高校物聯網專業實驗設備選用探討

張志廣 陳爽

摘? 要：本文對物聯網實驗設備在高校物聯網專業教學中的作用進行分析，對各種物聯網實驗設備從功能、成本、學生受益程度、可維護性等角度進行對比，重點介紹了開源硬件在物聯網教學中的作用，給出適合高校物聯網專業實驗設備選用的方案。

關鍵詞：物聯網;實驗設備;開源硬件

中圖分類號：TP391.44-4;G642? ? ? ?文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）19-0197-02

Abstract：This paper analyses the effects of IoT experimental equipment in the teaching of IoT specialty in universities，compares various equipment from the aspects of function，cost，beneficial degree of students，maintainability，etc.，focuses on the role of open source hardware in the teaching of IoT，and offers suitable scheme of the selection of IoT experimental equipment.

Keywords：IoT（internet of things）;experimental equipment;open source hardware

0? 引? 言

目前，物聯網工程已經成為理工類高校普遍開設的專業，物聯網實驗設備作為物聯網工程專業教學的必要組成部分，在輔助實驗教學、創新創業實踐、完成畢業設計、參加各類比賽、加強科研能力等方面不可或缺。

1? 物聯網實驗設備在教學中的應用

1.1? 物聯網基礎實驗

物聯網專業課目前在高校主要有嵌入式系統、RFID、傳感器、無線傳感器網絡、物聯網工程實施等主干專業課程。為配合課堂理論教學，鞏固學生掌握的理論知識，把理論和實踐進行統一，每門課程都配置了實驗課。這類基礎實驗課程主要是驗證性實驗，通過實物操作理解理論知識，所需的物聯網實驗設備功能單一，能完成本門課程的理論驗證需要即可，但要根據每門課程的需要進行配置，數量較多。

1.2? 物聯網綜合課程設計

物聯網專業每個學期都會安排兩到三周的綜合課程設計。這類課程開設在學生學習專業基礎課程后，鍛煉學生對物聯網知識的綜合應用能力，使學生能夠把所學知識進行融合，完成系統的工程實踐任務。所需的物聯網實驗設備要求功能多樣，能夠搭建較為完整的物聯網系統。這類設備通常根據課程設計中的學生分組情況進行配置。

1.3? 創新創業和學科競賽

高校物聯網專業每年都要參加物聯網設計競賽，參加學科競賽選用的物聯網設備要根據參賽題目去選用，靈活多樣。學生要根據選用的硬件去實現設計的功能。這類設備除了實驗室已有設備外，可能要根據競賽題目需要臨時采購。

1.4? 畢業設計和科研

物聯網專業的畢業設計大都要求設計實現物聯網系統，要求在畢業答辯時進行系統展示。每個學生畢設題目不同，選用的設備更是多種多樣。科研中的設備要求運算條件較好、通信能力強，有能力的同學可以利用復雜實驗設備進行科研課題的開發。畢業設計和科研類設備可以根據學校經費情況由學生自行采購，然后學校統一報銷的方式進行配置。

2? 可供選用的物聯網實驗設備介紹

高校物聯網專業如何選用實驗設備來滿足上述教學中的需求，能夠最大程度上提高學生實踐能力、降低設備采購成本、做到物盡其用，是一個值得探討的問題。目前市面上可供選用的物聯網實驗設備大致可以分為以下幾種。

2.1? 物聯網實訓平臺

例如智能家居系統、智能溫室大棚沙盤演示系統、智能安防控制系統、特殊環境安全工程系統、智慧城市應用系統、智慧工廠應用系統、智能農業應用系統、智慧交通應用系統、食品溯源應用系統、智能產品開發技能培養系統、智能倉儲應用系統等綜合性系統。這類平臺采購成本高，一套系統價格在20萬元左右，有的系統還要支付云服務年費。這類系統屬于物聯網集成系統，一般包括物聯網網關、數據采集終端、控制系統等模塊。提供完整的軟件系統和源代碼，各個模塊的源代碼和軟件系統加起來大概需要幾個GB的容量。復雜的系統對于大學階段剛剛進行物聯網學習的學生來說，理解難度非常大。由于是專門針對某一種應用的系統集成，基本不可能在原有系統上進行應用擴展和二次開發。如果設備出現故障，只能請廠家技術人員進行修理。這類設備對于學生掌握基礎知識、課程設計、畢業設計的用途都微乎其微，但是可以開闊學生視野，了解物聯網系統架構，增強學生學習物聯網的興趣，并且可以按照廠商所給代碼進行開發測試。

