探討基于工作室的物聯(lián)網(wǎng)實(shí)訓(xùn)平臺

曾堯

一、中職學(xué)校物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)存在的問題

目前，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)作為一個(gè)新興技術(shù)，許多職業(yè)院校專門開設(shè)了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)專業(yè)，中職學(xué)校也積極加強(qiáng)了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)專業(yè)規(guī)則和課程設(shè)置，中山市具備條件的中職學(xué)校已開設(shè)物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)，其他中職學(xué)校也準(zhǔn)備創(chuàng)建條件開設(shè)物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)，據(jù)我所知職業(yè)院校的物聯(lián)網(wǎng)課程開展普遍還不具備豐富的實(shí)驗(yàn)課程和實(shí)驗(yàn)環(huán)境，物聯(lián)網(wǎng)實(shí)訓(xùn)設(shè)備昂貴且行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，許多專業(yè)老師受制于實(shí)訓(xùn)設(shè)備的限制，難以在專業(yè)班級幾十名學(xué)生中開展實(shí)訓(xùn)操作，使得實(shí)訓(xùn)課程只能通過模擬軟件進(jìn)行教學(xué)，或者以理論講解為主，培養(yǎng)出來的學(xué)生僅僅停留在理論上的認(rèn)知，達(dá)不到真正地物聯(lián)網(wǎng)人才培養(yǎng)目標(biāo)。

? ?二、設(shè)計(jì)基于工作室制物聯(lián)網(wǎng)實(shí)訓(xùn)平臺

各職業(yè)院校爭相使用一種全新的教學(xué)模式—工作室制人才培養(yǎng)模式，不僅可以改善學(xué)習(xí)環(huán)境及氣氛，而且還可增強(qiáng)課程的實(shí)踐性和創(chuàng)新性，設(shè)計(jì)好工作室制物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)平臺，對于開展基于工作室制物聯(lián)網(wǎng)人才培養(yǎng)至關(guān)重要。

對于中職學(xué)生而言，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用應(yīng)注重項(xiàng)目實(shí)踐性，根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目的工作過程搭建實(shí)踐體系，搭建“理實(shí)一體化”物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)環(huán)境，從理論知識學(xué)習(xí)、講解到示范、基本技能培訓(xùn)、工程項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)等多層次項(xiàng)目教學(xué)實(shí)踐。

物聯(lián)網(wǎng)從技術(shù)架構(gòu)上來分，可分為三層：感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。不同企業(yè)有不同的應(yīng)用規(guī)范和設(shè)計(jì)方案，在搭建物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，不能只偏重某一領(lǐng)域的某一款技術(shù)開展實(shí)訓(xùn)，應(yīng)以典型的應(yīng)用系統(tǒng)綜合項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)，不僅能使學(xué)生掌握物聯(lián)網(wǎng)各個(gè)層次的基本使用，從整體著眼物聯(lián)網(wǎng)的運(yùn)作流程，使學(xué)生畢業(yè)從事物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)工作時(shí)，即使對面不同類型的項(xiàng)目或不同的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，都可以在完整的物聯(lián)網(wǎng)知識體系下，靈活變通工作方式，提高解決實(shí)際問題能力。根據(jù)以上分析，結(jié)合本校實(shí)際情況，我們采用以下實(shí)訓(xùn)平臺開展物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)教學(xué)。

（一）感知層——樹莓派

物聯(lián)網(wǎng)的最底層是感知層，主要通過傳感器實(shí)現(xiàn)環(huán)境信息的采集，依靠執(zhí)行器與環(huán)境或人進(jìn)行互動，感知層需要用到的設(shè)備較多且復(fù)雜，也是物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)環(huán)境搭建投入最多的一部分。樹莓派是一款基于Linux操作系統(tǒng)的卡片式計(jì)算機(jī)，大小跟銀行卡一樣大。最初研發(fā)樹莓派，是因?yàn)槠涞蛢r(jià)硬件和自由軟件，這樣更好推動學(xué)校的基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)學(xué)科教育。由于其開源特性，很容易得到各種配套的硬件模塊和多種開發(fā)工具，適合學(xué)生操作使用，也容易讓學(xué)生理解感知層的運(yùn)作過程。

