中國物聯網教育裝備現狀分析及前景探索

朱志亮 陳東紅

溫州大學物理與電子信息工程學院 浙江溫州 325035

1 前言

物聯網指的是將各種信息傳感設備，如射頻識別（RFID）裝置、紅外感應器、全球定位系統、激光掃描器等各種裝置與互聯網結合起來而形成的一個巨大網絡[1]，用途廣泛，遍及智能交通、環境保護、政府工作、公共安全、平安家居、智能消防、工業監測、老人護理、個人健康等眾多領域。預計物聯網是繼計算機、互聯網與移動通信網之后的又一次信息產業浪潮。

物聯網將帶來各種技術、各種產業的大融合，只要抓住時機，任何單位和個人都大有可為。移動通信、互聯網的黃金時機已經消逝，而物聯網產業的黃金時期就要到來。2009年，溫家寶同志在無錫考察時提出“感知中國”計劃，物聯網建設也正式升級為我國的國家級戰略。

2 物聯網行業現狀

物聯網本身并不是全新的技術，而是在原有基礎上的提升、匯總和融合。物聯網作為一種融合發展的技術，其產業在自身發展的同時，同樣會帶來龐大的產業集群效應。據新華社調研撰寫的《2010—2011年中國物聯網發展年度報告》預計，未來5年，全球物聯網產業市場將呈現快速增長態勢，年均增長率接近25%[2]。保守預計，到2015年，中國的物聯網產業將實現5000多億元規模，年均增長率達11%左右。國家物聯網“十二五”規劃明確了物聯網技術的十二大重點應用領域，包括智能電網、交通運輸、物流產業、醫療健康、智能家居、環境與安全檢測、精細農牧業、工業與自動控制、金融與服務業、公共安全、國防軍事以及智慧城市。

目前，國內物聯網產業呈現出電信運營商、高校、科研機構、傳感器企業、系統集成、應用軟件開發等環節迅速聚合聯動之勢，物聯網產業鏈條已初步形成，其中的許多細分領域也將蘊含巨大的商機。以電信運營商為例，物聯網將是未來布局的主要業務，如中國移動就表示將在物聯通、智能家居、手機二維碼以及移動產品4個領域重點推出全網產品，移動M2M業務收入年均增速高達95%。隨著物聯網漸行漸近，運營商將在物聯網領域開辟一片營收增長的藍海。

未來5年，全球物聯網產業市場將呈現快速增長態勢，年均增長率接近25%。隨著利好消息的出臺，資本市場的熱情也迅速被“點燃”。預計未來將至少存在五六十家物聯網上市企業，從目前的23家概念企業來看，2013—2015年將是我國物聯網企業上市集中期。盡管物聯網尚是一個新興產業，但作為一項促進產業結構調整的有效途徑、推進和諧社會建設的新生動力以及提升自主創新能力的重要選擇，其產業前景和市場“錢景”都顯得十分廣闊。

3 物聯網專業教育

物聯網技術目前還屬于一種新興技術，正在快速發展。學習與掌握物聯網的技術理論、發展方向及其行業應用是目前高等教育的核心目標。2010年初，教育部下達設置物聯網專業申報通知，眾多高校爭相申報。由于物聯網涉及的領域非常廣泛，從技術角度，主要涉及的現有院系與專業有計算機科學與工程、電子與電氣工程、電子信息與通訊、自動控制、遙感與遙測、精密儀器、電子商務等，與物聯網應用相關的專業，如建筑與智能化、土木工程、交通運輸與物流、節能與環保等，可能會考慮開設選修課。2010年6月，中國第一所物聯網工程學院在江南大學揭牌，在國內高校中率先圍繞物聯網產業發展需要，成立覆蓋“傳”“感”“網”三方面專業，組建從本科到博士的物聯網工程學院，培養“卓越工程師”，為破解高等教育發展的時代命題交上了自己的答卷。除此以外，武漢大學、哈爾濱工業大學、華中科技大學、西安交通大學等著名高校均開設了物聯網工程專業，為信息產業培養頂尖的工程師。

物聯網除了引起本科院校的熱衷，同樣也引起高職院校的普遍關注。可以預計，隨著物聯網產業快速發展，未來社會對物聯網相關行業高技能人才的需求會越來越多，高校、職業院校的專業設置和人才培養也應緊緊圍繞社會和行業的需求展開。為了推進物聯網專業建設進度、提高物聯網專業學生培養質量，研制開發既貼近物聯網工程實際、又適應學生知識基礎，同時能很好達到教學目標的物聯網教育裝備具有十分重要的現實意義。

