基于樹莓派、IoT平臺和AppInventor構建職業院校物聯網技術實驗教學環境研究

侯敬熙

摘? ?要：物聯網技術快速發展的今天，市場上對物聯網專業人才的需求也逐漸增大，職業學校計算機專業改革也在向物聯網技術方向轉變。不過，職業學校在實施物聯網技術教學實驗環境過程中，遇到了一些困難。文章將結合樹莓派、IoT平臺和AppInventor等技術，探索適合職校學生特點的物聯網實驗教學環境，培養厚基礎、寬口徑、強能力的綜合性人才。

關鍵詞：職業院校;物聯網;實驗環境

1? ? 職業學校物聯網教學困境

當前，物聯網技術受到各職業院校的重視，職業學校也積極加強了物聯網專業規則和課程設置，在中山市全職業學校當中，有已開設物聯網專業的，也有有意開設物聯網專業或已開展物聯網課程探究的。物聯網目前教學在仍處于探索與實踐的階段，人才培養的數量和質量與市場的實際需求有較大的差距。導致物聯網教學困境的有如下因素。

1.1? 物聯網實踐教學不科學

物聯網是多個學科技術交叉融合的新興發展技術，主要涉及網絡、軟件開發和電子等綜合的學科應用。大多數職業學校學科體系不能與市場接軌，使實訓課程只能通過模擬軟件進行教學，或者以理論講解為主、實踐教學活動并沒有真正達到預期中的教學效果。

1.2? 物聯網教學設備價格不菲

物聯網作為一個新開設的專業，意味著需要投入資源，然而，物聯網當前沒有統一的應用規范和標準，很多廠商面向職業院校提供價格不菲的物聯網實訓室的解決方案，而且這些解決方案標準不一致、靈活性差，使得學校付出高成本，學生卻達不到實際工程的應用技能標準。

1.3? 校企合作程度低

職業院校物聯網專業課程的重點是培養學生從事物聯網系統建設中工程施工與管理和設備的安裝、調試、維護、運行管理等一線工作。由于現在不同企業應用場景和標準不一致，沒有企業參與教學過程，培養出來的學生大多都不能做到對口就業，更不用談高質量就業。

2? ? 物聯網實驗環境的設計方案

構建“理實一體化”物聯網實驗環境為：感知層、網絡層和應用層。所構建的實驗環境，不能只偏重某一技術開展，應以典型的綜合項目開展實訓。

2.1? 感知層—樹莓派

感知層主要通過傳感器實現環境信息的采集，需要用到的設備較多且復雜。樹莓派是一款基于Linux系統的卡片式計算機，很容易得到各種配套的硬件模塊和多種開發工具[1]。

2.2? 網絡層—IoT平臺

網絡層的主要任務是傳感器和數據的存儲和管理，當前國內做得比較好物聯網云平臺（IoT平臺）有中國移動OneNet平臺、百度IoT平臺等，文章后面的教學實例將采用中國移動OneNet平臺進行演示。

2.3? 應用層—AppInventor

應用層作為與用戶直接交互的接口層，將用戶的各種反饋操作由應用層告訴系統，采用AppInventor，以圖形化、拼接式的方式開發物聯網應用程序，能在一定程度上規避復雜的程序語言學習[2]。

3? ? 溫度監控教學實例

結合以上設備建成一套實用可靠的物聯網實驗環境，以溫度監控課例進行介紹。

3.1? 樹莓派傳感器的搭建

在本實例中采用熱敏電阻作為溫度傳感器，需要用到的器材包括：面包板和跳線、1 kΩ熱敏電阻、2個1 kΩ電阻、330 nF電容器，在樹莓派編輯器中定義GPIO接口，獲取熱敏電阻的讀數并轉化為溫度讀數，將阻值轉換為以攝氏度為單位的溫度，通過熱敏電阻的阻值計算溫度的時候，需要利用Steinhart-Hart方程進行一些復雜的數學運算。

3.2? 在樹莓派上安裝MQTT協議的Python擴展庫

消息隊列遙測傳輸（Message Queueing Telemetry Transport ，MQTT）是一種輕量級消息傳遞協議，提供的消息發布和訂閱機制，可以實現設備之間（一對多）的消息交互，適用于物聯網連接設備的通信，把傳感器的數據通過MQTT協議上傳到服務器，在樹莓派中編寫代碼，傳入通信地址、端口和超時時間。

3.3? 中國移動OneNet平臺

OneNet平臺是由中國移動打造的PaaS物聯網開放平臺，從端到云，從數據采集、傳輸、計算、存儲、展現到分析，都提供了全面的基礎產品和服務。OneNet平臺通過主流的物聯網協議（如HTTP，EDP，MQTT，Modbus，JT/T808等）幫助設備與云端之間建立安全可靠的雙向連接，還支撐海量設備的數據收集、監控、故障等各種物聯網場景，其完善的協議封裝、簡化的開發流程，適合職校學生水平應用。

