物聯網工程專業實踐教學體系研究

崔艷榮, 陳 勇, 胡蓉華

(長江大學 計算機科學學院, 湖北 荊州 434023)

物聯網技術是信息技術和互聯網技術發展到一定程度的產物,是我國“十二五”期間大力發展的戰略性新興產業,物聯網工程專業正是在這樣背景下的新增專業[1]。物聯網工程專業為物聯網產業的發展培養高素質的應用型、研究型和創新型人才,科學合理的實踐教學體系是培養學生應用能力、研究能力和創新能力的有力保障[2]。由于是新專業,其理論課程體系及實踐教學體系都在探索之中,特別是實踐教學體系,不同的高校有不同的側重點。文獻[2]中提出了一種基于競賽驅動的實踐教學體系,把學科競賽與實踐教學結合起來貫穿整個物聯網工程專業實踐教學;文獻[3]從師資隊伍、教材建設、實驗室及實習基地建設等方面構建了其實踐教學體系;文獻[4]將物聯網工程專業實踐教學模塊化;文獻[5]提出創新教學理念、教學內容、教學方法、教學考核及加強師資建設、平臺建設、教材建設、校企合作的“四創新、四加強”的實踐教學體系;文獻[6-10]將CDIO理念應用于物聯網工程專業實踐教學體系中;有的實踐教學以校企合作為基礎[11-12],有的以工程認證為導向[13]。本文從我校物聯網工程專業實際情況出發,探究物聯網工程專業實踐教學體系。

1 物聯網工程專業實踐教學體系設置

物聯網工程專業實踐教學體系由課程實驗、課程設計、實習實訓、畢業設計及學科競賽5部分組成。其中課程實驗和課程設計主要根據理論課程設置配套進行,還有少量課程設置單獨的實驗課;實訓是利用2周時間對某個知識體系進行綜合訓練;實習是用6周時間與企業合作,對專業知識進行綜合訓練;畢業設計是學生利用12周時間完成從選題、開題到系統設計及測試的一整套工作,訓練學生的綜合應用能力;學科競賽則以競賽為契機,貫穿專業學習全過程,旨在提高學生的動手能力。下面主要從課程實驗、課程設計和實習實訓3方面進行介紹。

2 課程實驗及課程設計

2.1 課程設置

我校計算機類專業實現大類招生,物聯網工程專業在一年級和二年級實行大類培養,大類培養期間主要完成通識教育和學科基礎課教育,三、四年級完成專業必修課和選修課的學習。通識課程主要是高等數學、大學英語及體育、人文社科類課程;學科基礎課包含數學類、物理類及計算機類3大部分,其中數學類有線性代數、離散數學、概率論與數理統計;物理類的課程則有大學物理及大學物理實驗;計算機類有計算機導論、C語言程序設計、面向對象可視化編程、算法與數據結構、電子技術基礎、電子技術基礎實驗。

根據市場需求,結合我校實際,圍繞物聯網3層體系結構,專業必修課包括計算機網絡、操作系統原理、計算機組成原理與系統結構、傳感器原理及應用、物聯網原理與應用、RFID原理及應用、傳感器網絡、物聯網通信技術、數據處理與智能決策、物聯網工程設計與實施。

2.2 課程實驗和課程設計

根據課程的不同性質,分別安排了上機課、實驗課和課程設計等實踐類教學。其中,通識教育階段涉及到的實踐類教學主要有軍事理論與軍事訓練及社會實踐;學科基礎課中物理類課程開設了32個學時的物理實驗課程,計算機類課程開設了電子技術基礎實驗及不同學時的上機,除了計算機導論外,其他的計算機類課程都安排了2周的課程設計。

專業必修課程中的操作系統原理和數據處理與智能決策分別安排了12學時和8學時的上機操作,其他均安排了12學時或8學時的實驗課程。計算機網絡、數據處理與智能決策、傳感器網絡、物聯網工程設計與實施均安排了2周的課程設計。

