基于物聯網技術的實驗室建設

貴州商學院 張樹軍

一、研究的理論和實際應用價值

物聯網是繼微型計算機普及應用、互聯網普及應用之后的第三次信息技術革命浪潮；是電子技術、計算機技術、網絡技術、通訊技術等相關技術發明累積到一定量，即由“量”變到“質”變的必然產物；是未來十至十五年必將深刻、廣泛影響人類社會工作、生活、學習的新技術。當前，處于發展初期的物聯網理論研究及技術應用如火如荼，國家層面的有美國的“智慧地球”、歐洲針對物聯網領域的十四點行動計劃、日本的“i-japan”計劃、韓國的“u-korea”戰略等等。從2009年至今，國家大力倡導物聯網產業的發展，2011年11月，國務院工業和信息化部發布了《物聯網“十二五”發展規劃》、2013年國務院又出臺《國務院關于推進物聯網有序健康發展的指導意見》國發〔2013〕7 號文件。在國家強力推進物聯網發展的形勢下，各省市紛紛制定各自的物聯網規劃，貴州省于2012年2月，由經濟和信息化委員會編制并下發了《貴州省“十二五”物聯網產業發展規劃》。在發展規劃的引導下，“智慧城市”“智能物流”“智能交通”“智慧校園”“智慧醫療”“車聯網”等不同層次范圍的物聯網建設方案不斷推出，也有許多方案正在建設中。

雖然上述物聯網的研究開發及技術應用熱火朝天，但至今沒有一個大家公認的、體驗到的、完整的物聯網系統，以我校實驗室建設作為物聯網的研究對象，能避免復雜的環境因素。在這樣的小環境中，通過課題的研究設計以及相應物聯網配套設施設備的設置，創造一個真實的物聯網體驗環境（見附件的《新校區實驗室建設物聯網初步方案》）作為電子類專業，特別是物聯網應用技術專業的實訓環境，同時也為學校今后建設“智慧校園”做好準備工作。課題的目標是基于實驗室建設環境下對感知、控制的具體要求以及使用人的功能要求，探討在小規模試驗的環境下建立可供體驗、實訓、研究的物聯網技術支撐平臺及網絡架構。通過對該平臺及架構的研究，其理論價值是驗證物聯網系統的理論、方法、框架、平臺的有效性，其實際應用價值是為今后我校物聯網應用的開發、設計和運行提供基礎的技術支撐。

二、國內外研究現狀

國外金融危機引起的增長低迷還沒有消退，但大量圍繞電力、通信、交通、環境的智慧型基礎設施依然加緊實施。基礎性的關鍵技術研究不斷進步，如美國加州大學、麻省理工學院、奧本大學、賓漢頓大學、克利夫蘭大學等在極低功耗無線傳感網絡、自組織傳感器網絡、傳感器網絡系統的應用層設計、基于IP的移動網絡和自組織網絡方面、結合無線傳感器網絡等方面開展研究，新加坡國立大學在無線傳感器網絡方面進行研究，物聯網標準也在加快研究。另外，RFID 技術、GPS/GIS 技術的應用持續升溫，IPv6、M2M、3GPP 等技術的研究漸趨成熟，近距離無線通訊、傳感器網絡、泛在網絡等網絡技術也隨物聯網技術應用而快速成長，這也顯示了物聯網技術研究的不斷進步。

國內最早于1999年啟動傳感網工程，由中科院對物聯網技術工程項目進行專門研究。近年來有更多的科研院所參與了物聯網的研究，在物聯網無線傳感器網絡節點方面研究突出的有南京郵電大學的UbiCell 系列節點、中國科學院計算技術研究所的GAINS 系列節點、香港科技大學的無線傳感器網絡節點；在無線傳感器網絡的軟件及平臺方面突出的有：南京郵電大學無線傳感器網絡研究中心開發的基于移動代理的無線傳感器網絡中間件平臺、南京郵電大學的無線傳感器網絡集成開發平臺MeshIDEMeshIDE、中國科學院寧波計算所的無線傳感器網絡分析與管理平臺。在物聯網理論研究方面提出許多具有創新性的想法的有，南京郵電大學、哈爾濱工業大學、清華大學、上海交通大學、北京郵電大學。

