基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的實(shí)驗(yàn)室建設(shè)

貴州商學(xué)院 張樹(shù)軍

一、研究的理論和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值

物聯(lián)網(wǎng)是繼微型計(jì)算機(jī)普及應(yīng)用、互聯(lián)網(wǎng)普及應(yīng)用之后的第三次信息技術(shù)革命浪潮；是電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通訊技術(shù)等相關(guān)技術(shù)發(fā)明累積到一定量，即由“量”變到“質(zhì)”變的必然產(chǎn)物；是未來(lái)十至十五年必將深刻、廣泛影響人類(lèi)社會(huì)工作、生活、學(xué)習(xí)的新技術(shù)。當(dāng)前，處于發(fā)展初期的物聯(lián)網(wǎng)理論研究及技術(shù)應(yīng)用如火如荼，國(guó)家層面的有美國(guó)的“智慧地球”、歐洲針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的十四點(diǎn)行動(dòng)計(jì)劃、日本的“i-japan”計(jì)劃、韓國(guó)的“u-korea”戰(zhàn)略等等。從2009年至今，國(guó)家大力倡導(dǎo)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，2011年11月，國(guó)務(wù)院工業(yè)和信息化部發(fā)布了《物聯(lián)網(wǎng)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》、2013年國(guó)務(wù)院又出臺(tái)《國(guó)務(wù)院關(guān)于推進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)有序健康發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)》國(guó)發(fā)〔2013〕7 號(hào)文件。在國(guó)家強(qiáng)力推進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的形勢(shì)下，各省市紛紛制定各自的物聯(lián)網(wǎng)規(guī)劃，貴州省于2012年2月，由經(jīng)濟(jì)和信息化委員會(huì)編制并下發(fā)了《貴州省“十二五”物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》。在發(fā)展規(guī)劃的引導(dǎo)下，“智慧城市”“智能物流”“智能交通”“智慧校園”“智慧醫(yī)療”“車(chē)聯(lián)網(wǎng)”等不同層次范圍的物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)方案不斷推出，也有許多方案正在建設(shè)中。

雖然上述物聯(lián)網(wǎng)的研究開(kāi)發(fā)及技術(shù)應(yīng)用熱火朝天，但至今沒(méi)有一個(gè)大家公認(rèn)的、體驗(yàn)到的、完整的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，以我校實(shí)驗(yàn)室建設(shè)作為物聯(lián)網(wǎng)的研究對(duì)象，能避免復(fù)雜的環(huán)境因素。在這樣的小環(huán)境中，通過(guò)課題的研究設(shè)計(jì)以及相應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)配套設(shè)施設(shè)備的設(shè)置，創(chuàng)造一個(gè)真實(shí)的物聯(lián)網(wǎng)體驗(yàn)環(huán)境（見(jiàn)附件的《新校區(qū)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)物聯(lián)網(wǎng)初步方案》）作為電子類(lèi)專(zhuān)業(yè)，特別是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)專(zhuān)業(yè)的實(shí)訓(xùn)環(huán)境，同時(shí)也為學(xué)校今后建設(shè)“智慧校園”做好準(zhǔn)備工作。課題的目標(biāo)是基于實(shí)驗(yàn)室建設(shè)環(huán)境下對(duì)感知、控制的具體要求以及使用人的功能要求，探討在小規(guī)模試驗(yàn)的環(huán)境下建立可供體驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)、研究的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)支撐平臺(tái)及網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。通過(guò)對(duì)該平臺(tái)及架構(gòu)的研究，其理論價(jià)值是驗(yàn)證物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的理論、方法、框架、平臺(tái)的有效性，其實(shí)際應(yīng)用價(jià)值是為今后我校物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的開(kāi)發(fā)、設(shè)計(jì)和運(yùn)行提供基礎(chǔ)的技術(shù)支撐。

