物聯(lián)網(wǎng)機器人核心課程體系探索

趙學良，郭迎九，劉亞軍，周 波

（北京城市學院 信息學部，北京 100083）

0 引 言

物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)具有非常鮮明的新工科特征，屬于前沿技術引領下多學科交融的新興產業(yè)型專業(yè)。物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)融合了計算機、電子信息、自動化等多學科下的專業(yè)理論知識和實踐技能，是現(xiàn)代社會泛在互聯(lián)的必然產物。2010年教育部批準設置物聯(lián)網(wǎng)工程本科專業(yè)之初就定位于服務國家戰(zhàn)略和發(fā)展新興產業(yè)需求，北京理工大學、北京科技大學等一大批“985工程”和“211工程”的學校開始了各具特色的創(chuàng)新性探索。根據(jù)已有資料和課題組長期的實地調查，各高校物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)培養(yǎng)學生的基本思路都是在已有的相關特色專業(yè)基礎上，特別是在實踐教學平臺和師資方面，有所側重地從物聯(lián)網(wǎng)感知層、網(wǎng)絡層或應用層的其中一層或兩層出發(fā)的。

目前，物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)還在快速發(fā)展階段，多學科交叉既是本專業(yè)的優(yōu)勢也是劣勢。優(yōu)勢在于：學生幾乎可以接觸工程實現(xiàn)過程中所有云-邊-端的技術和理論問題，能夠極大地提升系統(tǒng)集成能力，具備“寬基礎、厚口徑”的特點；劣勢在于：知識面過于寬泛，對師資、固定投資和學生的專業(yè)深度發(fā)展都提出了更高挑戰(zhàn)。因此，及時總結物聯(lián)網(wǎng)工程應用新領域對學科發(fā)展至關重要。近年來，智能機器人的快速發(fā)展為物聯(lián)網(wǎng)工程的本地智能化帶來了契機。物聯(lián)網(wǎng)工程適應低成本和海量連接下的多傳感器感知和傳輸，同時移動機器人可作為移動決策和判決的多任務中心，物聯(lián)網(wǎng)機器人就是滿足這兩種需求而出現(xiàn)的新興專業(yè)融合方向。

北京城市學院的物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)在經(jīng)歷了學科方向建設（2012年）、專業(yè)申報（2016年）、本科審核性評估（2019）、專業(yè)學位評估（2020年）等多輪論證、專業(yè)特色凝練、師資建設和實踐教學設施建設之后，圍繞智慧城市建設指導形成了智能服務機器人設計與維護和智能傳感網(wǎng)規(guī)劃與實施兩大專業(yè)方向，逐漸形成了物聯(lián)網(wǎng)機器人教學體系的完備基礎。

1 物聯(lián)網(wǎng)機器人的研究現(xiàn)狀

在中國知網(wǎng)以關鍵詞為“物聯(lián)網(wǎng)機器人”進行檢索，檢索的結果如圖1所示，可見物聯(lián)網(wǎng)與機器人方向的融合報告整體呈上升趨勢。王躍虎等利用物聯(lián)網(wǎng)泛在網(wǎng)絡和機器人可移動執(zhí)行的特點對圖書管理進行了早期探索。譚華等考慮到物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，認為物聯(lián)網(wǎng)的WiFi、BLE等短距離通信技術將與智能機器人深度融合。秦松亭等通過ZigBee、WiFi構建了遠近距離結合的消防機器人。胡琦瑤等提出了一種基于ZigBee數(shù)傳和UWB定位的室內送水機器人，實現(xiàn)了低功耗的自動送水功能。張東濤等基于物聯(lián)網(wǎng)定位技術提出一種具有割草機路徑規(guī)劃功能的物聯(lián)網(wǎng)機器人，可實現(xiàn)全目標覆蓋。張思源等建議利用物聯(lián)網(wǎng)強大的感知和通信能力提升智能機器人的應用場景和性能，在微信小程序、WiFi、本地傳感器模式基礎上的掃地機器人被證明在遠程監(jiān)控時能保持較好的實時性和精度。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)機器人主要研究主題發(fā)展趨勢

關于物聯(lián)網(wǎng)機器人的研究熱點是把物聯(lián)網(wǎng)的智能感知和強大的通信組網(wǎng)能力與機器人技術的感知定位和決策中心相結合，如圖2所示。物聯(lián)網(wǎng)常用短距離通信技術ZigBee、BLE和WiFi以及長距離通信技術LoRa和NB-IoT，組成泛在網(wǎng)絡把數(shù)據(jù)通過網(wǎng)關上傳至移動機器人，在機器人平臺上進行融合處理和控制。

