基于人工智能的物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)人才培養(yǎng)模式研究與實(shí)踐

韓改寧，張偉，吳宗勝

(咸陽師范學(xué)院,計(jì)算機(jī)學(xué)院， 陜西，咸陽 712000)

0 引言

為了主動應(yīng)對新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革的新工科建設(shè)，以及伴隨著“中國制造2025”戰(zhàn)略方針的推行，基于物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things,IoT)技術(shù)的行業(yè)發(fā)展和人才需要已經(jīng)成為一種趨勢[1]。

物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展至今，已經(jīng)從最開始的未連接狀態(tài)發(fā)展至智能化，所帶來的價(jià)值也變得越來越大。隨著人工智能(artificial intelligence,AI)技術(shù)的誕生，AI與IoT的融合將加速智能化進(jìn)程，充分發(fā)揮物聯(lián)網(wǎng)的價(jià)值[2]。AI和IoT發(fā)展結(jié)合成為了智聯(lián)網(wǎng)(AIoT)，AIoT從市場層面看是AI技術(shù)與IoT在實(shí)際應(yīng)用中的落地融合，是應(yīng)用人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，以大數(shù)據(jù)、云計(jì)算為基礎(chǔ)支撐，以半導(dǎo)體為算法載體，以網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)作為實(shí)施保障。AIoT從技術(shù)層面看是將AI 技術(shù)嵌入到IoT設(shè)備之中，AIoT已經(jīng)成為物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的必然趨勢[3-7]。

因此，對于物聯(lián)網(wǎng)人才的需求，實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的要求，使得物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)人才培養(yǎng)需要結(jié)合“人工智能前沿技術(shù)”和“高新技術(shù)發(fā)展需求”。本文深入分析和并提出辦學(xué)新思路，結(jié)合行業(yè)發(fā)展、產(chǎn)教融合，凝練出我校物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的人才培養(yǎng)模式。

1 物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)培養(yǎng)模式及方案

人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)與云計(jì)算的廣泛應(yīng)用，顛覆了傳統(tǒng)行業(yè)，導(dǎo)致出現(xiàn)“新業(yè)態(tài)”專業(yè)模式。結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)及相關(guān)高新技術(shù)人才需要，基于人工智能的物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)人才培養(yǎng)模式要能滿足新業(yè)態(tài)發(fā)展變化。

物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)培養(yǎng)能夠系統(tǒng)地掌握物聯(lián)網(wǎng)的相關(guān)理論、方法和技能，具備通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、傳感技術(shù)、云計(jì)算和人工智能技術(shù)等，能夠服務(wù)于地方信息技術(shù)領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)人才。物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)如圖1所示。

基于以上關(guān)鍵技術(shù)，物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)人才培養(yǎng)需要從設(shè)備端、物聯(lián)網(wǎng)云平臺端和云產(chǎn)品端3個方面展開，如圖2所示。

圖1 IoT關(guān)鍵技術(shù)

(1) 設(shè)備端

設(shè)備端的開發(fā)是基于芯片選型完成的，是物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域最復(fù)雜，參差不齊的地方，到目前沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)。也就是說，設(shè)備端選用不同的芯片就要用不同的操作系統(tǒng)和不同的開發(fā)工具。這是傳統(tǒng)嵌入式開發(fā)的現(xiàn)狀，也是物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備端開發(fā)的現(xiàn)狀,所以從人才培養(yǎng)方面，只能考慮選擇一類處理器芯片、一種操作系統(tǒng)和一種開發(fā)工具來培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)備端開發(fā)。設(shè)備端包括傳感器數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及與云平臺的傳輸，結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 設(shè)備端結(jié)構(gòu)

由圖3可知,映射到相關(guān)的專業(yè)核心課程，主要包括傳感器技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)原理、嵌入式操作系統(tǒng)、嵌入式軟件開發(fā)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等。學(xué)習(xí)了核心課程,學(xué)生可以實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備開發(fā)。映射到相關(guān)的專業(yè)基礎(chǔ)課程，主要包括硬件類課程和軟件類課程，硬件類課程有大學(xué)物理、電路與電子技術(shù)、數(shù)字電路、組成原理、單片機(jī)原理等，軟件類課程有C語言程序設(shè)計(jì)、Java、Qt程序設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)庫原理等。

所有的云端平臺和設(shè)備之間的通信本質(zhì)上都是建構(gòu)在TCP/IP協(xié)議上的，包含多種設(shè)備接入?yún)f(xié)議，基于此可以使用Wi-Fi、5G，最主流的是MQTT協(xié)議等。通過對數(shù)據(jù)包的再封裝實(shí)現(xiàn)設(shè)備和云平臺的通信，設(shè)備與設(shè)備之間的通信，手段可以有Wi-Fi、Bluetooth、ZigBee等。此外，嵌入式網(wǎng)絡(luò)主要包括計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)接口與編程課程。