二、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國(guó)外金融危機(jī)引起的增長(zhǎng)低迷還沒(méi)有消退，但大量圍繞電力、通信、交通、環(huán)境的智慧型基礎(chǔ)設(shè)施依然加緊實(shí)施。基礎(chǔ)性的關(guān)鍵技術(shù)研究不斷進(jìn)步，如美國(guó)加州大學(xué)、麻省理工學(xué)院、奧本大學(xué)、賓漢頓大學(xué)、克利夫蘭大學(xué)等在極低功耗無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)、自組織傳感器網(wǎng)絡(luò)、傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的應(yīng)用層設(shè)計(jì)、基于IP的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)和自組織網(wǎng)絡(luò)方面、結(jié)合無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)等方面開(kāi)展研究，新加坡國(guó)立大學(xué)在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)方面進(jìn)行研究，物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)也在加快研究。另外，RFID 技術(shù)、GPS/GIS 技術(shù)的應(yīng)用持續(xù)升溫，IPv6、M2M、3GPP 等技術(shù)的研究漸趨成熟，近距離無(wú)線通訊、傳感器網(wǎng)絡(luò)、泛在網(wǎng)絡(luò)等網(wǎng)絡(luò)技術(shù)也隨物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用而快速成長(zhǎng)，這也顯示了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究的不斷進(jìn)步。

國(guó)內(nèi)最早于1999年啟動(dòng)傳感網(wǎng)工程，由中科院對(duì)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)工程項(xiàng)目進(jìn)行專(zhuān)門(mén)研究。近年來(lái)有更多的科研院所參與了物聯(lián)網(wǎng)的研究，在物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)方面研究突出的有南京郵電大學(xué)的UbiCell 系列節(jié)點(diǎn)、中國(guó)科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所的GAINS 系列節(jié)點(diǎn)、香港科技大學(xué)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)；在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的軟件及平臺(tái)方面突出的有：南京郵電大學(xué)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究中心開(kāi)發(fā)的基于移動(dòng)代理的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中間件平臺(tái)、南京郵電大學(xué)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)集成開(kāi)發(fā)平臺(tái)MeshIDEMeshIDE、中國(guó)科學(xué)院寧波計(jì)算所的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)分析與管理平臺(tái)。在物聯(lián)網(wǎng)理論研究方面提出許多具有創(chuàng)新性的想法的有，南京郵電大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、清華大學(xué)、上海交通大學(xué)、北京郵電大學(xué)。

歸納總結(jié)上述研究不難看出，第一類(lèi)屬于基礎(chǔ)性研究，如標(biāo)準(zhǔn)、節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)絡(luò)、平臺(tái)等等，這類(lèi)研究會(huì)對(duì)今后物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用提供支撐；第二類(lèi)屬于技術(shù)應(yīng)用研究，如RFID、GPS/GIS、IPv6、M2M、3GPP 等等，技術(shù)比較成熟，但更需要要研究整合應(yīng)用；第三是理論方面研究，也有待于實(shí)踐的驗(yàn)證。然而，上述三方面都不屬于完整的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)研究，該課題正好是要從一個(gè)完整的物聯(lián)網(wǎng)出發(fā)去對(duì)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行研究。

三、研究目標(biāo)和內(nèi)容

課題的研究，是根據(jù)智慧實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的環(huán)境對(duì)感知、控制的具體要求以及使用人的功能要求，研究設(shè)計(jì)在小規(guī)模試驗(yàn)的環(huán)境下建立一個(gè)可供體驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)、研究的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)支撐平臺(tái)及網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

1.研究智慧實(shí)驗(yàn)室建設(shè)傳感網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，根據(jù)新校區(qū)智慧實(shí)驗(yàn)室建設(shè)，各智慧教室的空間分布情況及功能分布情況進(jìn)行相關(guān)的研究設(shè)計(jì)，提出完整的傳感網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方案。

2.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)支撐平臺(tái)，研究傳感及控制系統(tǒng)集成模塊、管理系統(tǒng)模塊及智能處理模塊三個(gè)部分集成為一個(gè)整體的物聯(lián)網(wǎng)，構(gòu)成物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)支撐平臺(tái)方案。

