高校物聯網實驗室建設思路

摘 要：物聯網應用發展非常迅速，各國均非常重視物聯網技術發展。我國已批準37所高校物聯網相關專業將于今年開始招生。高校物聯網實驗室的建設目標、建設內容、建設原則等問題急需要解決。本文作者根據多年的科研與實驗室建設經驗，對以上問題進行分析，并提出了建設思路。

關鍵字：物聯網； 實驗室建設； 傳感器網絡

中圖分類號：tp311 文獻標識碼：A 文章編號：1006-3315（2011）3-170-002

隨著通信、網絡、計算機、嵌入式技術的發展，物聯網技術應用開始走入日常生活[1][2]，從消費者將超市內食品包裝上的二維碼拍下來便可以追蹤該產品的生產地、生產日期等相關信息，到坐在辦公室便可通過網絡、手機遙控家里的電器，那些曾經想都不敢想的事，如今正一件一件發生在我們身邊，人們從觀念上也開始接受了這樣的變化。但是，提及物聯網，人們還是覺得太高深、太遙遠，即便是在象牙塔中深造、追隨新知識的大學生，也沒有清晰概念。目前，物聯網已經是一個熱門的專業方向，國家已經批準37所重點高校建設物聯網專業，但是作為一門新的專業，高校如何建設物聯網實驗室，是關系到物聯網人才培養、物聯網技術創新的迫切問題。

一、物聯網實驗室建設問題及建設迫切性

目前，隨著我國物聯網應用技術快速發展，高校物聯網專業批準建設，配合教材理論知識體系的物聯網實驗室建設成為當前迫切的問題。物聯網教學涉及通信技術、嵌入式技術、RFID、網絡技術、信息處理技術等，基本技術已經較成熟，但是作為一門新專業，需要集成以前技術并進行創新應用。雖然各高校不缺少通信、電子、計算機等科的教師，但是能夠根據物聯網的技術集成與應用進行組織教學的，卻是少之又少。特別是很多物聯網教師將從嵌入式、無線傳感器網絡學科教師轉型而來，對于物聯網這種多學科交叉的新專業，總感覺有知識或技能上的不足，特別是物聯網實驗涉及到通信、電子、網絡等方面的新知識、新技術、新設備，如何掌握這些理論與技術知識，對教師本身也是一個極大的挑戰。因此物聯網實驗教學教什么、拿什么教、怎么教等，基本上是空白，很多方面只能借鑒其它實驗室建設方面的經驗[3]，可以預見將會面臨各種各樣的問題，需要學科建設部門、大學、專任教師共同思考與探討。由于一些高校物聯網專業已經批準，物聯網相關專業將于本年度開始招生，制訂物聯網實驗室的建設目標、建設內容、建設標準等，非常緊迫。

二、大學物聯網實驗室建設目標及原則

物聯網（The Internet of Things），廣義上包含了物與物之間、物與人之間、人與人之間、物與計算機之間、人與計算機之間、計算機與計算機之間等各種主體間的互聯，綜合了當前通信、嵌入式技術、是網絡技術、RFID技術、計算機信息處理技術等多個學科先進技術，具有很強應用性的學科。目前物聯網方面尚未最終形成國家標準，但是自從1999年物聯網被提出后受到越來越多的關注，在世界范圍內物聯網技術與應用取得了令人矚目的研究成果，例如IBM的“智慧地球”項目、日本的U-Japan計劃、韓國的U-Korea計劃，我國的國家傳感網創新研發中心與產業園也于2009年12月在無錫落成。從物聯網的技術特征與應用特點來看，它涉及多個學校的技術前沿，正處于技術應用高速發展時期，應用范圍廣，應用創新性強，因此，物聯網實驗室建設的目標及原則要根據這門課的特征、人才培訓的目標來考慮。從目前階段來看，物聯網專業培養以下幾個方面的人才[4]：（1）生產制造、測試工程師，（2）市場、技術服務工程師，（3）產品、項目開發工程師，（4）企業級核心技術研發工程師，（5）國家級核心、基礎技術科研人才。從學校的特征及培養目標來看，物聯網實驗室建設目標：建設具有先進的實驗儀器設備，能面向物聯網應用的不同層次基礎性、綜合性、設計性創新性實驗教學實驗室，改革實驗教學方法和實驗教學手段，建設先進的、開放的實驗教學環境。培養物聯網應用、開發、研究、技術服務方面專業人才，為社會主義經濟建設服務。與其他人才培養相比，物聯網學科對人才的創新能力、知識結構要求更高。綜合考慮本學科特點，物聯網實驗室建設應符合以下原則：

1．建設的規模與水平要與自己培養人才的目標相適應

各個學校培養人才的定位不同，決定實驗室建設內容、建設平臺有所不同。應用型大學應以創新型技術應用開發平臺為主建設，研究型大學應以理論與應用創新結合創建實驗平臺，一些職業技術學院可在生產制造、設備測試服務等方面加強建設。只有不同層次的學校有側重點的培養，將來整個社會物聯網應用才能從整體上得到合理分工協作，取得更好的社會效益。另外，由于物聯網應用性強的特點，學校要結合自己物聯網專業應用方向與相關專業合作建設。如智能電網應用、智能交通應用、智能農業應用、家庭健康監控等應用方向。

2．物聯網實驗室建設要具備先進性

由于物聯網應用結合了當前各方面的最新研究成果，深入到社會生產、生活的各個方面，并隨著當前技術發展與應用同步發展，因此建設時要考慮先進性，充分發揮實驗室與技術應用緊密結合的能力，使實驗室保持發展與活力。目前，物聯網專業的實驗設備與實驗平臺相對都較新，與當前最新研究基本保持同步。

