Anduibee物聯網實驗教學體系的探索與實踐

車楠+杜寧+王姚

摘 要：物聯網作為目前各高校建立的新興專業學科，具有多學科融合以及面向系統級工程應用的特點，如何構建其實驗教學體系是物聯網專業與方向發展的關鍵問題。文章從物聯網專業課程體系現狀出發，結合哈爾濱理工大學軟件學院物聯網方向自制實驗設備研發經驗，構建了以Arduino、Android與XBee技術為主體的物聯網實驗教學體系。

關鍵詞：物聯網；實驗教學；高校

中圖分類號：G642.3 文獻標識碼：A 文章編號：1002-4107（2015）11-0033-02

物聯網被稱為繼計算機、互聯網之后世界信息產業發展的第三次浪潮，在智能交通、公共安全、工業監測、環境監測、智能家居等各方面都有著廣泛的需求和應用前景。可以物聯網究竟是什么？物聯網專業內涵是什么？物聯網專業的課程體系應該怎么樣構架？應該組織什么樣的實驗項目來支撐這個課程體系？這幾個問題一直是業內教育者所思考的問題。

一、物聯網概念

物聯網這個概念被提出之前很久就存在很多符合物聯網特征的應用項目，只不過那時候還沒有這個詞，大家通常將諸如此類的應用項目冠名于某某遠程控制系統、某某遠程采樣系統、某某智能系統等。最近幾年由于無線技術、低功耗技術的日趨成熟，及從研發到產品化，很多以前很好的創新性應用想法有了扎實的技術依托。在十多年前是很難想象到一個無線傳感器節點能夠僅依靠電池供電工作長達幾年的時間。提及傳感器網絡里程碑式的應用，不得不提到加州大學伯克利分校的大鴨島傳感器網絡監控項目，該項目實施于2002年，整個系統僅僅有30個節點。而隨著技術的發展僅僅在2007年左右，ZigBee聯盟提出了能夠支持上千個節點的ZigBee PRO協議棧，該領域發展的速度可見一斑。還有很多其他技術的發展也延伸了物聯網的應用領域，如RFID技術的成熟，使得物聯網在支付、物流等領域井噴式地發展；云計算技術的迅猛發展，使得物聯網所采集的信息有了存儲和計算的載體。

綜上所述，物聯網這個概念是依托于多種技術的發展涌現出來的，其核心是依靠于各種類型設備之間的互聯，實現Machine to Machine（M2M）級別的應用。

二、物聯網專業內涵

截止到目前來看，區別于傳統專業，物聯網專業并沒有一個本專業獨有的核心技術，事實上物聯網應用中所使用的各種技術都是其他學科技術發展的結晶。以無線傳感器網絡為例，計算機學科貢獻了無線通信的應用層、網絡層、數據鏈路層、安全加密等技術；通信學科貢獻了物理層技術；電子學科貢獻了各種低功耗模塊技術；儀器儀表、物理、化學等學科貢獻了各種傳感技術。也就是說，物聯網專業是上述專業發展到一定程度孕育而生的。那么物聯網專業內涵在哪里？由于物聯網本身涵蓋了多個學科的知識范疇，如果簡單向某個學科的內涵進行靠攏，那么設置物聯網專業本身就缺乏了其應有的意義和價值。事實上，物聯網專業設置應該是面向多種現有多學科技術應用集成和物聯網系統實現。

三、物聯網專業的課程體系

由于物聯網專業面向涉及多學科的工程應用型人才培養，課程體系應該能夠支撐起物聯網工程系統集成，也就是說，物聯網專業課程體系建設應該與物聯網工程體系相符合?，F在多數物聯網專業的課程體系都是依據此建立起來的，物聯網工程體系中一般可以劃分為感知層、網絡層、應用層。感知層一般涵蓋物聯網MCU技術、傳感器技術、RFID技術等；網絡層一般涵蓋ZigBee技術、802.11 WIFI通信技術、藍牙通信技術、802.15.4通信技術等；應用層一般包含中間件技術、移動終端開發技術、云計算技術等[1]。

四、物聯網實驗教學體系

根據Libelium提出的物聯網基本架構，我們軟件學院提出了自己的AnduiBee物聯網技術路線用以支撐物聯網專業理論和教學工作，而AnduiBee的由來在于AnduiBee=Arduino+Android+XBee，即我們選擇Arduino開源軟硬件平臺作為開發物聯網MCU的平臺；選擇Android開源平臺作為物聯網應用層實現平臺；選擇XBee標準系列射頻模塊作為網絡層實現載體（如圖1所示）[2]。

根據該架構，結合國際上物聯網領域通用技術，AnduiBee給出了物聯網實現的一般化技術路線，而我們AnduiBee的教學解決方案就是以該技術路線為依托，以能夠使學生搭建和實現一個完整物聯網系統為教學目的，結合國際流行的開源軟硬件技術，通過深入淺出的實驗項目設置，使學生掌握與國際教學水平接軌和工業化水平接軌的物聯網技術。通常物聯網會被劃分為三個層：感知層、網絡層和應用層，上圖給出了AnduiBee物聯網解決方案針對每個層的技術路線，該技術路線充分參考了Libelium、Digi等頂級物聯網技術提供商的解決方案[3]，采用了國際流行的開源軟硬件技術，符合國際開源軟硬件標準。