3 實習實訓

實習為期6周,學校與實習單位共同制定實習大綱和實習內容,學校選派優秀指導教師和企業導師共同指導學生實習。根據物聯網3層體系結構,實習內容包括感知層對數據的獲取、傳輸層對數據的傳輸及應用層對數據的應用等內容,還設置了智能家居、智能農業、智能交通等綜合實訓。

3.1 數據獲取實訓

物聯網感知層獲取數據的方式主要有兩種,一種是通過傳感器獲取,一種是通過射頻識別獲取。通過檢測類傳感器實驗可以獲取光照、酒精、聲音等數據,通過感知類傳感器實驗可以獲取超聲波、甲醛、CO等數據,通過控制類傳感器實驗可以獲取對LED燈、繼電器等進行控制的數據?；赗FID射頻識別獲取數據的實訓可以包含如下內容：RFID系統的編碼、RFID系統的載波產生、RFID系統RF信號的整形和放大、內部模擬信號測試、數字信號測試、標簽信息讀寫、RFID防沖撞實驗、CRC實驗、RFID信令實驗、數據包發送與接收、寫入數據存儲格式標識命令、鎖定數據存儲格式標識指令、獲得系統信息指令、獲得多個塊的安全狀態指令等。

3.2 數據傳輸實訓

數據傳輸有通過傳感器網絡傳輸和通過RFID組網傳輸兩大類。通過傳感器網絡傳輸數據,根據不同的通信方式可以設置為基于ZigBee網絡的各個傳感器的數據采集實驗;基于IPv6網絡的各個傳感器的數據采集實驗;基于Wi-Fi網絡的各個傳感器的數據采集實驗和 基于藍牙網絡的各個傳感器的數據采集實驗。其中,基于ZigBee通信的實驗是重點,又可以細分為 STM32 LED燈的控制實驗、ZigBee組網實驗、基于ZigBee的無線傳感器網絡實驗、基于ZigBee的SensorDemo圖形顯示實驗、基于ZigBee的HomeAutomation實驗及基于ZigBee的Z-Tools使用實驗。通過這些實驗讓學生了解掌握Z-STACK協議棧及ZigBee組網技術,熟悉ZigBee開發工具。為了讓學生了解當前工業傳感器接口,還可以安排如下實驗：工業級檢測類傳感器模塊實驗、工業級控制類傳感器模塊實驗、工業級信號識別傳感器模塊實驗和工業級數字信號類傳感器模塊實驗。

通過RFID組網傳輸數據的實驗包括：HF 13.56M ISO 15693 實驗、UHF 900M ISO 18000-6實驗、高頻13.56M ISO 14443模塊實驗、LF 125K ID卡讀取實驗、2.4G RFID模塊配置操作實驗。通過這些實驗,讓學生了解并熟悉RFID多個頻段模塊,包括低頻、高頻、超高頻以及2.4G,并且清楚它們各自的RFID協議。

3.3 數據應用實訓

為了將接收到的數據應用到具體的行業領域,在數據應用實訓階段可以安排如下實驗：

(1) 嵌入式系統設計與應用實驗。通過本系列實驗,讓學生學習了解Linux系統及GUI編程方法,并開發自己的上層應用系統。這些實驗包括：基礎應用實驗(SOCKET 網絡編程、嵌入式WebServer移植);基于Qt的GUI實驗(基于QtDesigner的程序設計、搭建Qt/Embedded環境);底層系統構建實驗(Linux內核裁剪與編譯、構建根文件系統);底層驅動實驗(內核驅動入門、按鍵中斷驅動及控制)等。

(2) TinyOS2無線傳感網實驗。通過本系列實驗,學習基于TinyOS系統的ZigBee,掌握ZigBee技術及TinyOS系統。具體實驗包括：環境的搭建( IAR軟件的安裝、 Cygwin軟件的安裝等);CC2530基本的外設實驗(基于CC2530在TinyOS控制實驗);CC2530的無線電(基于點對點通信、基于TinyOS網絡協議中的分發協議);接口和底層實現的組件等。

