物聯(lián)網工程教學平臺探索及教學應用

王建花

（南京理工大學 工程訓練中心，江蘇 南京 210094）

0 引 言

隨著物聯(lián)網技術的廣泛應用，涌現出農業(yè)物聯(lián)網、工業(yè)互聯(lián)網、智慧電力、智慧城市[1-5]等形式的應用，各行業(yè)對物聯(lián)網技術人才的需求與日俱增。物聯(lián)網是一門綜合了傳感測量、電子、通信、計算機等技術的綜合學科，學生需要學習多門技術的理論知識并能實踐應用[6-7]。因此如何培養(yǎng)符合行業(yè)需求的高素質物聯(lián)網技術人才成為高校電子類專業(yè)教學的重要研究課題。高校物聯(lián)網工程教學需具備讓學生實際操作的物聯(lián)網環(huán)境，但搭建一套完備的物聯(lián)網實踐環(huán)境在成本和技術上都有難度。本文從“構建”和“使用”物聯(lián)網的角度實現了建設低成本物聯(lián)網教學平臺的方案并應用于教學，學生既可在平臺上完成物聯(lián)網項目實踐，也可研究如何建設該應用，為學生在物聯(lián)網學習方面的自由創(chuàng)新提供了充足空間。

1 高校物聯(lián)網工程教學思考

1.1 當前高校物聯(lián)網工程教學的痛點

當前高校物聯(lián)網工程教學中存在一些不足：（1）物聯(lián)網工程教學方法及內容更新速度慢。工程教學內容依賴配套教學設備，設備更新周期較長，教材、課件、教學資料等難以靈活更新。新技術主要以講解理論知識為主。（2）教學內容不全面、系統(tǒng)。工程實踐內容多集中于物聯(lián)網中幾種常用傳感器的實驗，缺少對無線網絡、組網、物聯(lián)網平臺等應用的實踐。究其原因，在于多數物聯(lián)網都需借助復雜的電信級系統(tǒng)才能實現，該系統(tǒng)搭建難度大、成本高，高校實驗室無法自主搭建。（3）課程內容不能很好地激發(fā)學生興趣[8]。多數工程實踐內容為驗證性實驗，學生只需按照操作步驟完成實踐內容即可，缺少創(chuàng)新開發(fā)空間；實踐內容不能很好地貼合學生的生活和環(huán)境，學生無法代入其中，找不到共情點。

針對當前現狀，高校實驗室積極思考解決方法。如在經費有限的情況下，部分高校實驗室搭建物聯(lián)網仿真平臺[9-11]。但仿真平臺的學習缺少實踐應用操作中的具象感和真實感，學生無法切實體驗物聯(lián)網實際應用場景，學習效果大打折扣。

1.2 本文對工程教學的思考

物聯(lián)網工程教學的目標是通過實踐讓學生掌握物聯(lián)網知識，為后續(xù)從事物聯(lián)網工作打下堅實基礎。在實際社會生產中，物聯(lián)網工程依賴產品需求，以項目形式實施。企業(yè)對物聯(lián)網人才的需求分為物聯(lián)網“構建者”和物聯(lián)網“使用者”兩類。為滿足對人才的需求，物聯(lián)網工程教學需構建一個真實，由低成本設備組成的開放式物聯(lián)網平臺，在該平臺上能完成物聯(lián)網的搭建和應用，實現兩類人才均可培養(yǎng)的目標。

為滿足不同課程和項目的需求，該物聯(lián)網平臺需做深度和廣度的開放。實踐授課時選擇更貼近學生學習生活的案例，以項目的方式推進，使學生能在案例中切身感受主動創(chuàng)造的樂趣，又能學習到完整的項目流程。

南京理工大學工程訓練中心以新工科物聯(lián)網工程教學助力我國產業(yè)升級作為指導思想[12]，選擇STM32 和LoRa 等通用技術和組件構建了低成本物聯(lián)網平臺（簡稱本平臺），并將本中心實驗室的安全管理作為實踐項目（簡稱本項目）。通過實踐本項目，學生可以針對自己觀察到教室或實驗室中的安全隱患，提出解決方案，并在本平臺實現。

2 LoRa 物聯(lián)網工程教學平臺建設方案

本文采用STM32 單片機和LoRa 技術構建了一個具有低成本、開放式、系統(tǒng)全面、實用、易獲得技術支撐等特點的物聯(lián)網工程教學平臺。

2.1 物聯(lián)網

物聯(lián)網由感知層、網絡層和應用層組成，可實現物物、物人之間的信息交流[13]。感知層是由各種傳感器構成的終端系統(tǒng)，完成物理狀態(tài)的感知；網絡層完成物聯(lián)網終端和人之間、物聯(lián)網終端之間的互聯(lián)，按照網絡技術可分為工業(yè)現場總線、LoRa、5G、NB-IoT、Cat1 等；應用層完成對物聯(lián)網應用數據的處理，讓人能更好地掌控物聯(lián)網運行情況。

