物聯網實景實驗教學系統的探索與建設

洪 嵐, 王佳斌, 鄭力新

(華僑大學 工學院, 福建 泉州 362000)

?

物聯網實景實驗教學系統的探索與建設

洪 嵐, 王佳斌, 鄭力新

(華僑大學 工學院, 福建 泉州 362000)

提出了利用物聯網技術構建物聯網工程專業的實景實驗教學系統,該系統把物聯網技術融合到實驗室的管理和教學中,讓物聯網技術的實驗教學從傳統實驗箱走向現實應用。配合“實景式、開放式、探究式、任務驅動型”的實景實驗教學方法,該系統既能讓物聯網技術直接為教學和管理服務,又能作為學生實訓實踐的平臺,還可以充當物聯網技術應用的展示平臺。總之,該系統一方面使實驗室的管理更加智慧,另一方面能讓物聯網工程專業的學生通過實景教學更深入地了解物聯網技術的內涵,掌握物聯網技術。

物聯網技術； 實景實驗教學； 實驗教學改革

物聯網技術方興未艾,把物聯網技術應用于高校實驗室管理,是在原有高校實驗室管理信息化的基礎上的一次重大提升,特別是在物聯網工程專業的實驗室建設上。物聯網技術是指通過射頻識別、無線傳感器等方式來獲取物理世界的各種信息,結合互聯網和移動通信網等網絡進行信息的傳輸和交互,并采用智能計算技術對相關信息數據進行分析處理,從而實現智能化的決策和控制[1]。把物聯網技術直接應用于物聯網工程專業的實驗室建設、構建實景實驗教學系統，是實驗室建設的一種新的嘗試。

1 物聯網工程專業的實驗內容

物聯網工程專業是教育部根據現階段國家經濟發展的戰略需要設立的新專業[2],是信息網絡產業方向重點支持開辦的專業之一,是一門跨領域的綜合學科,涵蓋了電子技術、計算機技術、網絡計算、云計算等多種技術。物聯網工程專業以物聯網技術為核心,工程性強,培養具備物聯網專業智能和工程技術體系結構以及研發設計能力的專業人才,注重培養學生物聯網工程應用系統設計綜合實踐能力[3]。目前,物聯網工程專業主要開設“無線射頻識別技術”“物聯網技術應用”“無線傳感技術”“嵌入式系統”“互聯網技術”等專業課程,這些課程都配備有多課時的實驗實踐課,讓學生通過實驗實踐課環節更好地掌握物聯網專業核心技術。

2 目前物聯網實驗室的模式以及存在的問題

物聯網工程專業在建設物聯網實驗室初期,沒有成熟的模式可以參考,按照建設傳統實驗室的模式,為每門實驗課程購買實驗箱,按照實驗指導書來完成實驗。經過二三年的物聯網工程專業實驗實踐教學的摸索,發現每門課程的實驗各成體系,相對獨立,課程與課程之間沒有交互,且每門課程配套的實驗箱的實驗項目比較簡單,實驗步驟和過程都是給定的,導致了學生只能片面地了解一個實驗或一項技術,給學生提供的設計或者開發空間不足。

傳統的實驗箱模式和實驗教學方法在物聯網工程專業上未能達到很理想的教學效果[4]，因此利用物聯網技術建立了一套物聯網實景教學系統。該系統的整體構想是根據實驗室管理的具體需求,把物聯網技術充分結合到實驗室管理中,使該系統一方面可以輔助實驗室的管理,另一方面可成為實驗教學改革、學生創新能力培養和科創實踐的基地,為學院的實驗教學和科研等做出相應的支撐,達到一舉兩得的效果。

3 利用物聯網技術構建實景實驗教學系統

物聯網實景實驗教學系統以物聯網技術為基礎,通過物聯網技術中的無線傳感器網絡、射頻識別等方式來獲取各類信息,借助互聯網、移動信息網絡等進行信息的傳送和交互,最終采用云計算技術對采集到的信息進行智能計算,實現對每個實驗室智能化的監控與協調,構造智慧型實驗室。物聯網實景實驗教學系統采用和物聯網技術類似的3層結構,感知層、網絡層和應用層[5],見圖1。

