物聯網工程專業實驗室建設方案研究

崔艷榮, 陳 勇

(長江大學 計算機科學學院, 湖北 荊州 434023)

為了大力發展戰略性新興產業,教育部于2010年新設置了物聯網工程專業[1],歸屬于計算機科學與技術學科門類。從2010年起至今,全國已有300多所院校開設了物聯網工程新專業,這些院校涵蓋了高職高專、普通本科和“985工程”“211工程”重點建設高校。各高校層次不同,同層次的高校又各具特色,這使得物聯網工程專業的人才培養模式、課程體系設置和實驗室建設方案等各不相同[2-5]。我校于2014年獲批物聯網工程專業,目前處于建設期,本文擬結合我校的實際情況,對物聯網工程專業實驗室建設方案進行探究。

1 物聯網工程專業實驗課程體系

1.1 物聯網工程專業知識體系結構

物聯網是物物相聯的網絡,其目標是實現人與人、人與物、物與物之間任意的通信,每一個物體均可尋址、通信、控制。物聯網包含感知識別層、網絡傳輸層、應用支撐層和應用層,其結構見圖1[6]。其中感知識別層處于該結構的最底層,主要是通過傳感器技術和RFID技術獲取各類數據；網絡傳輸層位于感知識別層和應用支撐層中間,負責兩層之間的數據傳輸；應用支撐層位于應用層下面,主要提供對網絡獲取數據的智能處理和服務支撐平臺,包括數據處理和數據分析2個部分；應用層是整個物聯網體系結構中的最高層,主要是根據物聯網的業務需求完成各類應用。

圖1 物聯網體系結構

1.2 物聯網工程專業實驗課程設置

物聯網工程專業理論課程由通識教育課程、學科基礎課程、專業課程組成[7-10]；實踐課程由通識課程實驗、學科基礎課程實驗、專業課程實驗和集中實踐教學等組成[11-13]。其中通識課程實驗和學科基礎課程依托于計算機科學與技術現有實驗室可以很好地完成,這里不做討論,本文只討論與物聯網工程專業核心課程和專業選修課程有關的實驗課程。

物聯網工程的專業課程主要有:傳感器原理及應用、傳感器網絡、嵌入式系統設計與應用、RFID原理及應用、物聯網原理與應用、短距離無線通信、無線網絡與移動計算、物聯網數據存儲與管理、物聯網控制技術、物聯網大數據與云計算、物聯網安全、物聯網應用系統設計等。這些課程覆蓋了物聯網的感知識別層、網絡傳輸層、應用支撐層及應用層。為了理論聯系實際,培養學生的動手能力及分析問題解決問題的能力,這些課程設置了相應的實驗,見圖2。

圖2 物聯網工程專業課程實驗

這些實驗課程有驗證性實驗、綜合性實驗和設計性實驗。驗證性實驗主要是用來驗證某門課程中有關知識點的正確性；綜合性實驗融合了某門課程中有關聯的多個知識點,通過實驗將這些知識點融會貫通；設計性實驗則是在問題或需求的驅動下應用所學知識或方法,構思整套解決方案并通過實驗對解決方案進行驗證,是對學生分析問題、解決問題及創新能力的培養。

除了隨課程開設的實驗課外,還設計了集中實踐教學環節,包括:傳感器網絡綜合實驗、 物聯網綜合實驗、物聯網應用綜合實訓,每個實踐教學環節為期2周。課內分散的實驗和集中2周的綜合實驗及實習實訓和畢業設計等都需要實驗室的支撐,如何科學合理地建設物聯網工程專業實驗室,使得實驗室能滿足新專業實踐教學的需求、滿足學生創新創業的需求,是迫在眉睫的事情。

2 物聯網工程專業實驗室建設

根據物聯網工程專業實驗課程的設置、集中實踐教學、實習實訓及畢業設計的需求,結合我院的實際情況,將物聯網實驗室建設分為3期:第一期主要完成物聯網工程專業基礎實驗室建設；第二期主要完成實習實訓平臺的建設；第三期主要完成物聯網大數據信息融合應用系統的建設。

