應用型本科院校物聯網實驗室建設的探索

楊會

摘 要：物聯網技術是多種技術的融合，應用型本科院校的物聯網專業建設應結合學校自身特點，在優化專業課程體系的同時，著力于物聯網實驗室的建設。針對我校當前建設物聯網實驗室的應用需求，提出了物聯網實驗室建設的具體思路和發展前景，并引入窄帶物聯網通信技術，將物聯網技術與窄帶物聯網通信技術相結合來搭建可供學生實際操作的移動互聯應用實訓平臺。

關鍵詞：物聯網；智能實驗室；窄帶物聯網通信；移動互聯

中圖分類號：TP393；G64 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2017）09-0-02

0 引 言

國家“十三五”規劃綱要明確提出“發展物聯網開環應用”，將致力于加強通用協議和標準的研究，推動物聯網不同行業不同領域應用間的互聯互通、資源共享和應用協同[1]。在此大形勢下，作為應用型本科院校，在人才培養方面，不僅要重視物聯網技術專業基礎知識，更應重視特定應用領域的實際工作能力，因此必須高度重視與理論教學相輔相成的實驗教學環境的建設。本文以宿遷學院物聯網實驗室建設為例，詳細闡述了物聯網實驗室建設的應用需求、建設思路以及針對應用型本科院校學生的建設特色。

1 物聯網實驗室建設的應用需求

物聯網技術是集計算機技術、傳感器技術、通信技術、嵌入式技術等多種技術的綜合技術[2]，作為應用型本科院校，物聯網專業已獲批準并將開始招生。為了能夠培養高素質、動手能力強的綜合應用型人才，物聯網實驗室建設迫在眉睫。

1.1 滿足基礎實驗的需求

物聯網實驗室建成后首先要滿足物聯網專業、電子工程專業、通信工程專業等與專業培養方案有關實驗課程的要求。物聯網實驗室開設的相關基礎實驗課程不僅可以加深學生對相關專業知識的認識與理解，也可以培養學生的動手實踐能力，為學生畢業后從事相關專業工作打下堅實的基礎。

1.2 滿足實訓和參加比賽的需求

與其他學科相比，物聯網專業是一門集成創新型的應用性很強的綜合學科，為了培養本學科人才的創新能力和綜合應用能力，物聯網實驗室還應滿足實訓和比賽的需求。

實訓課程是面向企業對人才的真實需求，運用企業當期運行的真實項目，實施案例教學，并按照企業的實際用人需求，定向培養具有職業品行素質和行業領域知識的技能型人才。

當今針對大學生的比賽項目大多是基于物聯網技術平臺來實現，因此建設物聯網實驗室，使學生能夠接觸到最前沿的科技，并能參與到這樣的比賽和項目中，對學生來說無疑是一種與平常教學不一樣的經歷和體會。

1.3 滿足科研需求

由于應用型本科院校對教師科研能力的要求越來越高，特別是對物聯網這種多學科交叉的新專業來說，教師的知識和技能都存在不足之處，因此需要通過科研探索來提高教師的科研能力；需要在建設物聯網實驗室時充分考慮教師在科研層面的需求，從硬件平臺以及軟件平臺提供相應的支撐。

2 物聯網實驗室建設的思路

物聯網實驗室建設主要分為基礎理論認知平臺、智能實驗室實訓平臺、應用設計創新平臺。

2.1 基礎理論認知平臺

物聯網基礎理論認知平臺主要是指為滿足物聯網等相關專業基礎實驗課程的需求而配備的物聯網綜合實驗箱。該實驗箱能夠提供完整的、層次化的物聯網教學體系，提供與單片機技術、物聯網通信技術、傳感器技術以及Android技術等相關的一系列實驗項目，見表1所列。

物聯網綜合實驗箱應能夠完整地體現物聯網的三層結構，即感知層、網絡層和應用層。從硬件應用到軟件設計，一步步引導學生了解整個物聯網體系結構。此外，實驗箱應采用模塊化設計，不僅方便學生和老師選擇性地做一些感興趣的實驗，還便于實驗員進行檢修和維護。最重要的是要具備二次開發的功能，便于學生進行其他綜合性實驗項目的拓展，例如環境監測實驗、智能家居實驗、智能交通實驗、智能安防實驗等。

2.2 智能實驗室實訓平臺

基于物聯網應用技術的智能實驗室實訓平臺[3，4]集成了LabVIEW技術、嵌入式技術、傳感器技術、互聯網技術以及App技術。實訓平臺大致分為3部分，即服務器層、嵌入式控制終端、無線傳感網絡。智能實驗室實訓平臺如圖1所示。

