高職物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)課程體系建設(shè)與實(shí)踐

楊立志，金海峰

（江陰職業(yè)技術(shù)學(xué)院 計(jì)算機(jī)科學(xué)系，江蘇 江陰 214433）

0 引 言

當(dāng)前，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的日益成熟和廣泛應(yīng)用，人們的生產(chǎn)生活效率得到了大幅的提高，企事業(yè)單位的管理、作業(yè)模式發(fā)生了巨大變化，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)本身及相關(guān)人才越來(lái)越受到應(yīng)用行業(yè)的青睞。

然而，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)涉及到聲、光、電等多個(gè)領(lǐng)域的知識(shí)，應(yīng)用背景更是多種多樣。在教學(xué)中，如果僅僅按照傳統(tǒng)的教學(xué)模式和課程體系，圍繞物聯(lián)網(wǎng)的3層結(jié)構(gòu)[1]，設(shè)計(jì)模擬的應(yīng)用場(chǎng)景，如智能交通、智能農(nóng)業(yè)等，講解諸如電子、網(wǎng)絡(luò)、程序設(shè)計(jì)等軟硬件知識(shí)，雖然能夠涵蓋從事物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用所需的一般知識(shí)和技能，但由于模擬場(chǎng)景無(wú)法引起學(xué)生足夠的重視，模擬應(yīng)用中的任務(wù)對(duì)學(xué)生來(lái)說(shuō)也是不痛不癢，所以學(xué)生學(xué)習(xí)和掌握這些知識(shí)和技能仍然需要一個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)程，具體到實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域仍然是一知半解。如何結(jié)合實(shí)際的應(yīng)用場(chǎng)景并組織相關(guān)知識(shí)點(diǎn)在高職物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)中開展教學(xué)是本文要探討的主要問題。

1 搭建實(shí)際工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景

本文選擇智能電化學(xué)水處理器控制系統(tǒng)，經(jīng)適當(dāng)簡(jiǎn)化，作為物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)課程體系建設(shè)的“龍骨”，該智能電化學(xué)水處理器的主要功能是，通過(guò)形成一種帶有疊加脈沖效應(yīng)的低壓電場(chǎng)，對(duì)水的硬度、含菌量等指標(biāo)進(jìn)行改善，從而應(yīng)用到中央空調(diào)循環(huán)水處理，以及鋼鐵、電子、紡織、發(fā)電等行業(yè)的廢水再利用，循環(huán)水處理環(huán)節(jié)中，該設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)在能夠替代傳統(tǒng)的依靠化學(xué)方法對(duì)水進(jìn)行處理的方式，既節(jié)省成本又避免二次污染。

圍繞設(shè)備的主要功能，其主要組成單元如圖1所示。圖1中人機(jī)交互界面主要作為本地控制的接口，工業(yè)DTU作為設(shè)備與遠(yuǎn)程服務(wù)器進(jìn)行聯(lián)絡(luò)的接口，水質(zhì)傳感器組主要完成電導(dǎo)率、硬度、酸堿度等相關(guān)水質(zhì)參數(shù)的測(cè)量，此類參數(shù)有以下3種去向：

圖1 智能水處理設(shè)備功能單元

（1）傳送到人機(jī)交互界面進(jìn)行顯示。

（2）經(jīng)DTU傳送到遠(yuǎn)程服務(wù)器進(jìn)行顯示。

（3）現(xiàn)場(chǎng)控制器自身將根據(jù)水質(zhì)參數(shù)當(dāng)前值和目標(biāo)值對(duì)電場(chǎng)及脈沖參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，以期盡快達(dá)到最佳處理效果。

