軍隊院校物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)實驗室建設(shè)方案研究

萬 平，李 明，楊輝躍，羅凱文，肖 瑋，李先利，劉國松

（陸軍勤務(wù)學(xué)院 軍事物流系，重慶 401331）

0 引 言

物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)于2010年在國內(nèi)開設(shè)[1]，軍隊院校開設(shè)物聯(lián)網(wǎng)工程高等教育專業(yè)較晚。物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)作為軍隊院校新開專業(yè)，既有的教學(xué)實驗條件與物聯(lián)網(wǎng)工程教育訓(xùn)練任務(wù)要求還有較大差距，軍隊院校物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)實驗室條件建設(shè)存在以下問題：

一是已有的實驗儀器設(shè)備已無法滿足專業(yè)課程實驗需求。物聯(lián)網(wǎng)工程是近些年新興發(fā)展的專業(yè)領(lǐng)域，具有技術(shù)更新快、設(shè)備換代快的特點[2]，而既有的實驗儀器與設(shè)備已陳舊落后，且不成體系，已不能滿足物聯(lián)網(wǎng)工程傳感器原理、識別與定位、物聯(lián)網(wǎng)通信、物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計與實踐等專業(yè)課程的教學(xué)實驗需求。

二是物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)實驗室建設(shè)目標(biāo)功能定位存在分歧。新設(shè)的物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)發(fā)生了根本性變化[3]，根據(jù)不同的人才培養(yǎng)目標(biāo)，物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)實驗室建設(shè)一方面在建設(shè)多大規(guī)模，滿足多少學(xué)員同時教學(xué)有分歧；另一方面在專業(yè)實驗室建設(shè)總體定位是服務(wù)于教學(xué)還是科研，或者教學(xué)科研兼顧等有分歧。同時，物聯(lián)網(wǎng)涉及硬件、通信、軟件和控制等專業(yè)知識，涉及的實驗內(nèi)容、實驗種類較多，怎樣對這些實驗進行分類和定位也存在認(rèn)識不夠統(tǒng)一的問題[4]。

三是軍隊院校物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)實驗室建設(shè)方案不夠成熟。軍隊院校物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)實驗室建設(shè)可以參考地方高校的優(yōu)勢經(jīng)驗，但由于與地方院校辦學(xué)定位存在巨大差異，培養(yǎng)的人才在基本滿足地方院校培養(yǎng)目標(biāo)的基礎(chǔ)上，還要符合相應(yīng)的軍隊首次崗位任職要求，照抄照搬地方高校物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)實驗室建設(shè)方案顯然不能滿足需求。所以，軍隊院校物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)實驗室建設(shè)方案既要考慮地方高校通用專業(yè)實驗功能，又要兼顧自身軍事獨有需求[5]。鑒于目前沒有一個普遍適用且成熟的建設(shè)方案，需要根據(jù)自身需求，按照對應(yīng)的實驗功能模塊進行定制建設(shè)。

1 總體定位

實驗室建設(shè)要服務(wù)于所在軍隊院校人才培養(yǎng)任務(wù)，本文以培養(yǎng)軍事物流后勤保障勤務(wù)人才的物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)實驗室為研究對象，其實驗室建設(shè)思路以“部隊任務(wù)引領(lǐng)、勤務(wù)保障驅(qū)動、服務(wù)教學(xué)為主、適當(dāng)兼顧科研”為宗旨，著眼物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)人才培養(yǎng)的需求，緊跟國內(nèi)外物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展趨勢，按照高標(biāo)準(zhǔn)、重實用、可發(fā)展的要求，從基礎(chǔ)理論與方法、實訓(xùn)平臺驗證、軍事物聯(lián)網(wǎng)典型應(yīng)用實驗等三個層次著手，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)感知、網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用三層技術(shù)架構(gòu)[6]，構(gòu)建基礎(chǔ)實驗平臺、綜合實訓(xùn)平臺和創(chuàng)新實驗平臺于一體的物聯(lián)網(wǎng)工程實驗室，為軍隊培養(yǎng)高素質(zhì)專業(yè)化新型物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)人才提供良好的教研條件支撐。

綜上，物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)實驗室的總體功能定位：

（1）為物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)課程教學(xué)提供實驗平臺；

（2）為物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)綜合訓(xùn)練提供實訓(xùn)平臺；

（3）提供軍事物聯(lián)網(wǎng)典型應(yīng)用實驗并構(gòu)建基本的軍事物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用創(chuàng)新實驗環(huán)境。

2 建設(shè)方案

根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)實驗課程的設(shè)置、集中實踐教學(xué)、實習(xí)實訓(xùn)及畢業(yè)設(shè)計的需求[7]，軍隊院校物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)實驗室由基礎(chǔ)實驗平臺、綜合實訓(xùn)平臺、創(chuàng)新實驗平臺三大板塊組成。三個實驗平臺承擔(dān)的教學(xué)任務(wù)由易到難，關(guān)注的專業(yè)領(lǐng)域由點到面，培養(yǎng)的技能層次由低到高，一方面能夠全方位培育學(xué)員的基礎(chǔ)能力、動手能力、創(chuàng)新能力，另一方面也為物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的教研人員提供一個全面系統(tǒng)的實驗環(huán)境[8]。基礎(chǔ)實驗平臺和綜合實訓(xùn)平臺通過物聯(lián)網(wǎng)云平臺互聯(lián)互通，有效實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，既能實現(xiàn)本地數(shù)據(jù)的匯總統(tǒng)計，又能將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到移動設(shè)備或PC端進行顯示控制，便于教師端在線監(jiān)測實驗進度及實驗結(jié)果；還能為后期教學(xué)研究、實驗室管理等積累原始數(shù)據(jù)。由于物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新實驗平臺的軍事特殊性，相對獨立，所以不接入物聯(lián)網(wǎng)云平臺。