4 物聯網教育裝備現狀分析

基于物聯網的教育裝備已逐漸出現在國內教育裝備行業，目前市面上各生產廠家推出的產品較多，主要分為兩大類型：實驗箱形式裝備與實訓類裝備。

4.1 實驗箱形式裝備

在實驗箱形式產品中，比較典型的有深圳無線龍科技公司推出的RF-USN V10。該平臺由傳感器和RFID子系統、個人區域網子系統、廣域網（WIFI和以太網等）等子系統構成。其核心網關采用最新的STM32F系列32位ARM Cortex高性能微控制器，具備彩色OLED圖形顯示器、高速以太網接口、USB接口、電容觸摸鍵盤等配置，同時集成具有低功耗WI-FI（GS1010）無線系統、藍牙系統、GSM/GPRS無線系統、ZIGBEE無線網關系統，兼容802.11、802.15.4、802.3等多種無線通訊標準；網關核心軟件不僅能完成多種無線網絡管理，傳感器和射頻識別信息采集，而且可以通過不同無線和有線路徑，將數據傳輸到USN網絡中心服務器數據庫和互聯網，實現USN的核心功能和主要技術要求。

該實驗設備能夠較完整地完成最新一代USN網絡相關傳感器和射頻識別、微功耗網狀無線網絡、無線互聯和將采集數據送往互聯網的全過程多種教學實驗。

另外還有凌陽公司研發的SP-WSNCE15A物聯網教學實驗箱，這是一款采用傳感器、射頻識別技術的物聯網教學平臺。實驗箱具備12大節點，可以任意組合網絡拓撲結構，完成各種真實物聯網系統調試與設計工作；配備多種傳感器模塊，如溫濕度傳感器、光照傳感器、火焰傳感器、煙霧傳感器、熱釋電傳感器、灰塵傳感器、雨滴傳感器、三軸加速度、三軸電子羅盤、紅外測距、語音識別節點，每個傳感器模塊都有標準的接口與節點主板相連，更換傳感器無需改變任何電路；一塊主板可調試不同傳感器，每個傳感器都可與相應執行器件配合，完成智能系統的調試與研發。

該教學平臺采用標準化設計，節點主板用于連接傳感器與核心處理器，若傳感器或核心處理器損壞，更換非常方便。嵌入式網關處理器采用S3C2440微處理器。網關軟件包括Linux2.6操作系統軟件、基于QT4的嵌入式圖形界面開發軟件、嵌入式數據庫軟件和嵌入式網絡服務器等多種網絡應用軟件，另外還有PC數據管理與分析軟件，這個軟件能在PC上以數字和圖表的方式實現數據的管理與維護，可實時顯示無限傳感器網絡中各節點的狀態及交互控制傳感器網絡節點上的設備。應用范圍較廣，適用于物聯網工程專業、通信、嵌入式、電子信息、計算機、自動化、機電一體化等專業的教學及科研。

以上兩類實驗設備是目前市面上主流的物聯網實驗箱，主要不足包括：1）實驗內容脫離實際，設備主要實現物聯網感知層與網絡層理論功能，對于應用層則較少涉及，缺乏應用對象，學生通過實驗較難了解掌握物聯網實際工程技術的應用情況；2）涉及知識點有限，物聯網作為復合型專業，涵蓋了傳感器及檢測、通信與網絡、射頻識別、嵌入式系統、物聯網數據融合及管理等眾多相關技術，而以上兩類實驗設備僅能覆蓋其中的個別技術。

4.2 實訓類裝備

除此以外，也有廠家已經推出相關的實訓設備，比較典型的是北京新大陸時代教育科技有限公司的物聯網智能追溯實訓系統。該實訓平臺是以食品質量安全追溯體系中最具代表性的食品批發環節、食品零售環節和城市管理平臺為范本進行濃縮設計，在感知層上對人的標識采用RFID卡、食品標識采用二維碼，利用智能溯源秤載體上的壓力傳感器實現數據的自動采集；在網絡傳輸層上，設計了網絡綜合布線、網絡管理維護和網絡安全管理等方面的實訓；在數據處理層，根據實際需要采用B/S和C/S混合結構，部署了WebService服務進行統一的數據服務以及企業級的數據庫產品等。

