物聯網工程專業實訓平臺構建與研究

摘 要：針對現代物聯網實驗發展的新趨勢，構建了包括基礎控制實驗、智能家居模擬應用模塊、溫室大棚模擬應用模塊和智能貨架模擬應用模塊在內的現代物聯網實訓平臺，探討了物聯網專業實訓平臺架構及其功能模塊，并完成了相應的實驗教學內容、實驗教學方式等改革，很好的完善了整個實驗教學體制和實驗教學內容，為學生在物聯網系統及工程應用方面提供了完善的實踐平臺，為高校建立虛擬實訓基地提供理論參考。

關鍵詞：現代物聯網；實訓平臺；智能家居；溫室大棚；智能貨架

中圖分類號：G40-057 文獻標識碼：A

1 引言（Introduction）

物聯網技術屬于一個新興技術，正在快速發展。學習與掌握物聯網的技術理論，發展方向及其行業應用是目前高等教育的核心目標。2010年最新的教育部通知已將物聯網、傳感網作為戰略性新興產業相關專業的重點，開始鼓勵各高校申報相關專業。目前，我國已有50多所高校設置了物聯網本科專業和30多所高職院校設置了物聯網應用技術?？茖I。物聯網專業具有實踐性、工程性、實用性等特征，實訓環節尤為重要。學生只有在“動手做”“學中做”“做中學”和“真正練”中體會和掌握物聯網工程的思想[1]。由于物聯網專業是近年新開的專業，實訓基地和實訓平臺都沒有到位，都在摸索之中。另外目前大部分高校存在資金來源有限，配套實訓設備一直存在與課程教學配套性差，實驗實訓資源不足，教學效率低，教學成本高，學校與實習基地之間缺乏互動等問題，均影響學生實踐能力的培養[2]。為解決這一問題，我們在課程改革的同時，加強對現有配套實訓設備的改造和技術開發，構建物聯網實訓平臺，通過CDIO項目化課程學習，學生可以在實訓中進行真實項目訓練，體驗企業工作環境，提高實訓效果，提高辦學效益[3]。

2 設計特色（Features of design）

系統性：方案的設計是在詳細分析物聯網應用系統架構的基礎上，系統性地覆蓋傳感層、接入層、網絡層、應用層等各個層次的主流技術，為用戶提供完整的物聯網工程專業實驗實訓解決方案。同時，整個實驗室設備可連接為一個局域網絡并可接入到校園網，配以功能強大的實驗室管理系統，可以跟蹤管理學生的實驗時間、實驗內容、實驗結果，為教學效果分析提供及時并詳細可靠的數據來源。

模塊化：采用模塊化的設計模式，可以根據實際需求選配各種模塊組建實訓環境，具有很強的靈活性并易于擴展。

易操作：采用一體化的操作臺，集成監控屏幕、傳感器、執行器件、跳線、開關、監控儀表、串口插槽等；并采用可視化的監控軟件，界面友好，操作簡便。

真正的“透明”教學：通過直觀和形象的應用場景，使學生可以直接體會物聯網的應用場景；開放產品設計的軟硬件資源，同時配套詳細的教學試驗文檔，讓學生以工程開發形式學習原理知識，融會貫通各個學科的知識，達到真正的學以致用。

3 體系結構與功能（System structure and function）

這里以智能家居為例說明系統體系結構、功能和開發。

3.1 智能家居應用系統體系結構

智能家居是一個居住環境，是以住宅為平臺安裝有智能家居系統的居住環境，實施智能家居系統的過程就稱為智能家居集成。系統采用無線傳感網絡技術實現對家中溫度、濕度、光照等環境參數的檢測，以及通過煙霧、人體感應的感知設備實現家庭的安防、消防等功能。智能家居系統的體系結構如圖1所示。

