基于物聯網的智能控制項目實踐教學設計

焦鉻+李浪+鄒祎

摘要：針對智能控制課程的特點，分析實踐教學中存在的問題，結合程序開發語言和物聯網智能控制等知識，提出基于物聯網的智能控制平臺實踐項目，從實驗平臺、實驗項目和實驗考核等方面設計詳細的實踐教學方案，培養學生的創新能力和實踐能力，提高實踐教學質量。

關鍵詞：物聯網；智能控制；實踐教學；中國制造；智能制造

0引言

“中國制造2025”部署了全面推進實施制造強國戰略，提出智能制造作為中國制造的主攻方向。在《中國制造2025》中還指出加快開展物聯網技術研發和應用示范，推動智能交通工具、智能工程機械、服務機器人、智能家電、智能照明電器、可穿戴設備等產品研發和產業化。隨著物聯網技術在智能控制領域中應用的不斷深入，社會對掌握智能控制技術和物聯網技術的應用型人才的需求會越來越大。基于物聯網的智能控制項目實踐教學改革對提高學生的工程應用能力，使學生掌握行業前沿技術的能力，提升學生的就業競爭力有著重要的意義。

1目前教學中存在的問題

（1）課程理論性強，內容多且抽象，缺少相應的實踐，學生對理論知識難以掌握；課程學時少，學生投入的學習時間和精力不足，無法自己尋找實踐項目，缺乏實踐；與課程教材相配套的實驗方案較少，導致實驗難以有效地開展。

（2）智能控制課程實踐教學大多以仿真為主，缺少面向技術前沿的實踐環節。大多數高校學生做實驗就是利用MATLAB的Simulink、GUI等工具設計各種控制算法和建立智能控制系統模型，從而實現對系統的仿真。學生對實際的工程項目應用不了解，不利于創新能力和職業能力的培養。

（3）課程考核方式沒有體現對能力的考核。減少單個知識技能的考核，增加知識能力體系的考核。

2實驗平臺選擇

我們的實踐項目所用的實驗平臺是北京精儀達盛科技有限公司生產的物聯網實訓開發系統，系統由物聯網視頻移動開發平臺實驗箱和物聯網節點實驗箱組成，主要特點如下：

（1）多環境支持。提供基于C#、C++、Java的開發包及已封裝的函數接口，提供智能手機開發包及已封裝的函數接口，可進行物聯網項目的二次開發。

（2）接口豐富。RJ45 10M/100M自適應以太網接口、標準RS-485串行通信接口、模擬視頻輸入接口、視頻輸出接口、支持SD卡接口與存儲、USB接口、支持WIFI和3G網卡。

（3）功能強大。支持CMRTP網絡協議，能同網傳感圖像信息、聲音信息、傳感器信息、控制信息，節點信息；支持多用戶智能移動終端同時訪問ZIGBEE NVS網關；智能手機、IPAD等；內置WEB SERVER，網絡參數設置簡單；可配置成服務器工作；支持多用戶端同時訪問ZIGBEE NVS網關；遠程PC機訪問。

3實驗項目設計

3.1實驗項目構建

基于物聯網的智能控制實驗項目從技術架構上來看，分為3層：感知層、網絡層和應用層，如圖1所示。

感知層的節點采集到數據經過網絡層傳輸與服務器通信，然后應用層中的客戶端用軟件登錄服務器，登錄后即可控制和查看感知節點的信息。客戶端可以通過軟件看到感知節點采集的信息，發送控制命令去控制對應的實物，包括門禁、窗簾、燈光、攝像頭等。各層所安排的實驗項目及課時見表1。

（1）感知層由各種傳感器以及傳感器網關構成，感知層的作用相當于人的眼耳鼻喉和皮膚等神經末梢，它是物聯網識別物體、采集信息的來源，主要功能是識別物體，采集信息。感知層開設的實驗項目包括氣體濃度傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器、二維碼標簽、RFID標簽和讀寫器、攝像頭、GPS等智能感知終端等實驗。感知層節點包括感知節點和控制節點，感知類節點包括測試火災和煙霧的傳感節點、采集空氣溫濕度和土壤溫濕度的傳感節點、探測紅外的傳感器節點，控制類的節點包括：控制門禁的節點、燈光和電源的傳感器節點以及可以遠程控制監控的無線云臺節點等。感知節點和控制節點可以聯動，可以結合起來作為實訓項目。

