物聯網實驗教學儀器和設備產業發展研究

趙春光等

摘 要 當前我國高校競相在本科和專科開設物聯網工程及其相關專業，而相對于物聯網相關理論知識的學習，實踐操作同樣重要，且更加直觀、容易理解和掌握。隨著物聯網技術的高速發展，物聯網實驗教學儀器與設備產業也得到快速發展。根據調研情況，分析物聯網儀器和設備產業鏈、市場和企業發展狀況，找出發展過程中存在的問題，并提出相關對策，以期對物聯網實驗儀器和設備進行科學選型、設計和生產。

關鍵詞 物聯網；實驗教學；實驗設備；實驗儀器

中圖分類號：G482 文獻標識碼：A

文章編號：1671-489X（2015）10-0001-06

Abstract At present， Chinas colleges and universities begin to set up engineering of Internet of Things （IoTs） or related professionals on the undergraduate or specialist stage. With respect to theoretical knowledge for learning of IoTs， practical operations are also very important， more intuitive， and easy to understand and grasp. With the rapid development of IoT technology， the experimental teaching instrument and equipment industry of IoTs has been rapidly developed. According to some research data， the instrument and equipment industrial chain， market and enterprises of IoTs are analyzed， some problems in the development process are found， and some solutions are proposed so that the instruments and equipment of IoTs can be scientifically chosen， designed and produced.

Key words internet of things； experimental teaching； experimental equipment； experimental instrument

1 前言

物聯網掀起了第三代信息產業浪潮，它突破了傳統的互聯網，并在互聯網的基礎上，力求把人和物看成可以連接在網絡中的結點，可以隨時通信，達到高度智能化的互聯時代。2009年8月，在時任總理溫家寶“感知中國”的講話后，物聯網產業迅速發展，并在這幾年有了長足的進步。中國科學院等科研院所、華為等通信運營商、清華大學等多所大學在無錫建立了物聯網研究院。2010年初，教育部下達設置物聯網專業申報通知，2010年6月，江南大學開辦中國第一所物聯網工程學院，引起全國本科、高職院校的普遍關注。物聯網工程專業是教育部為適應教育改革和市場經濟的需要而重新整合的一個新興專業，自2010年在31所大學首批開設以來，在2010—2013年期間，教育部陸續批準在262所本科院校開設該專業，物聯網技術相關人才成為高校人才培養和市場需求的新熱點，在很多未專門開設物聯網工程專業的高校也設置了物聯網方向。

物聯網涉及高頻微波、通信工程、電子信息技術、計算機科學與技術、有線和無線網絡技術、單片機和嵌入式技術、物流管理等多個領域。鑒于物聯網工程專業的學科交叉性，其實驗教學的目的是在學生學習抽象的專業理論知識的同時，通過教師演示、學生親自動手實驗，直觀地驗證和理解組成物聯網系統的各類技術的基本原理和工作機制，培養學生在系統應用技能方面的實踐創新能力。因此，實驗教學在物聯網工程專業教學中占據非常重要的位置。在物聯網工程專業實驗教學中，物聯網實驗教學儀器和設備是滿足實驗教學需求的物質基礎。目前，各高校對物聯網實驗教學儀器和設備的需求大大推動了物聯網實驗教學儀器和設備產業的發展，相關的物聯網實驗教學儀器產業范圍也在逐步擴大。

2 物聯網實驗教學儀器和設備的種類

物聯網實驗教學儀器和設備是指在教學活動中用于方便教學的器材，分為硬件設施和軟件設施，在教學設備中運用了物聯網相關理論和技術。

技術內涵 物聯網專業是復合型的專業，其中涵蓋了物聯網的核心技術，如RFID射頻識別、通信和網絡傳輸、嵌入式系統、傳感器的感知和識別檢測、物聯網數據的管理和信息處理等技術[1]。因此，物聯網教學儀器技術體系主要由如下幾部分組成。

1）感知技術，包括傳感技術（如溫度傳感、濕度傳感、煙霧傳感等技術）和識別技術（如條形碼、二維碼和RFID等技術）。

2）控制技術，包括施動技術（如直流電機、步進電機、開關、繼電器等技術）。

3）通信技術，包括有線通信和無線通信技術，以無線通信技術（如GSM/GPRS/3G/4G、WiFi、ZigBee、藍牙等技術）為主。

4）系統開發技術，包括嵌入式應用系統開發平臺（如數據庫、開發集成環境等）和開發方法等。

產品種類 物聯網的實驗教學產品主要分為儀器儀表、實驗箱、實訓平臺和創新套件[1]以及體驗中心等形式。此外，物聯網實驗器材還包括鉗、剪、鑷、鉆、烙等工具以及PCB板、面包板、焊錫、線纜等耗材。