3．物聯網實驗室建設要具備開放性

物聯網是一個應用非常廣泛的學科，不僅學物聯網專業的學生，其他專業的學生也可以根據自己應用方案在此平臺上做實驗或者應用開發；實驗平臺不僅為學生提供實驗環境，也是教師及科研人員的研究開發平臺，同時可作為企業合作研究平臺。物聯網是一個非常大的新興產業，很多應用都有待于進一步設計與研究，學校實驗室也同時充滿著機遇與挑戰，不僅完成基本實驗，更可以為學生、老師提供一個創新的實驗研究平臺，對物聯網的理論研究具有重要的促進與驗證作用。

4．便于升級，方便跟蹤物聯網、傳感網最新技術進展

由于物聯網與當前各種前沿技術發展緊密相關，因此在建設時，要充分考慮到技術發展因素，使設備、平臺等方面升級，如設備要盡可能具有多種接口、兼容性，軟件平臺要具有開放性。

5．要注重實驗室師資隊伍建設

建設實驗室的同時，也要重視對運用物聯網實驗室的師資隊伍的建設，建設硬實力的同時也抓好軟實力。教育者對技術的觀念和技術能力直接影響著先進科技的應用與推廣。應該對高校相關專業的教師加強培養力度，完善其知識及能力結構，使其正確認識技術的意義所在，在教學中能夠抓住技術的靈魂，發揮好先進技術的積極作用。這樣可以克服技術在教學過程中的一些實際障礙，利于學生對新技術的理解，激發其學習興趣，為其主動學習、探究該領域打下堅實的基礎。

三、大學物聯網實驗室建設的內容

物聯網實驗室與其他實驗室相比，其內容廣泛性、應用廣泛性、平臺開放性等特點，不是單一型、演示型與驗證型實驗室，而是綜合型、設計型、應用創新型、開放式實驗室，促進學生從分知識學習向工程應用創新、從知識積累向應用能力轉化，提供一個激發創新思維、學習和實施技術應用創新的實驗平臺。因此，在實驗室建設內容方面，應有以下建設內容：

1．基礎理論認知實驗

基礎理論知識認知和平臺實物認知、實驗儀器使用掌握。理論方面包括物聯網相關的基礎理論、當前國內外研究、發展及技術應用現狀、關鍵技術等。實物平臺主要包括各種傳感器、智能終端、物聯網節點、物聯網實驗平臺，并結合自己學科專業發展情況選擇平臺及設備、組織網絡平臺建設。目前傳感器主要有光、溫度、加速度、濕度、壓力、化學等傳感器，節點主要有美國DARR/MTO MEMS研究的Smart dust；加州大學伯克利分校提出的Mica系列節點、TMote Sky節點、TelosB節點；歐洲研究計劃提出的EyesIFX節點；日本東京大學的Yoshihiro Kwahara等提出的U-cube節點等，芯片提供商主要有德州儀器（TI）、飛利浦、GE、三星、杭天中微，中芯公司等產品，目前平臺方面，主要有MICA平臺、寧波中科、無線龍等實驗平臺，另外各研究所及大學根據自己的應用搭建有自己專有實驗平臺。物聯網通信主要涉及ZigBee協議、WiFi、3G、藍牙等協議，組網形式根據應用不同有多種組織方式，主要有Wireless HART、6LoWPAN、DigiMesh、ZigBee及混合網絡。短距離無線通訊芯片主要有nRF905、nRF2401、CC1100、CC2420、CC2520、CC1110、CC2430/1、GS1010/1011等。EPC標簽有LF、HF、UHF、Microwave四種，讀寫距離依次減少，標準也不相同，實驗室可根據自己需求選擇相應標簽或者全部選擇。在儀器使用方面，根據平臺不同也各不相同。

2．傳感及組網實驗

目前的實驗平臺支持開放式物理接口及空中接口，節點支持平臺式、分簇式自組織個域網，同時也支持與其它網絡融合?？筛鶕W科發展及應用需要組織Wireless HART、6LoWPAN、DigiMesh、ZigBee及混合網絡應用開放平臺搭建，使學生能夠認知不同的網絡組織及功能，為自己創新組織網絡打下基礎。

3．信息采集與處理實驗

讓學生鍛煉信息采集、外圍電路設計、信息處理及編碼能力，并讓學生熟悉使用網絡協議分析儀分析網絡信息傳輸處理過程，對網絡的容量、網絡穩定性、網絡安全性等有一定認知理解。

4．應用設計創新實驗

在學生具備基本理論認知、設備認知、組網、信息采集及處理的基礎上，根據自己想法，設計一個創新應用實驗，并在開放平臺搭建自己的應用實驗，或與外界應用結合創新。

5．創新應用分析、測試實驗

對于創新應用實驗，要從實驗結果、應用前景、系統性能等方面做進一步拓展分析，找出不足或進一步優化的方法，或者分析問題發生的原因與解決辦法，提高學生的分析處理問題的能力，并為平臺開放式建設提供知識、研究積累。

四、總結

物聯網理論、技術及應用等發展迅速，高校今年將招物聯網專業學生，作為以實驗為基礎、應用創新性強的工科專業，如何培養學生存在很多問題。本文分析物聯網實驗室建設存在的問題、迫切性，對建設目標、建設原則、建設內容等方面進行分析與論述，為高校建設物聯網實驗室提供一些參考思路。

參考文獻：

[1]李盧一，鄭燕林.物聯網在教育中的應用.現代教育技術.2010，20(2):8-10

[2]王曉靜，張晉.物聯網研究綜述[J].遼寧大學學報：自然科學版，2010，37(1):37-39

[3]胡四泉，王志良.“無線傳感器網絡”課程實驗教學探討.中國電力教育，2010，31:110-111

[4]鄭裕俠．走出物聯網教學四無困境.全國物聯網師資培訓資料，2011.1