高校物聯(lián)網(wǎng)實驗室建設(shè)思路

摘 要：物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用發(fā)展非常迅速，各國均非常重視物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展。我國已批準(zhǔn)37所高校物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)專業(yè)將于今年開始招生。高校物聯(lián)網(wǎng)實驗室的建設(shè)目標(biāo)、建設(shè)內(nèi)容、建設(shè)原則等問題急需要解決。本文作者根據(jù)多年的科研與實驗室建設(shè)經(jīng)驗，對以上問題進(jìn)行分析，并提出了建設(shè)思路。

關(guān)鍵字：物聯(lián)網(wǎng)； 實驗室建設(shè)； 傳感器網(wǎng)絡(luò)

中圖分類號：tp311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-3315（2011）3-170-002

隨著通信、網(wǎng)絡(luò)、計算機、嵌入式技術(shù)的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用開始走入日常生活[1][2]，從消費者將超市內(nèi)食品包裝上的二維碼拍下來便可以追蹤該產(chǎn)品的生產(chǎn)地、生產(chǎn)日期等相關(guān)信息，到坐在辦公室便可通過網(wǎng)絡(luò)、手機遙控家里的電器，那些曾經(jīng)想都不敢想的事，如今正一件一件發(fā)生在我們身邊，人們從觀念上也開始接受了這樣的變化。但是，提及物聯(lián)網(wǎng)，人們還是覺得太高深、太遙遠(yuǎn)，即便是在象牙塔中深造、追隨新知識的大學(xué)生，也沒有清晰概念。目前，物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)是一個熱門的專業(yè)方向，國家已經(jīng)批準(zhǔn)37所重點高校建設(shè)物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)，但是作為一門新的專業(yè)，高校如何建設(shè)物聯(lián)網(wǎng)實驗室，是關(guān)系到物聯(lián)網(wǎng)人才培養(yǎng)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)創(chuàng)新的迫切問題。

一、物聯(lián)網(wǎng)實驗室建設(shè)問題及建設(shè)迫切性

目前，隨著我國物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)快速發(fā)展，高校物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)批準(zhǔn)建設(shè)，配合教材理論知識體系的物聯(lián)網(wǎng)實驗室建設(shè)成為當(dāng)前迫切的問題。物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)涉及通信技術(shù)、嵌入式技術(shù)、RFID、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、信息處理技術(shù)等，基本技術(shù)已經(jīng)較成熟，但是作為一門新專業(yè)，需要集成以前技術(shù)并進(jìn)行創(chuàng)新應(yīng)用。雖然各高校不缺少通信、電子、計算機等科的教師，但是能夠根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)集成與應(yīng)用進(jìn)行組織教學(xué)的，卻是少之又少。特別是很多物聯(lián)網(wǎng)教師將從嵌入式、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)學(xué)科教師轉(zhuǎn)型而來，對于物聯(lián)網(wǎng)這種多學(xué)科交叉的新專業(yè)，總感覺有知識或技能上的不足，特別是物聯(lián)網(wǎng)實驗涉及到通信、電子、網(wǎng)絡(luò)等方面的新知識、新技術(shù)、新設(shè)備，如何掌握這些理論與技術(shù)知識，對教師本身也是一個極大的挑戰(zhàn)。因此物聯(lián)網(wǎng)實驗教學(xué)教什么、拿什么教、怎么教等，基本上是空白，很多方面只能借鑒其它實驗室建設(shè)方面的經(jīng)驗[3]，可以預(yù)見將會面臨各種各樣的問題，需要學(xué)科建設(shè)部門、大學(xué)、專任教師共同思考與探討。由于一些高校物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)已經(jīng)批準(zhǔn)，物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)專業(yè)將于本年度開始招生，制訂物聯(lián)網(wǎng)實驗室的建設(shè)目標(biāo)、建設(shè)內(nèi)容、建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)等，非常緊迫。