AnduiBee物聯網實驗教學體系是我們依據物聯網系統集成所需技術環節制訂的實驗教學體系（如圖2所示），該體系結合了目前國際物聯網廣泛使用的技術。本文主要講解的理論和實驗教學的項目就是基于這個體系完成的，我們選擇了廣泛和通用的實驗項目，即實驗體系中主線和推薦使用部分在本書內進行詳細說明，其他部分在www.anduibee.com的網站上都能找到詳細的指導材料。

圖2中實線部分本身是我們實驗體系中主干課程，而虛線部分是面向大學生實踐活動、創新活動、深入研究學習而設立的選修實驗。

在感知層中基于Arduino的物聯網MCU開發技術是對應傳統單片機技術這門課程[4]，通過引入Arduino

這一世界知名的開源軟硬件平臺，能夠使學生了解到國際上通用單片機軟硬件開發方式，并針對物聯網領域通常涉及的單片機應用環節，有針對性地開設了相關環節。作為物聯網重要組成部分，傳感器應用技術中包括了傳感器網絡領域通常使用的傳感器技術，其中包括溫濕度傳感器、光感傳感器等，并通過上述所提到Arduino平臺結合進行實驗，使學生充分掌握傳感器開發使用方式。在RFID技術環節我們提供兩個課程：一個是基于廣泛使用PN532射頻的芯片的RFID開發技術，該課程主要是通過針對于PN532這一專業芯片的接口開發技術，通過Arduino使用SPI接口對PN532進行控制和采樣；另外一種低頻的RFID應用技術，主要采用Arduino外加射頻電路完成RFID物理層功能，通過該部分可以使學生理解物理層工作原理包括曼徹斯特編碼解碼、信號載波和濾波工作過程。

網絡層部分中，802.15.4無線通信技術，802.15.4技術一種面向點對點、星型網絡的無線通信協議，其本身可以作為ZigBee協議棧的物理層和MAC層，實驗體系加入這一環節原因在當整體ZigBee的協議棧工作的時候，MAC層部分可控制接口就被封裝了起來，無法體現出MAC層的工作原理，其實驗內容包括了：802.15.4點對點通信、 遠程控制模擬和數字I/O、API操作實現本地和遠程控制、 配置管腳睡眠和周期睡眠、Arduino控制XBee模塊通信、 建立星型網絡、 網絡環境下的數字/模擬采樣。而對于ZigBee技術部分實驗，我們采用的是ZigBee 2007/pro協議棧，實驗內容包括ZigBee網絡建立和路由協議實驗、 ZigBee 2007 PRO安全實驗、ZigBee網絡中終端節點休眠實驗、ZigBee應用層實驗、Zigbee模塊與MCU配合開發方法（其中MCU也采用前文所述的Arduino平臺）。對于802.11協議棧既WIFI實驗部分實驗包括了：帶有基礎設施網絡結構WIFI通信實驗、 S6B周期性模擬和數字I/O采樣、基于IP Service XBeeS6B遠程AT命令實驗、 IP Service的串口信息通信、 通用API使用方法、使用API中IPV4模式完成數據傳輸、 基于XBee S6B 的HTTP應用層實驗。藍牙應用技術部分，我們分為兩類：藍牙2.0、藍牙4.0，實驗內容包括：藍牙主/從配置、 MCU模塊控制藍牙模塊等，值得注意的是我們在藍牙4.0實驗中加入了現在廣受關注的Ibeacon實驗環節。

應用層部分中，M2M物聯網網關及中間件環節采用的是DIGI公司出品DIA網關中間件技術，該中間件技術可以支持ZigBee節點信息采集、數據云信息傳遞、一致性保證等功能，可以通過中間件上的應用開發從而實現用戶所定制的應用，由于中間件技術是解決大量數據傳輸和管理的核心技術，所以我們的實驗體系中引入這Connector網關與Zigbee節點間通信實驗、Connector X2e網關DIA中間件編程實驗、Device Cloud配置與Android端程序設計；對于數據表現方面我們采用Android這一廣泛使用的開源移動終端平臺作為我們教學和實驗的載體，所以我們在體系中加入了Android物聯網開發技術環節，著重體現Android開發中的無線技術開發，包括藍牙、WIFI網絡編程，RFID等。

參考文獻：

[1]王志良，閆紀錚.普通高等學校物聯網工程專業知識體

系和課程規劃[M].西安：西安電子科技大學出版社，

2012：9.

[2]Getting Started Guide：ZigBee RF Module Developers

Kit.www.digi.com.2014-09-30.

[3]Latest Case Studies，www.libelium.com.2014-10-3.

[4]Getting Started with Arduino，www.Arduino.cc.

2014-10-05.