系統運用物聯網為代表的信息技術手段，將食品流通各環節加工及流通的信息相關聯，形成完整的信息追溯鏈。通過建立食品批發（配送）交易、零售、團體采購等監管子系統，并建立市級食品質量安全信息追溯數據中心，實現從食品批發到零售終端相關信息的正向跟蹤，食品零售終端到食品來源相關信息的逆向溯源，食品流通的監管與綜合分析。

該實訓平臺的物聯網特點非常鮮明，是2012年全國職業院校技能大賽高職組物聯網技術應用大賽的指定產品。但作為一家專注于工業產品的物聯網專業企業，更多的是工業產品在教育裝備中的直接應用，對于教育裝備如何更好服務于學生培養缺乏深刻的認識和經驗的積累。此外，作為一種應用對象明確的物聯網應用系統，如何培養其他領域的物聯網應用人才也是一個必須認真考慮的問題。

此外，浙江求是科教設備有限公司推出QS-iHome-I型物聯網—智能家居綜合實訓系統，該系統主要分為主控單元（ARM9控制器）、PC機和移動電話遠程遙控單元、攝像頭監控和數據存儲單元、交換機和路由器等數據交換通訊單元、門禁系統單元、各類傳感單元、各類家電及家電控制單元等。

其中，ARM9主控機是所有信息的處理中心，它采用高性能的S3C2440作為主控芯片。在自動模式中，它將攝像頭、紅外感應、聲光煙霧燃氣等各類檢測數據通過以太網進行集中處理、分析、判斷，并儲存到數據存儲單元中，然后根據程序設定的一些預設條件，再通過以太網將各控制信號傳給門禁控制模塊、燈光控制模塊、智能窗簾控制模塊、插座控制模塊及各種智能家電模塊等，如有必要則通過GSM/GPRS向手機及報警中心自動報警。

系統囊括了物聯網基本通信和網絡技術、傳感和控制技術、嵌入式系統工程開發技術和智能家居應用等各大部分，把這些原先分散的學科和技術融合在一起集成到一個實訓平臺上，系統大量引入模塊化的設計思想，教師和學生可以根據自己需要，將各種模塊隨意組合起來搭建各種適合自己的學習情境，有效地幫助學生完成課程設計、課外實踐活動和學術比賽。

但該實訓系統也存在一些不足：1）系統通訊方式單一，且多為有線通信技術，如各傳感模塊與主機之間，全部采用以太網連接，只有系統與外部采用GSM/GPRS無線方式連接，未能很好體現物聯網時代無線傳感的特點和趨勢；2）對于物聯網的核心關鍵技術——RFID射頻識別技術，系統未能體現，不能不說是一個極大的缺憾。

綜上所述，目前市面上并未有真正意義上的物聯網實驗實訓系統，各廠商設備均存在較多不足和局限。一方面，未能采用先進的教育思想，所設計實驗內容脫離實際，影響教學質量；另一方面，未能涵蓋物聯網關鍵核心技術，只是部分甚至象征性采用個別物聯網相關技術，未能滿足物聯網專業教學需要[3]。

5 物聯網教育裝備前景探索

物聯網是一個比互聯網更大的網絡，從技術范圍而言，也是嵌入式技術、微處理器技術、傳感器技術的一個更大集成和整合，目前國內有很多大型企業掌握這些技術，也有很多人才，但是由于教學設備利潤低、批量小、投入大、市場風險大，他們對于將技術和教育界共享不感興趣，對開發設計教育用的設備和教材也不感興趣，這也是現在的物聯網教育和物聯網技術脫節的重要原因。

目前市面上的物聯網教學設備大都是依照原有學科理論培養體系而設計的，各實驗項目主要完成對教材中相應知識點的驗證演示，這種模式對于學生能力的培養效果有待商榷。面對教學設備與物聯網專業發展脫節的現實，市場亟需一種能全面、系統涵蓋相關技術，滿足物聯網專業教學需要的實驗實訓設備[4-5]。

