物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)實訓平臺的研究

摘? 要：結合物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)課程體系內(nèi)容與專業(yè)目標崗位應具備的核心能力，對物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)實訓平臺進行分層次研究并總結關鍵技術與內(nèi)容，得到實訓平臺中層次結構、前端設備、通信協(xié)議、應用接口和方法、終端應用等關鍵技術，并以平臺設備為農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng)的感知層，在此基礎上按照需求分析、硬件設計、界面設計、功能實現(xiàn)的流程開發(fā)具備數(shù)據(jù)采集、傳輸、顯示及遠程終端外圍設備控制功能的移動終端農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng)。

關鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);仿真平臺;農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng)

中圖分類號：TP391.44-4;TN929.5-4 ? ? ?文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2020）22-0171-04

Research on Professional Training Platform of Internet of Things

——Take Agricultural Management System Based on WSN + Simulation Technology as an Example

WANG Shuang

（Changchun Polytechnic，Changchun? 130033，China）

Abstract：Combined with the content of IoT professional curriculum system and the core competence of professional target position，the IoT professional training platform is studied hierarchically and the key technologies and contents are summarized. The key technologies such as hierarchical structure，front-end equipment，communication protocol，application interface and method，terminal application in the training platform are obtained，and the platform equipment is used as the perception layer of agricultural management system. On this basis，according to the process of demand analysis，hardware design，interface design and function realization，a mobile terminal agricultural management system with data acquisition，transmission，display and remote terminal peripheral control functions is developed.

Keywords：internet of things;simulation platform;agricultural management system

0? 引? 言

5G時代的三大類應用場景分別是：增強型的移動互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務應用、海量連接的物聯(lián)網(wǎng)應用、超高可靠性與超低時延業(yè)務的應用。后兩種場景的應用隨著5G技術的興起和逐步成熟并覆蓋到了生活、生產(chǎn)的方方面面。可以說5G技術與物聯(lián)網(wǎng)技術是相輔相成并迅速發(fā)展的，這種發(fā)展也使得物聯(lián)網(wǎng)綜合性人才的需求呈現(xiàn)爆發(fā)式增長。但是，物聯(lián)網(wǎng)是一個復雜的大系統(tǒng)，涵蓋了多領域的技術與知識，高等職業(yè)教育怎樣在有限的人才培養(yǎng)時間和學時中培養(yǎng)出符合職業(yè)崗位需求的創(chuàng)新復合型人才是現(xiàn)在急需解決的問題。知識復雜需要整合，崗位實踐性高需要培養(yǎng)核心技術技能，針對這兩個物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)人才培養(yǎng)中最主要的問題，對物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的核心實踐課程教學平臺進行研究，以期依托平臺能夠對學生進行綜合職業(yè)技能培養(yǎng)與全面知識體系的建立。

1? 平臺前端設備的應用

物聯(lián)網(wǎng)前端設備涵蓋廣泛，前段設備是物聯(lián)網(wǎng)應用系統(tǒng)的“五覺”，是物聯(lián)網(wǎng)應用系統(tǒng)的硬件基礎與數(shù)據(jù)來源。前端設備籠統(tǒng)地說主要包含兩部分：傳感器與RFID設備。平臺中涵蓋包括電源;各協(xié)議系統(tǒng)中的不同頻段RFID設備，如低頻125 kHz設備、高頻段ISO 1443和ISO 15693設備、超高頻讀寫器設備、有源2.4 GHz設備等;遵循不同無線通信協(xié)議的WSN設備;條形碼和二維碼模擬設備;能夠通過繼電器控制的可開關設備，如風扇、遮陽板、水簾、澆灌、蜂鳴器、電磁鎖等;最后用于傳感網(wǎng)與外部網(wǎng)絡通信以及管理的網(wǎng)關設備。平臺中的設備具有與真實設備一致的屬性與接口，并且已經(jīng)打包好可供調(diào)用的接口函數(shù)。以農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng)為例，基于以上設備可以搭建的感知層層次結構為：該系統(tǒng)的前端設備包括監(jiān)測影響農(nóng)作物生長各要素所需的傳感器和可控設備，比如空氣溫濕度模擬器和與之配合的傳感器、土壤溫濕度模擬器和與之配合使用的傳感器、光照模擬器和與之配合使用的傳感器、二氧化碳濃度模擬器和傳感器，天窗、噴灌、水簾、遮陽板、內(nèi)外通風都通過繼電器控制，和真實應用場景中一樣，最終通過協(xié)調(diào)器和網(wǎng)關將數(shù)據(jù)傳出并將終端命令輸入。

2? 平臺遵循的通信協(xié)議

物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡層包含感知層中前端設備所組成的各種有線和無線通信網(wǎng)、私有網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、網(wǎng)絡管理系統(tǒng)和云計算平臺等組成，負責傳遞和處理感知層獲取的信息。教學平臺中所涉及的重點是前端設備按照不同的通信協(xié)議所組成的無線通信網(wǎng)以及網(wǎng)關和云平臺之間的通信。