該課題研究的核心內(nèi)容是由感知及控制系統(tǒng)集成模塊、管理系統(tǒng)模塊及智能處理模塊三個(gè)部分集成后形成的物聯(lián)網(wǎng)。該系統(tǒng)不僅將三個(gè)部分疊加到一起，還將三個(gè)部分有機(jī)的集成，特別是智能處理模塊要達(dá)到智能化的功能，要隨時(shí)訪問(wèn)另外兩個(gè)模塊的數(shù)據(jù)，并根據(jù)訪問(wèn)的數(shù)據(jù)分析處理做出準(zhǔn)確的判斷，輸出控制信號(hào)到控制系統(tǒng)交給執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行。

因此，要解決的重點(diǎn)問(wèn)題是構(gòu)成由三個(gè)系統(tǒng)模塊組成的有機(jī)集成系統(tǒng)——物聯(lián)網(wǎng)。要突破的難點(diǎn)問(wèn)題是如何按照智慧實(shí)驗(yàn)室建設(shè)環(huán)境下對(duì)感知、控制的具體要求及使用人的功能要求，設(shè)計(jì)出有機(jī)集成的三個(gè)系統(tǒng)模塊方案，并使其達(dá)到功能要求的智能化。

四、研究方法和實(shí)施步驟

1.準(zhǔn)備階段，完成課題研究方案的設(shè)計(jì)、論證與申報(bào)；確定課題組成員及其分工，建立課題研究網(wǎng)絡(luò)，完善課題管理辦法；進(jìn)行課題支撐理論的學(xué)習(xí)與培訓(xùn)，制訂課題實(shí)施預(yù)案；建立原始檔案。

2.設(shè)計(jì)階段，根據(jù)初步方案進(jìn)行系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)中修改初步方案中不合理的內(nèi)容，確定實(shí)施方案。

3.編程階段，根據(jù)實(shí)施方案設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、底層數(shù)據(jù)庫(kù)及三個(gè)模塊的程序流程圖，并建立系統(tǒng)模型；根據(jù)設(shè)計(jì)階段的實(shí)施方案中標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)庫(kù)及程序流程圖，并依據(jù)模型進(jìn)行三個(gè)模塊的系統(tǒng)編程。

4.調(diào)試階段，三個(gè)模塊分別編程，并且相互連接，以及進(jìn)行相應(yīng)的模擬仿真調(diào)試；在仿真調(diào)試沒(méi)有問(wèn)題的情況下，分塊連接各智慧教室設(shè)備進(jìn)行分別調(diào)試，對(duì)照前述的功能及關(guān)系進(jìn)行系統(tǒng)集成調(diào)試。

5.總結(jié)階段，系統(tǒng)分析過(guò)程資料，提煉、整合研究成果，撰寫(xiě)課題研究工作報(bào)告和結(jié)題報(bào)告，形成課題成果。

6.前期研究及資料準(zhǔn)備，從2009年起，我校對(duì)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)開(kāi)始進(jìn)行研究，并主持2011年的校級(jí)重點(diǎn)課題《關(guān)于物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展方向的跟蹤及相關(guān)專(zhuān)業(yè)設(shè)置的研究》，成果之一就是物聯(lián)網(wǎng)智慧校園體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。團(tuán)隊(duì)根據(jù)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)研究的成果、對(duì)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展方向的研究及物聯(lián)網(wǎng)人才需求的調(diào)查研究，成功申報(bào)了貴州商專(zhuān)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)新專(zhuān)業(yè)。

課題成果構(gòu)成實(shí)訓(xùn)中心物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用系統(tǒng)方案，該課題的后續(xù)課題可升級(jí)為學(xué)校實(shí)訓(xùn)中心系統(tǒng)，在前面的基礎(chǔ)上升級(jí)為智慧校園系統(tǒng)。主要用作物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)專(zhuān)業(yè)的實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，同時(shí)也作為亮點(diǎn)供校內(nèi)外師生體驗(yàn)物聯(lián)網(wǎng)的概念，還可作為物聯(lián)網(wǎng)研究的系統(tǒng)平臺(tái)。

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