高校新型物聯網實驗室建設方案探索

王海春　余龍　李均

摘要：目前，教育部已批準了多所高校設置物聯網工程專業。作為物聯網專業建設之一的物聯網實驗室建設，是物聯網專業人才培養中很重要的部分。本文在分析了傳統的物聯網實驗室建設存在的問題基礎上，提出了創新型物聯網集成實驗室建設方案。

關鍵詞：專業建設；實驗室建設；物聯網工程；物聯網集成實驗室

中圖分類號：G647 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）52-0240-02

物聯網是戰略性新興產業的重要組成部分，是繼計算機、互聯網和移動通信之后新一輪的信息技術革命，正成為推動信息技術在各行各業更深入應用的新一輪的信息化浪潮。發展物聯網產業是實現技術自主可控，保障國家安全的迫切需要；是發展戰略性新興產業，帶動經濟增長的迫切需要；是提升整體創新能力，建設創新型國家的迫切需要。物聯網是通過信息傳感設備，按約定的協議實現人與人、人與物、物與物全面互聯的網絡，其主要特征是通過射頻識別、傳感器等方式獲取物理世界的各種信息，結合互聯網、移動通信網等網絡進行信息的傳送與交互，采用智能計算技術對信息進行分析處理，從而提高對物質世界的感知能力，實現智能化的決策和控制。目前，很多高校和職業學校在規劃建設和不斷完善物聯網實驗實訓室，但是如何在預算有限的成本空間下，建立一個理想的、具有先進性的物聯網實驗室，是大家普遍關心的問題，也是高校和職業學校實驗室建設所面臨的一個全新挑戰。

一、物聯網實驗室建設的背景

目前，全國高校物聯網實驗室建設可以劃分為三個階段：（1）2010—2011年，全國物聯網專業正式招生，實驗室建設參考電子工程實驗室建設方案進行。（2）2011—2013年，建立在網絡基礎上的物聯網專業實驗室建設工程開始投入使用。（3）2013—2015年，以云計算為基礎的具有物聯網專業特色的實驗室建設工程開始實施。傳統的物聯網工程人才培養計劃，物聯網專業的技術實驗，主要包含三個部分：基礎實驗室、專業實驗室和綜合實驗室。由于全國高校的物聯網專業由多個不同的學院舉辦，如有的辦在計算機學院，有的辦在電子工程學院，有的辦在通信學院。不同的背景決定了物聯網專業的建設和實驗室建設，都帶有了原來的專業特色。

二、傳統的物聯網實驗室建設現狀

高校工程應用型專業的培養目標是高素質的技術應用人才，就嵌入式和物聯網專業而言，在課程設置上，要求基礎理論以“實用、夠用”為度，突出實踐教學，注重學生實踐能力的培養。實踐課程體系設置是實現實踐能力培養目標的重要手段，嵌入式和物聯網專業實踐教學課程的設置大致應包含基礎實踐、專業實踐、應用創新實踐三個層次。理論上，傳統基礎上的物聯網實驗室建設理念指導下的物聯網實驗室建設，主要是建設基礎實驗室、專業實驗室和綜合實驗室。

1.基礎實驗室。通過課程實驗和課程設計的方式，完成學科基礎模塊中相應課程的實驗，模擬電子數字電子技術實驗，高頻微波通信和無線通信，傳感器和單片機原理與應用實驗，C語言和匯編語言，實時操作系統，等等。基礎實踐旨在使學生掌握進行物聯網實驗所要求的基本技能，主要包括基本工具的使用、基本元器件的檢測和相關電路的調試、仿真器的使用和調試以及軟件的使用和開發等。

2.專業實驗室。通過課程實驗和課程設計的方式，專業基礎模塊和專業課模塊中相應課程的實驗，包括通信原理實驗、計算機網絡和嵌入式系統實驗、傳感網實驗、RFID實驗、移動互聯實驗、IPV6實驗、高級Linux和安卓等大型移動嵌入式操作系統實驗等。其中，大部分實驗都涉及到物聯網的單項關鍵技術。專業實踐的目的在于培養學生物聯網單項關鍵技術的基本技能和專項技能。

3.綜合實驗室。需要能夠支持畢業設計、電子競賽、科研課題和應用實訓等形式，著眼于物聯網知識和技能的綜合運用，其目的在于通過一系列的實踐活動，鍛煉學生的應用創新能力。實踐活動中需要學生利用所學的知識和技能分析、解決實際問題，使學生獲取更多的直接經驗和間接經驗。綜合實驗室提供的嵌入式和物聯網應用系統平臺，使學生可基于已有的示范系統獲得物聯網應用系統的感性認識，進而在其上進行畢業設計，或者自主選題參加電子競賽。教師也可以將科研課題引入實驗教學中，以科研課題為背景，循序漸進地開展與科研課題相關的實驗內容，逐步引導學生在綜合實驗室完成科研型實驗。