二、大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)實驗室建設(shè)目標(biāo)及原則

物聯(lián)網(wǎng)（The Internet of Things），廣義上包含了物與物之間、物與人之間、人與人之間、物與計算機之間、人與計算機之間、計算機與計算機之間等各種主體間的互聯(lián)，綜合了當(dāng)前通信、嵌入式技術(shù)、是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、RFID技術(shù)、計算機信息處理技術(shù)等多個學(xué)科先進(jìn)技術(shù)，具有很強應(yīng)用性的學(xué)科。目前物聯(lián)網(wǎng)方面尚未最終形成國家標(biāo)準(zhǔn)，但是自從1999年物聯(lián)網(wǎng)被提出后受到越來越多的關(guān)注，在世界范圍內(nèi)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用取得了令人矚目的研究成果，例如IBM的“智慧地球”項目、日本的U-Japan計劃、韓國的U-Korea計劃，我國的國家傳感網(wǎng)創(chuàng)新研發(fā)中心與產(chǎn)業(yè)園也于2009年12月在無錫落成。從物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)特征與應(yīng)用特點來看，它涉及多個學(xué)校的技術(shù)前沿，正處于技術(shù)應(yīng)用高速發(fā)展時期，應(yīng)用范圍廣，應(yīng)用創(chuàng)新性強，因此，物聯(lián)網(wǎng)實驗室建設(shè)的目標(biāo)及原則要根據(jù)這門課的特征、人才培訓(xùn)的目標(biāo)來考慮。從目前階段來看，物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)培養(yǎng)以下幾個方面的人才[4]：（1）生產(chǎn)制造、測試工程師，（2）市場、技術(shù)服務(wù)工程師，（3）產(chǎn)品、項目開發(fā)工程師，（4）企業(yè)級核心技術(shù)研發(fā)工程師，（5）國家級核心、基礎(chǔ)技術(shù)科研人才。從學(xué)校的特征及培養(yǎng)目標(biāo)來看，物聯(lián)網(wǎng)實驗室建設(shè)目標(biāo)：建設(shè)具有先進(jìn)的實驗儀器設(shè)備，能面向物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的不同層次基礎(chǔ)性、綜合性、設(shè)計性創(chuàng)新性實驗教學(xué)實驗室，改革實驗教學(xué)方法和實驗教學(xué)手段，建設(shè)先進(jìn)的、開放的實驗教學(xué)環(huán)境。培養(yǎng)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用、開發(fā)、研究、技術(shù)服務(wù)方面專業(yè)人才，為社會主義經(jīng)濟建設(shè)服務(wù)。與其他人才培養(yǎng)相比，物聯(lián)網(wǎng)學(xué)科對人才的創(chuàng)新能力、知識結(jié)構(gòu)要求更高。綜合考慮本學(xué)科特點，物聯(lián)網(wǎng)實驗室建設(shè)應(yīng)符合以下原則：

1．建設(shè)的規(guī)模與水平要與自己培養(yǎng)人才的目標(biāo)相適應(yīng)

各個學(xué)校培養(yǎng)人才的定位不同，決定實驗室建設(shè)內(nèi)容、建設(shè)平臺有所不同。應(yīng)用型大學(xué)應(yīng)以創(chuàng)新型技術(shù)應(yīng)用開發(fā)平臺為主建設(shè)，研究型大學(xué)應(yīng)以理論與應(yīng)用創(chuàng)新結(jié)合創(chuàng)建實驗平臺，一些職業(yè)技術(shù)學(xué)院可在生產(chǎn)制造、設(shè)備測試服務(wù)等方面加強建設(shè)。只有不同層次的學(xué)校有側(cè)重點的培養(yǎng)，將來整個社會物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用才能從整體上得到合理分工協(xié)作，取得更好的社會效益。另外，由于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用性強的特點，學(xué)校要結(jié)合自己物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)應(yīng)用方向與相關(guān)專業(yè)合作建設(shè)。如智能電網(wǎng)應(yīng)用、智能交通應(yīng)用、智能農(nóng)業(yè)應(yīng)用、家庭健康監(jiān)控等應(yīng)用方向。

2．物聯(lián)網(wǎng)實驗室建設(shè)要具備先進(jìn)性

由于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用結(jié)合了當(dāng)前各方面的最新研究成果，深入到社會生產(chǎn)、生活的各個方面，并隨著當(dāng)前技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用同步發(fā)展，因此建設(shè)時要考慮先進(jìn)性，充分發(fā)揮實驗室與技術(shù)應(yīng)用緊密結(jié)合的能力，使實驗室保持發(fā)展與活力。目前，物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的實驗設(shè)備與實驗平臺相對都較新，與當(dāng)前最新研究基本保持同步。