1）實驗儀器儀表。物聯網實驗采用的儀器儀表主要有示波器、頻譜分析儀、信號發生器、萬用表、電源裝置等。而在示波器中，有觸控式測量儀器平板示波器、液晶數位式示波器、數字示波器ODM和手持彩色液晶數字存儲式示波器等示波器。其中比較典型的有上海泰克科技有限公司的數字示波器。該實驗設備主要是通過數據采集、A/D轉換、軟件編程等一系列技術制造出來的高性能示波器，并且可以完整地解決測試、測量和監測解決方案相關技術。信號發生器中包括正弦信號發生器、低頻信號發生器、高頻信號發生器、微波信號發生器、掃頻和程控信號發生器、頻率合成式信號發生器、函數發生器、脈沖信號發生器、隨機信號發生器、噪聲信號發生器和偽隨機信號發生器。

2）實驗箱。在實驗箱形式產品中，有物聯網綜合實訓平臺箱、RF-USN V10、SP-WSNCE15A物聯網教學實驗箱、IPV6無線傳感網絡實驗箱、嵌入式3G移動互聯網、示波器、物聯網綜合實驗系統和物聯網云計算教學系統等設備。其中比較典型的有深圳無線龍科技公司推出的RF-USNV10。該實驗設備能夠較完整地完成最新一代USN網絡相關傳感器和射頻識別、微功耗網狀無線網絡、無線互聯和將采集數據送往互聯網的全過程多種教學實驗。另外還有凌陽公司研發的SP-WSNCE15A物聯網教學實驗箱，這是一款采用傳感器、射頻識別技術的物聯網教學平臺，應用范圍較廣，適用于物聯網工程專業、通信、嵌入式、電子信息、計算機、自動化、機電一體化等專業的教學及科研。

3）實訓平臺和創新套件。在實訓類設備中，有智慧交通物聯網實訓系統、智能電網實訓系統、食品智能追溯實訓系統、智能家居綜合實訓系統等設備。如北京新大陸時代教育科技有限公司的物聯網智能追溯實訓系統、浙江求是科教設備有限公司的QS-iHome-I型物聯網—智能家居綜合實訓系統。

4）體驗中心。物聯網體驗中心是仿照實物系統構建的完整的物聯網應用系統。國內已陸續出現一系列物聯網體驗中心平臺，有廣東順德物聯網體驗館（中國內地首個物聯網新技術體驗中心）、鄭州物聯智能家居體驗中心、無錫感知中國博覽館、大連供熱物聯網體驗中心等。廣東順德物聯網體驗館于2012年2月16日開館，由IBM軟件集團、軟通動力信息技術（集團）有限公司、廣東物聯天下科技集團三方合作建成，包括智能平臺、珠三角產業物聯網現狀與未來、城域物聯網、未來家具城、媒體流、家電產品生命周期管理、智能生活、智能市場、智能倉庫及智能會議10個展區。同年，首家供熱物聯網體驗中心在大連市高新區網絡產業大廈成立。鄭州物聯智能家居體驗中心，主要有智能照明、電器控制、安放監控、環境調節、健康報告、綜合服務等模塊。

3 物聯網實驗教學儀器和設備產業發展狀況

物聯網實驗教學儀器和設備產業鏈 物聯網實驗教學系統主要有感知層、網絡層、處理和應用層[2]，構成從物體感知到實際應用的完整體系，如圖1所示。

目前，在學術界還沒有發現針對物聯網實驗教學儀器和設備產業鏈的研究成果，通過分析物聯網體系結構，結合對物聯網專業要求和產業鏈相關理論的理解，可得出物聯網實驗教學儀器和設備產業鏈的內涵、要素和技術等。

物聯網教學儀器和設備產業正形成一條包括物體感知、識別、采集、傳輸、處理、應用等多個環節的多功能產業鏈，并且包括設備物質、相關技術、資金等鏈條。該產業鏈構成要素主要有設備提供商、網絡提供商、應用與軟件提供商、系統集成商、芯片與技術提供商、運營商及服務提供商等[3]。而物聯網教學儀器和設備產業鏈支撐技術主要滿足物聯網專業學生的專業要求，由物聯網的核心技術決定。由物聯網教學儀器和設備產業鏈要素可知每個環節的關鍵技術都必須滿足。例如，RFID至少應包含電子標簽、閱讀器、數據處理和存儲的設備以及系統軟件；傳感器主要有溫濕度傳感器、光電傳感器、紅外傳感器等；無線通信技術至少包括WiFi、Zigbee、藍牙以及無線傳感網絡等。

