物聯(lián)網(wǎng)機(jī)器人核心課程體系探索

趙學(xué)良，郭迎九，劉亞軍，周 波

（北京城市學(xué)院 信息學(xué)部，北京 100083）

0 引 言

物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)具有非常鮮明的新工科特征，屬于前沿技術(shù)引領(lǐng)下多學(xué)科交融的新興產(chǎn)業(yè)型專業(yè)。物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)融合了計(jì)算機(jī)、電子信息、自動(dòng)化等多學(xué)科下的專業(yè)理論知識(shí)和實(shí)踐技能，是現(xiàn)代社會(huì)泛在互聯(lián)的必然產(chǎn)物。2010年教育部批準(zhǔn)設(shè)置物聯(lián)網(wǎng)工程本科專業(yè)之初就定位于服務(wù)國(guó)家戰(zhàn)略和發(fā)展新興產(chǎn)業(yè)需求，北京理工大學(xué)、北京科技大學(xué)等一大批“985工程”和“211工程”的學(xué)校開(kāi)始了各具特色的創(chuàng)新性探索。根據(jù)已有資料和課題組長(zhǎng)期的實(shí)地調(diào)查，各高校物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)培養(yǎng)學(xué)生的基本思路都是在已有的相關(guān)特色專業(yè)基礎(chǔ)上，特別是在實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)和師資方面，有所側(cè)重地從物聯(lián)網(wǎng)感知層、網(wǎng)絡(luò)層或應(yīng)用層的其中一層或兩層出發(fā)的。

目前，物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)還在快速發(fā)展階段，多學(xué)科交叉既是本專業(yè)的優(yōu)勢(shì)也是劣勢(shì)。優(yōu)勢(shì)在于：學(xué)生幾乎可以接觸工程實(shí)現(xiàn)過(guò)程中所有云-邊-端的技術(shù)和理論問(wèn)題，能夠極大地提升系統(tǒng)集成能力，具備“寬基礎(chǔ)、厚口徑”的特點(diǎn)；劣勢(shì)在于：知識(shí)面過(guò)于寬泛，對(duì)師資、固定投資和學(xué)生的專業(yè)深度發(fā)展都提出了更高挑戰(zhàn)。因此，及時(shí)總結(jié)物聯(lián)網(wǎng)工程應(yīng)用新領(lǐng)域?qū)W(xué)科發(fā)展至關(guān)重要。近年來(lái)，智能機(jī)器人的快速發(fā)展為物聯(lián)網(wǎng)工程的本地智能化帶來(lái)了契機(jī)。物聯(lián)網(wǎng)工程適應(yīng)低成本和海量連接下的多傳感器感知和傳輸，同時(shí)移動(dòng)機(jī)器人可作為移動(dòng)決策和判決的多任務(wù)中心，物聯(lián)網(wǎng)機(jī)器人就是滿足這兩種需求而出現(xiàn)的新興專業(yè)融合方向。

北京城市學(xué)院的物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)在經(jīng)歷了學(xué)科方向建設(shè)（2012年）、專業(yè)申報(bào)（2016年）、本科審核性評(píng)估（2019）、專業(yè)學(xué)位評(píng)估（2020年）等多輪論證、專業(yè)特色凝練、師資建設(shè)和實(shí)踐教學(xué)設(shè)施建設(shè)之后，圍繞智慧城市建設(shè)指導(dǎo)形成了智能服務(wù)機(jī)器人設(shè)計(jì)與維護(hù)和智能傳感網(wǎng)規(guī)劃與實(shí)施兩大專業(yè)方向，逐漸形成了物聯(lián)網(wǎng)機(jī)器人教學(xué)體系的完備基礎(chǔ)。

