物聯網工程專業實驗課程設置探索

孔 銳， 張 冰

(暨南大學 電氣信息學院， 廣東 珠海 519070)

1 高校物聯網工程專業的特點

物聯網被稱為繼計算機、互聯網之后，世界信息產業的第三次浪潮[1]。物聯網工程是一個圍繞“戰略新興產業”設立的新專業，2010年、2011 年、2012 年，教育部先后進行了3批物聯網相關專業審批，截至 2012 年 6 月，國內已經有近150個高校開設了物聯網工程專業。物聯網工程專業具有鮮明的綜合性、交叉性和應用性特點[2]，涉及電子、計算機、測控與通信等多領域相關專業知識。物聯網工程專業特色是厚基礎、重理論、強實踐、求創新、促應用[2]。以“夯實學科基礎，注重專業交叉，強化工程實踐，培養創新能力”為思路。物聯網工程專業培養的人才，不僅要掌握傳感器、微處理器、嵌入式理論和相應的軟件技術，還要掌握無線通信、計算機網絡、高頻電路設計、低功耗、無線傳感網絡以及3G無線網絡設計等新技術。物聯網工程專業應用的多樣性，要求我們必須培養寬口徑人才，既要重視基礎訓練，又要培養應用系統綜合開發能力。物聯網工程是應用性非常強的學科，僅傳授理論是不夠的，一定要立足實踐，從應用入手。

2 社會對物聯網工程專業人才的需求

據測算，物聯網的產業規模比互聯網產業大20倍以上，而物聯網技術領域需要的人才每年也將在百萬人的量級。物聯網產業的發展，將會拉動各國經濟的發展，物聯網的廣闊發展前景已經引起了產業鏈上各行業的青睞。物聯網的產業鏈條涉及傳感器、芯片、設備制造及軟件應用等行業，作為新一輪的信息技術革命，物聯網已經上升為國家戰略。溫總理曾在2011政府工作報告中指示促進物聯網示范應用。高校作為培養高層次人才的“主戰場”，應針對性地設置物聯網工程相關專業，有目標地培養物聯網工程專門人才。目前，我國已有近150多所高校設置了本科物聯網工程專業，有些學校的物聯網工程專業已招收了3屆本科生，物聯網發展的戰略需求及人才培養需求，使得專業實驗課程建設迫在眉睫。

物聯網的技術構成主要由3層[3-5]：感知控制層、網絡傳輸層、應用服務層，涉及到的關鍵技術有傳感器技術、傳感網技術、移動通信技術、嵌入式技術、下一代網絡技術、信息安全技術等。社會對物聯網工程專門人才的要求是具備在物聯網工程領域跟蹤新理論、新知識、新技術的能力，具備一定的物聯網系統綜合設計能力，掌握信息獲取(傳感器和信號檢測相關知識)以及信息傳輸(通信、計算機網絡)、信息處理(數據融合、云計算等知識)、應用層(應用軟件開發、嵌入式系統開發)相關知識，能從事物聯網工程領域的科學研究、技術開發等工作。

3 物聯網工程專業實驗課程建設方案探討

圍繞一門課程主要知識點的實驗通常由若干個實驗組成，每個實驗所針對的是某些知識點或某一類問題的求解方法。根據課程實驗的性質，通常可以將實驗分為驗證性實驗、設計性實驗和綜合性實驗。但是課程實驗中的綜合性實驗不同于綜合課程設計，它一般是某門課程中關聯多個知識點的實驗。從對知識點實驗的要求來看，驗證性實驗通常是通過實驗來驗證有關知識點，而設計性實驗則是運用有關知識和方法來求解特定的問題。設計性實驗應該是本科層次學生實驗的主要內容，實驗室建設應重視學生的基本應用開發能力培養。實驗環境能培養學生對實際物聯網應用項目整體把握的能力，激發學生的創新能力。因此，實驗課程的開設必須在兼顧本科教學的同時，圍繞物聯網關鍵技術展開，一般將實驗課程分成以下幾類。

