智能家居應用背景下物聯網實驗教學研究

李林林+吳建勝+孫良旭+劉國莉+王剛

摘 要： 物聯網實驗教學缺乏實際項目背景的綜合性實驗，實驗內容彼此獨立，缺乏聯系，實驗組織形式與實際工程開發形式不一致。針對上述問題，文章選擇智能家居物聯網應用作為項目背景，根據物聯網軟硬件技術層次關系，對實驗內容進行按層分組，學生通過自由組合方式，組織綜合性實驗內容，討論實驗軟硬件環境的搭建，完成相關實驗。

關鍵詞： 智能； 家居； 物聯網； 實驗； 教學

中圖分類號：TP391.1 文獻標志碼：A 文章編號：1006-8228（2017）12-73-03

Research on IoT experiment teaching for the application of smart home

Li Linlin1， Wu Jiansheng1， Sun Liangxu1， Liu Guoli2， Wang Gang1

（1. School of Software， University of Science and Technology Liaoning， Anshan， Liaoning 114051， China；

2. School of Science， University of Science and Technology Liaoning）

Abstract： IoT （Internet of things） experiment teaching lacks the comprehensive experiment of actual project background. The experiment contents are independent and no relations each other. The experiment organization is not consistent with the actual project development organization. Aiming at the above problems， this paper selects the smart home IoT application as the project background， and according to the software and hardware technology hierarchy of IoT， groups the experiment contents by the layers. The students can group by free combination， and organize the comprehensive experiment contents， to discuss the construction of software and hardware environment and fulfill the relevant experiments.

Key words： smart； home； IoT； experiment； teaching

0 引言

物聯網（Internet of Things， IoT）實現了物理設備、網絡設備、智能設備、建筑物和嵌入式設備之間的互聯。通過嵌入設備中的電子器件、軟件、傳感器、執行機構和網絡連接實現設備之間的數據采集和交換[1]。

智能家居是對智能建筑中，與居住有關方面的擴展，通過Wi-Fi和4G等網絡通信技術實現對家庭生活各個方面的智能控制。例如溫濕度、光照采集，水浸、煙霧、可燃氣實時監控，空調、熱水器等家電設備的遠程移動控制，窗簾、照明燈等家居設備的智能化控制，門禁、紅外和視頻監控等安防系統控制等[2]。

物聯網技術的研究已經深入到實驗室硬件建設的各個方面[4-6]，實驗室硬件設備已經很好滿足教學的需要，但是如何在良好的物聯網實驗室中，合理的利用現有良好的硬件環境，科學組織物聯網技術的實驗教學這個“軟件”問題，一直是困擾物聯網相關專業實驗教學的問題。良好的硬件環境換不來良好的教學效果，這是必須要解決的問題，實景教學模式是解決該矛盾的一種新的嘗試[7]。

1 物聯網實驗教學存在的問題

物聯網應用涉及豐富的軟硬件技術，硬件方面主要包括傳感器技術、RFID技術和嵌入式系統技術，軟件方面主要包括移動開發技術、服務器技術和數據庫技術等[3]。除此之外，還需要網絡通信協議等理論基礎支持。

在實際的物聯網實驗教學過程中存在許多問題，主要有以下。

⑴ 實驗內容的設定多以介紹、演示和驗證某一基本技術原理為主，多種技術實驗之間彼此獨立，實驗內容之間缺乏邏輯聯系，造成實驗教學內容組織缺乏整體性。

⑵ 實驗內容的設定多采用經過人為簡化、脫離實際應用的虛擬場景。在此場景下雖然可以完成實驗，但是所完成的任務與實際應用存在較大差別，鍛煉的能力難以達到工程實踐要求。

⑶ 實驗類型比較單一，缺乏有一定規模的設計性和綜合性實驗。學生訓練基本還停留在低層次的技術實現，缺少高層次的項目設計訓練。

⑷ 實驗組織形式多以個人為主，在傳統實驗箱有限功能基礎上完成實驗。由于實驗內容難度分量和實驗軟硬件環境限制，實驗組織形式缺乏團隊成員之間的分工和協作，與實際工程實踐過程不一致。

2 智能家居應用背景

本文認為上述問題的主要原因在于，實驗內容設定沒有一個真實的應用背景，不能將所有的物聯網技術通過一個綜合案例，按照工程實踐的實際流程和水平要求，進行有效的分解和組合。我們建議以智能家居作為真實的應用背景，將智能家居所涉及的物聯網技術從工程項目需求角度進行分解，按照工程實施邏輯再進行重新組織，充分利用現有軟硬件資源，對學生按照團隊模式進行組織，按照實際工程流程進行項目的設計、實施和驗收。通過采用上述智能家居應用背景物聯網實驗教學改革，可以有效解決目前物聯網實驗教學存在的問題，理由如下。

⑴ 實驗內容的設定來至于智能家居應用問題的合理分解，彼此保持一定的獨立和聯系，由問題需求引入技術解決方案，完成技術原理的學習和應用，符合問題導向的學習方式。

⑵ 智能家居是學生最熟悉的實際物聯網應用背景，無需進行簡化和虛擬。由于智能家居是典型的物聯網應用，其具有一般物聯網應用都具有的軟硬件技術。通過完成智能家居應用背景的綜合性實驗內容，就可以達到實際工程實踐訓練的目的和要求。

