開發(fā)板以ARM Cortex-M3 32位微處理器STM32F103RET6為核心,通過LCD1602實時地顯示傳感器DHT11檢測到的溫濕度值，同時，搭載中國移動的M5310NB模組，通過AT指令實現(xiàn)與OneNET平臺的互聯(lián)互通。

圖2 OneNET NB-IOT 開發(fā)板實物圖

（2）使用Cisco Packet Tracer軟件平臺仿真。對于網(wǎng)絡工程、計算機科學與技術(shù)等專業(yè)學生，其課程體系中沒有單片機和傳感器等硬件基礎課程，可以使用Cisco Packet Tracer軟件平臺仿真各類傳感器和開發(fā)板的功能，完成感知層設備的搭建（如圖3所示）。

圖3 基于Cisco Packet Tracer 平臺的溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)

2.2 網(wǎng)絡層構(gòu)建與實現(xiàn)

網(wǎng)絡層采用NB模塊與OneNET平臺互聯(lián)或通過仿真平臺進行網(wǎng)絡和路由的配置，其具體實現(xiàn)如下：

（1）采用NB模塊與OneNET平臺互聯(lián)。由于OneNET NB-IOT開發(fā)板內(nèi)置OneNET協(xié)議的NB模組M5310,用戶通過AT指令完成開發(fā)板與OneNET平臺的互聯(lián)互通。設備接入OneNET流程圖如圖4所示。

圖4 設備接入OneNET 流程圖

（2）通過仿真平臺進行網(wǎng)絡和路由的配置。對于網(wǎng)絡工程和計算機科學與技術(shù)以外大多數(shù)專業(yè)的學生沒有接觸過路由與交換的課程，讓學生實際去搭建局域網(wǎng)或移動網(wǎng)系統(tǒng)存在一定難度。通過仿真平臺進行網(wǎng)絡和路由的配置，可以通過模擬仿真的形式如圖3所示，使學生搭建局域網(wǎng)或使用移動網(wǎng)，同時了解與使用MQTT、HTTP、TCP、LwM2M等多種協(xié)議標準[3]。

2.3 應用層構(gòu)建與實現(xiàn)

應用層借助中國移動OneNET平臺實現(xiàn)數(shù)據(jù)在多種設備上的圖形化展示，其基本流程如圖5所示。PC端溫濕度數(shù)據(jù)流展示與智能家居控制如圖6所示，手機端溫濕度數(shù)據(jù)展示與閾值設定如圖7所示。

圖5 OneNET 平臺設備構(gòu)建與數(shù)據(jù)展示流程圖

圖6 PC 端溫濕度數(shù)據(jù)流展示與智能家居控制

圖7 手機端溫濕度數(shù)據(jù)展示與閾值設定

應用層不僅可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)在多種設備上的圖形化展示，同時可以對數(shù)據(jù)進行分析處理和下發(fā)指令控制相應智能設備的運轉(zhuǎn)[4-10]。比如溫度過高時，打開風扇；溫度過低時，打開加熱片；濕度過低時，打開加濕器等。

圖8 溫度過高時，風扇開啟

圖9 打開家門，各種智能家居設備自動運轉(zhuǎn)

3 結(jié)語

基于物聯(lián)網(wǎng)的跨專業(yè)融合教學系統(tǒng)立足我院實踐融合教學現(xiàn)狀，以物聯(lián)網(wǎng)實踐項目為依托，采用軟件平臺仿真和硬件系統(tǒng)搭建兩種方式，靈活性高，實用性強。該系統(tǒng)面向多個專業(yè)的學生，符合跨專業(yè)，學科融合的需求。后期可對其應用平臺進一步擴展，開發(fā)更多實踐教學案例，以滿足不同專業(yè)，不同研究方向的學生使用。