按照這個理論上的方案來建設的實驗室，主要存在兩方面的問題：一是必然會導致實驗室出現越來越大和越來越多的趨勢，實驗室加大和加多，必然導致使用能源的增加，管理難度增加和實驗室建設成本上升，這一點對資金有限和場地有限的許多高校來說，建設實驗實訓室會造成很大困擾。二是存在技術上的落后，沒有反映物聯網技術發展的新趨勢和新技術。

三、密切聯系物聯網技術發展趨勢的集成實驗室建設方案

1.物聯網新架構及特點。經過近幾年的發展，物聯網技術日趨成熟，如果將物聯網比喻成一座大廈，各種物聯網應用工程和應用產品就是這個大廈的主體結構。而各種相關的技術，特別是新興的無線通信和無線網絡技術（包括ZigBee、藍牙、WiFi、RFID等）構成了大廈的基礎。基于云端和云計算的互聯網和大數據，云計算，將億萬個不同的節點和設備連接成為巨大的物聯網網絡，無處不在的智能手機等移動互聯設備，通過云端服務器和云計算結構連接到億萬物聯網設備和節點，實現了聯網控制和獲取各種傳感器數據。傳統的物聯網專業實驗室建設停留在原來電子技術實驗建設的模板上，沒有與時俱進，不能與當前物聯網發展的現狀密切聯系，不利于培養能適應當前技術發展實際的物聯網專業技術人才。要建設新的緊密聯系當前物聯網新發展的物聯網工程技術實驗室，就需要物聯網實驗實訓室整體網絡覆蓋，要將多種移動網絡、傳感器網絡、高速無線網絡與有線網絡實施多層次的完整覆蓋。同時，為了實現對實驗的指導和監控，方便教師指導學生的實驗和保存實驗原始數據，要將實驗實訓室內部的相關SOC芯片、部件和互聯網網關等通過這個完全覆蓋實驗室的網絡連接到云計算服務器和數據庫，最終連接到智能手機和平板等移動終端設備，實現物聯網實驗室基于云的系統集成。

2.基于物聯網新架構設計的集成實驗室。物聯網專業的實驗室建設，應該與時俱進，與當前物聯網發展的現狀密切聯系，以便培養能適應當前技術發展實際的物聯網專業技術人才。要實現這個目標，就需要物聯網實驗實訓室的整體網絡覆蓋，包括多種移動網絡、傳感器網絡、高速無線網絡和有線網絡的多層次完整覆蓋。同時，實現實驗實訓室內部相關SOC芯片、部件和互聯網網關等通過這個完全覆蓋網絡實驗室的網絡連接到云計算服務器和數據庫，最終連接到智能手機和平板等移動終端設備。典型的創新型物聯網集成實驗室如圖1所示。

典型的創新型物聯網集成實驗室建設要求：①實驗室要與云端連接，以實現終端的傳感器數據隨時上傳存儲。②云端的傳感器數據可在本地投影儀上隨時查看。③實驗實訓臺與本地服務器直接相連，并通過服務器與云端實現數據鏈接。④教師的計算機與學生實驗實訓臺上的MPU可實現通訊連接。⑤在本地實驗儀器倉庫中，配備了相關的實驗與檢測儀器設備，供學生借用。⑥在本地元器件倉庫中，配備了相關的元器件，供學生借用。⑦在物聯網案例展示區中，有與本次實驗實訓相關的物聯網案例樣品，供學生參考。

和傳統嵌入式實驗實訓室方案比較，集成實驗實訓室可以實現物聯網工程實驗室、物聯網專業實驗室、電子信息實驗室、嵌入式軟件實訓室、RFID實訓室等多種實驗實訓室功能。不僅能使實驗實訓室建設更加接近物聯網、云計算、大數據等技術前沿，而且通過立體空間和多種實驗實訓室集成，大幅度地降低了實驗室建設價格和需要場地的空間，使更多比較缺乏經費的高校和職業學校可以盡快開展新型實驗實訓室建設工作。全面集成應用實訓場景和功能新型集成實驗實訓室，通過多工位互聯互動和整體應用場景仿真，實現了將智能家居、智慧煤礦、智慧圖書館、智慧零售、智慧物流、智慧小區、智慧醫院等多種應用實訓場景和應用實訓功能集成在單一的實驗室內，全面強化了應用體驗和支持各種應用開發項目。

參考文獻：

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