圖1 物聯網實景實驗教學系統的總體框圖

3.1 基于RFID技術的門禁考勤系統

采用RFID技術和指紋識別相結合,主要具備門禁刷卡和指紋考勤的功能。根據教學計劃中實驗室上課時間的安排,可以給教師設置相關權限,教師即可在上課的時間段打開相應實驗室的門,并且后臺及時記錄開門的時間和人員,這樣對實驗室進出情況一目了然,同時也可用于學生考勤[6]。這部分功能可支持物聯網工程專業“射頻識別技術”“物聯網技術應用”“物聯網概論”“面向對象程序設計”等課程的實驗教學部分和相關的實踐課。

3.2 儀器設備管理系統

系統采用RFID技術完成儀器設備基本信息管理、借用管理、維修管理和貴重儀器管理等。在每臺設備上貼上RFID標簽。每個RFID標簽關聯了該臺儀器的相應信息,通過手持RFID讀寫設備掃描標簽,即可讀取該臺設備的所有信息,方便管理人員對實驗儀器進行檢查與盤點。儀器的借還管理、維修管理以及貴重物品管理也基于RFID標簽完成,管理人員只要掃描相應設備的標簽,就可在平臺上對其進行借出、歸還登記及維修登記等,簡單便捷,不容易出錯[7]。

該系統還可作為設備防盜系統。在每間實驗室門口布設RFID感應天線,當實驗室內儀器被非法搬出實驗室時,感應天線能及時讀取設備信息,并第一時間反饋到主控中心并發出報警。這部分功能可支持物聯網工程專業“射頻識別技術”“物聯網技術應用”“數據庫技術”“面向對象程序設計”“EPC技術基礎”等課程的實驗教學部分以及相關的實踐課程等。

3.3 基于ZigBee無線傳感網絡的智能控制系統

每個實驗室內布設各種類型的無線傳感器節點和電器控制節點,這些節點采集前端數據,并通過智能網關匯集到信息管理系統平臺中[8]。可通過PC機或移動設備遠程登錄信息管理系統平臺,實時查詢實驗室內部環境參數,如溫濕度監測、二氧化碳/氧氣濃度監測、光照度監測、煙霧檢測等,同時,用戶也可通過系統平臺結合高清視頻監控系統,遠程控制實驗室中的空調、投影儀、照明、插座以及窗簾等設備,真正實現智能化管理[9]。這部分功能可支持物聯網工程專業“射頻識別技術”“物聯網技術應用”“無線傳感網絡WSN仿真”“傳感器與檢測技術”等課程的實驗教學部分以及相關的實踐課程等。

3.4 高清視頻監控系統

在每個實驗室布設高清網絡監控攝像機,教師可隨時隨地通過電腦或手機登錄信息管理系統平臺，監測各實驗室的實時圖像,對實驗室內的人員活動、上課情況、實驗室環境等進行監控。同時,高清網絡攝像機還可作為安全措施的重要組成部分。這部分功能可支持物聯網工程專業“數字視頻處理”“數字信號處理”“計算機網絡”等課程的實驗教學部分以及相關的實踐課程等。

4 物聯網實景實驗教學系統關鍵技術

4.1 智能網關

(1) 智能網關是整個系統的重要部分,在整個物聯網實景實驗教學系統中起著承上啟下的重要作用,是連接終端節點和用戶通信的紐帶[10],同時擔負著各種不同設備通信協議的轉換任務,還可以作為服務平臺為用戶提供各種可能的增值服務。前端各類型節點采取到的視頻、數據和信息都會匯集到智能網關,通過以太網傳輸到云服務器,用戶則通過登錄云服務器的信息管理系統平臺,實現對終端節點的監測和控制。智能網關的硬件結構如圖2所示。

圖2 智能網關的硬件結構圖

(2) 智能網關就是實現管理人員和實驗室設備之間通信的一個橋梁,是系統中最重要的控制單元。一方面,智能網關通過ZigBee與系統中的所有設備進行無線通信,讀取數據、發送指令；另一方面,智能網關通過TCP/IP等網絡協議連接到互聯網或移動網絡中,方便管理人員對其進行訪問和讀取。由于接口的不同和通信方式的差異,因此網關就是解決不同設備之間的信息和數據交換這個問題的。

