基于物聯網的高職實訓平臺構建及其關鍵技術分析

詹小英 黃銀娟 盧錦川

【摘 要】給出一種適合高職院校實訓平臺管理的物聯網模型，將M2M模型與高職實訓環境相結合，對實訓設備與人進行綜合監管，最大限度監控各子實訓環節。經與春茂機電實訓環境的融合應用分析，該平臺滿足校企實訓要求，有效解決了信息孤島問題，加大了對實訓人及設備的監管力度，提高了實訓培養效率及質量。

【關鍵詞】實訓平臺 物聯網 高職院校 M2M模型

【中圖分類號】 G 【文獻標識碼】 A

【文章編號】0450-9889（2015）08C-0190-03

在高職教學管理中，實訓室提供專業的實訓環境，是培養特定高技能人才的必備場所。然而，由于企業自動化生產水平的提高，特別是電類相關行業新技術、新設備的廣泛應用，如何推陳出新，既滿足企業對專業人才需求，又能不斷升級并優化實訓平臺是確保高職教育改革與可持續發展的前提保障。

當前的實訓平臺（PTP，practice training platform）存在不少的弊端，主要表現為：一是實訓設備老化，更新周期長；二是實訓平臺彼此孤立，信息化程度低，管理水平落后；三是實際利用率低，實訓效果較差。隨著信息技術的發展，基于物聯網的人、物等信息數據的采集和管理系統已日趨成熟，在高職院校多實訓平臺的綜合管理和智能控制上表現出良好的應用前景：一是可實現多實訓平臺的集中管理，有效地解決單個實訓環節中的信息孤島問題；二是有助于總結實訓過程中的問題，實現實訓過程中人與設備的綜合管理；三是有利于加強校企合作與交流，適時更新實訓計劃，提高人才培養質量；四是有助于實訓者根據實訓情況合理選擇實訓條件，確保實訓效率的前提下，盡快掌握實訓要領。

因此，為實現多實訓環境中人與設備的智能管理，本文提出一種適用于高職實訓管理與教學的物聯網構架。基于該構架對某校機電一體化中心、工業控制中心和電工電子實訓室等進行組網，對單個實訓平臺進行集中管理，一方面加強實訓環節中信息交流與可監控性，提高實訓平臺智能化管理水平，另一方面為衡量實訓培養質量提供參考依據。

一、實訓現狀及需求分析

實訓平臺是為實訓人員提供實訓機會，是加強校企合作、提高高職人才培養質量的前提。某單位實訓平臺包括機電一體化中心、工業控制中心、電工電子實訓室、電子信息技術中心、鼎光電子教學工廠、春茂電氣自動化設備生產車間及校外實訓基地等，對于日常實訓管理，以單個實訓平臺為單位，主要依靠實訓教師實時監督管理，智能化水平低。另外，從校企合作的角度來說，校內實訓條件并不能完全適應企業發展要求，為此，必須基于當前實訓平臺，加強整體管理以及信息融合，提高整體平臺的智能化：第一，實訓平臺擬實現多個子平臺的集成，既能有效采集實訓成果信息，又能適時監控實訓過程中人與設備狀態。第二，實訓平臺提供校企合作基礎。企業通過現有實訓條件為學生制訂滿足自身企業發展的實訓計劃，由校方按實訓計劃培養特定技能人才，根據實訓結果及實訓過程采集數據對實訓環節做出評價。第三，實訓平臺便于管理和維護，有較高的性價比。

二、PTP物聯網模型構建

（一）PTP物聯網模型結構。物聯網應用模型主要分為三類：一是基于EPCGlobal的應用框架，特別是以RFID為核心的編碼、識別處理模型，主要面向于某種信號的采集，如園區車輛管理等。二是基于無線傳感網絡的多平臺融合監控，面向于分散對象的信息采集，如物聯網路燈等。三是基于有線和無線的M2M（machine to machine）物聯網框架，面向局部范圍內信息的采集和處理。對于實訓平臺的物聯網模型，主要是實現機電一體化中心、工業控制中心、電工電子實訓室、電子信息技術中心等多個實訓過程中數據融合，考慮到實訓室實際的地位位置分布，可采用M2M有線和無線通信相結合的“應答”模型。如圖1，該物聯網模型提供四層框架，依次為應用層、網絡層、服務層、物理層。