能夠在平臺中模擬的無線通信前端設備主要包括溫濕度、煙霧、光照、人體感應、PM2.5、震動傳感器等，這些根據(jù)不同的通信協(xié)議加載的通信模塊包括NB-loT、LoRa、Wi-Fi、藍牙、ZigBee等。其中因為ZigBee通信協(xié)議的優(yōu)勢，搭載此通信協(xié)議的傳感器還包括很多專用傳感器，如氣壓、位移、角度、扭矩、拉力、壓力、熱偶、激光測距、火焰、超聲液位、液化石油氣、聲音、光敏傳感器等專用型傳感器和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中的傳感器。這些傳感器搭配專用的環(huán)境模擬器實現(xiàn)仿真設備對于環(huán)境的數(shù)據(jù)采集功能與外圍設備的控制。在由傳感器組成的無線通信網(wǎng)絡中核心是網(wǎng)關，網(wǎng)關與協(xié)調(diào)器通過模擬串口相連接，協(xié)調(diào)器再與傳感器按照特定的通信協(xié)議組成通信網(wǎng)，傳感器配合環(huán)境模擬器進行數(shù)據(jù)采集，或者和繼電器搭配進行外圍設備的控制，如窗簾的開關和燈泡的開關。

遵循NB-loT通信協(xié)議的傳感器設備可以通過外部網(wǎng)絡將所采集到的數(shù)據(jù)上傳到云平臺，通過云平臺與移動終端的連接達到對繼電器所控制設備以及其他聯(lián)網(wǎng)可控設備進行開關或調(diào)節(jié)的目的。在云平臺中針對不同的傳感器創(chuàng)建不同類型的產(chǎn)品和設備，保存云平臺創(chuàng)建的設備關鍵字，然后在仿真平臺中將關鍵字輸入傳感器設備中進行云平臺到仿真平臺的連接，云平臺進而和應用層中與用戶交互的應用相連接。

3? 基于平臺硬件的移動終端應用的開發(fā)

應用層的作用是物聯(lián)網(wǎng)與用戶的接口，用戶可以是使用應用的人也可以是更上一層的控制系統(tǒng)。應用層程序遵循行業(yè)需求開發(fā)，實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)整體的智能應用。若沒有應用層這個接口的存在，物聯(lián)網(wǎng)沒有辦法發(fā)揮作用。平臺應用層的開發(fā)包括上位機的開發(fā)和移動終端的開發(fā)。

基于平臺的上位機開發(fā)主要應用的語言是C#，因為語言的通用性與靈活性所以基于感知層和網(wǎng)絡層的應用有很多，比如基于WinForm控件的基礎開發(fā)，基于RFID技術的低頻、高頻、超高頻、有源2.4 GHz等的專項練習開發(fā)和基于這些模擬設備的智慧商城、校園一卡通、門禁系統(tǒng)、停車場系統(tǒng)等實際小型應用的拆解模擬式開發(fā)。移動終端應用開發(fā)同樣可以使用這些模擬外設來實現(xiàn)，只是需要加載不同類別的接口函數(shù)。可以使用Java語言完成對模擬設備的控制，如打開串口、標簽讀取、數(shù)據(jù)寫入、數(shù)據(jù)讀取等，也可以對無線傳感網(wǎng)進行連接網(wǎng)關、采集傳感器數(shù)據(jù)、控制繼電器等。在此基礎上使用Android語言可以進行綜合應用的開發(fā)，如智能家居網(wǎng)關與設備的添加與控制、場景的設置等。通過綜合開發(fā)讓學生了解物聯(lián)網(wǎng)各個層級的知識，形成完整的知識體系。平臺整體層次與關系如圖1所示。

圖1是仿真平臺中的另一個綜合應用——“智能家居仿真模擬管理系統(tǒng)”的抽象結構圖。仿真教學平臺中移動終端與傳感器、繼電器的通信與控制有一個關鍵前提就是需要將感知層中每個傳感器抽象成為類，每個類按照屬性抽象出對應控制行為的方法，這樣才能通過應用層程序實現(xiàn)對感知層前端設備的控制。比如簡單的低頻125 kHz門禁系統(tǒng)中想要實現(xiàn)對標簽的讀取，首先要建立標簽類，然后為標簽添加連接與斷開連接方法、讀寫數(shù)據(jù)塊方法等，之后再建立連接端口，讀寫數(shù)據(jù)界面時才能調(diào)用這個方法完成對標簽的各種操作。

