物聯網實驗室建設與探討

張天平

(武昌工學院信息工程學院，湖北 武漢 430065)

1 高校物聯網實驗室建設存在的問題

(1)在人才培養方案上缺乏綜合應用創新性實驗，不少學校都是將相關學科進行簡單拼湊，在實驗類型上只注重于“驗證性實驗”而缺乏“綜合應用實驗”[1]。(2)在實驗室建設過程中，或者將本校已有相關專業的功能實驗室進行簡單拼湊作為新專業的物聯網實驗室，缺乏整體系統性，導致實驗功能不過是將幾個相關實驗室的實驗進行簡單疊加；或者物聯網實驗室只提供實驗箱，缺乏物聯網的綜合應用開發環境，無法完成同時涉及整個物聯網架構的實驗。(3)實驗室建設過程中忽略綜合應用開發環境的建設，只是注重演示或體驗[2-3]。

2 本校物聯網實驗室建設

2.1 物聯網實驗室建設目標

建設物聯網實驗室時必須具備高度的前瞻性，由于計算機行業的各類硬件設備更新換代比較快，在對物聯網實驗室進行建設時期一定要注意每一個項目的硬件都必須能夠滿足3～5年的需求，也就是說在5年以內的時間里，物聯網實驗室的設備是不會被淘汰的，就算升級也要相對簡單方便，因此，選型設備應該具備快捷升級的特點。其次需要對現投入的硬件和軟件做最大的保護，因此，在選擇設備廠商時一定要選擇有實力并且信譽良好的合作伙伴，確保在未來的時間里能夠為物聯網實驗室提供良好而又強大的售后服務支持[3]。

2.2 物聯網實驗室建設內容

(1)基礎實驗室。物聯網基礎技術實驗系統(實驗箱)由Cortex-A9嵌入式智能終端、無線通信模塊節點、智能傳感器模塊和擴展調試配件4個部分構成。

高性能四核處理器Cortex-A9為核心控制器，板載16個通信模塊節點和12個傳感器模塊，用戶可任意配置通信節點、傳感器模塊的種類與數量。通過本教學實訓系統，學生可加深對物聯網各個行業(農業、家居、貨柜、醫療)系統的了解，熟悉物聯網技術發展的最新技術。可深入學習嵌入式ARM技術的硬件組成、操作系統及圖形用戶界面的移植、應用程序開發等技術；也可針對ZIGBEE技術、藍牙4.0技術、WIFI技術等無線傳感技術進行學習和了解；也可進行各種RFID技術、傳感技術的學習。

基礎實驗室設備的主要規格參數如下：

智能終端采用主流的Samsung Cortex-A9處理器，網關將處理器的所有應用接口全部引出，配套實驗教程，支持對網關進行深度地嵌入式學習和開發。網關可以搭載Zigbee、433、藍牙、Wi-Fi等模塊，采用統一接口，是實現所有信息的匯聚處理平臺，嵌入式網關提供智能溫室大棚、智能家居、智能交通、智能倉儲貨架等管理軟件。

通信模塊，節點種類涵蓋ZigBee、IPv6、藍牙、Wi-Fi和RFID讀寫器，另可選配攝像頭、GPS、北斗2代、GPRS、3G、條碼、指紋、微型打印機等多種模塊，傳感器種類多達30余種，是一款配置齊全、功能強大、性能卓越的物聯網教學科研綜合實驗平臺。

軟件資源：Android嵌入式系統版本：Android 4.2.2。交叉編譯器：arm-linux-gcc-4.5.1-v6-vfp。U-boot：完全開源的U-boot；支持Fastboot下載燒寫；支持SD卡啟動；支持原生的命令行模式，可更改啟動參數等；支持eMMC讀寫操作。Superboot：支持SD卡脫機快速燒寫；支持EXT3/4格式系統文件燒寫；支持自動識別MMC/NAND啟動。

實訓項目包含基礎實驗、應用實驗、綜合實訓實驗，其中基礎實驗共計28個，包含：CC2530 GPIO實驗、CC2530 UART串口實驗、CC2530定時器實驗、CC2530 AD轉換實驗、CC2530外部中斷實驗等等。應用實驗共計35個，包含：煙霧傳感器實驗、光照傳感器實驗、雨滴傳感器實驗、人體感應傳感器實驗、火警傳感器實驗等等。綜合實訓實驗共計7個，包含：物聯網智能家居安防綜合系統實驗、物聯網智能家居環境監控綜合系統實驗、物聯網智能醫療應用開發、物聯網應用之可調燈光設計實驗、物聯網RFID貨柜應用開發等等。