3.1 基礎實驗課程建設

開設與專業技術相關的基礎實驗。物聯網專業工程性強，對培養人才的動手能力有較高要求，建立完善的基礎教學實驗室，以滿足多樣化需求。基礎實驗可以提供一個物聯網技術所涉及的相關基礎知識訓練實驗平臺，包括模擬電子線路實驗、電路分析實驗、數字電子線路實驗、C語言程序設計實驗、C++程序設計實驗、網絡程序設計實驗、操作系統原理實驗、高頻電子線路實驗、信號與系統實驗、數字信號處理實驗、單片機原理實驗、EDA實驗、FPGA實驗、計算機網絡實驗、通信原理實驗等。

3.2 專業實驗課程建設

開設與物聯網技術密切相關的專業實驗。專業實驗可以提供與物聯網技術密切相關的知識和應用技術訓練平臺，專業實驗包括傳感器技術實驗、RFID實驗、傳感網技術實驗、移動通信技術實驗、嵌入式技術實驗、下一代網絡技術實驗、信息安全技術實驗、物聯網應用課程設計等。

3.3 應用實訓課程建設

開設創新性實驗和設計性實驗。建立“物聯網綜合演示實訓中心”或利用地方政府建立的物聯網示范基地、學校自建或者校企合作共建實訓中心讓學生“體驗實踐”。利用實驗室訓練學生的動手能力，組織學生參加各類競賽。競賽對“創新”、“理論付諸實踐”、“團隊合作”3個方面有積極的幫助，并且對校內課程體系改革有推動，它進一步開發了學生的創新意識和能力，促進學校的基礎知識教育發展和提高學生綜合能力。應用實訓實驗課程可以選擇開設以下實驗：智能家居實訓實驗、智能溫室控制實訓實驗、物聯網RFID智能車輛管理實驗[6-12]。

4 物聯網工程專業實驗課程內容探討

由于基礎實驗課程與部分專業實驗課程與其他專業相近，這些實驗課程內容人們都比較熟悉，因此，這里就不再進行探討。我們就物聯網工程專業的部分特有專業和應用實訓實驗課程內容進行了探討。

4.1 傳感器技術實驗課程

作為物聯網最主要的技術基礎之一，物聯網對傳感器提出了一些新的要求。對傳感器的要求是體積小、成本低、重量輕、功耗低。在技術方面，要求材料科學、機械設計與加工工藝、檢測技術、光學技術、電子電路設計、可靠性工程等技術支撐；在傳感器指標方面，對測量范圍、精確度、分辨率、靈敏度等有嚴格的要求。學生在完成傳感器理論學習后，可以進行傳感器應用教學實驗，鍛煉實際動手操作能力。

4.1.1 傳感器技術實驗課程設計目的

提供一套可以更換CPU核心板的、能夠接入多種傳感器的實踐教學裝置和教學資源，目的是讓學生學習傳感器的應用，包括接口電路設計、傳感器信息采集、傳感器信號分析。可開展以下教學及科研任務：

(1) 應用不同類型CPU實現傳感器信息采集與處理；

(2) 多類型傳感器應用與研究；

(3) 多類型傳感器接口的應用設計；

(4) 嵌入式開發；

(5) 串口通信應用與開發。

4.1.2 傳感器技術實驗課程內容設置

傳感器技術實驗課程應該包括溫濕度傳感器應用實驗、震動傳感器應用實驗、磁感應傳感器應用實驗、環境光傳感器應用實驗、稱重傳感器應用實驗、操作控制類傳感器應用實驗、粉塵傳感器應用實驗、測距測障類傳感器應用實驗、三軸加速度傳感器應用實驗等。

4.2 RFID實驗課程

RFID是通過無線射頻方式獲取物體相關數據，并對物體加以識別，是一種非接觸式的自動識別技術。RFID技術是實現物聯網的關鍵技術。

4.2.1 RFID實驗課程設計目的

RFID實驗平臺應該集成低頻(30～300 kHz，典型應用頻率125 kHz和133 kHz)、高頻(3～30 MHz，典型應用頻率13.56 MHz)、超高頻(300 MHz～3GHz，典型應用頻率433 MHz和2.45 GHz)的數據采集功能，同時還應該集成了 PS/2 接口支持對一、二維數據的采集，并提供實驗例程和典型應用，便于學生熟悉和掌握物聯網的原理和實際應用。