2.1 物聯網工程專業基礎實驗室建設

第一期基礎實驗室包括物聯網移動互聯教學科研平臺,全功能物聯網教學科研平臺,RFID綜合教學平臺等。

2.1.1 物聯網移動互聯教學科研平臺

物聯網移動互聯教學科研平臺擁有Android4.0、Linux3.0及以上更高版本的操作系統；可以板載(主板自載,非通過接口外擴)3G、GPRS、GPS、北斗2代、WiFi、藍牙、IPv6、ZigBee 6種以上的移動互聯模塊,可快速搭建多種無線網絡通信應用與開發；板載溫濕度傳感器、三軸加速度傳感器、繼電器開關模塊,帶有獨立MCU,可單獨編程使用,也可通過軟件封裝的協議集成到具體項目應用中。有底層系統、驅動層、中間層及應用層開發案例,配套智能家居、倉儲環境、智能農業、電子錢包、衛星地圖定位、視頻監控等項目綜合案例。

在物聯網移動互聯教學科研平臺上可以完成傳感器網絡、無線網絡與移動計算等課程的實驗。

2.1.2 全功能物聯網教學科研平臺

全功能物聯網教學科研平臺系統配備ZigBee(兼容TI CC2530和ST STM32W 2套方案)、IPv6、藍牙、WiFi、TinyOS 5種無線通信節點及RFID讀卡器,可以快速構成小規模ZigBee、WiFi、IPv6、藍牙、TinyOS通信網絡。同時具有模塊化的開發方式,可以完全兼容各種傳感器網絡,并可以在互聯網上實現對各通信節點的透明訪問。

通過IPv6/IPv4智能網關和支持802.15.4射頻的IPv6節點可以快速構建IPv6網絡；搭配通用傳感器模塊,可以構建基于IPv6的無線傳感器網絡,并實現遠程傳感器監測。IPv6/IPv4智能網關內嵌Webserver,可以通過IE瀏覽器,直接訪問通信節點。

Cortex-A9智能終端能支持Linux/Android 2種操作系統,可以提供2種操作系統下詳細的實驗體系,支持Linux/Android系統的一鍵切換。

平臺可以支持TinyOS操作系統,可以提供TinyOS操作系統的實驗內容。配備磁檢測傳感器、光照傳感器、紅外對射傳感器、紅外反射傳感器、結露傳感器、酒精傳感器、人體檢測傳感器等至少12種傳感器模塊及傳感器擴展接口板,可以通過標準接口與通信節點建立連接,實現傳感器數據的快速采集和通信。

實驗系統配套無線通信模塊、RFID模塊采用模塊化設計,標準通信接插口,可任意連接配置使用,構成多種無線技術的WSNRFID應用系統(即RFID模塊可直接連接到ZigBee、IPv6、藍牙、WIFI無線模塊上應用)。

傳感器原理及應用、傳感器網絡、嵌入式系統設計與應用等課程的實驗可以在全功能物聯網教學科研平臺上完成。

2.1.3 RFID綜合教學平臺

平臺配有低頻125K模塊、高頻13.56MHz模塊,高頻RFID原理機模塊,超高頻915MHz和有源微波2.4GHz RFID模塊,嵌入式M2M網關、場景應用模擬模塊,可選配場強檢測模塊和信號檢測板模塊。網關采用S5PV210處理器,主頻不低于1GHz,內存不低于1GMB,Flash不低于1GB,配7寸液晶觸摸屏,板載WIFI、GPRS、3G、網口、音視頻接口等。

RFID原理機基于32位ARM控制器,12個按鍵,板載一體化天線,可模擬手持機工作模式多串口,可與其他配件接合使用。帶有信號探測針,通過示波器能提取、展現出RFID系統中整個的射頻信號,包括編碼信號、載波信號、調制信號等,以及板載RS232串口、USB OTG接口、SD卡存儲接口等接口；帶有板載PCB天線和外接天線,按鍵和存儲接口,提供了操作方便、美觀的GUI軟件界面,無需硬件設置,即可通過軟件配置RFID實驗系統各個模塊。