1 物聯(lián)網(wǎng)機(jī)器人的研究現(xiàn)狀

在中國(guó)知網(wǎng)以關(guān)鍵詞為“物聯(lián)網(wǎng)機(jī)器人”進(jìn)行檢索，檢索的結(jié)果如圖1所示，可見(jiàn)物聯(lián)網(wǎng)與機(jī)器人方向的融合報(bào)告整體呈上升趨勢(shì)。王躍虎等利用物聯(lián)網(wǎng)泛在網(wǎng)絡(luò)和機(jī)器人可移動(dòng)執(zhí)行的特點(diǎn)對(duì)圖書(shū)管理進(jìn)行了早期探索。譚華等考慮到物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，認(rèn)為物聯(lián)網(wǎng)的WiFi、BLE等短距離通信技術(shù)將與智能機(jī)器人深度融合。秦松亭等通過(guò)ZigBee、WiFi構(gòu)建了遠(yuǎn)近距離結(jié)合的消防機(jī)器人。胡琦瑤等提出了一種基于ZigBee數(shù)傳和UWB定位的室內(nèi)送水機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)了低功耗的自動(dòng)送水功能。張東濤等基于物聯(lián)網(wǎng)定位技術(shù)提出一種具有割草機(jī)路徑規(guī)劃功能的物聯(lián)網(wǎng)機(jī)器人，可實(shí)現(xiàn)全目標(biāo)覆蓋。張思源等建議利用物聯(lián)網(wǎng)強(qiáng)大的感知和通信能力提升智能機(jī)器人的應(yīng)用場(chǎng)景和性能，在微信小程序、WiFi、本地傳感器模式基礎(chǔ)上的掃地機(jī)器人被證明在遠(yuǎn)程監(jiān)控時(shí)能保持較好的實(shí)時(shí)性和精度。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)機(jī)器人主要研究主題發(fā)展趨勢(shì)

關(guān)于物聯(lián)網(wǎng)機(jī)器人的研究熱點(diǎn)是把物聯(lián)網(wǎng)的智能感知和強(qiáng)大的通信組網(wǎng)能力與機(jī)器人技術(shù)的感知定位和決策中心相結(jié)合，如圖2所示。物聯(lián)網(wǎng)常用短距離通信技術(shù)ZigBee、BLE和WiFi以及長(zhǎng)距離通信技術(shù)LoRa和NB-IoT，組成泛在網(wǎng)絡(luò)把數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)關(guān)上傳至移動(dòng)機(jī)器人，在機(jī)器人平臺(tái)上進(jìn)行融合處理和控制。

圖2 物聯(lián)網(wǎng)機(jī)器人研究和應(yīng)用方向分布

2 物聯(lián)網(wǎng)機(jī)器人核心課程體系探索

2.1 物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)核心課程體系

物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)核心課程按體系層次分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層。感知層包括RFID原理及應(yīng)用、傳感器原理與應(yīng)用等相關(guān)課程，旨在培養(yǎng)學(xué)生的環(huán)境信號(hào)感知、變換的硬件設(shè)計(jì)與信息處理能力。網(wǎng)絡(luò)層是關(guān)鍵層，包括無(wú)線網(wǎng)絡(luò)原理、物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)、短距離和長(zhǎng)距離通信技術(shù)等相關(guān)課程，旨在培養(yǎng)學(xué)生信號(hào)/信息傳輸、異構(gòu)組網(wǎng)的能力。物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的典型特征是多節(jié)點(diǎn)管理，因此本層節(jié)點(diǎn)應(yīng)包含ZStack、Contiki等嵌入式操作系統(tǒng)。應(yīng)用層包括定位技術(shù)、智能終端操作系統(tǒng)等相關(guān)課程，旨在培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)能力。

2.2 機(jī)器人專業(yè)核心課程體系

機(jī)器人專業(yè)本身也涉及機(jī)電、計(jì)算機(jī)、自動(dòng)化類課程的多學(xué)科交叉。機(jī)電類課程提供機(jī)器人本體及驅(qū)動(dòng)，是機(jī)理建模的依據(jù)，此類課程包含機(jī)械設(shè)計(jì)原理、電機(jī)拖動(dòng)等。計(jì)算機(jī)類課程包含嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)、單片機(jī)原理及應(yīng)用、ROS、自然語(yǔ)言處理、計(jì)算機(jī)圖像處理等，此類課程是讓學(xué)生能夠處理環(huán)境感知信息等。自動(dòng)化類課程主要包含自動(dòng)控制原理、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)和智能控制等，主要使學(xué)生能夠使用離散PID等基本控制算法及智能控制算法實(shí)現(xiàn)控制或決策。