4.2.2 RFID實驗課程內容設置

實驗內容應該包括125 kHz讀寫實驗、125 kHz防碰撞實驗、13.56 MHz RFID防碰撞實驗、13.56 MHz RFID自定義命令測試實驗、915 M RFID讀寫實驗、915M RFID防碰撞實驗、2.4 G讀寫實驗、2.4 G防碰撞實驗、PS/2接口協議實驗、一維碼讀取實驗、二維碼讀取實驗等。

4.3 無線傳感網技術實驗課程

由大量部署在監測區域內的微型傳感器節點構成的無線傳感器網絡(簡稱WSN)，通過無線通信方式智能組網，形成一個自組織網絡系統，具有信號采集、實時監測、信息傳輸、協同處理、信息服務等功能，能感知、采集和處理網絡所覆蓋區域中感知對象的各種信息，并將處理后的信息傳遞給用戶。WSN 可以使人們在任何時間、地點和任何環境條件下，獲取大量詳實、可靠的物理世界的信息，這種具有智能獲取、傳輸和處理信息功能的網絡化智能傳感器和無線傳感器網，正在逐步形成IT 領域的新興產業，它可以廣泛應用于軍事、科研、環境、交通、醫療、制造、反恐、抗災、家居等領域。無線傳感器網絡系統是一個學科交叉綜合的、知識高度集成的前沿熱點研究領域，正受到各方面的高度關注。

4.3.1 無線傳感網技術實驗設計目的

無線傳感網實驗應該提供一套有線(RS-485總線)和無線(ZigBee、nRF24L01)相互結合的帶有多個移動終端的傳感網絡科研教學裝置和資源，包括傳感器信息的采集、通信網絡拓撲結構、組網模式、通信幀結構設計、通信協議層次分析和簡單的通信協議設計，可開展以下教學及科研：

(1) 應用認知短距離無線傳輸網絡；

(2) 應用學習標準協議；

(3) 研究點對點無線通信、點對多點無線通信協議(輪詢方式通信)；

(4) 自主設計通信幀結構；

(5) 研究有線和無線相結合的通信方式，貼近實際應用系統，便于參照實驗系統的模式進行應用系統設計。

4.3.2 無線傳感網技術實驗課程內容

無線傳感網技術實驗應該包括ZigBee網絡頻段選擇實驗、ZigBee組網和網絡拓撲監測實驗、接收功率測試實驗、ZigBee綁定和匹配實驗、ZigBee網絡節點吞吐量測量實驗、采集傳感器數據實驗、ZigBee網絡傳送傳感器數據實驗、ZigBee網絡綜合實驗、nRF24L01無線模塊實驗等。

4.4 智能家居實訓系統

智能家居是以住宅為平臺，利用綜合布線技術、網絡通信技術、自動控制技術、音視頻技術將家居生活有關的設施集成，構建高效的住宅設施與家庭日常事務的管理系統，提升家居安全性、便利性、舒適性、藝術性，并實現環保節能的居住環境。基于智能家居系統，通過手機、PDA、互聯網用戶，可以控制家用設備、執行場景操作，使多個設備形成聯動；另一方面，智能家居內的各種設備相互間可以通訊，不需要用戶指揮也能根據不同的狀態互動運行。主要功能為樓宇對講、安防視頻監控室內燈光、窗簾控制、家電控制、遠程操控訪客環境、災害遠程監控與報警、老人健康監測、家庭能源管理、社區信息查詢與服務。

物聯網技術的綜合應用，涵蓋的物聯網技術有電子技術、傳感器技術、單片機、無線傳感網RFID技術、嵌入式網關、中間件、電機控制、計算機、網絡通信、音視頻多媒體技術。

4.4.1 系統結構及組成

(1) 智能家居演示系統。用于放置傳感器節點，收集、發送和接收信息，在整個實訓組織過程中，教師與學生均可用智能網關來控制相應的節點，在演示端會產生相應的現象。

(2) 智能家居控制系統。控制無線網絡，學生和教師使用不同的智能網關對演示系統進行控制，從而完成演示講解和效果驗證。在整個實驗過程中，學生需要先在實驗箱中調試網絡，再到演示系統當中去驗證。