(3) 由于智能網關要處理的數據量比較大,不同設備之間的協議轉換復雜,因此在設計軟件時,采用多線程的編程技術[11]。多線程的編程技術，優點在它可以把上行數據和下行數據分開來處理,并且2個線程可同時運行,節省了運行時間。這樣一方面充分發揮嵌入式Linux網關的網絡性能,另一方面能獲得最大的通信效率和穩定性。網關的網絡編程是通過Socket接口來實現的,系統在網關和上位機之間建立了一個面向連接的服務,使得網關可以用無線或者有線的方式和上位機進行通信。在系統工作的主程序中,網關服務器不斷地檢測來自設備終端和來自用戶終端的連接請求,當從任一端收到請求命令時,服務器被激活并創建一個子進程與發送請求端通信,直到通信結束服務器方才結束該進程,而主程序返回繼續檢測來自其他終端的連接請求。

4.2 云計算平臺

云計算是分布式計算、互聯網技術、大規模資源管理等技術的融合和發展,它融合了數據中心管理、資源虛擬化、海量數據處理、計算機安全等多個研究方向[12]。在物聯網實景實驗教學系統中,我們利用云計算技術建立起實驗室信息管理網站,以服務的形式為用戶提供應用程序、數據存儲、基礎設施等資源。用戶可隨時隨地通過各種終端設備,如電腦、手機、平板等訪問云計算平臺。

5 物聯網實景實驗教學系統的教學實例

物聯網實景實驗教學系統可為物聯網工程專業的學生提供實驗和實踐課基地,可實現“實景式、開放式、探究式、任務驅動型”的實驗教學方法。大部分物聯網專業的實驗課和實踐課都可在物聯網實驗教學系統中完成。系統中所有的代碼和接口都是開放的,因此任課教師可指導學生在相關的功能模塊上進行設計與優化,學生可全面參與研發和設計物聯網實景教學系統,這樣學生能夠直觀地感受到自己所學的知識在實際中的應用,也能對整個物聯網的架構有個全面的認識,能激發學生的學習熱情,有助于培養學生的自主探索能力和創新能力。

5.1 智能家居實驗教學與實踐

智能家居是物聯網工程專業一門綜合性極強的教學實踐課程,實驗室內根據智能家居的特點布設門禁、窗簾控制、環境探測等相關無線傳感器節點,構成自組織網絡,通過自行設計改進的智能家居網關設備接入互聯網。學生可通過實驗室或自己的計算機完成采集智能家居傳感網絡中的數據,或完成通過節點控制各類電器開關等綜合性、設計性的實驗環節。該實踐課程極大地鍛煉了學生綜合應用物聯網工程技術的能力,同時還能作為展示物聯網技術的示范實驗室。該系統中實驗教學主要分成3個部分:終端設備的組建、ARM網關的開發和客戶端的開發,可為物理網技術應用等主干課程開出相應實驗項目。

(1) 終端設備的組建。讓學生了解各種傳感器的工作原理,掌握無線傳感網絡的相關知識,包括各種傳感器的信息采集、數據分析、無線傳感網絡的拓撲結構選擇及控制、通信協議分析、通信幀結構設計等。

(2) ARM網關開發。針對提高學生的嵌入式編程能力,主要包括LINUX操作系統的移植、外設驅動程序的編寫、系統相關庫的移植以及各種服務器端的程序編寫等。網關開發包含了Web服務器的移植和socket服務端的設計。

(3) 客戶端開發。可包含安卓客戶端設計和Web瀏覽器客戶端設計2種。

5.2 RFID射頻識別系統實驗課程教學實例

RFID技術通過無線電信號識別特定目標并讀寫相關數據,而無需在識別系統與特定目標之間建立機械或光學接觸,是物聯網技術中的一項核心技術。RFID射頻識別技術課程是物聯網工程專業的重要必修課,該門課程主要讓學生系統掌握RFID射頻識別技術的原理和應用,而該門課程配套的實驗就是讓學生通過實踐操作來加深對RFID理論的認識。在物聯網實景實驗教學系統中,通過在每個實驗室的出入口布設RFID閱讀器,并結合儀器設備管理系統就可作為實驗室資產設備等的智能管理系統,同時也可開放部分環節作為RFID射頻識別系統實驗課程的平臺。

RFID的實驗教學主要包括RFID器件等硬件類實驗和RFID通信協議的分析和設計等軟件類實驗。結合物聯網實景教學系統,可開出的實驗項目有RFID系統的編碼、載波產生、信號調制、RF信號功率放大、末級輸出調制載波信號、天線等硬件類的實驗,還包括標簽信息的讀寫、防沖突算法、數據包分析等協議類實驗和應用程序開發設計類的實驗項目。讓學生參與到物聯網實景系統中,可讓學生對RFID技術在實際的應用中有一個全面的、直觀的認識。