2.3 物聯(lián)網(wǎng)機(jī)器人核心課程體系

物聯(lián)網(wǎng)機(jī)器人結(jié)合了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中的智能感知和機(jī)器人可移動(dòng)可決策能力，因此專業(yè)培養(yǎng)需要在物聯(lián)網(wǎng)多傳感器感知、長(zhǎng)短距通信技術(shù)、多節(jié)點(diǎn)管理的基礎(chǔ)上，融合機(jī)器人所需的移動(dòng)定位、智能判決能力。構(gòu)建的核心課程體系如圖3所示。在整個(gè)課程體系的配置上，物聯(lián)網(wǎng)的感知、異構(gòu)組網(wǎng)能力仍然處于核心位置，同時(shí)需要突出物聯(lián)網(wǎng)機(jī)器人移動(dòng)定位、控制與決策需求，其本質(zhì)仍然是把機(jī)器人作為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用對(duì)象進(jìn)行建設(shè)，機(jī)器人的地位等同于大數(shù)據(jù)、人工智能等新興應(yīng)用對(duì)象。

圖3 物聯(lián)網(wǎng)機(jī)器人核心課程體系

3 核心課程設(shè)置需權(quán)衡內(nèi)容

3.1 云端智能和本地智能

云端智能的優(yōu)點(diǎn)在于云端有近乎無(wú)限的算力，因此在云端使用人工智能得到的結(jié)果精度高；缺點(diǎn)在于有使用費(fèi)、需要高速網(wǎng)絡(luò)支持。本地智能的優(yōu)點(diǎn)在于可根據(jù)需求降低算力、幾乎無(wú)延遲；缺點(diǎn)在于算力一般較弱、一次性投資較高。因此云端智能適合網(wǎng)絡(luò)條件好、對(duì)計(jì)算結(jié)果要求高、對(duì)時(shí)延要求不苛刻的場(chǎng)景；本地智能適合初期投資充裕、結(jié)果精度要求不高但對(duì)時(shí)延要求苛刻的場(chǎng)景，可考慮加入邊緣網(wǎng)關(guān)。

3.2 定位技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)機(jī)器人可移動(dòng)，但機(jī)器人的移動(dòng)控制比較復(fù)雜，包含了感知、建圖、路徑規(guī)劃、導(dǎo)航、避障等。物聯(lián)網(wǎng)機(jī)器人的移動(dòng)一般為特定有限區(qū)域的移動(dòng)，大多數(shù)是為確定感知區(qū)域內(nèi)物品的位置或收發(fā)特定位置的數(shù)據(jù)，因此不必把機(jī)器人本體的絕對(duì)定位設(shè)置為重點(diǎn)，而應(yīng)把重點(diǎn)放在RFID、BLE、ZigBee以及WiFi等短距離定位上。

3.3 功耗和成本控制

物聯(lián)網(wǎng)機(jī)器人的控制和決策需求是根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)終端算力弱、功耗低的實(shí)際情況提出的，用于實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)多終端節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)融合、智能判斷、智能控制、智能決策和智能交互，優(yōu)先考慮的是功能的穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)，功耗和成本控制次之。物聯(lián)網(wǎng)機(jī)器人可進(jìn)一步與人工智能融合，構(gòu)成不同層次的嵌入式人工智能移動(dòng)終端。當(dāng)然，物聯(lián)網(wǎng)機(jī)器人也可以按需求接入云端，實(shí)現(xiàn)云端訓(xùn)練與本地應(yīng)用模式相結(jié)合的智能控制。

4 結(jié) 語(yǔ)

物聯(lián)網(wǎng)機(jī)器人專業(yè)核心課程的精簡(jiǎn)必須充分考慮物聯(lián)網(wǎng)智能感知和機(jī)器人能移動(dòng)決策的特點(diǎn)，課程設(shè)置建議圍繞檢測(cè)技術(shù)、無(wú)線短/長(zhǎng)距離通信技術(shù)、異構(gòu)組網(wǎng)、移動(dòng)定位和智能判決這五個(gè)方向進(jìn)行。物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)正在快速發(fā)展和變革中，其本身有強(qiáng)大的包容和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)能力，物聯(lián)網(wǎng)機(jī)器人核心課程設(shè)置也應(yīng)根據(jù)專業(yè)發(fā)展實(shí)際情況進(jìn)行微調(diào)。