(2) 云平臺端

物聯(lián)網(wǎng)云平臺端的主要功能包括連接管理、設(shè)備管理和應(yīng)用使能。物聯(lián)網(wǎng)云平臺通常是基于現(xiàn)有云計(jì)算平臺搭建的，一般還需要用到云計(jì)算平臺提供功能，比如云主機(jī)、云數(shù)據(jù)庫等，用戶可以在云主機(jī)上搭建Web行業(yè)應(yīng)用服務(wù)，它是運(yùn)營物聯(lián)網(wǎng)的戰(zhàn)略控制點(diǎn)。物聯(lián)網(wǎng)云平臺組成如圖2所示，其中設(shè)備接入可以在智能設(shè)備與云端之間建立安全的雙向連接，并通過主流的物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議(如MQTT)通信，實(shí)現(xiàn)從設(shè)備端到云端以及從云端到設(shè)備端的安全穩(wěn)定地消息傳輸。在物聯(lián)網(wǎng)云平臺包含4大核心模塊，包括設(shè)備管理、用戶管理、數(shù)據(jù)傳輸管理、數(shù)據(jù)管理，只有具備了這4大核心模塊，才能認(rèn)為是一個完整的物聯(lián)網(wǎng)云平臺，而所有其他的功能模塊都是基于此四大功能模塊的延展。

物聯(lián)網(wǎng)云平臺端的結(jié)構(gòu)映射的相關(guān)課程主要包括無線傳感網(wǎng)、云平臺服務(wù)、非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)庫、Web應(yīng)用開發(fā)等課程。

(3) 云產(chǎn)品端

物聯(lián)網(wǎng)云產(chǎn)品是基于云計(jì)算原理開發(fā)的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)，它能夠通過各種標(biāo)準(zhǔn)、非標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議對接大多數(shù)物聯(lián)網(wǎng)硬件，輕松實(shí)現(xiàn)工業(yè)、農(nóng)業(yè)、環(huán)保等領(lǐng)域的信息采集和設(shè)備控制。該應(yīng)用系統(tǒng)使用B/S架構(gòu)，可以運(yùn)行于PC、手機(jī)App、微信小程序等，滿足使用者在不同場景的使用需求。

物聯(lián)網(wǎng)云產(chǎn)品端的結(jié)構(gòu)映射的相關(guān)課程主要包括物聯(lián)網(wǎng)App開發(fā)(Andriod)、物聯(lián)網(wǎng)Web服務(wù)器應(yīng)用開發(fā)、數(shù)據(jù)分析與可視化、數(shù)據(jù)挖掘算法、嵌入式系統(tǒng)原理(STM)等課程。

學(xué)生在大三期間將3層學(xué)完后，通過大型課程設(shè)計(jì)將各個層所涉及的知識和內(nèi)容統(tǒng)一展現(xiàn)出來。在這個階段，根據(jù)學(xué)生的實(shí)際知識運(yùn)用能力不同，分別安排在整個物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)的不同業(yè)務(wù)層，讓其以團(tuán)隊(duì)形式實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)開發(fā)。

2 一個具體方案方案驗(yàn)證

為了解釋物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)培養(yǎng)的模式,本節(jié)給出一個具體方案作為例子。

本方案搭建了智能語音報(bào)警系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集、設(shè)備管理、智能交互等。系統(tǒng)采用華清遠(yuǎn)見的物聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真系統(tǒng)(FS_IOTSIM)進(jìn)行設(shè)計(jì)與開發(fā)[8]。

第一步，根據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)功能需求，選擇需要的傳感器、網(wǎng)關(guān)、無線節(jié)點(diǎn)控制器和語音識別模塊等。因此，在該虛擬仿真界面中，選擇功能模塊器件，然后連線，仿真電路連接如圖4所示。

第二步，硬件布線完成后，需要正確理解RS485、ZigBee、Bluetooth 4.0、LoRa、NBIoT等底層通訊協(xié)議，及Modbus等數(shù)據(jù)交互協(xié)議。網(wǎng)關(guān)的作用是通過無線或者有線的方式來實(shí)時(shí)接收節(jié)點(diǎn)上報(bào)的傳感器數(shù)據(jù)，并按照協(xié)議將有用的數(shù)據(jù)提取出來發(fā)送給Scratch,然后在M4網(wǎng)關(guān)單元和兩個M3無線節(jié)點(diǎn)控制板進(jìn)行接口連線和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的配置,通過驗(yàn)證。其中,Wi-Fi配置包括在無線節(jié)點(diǎn)控制器面板B_0中設(shè)置如圖5所示，Wi-Fi協(xié)調(diào)器網(wǎng)關(guān)單元設(shè)置如圖6所示。

圖4 人體紅外智能語音報(bào)警硬件系統(tǒng)

圖5 無線節(jié)點(diǎn)通信方式和PanID設(shè)置

圖6 網(wǎng)關(guān)面板設(shè)置

同樣的方法，設(shè)置好各個節(jié)點(diǎn)控制器，傳感器和網(wǎng)關(guān)后，單擊保存,此時(shí)可以進(jìn)行連線校驗(yàn)和協(xié)議配置校驗(yàn)，如果正確，顯示如圖7所示。

