物聯網專業綜合實訓項目的研究與設計

張書欽++郭倩倩++王海龍++吳志剛++王春霞

摘 要：針對物聯網專業綜合實訓課程中，學生通過實訓項目綜合運用本專業的知識和技能，在校內進行綜合性、系統化開發訓練，文中設計了一個綜合實訓項目。該實訓項目集成了無線傳感器網絡、分布式消息通信、移動終端等技術，能夠實現對智能建筑的能耗監測。連續多屆的教學實踐表明，該項目系統適合不同能力層次、不同技術興趣的學生進行實訓開發，大大提高了學生的物聯網專業綜合實踐能力。

關鍵詞：物聯網專業；綜合實訓；實訓項目；實踐教學

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2017）10-0-03

0 引 言

物聯網（Internet of Things，IoT）是指可將無處不在的末端設備和設施通過各種無線或有線方式通信的信息系統。物聯網技術可廣泛應用于工業、農業、醫療、環保、軍事等領域，未來發展前景十分廣闊。物聯網涉及計算機、電子等領域，具有知識結構復雜等特點。文獻[1-3]中提到，工程性和實踐性是物聯網專業人才培養的突出特點，提出了理論課程、實踐教學環節的一體化教學思路。文獻[4-7]分析了物聯網專業實踐教學體系，重點探討了基于項目制的實訓在物聯網實踐教學體系中的重要位置。文獻[8-10]提供了具體的物聯網系統作為實訓項目，以培養學生的綜合實踐能力。

中原工學院計算機學院針對物聯網專業方向高年級本科生設置了專業綜合實訓課程，仿照企業的項目研發過程，使學生在實訓項目開發中深入理解專業知識，并掌握項目研發管理方面的知識。綜合實訓是在程序設計語言、無線網絡、物聯網原理、嵌入式系統等前導課程的基礎上開展的綜合性實踐環節，一般開設于第6學期，為畢業實習、畢業設計做好準備，最大限度地增強學生對就業市場的適應性。

在項目制的專業綜合實訓教學中，實訓項目的設計是關鍵問題，實訓項目的專業綜合性、技術新穎性、工作規范性等方面都直接影響實訓教學效果?；诙嗄甑膶嵺`經驗，本文討論了實訓項目設計的一般方法，并以智能樓宇能耗監測系統為例來分析實訓項目的設計與教學實施。

1 基于項目的物聯網專業綜合實訓

物聯網專業綜合實訓課程通過項目化的開發訓練使學生綜合利用所學物聯網軟硬件課程知識進行物聯網應用系統的設計和開發。該課程安排在第6學期，可以總結前面5個學期所學的C/C++程序設計語言、數據結構、操作系統、數據庫原理、嵌入式應用開發等軟件類課程，以及計算機組成原理、微機原理與接口、傳感器原理、無線網絡、EDA技術、RFID原理及應用等硬件類課程。該課程還可為第7和第8學期畢業實習和畢業設計做準備，減少對考研學生的影響。由于第6學期還有其他課程的教學，綜合實訓課程采用分散方式進行，學生平時可利用課余時間進行實訓開發，在期末集中驗收。

課程規劃了一系列項目系統供學生分組進行開發訓練，項目組學生分工合作共同完成系統的開發。每一個實訓項目都由指導教師對學生進行指導和管理，及時了解并解決學生遇到的各類問題。通過項目的開發訓練，不僅訓練了學生的專業知識綜合運用能力，還通過規范化管理熟悉了所開發項目的工程實施過程。

2 物聯網綜合實訓項目設計要求

課程主要依托現有的實驗實訓設備平臺來規劃和設計實訓項目系統，這些系統具有專業綜合性的特點，可覆蓋典型的專業知識點，能夠解決實際應用問題。

2.1 物聯網教學知識點分析

實訓項目要能反映專業的知識能力要求。結合專業課程體系，從物聯網體系結構的感知層、網絡層和應用層三方面對實訓的教學目標、教學內容等進行分析。物聯網專業實訓教學重要知識點見表1所列。

2.2 實訓項目的規劃

實訓項目主要向相關教師征集，多數都來自教師的科研課題，具有較強的專業針對性，能夠體現物聯網專業課程的教學內容。按所涵蓋知識內容，大體上可將實訓項目分為以下幾類：

（1）無線物聯網（基于ZigBee、藍牙、WiFi的應用系統）；

（2）嵌入式物聯網（基于嵌入式設備的遠程信息采集和處理系統）；

（3）移動互聯網（基于Android/iOS移動終端的應用系統）。

一個項目系統要覆蓋感知層、網絡層、應用層三方面的技能要點。我們通過集體討論分析各實訓項目特點，最終依據設計性、綜合性、系統性、真實性和新穎性確定約10個不同類型的實訓項目，供60名學生根據自己的興趣和能力選擇合適的實訓項目。

這些項目主要通過實驗室現有軟硬件設備來構建完整的應用系統。實驗室可提供傳感器、RFID、PLC、3G/WiFi、網關等節點或模塊，并配套有豐富的例程、開發文檔等資料，方便學生學習、二次開發、集成與擴展。

3 實訓項目智能樓宇能耗監測系統的設計及教學實施

以智能樓宇能耗監測系統為例來分析實訓項目的設計與教學實施。

3.1 實訓項目系統的設計

智能建筑能耗監測系統由下至上分為現場網絡層、通信服務層和管理應用層，系統整體架構如圖1所示。現場網絡利用部署在樓宇內的無線傳感器網絡采集能耗狀態數據，傳輸到協調器并送往網關。在通信服務層中，網關通過串口與協調器通信，通過MQTT與消息服務器通信，并能將消息轉發給管理應用端，如桌面應用程序、數據庫、Web瀏覽器、移動設備。管理應用層能通過Web、移動終端來管理各種系統配置、建筑能耗信息及預警信息。