（2）網絡層由各種移動通信網絡、互聯網、網絡中心和信息中心等組成，相當于人的神經中樞和大腦，負責傳遞和處理感知層獲取的信息。在網絡層中，傳感器與協調器之間的傳輸都是利用Zigbee進行相互通信的，而且由網關接收到感知層的信息，然后通過網絡和無線通信方式傳輸信息給服務器，用戶可在客戶端上觀察到感知節點的數據，并且可發送控制指令給協調器去控制節點。網絡層的實驗項目只需要了解路由器的設置，包括局域網和廣域網絡的設置，因此安排的實驗課時較少。

（3）應用層是物聯網和用戶（包括人、組織和其他系統）的接口，它與行業需求結合，實現物聯網的智能應用，是智能控制實踐中最關鍵的部分。實踐項目包括智能交通控制系統、工業控制系統、智能農業控制系統、智能家居控制系統、智能物流控制系統、智能制造控制系統、智能安防控制系統等。

3.2實驗項目舉例

智能控制在物聯網背景下有著廣泛的應用，尤其體現在工程應用實例項目上。

1）監控土壤環境狀況。

將傳感器植入土壤或暴露在空氣中，由傳感器采集到的數據通過物聯網傳輸至遠程控制中心，可及時了解當前農作物生長環境和變化趨勢，確定農作物生產目標。通過智能控制，可實時掌握環境溫度和土壤各項參數等對農作物產量的影響，并進行參數的調節，最大限度地提高農作物產量。

2）產品制造和質量監控。

制造業集成了多種先進科技的流水作業。生產制造過程中伴隨有大量數據，如產品加工條件或控制參數（時間、溫度等）。通過收集這些數據可反映每個生產環節的狀態，對生產的順利進行起著至關重要的作用。通過智能控制可得到產品質量與參數間的關系，從而獲得針對性很強的建議，以改進產品質量，而且可能發現更高效的控制模式，帶來豐厚的回報。

3）天氣預警。

一方面，利用智能設備隨時關注氣象信息，并針對雨天發出報警提醒；另一方面，智能終端隨時跟蹤用戶行蹤，并通過智能控制由用戶歷史行動特征數據預測去向。一旦預測到用戶要出門，就在合適的時候由相應智能終端提醒其帶雨傘。如用戶在門口，就將由安裝在門上的智能設備發出提醒；如在車內，則由車載計算機發出提醒。

4基于CDIO的項目考核

CDIO（conceive、design、implement、operate，構思、設計、實現、運作）是當今國際高等工程教育的一種新模式，由美國麻省理工學院和瑞典皇家工學院等4所大學共同倡導。這種模式更加注重扎實的工程基礎理論和專業知識的培養，通過每一門課程、每一個模塊、每一個教學環節來落實產業對能力的要求，滿足產業對工程人才質量的要求。結合CDIO工程教育人才培養考核標準和傳統實踐教學環節的考核方法，建立了以個人能力、交流溝通能力、團隊合作能力、創新能力等能力培養為目標，以工程構思、工程推理、工程設計、工程應用為主線的考核體系，采用自評、項目組互評、答辯等多元考核方式，考核體系見表2。基于CDIO的項目考核體系能有效地激勵學生的學習主動性，合理地評價學生的學習效果，督促教師不斷地完善實踐教學內容，優化和提高教師的實踐教學能力。

5結語

基于物聯網的智能控制項目實踐教學改革結合了國家戰略需求和行業需求，使學生能夠更好地掌握和運用智能控制理論進行實際的工程應用，提高了學生的工程應用能力和掌握行業前沿技術的能力，提升了學生的就業競爭力。

（編輯：郭田珍）