(3) 智能家居傳輸系統。學生和教師可以通過PC機或者手機來控制節點。

(4) 智能家居平臺由智能家居網關、智能家居控制節點、智能家居感知設備3部分組成。智能家居實驗箱是智能家居系統的核心部分，負責對家居設備實現智能化，它是智能家居平臺最關鍵的部分；智能家居感知設備就是對家居環境進行采集的終端設備，如煙感、紅外開關設備等。

4.4.2 智能家居系統實驗內容

(1) 智能門禁系統實驗。智能門禁系統功能：修改門禁密碼；連續設置有效卡時，每張卡的編碼按前一張的編碼+1遞增；可以設置開鎖時間、防拆報警功能、開鎖時檢測門禁狀態、門禁報警狀態、報警延時時間及強制恢復出廠編程密碼等。利用ZigBee模塊將門禁系統和物聯網網關相連接，使得智能門禁連接到整個智能安防系統當中。

(2) RFID人員定位系統實驗。RFID是目前唯一真正意義的人員定位系統，對于教學很有意義，方便后期學生畢業真正投入到工作當中。它可以應用個人定位、物流和倉庫管理、高價值資產和閉環資產跟蹤，讀寫速度能達到0.01秒一次。

(3) 智能開關實驗。智能開關利用遙控的方式控制家電和各種家用電器，并最終匯總到智能網關當中，進行總體控制和手機控制，完全滿足智能家居的概念，是真正的物聯網應用案例。

(4) 小冰柜溫度監測及環境溫度監測實驗。小冰柜溫度采集利用ZigBee模塊進行冰柜的外溫和內溫的測量，通過無線將采集的溫度傳到網關和手機終端，在PC機終端將顯示冰柜溫度和濕度。

(5) 智能窗簾實驗。以無線的方式控制窗簾的開合，用ZigBee控制電機的正傳反轉。通過光敏傳感器采集光照信息，在光線充足的時候關閉窗簾，在光線暗淡的情況下打開窗簾，并可以自己設置光照值。

(6) 智能燈光實驗。采用ZigBee模塊進行燈光的控制，可以控制不同種類的燈，原理相同。可擴展為控制馬路路燈、霓虹燈、LED燈等。

(7) 智能監控及警報實驗。紅外對射將實現外來人入侵檢測，將相應信息傳到物聯網智能網關中，并同步顯示在終端，紅外探頭將實現人員檢測，將信息傳到物聯網網關和手機終端。

(8) 智能有毒煙霧監控實驗。智能有毒氣體監測將檢測煙霧濃度，當煙霧濃度達到一定程度時將發出報警并將信息傳到物聯網網關中，同時信息會傳輸到手機和終端中。

(9) 物聯網智能網關實驗。控制端可多樣化：手機、平板電腦、PC機，另外智能網關還支持android操作系統實驗以及android控制軟件的開發，實現對家具進行控制

(10) 物聯網聯動系統實驗。紅外對射器+聯動觸發器，實現茶幾上方燈光(當人員坐在沙發上)自動照明的聯動；煙霧傳感器+聯動觸發器，實現當煙霧濃度達到標準時，觸發排氣扇排氣功能，當煙感傳感器報警時攝像頭轉到煙感傳感器報警位置并進行攝像監控。

5 結束語

物聯網工程專業實驗課程的設置不是一成不變的，高校可以根據學校自身特點設置實驗課程，以現有學科和實驗室為基礎進行合理配置，以滿足物聯網工程專業教學為主要目的。另外，物聯網的標準體系、商業模式以及相關的政策法規還很不完善，物聯網的發展目前還處于方興未艾的初始階段，在發展過程中還會不斷出現新的技術和需求。因此，物聯網專業人才的培養方案也必須不斷更新，以適應物聯網領域發展的需求。

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