本系統集成了無線傳感器網絡技術（Contiki）、分布式消息通信技術（MQTT）、移動終端開發技術（Android）等新技術。

Contiki無線傳感器網絡子系統的基本技術要點如下所示：

（1）利用CC2530節點設備，基于Contiki的6LoWPAN傳感器網絡，節點初始化后會發出入網請求，準備加入IPv6傳感網絡；endprint

（2）節點間形成以協調器為根節點的6LoWPAN傳感器網絡。當節點初始化、加入網絡、地址分配完成后，節點進入工作狀態；

（3）在節點上添加兩個任務（Task），即設備能耗狀態采集任務和網絡管理任務；

（4）根據命令或周期性自動采集能耗數據，將能耗信息和自身狀態信息以UDP/IPv6數據包形式傳送到服務器。開發工具與開發技術包括C語言、CC2530、IAR、6LoWPAN、RPL、Coap。人員需求1～2名。

MQTT通信平臺子系統的基本技術要點包括如下幾項：

（1）能夠接收來自網關與其他管理終端的消息，并對消息進行可靠性檢測；

（2）解析出消息的內容，對消息中需要記錄的數據進行記錄，判斷消息是否需要轉發以及轉發時需要附帶的參數及轉發形式；

（3）提供GUI操作界面，便于管理操作，在操作界面顯示當前通信連接情況與重要的日志信息，如異常狀態、連接超時狀態等。開發工具與開發技術包括Qt Creator；開源MQTT庫Mosquitto、HiveMQ。需要1名人員。

監測應用服務平臺子系統的基本技術要點如下：

（1）偵聽前端設備的注冊請求，以完成設備的接入。注冊成功后，系統即可持續接收來自設備的實時數據；

（2）根據預先定義好的協議格式，將接收到的原始消息進行轉義操作，識別成可理解的監測數據信息，并寫入數據庫中；

（3）根據單位、樓宇、設備類型、時段等對能耗數據進行統計分析；

（4）生成Web頁面，實現監測數據的可視化，利用AJAX進行監測數據更新。開發工具與開發技術采用MyEclipse；J2EE；SSH架構；MySQL數據庫；JBoss；Tomcat。人員需求3名。

Android移動終端子系統的基本技術要點如下：

（1）使用Google MAP技術將用戶管理的建筑標記在手機地圖上，并可放大、縮小和移動，方便用戶查找建筑標記、獲取建筑地理位置信息；

（2）通過無線網絡訪問MQTT消息服務器或WebService上封裝的能耗數據管理服務器解析建筑能耗數據；

（3）使用圖表技術對獲取的建筑能耗數據進行動態圖表顯示，可以選擇的圖形包括柱狀圖和線形圖等；

（4）使用推送技術接收遠程服務器的推送信息，實現預警；

（5）使用JavaMail技術實現郵件發送功能，提交用戶反饋信息。開發工具與開發技術包括Android Studio、Android SDK、Google MAP、SQLite。人員需求1名。

3.2 實訓項目的教學實施

實訓課程的教學過程分為準備、開發和驗收考核這三個階段。準備階段在第5學期期末，主要介紹實訓項目特點，將學生按興趣和能力進行項目分組，保證每一組都有能力較好的學生。開發階段跨越第6學期，學生在教師的指導下利用課外時間進行項目系統的設計與開發。驗收考核階段在第6學期期末，每名學生需提交項目系統設計文檔、項目系統源代碼、實訓報告，還要對每名學生進行考核。

一般的項目系統可以供多屆學生迭代開發，不斷完善系統功能，擴展系統構成，優化代碼實現，改善用戶接口等。智能樓宇能耗監測系統在第一屆實訓教學中，僅要求能夠實現各子系統的互聯互通，能夠從傳感節點將消息上傳到后臺進行存儲、處理，后臺也可以將命令消息下發到指定的傳感節點，主要完成進程線程規劃、模塊接口與消息定義、數據庫設計等基礎性、框架性設計與開發工作。

在系統開發中，注重工作過程和規范、編程思想與開發技術的運用。在實訓項目開發過程參照企業開發管理方式，強調代碼編寫規范，要求學生撰寫需求分析、概要設計、詳細設計，以及專題技術學習總結等文檔。利用SVN等版本工具對代碼、文檔進行管理，方便了項目開發的統一管理和控制，也便于下屆學生在此基礎上進行擴展升級。這種規范化的項目實踐經驗使學生在實習或就業時能更好地適應企業化的工作環境。

4 結 語

物聯網專業綜合實訓課程是主要專業課程完成之后的綜合實踐環節，該課程采取項目制組織方式，通過精心設計的實訓項目系統鍛煉學生的專業知識綜合實踐能力。本文以智能樓宇能耗監測系統為例分析了實訓項目的規劃設計與教學實施。

對于實訓課程來說，一個實訓項目可供多屆學生持續開發、擴展、改進，下一屆學生可以在前屆的基礎上工作，提高學生的學習起點，克服學生在初次面對開發項目時的茫然和畏難情緒。因此，有必要重視實訓項目庫的建設，通過多屆學生不斷地完善，形成專業針對性強、管理規范、指導有保障的一系列實訓項目，對提高實訓教學質量有重要意義。

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