(3) Android4.0系統實驗。通過本系列實驗,學習并且掌握Android從環境搭建到程序執行的開發過程,了解Android底層串口通信。具體實驗設置如下：Android開發環境搭建(Android Ubuntu開發環境建立等);Android系統架構實驗,Android內核移植與編譯實驗等;Android中間層實驗( LED實驗、Beep實驗、UART串口實驗等);Android綜合應用(GPRS撥號實驗、Wi-Fi聯網實驗、開源游戲移植實驗);Android SDK開發(Android ADB調試實驗、網絡服務連接實驗);Android綜合實訓應用(RFID 電子錢包應用實驗、RFID 讀卡實驗)。

3.4 綜合實訓

綜合實訓可以提高學生綜合應用能力,設置了如下內容：

(1) 物聯網智能家居綜合實訓。通過該系列實訓,使學生直觀認識物聯網技術在實際家居中的應用,了解智能家居的硬件體系及軟件構成。具體內容如下：ZigBee無線傳感網組網實訓;各個傳感器數據采集繪制曲線實訓;門禁控制及使用實訓;視頻監控與遠程訪問;GSM/GPRS短信息控制實訓;WEB遠程服務器監控實訓;場景聯動演示實訓;Android手持設備接入控制實訓;紅外家電遙控使用實訓;電動窗簾控制及使用實訓;Android客戶端應用實訓等。

(2) 物聯網智能農業綜合實訓。通過該系列實訓,使學生直觀認識物聯網技術在實際農業中的應用,了解智慧農業的硬件體系及軟件構成。具體內容如下：傳感器檢測實訓;環境智能調控實訓;反饋控制實訓;環境數據庫處理實訓;卷簾控制實訓;GSM/GPRS短信息控制實訓;WEB遠程服務器監控實訓;Android手持設備遠程控制實訓等。

(3) 物聯網智能交通實訓。該系列實訓以車輛交通為核心,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,是對傳感器技術、無線技術及RFID技術的綜合應用。具體內容如下： 智能車輛巡線運動控制實訓;智能車輛自動避障運動實訓;智能車輛無線控制實訓;WEB遠程服務器監控實訓;道路傳感網環境監測實訓;道路視頻監控實訓;交通智能決策實訓;ETC路費功能實訓;智能停車管理系統功能實訓;信號燈控制功能實訓;道路險情控制實訓;GSM/GPRS短信息控制實訓;Android手持設備應用客戶端訪問實訓;Android手持設備控制智能車輛運動實訓;綜合演示功能實訓等。

(4) RFID技術綜合實訓。通過體驗RFID技術,了解RFID各個頻段模塊的應用場景,將RFID基礎功能應用到實際應用設計中。具體內容如下：RFID電子錢包應用綜合實訓;門禁管理應用綜合實訓;ETC路費管理應用綜合實訓;槍支管理系統開發綜合實訓;圖書館管理系統開發綜合實訓;人員身份管理系統開發綜合實訓等。

(5) 物聯網移動互聯綜合實訓。該系列實訓以物聯網移動互聯教學科研平臺為依托,用先進的物聯網管理思想,將物聯網技術應用在超市管理、物流管理及工業工程管理等方面。具體內容如下：自動化倉儲實訓;移動式入庫流程實訓;移動式庫內實訓;移動式出庫流程實訓;摘取式電子標簽分揀實訓;播種式電子標簽分揀實訓;自動化分揀實訓及倉儲收貨實訓等。

4 結語

實踐教學是物聯網工程專業教學過程中的重要環節,如何圍繞物聯網的體系結構,并結合學校實驗室建設的實際情況構建科學合理有效的實踐課程體系,是一個值得探究的問題。文中研究的課程設計、課程實驗及實習實訓等方案還有待優化和完善,下一步還將對物聯網工程專業實踐教學環節中的畢業設計和學科競賽進行研究。