第三步，申請百度AI開放平臺秘鑰，登錄百度AI開放平臺官網(wǎng)：https://ai.baidu.com/，將鼠標(biāo)一次移動到：開放能力→語音技術(shù)→短語音識別極速版，單擊“短語音識別極速版”。 填入“應(yīng)用描述”，點(diǎn)擊“立即創(chuàng)建”。進(jìn)入到“創(chuàng)建完畢”界面，點(diǎn)擊“查看應(yīng)用詳情”。如圖8所示，記錄3個秘鑰。返回到“概覽”界面，在語音識別界面和在語音合成界面免費(fèi)領(lǐng)取額度，此時(shí)百度AI開放平臺秘鑰申請完成。

然后，打開智能音箱系統(tǒng)應(yīng)用程序，在打開后會說出“我是小布，歡迎進(jìn)入智能音箱系統(tǒng)”。如圖9所示,在識別結(jié)果下方是配置選項(xiàng)，點(diǎn)擊配置選項(xiàng)可以配置百度AI開放平臺語音識別的秘鑰以及MQTT地址，點(diǎn)擊“僅本次”按鍵，“僅本次”是下發(fā)重新打開軟件會使用原來的秘鑰。

圖7 連線和協(xié)議校驗(yàn)

圖8 百度AI密鑰申請

圖9 配置百度智能音箱

最后，點(diǎn)擊“錄音”按鈕可以實(shí)現(xiàn)語音錄制(3 s)，識別完成后可顯示出來,在cmd命令框是為了使用戶看到后端的識別和合成過程,如圖10所示。

(a) 開始錄音

第四步，Scratch圖形化編程，通過圖像化編程，實(shí)現(xiàn)虛擬系統(tǒng)的運(yùn)行，可以滿足物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)編程入門階段的教學(xué)需求。通過Scratch編程實(shí)現(xiàn)人體紅外傳感器數(shù)據(jù)采集,傳感器采集到的數(shù)據(jù)輸給Scratch，再通過Scratch編程把數(shù)據(jù)顯示出來。

首先，進(jìn)入Scratch編程界面,進(jìn)行編程，如圖11所示。

其次，在虛擬仿真界面中，連接MQTT和訂閱Topic。

圖11 Scratch編程

在設(shè)置里找到連接MQTT，點(diǎn)擊連接,點(diǎn)擊網(wǎng)關(guān)單元，進(jìn)入“顯示屬性”，訂閱點(diǎn)擊網(wǎng)關(guān)單元，進(jìn)入“顯示屬性”，訂閱 Topic，如圖12所示。

分別點(diǎn)擊連接、訂閱和保存。

再次，在虛擬仿真界面中，選中傳感器，點(diǎn)擊打開數(shù)據(jù)列表，勾選“打開數(shù)據(jù)”，如圖13所示。

圖13 人體紅外模擬數(shù)據(jù)測試

最后，分別在虛擬仿真界面中，點(diǎn)擊右上角“運(yùn)行”，傳感器、無線節(jié)點(diǎn)控制器及網(wǎng)關(guān)開始工作，在Scratch界面的右上角點(diǎn)去“運(yùn)行”，即可看到采集傳感器的數(shù)據(jù)在不斷更新運(yùn)行，效果如圖14所示。

根據(jù)上述智能語音設(shè)置，在智能語音系統(tǒng)中，錄入“打開報(bào)警器”命令可以將虛擬仿真界面的報(bào)警器打開，同時(shí)Scratch界面也運(yùn)行報(bào)警器打開。虛擬仿真界面運(yùn)行效果如圖15所示。

圖15 啟動報(bào)警器

通過本案例，體現(xiàn)了人工智能與物聯(lián)網(wǎng)的綜合應(yīng)用，在實(shí)際物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)人才培養(yǎng)中，將AI技術(shù)引入嵌入式課程，從技術(shù)層面實(shí)現(xiàn)把AI技術(shù)嵌入到IoT設(shè)備之中，圍繞AIoT應(yīng)用的嵌入式與物聯(lián)網(wǎng)課程，讓學(xué)生們了解一個真實(shí)的AI。

3 總結(jié)

物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)涉及內(nèi)容多，知識面廣，涉及嵌入式開發(fā)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算和人工智能等諸多技術(shù)，如何根據(jù)地方和學(xué)校特色培養(yǎng)出具有專業(yè)理論基礎(chǔ)，實(shí)踐能力強(qiáng)，并能緊跟技術(shù)發(fā)展趨勢，同時(shí)掌握一定行業(yè)知識的綜合性人才是迫切解決的問題。因此，本文結(jié)合目前我院物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)師資隊(duì)伍及實(shí)驗(yàn)條件，提出了基于人工智能的物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)人才培養(yǎng)模式，通過3個層面體系專業(yè)體系結(jié)構(gòu)，通過引入案例，突顯專業(yè)知識的應(yīng)用，為物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)人才培養(yǎng)提供借鑒。