圖2 物聯(lián)網(wǎng)機器人研究和應用方向分布

2 物聯(lián)網(wǎng)機器人核心課程體系探索

2.1 物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)核心課程體系

物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)核心課程按體系層次分為感知層、網(wǎng)絡層、應用層。感知層包括RFID原理及應用、傳感器原理與應用等相關課程，旨在培養(yǎng)學生的環(huán)境信號感知、變換的硬件設計與信息處理能力。網(wǎng)絡層是關鍵層，包括無線網(wǎng)絡原理、物聯(lián)網(wǎng)通信技術、短距離和長距離通信技術等相關課程，旨在培養(yǎng)學生信號/信息傳輸、異構組網(wǎng)的能力。物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的典型特征是多節(jié)點管理，因此本層節(jié)點應包含ZStack、Contiki等嵌入式操作系統(tǒng)。應用層包括定位技術、智能終端操作系統(tǒng)等相關課程，旨在培養(yǎng)學生應用系統(tǒng)方案設計能力。

2.2 機器人專業(yè)核心課程體系

機器人專業(yè)本身也涉及機電、計算機、自動化類課程的多學科交叉。機電類課程提供機器人本體及驅動，是機理建模的依據(jù)，此類課程包含機械設計原理、電機拖動等。計算機類課程包含嵌入式系統(tǒng)設計、單片機原理及應用、ROS、自然語言處理、計算機圖像處理等，此類課程是讓學生能夠處理環(huán)境感知信息等。自動化類課程主要包含自動控制原理、計算機控制技術和智能控制等，主要使學生能夠使用離散PID等基本控制算法及智能控制算法實現(xiàn)控制或決策。

2.3 物聯(lián)網(wǎng)機器人核心課程體系

物聯(lián)網(wǎng)機器人結合了物聯(lián)網(wǎng)技術中的智能感知和機器人可移動可決策能力，因此專業(yè)培養(yǎng)需要在物聯(lián)網(wǎng)多傳感器感知、長短距通信技術、多節(jié)點管理的基礎上，融合機器人所需的移動定位、智能判決能力。構建的核心課程體系如圖3所示。在整個課程體系的配置上，物聯(lián)網(wǎng)的感知、異構組網(wǎng)能力仍然處于核心位置，同時需要突出物聯(lián)網(wǎng)機器人移動定位、控制與決策需求，其本質仍然是把機器人作為物聯(lián)網(wǎng)技術的應用對象進行建設，機器人的地位等同于大數(shù)據(jù)、人工智能等新興應用對象。

圖3 物聯(lián)網(wǎng)機器人核心課程體系

3 核心課程設置需權衡內容

3.1 云端智能和本地智能

云端智能的優(yōu)點在于云端有近乎無限的算力，因此在云端使用人工智能得到的結果精度高；缺點在于有使用費、需要高速網(wǎng)絡支持。本地智能的優(yōu)點在于可根據(jù)需求降低算力、幾乎無延遲；缺點在于算力一般較弱、一次性投資較高。因此云端智能適合網(wǎng)絡條件好、對計算結果要求高、對時延要求不苛刻的場景；本地智能適合初期投資充裕、結果精度要求不高但對時延要求苛刻的場景，可考慮加入邊緣網(wǎng)關。

3.2 定位技術

物聯(lián)網(wǎng)機器人可移動，但機器人的移動控制比較復雜，包含了感知、建圖、路徑規(guī)劃、導航、避障等。物聯(lián)網(wǎng)機器人的移動一般為特定有限區(qū)域的移動，大多數(shù)是為確定感知區(qū)域內物品的位置或收發(fā)特定位置的數(shù)據(jù)，因此不必把機器人本體的絕對定位設置為重點，而應把重點放在RFID、BLE、ZigBee以及WiFi等短距離定位上。

3.3 功耗和成本控制

物聯(lián)網(wǎng)機器人的控制和決策需求是根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)終端算力弱、功耗低的實際情況提出的，用于實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)多終端節(jié)點數(shù)據(jù)融合、智能判斷、智能控制、智能決策和智能交互，優(yōu)先考慮的是功能的穩(wěn)定實現(xiàn)，功耗和成本控制次之。物聯(lián)網(wǎng)機器人可進一步與人工智能融合，構成不同層次的嵌入式人工智能移動終端。當然，物聯(lián)網(wǎng)機器人也可以按需求接入云端，實現(xiàn)云端訓練與本地應用模式相結合的智能控制。

4 結 語

物聯(lián)網(wǎng)機器人專業(yè)核心課程的精簡必須充分考慮物聯(lián)網(wǎng)智能感知和機器人能移動決策的特點，課程設置建議圍繞檢測技術、無線短/長距離通信技術、異構組網(wǎng)、移動定位和智能判決這五個方向進行。物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)正在快速發(fā)展和變革中，其本身有強大的包容和數(shù)據(jù)驅動能力，物聯(lián)網(wǎng)機器人核心課程設置也應根據(jù)專業(yè)發(fā)展實際情況進行微調。