RFID綜合教學平臺可以完成RFID原理及應用、物聯網原理與應用、嵌入式操作系統、短距離無線通信等課程的實驗項目。

2.2 物聯網工程專業實訓實驗室建設

物聯網工程專業第二期主要是實訓實驗室的建設,包括物聯網智能交通實訓系統、物聯網智慧農業實訓系統、體驗式智能家居實訓系統、物聯網工程綜合實訓臺。

2.2.1 物聯網智能交通實訓系統

該系統結合嵌入式系統、自動識別技術、無線傳感網、車聯網、汽車導航定位以及多種集成智能化技術,以車輛交通為核心,通過人、車、路傳感網的互通互聯實現對車輛交通系統的智能控制、管理。

通過該實訓系統使學生加深對物聯網技術及智能交通系統應用方向的了解與認知,同時通過該系統可以讓學生熟悉智能交通系統相關項目的開發,完成從具體基礎知識點到綜合應用的提高。

2.2.2 物聯網智慧農業實訓系統

物聯網智慧農業實訓系統,是農業物聯網的典型應用,系統結合ZigBee無線組網技術、傳感器技術、RFID技術、嵌入式系統控制技術、條碼識別技術、網絡TCP/IP技術等，全面監測農業生產過程中空氣溫濕度、土壤水分、溫濕度、光照、CO2、氣象等與農作物生產息息相關的參量,快捷組建現場監測控制系統無線傳感網絡,可方便地進行現場和遠程顯示監測、并聯動控制遮陽簾、通風、噴淋等設施,生動有效地展現和實施農業生產的信息化與現代化。

2.2.3 體驗式智能家居實訓系統

體驗式智能家居實訓系統以智能家居為應用及布景對象,采用實際家居家電設備及工業級傳感器模塊,既貼近實際環境應用,又支持教學實踐擴展,通過真實場景的演示與實訓,激發學生的學習興趣與積極性,培養學生的想象力、創造力以及實踐動手能力。系統框架如圖3所示。

2.2.4 物聯網工程綜合實訓臺

物聯網工程綜合實訓平臺采用工程操作臺的載體方式,板載豐富的物聯網標準設備,可完全滿足物聯網工程專業的工程實訓課程需求,平臺采用模塊化的設計模式,涵蓋物聯網技術典型的行業應用系統,包含智能網關區、基礎實驗區、RFID技術實訓區、智能家居實訓區等功能,平臺開放各個功能區及模塊間的硬件信號接口,用戶可以根據實際項目應用,動手完成系統的硬件構建和軟件開發。

2.3 云聯大數據處理與信息分析系統

云聯大數據處理與信息分析系統采用企業級分布式大數據系統架構,配套網絡接入設備和物聯網中間件服務軟件系統,可通過多種網絡載體將區域內物聯網接入設備和物聯網實訓中心的物聯網實訓設備連接起來,構成一個有機整體的物聯網示范系統。云聯大數據處理與信息分析系統可以通過云服務或直接通過本地網絡接口,完成對區域覆蓋內、物聯網實訓中心內的設備數據的信息采集、存儲及智能決策處理。用戶可直觀地通過云聯大數據處理與信息分析系統查看、管理和處理系統內的物聯網設備。軟件系統提供物聯網應用場景模式,對系統內接入設備的統一管理,應用場景模式可接入物聯網智能家居、智慧教室及物聯網RFID技術等相關應用。提供物聯網接入設備數據庫管理與接入功能,提供大數據存儲、挖掘與計算接口,便于開展云計算與大數據方向的相關算法研究與教學。其網絡拓撲結構如圖4所示。

圖3 智能家居系統框架圖

圖4 云聯大數據處理與信息分析系統網絡拓撲結構

3 結語

物聯網工程專業是新專業,實驗室建設方案對新專業的建設和發展起著至關重要的作用,實驗室除了保障課內實驗外,還要為學生的實習實訓、畢業設計及創新創業提供條件。另外,物聯網安全問題也日趨嚴重,物聯網安全實驗室建設方案將是后續需要考慮的問題。

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