物聯網專業感知層課程群的建設

王曉曄 溫顯斌 肖迎元

（天津理工大學，天津 300384）

一、引言

我校在2011年申請下了物聯網工程專業，依托在計算機學院。目前，國家對于物聯網專業并沒有統一的教材和課程要求，因此，需要進行相關的課程設置和建設。

二、物聯網的層次結構

從技術架構上來分析，物聯網可分為三個層次結構，分別是感知層、網絡層和應用層。感知層是最底層，它的功能類似于人類的五官一樣，主要進行物品的識別、信息的采集和信息的傳輸。其中物品識別設備有二維碼標簽和RFID標簽的讀寫器；信息采集主要依靠數碼相機、攝像頭等圖像和視頻采集系統，各種物理參量的采集系統主要涉及傳感器技術；信息的傳輸主要涉及藍牙、紅外、WIFI和Zigbee等短距離無線通信技術。感知層是核心層，沒有了感知層，物聯網技術就無從談起。

三、物聯網專業的培養目標

通過本專業的培養，學生應該具備良好的人文素養和職業道德，具有系統、扎實的計算機理論基礎、較寬廣的物聯網相關的計算機、通信和傳感的基本理論、基本知識、基本技能和方法，在物聯網的信息處理、物聯網網絡技術、感知層技術等方面具備工程實踐特色，具備從事物聯網應用系統設計、開發、調試、運行維護等基本能力的應用型高級專門人才。從培養目標來看，將感知層相關課程作為一個課程群來建設符合整體課程建設的需要。

四、感知層的課程內容

由以上分析可知，感知層技術包括射頻技術、傳感器技術和無線組網技術等，因此相應教學內容應該使學生能夠熟練掌握和運用這些核心技術。

我院感知層課程群主要包括：RFID射頻技術、傳感器技術、短距離無線通信技術、單片機原理及應用，通過這幾門課程的學習，基本能夠完成物品的識別、物理參量的采集和信息的傳輸功能，其中單片機作為感知層的控制部件，對信息的采集和傳輸之間的協調起到了不可或缺的作用。

1.理論教學內容設置

物聯網工程專業是在無線通信技術、計算機技術、傳感器技術和自動控制技術的日益成熟下迅速發展起來的，因此說與其相關的基本上在其他專業都有開設，但是根據物聯網工程的專業性質又需要做相應的調整，因此感知層課程群的設置和內容如表1所示。

單片機作為感知層的核心部件主要實現對各種物理信息的定時采集、顯示和傳輸，同時對某些執行部件的操作進行控制。因此單片機的教學內容主要側重于硬件基礎電路的設計和相應配套軟件的設計，并且加大在應用系統開發上的教學力度。

1）原位處理池對于滲瀝液氨氮的去除效果很好，最高能達到95%以上，總氮去除率大體上也在50%以上，COD去除效果在30%以上。

表1 理論教學課程和內容

作為物聯網工程的專業課程，如果傳感器原理單純講述傳感器技術，則顯得教學知識落后于物聯網感知層的技術發展，所以在講述傳感器技術的同時，加強傳感器檢測電路設計的講解，通過Proteus軟件繪制傳感器應用電路的原理圖，結合虛擬儀器Labview軟件，可以實現對所設計的傳感器進行輸出信號的顯示和各種性能評估。

物聯網另一個重要技術是短距離無線傳輸通信技術，主要實現采集信息的傳輸，除了講解藍牙、紅外、WIFI等技術的概念和應用之外，將把重點內容放在Zigbee的工作原理、自組網技術和應用開發上，因為ZigBee技術作為一種短距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本的雙向無線網絡，以其經濟、可靠、高效等優點在物聯網技術中有著良好的應用前景。

RFID射頻技術的飛速發展對于物聯網領域的進步具有重要的意義，在教學內容上，以提高學生的職業能力為主要目標，突出實踐環節，使學生全面了解RFID的工作原理，通過相關項目的立題，掌握構建RFID應用系統的核心技術。