2.2? 物聯網實驗箱和實驗套裝

例如RFID實驗箱、嵌入式實驗箱、ZigBee套裝、無線傳感網實驗箱、友善之臂開發板、健康監護應用實驗箱、窄帶物聯網開發實訓系統、感知層信息安全試驗箱等實驗套裝設備。實驗箱級實驗設備價格大概在30000元左右，實驗套裝設備價格在1000元左右。這類實驗設備會提供設計好的實驗案例，學生可以按照實驗指導書的步驟順利完成實驗。通過閱讀實驗案例源代碼可以讓學生掌握物聯網理論知識在編程實踐中的應用。這類設備提供的實驗源代碼在學生能理解的范圍，而且硬件帶有擴展接口，學生可以在設備提供的源代碼基礎之上進行二次開發。可以應用在基礎知識實驗、課程設計、學科競賽和畢業設計中。這類設備的局限性在于只能在現有硬件和源代碼的基礎上進行修改和完善，不能任意擴展，學生只能在讀懂源代碼的基礎上進行二次開發，不能鍛煉學生搭建系統、從零開發的能力。這類設備硬件系統較為復雜，如果出現故障，實驗員判斷故障點非常困難，一般只能請廠家技術人員上門維修。

2.3? 經典開發板

在單片機開發板加入無線模塊，單片機開發板包括51單片機、STM32等。51單片機開發板加Wi-Fi模塊是一種選擇。51單片機是一款經典且應用廣泛的單片機，學生學習內部結構，外部引腳，接口編程時用51單片機簡單易上手，在51單片機加入Wi-Fi可進行無線連接，可作為終端節點。STM32運算速度快，能夠實現復雜算法，傳輸大量數據。STM32加Wi-Fi可作為路由節點，構成物聯網的硬件基礎。這些開發板既可以自己做也可以在網上自行購買，并且學生可根據具體需求自己組裝硬件外設，提高學生設計硬件電路的能力。

2.4? 物聯網開源硬件

例如各種型號的Arduino開發板、Raspberry Pi開發板、ESP8266無線物聯網模塊、RFID模塊、各類傳感器模塊等。Arduino是一款便捷靈活、方便上手的開源電子原型平臺。包含硬件（各種型號的Arduino板）和軟件（Arduino IDE），由一個歐洲開發團隊于2005年冬季開發。Raspberry Pi是一款針對電腦業余愛好者、教師、學生以及小型企業等用戶的迷你電腦，預裝Linux系統，體積僅信用卡大小，搭載ARM架構處理器，運算性能和智能手機相仿。這類硬件以開發板和模塊形式提供，價格便宜，一般開發板只有300元左右。這類開源硬件有成熟的中文社區，有豐富的學習資料和免費共享的物聯網案例。硬件是以散件形式提供，學生在學習時是以DIY形式，自己動手從零做起，搭建硬件系統，代碼也是從零做起，真正體會物聯網學習的樂趣。這類開源硬件的編程，有許多現成的模塊可以使用，調用簡單的函數即可實現復雜的功能，入手容易，不必理解底層寄存器的復雜配置。學生可以從一個LED燈的點亮、一個溫度傳感器的數據讀取、一個繼電器的控制這些基礎做起，到逐步完成用APP去控制物聯網系統終端設備工作的整個學習過程。這類設備完全可以應用在物聯網專業學生從基礎實驗到學科競賽、課程設計等各個方面。更為重要的是學生通過這類開源物聯網設備的使用，可以實踐硬件接口的連接、理解模塊的工作原理、自己編寫源代碼去驅動硬件工作，真正掌握物聯網技術。如果設備模塊出現損壞，學生自己就可以用替代法排查故障源，只需更換損壞的模塊就可繼續進行學習，維修容易。

2.5? 傳感器

傳感器是物聯網中獲得數據的方法。傳感器有幾千種，價格有低有高，實驗室不可能采購所有的傳感器，而是針對不同應用采購傳感器，且按耗材采購。學生根據每類傳感器進行分析、設計、使用，完成終端數據采集及控制。

3? 高校物聯網專業實驗設備選用策略

通過對以上幾類物聯網實驗設備的分析，根據高校自身物聯網專業培養目標、學生的基礎情況、學校資金的安排，應合理選用物聯網實驗設備，最大程度輔助教學，提高學生實踐能力。對于實驗設備經費充足、學生理解能力強的高校，建議采購少量物聯網實訓平臺來提高學生對物聯網綜合系統的整體構建的認知，通過這些平臺去學習復雜物聯網系統的專業知識。采購滿足實驗學生人數的物聯網實驗箱和套件，利用這些設備去快速開發，進行學科競賽和課程設計。采購足夠數量的開源硬件，培養學生實踐能力，更好地鍛煉學生從零開發的能力。對于實驗經費緊張，更注重學生實踐能力培養的高校，建議更多采購成本低、應用廣，但是更能提升學習物聯網興趣的開源硬件。這類開源硬件的使用，可以讓學生從每個傳感器的連接、每個基礎功能的實現做起，極大地鍛煉學生的工程實踐能力。而且可以積累每一屆學生的開發經驗，為后續學生提供寶貴的學習資料，形成良性循環，最大程度地實現實驗設備的使用價值。

參考文獻：

[1] 陳呂洲.Arduino程序設計基礎：第2版 [M].北京：北京航空航天大學出版社，2015.

[2] [美]Brendan Horan.Raspberry Pi樹莓派實作應用 [M].翟娟，施暢，譯.北京：人民郵電出版社，2014.

作者簡介：張志廣（1975-），男，漢族，河北秦皇島人，物聯網專業講師，碩士，研究方向：物聯網。