歸納總結上述研究不難看出，第一類屬于基礎性研究，如標準、節點、網絡、平臺等等，這類研究會對今后物聯網應用提供支撐；第二類屬于技術應用研究，如RFID、GPS/GIS、IPv6、M2M、3GPP 等等，技術比較成熟，但更需要要研究整合應用；第三是理論方面研究，也有待于實踐的驗證。然而，上述三方面都不屬于完整的物聯網系統研究，該課題正好是要從一個完整的物聯網出發去對物聯網系統進行研究。

三、研究目標和內容

課題的研究，是根據智慧實驗室建設的環境對感知、控制的具體要求以及使用人的功能要求，研究設計在小規模試驗的環境下建立一個可供體驗、實訓、研究的物聯網技術支撐平臺及網絡架構。

1.研究智慧實驗室建設傳感網網絡架構，根據新校區智慧實驗室建設，各智慧教室的空間分布情況及功能分布情況進行相關的研究設計，提出完整的傳感網網絡架構方案。

2.物聯網技術支撐平臺，研究傳感及控制系統集成模塊、管理系統模塊及智能處理模塊三個部分集成為一個整體的物聯網，構成物聯網技術支撐平臺方案。

該課題研究的核心內容是由感知及控制系統集成模塊、管理系統模塊及智能處理模塊三個部分集成后形成的物聯網。該系統不僅將三個部分疊加到一起，還將三個部分有機的集成，特別是智能處理模塊要達到智能化的功能，要隨時訪問另外兩個模塊的數據，并根據訪問的數據分析處理做出準確的判斷，輸出控制信號到控制系統交給執行機構執行。

因此，要解決的重點問題是構成由三個系統模塊組成的有機集成系統——物聯網。要突破的難點問題是如何按照智慧實驗室建設環境下對感知、控制的具體要求及使用人的功能要求，設計出有機集成的三個系統模塊方案，并使其達到功能要求的智能化。

四、研究方法和實施步驟

1.準備階段，完成課題研究方案的設計、論證與申報；確定課題組成員及其分工，建立課題研究網絡，完善課題管理辦法；進行課題支撐理論的學習與培訓，制訂課題實施預案；建立原始檔案。

2.設計階段，根據初步方案進行系統的設計，系統設計中修改初步方案中不合理的內容，確定實施方案。

3.編程階段，根據實施方案設計數據標準、底層數據庫及三個模塊的程序流程圖，并建立系統模型；根據設計階段的實施方案中標準、數據庫及程序流程圖，并依據模型進行三個模塊的系統編程。

4.調試階段，三個模塊分別編程，并且相互連接，以及進行相應的模擬仿真調試；在仿真調試沒有問題的情況下，分塊連接各智慧教室設備進行分別調試，對照前述的功能及關系進行系統集成調試。

5.總結階段，系統分析過程資料，提煉、整合研究成果，撰寫課題研究工作報告和結題報告，形成課題成果。

6.前期研究及資料準備，從2009年起，我校對物聯網系統開始進行研究，并主持2011年的校級重點課題《關于物聯網發展方向的跟蹤及相關專業設置的研究》，成果之一就是物聯網智慧校園體系結構的設計。團隊根據對物聯網研究的成果、對物聯網發展方向的研究及物聯網人才需求的調查研究，成功申報了貴州商專物聯網應用技術新專業。

課題成果構成實訓中心物聯網技術的應用系統方案，該課題的后續課題可升級為學校實訓中心系統，在前面的基礎上升級為智慧校園系統。主要用作物聯網應用技術專業的實訓系統，同時也作為亮點供校內外師生體驗物聯網的概念，還可作為物聯網研究的系統平臺。

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