圖1 實訓平臺的物聯網模型

應用層根據使用對象的不同提供多級顯示服務，I類用戶顯示整個實訓平臺信息，并為整體實訓提供指導，II類用戶對單個實訓室進行監管、III類用戶面向實訓對象，提供實訓過程中必要的實訓信息（如實訓任務、步驟、錯誤報警等）。

網絡層包括校內實訓平臺及校外合作企業的網絡連接及訪問服務。校內提供了無線和有線傳輸的數據通信，校外以ADSL為媒介，實現校內實訓平臺與校外合作企業的信息交互。服務層是聯系應用層與物聯網節點的重要組成，應用服務器將各實訓平臺采集到的信息存儲到數據庫服務器中，各級用戶根據其訪問等級從WEB服務器中獲取對應信息。

子實訓平臺包括大量的感應節點，即物理層節點，通過一系列傳感器，采集實訓過程中的基本數據信息，如在電工電子實訓平臺，以CC2430為基本的“感知”模塊，測量關鍵點處端電壓及電流信號。

（二）M2M模型通信的“應答”構建。物聯網M2M模型通信采用輪轉查詢的“應答”模式，特別是圖1中的電工電子實訓平臺，采用了IEEE 802.15.4協議的ZigBee通信。首先，系統初始化，依次校驗物理層、網絡層、服務層、應用層標志位，若標志位無改變，則完成一次輪轉，若標志位改變，則需返回處理事件，并重新開始校驗，如網絡層標志位改變，返回網絡層處理事件（NWK_Process_Event），并從物理層重新校驗，如圖2。

圖2 ZigBee協議軟件構建流程

以電工電子實訓平臺物聯網節點通信為例進一步分析M2M模型通信的“應答”機制：實訓開始，系統初始化，各實訓節點請求加入網絡，與Sink節點（網絡協調器）交互，調用aplJoitNetwork（ ）函數，校驗符號位，加入該節點網絡。單個節點與Sink節點交互時，為了方便，可使交互在同一程序目錄下執行，然后按照交互目的，調用不同的事件處理程序。

三、多實訓平臺的融合及其關鍵技術分析

（一）多實訓平臺及設備的網絡連接。根據各實訓平臺硬件配置，子實訓平臺及其設備的接入可分為：

1.基于路由器/交換機的有線連接，如工業控制中心、電子信息技術中心等，這些平臺設備多通過有線連接入網。圖3給出了基本拓撲結構。該拓撲結構分兩級管理模式：第一級主要是對應于子平臺的監控計算機（教師端，II類用戶），監控學生端設備；第二級是整個實訓平臺的監控管理中心，包括校內以及校外管理用戶（I類用戶）。

2.基于Zigbee的無線連接，如電工電子實訓室等，多以CC2430無線單片機為核心，采集學生端設備數據，并與上層用戶數據交換。

由于實訓平臺的復雜性，多數情況下有線和無線通信需協同進行，如在鼎光電子教學廠和春茂電氣自動化設備生產車間，工控機、大型設備的并網連接以有線連接為主，而某些敷設線路冗雜的地方則以無線連接為主，如電氣柜溫度檢測節點等。

圖3 實訓平臺有線連接的星形拓撲

（二）基于Zigbee的無線收發技術。Zigbee無線通信可基于CC2430無線單片機中射頻（RF）收發裝置實現，如圖4，待發數據經2.4GHz直接序列擴頻并放大后，由天線發出，接收到的RF信號經解擴恢復到原發送數據，實現數據信號收發。

圖4 CC2430射頻（RF）收發裝置

對于2.4GHz直接序列擴頻技術，IEEE 802.15.4給出了對應的擴頻步驟：將二進制數據每個字節的低4位轉換為一個符號，高4位轉換為另一個符號；擴展得到的符號數據為一個32bit的PN序列；擴展后的序列通過半正弦脈沖調制，將數據信號映射到載波信號中。待發送數據調制結束后，設置寄存器為“CTRL1.TX_MODE=0；STXON”準備待發，若信道空閑，啟用數據校準并發送，當沒有字節寫入SFLUSHTX時，TXFIFO緩沖器給出下溢脈沖，表明發送結束；在接收端，寄存器設置為“DMCTRL1. RX_MODE=0；SRXON”，準備接收，若RXFIFO溢出，接收中斷，當復位后無信息流，則表示完成數據接收，將接收到的RF信號解擴即可獲得待發數據。