(2)綜合實驗室。綜合實驗室配置有綜合實訓開發平臺和綜合應用平臺。綜合實訓開發平臺用于引導學生自主實踐，同時也服務于課程設計、學科競賽，培養學生的創新思維與工程思維。綜合應用平臺用于引導學生進行自主體驗，促進學生進行項目研發。

綜合實訓開發平臺結構：臺體+核心網關+智能Wi-Fi模塊+高清網絡攝像頭+USB虛擬串口+相關開發工具及各種物聯網終端模塊。其中，智能WIFI模塊基于高通Atheros AR9331 SOC方案，支持基于linux內核的OpenWrt路由系統，模塊有2個10/100Mbps支持自動翻轉的LAN/WAN以太網口，支持U盤、USB轉串口、USB攝像頭、USB移動硬盤、USB 3G/4G網卡、USB無線網卡等超多USB設備，支持IEEE802.11 b/g/n，無線速率最大150Mbps，無線傳輸距離100m以上(空曠地帶)，能夠支持路由、AP、中繼、橋接等多種工作模式。并且配置門磁、窗簾控制器、溫濕度、LED燈、煙霧、人體紅外報警等傳感器，能夠與軟件系統和核心網關配合進行以下綜合實訓應用和創新開發。智能控制系統軟件，用來收集和控制系統內部各傳感器的數據和視頻圖像，并通過遠程的方式控制各設備的動作。系統軟件采用WEB端控制方式：大量帶有如溫濕度、煙霧、人體紅外傳感器的Zigbee節點模塊進行組網，通過Zigbee協調器把節點傳感器數據通過串口傳送到PC。WEB端分別顯示：數據監控顯示、情景模式、開關控制、網絡連接、空調遙控、監控視頻、報警、定時功能等。

綜合應用平臺是根據現有實驗室進行改造，并采用實物布景裝飾，主要功能有以下幾點：(1)家居安防：射頻門禁控制與門磁感應，電動窗簾控制，室內環境監控，溫濕度、可燃氣、煙霧、光照、人體檢測、水浸、紅外柵欄、震動、報警燈、燈光控制等功能；(2)家電控制：對常見多種紅外家電統一進行遙控控制；(3)視頻監控：實時對家居中的環境進行本地和遠程視頻監控；(4)本地監控：兼容B/S、C/S兩套軟件架構，不僅可以通過智能終端的觸摸顯示屏實現本地功能監控、還可通過移動手持終端客戶端訪問和遠程互聯網WEB頁面訪問；(5)數據備份：數據庫對家居環境及安防報警信息進行實時數據備份，可擴展連接云服務器，通過云端程序進行數據信息瀏覽與查看。

綜合應用平臺系統配置

(1)ARM網關一個；(2)配置液晶電視、手機、平板電腦、全向紅外轉發器、報警燈、緊急按鈕、LED調光燈、人體感應傳感器、光照傳感器、紅外柵欄傳感器、煙霧傳感器、水浸傳感器、溫濕度傳感器、可燃氣傳感器、震動傳感器、云臺攝像機、門禁攝像機、窗簾控制器、電動窗簾、出門開關、門磁、電磁鎖、門禁卡、門禁讀卡器、無線路由等硬件。

3 物聯網實驗室建設應該注意的問題

3.1 與本學校人才培養特色相適應

每所大學都有自身的優勢專業，在物聯網實驗室建設中，各個大學應根據自身的人才培養特色，根據本學校物聯網專業人才培養的具體目標進行建設[4]。

3.2 具備先進性、開放性

物聯網實驗室可面向社會開放，接待其他學校的教師和學生進行實驗和科研；可以作為高校物聯網實驗室解決方案的展示點供其他單位學習觀摩；還可以與實驗設備供應商合作組建物聯網教學實驗設備維護中心[5]。

3.3 物聯網實驗室師資隊伍建設

物聯網技術涉及的知識面非常寬，因此擔任單一學科的實驗室老師是無法勝任實驗教學指導和管理工作的。同時如果單獨啟用學校內的計算機相關教育資源對學生進行教學，其效果是不明顯的，甚至由于許多校內教師還沒有真正地理解物聯網技術，很多教師在理論教學方面還可以勝任教學工作，但是在實踐方面卻是遠遠不足的。因此，我們應當聘請物聯網技術公司的高級工程師進行課堂授課并且支持骨干教師參與企業項目合作開發，做到教學科研兩不誤。

4 結語

本文對現在高校物聯網實驗室建設存在的問題進行分析，結合本校物聯網實驗室建設體會，提出了物聯網實驗室建設應該注意的事項。物聯網實驗室的建設有利于促進對物聯網相關技術人才的培養，因此，應當加大和普及物聯網實驗室的建設力度，使各大院校培養出更多具有實踐動手能力的物聯網技術人才。