2.基于項目驅動的實踐教學

物聯網工程的專業性質決定了實驗教學成為該專業教學體系中不可或缺的重要環節。為了更好地提高學生的綜合素質和實踐能力，培養學生的創新能力，本專業提出了基于項目驅動的物聯網專業實踐教學體系[3]。在物聯網工程專業的學生進入大二開始學習專業課時，將學生分成科研小組，每8-10人為一個小組。為了結合目前比較成功的物聯網應用案例和學生的興趣，由課程教師設計項目的題目，這些題目應該涉及感知層的各門課程，因此需要教師進行大量的前期準備和項目設計的各項工作。

本校物聯網專業根據目前比較成熟的智能家居[4]和RFID射頻系統案例，設計出各個項目小組的題目，以及每門相關課程的子課題，課程與項目的具體關系如圖1所示。

圖1 感知層課程群與實踐項目的關系圖

依據綜合項目的內容，各門課程又設計了相應的子項目，作為綜合項目的技術支撐。依據各門課程的教學內容和特點，設計相應的子項目如表2所示。

表2 各門課程子課題設計

3.構建多層次的實踐教學體系

為了激發學生的學習興趣、提高學生的實踐能力，項目驅動的實踐教學體系采取了循序漸進的實驗項目，爭取在專業學習的初始階段就給學生建立明確的專業認知體系和學習目標。實驗項目涉及專業認識實習、課內實驗、綜合實訓等多個教學環節，可以將項目一直持續到畢業設計中，貫穿于整個教學體系中。同時，隨著教學工作和實驗室建設的不斷完善，可以設計出更多的項目，供學生選擇。

（1）專業認識實習方面

我校物聯網實驗室構建了智能家居模型，布置了如下子系統。

智能安防子系統：在門窗附近安裝了攝像頭和紅外線，同時室內安裝了煤氣探頭、煙霧探頭，作為信息采集器，同時安裝有噴水控制、煤氣控制和電源控制，并有報警裝置和向用戶發送報警信息功能。

家居環境子系統：主要包括光敏傳感器、溫濕度傳感器、含氧量、負離子檢測器等信息采集裝置，控制部件包括燈光控制、窗簾控制、空調控制等。

電子管理子系統：主要實現對各種電子設備如電視、音響、計算機的管理和控制。

通過對智能家居模型的認識和控制，使學生能夠直觀的了解物聯網工程專業的應用以及需要學習的專業知識。

（2）課內實驗環節

我校建設有傳感器實驗室、Zigbee實驗室、RFID實驗室，可以滿足感知層各門課程的實驗教學環節的需要。

傳感器實驗室：可以完成溫濕度、光照、重力傳感、速度、超聲波、磁阻、酒精、壓力、甲烷、一氧化碳、二氧化碳等信息的采集，為了實現二次開發的需要，還設計了電壓和電流模塊，可以根據需要自行設計任何的傳感模塊。

Zigbee實驗室：可以自組無線網，實現和上位機的串行通信和無線通信功能，實現綜合實驗的能力。

RFID實驗室：可以進行低頻、高頻、超高頻和2.4G有源RFID低功耗實驗，觸摸屏實驗，通過嵌入式的控制系統，實現了開發綜合實驗的能力。

（3）綜合實訓環節

我校將把各門課程中完成的項目進行整合，構建成智能家居子系統、公交付費子系統、商品管理子系統等綜合實驗系統。通過多層次的實踐教學體系，能夠使學生更加深入的認識和掌握物聯網工程的專業知識。

五、結束語

物聯網工程專業是一個新興的學科，讓學生深層次的接觸物聯網，學習物聯網，通過項目驅動的形式將理論和實踐教學相結合，提高學生的實踐和創新能力，是我們今后要做的主要工作。

[1]寧黎苗，黎紅友，彭艦.物聯網的智能家居實驗教學系統的設計與實現[J].實驗科學與技術，2011，9（5）：260-292.

[2]教育部高等學校計算機科學與技術專業教學指導分委員會.高等學校物聯網工程專業實踐教學體系與規范（試行）[M].北京：機械工業出版社，2012.

[3]任倩倩，郭亞紅.物聯網工程專業項目驅動實驗教學改革探索[J].黑龍江教育，2013（2）：19-20.

[4]楊宏偉，朱紅梅，韓永林.結合智能家居的物聯網實驗教學探索[J].重慶與世界，2013，30（8）：78-81.