物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)實驗室各平臺間的相互關(guān)系如圖1所示。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)工程實驗室各平臺相互關(guān)系架構(gòu)

基礎(chǔ)實驗平臺包含NB-IoT綜合實驗裝置、射頻識別（RFID）綜合實驗裝置、IPv6綜合實驗裝置和多網(wǎng)融合綜合實驗裝置。

NB-IoT綜合實驗裝置以移動網(wǎng)絡(luò)平臺為基礎(chǔ)，支持esim和OneNET云平臺協(xié)議。

射頻識別（RFID）綜合實驗裝置包含低頻段、高頻段、特高頻RFID和NFC多種射頻模塊。

IPv6綜合實驗裝置以Contiki操作系統(tǒng)為基礎(chǔ)，支持IPv4/IPv6通信，提供IPv4/IPv6協(xié)議棧，支持TCP/UDP，支持線程、定時器、文件系統(tǒng)等。

多網(wǎng)融合綜合實驗裝置包含WiFi、藍牙、2.4G無線通信、LoRa、ZigBee等多種通信模塊和多種協(xié)議網(wǎng)關(guān)。

上述4個實驗裝置支持百余個基礎(chǔ)實驗，通過物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)實驗平臺的實驗教學(xué)，使學(xué)員掌握傳感器、無線通信、射頻識別和網(wǎng)絡(luò)等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)基礎(chǔ)知識，全方位夯實學(xué)員的物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)。

綜合實訓(xùn)平臺包括綜合應(yīng)用實驗臺、創(chuàng)新應(yīng)用系統(tǒng)、人工智能開發(fā)套件和多功能智能機械臂平臺。

綜合應(yīng)用實驗臺采用工業(yè)級多類型傳感器，具有多個功能區(qū)，集成多種通信協(xié)議與接口，涵蓋物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)典型應(yīng)用環(huán)境，可將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)實時接入物聯(lián)網(wǎng)云平臺，實現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化。

創(chuàng)新應(yīng)用系統(tǒng)由CC2530底座、STM32底座、18種功能模塊和創(chuàng)新應(yīng)用實驗臺組成，功能模塊分為傳感器、執(zhí)行機構(gòu)、通信和輔助4類模塊。

人工智能開發(fā)套件支持Python編程，能實現(xiàn)文字與圖像識別、圖像跟蹤、人臉識別、語音識別等功能。

多功能機械臂平臺（Dobot Magician）是一款輕量級智能訓(xùn)練的多功能桌面機器人，可以實現(xiàn)3D打印、激光雕刻、搬運抓取、書寫和繪畫等功能，提供多達13個可擴展接口和20余種編程語言的二次開發(fā)包[9]。

綜合實訓(xùn)平臺通過場景再現(xiàn)，使學(xué)生能夠深入理解物聯(lián)網(wǎng)多種技術(shù)的交叉融合以及在實際應(yīng)用中的實現(xiàn)方式，并在此基礎(chǔ)上，豐富學(xué)生項目開發(fā)經(jīng)驗，提高學(xué)員動手能力。

創(chuàng)新實驗平臺通過配置先進的仿真軟件和完善的物聯(lián)網(wǎng)硬件設(shè)備，構(gòu)建完整閉合的軍事物聯(lián)網(wǎng)在后勤領(lǐng)域典型應(yīng)用創(chuàng)新實驗平臺。針對后勤典型應(yīng)用構(gòu)建了典型應(yīng)用實驗平臺、應(yīng)用仿真實驗平臺、創(chuàng)新場景實訓(xùn)平臺、創(chuàng)新實踐平臺等4個物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新實驗子平臺。創(chuàng)新實驗平臺可以實現(xiàn)數(shù)字營區(qū)、車聯(lián)網(wǎng)[10]、無人機[11]、智慧軍事物流[12]、營區(qū)二維/三維建模等多項物聯(lián)網(wǎng)實驗[13]。平臺搭建支撐單片機、ARM、PLC、DDC等硬件實驗環(huán)境及Java、Android、net等軟件實驗環(huán)境，既能深化實驗人員對理論知識的成體系理解掌握，又能為實驗人員提供一個便捷的實踐創(chuàng)新環(huán)境。平臺為實驗人員開發(fā)了源代碼，可用于實驗人員深入學(xué)習(xí)、二次開發(fā)和應(yīng)用研究；同時提供了不同類型的物聯(lián)網(wǎng)軍事典型應(yīng)用解決方案模板，較為系統(tǒng)地對現(xiàn)代軍事后勤物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)思路和業(yè)務(wù)需求進行了分析和探索，可用于實驗人員學(xué)習(xí)、研討及部隊相關(guān)建設(shè)項目參考。創(chuàng)新實驗平臺可開拓學(xué)員物聯(lián)網(wǎng)軍事應(yīng)用思路和視野，有助于培養(yǎng)其綜合創(chuàng)新應(yīng)用實踐能力，同時推動軍隊院校物聯(lián)網(wǎng)學(xué)科專業(yè)向“教為戰(zhàn)、研為戰(zhàn)”轉(zhuǎn)型聚焦。

3 結(jié) 語

陸軍勤務(wù)學(xué)院物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)實驗室按照本文提出的方案進行了建設(shè)，既考慮了國家對應(yīng)高等教育專業(yè)實驗教學(xué)需求，又兼顧軍事特色，形成了較為科學(xué)完善的物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)實驗室建設(shè)體系，能夠滿足學(xué)員基礎(chǔ)教學(xué)、綜合實訓(xùn)、畢業(yè)設(shè)計、創(chuàng)新實踐等需求，還對軍事物聯(lián)網(wǎng)科研起到促進作用。