在系統(tǒng)中除了具有協(xié)助設(shè)備進(jìn)行工作的傳感器，還具有在設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中保護(hù)設(shè)備安全的保護(hù)傳感器組。保護(hù)傳感器組主要完成水溫、水流速、電場(chǎng)電壓、電流等參數(shù)的采集，將此類參數(shù)提交給現(xiàn)場(chǎng)控制器進(jìn)行決策，保證系統(tǒng)的安全運(yùn)行。按照電化學(xué)的理論，帶有脈沖效應(yīng)的低壓電場(chǎng)對(duì)于水質(zhì)的改善效果要明顯優(yōu)于沒有脈沖效應(yīng)的低壓電場(chǎng)。據(jù)此，本系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了脈沖放大器組，用于提高水處理效果。I/O擴(kuò)展器的主要功能是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)控制器的指令，驅(qū)動(dòng)設(shè)備上的相關(guān)動(dòng)力元件、功能部件等按照工藝流程進(jìn)行工作。

2 課程體系規(guī)劃

上述系統(tǒng)涉及到物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)多個(gè)方面的知識(shí)和技能，主要有：

（1）溫度、電壓、電流等常用傳感器功能特點(diǎn)及應(yīng)用，傳感器安裝及調(diào)試。該部分需要學(xué)生掌握的內(nèi)容主要有傳感器在項(xiàng)目中的作用、傳感器的數(shù)據(jù)輸出方式、量程規(guī)格、供電方式、防護(hù)等級(jí)等。比如電導(dǎo)率傳感器，其直接作用是測(cè)量不同水質(zhì)的導(dǎo)電能力，供電氣人員判斷電化學(xué)設(shè)備的電解電流大小，間接作用是能夠給水質(zhì)監(jiān)測(cè)人員提供水質(zhì)硬度判斷依據(jù)。該類型的傳感器測(cè)量到的數(shù)據(jù)如何傳輸給控制器，或者說(shuō)控制器如何從傳感器中“拿到”測(cè)量值，是學(xué)生必須要掌握的知識(shí)。

眾所周知，常見工業(yè)傳感器的數(shù)據(jù)輸出方式一般有兩種：4～20 mA模擬量和RS 485通信。對(duì)于類似于4～20 mA的模擬量輸出信號(hào)，還要求學(xué)生理解掌握換算方法；對(duì)于以RS 485方式輸出的信號(hào)，往往按照ModBus協(xié)議與接收方交互，ModBus協(xié)議已經(jīng)發(fā)展為一種工業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[2]，掌握ModBus協(xié)議對(duì)于學(xué)生具有特別重要的意義。

（2）循環(huán)水泵、水閥、除垢電機(jī)等各種動(dòng)力元件的工作特點(diǎn)及其控制方法，循環(huán)水工藝、排污工藝流程算法設(shè)計(jì)。從動(dòng)力元件的控制精確度、可靠性關(guān)系到設(shè)備生產(chǎn)、處理產(chǎn)品的質(zhì)量，相關(guān)動(dòng)力元件的工藝流程的聯(lián)鎖動(dòng)作不僅關(guān)系到產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量，也關(guān)系到設(shè)備運(yùn)行安全[3]。這部分知識(shí)往往是一般課程尤其是偏重于理論型課程中涉及不到的，許多學(xué)生畢業(yè)后由于沒有這方面知識(shí)經(jīng)驗(yàn)的積累，往往需要在工作崗位上實(shí)踐很長(zhǎng)時(shí)間才能有信心、有底氣去著手動(dòng)力元件的控制開發(fā)。在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用相關(guān)課程中設(shè)置這部分內(nèi)容，有利于學(xué)生在課堂上就可以掌握工控領(lǐng)域中動(dòng)力元器件的工作特性，安裝、維護(hù)方法，運(yùn)行控制方法。這樣一來(lái)，就可以在工作崗位上從容應(yīng)對(duì)。