基于以上研究結果，為解決物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)實際教學中所遇到的問題，作者所在的“移動終端開發(fā)”課程組在模擬仿真平臺企業(yè)技術人員的幫助下，以平臺的虛擬仿真硬件為前端設備，以設備中的接口方法為數(shù)據(jù)采集和命令傳遞點，自主開發(fā)了運行在移動終端的農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng)應用程序，該系統(tǒng)具備通過網(wǎng)關與模擬端口和硬件平臺進行通信，從而具備手動控制調(diào)節(jié)內(nèi)外遮陽板設備、通風和灌溉設備，采集土壤的溫濕度、二氧化碳濃度的功能。課程組教師結合真實農(nóng)業(yè)種植需求與平臺的硬件設備功能完成包括設計界面、硬件設備搭建、接口方法重寫等工作，并將開發(fā)后的應用作為綜合實踐項目應用于教學中。農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng)移動終端應用的運行效果如圖2所示。

農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng)移動終端應用的開發(fā)流程為：

（1）需求分析：通過專業(yè)教師對城鎮(zhèn)周邊的實地考察，總結出現(xiàn)代農(nóng)業(yè)種植大棚需要關注和測量的數(shù)據(jù)及普遍采用的控制設備，列出系統(tǒng)需求，包括能夠測量大棚內(nèi)空氣的溫濕度、土壤溫濕度等;能夠實現(xiàn)大棚內(nèi)外設備的控制功能如開關通風系統(tǒng)和遮陽系統(tǒng)等。根據(jù)需求列出系統(tǒng)的功能模塊和對應的界面。系統(tǒng)應包含的功能模塊有登錄功能、數(shù)據(jù)顯示功能和設備控制功能以及智能控制功能。

（2）仿真平臺硬件系統(tǒng)搭建：根據(jù)確定的需求，在平臺上搭建需要的硬件系統(tǒng)。硬件系統(tǒng)所包含的硬件及其連接關系如圖3所示。

（3）界面設計：因為是功能型應用，所以界面設計偏簡潔，功能盡量在主頁中一目了然。如圖2所示的界面都是采用嵌套的線性布局實現(xiàn)的，主頁的數(shù)據(jù)顯示區(qū)域是以圖片為背景的編輯框搭配文本框呈現(xiàn)數(shù)據(jù)。需要呈現(xiàn)的數(shù)據(jù)包括空氣濕度、空氣溫度、土壤深度、土壤溫度、光照強度、CO2濃度;功能控制區(qū)域為動畫和通過圖像視圖控件中單擊事件切換填充圖片方法實現(xiàn)的功能設置按鈕，包括外通風、內(nèi)通風、外遮陽、內(nèi)遮陽、天窗、噴灌、水簾與智能控制;除主界面外還有登錄連接界面，包含網(wǎng)關、串口輸入文本框與連接按鈕;智能控制輸入界面包括繼電器的綁定與設置范圍值輸入文本框以及確定設置按鈕。

（4）功能實現(xiàn)：系統(tǒng)中所有功能的實現(xiàn)的流程都是重寫控件的特定事件所對應的方法，重寫的代碼內(nèi)調(diào)用底層準備好的API。如想獲取傳感器采集器的數(shù)據(jù)，需要在Farmeing Activity類也就是我們的主界面的Activity功能代碼中定義get Data（）方法，該方法通過ZigBee API調(diào)用getCollector Data（）

方法獲取數(shù)據(jù)，然后通過Handler更新主界面上的數(shù)據(jù)，ZigBee API就是平臺為我們留好的遵循ZigBee通信協(xié)議的硬件內(nèi)的調(diào)用接口，調(diào)取不同傳感器數(shù)據(jù)就是調(diào)取不同傳感器接口方法。如果想實現(xiàn)單個設備的控制要使用setRelay LoopState（）方法，方法的參數(shù)包括繼電器序列號、繼電器數(shù)據(jù)、通道數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)通過Intent傳遞到設備設置，如風扇狀態(tài)設置方法setFanState（）中去完成設備的控制，每個設備都有自己的設置方法，在這些方法中調(diào)用硬件平臺中的設置接口。

4? 結? 論

經(jīng)過對教學平臺的研究發(fā)現(xiàn)，虛擬教學平臺的引入解決了物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)教學中的很多問題，平臺整合了所有物聯(lián)網(wǎng)的關鍵技術，并提供了全面的，可供開發(fā)者靈活使用的前端設備和通信協(xié)議。平臺使用者無論師生都可以在基于平臺的應用開發(fā)過程中生動又全面的掌握典型的物聯(lián)網(wǎng)應用系統(tǒng)從需求到功能實現(xiàn)所需的全部技術與知識，以此平臺為依托可以開展全方位、多形式的物聯(lián)網(wǎng)教學與開發(fā)。

參考文獻：

[1] 秦磊華，石柯，甘早斌.基于CDIO的物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)實踐教學體系 [J].高等工程教育研究，2013（5）：168-172.

[2] 張軍.面向5G時代的通信類課程教學改革 [J].教育教學論壇，2020（26）：355-356.

[3] 李艷，高藝航，張帥.基于CDIO的高職物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)層次化實踐教學體系的創(chuàng)新研究 [J].計算機產(chǎn)品與流通，2020（4）：189+193.

作者簡介：王爽（1984—），女，漢族，吉林長春人，教師，講師，碩士，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)技術。