高職實訓平臺信息的無線收發是利用CC2430無線模塊實現的。在春茂電氣自動化設備生產車間，采集關鍵點（變壓器、控制柜等）電流、電壓、溫度等參數，將數據寫入128位的發送緩存，設置寄存器，經多次跳躍后到Sink節點接收，將子節點采集到數據傳給無線路由設備，并上載服務器數據中心，根據用戶等級差異，訪問對應WEB服務器，對平臺設備等進行監控。同時，根據采集到的數據，I、II類用戶可對學生單個實訓環節進行評價，對其實訓過程存在的問題進行說明，給出合理化建議，并通過該課程的教學管理平臺發布，使受訓學生加深實訓過程的定性認識。

（三）實訓過程遠程管理技術。高職物聯網實訓平臺不僅對設備進行監控管理，還要對受訓人進行管理，適時評價并提高實訓效果：企業根據自身發展需求制訂學生的實訓計劃，校方提供實訓環境。在實訓過程中，利用M2M框架，一方面監控實訓設備，確保實訓安全；另一方面采集實訓信息（到課狀況、實訓時間、PLC程序、電工電子導通信息等），評價實訓過程，真正實現設備和人的共同管理。

實訓平臺的遠程管理是基于服務器層面的各用戶之間的信息交互，包含不同用戶對某一事物的認知分析，如圖5所示。企業用戶和教師用戶從各自WEB界面獲得學生A的實訓情況，并通過WEB界面將實訓評價、建議等輸入到數據服務器中，然后由實訓平臺的綜合管理中心發布，學生A通過訪問WEB服務器認清實訓過程的不足，并根據給出的建議，不斷優化并提高實訓技能。

圖5 基于服務層的多用戶信息交互示意圖

四、實訓平臺的運行評價與效果分析

高職院校實訓平臺以M2M物聯網框架為基礎，對某校春茂電氣自動化設備生產車間等部分實訓環節進行聯網管理。

（一）基于M2M框架的實訓設備管理效果分析。在春茂電氣自動化設備生產車間，原先的設備大多依靠人力維護管理，對其部分進行物聯網改造后，設備實現實時監控，并能根據設備狀態智能維護：一是實現數據信號的實時監控。春茂車間配置有較多的電氣裝置（如焊機等直接接電設備），且實訓過程多是帶電作業，用電不當可能造成設備損害，甚至危及生命安全。在某些節點配置CC2430無線單片機，采集并上載電流及端壓信號，當檢測到的電流或電壓過大，超過設定閥值時，單片機能快速做出預警，斷掉電源，并將故障信息反饋I、II級用戶。二是優化設備管理、提高經濟運行。春茂車間配置有電氣柜，在實訓過程中需對柜內溫度進行調節，避免電氣設備溫升過高。通常，柜內溫度調節裝置（空調機等）與電氣柜處于同步運轉狀態，現對柜內溫升敏感設備（變壓器等）配置CC2430無線單片機，其自帶的溫度傳感器可實時測量敏感設備溫度，以此為依據，控制空調機運轉，節約電能消耗，提高經濟運行，如圖6（a），在確保柜內溫度正常的前提下，M2M框架下的風機綜合用電量更低，經濟性更好。

（二）基于M2M框架的學生實訓效果評價。取4組，每組8人進行兩個實訓過程M、N，A組采用常規實訓M、N；B組常規實訓M、物聯網實訓N；C組常規實訓N、物聯網實訓M；D組物聯網實訓M、N，如圖6（b），進行二次重復實訓，可見物聯網框架下實訓效率更高，效果更顯著。

（a）實訓設備經濟性對比

（b）實訓效果對比

圖6 基于M2M框架的實訓平臺效果分析

五、結論

從對人和物的綜合管理來說，物聯網技術有其獨特的優勢，可實現整個系統的信息交流，提高整體的智能化水平。本文以某校實訓平臺為基礎，在分析當前實訓環境的基礎上，給出了一種適用于高職實訓管理的M2M物聯網框架，并以春茂實訓中心為例，從受訓學生與實訓設備兩個方面分析該物聯網平臺的優劣：一是對于實訓設備，以CC2430為終端節點，采集電氣柜內溫度、重要機電設備的端電壓、電流值等信息，對實訓過程進行監控，優化設備管理，提高經濟運行；二是對于受訓學生，通過服務層的信息交互，提高實訓效率，滿足校企雙方要求的實訓要求。總之，M2M物聯網框架適用于高職實訓平臺管理，能實現多子實訓平臺的融合，有效解決單實訓平臺的信息孤島問題，對于推進高職教育改革，提高教學質量都有重要的意義。

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【基金項目】廣西高校科學技術研究項目（LX2014555）

（責編 黎 原）