2.2 LoRa 技術

LoRa 技術是可在868 MHz、915 MHz、433 MHz 等3 個頻段實現長距離、大容量、低功耗通信的新型無線通信技術。LoRa 支持可變數據速率，在保持恒定帶寬時，能夠在傳輸距離、功耗、穩(wěn)定性三個參數間進行平衡。對比其他低功率廣域網絡技術，LoRa 的優(yōu)點在于輕量低成本、遠距離傳輸、低功耗及抗干擾等[14]。工信部2019 年底發(fā)布的《微功率短距離無線電發(fā)射設備管理要求》規(guī)定了LoRa 設備可在ISM 頻段下合理使用，進行建筑樓宇、小區(qū)等范圍內的組網通信，無需申請管理部門審核。

部署一套簡單的LoRa 物聯(lián)網只需要幾個終端和一個網關，成本低至幾百元。一般將終端與網關直接連接，構成星型網絡，以獲得低延遲、簡單的網絡結構。LoRa 信號對于建筑的穿透能力很強，適合在較復雜的環(huán)境下部署。LoRa信號傳輸距離理論上可超過10 km，在實際應用中，權衡各種因素后一般選擇3 ～5 km[15-17]。

2.3 LoRa 物聯(lián)網工程教學平臺建設方案

本平臺是基于STM32 和LoRa 實現的開放式物聯(lián)網工程教學平臺，由終端、網關、阿里云物聯(lián)網平臺、WiFi 路由器及其配件、開發(fā)環(huán)境等組成。系統(tǒng)框架如圖1 所示。

圖1 物聯(lián)網工程教學平臺系統(tǒng)框架

本平臺所選用的STM32 單片機在嵌入式及物聯(lián)網領域被廣泛應用，集成開發(fā)環(huán)境成熟，上層應用代碼易移植，且可替換STM32 的國產MCU 品牌和型號非常豐富。

在網絡接入和組網方面，采用NB-IoT 和Cat1 技術的物聯(lián)網需使用復雜的電信級4G/5G 移動網絡，建設難度大且成本高，大多數高校實驗室都很難負擔高昂的建設、維護費用。本實驗室曾基于樹莓派開發(fā)了一套5G 物聯(lián)網教學套件，但本科生在理解網絡層時難度較大。故本平臺選擇低成本、簡單易懂的LoRa 技術完成終端和網關之間的通信。

2.3.1 終端

本平臺的物聯(lián)網終端由STM32G070 單片機、LoRa 模塊和各類傳感器件組成，可完成智能樓宇、智能城市、智慧農業(yè)等物聯(lián)網場景的數據采集。終端單片機具有128 KB FLASH、36 KB RAM、59 個GPIO、4 個USART、2 個I2C、2 個SPI 通信接口等，可以方便接入各種傳感器，并具有較好的擴展性。終端集成一個LoRa 模塊實現與網關的通信，使用Keil 公司出品的Keil μVision5 軟件集成開發(fā)環(huán)境，可提供C 語言編譯環(huán)境、STM32 庫開發(fā)包和調試跟蹤功能。

終端軟件程序實現與網關的LoRa 通信，接收網關下達的數據采集或查詢命令，調用傳感器驅動接口進行數據采集或動作執(zhí)行，收集后傳送給網關。

基于終端軟硬件框架，學生可加入傳感器硬件和軟件驅動，將接口提供給軟件框架調用完成終端側的應用擴展。

2.3.2 網關

平臺網關由STM32F103 單片機、LoRa 模塊和WiFi 模塊等組成。網關一方面與多個終端通過LoRa 通信，實現管理和數據交互；另一方面通過WiFi 或4G 模塊接入互聯(lián)網，接收物聯(lián)網平臺下達的操作命令或上傳數據。網關選用STM32F103 單片機，提供512 KB FLASH、64 KB RAM、5 個USART、2 個I2C、3 個SPI、外接72 MHz 晶振。網關集成一個LoRa 模塊實現與終端LoRa 通信。還集成一個WiFi 模塊完成與路由器間的通信。WiFi 模塊也可以由LTE 模塊或以太網模塊替代。網關軟件使用Keil μVision5 軟件開發(fā)。

網關從WiFi 接收并識別物聯(lián)網平臺的命令，再通過LoRa 轉交給終端。通過LoRa 從終端接收的數據被網關按物聯(lián)網平臺要求的格式封裝后再通過WiFi 上報給物聯(lián)網平臺。

學生在本平臺實現物聯(lián)網應用時，在網關上無需改動代碼。如學生想要對網絡傳輸或嵌入式網關進行深入學習或者做科研訓練時，可進一步研究網關軟件，并豐富平臺網關功能、提升網關容量、提升轉發(fā)速度或將WiFi 換成4G/5G 方式等。