（1）創建產品：進入OneNet平臺的開發者中心，創建一個公開協議產品，接入協議為MQTT。

（2）新建設備：在OneNet平臺上創建設備，通過調用創建設備API實現設備的創建，輸入設備的設備名、接入協議、鑒權信息以及MasterKey等信息。創建消息發布與訂閱，輸入主題topic，選擇該身份擁有的權限，發布消息（Publish）、訂閱消息（Subscribe），成功創建消息發布者和訂閱者身份。

（3）配置MQTT客戶端：在MQTT客戶端填寫連接參數相數信息，配置文件名稱（Profile Name）、地址域名（Broker Address）、端口（Broker Port）、自動生成ID號（Client ID），成功連接后，即可開始訂閱消息。打開Subscribe標簽，配置主題topic，選擇默認的QoS 0，完成進行訂閱操作。

3.4? AppInventor應用開發

在中國移動OneNet平臺開發者中心配置第三方應用開發，調用API數據，以JSON數據交換格式將數據傳送到應用層，在應用層使用AppInventor與網絡服務進行數據交互。AppInventor可以讓使用者在不懂編程語言情況下，以可視化的拖放、拼接模塊，將解釋的JSON數據結果分項顯示在手機應用，通過運用AppInventor完成物聯網應用層的開發，學生不用糾纏編程的細節，也能訓練計算思維，理解應用層實現過程。測試完成好的物聯網系統，將安裝好熱敏傳感器的樹莓派放置在不同的環境下，在手機應用程序中點擊“獲取溫度”按鈕，能夠實時反饋溫度信息。

4? ? 不同類型物聯網實驗平臺的對比

在實踐中，結合樹莓派、中國移動OneNet平臺和AppInventor構建適合職校學生的物聯網實驗環境，符合學生的認知規律，滿足物聯網教學需求，使學生能夠隨時將自己的創意開發成為現實。與中山某高校正在使用的實驗環境作對比，文章的實驗環境可實現一人一套設備開展實訓，沒有封閉了各層次的實現過程與CC2530和ZigBee協議原理相通，通用性和擴展性也強，關鍵是價格不貴，比動輒要幾十萬的設備來說，可以被大部分學校接受。

文章的物聯網實驗環境是依據物聯網層次結構為基礎，集教學和應用與一體的物聯網解決方案，每個層次的實現方法并不是唯一，可以依據具體情況進行替換，如感知層使用arduino，網絡層使用阿里智能云，應用層使用Android開發或微信小程序等都可以完成物聯網項目的實施[3]。

中山當前物聯網教學受學制和學生學習能力、學校資金投入、實訓條件、師資等因素限制，大部分學校不能建設完整的物聯網實驗環境。文章的實驗環境在有限的資源條件下，完善了物聯網的知識教學與實訓，以典型的應用系統綜合實訓，能有效達到學生培養目標。

5? ? 結語

在產教融合的大背景下，物聯網崗位結構呈現層次多、知識結構跨度大的特點，加強對物聯網實驗環境的建設勢在必行。文章在教學實踐中采用樹莓派、中國移動OneNet平臺和AppInventor構建的物聯網實驗環境，實現對樹莓派傳感器設備的遠程控制，可以適應多種應用場景，進一步提高學生對物聯網的應用能力，培養能適應社會經濟轉型升級的物聯網人才。

[參考文獻]

[1]溫江濤，張煜.物聯網智能家居平臺DIY[M].北京：科學出版社，2014.

[2]謝作如，鄭祥，張潔.跟我學AppInventor2[M].北京：清華大學出版社，2017.

[3]劉繼元.基于樹莓派的物聯網應用[J].電子世界，2016（8）：24-25.

Research on experimental teaching environment of Internet of Things technology

in vocational college based on Raspberry Pie， IoT platform and AppInventor

Hou Jingxi

（Zhongshan No.1 Secondary Vocational and Technical School， Zhongshan 528400， China）

Abstract：With the rapid development of Internet of Things technology， the market demand for Internet of Things professionals is gradually increasing， and the reform direction of computer major in secondary vocational schools is also changing in the direction of Internet of Things technology. However， the vocational school encountered some difficulties in the implementation of the Internet of Things technology teaching experimental environment. This paper explored the Internet of Things experimental teaching environment suitable for secondary vocational school students by combining the technology of Raspberry Pie， IOT platform and App Inventor， and cultivated comprehensive talents with thick foundation， wide caliber and strong ability.

Key words：vocational college; Internet of Things; experimental environment