3.2 智能家居應用系統功能

通過ZigBee協調器和傳感控制節點組成無線網絡，實現智能家居應用中包括安防、環境監測、家電控制、遠程控制、窗簾控制、網絡攝像等功能，具體包括：

（1）環境監測：采集室內溫度、濕度和光照度，并實時顯示。

（2）安防：實現燃氣與煙霧探測、入侵探測、門窗防撬，緊急求助報警等功能，并將采集的數據傳輸到服務器。

（3）家電控制：模擬空調、彩電、燈光、排風扇等，并可實現遠程控制。

（4）網絡攝像：可遠程查看家中情況。

（5）邏輯控制：可定義各種控制邏輯，實現對家中設備的自動控制，如超高設定的溫度自動打開空調、衛生間濕度過大自動打開排風扇等。

（6）遠程控制：可通過手機、筆記本等通過Internet實現遠程監控。

（7）情景模式控制：可設置各種情景模式，如離家模式、睡眠模式、起床模式等，實現對家中設備的組合一鍵式控制。

4 詳細設計（Detail design）

物聯網實驗操作臺根據物聯網技術的實驗內容和應用系統的特點定制，它不僅美觀實用、具有較好的展示效果，并且提供豐富、完善的實驗操作環境，方便學生的實驗操作以及實驗室的管理。同時，采用模塊化的設計模式，模擬各種物聯網在不同行業的典型應用、可以根據實際需求選配各種模塊組建具有行業特色的物聯網工程實驗室。在設計過程中，我們把整個物聯網實訓平臺分為基礎控制區、智能家居模擬應用模塊、溫室大棚模擬應用模塊、智能貨架模擬應用模塊等部分組成。各個組成部分參數與功能如表1所示。

基礎控制區：物聯網實訓操作臺基礎控制區，集成了多種傳感器和輸出控制設備，學生利用ZigBee協調器、路由器、傳感控制節點板，GPRS、WiFi和藍牙傳感控制節點板，采用多種無線技術完成環境數據采集和控制實驗，組網實驗，同時也可以進行組合創新實驗。

智能家居模擬應用模塊：物聯網智能家居模擬應用模塊實現家居環境監測、智能家電自動控制、安防系統與報警、遠程監控等功能。通過ZigBee協調器和傳感控制節點組成無線網絡，采集室內溫度、濕度和光照度，實現燃氣與煙霧探測、入侵探測、門窗防撬，緊急求助報警等功能，并將采集的數據傳輸到服務器，對模擬的家電設備進行控制功能。

智能溫室大棚模擬應用模塊：采用無線傳感網絡技術，可定時采集空氣溫度、空氣濕度、CO2濃度、光照強度，土

壤溫度和水分等，來獲得作物生長的最佳條件，通過自動調節溫室環境、實現溫室集約化、網絡化遠程管理。利用ZigBee協調器，通過傳感控制節點將環境監測數據傳輸到服務器，并以圖表方式顯示給用戶，當監測數據出現異常時，可利用軟件網絡實現對溫室設備（溫、光、氣、水等）的自動控制。

智能貨架管理系統：物聯網實訓操作臺包含了一個RFID智能貨架，它由RFID高頻讀寫器、天線多路器和若干平板天線構成，貨架內嵌的平板天線采用水平方式放置，平放于每層貨架的底部，每層貨架放置一組數碼管輸出，用于顯示當前該層貨架商品的數量。將基礎實驗中使用的每個設備當作貨品，在其底部貼上電子標簽（寫入貨品信息），平放于貨架的天線上，保證能夠讀取到貨品信息。智能貨架管理系統的功能包括：貨物盤點、貨物位置查詢等功能。

5 結論（Conclusion）

物聯網專業實訓平臺采用了系統化與模塊化的設計，既可以進行專項實驗又可以進行綜合實驗。專項實驗主要用于ZigBee基本組網與參數讀寫實驗、ZigBee傳感數據采集與控制實驗、藍牙無線傳感網實驗、WiFi無線傳感網實驗、GPRS無線傳感網實驗、RFID射頻識別基礎與應用實驗等實驗，綜合實驗主要用于ZigBee智能家居模擬應用開發、ZigBee溫室大棚模擬應用開發等實驗。該實訓平臺服務于RFID技術應用與實踐、無線傳感網應用與實踐、物聯網案例綜合實踐、物聯網信息系統應用與實踐和物聯網課程綜合實踐等課程。通過實訓平臺在物聯網專業系統課程實施后，提煉了實訓教學內容，改變了實訓教學方式方法，得到師生廣泛認可，實施效果顯著，培養了學生物聯網技術實戰化應用和項目開發能力。

參考文獻（References）

[1] 杜祥嶺，劉加寧.高校物聯網專業與實訓中心探析[J].遼寧工

業大學學報（社會科學版），2011，13（04）：119-122.

[2] 柯強.物聯網專業課程建設探討[J].物聯網技術，2012，4（01）：

280-283.

[3] 馬榮飛.融CEC-CDIO理念的物聯網專業高技能人才培養

研究與實踐[J].軟件工程師，2014，6：11-12.

作者簡介：

馬榮飛（1970-），男，碩士，教授.研究領域：物聯網技術，移

動互聯開發.