市場發展狀況 作為國家戰略性新興產業之一，物聯網是近幾年的熱點話題，是當前世界新一輪經濟和科技發展的戰略制高點之一，是全球各發達國家信息化社會建設的重要內容。物聯網實驗教學儀器和設備產業也同樣迅速發展。國內大學緊跟產業發展，國家戰略體系將物聯網專業引入高校，而這些高校的發展也將進一步影響并促進物聯網教學儀器和設備產業的發展，通過對開設物聯網的高校地區分布，可分析物聯網實驗教學儀器和設備的產業市場發展情況。物聯網工程本科專業開設情況如圖2所示。

可見，江蘇為我國開設物聯網專業學校第一大省，占總數的10%；其次是河南、陜西、湖北和四川，各占約6%。也可以看到幾乎在全國各省、市、區都有學校開設物聯網專業，普及范圍較為廣泛。經濟越發達的地區開設的物聯網專業的院校基本越多，且主要集中在江蘇、廣東、遼寧、北京、山東、福建、浙江等東部沿海經濟區以及河南、安徽、重慶、湖南、四川、陜西等中西部地區。而且，也可以發現，物聯網發展不平衡，具有明顯的層次特征，開設物聯網專業院校多且發展較好的地區都集中在東部沿海，即長三角和珠三角省域分布較為集中。

企業發展狀況 目前市場上生產物聯網實驗教學設備和儀器的企業眾多，從中國教育裝備采購網（http：//www.caigou.com.cn/z/wulianwang.shtml）獲得的數據顯示，具有代表性且成就顯著的有北京聯創中控、新大陸公司旗下的新大陸教育、杰創科技和深圳市海天雄電子有限公司等近300家企業，各企業發展及產業分布領域如圖3所示。

圖3（a）顯示，絕大多數企業自產自銷，隨著市場和企業的成熟，也有近20%的企業專門從事營銷，在生產企業和學校之間架起橋梁。圖3（b）顯示，企業相對集中于設置物聯網專業較多、研發力量較為雄厚的京、滬、深、穗、寧、杭、蘇、錫等城市。圖3（c）顯示，物聯網實驗教學設備和儀器主要分布在實驗箱、通信與網絡、單片機與嵌入式系統、傳感與RFID等10多個種類中，較多的企業提供物聯網實驗箱，也有一些企業在實訓設備和體驗中心推出產品。

4 物聯網教學儀器和設備產業發展中遇到的問題

調查顯示，目前國內有很多大中型物聯網企業已具有較為完善的技術，也有很多掌握核心技術的人才，但是由于物聯網教學儀器和設備利潤低、風險大、投入多、批量小，所以物聯網實驗教學設備多為不完善的設備[4]，還存在一些問題亟待解決。

實驗設備技術簡單且重復 物聯網是一個綜合性很強的學科，涉及知識面非常廣，應用領域也非常多。不同層次的學生對掌握物聯網知識和技能的要求不一樣。而目前市面上的物聯網實驗教學儀器和設備針對性不強，大都是依照原有學科理論培養體系而設計的，各實驗項目主要完成對教材中相應知識點的驗證演示，往往是含有一種或幾種物聯網技術的設備，很難通過對這種設備的運用達到物聯網核心技術的掌握，這種模式對于學生能力的培養效果有待商榷。另外，產業出現大量的技術重入現象，導致市場價格偏低。面對物聯網實驗教學儀器和設備與物聯網專業發展脫節等現象，市場亟需一種能全面、系統涵蓋相關技術，滿足物聯網專業教學需要的實驗設備[6-7]。

標準化統一問題 任何一種設備用于教學，都有對教學的適應性問題。物聯網儀器和設備標準之爭將體現新的特點，如何充分認識這個新興產業和技術特征，走好標準之路，依賴標準在企業發展中起到無可替代的作用。現在物聯網教學儀器和設備還僅是零星碎片應用，最大領域的技術標準化還處于幼年期或是呈碎片狀的，標準先導、標準協調和標準創新是產業后期將要努力做到的。而服務標準化也是物聯網教學儀器和設備的一個重大問題，沒有廣泛地為普通民眾所能接受的服務，物聯網只能是空中閣樓，所以伴隨技術創新、系統集成創新而來的新應用和新商業模式的標準化問題也陸續出現[5]。因此，技術標準化、服務標準化、應用標準化和商業標準化是需要持續研發的聚焦點，將物聯網技術納入教育儀器和設備體系就必須考慮標準化問題。