6 結語

物聯網實景實驗教學系統利用物聯網技術將實驗室統一進行智能化管理,達到展示物聯網技術內涵。把物聯網技術從概念轉為現實的體驗,使學生更深入地了解物聯網技術的實質內容,讓學生一進入實驗室,就能體驗到物聯網技術的存在,近距離與物聯網技術接觸交流；同時,在實驗室的建設和管理上大量采用物聯網技術,如RFID實現資產的登記和跟蹤、基于電子門禁系統的開發實驗室、云終端智能會議室、太陽能供電、視頻智慧安防系統等,使實驗室“智慧”化。實現對實驗室管理的物聯網化,還可以讓學生在實景中進行實驗,加深對物聯網工程專業理論的理解。物聯網實景實驗教學系統實現了一個高度智慧化的實驗室構架,高效、優質地完成實驗項目和實驗管理。

References)

[1] 陳景賢,陳志生.高校物聯網實驗室建設與應用[J].實驗室研究與探索, 2013,32(8):451-453.

[2] 胡成全,魏曉輝,鐘麗鴻,等.物聯網工程專業課程設置與實踐教學體系設計[J].計算機教育,2015(9):12-15.

[3] 孔銳,張冰.物聯網工程專業實驗課程設置探索[J].實驗技術與管理,2014,31(2):179-182.

[4] 鄧廣濤,陳魁奎.地方理工科高校實驗教學改革探索與實踐[J].實驗技術與管理,2011,28(11):324-330.

[5] 周春月,閆子淇.基于物聯網技術的智慧實驗室架構研究[J].實驗室研究與探索, 2014,33(5):239-243.

[6] 周曉紅,李娟娟,王曉云.基于RFID和視頻人像識別技術的門禁式定員監控系統的設計[J].現代電子技術,2015,38(16):73-80.

[7] 畢泗國.基于RFID技術的標簽數據讀寫傳輸標準及應用[J].上海高校圖書情報工作研究,2015 (2):46-49.

[8] 彭燕.基于ZigBee的無線傳感器網絡研究[J].現代電子技術,2011,34(5):49-51.

[9] 崔貫勛.基于物聯網的實驗室智能化綜合管理系統設計與實現[J].實驗室研究與探索,2015,34(11):217-220.

[10] 申斌,張桂香,汪明,等.基于物聯網的智能家居設計與實現[J].自動化與儀表,2013,28(2):6-10.

[11] 吳晟,蘇慶堂,羅斌,等.基于Socket和多線程技術的并發服務器的研究[J].昆明理工大學學報:理工版,2006(4):6-9.

[12] 羅軍舟 金嘉暉,宋愛波,等.云計算:體系架構與關鍵技術[J].通信學報,2011,32(7):3-21.

Exploration and construction of a real-situation experimental teaching system of IoT

Hong Lan, Wang Jiabin, Zheng Lixin

(College of Engineering, Huaqiao University, Quanzhou 362000, China)

Based on Internet of Things (IoT) technologies, this paper presents a real-situation experimental teaching system. The system integrates IoT technologies, converting the experimental teaching of IoT from a traditional experiment box to a practical application. Cooperating with the real-situation, open-style, inquiry-based and task driven teaching methods, the system is able to serve the teaching and management affairs directly. Moreover, the system can provide a practical platform for students and work as a display platform of IoT applications as well.In summary, the system not only makes the management of laboratories more intelligent, but also enables the students of the IoT engineering major to gain a deeper insight into the IoT technology.

Internet of Things；real-situation experimental teaching； experimental teaching reform

10.16791/j.cnki.sjg.2016.11.043

2016-06-15

福建省科技創新平臺項目(2013H2002)；泉州市科技重點項目(2013Z12)；華僑大學2014年度實驗教學改革與建設課題(66661408)

洪嵐(1980—)，女,福建泉州,碩士,實驗師,主要從事物聯網技術方面和實驗室智能化管理方面的教學科研及實驗室建設與管理工作.

E-mail：hhlam@126.com

G642.0

B

1002-4956(2016)11-0172-04