理想的物聯網教育裝備必須能體現三大方面的思考：既能體現教育規律，又能涵蓋物聯網核心技術，并在此基礎上針對專業核心技能設置教學內容。

物聯網作為一種不同于互聯網的網絡，與傳統互聯網本質的區別在于其所連接的對象。互聯網是一個人與人的網絡，而物聯網連接的是物，物聯網與互聯網的區別很大程度上取決于人與物的區別。物不能思考、表達、自我識別和通信，所以為了實現物物相連，必須使物具備與人一樣的思考、表達、識別和通信能力，所以必須使用各種智能傳感技術使對象具備感知、發送信息的功能，使用各種身份識別技術實現對眾多對象的智能識別。同時由于物體數量和地點的不確定性，物聯網更多使用的是各種自組織的無線移動網絡協議組網，這些是物聯網的核心技術。

此外，建構主義認為，學習是一個積極主動的建構過程，它強調學習的積極主動性、目標指引性、任務真實性、不斷反思性和互動合作性。學生是學習過程的主體，通過不斷地積極實踐，建構自己的新的知識和經驗，而不是被動地接受知識。因此，要幫助學生投身到與他們將來需要有關的，各種有一定難度的真實任務或解決難題的社會活動中去[6]。

項目教學法通過提出項目，以解決用戶問題為主要目的，巧妙地把教材中介紹的對實踐有指導意義的知識點盡可能地體現于項目中，教學的目的不僅僅是向學生介紹知識，更重要的是通過引導學生把知識應用于案例，培養學生對新知識的應用能力，被普遍認為是一種能有效提高學生學習主動性、增強課程學習效果的教學方法，這種模式尤其適合于物聯網等綜合性極強的專業課程。

作為教育裝備，必須體現教育規律：一是內容上的高度集成性，即需要把傳感器及檢測、通信與網絡、射頻識別、嵌入式系統、物聯網數據融合及管理這些原先分散的學科和技術融合在一起集成到一個實訓平臺上；二是結構上的靈活性，根據需要可以將各種模塊隨意組合搭建各種適合自己的學習情境；三是考慮功能上的實用性、實訓項目的可擴展性以及操作上的安全性。

在認真研究同類設備的基礎上，考慮到物聯網未來若干年的政策傾向、技術和應用趨勢，并兼顧國內高校物聯網教育的實際情況，筆者試探性提出一種基于項目式教學的物聯網綜合實驗實訓系統，可廣泛、靈活地應用于各大高校與職業院校物聯網、物流管理、自動化控制等相關專業的專業教學、實訓及競賽，并可對今后物聯網專業教學設備的開發思路起到一定的探索作用。

該系統以智能倉庫管理與物流配送為載體，融合傳感器及檢測、通信與網絡、射頻識別、嵌入式系統、物聯網數據融合及管理等物聯網核心技術，完整地表達了一個物聯網系統的體系結構和運行原理。系統框架模型如圖1所示。

本系統設計需要將各種先進的物聯網技術適當解剖，尋找物聯網實際應用與教育實際情況的最佳交叉點，將這些交叉點作為本系統的主要內容，既緊扣當今物聯網技術的發展潮流，同時兼顧高校物聯網教育的實際情況，讓學校可以有的放矢，讓學生可以輕松、高效地掌握這些物聯網的實用技術。

圖1 系統框架模型

6 總結

國內在物聯網產業的投入是走在世界的最前面的，西方國家由于金融危機，一方面降低了對物聯網技術的投入，另一方面也沒有中國這樣強大的技術人力資源來支撐。如果我國能夠不斷推出低價格和高性能的物聯網教育教學設備，將對相關院校該課程的教學建設起到良好的推動作用。有了大量廉價和高質量、高水平的國產化教學設備，再融合進來高校豐富的教學教材資源和良好的教育基礎，國內物聯網技術的應用，在人才培養盡快解決后，必然很快迎來一個產業豐收期。

[1]黃映輝,李冠宇.物聯網：語義、性質與歸類[J].計算機科學,2011(1):32-34.

[2]彭瑜.物聯網技術的發展及其工業應用的方向[J].自動化儀表,2011(1):22-25.

[3]楊從亞.高職物聯網專業建設探索[J].職業技術教育,2010(35):12-14.

[4]楊柳.信息類高職院校物聯網專業建設芻議[J].科技創新導報,2011(7):24-26.

[5]付永貴.基于分組教學的高校物聯網實驗室構建研究[J].中國教育信息化,2011(5):34-35.

[6]傅四保.建構主義學習理論指導下的項目教學法初探[J].中國大學教學,2011(2):27-29.