設備的開放性不足 實驗箱的系統結構開放性明顯不足[6]，嚴重限制了學生實踐能力和創新能力的發揮。硬件都是設計調試好的，幾乎無法進行更改和配置，不便于學生認識和理解其硬件組成。學生在現有的硬件條件下可以完成軟件設計和實訓，而到實際應用領域，換成一個全新的硬件平臺和環境，可能會不知所措。

對物聯網實驗教學建設認識不足 我國的物聯網進入高速發展時期，但是當前的物聯網發展在我國的高等教育領域中所處的實際水平較低。建成完整物聯網實驗室并及時進行更新的院校只有十幾所著名院校，多數學院的實驗室還停留在互聯網實驗室的水平上，并且硬件設備老化比較嚴重。以上數據和我國院校的總數以及高等教育的規模相比可以發現，物聯網這個新概念在高等教育領域還遠遠沒有深入人心。

售后服務不完善 教學設備供應商的售后服務水平一直是學校采購者關心的重要話題，也是采購成交評定辦法中所考慮的必備要素。如何提升售后服務能力，更是各供應商提升企業綜合競爭力的重要課題。而目前市場中生產教學設備的公司售后服務尚不完全，主要表現有：學校設備損壞不能得到及時維修；售后服務時間在項目質保期過后，供應商的履行能力下降，供應商為學校維修時經常收各種費用，學校會因辨不清真偽而花費大量費用，造成資金浪費[7]。

5 物聯網教學儀器和設備對策研究

為推進物聯網專業建設進度、提高物聯網專業學生培養質量，針對現階段物聯網典型教學儀器和設備產業發展中存在的問題，從以下幾方面提出對策建議。

全面涵蓋物聯網核心技術，按需定制 將物聯網的相關核心技術（如物聯網通信和網絡、傳感和控制、嵌入式系統工程開發、RFID和物聯網數據融合及管理等技術）分散到不同物聯網實驗教學設備中，教師和學生可以根據自己需要，在設備上任意選擇相關技術模塊進行集成，實現自己的實驗設計，從而解決內容分散的問題，同時降低設備成本。

加強標準化建設，促進企業進步 企業首先要根據自身優勢和資源等情況，定位即將來臨的物聯網儀器和設備的目標市場。其次，企業要進行選擇，確定企業戰略，制定企業總的愿望和目標。然后，企業量身定制企業標準化戰略。標準化工作應努力建立相關領域的全面視野，跟蹤本企業領域相關的研發重點和進展，分析技術先進性和適用性，了解群眾普遍接受的服務要求等，加快推進物聯網實驗教學儀器和設備標準體系的建設和相關國家標準制定，并積極參與相關國際標準的制定。

完善設備功能，促進教學發展 實驗設備應該提供從底層核心部分到各模塊、再到一個完整的模擬系統的一整套軟硬件資源，給學生提供組成物聯網系統的硬件和軟件基礎模塊，讓學生進行系統設計和模塊組裝訓練；同時，還應該提供一個核心的系統開發平臺和調試環境，提高學生的開發能力，這樣才能使物聯網教學儀器和設備具有較完善的功能。

加強聯合實驗室建設，加大政策實施 學校和企業要提高認識，積極推動物聯網專業教育和物聯網校企聯合實驗建設。學校需要科學制訂學院的發展規劃，統籌規劃建設資金，積極爭取企業支持，做好物聯網聯合教育和聯合實驗室建設。企業需要跟蹤學校學科和專業建設需求，將成熟的技術產品化，為學校提供滿足教學需要的實驗教學設備。

改善服務質量，提高服務品質 服務需要付出人力物力以及財力，教育設備產業也是如此。當前，學校和企業應分別設立維護維修專項資金，提供訂購維修等費用，使設備得到有效的保障與維護。同時也要嘗試服務外包，企業將非核心業務發包給本企業以外的服務提供者，減少企業的產業鏈，提高競爭優勢。除此之外，還可以選擇戰略合作供應商，讓供應方與采購方達成一種長期互助合作關系，相應的，售后服務變得簡單方便。

6 結束語

高校是培育物聯網人才的集結地，是中國物聯網未來的希望。高校對物聯網實驗教學儀器和設備的選擇顯得尤為重要，物聯網教學儀器和設備的價格和性能也是很重要的因素。因此，研制和開發高性價比的物聯網儀器和設備應是目前物聯網研究的一個重要的研究方向。高校應加大對物聯網設備的投資力度，國家也需要加強對物聯網產業的投資和對物聯企業的政策支持，以促進物聯網實驗教學設備產業的發展。

參考文獻

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