3．物聯(lián)網(wǎng)實驗室建設(shè)要具備開放性

物聯(lián)網(wǎng)是一個應(yīng)用非常廣泛的學(xué)科，不僅學(xué)物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的學(xué)生，其他專業(yè)的學(xué)生也可以根據(jù)自己應(yīng)用方案在此平臺上做實驗或者應(yīng)用開發(fā)；實驗平臺不僅為學(xué)生提供實驗環(huán)境，也是教師及科研人員的研究開發(fā)平臺，同時可作為企業(yè)合作研究平臺。物聯(lián)網(wǎng)是一個非常大的新興產(chǎn)業(yè)，很多應(yīng)用都有待于進(jìn)一步設(shè)計與研究，學(xué)校實驗室也同時充滿著機遇與挑戰(zhàn)，不僅完成基本實驗，更可以為學(xué)生、老師提供一個創(chuàng)新的實驗研究平臺，對物聯(lián)網(wǎng)的理論研究具有重要的促進(jìn)與驗證作用。

4．便于升級，方便跟蹤物聯(lián)網(wǎng)、傳感網(wǎng)最新技術(shù)進(jìn)展

由于物聯(lián)網(wǎng)與當(dāng)前各種前沿技術(shù)發(fā)展緊密相關(guān)，因此在建設(shè)時，要充分考慮到技術(shù)發(fā)展因素，使設(shè)備、平臺等方面升級，如設(shè)備要盡可能具有多種接口、兼容性，軟件平臺要具有開放性。

5．要注重實驗室?guī)熧Y隊伍建設(shè)

建設(shè)實驗室的同時，也要重視對運用物聯(lián)網(wǎng)實驗室的師資隊伍的建設(shè)，建設(shè)硬實力的同時也抓好軟實力。教育者對技術(shù)的觀念和技術(shù)能力直接影響著先進(jìn)科技的應(yīng)用與推廣。應(yīng)該對高校相關(guān)專業(yè)的教師加強培養(yǎng)力度，完善其知識及能力結(jié)構(gòu)，使其正確認(rèn)識技術(shù)的意義所在，在教學(xué)中能夠抓住技術(shù)的靈魂，發(fā)揮好先進(jìn)技術(shù)的積極作用。這樣可以克服技術(shù)在教學(xué)過程中的一些實際障礙，利于學(xué)生對新技術(shù)的理解，激發(fā)其學(xué)習(xí)興趣，為其主動學(xué)習(xí)、探究該領(lǐng)域打下堅實的基礎(chǔ)。

三、大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)實驗室建設(shè)的內(nèi)容

物聯(lián)網(wǎng)實驗室與其他實驗室相比，其內(nèi)容廣泛性、應(yīng)用廣泛性、平臺開放性等特點，不是單一型、演示型與驗證型實驗室，而是綜合型、設(shè)計型、應(yīng)用創(chuàng)新型、開放式實驗室，促進(jìn)學(xué)生從分知識學(xué)習(xí)向工程應(yīng)用創(chuàng)新、從知識積累向應(yīng)用能力轉(zhuǎn)化，提供一個激發(fā)創(chuàng)新思維、學(xué)習(xí)和實施技術(shù)應(yīng)用創(chuàng)新的實驗平臺。因此，在實驗室建設(shè)內(nèi)容方面，應(yīng)有以下建設(shè)內(nèi)容：