2.2.1 服務器層

服務器層通過Internet網同嵌入式控制終端相連，以 TCP/IP 協議進行通信，接收來自嵌入式控制終端的數據，分析后存入數據庫以備檢索，并顯示在網頁上。老師可通過 Web 或App的方式遠程訪問服務器，將操作結果存入數據庫，服務器通過預先的設定分析數據庫的變化，最終反映在向嵌入式控制終端發送的相應命令上。

2.2.2 嵌入式控制終端

嵌入式控制終端位于實驗室內部，將服務器和無線傳感網絡緊密聯系在一起，接收來自無線傳感網和攝像頭發送來的數據，進行處理并通過網絡上傳服務器，可以遠程通過服務器上的網頁進行查看和控制。

2.2.3 無線傳感網絡

無線傳感網絡處于系統最底層，通過 ZigBee和溫濕度、煙霧、火光等傳感器將實驗室的實時環境數據回傳至嵌入式控制終端，嵌入式控制終端通過對接收到的數據進行處理，控制相應繼電器組完成對設備的控制。根據實訓需求，無線傳感網絡設計了環境監測模塊、視頻安防模塊、智能開關控制模塊。該無線傳感網絡的結構如圖2所示。

環境監測模塊：該模塊通過溫度傳感器、濕度傳感器、光照傳感器等采集實驗室內的溫度、濕度、光強度等信號并通過無線發射模塊上傳至嵌入式控制終端，并通過網絡最終顯示在電腦上供監測人員查看。

視頻安防模塊：該模塊一方面通過煙霧傳感器、火光傳感器采集相應信號來監測實驗室有無火災隱情，并當有火災發生時及時向消防部門報警；另一方面通過紅外激光傳感器采集數據，監測在實驗室不開放期間是否有人員闖入，并當有人員闖入時及時向公安部門報警。另外還可以通過攝像頭及時對實驗室情況進行視頻監控。endprint

智能開關控制模塊：實驗人員可以對實驗室的溫度、光照強度、定時開關等進行設置。當實驗室溫度、走廊光照強度、定時時間達到用戶指定情況時嵌入式控制終端控制相應繼電器組完成控制功能。實驗室溫度過低或者過高時可以自動開啟空調，并根據光照強度實時控制照明燈的亮滅及智能窗簾的開啟和關閉，實現在用戶指定時間打開實驗室開關，不使用實驗室時自動關閉開關的功能。

2.3 應用設計創新平臺

物聯網專業學生在通過基礎實驗平臺、實訓平臺學習后，在對物聯網的架構以及無線傳感網充分了解的基礎上，不僅可以在原有系統模型上進行二次開發，還可以利用創新平臺進行相關應用設計。此外，為了滿足物聯網專業教師科研的需求與學生參加各種競賽的需求，在建設物聯網實驗室時應考慮到應用設計創新平臺的建設。該平臺以嵌入式FPGA設計實驗套件MyRIO作為硬件開發平臺，將LabVIEW作為軟件開發平臺，通過軟硬件的開發可以使教師、學生快速搭建起一個基于物聯網的相關實踐創新項目平臺，從而能夠在項目實踐中提升教師的科研能力與學生的實踐創新能力。

3 物聯網實驗室建設特色

針對當今物聯網發展的趨勢，引入窄帶物聯網（NB-IoT）技術是物聯網實驗室建設的初步探索。作為應用型本科院校，本次物聯網實驗室的建設考慮將物聯網終端與窄帶物聯網通信技術相結合來實現移動互聯網應用的實訓平臺也是一大特色。該窄帶物聯網實訓平臺如圖3所示。

圖3 窄帶物聯網實訓平臺

NB-IoT技術是指一種專為物聯網設計的窄帶射頻技術，以室內覆蓋、低成本、低功耗和廣連接為特點。物聯網終端雖可使用2G/3G/4G網絡來實現移動互聯網應用，但難以滿足低功耗低成本的要求，因此目前接入運營商網絡的物聯網終端僅占6%[5]。引入NB-IoT技術后，可真正實現所有物與物的連接，這是物聯網的發展前景，也是物聯網實驗室建設的前景。

無線傳感網完成傳感器數據采集后，通過ZigBee無線發送給窄帶物聯網智能網關。智能網關接收到數據后，可完成數據格式的轉換，使無線傳感網采集得到的數據在NB-IoT通信網絡中傳輸。最后通過搭載的NB-IoT通信基站系統，使得人們可以利用移動設備快速便捷地訪問無線傳感網采集的數據。

4 結 語

我們應抓住機遇，找準專業定位、優化課程體系，重視物聯網實驗室的建設，搶占物聯網人才培養先機。本文詳細闡述了物聯網實驗室建設的應用需求、主要內容以及針對應用型本科院校學生的建設特色，但我校的物聯網實驗室建設仍處在初步探索階段，還需不斷改進和完善，才能為社會培養更多的物聯網專業人才。

參考文獻

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