（二）網(wǎng)絡(luò)層——IoT平臺

網(wǎng)絡(luò)層的主要任務(wù)是傳感器和數(shù)據(jù)的存儲和管理，要求起到中間件的作用，即對下層感知層不同類別的傳感器數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理，對上層應(yīng)用層提供統(tǒng)一調(diào)用的接口。在物聯(lián)網(wǎng)的概念提出來之后，涌現(xiàn)出大量的物聯(lián)網(wǎng)云平臺，即IoT平臺。IoT平臺能使用統(tǒng)一數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，降低物聯(lián)網(wǎng)信息存儲和管理，屏蔽復(fù)雜的技術(shù)細(xì)節(jié)，方便用戶查看和控制。當(dāng)前國內(nèi)做得比較好的IoT平臺有中國移動OneNet平臺、百度IoT平臺、阿里智能云等，這些IoT平臺有競爭中不斷完善，功能也越顯多樣化。本文后面的教學(xué)實(shí)例將采用中國移動OneNet平臺進(jìn)行演示。

（三）應(yīng)用層——App Inventor

應(yīng)用層作為與用戶直接交互的接口層，所有的信息都通過應(yīng)用層展示給用戶，而用戶的各種反饋操作都是由應(yīng)用層告訴系統(tǒng)，也是整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)環(huán)境搭建中花費(fèi)最小的部分。很多職業(yè)學(xué)校會將應(yīng)用層的教學(xué)直接做成軟件開發(fā)課，但對于中職學(xué)生來說，軟件開發(fā)對于他們來說還是有一定難度，過于深究也會讓學(xué)生顧此失彼，忽略物聯(lián)網(wǎng)其他層次的認(rèn)識。因此，我們將采用App Inventor，以圖形化、拼接式的方式開發(fā)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序，一定程度上規(guī)避復(fù)雜的程序語言學(xué)習(xí)。

三、溫度監(jiān)控教學(xué)實(shí)例

在學(xué)校現(xiàn)有的設(shè)備和創(chuàng)客教育環(huán)境下，將樹莓派、中國移動OneNet平臺和App Inventor結(jié)合搭建成一套實(shí)用可靠的物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)環(huán)境如圖1所示。

下面以溫度監(jiān)控課例對該實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)平臺進(jìn)行介紹。

（一）樹莓派傳感器的搭建

樹莓派可以接入溫濕傳感器、煙霧傳感器、陀螺儀和磁力傳感器等識別或獲取信息，在本實(shí)例中采用熱敏電阻作為溫度傳感器，熱敏電阻是一種阻值會隨著溫度而變化的電阻，以階躍響應(yīng)方法測量出熱敏電阻的阻值，從而計(jì)算出溫度。需要用到的器材包括：面包板和跳線、1kΩ熱敏電阻、2個(gè)1kΩ電阻、330nF電容器，在編輯器中添加代碼，獲取熱敏電阻的讀數(shù)并轉(zhuǎn)化為溫度讀數(shù)。將阻值轉(zhuǎn)換成溫度（以攝氏度為單位），通過熱敏電阻的阻值計(jì)算溫度時(shí)，需要利用Steinhart-Hart方程進(jìn)行一些復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算。

（二）在樹莓派上安裝MQTT協(xié)議的Python擴(kuò)展庫

MQTT（消息隊(duì)列遙測傳輸）是一種輕量級消息傳遞協(xié)議，提供的消息發(fā)布和訂閱機(jī)制，可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間（一對多）的消息交互，適用于物聯(lián)網(wǎng)連接設(shè)備的通信，把傳感器的數(shù)據(jù)通過MQTT協(xié)議上傳到服務(wù)器，在樹莓派中編輯代碼并保存為MQTT.py文件，同時(shí)增加可執(zhí)行權(quán)限，然后以超級用戶身份執(zhí)行MQTT.py文件。

（三）中國移動OneNet平臺

OneNet平臺由中國移動公司打造的PaaS物聯(lián)網(wǎng)開放平臺，提供“云-管-端”一體化的智能管道和支撐系統(tǒng)，從數(shù)據(jù)采集、傳輸、計(jì)算、存儲、展現(xiàn)到分析，都提供了全面的基礎(chǔ)產(chǎn)品和服務(wù)。OneNet平臺通過主流的物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議（如HTTP、EDP、MQTT、Modbus、JT/T808等）幫助設(shè)備與云端之間建立安全可靠的雙向連接，還支撐海量設(shè)備的數(shù)據(jù)收集、監(jiān)控、故障等各種物聯(lián)網(wǎng)場景，其完善的協(xié)議封裝，簡化的開發(fā)流程，適合中職學(xué)生水平應(yīng)用。