1．基礎(chǔ)理論認(rèn)知實驗

基礎(chǔ)理論知識認(rèn)知和平臺實物認(rèn)知、實驗儀器使用掌握。理論方面包括物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的基礎(chǔ)理論、當(dāng)前國內(nèi)外研究、發(fā)展及技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀、關(guān)鍵技術(shù)等。實物平臺主要包括各種傳感器、智能終端、物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點、物聯(lián)網(wǎng)實驗平臺，并結(jié)合自己學(xué)科專業(yè)發(fā)展情況選擇平臺及設(shè)備、組織網(wǎng)絡(luò)平臺建設(shè)。目前傳感器主要有光、溫度、加速度、濕度、壓力、化學(xué)等傳感器，節(jié)點主要有美國DARR/MTO MEMS研究的Smart dust；加州大學(xué)伯克利分校提出的Mica系列節(jié)點、TMote Sky節(jié)點、TelosB節(jié)點；歐洲研究計劃提出的EyesIFX節(jié)點；日本東京大學(xué)的Yoshihiro Kwahara等提出的U-cube節(jié)點等，芯片提供商主要有德州儀器（TI）、飛利浦、GE、三星、杭天中微，中芯公司等產(chǎn)品，目前平臺方面，主要有MICA平臺、寧波中科、無線龍等實驗平臺，另外各研究所及大學(xué)根據(jù)自己的應(yīng)用搭建有自己專有實驗平臺。物聯(lián)網(wǎng)通信主要涉及ZigBee協(xié)議、WiFi、3G、藍(lán)牙等協(xié)議，組網(wǎng)形式根據(jù)應(yīng)用不同有多種組織方式，主要有Wireless HART、6LoWPAN、DigiMesh、ZigBee及混合網(wǎng)絡(luò)。短距離無線通訊芯片主要有nRF905、nRF2401、CC1100、CC2420、CC2520、CC1110、CC2430/1、GS1010/1011等。EPC標(biāo)簽有LF、HF、UHF、Microwave四種，讀寫距離依次減少，標(biāo)準(zhǔn)也不相同，實驗室可根據(jù)自己需求選擇相應(yīng)標(biāo)簽或者全部選擇。在儀器使用方面，根據(jù)平臺不同也各不相同。

2．傳感及組網(wǎng)實驗

目前的實驗平臺支持開放式物理接口及空中接口，節(jié)點支持平臺式、分簇式自組織個域網(wǎng)，同時也支持與其它網(wǎng)絡(luò)融合。可根據(jù)學(xué)科發(fā)展及應(yīng)用需要組織Wireless HART、6LoWPAN、DigiMesh、ZigBee及混合網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用開放平臺搭建，使學(xué)生能夠認(rèn)知不同的網(wǎng)絡(luò)組織及功能，為自己創(chuàng)新組織網(wǎng)絡(luò)打下基礎(chǔ)。

3．信息采集與處理實驗

讓學(xué)生鍛煉信息采集、外圍電路設(shè)計、信息處理及編碼能力，并讓學(xué)生熟悉使用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分析儀分析網(wǎng)絡(luò)信息傳輸處理過程，對網(wǎng)絡(luò)的容量、網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性、網(wǎng)絡(luò)安全性等有一定認(rèn)知理解。

4．應(yīng)用設(shè)計創(chuàng)新實驗

在學(xué)生具備基本理論認(rèn)知、設(shè)備認(rèn)知、組網(wǎng)、信息采集及處理的基礎(chǔ)上，根據(jù)自己想法，設(shè)計一個創(chuàng)新應(yīng)用實驗，并在開放平臺搭建自己的應(yīng)用實驗，或與外界應(yīng)用結(jié)合創(chuàng)新。

5．創(chuàng)新應(yīng)用分析、測試實驗

對于創(chuàng)新應(yīng)用實驗，要從實驗結(jié)果、應(yīng)用前景、系統(tǒng)性能等方面做進(jìn)一步拓展分析，找出不足或進(jìn)一步優(yōu)化的方法，或者分析問題發(fā)生的原因與解決辦法，提高學(xué)生的分析處理問題的能力，并為平臺開放式建設(shè)提供知識、研究積累。

四、總結(jié)

物聯(lián)網(wǎng)理論、技術(shù)及應(yīng)用等發(fā)展迅速，高校今年將招物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)學(xué)生，作為以實驗為基礎(chǔ)、應(yīng)用創(chuàng)新性強的工科專業(yè)，如何培養(yǎng)學(xué)生存在很多問題。本文分析物聯(lián)網(wǎng)實驗室建設(shè)存在的問題、迫切性，對建設(shè)目標(biāo)、建設(shè)原則、建設(shè)內(nèi)容等方面進(jìn)行分析與論述，為高校建設(shè)物聯(lián)網(wǎng)實驗室提供一些參考思路。

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