（3）現(xiàn)場(chǎng)控制器功能特點(diǎn)、使用方法、程序設(shè)計(jì)方法。隨著技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)前工控領(lǐng)域有眾多的現(xiàn)場(chǎng)控制器、各種類型的PLC、各個(gè)廠家的單片機(jī)，由于應(yīng)用場(chǎng)景、用戶需求、控制流程復(fù)雜度等各種因素的不同，而各有應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。但ARM系列處理器因?yàn)榉€(wěn)定性、運(yùn)行速度、價(jià)格優(yōu)勢(shì)等多方面的因素被越來(lái)越多地應(yīng)用到各種領(lǐng)域中[4]。以意法半導(dǎo)體的Cortex-M系列微處理器為主的各類工業(yè)控制器在抗干擾性、耐惡劣環(huán)境能力等方面經(jīng)過(guò)眾多廠商的努力得到了很高的提升，再加上其本身?yè)碛斜姸嗟挠脩羧?，今年?lái)在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用領(lǐng)域也得到了廣泛的應(yīng)用。

本文所述項(xiàng)目也是基于STM32F407IGT控制器進(jìn)行開發(fā)，其豐富的硬件接口和資源為外圍器件的選型提供了極大的便利，如工業(yè)觸屏、工業(yè)DTU、擴(kuò)展I/O模塊、電流電壓采集模塊、各類傳感器等。

軟件設(shè)計(jì)采用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)作為基礎(chǔ)框架，該部分知識(shí)也是學(xué)生需要掌握的重點(diǎn)內(nèi)容，許多嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，體積小，源碼開放，整合了操作系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度、資源管理等方面的核心內(nèi)容，是學(xué)生學(xué)習(xí)和掌握操作系統(tǒng)相關(guān)知識(shí)的入門首選內(nèi)容。

（4）人機(jī)交互設(shè)備使用方法、界面組態(tài)方法。人機(jī)交互是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)必不可少的一項(xiàng)內(nèi)容[5]，為設(shè)備提供了現(xiàn)場(chǎng)控制、運(yùn)行參數(shù)監(jiān)視等重要功能。常見的人機(jī)交互設(shè)備主要有基于TCP/IP通信方法、基于RS 485通信方法、基于RS 232串口通信方法和基于TTL串口的通信方法等類型的觸摸屏[6-7]，這幾種類型的觸摸屏由于控制簡(jiǎn)單、靈活且功能強(qiáng)大，在實(shí)際開發(fā)中應(yīng)用較多。眾多的生產(chǎn)廠家也為各自推出的觸摸屏量身定制了開發(fā)（組態(tài)）環(huán)境，使得用戶經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的學(xué)習(xí)或者練習(xí)就能夠設(shè)計(jì)出精美的工控界面，并快速應(yīng)用到產(chǎn)品中去。本文所述項(xiàng)目中使用了昆侖通態(tài)工業(yè)觸屏作為產(chǎn)品本地控制界面，這部分內(nèi)容的學(xué)習(xí)對(duì)于學(xué)生而言基本沒有門檻，同時(shí)也能增加學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和獲得感。

（5）遠(yuǎn)程服務(wù)器構(gòu)建方法，以及設(shè)備組網(wǎng)、參數(shù)采集、遠(yuǎn)程控制等功能的組態(tài)方法。與人機(jī)交互設(shè)備的開發(fā)類似，當(dāng)前工業(yè)服務(wù)器也有眾多成熟的產(chǎn)品[8]，如組態(tài)王、力控等。工業(yè)服務(wù)器也一樣提供組態(tài)環(huán)境，在組態(tài)環(huán)境中，除了含有基本的交互組件，如按鈕、文本框等之外，還含有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)換的各類變量，而與本地控制組態(tài)軟件不同的是，工業(yè)服務(wù)器組態(tài)軟件含有與本地或遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫(kù)的交互手段與方法，其中提供的虛擬遠(yuǎn)程通信接口與物理遠(yuǎn)程通信模塊的對(duì)接方法、通信協(xié)議的定義及其規(guī)則的應(yīng)用等是相對(duì)難以理解和掌握的內(nèi)容。這些知識(shí)需要學(xué)生通過(guò)觀察理解實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、實(shí)踐練習(xí)等手段才能理解和掌握。