⑶ 智能家居應用需求比較復雜，涉及的技術比較多。學生需要從系統的高層次設計開始，按照系統分解的設計思想，先進行功能分解，然后進行低層次任務實現。

⑷ 由于智能家居應用無法通過個人在合理的教學時間和環境下完成，所以必須通過團隊形式完成。通過團隊這種形式，可以鍛煉學生在完成實際工程項目過程中所需要的分工、協作、溝通和組織等能力。

3 智能家居綜合性實驗設計和組織實施

將物聯網的技術進行分層分析，可以分為感知層、執行層、網絡層和應用層，其中感知層和執行層屬于同一層次。感知層由各種傳感器以及傳感器網關構成，包括溫濕度傳感器、光照傳感器、可燃氣傳感器、煙霧傳感器、水浸傳感器、震動傳感器、紅外柵欄傳感器、人體感應傳感器和攝像機等，接收指令，采集和上傳信息。執行層由各種執行裝置以及執行裝置控制器構成，包括門禁電磁鎖、電動窗簾、紅外遙控器、燈光開關等，接收指令，控制執行裝置完成動作。網絡層由各種私有網絡、互聯網、有線和無線通信網、網絡管理系統和云計算平臺等組成，負責傳遞和處理感知層獲取的信息。應用層是物聯網和用戶的接口，它與具體需求結合，實現物聯網的智能應用。

根據物聯網技術學習的要求，將綜合性實驗內容按照技術層次進行組織，分為四組，分別為感知層實驗內容組、執行層實驗內容組、網絡層實驗內容組和應用層實驗內容組。一個完整的物聯網應用涉及到所有的實驗內容分組，各個分組從技術本身角度是彼此獨立的，但是從技術應用角度又是密切相關的。感知的信息需要通過網絡傳達到應用，應用的決策控制又需要通過網絡傳達到執行設備。

各個實驗內容分組的具體實驗內容如圖1所示。

將學生按照團隊進行組織，要求團隊中成員分別選擇各個層次中的一部分實驗內容，所有團隊成員集體完成一項智能家居物聯網小應用。由于各個分層的實驗內容從技術原理上是一致或者類似的，但是技術應用上又有所不同。團隊成員可以根據個人興趣，通過集體協商，在每個不同的層次選擇不同的實驗內容，通過這樣的組合，可以創建很多相同智能家居背景的、不同需求的物聯網應用，示例如表1所示。

這樣的綜合性實驗設計既可以使實驗內容豐富完整，又可以使實驗內容存在差異區別。通過這樣的綜合性實驗設計，既可以讓所有學生學習到相同的物聯網技術，又可以讓所有學生學習到不同的物聯網應用。

4 實驗教學平臺軟硬件環境構建

對于實驗教學平臺硬件環境構建，為了能夠充分再現智能家居項目背景，購置一定數量、成本較低、不同類型的傳感器，由團隊根據設計方案自由選擇，其他一些數量較少、成本較高的執行設備或者傳感器，團隊間協商共享方式使用，這樣首先可以解決感知層和執行層的硬件環境問題。對于無線通信，購置一些不同通信協議無線通信模塊和路由器，確保在設置上團隊之間互不干擾。對于有線通信，為了實驗管理方便，提前在實驗室進行合理有序的網絡布線，團隊只能選擇使用，不能隨意重新布線，這樣又可以解決網絡層的硬件環境問題。感知層和執行層一半都是獨立的硬件模塊，在了解原理的基礎上，學生只需掌握如何使用就可以了，一般實驗不會涉及到硬件本身或協議本身的開發。

對于實驗教學平臺軟件環境構建，主要包括操作系統和開發工具。在應用層上，可以根據應用執行的終端類型，又可以分為服務器、網關、PC終端和移動終端。不同的終端類型要求不同的軟件環境。一般來說，對于服務器，操作系統一般選擇Linux或者Windows，安裝服務組件，開發工具一般選擇Eclipse或者Visual Studio開發工具。對于網關，多為嵌入式設備，一般選擇裁剪后的Linux操作系統，為了開發方便，多采用Windows開發，Linux部署聯調的方式，一般選擇Qt Creator、MinGW和Qt-Opensource-Windows開發工具。對于PC終端，操作系統一般選擇Windows，PC多以瀏覽器方式對服務器或者網關進行信息查看和設備控制，一般只需要部署應用運行環境即可，不需要安裝開發工具。對于移動終端，考慮開發成本，多采用Android操作系統的手機，采用與網關一樣的開發方式，一般選擇eclipse開發工具，安裝J2EE開發組件完成開發，然后部署到手機，通過手機APP方式對服務器或者網關進行信息查看和設備控制。

5 結束語

本文選擇智能家居作為物聯網應用背景，解決了學生進行物聯網技術學習缺乏應用背景問題，描述了綜合性實驗內容的設計和組織，完成綜合性實驗所需要的軟硬件平臺環境的構建，解決了學生進行物聯網技術學習和教師進行物聯網技術授課所需要的實驗教學平臺問題。教師可以根據教學需要，在該平臺上靈活地進行軟硬件搭配和實驗內容組合，學生的學習效果良好，非常貼近實際的工程項目，達到了工程實踐訓練的目的，可以推廣到物聯網相關專業的實驗教學中。隨著物聯網技術的發展，該平臺還需要在軟硬件上進行升級和擴展，實驗內容還需要更新，復雜物聯網應用在該平臺的教學是否可行還需要進一步研究。

參考文獻（References）：

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