2.3.3 WiFi 路由器及互聯(lián)網

網關可根據場景使用工業(yè)或商業(yè)WiFi 路由器接入互聯(lián)網，實現與物聯(lián)網平臺的連接。

2.3.4 阿里云物聯(lián)網平臺

本平臺選用的阿里云物聯(lián)網平臺是阿里巴巴公司提供的集成了設備管理、數據安全通信和消息訂閱等功能的一體化物聯(lián)網應用平臺。平臺向下支持連接海量設備，采集設備數據上云；向上提供云端API，使用者可通過調用云端API 將命令下發(fā)至物聯(lián)網終端設備，實現遠程控制。

本平臺使用阿里云物聯(lián)網平臺提供的公共實例平臺服務，提供設備管理、規(guī)則引擎、監(jiān)控運維等功能服務。

進入公共實例，在設備管理中創(chuàng)建網關和終端對應的產品和設備對象，并進行信息讀取、設置等操作，從互聯(lián)網側控制網關和終端。學生使用該系統(tǒng)時，既可在本平臺建立的物聯(lián)網上增加新終端，也可在物聯(lián)網終端增加新功能。增加新終端需添加新的子設備，關聯(lián)到網關設備，再編輯功能并發(fā)布。增加新功能則只需在終端對應子設備中重新編輯并發(fā)布。

應用于物聯(lián)網開發(fā)的物聯(lián)網平臺較多，比如中國移動OneNET、百度天工物聯(lián)網平臺、華為云、涂鴉智能等。學生可選擇平臺作擴展，修改網關軟件適配即可。

2.3.5 本平臺使用方法

本平臺在設計之初便提供了“使用”和“構建”兩種模式?！笆褂谩蹦Ｊ绞侵笇W生使用本平臺完成多種物聯(lián)網應用，如監(jiān)控教室或實驗室環(huán)境、掌握籃球場使用情況等，使用本平臺開發(fā)實際物聯(lián)網項目的流程如圖2 所示。而“構建”模式則可供對物聯(lián)網知識了解較深的學生對本平臺的終端、網關、互聯(lián)傳輸方案和物聯(lián)網云平臺作進一步的改造和完善。

圖2 使用物聯(lián)網工程教學平臺開發(fā)項目的流程

圖3 執(zhí)行實驗室安全管理項目實物連接圖

3 實驗室安全項目教學案例

教學中采用實驗室安全管理項目作為使用范例，以項目式教學的方式授課。項目階段和活動見表1 所列。

表1 實驗室安全項目過程表

3.1 立項

實驗室安全管理項目旨在讓學生監(jiān)控當前實驗室的安全隱患和環(huán)境參數。安全隱患監(jiān)控事項包括火災隱患（通過感知煙霧、溫度等環(huán)境參數獲悉）、物品安全（感知門禁系統(tǒng)、攝像等）、人員安全（感知紅外、聲音等）以及通風、能耗（感知電燈光照強度、電器使用等）等[18]。教師介紹完項目背景后，再對學生進行LoRa 物聯(lián)網工程教學培訓，要求每組學生在本平臺上完成至少一個安全隱患事項監(jiān)控項目。學生分組后通過分析項目選擇監(jiān)控某一安全隱患事項作為子項目，在該過程中，學生充分發(fā)揮自己的主動性進行創(chuàng)新，發(fā)現問題后可以咨詢教師或者自行查詢資料解決。小組對方案初步論證后輸出立項報告，明確本組要實現內容的目標和項目計劃。平臺軟件為開放式，學生在了解平臺功能后可根據自身能力，在教師的協(xié)助下對平臺進行額外擴展。

3.2 執(zhí)行

執(zhí)行階段學生進一步熟悉平臺使用方法、確定解決方案、在終端連接傳感器并編寫代碼、將代碼編譯后連接網關調試，或在阿里云物聯(lián)網平臺調試。在開發(fā)過程中，階段性對功能進行系統(tǒng)測試，確保實現的正確性。某組學生基于平臺實現的光強度和溫濕度子項目實物連接如3 所示。某小組執(zhí)行項目過程中的終端調試打印以及阿里云顯示如圖4 和圖5 所示。

圖4 終端串口調試顯示的實驗室環(huán)境數據

圖5 阿里云物聯(lián)網平臺顯示的實驗室環(huán)境數據

3.3 結項

小組確認實現了立項時的項目目標后，完成報告撰寫、成果演示、結項答辯等，并提交結項報告。教師根據成果完成情況進行成績評定。

4 結 語

本文構建了一個低成本的開放式、系統(tǒng)全面、實用、通用的物聯(lián)網工程教學平臺，為學生的物聯(lián)網實踐創(chuàng)新提供了極大的自由度。提出從“使用者”和“構建者”兩個角度研究物聯(lián)網工程教學，且用學生身處的環(huán)境激發(fā)學生發(fā)揮主動性和創(chuàng)新性來實現項目，成本低且自由度高。通過教學實踐探索，充分鍛煉了工程訓練中心的教師隊伍，也讓學生從中受益。隨著技術的發(fā)展，通過更新硬件或軟件，可將該平臺進一步完善。