（6）斷路器、保險(xiǎn)器、電源、DTU等模塊選型、安裝，控制柜布局、布線，設(shè)備調(diào)試、安裝等相關(guān)知識(shí)。該部分知識(shí)和技能是構(gòu)建工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品的“磚瓦”，學(xué)生從事工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用一般是從掌握和應(yīng)用這部分知識(shí)和技能開始的。這部分知識(shí)對(duì)于學(xué)生工程素質(zhì)的培養(yǎng)和形成，工程思維能力的鍛煉有許多幫助，學(xué)習(xí)和掌握好這部分知識(shí)和技能能夠?yàn)閷W(xué)生日后從事工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)和開發(fā)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，具有重要意義。

圍繞上述知識(shí)和技能特點(diǎn)，本文對(duì)高職物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)相關(guān)課程設(shè)置見表1所列。

表1中，專業(yè)基礎(chǔ)課程部分的C程序設(shè)計(jì)、仿真機(jī)器人及嵌入式機(jī)器人編程三門課程在教學(xué)過(guò)程中按照上述順序串行實(shí)施。仿真機(jī)器人課程以Robomind平臺(tái)為教學(xué)環(huán)境，通過(guò)設(shè)計(jì)虛擬有趣的任務(wù)場(chǎng)景，讓學(xué)生學(xué)習(xí)掌握函數(shù)定義、調(diào)用、傳遞參數(shù)以及算法設(shè)計(jì)等知識(shí)。嵌入式機(jī)器人編程以Arduino系列單片機(jī)為硬件平臺(tái)，以Proteus為電路仿真平臺(tái)，以巡線機(jī)器人為課程任務(wù)開展教學(xué)，對(duì)專業(yè)基礎(chǔ)課程部分的知識(shí)和技能進(jìn)行綜合運(yùn)用，為后續(xù)專業(yè)課程相關(guān)內(nèi)容學(xué)習(xí)做好準(zhǔn)備。

表1 高職物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)課程設(shè)置

專業(yè)課程部分以傳感器技術(shù)與應(yīng)用、現(xiàn)場(chǎng)控制器程序設(shè)計(jì)作為物聯(lián)網(wǎng)傳感層開發(fā)技術(shù)的核心課程，以電導(dǎo)率、pH值、電壓、電流、水溫等傳感器應(yīng)用為課程任務(wù)，通過(guò)對(duì)控制器編程、傳感器安裝部署、工程布線等工作任務(wù)的實(shí)施，開展教學(xué)和實(shí)訓(xùn)。

工業(yè)組網(wǎng)技術(shù)、工業(yè)設(shè)備控制技術(shù)兩門課程作為物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層的主導(dǎo)課程，主要以GPRS、NB-IoT、WiFi等無(wú)線通信技術(shù)[9-10]為主線，以智能水處理器處理目標(biāo)參數(shù)、工作電氣參數(shù)、工控動(dòng)作流程等為傳輸對(duì)象，結(jié)合用戶實(shí)際要求構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，傳輸協(xié)議設(shè)計(jì)，網(wǎng)絡(luò)安全性、可靠性檢測(cè)等相關(guān)課程任務(wù)。

應(yīng)用層主要采用當(dāng)前應(yīng)用廣泛的工業(yè)組態(tài)軟件的安裝部署、應(yīng)用發(fā)布等為主要教學(xué)任務(wù)，其主要知識(shí)點(diǎn)涉及應(yīng)用界面組態(tài)、腳本程序設(shè)計(jì)、I/O點(diǎn)組態(tài)、數(shù)據(jù)庫(kù)組態(tài)及數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)、嵌入式Web服務(wù)器功能設(shè)計(jì)、遠(yuǎn)程通信鏈路設(shè)置等。

3 結(jié) 語(yǔ)

高職物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)在專業(yè)能力培養(yǎng)方面以培養(yǎng)學(xué)生物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用能力、項(xiàng)目實(shí)施能力為主要目標(biāo)，通過(guò)引入實(shí)際工業(yè)應(yīng)用項(xiàng)目，簡(jiǎn)化后作為課堂教學(xué)任務(wù)，能夠有效地提高學(xué)生學(xué)習(xí)熱情，培養(yǎng)和鍛煉學(xué)生的實(shí)際作業(yè)能力。