物聯網專業實訓平臺的研究

摘? 要：結合物聯網專業課程體系內容與專業目標崗位應具備的核心能力，對物聯網專業實訓平臺進行分層次研究并總結關鍵技術與內容，得到實訓平臺中層次結構、前端設備、通信協議、應用接口和方法、終端應用等關鍵技術，并以平臺設備為農業管理系統的感知層，在此基礎上按照需求分析、硬件設計、界面設計、功能實現的流程開發具備數據采集、傳輸、顯示及遠程終端外圍設備控制功能的移動終端農業管理系統。

關鍵詞：物聯網;仿真平臺;農業管理系統

中圖分類號：TP391.44-4;TN929.5-4 ? ? ?文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2020）22-0171-04

Research on Professional Training Platform of Internet of Things

——Take Agricultural Management System Based on WSN + Simulation Technology as an Example

WANG Shuang

（Changchun Polytechnic，Changchun? 130033，China）

Abstract：Combined with the content of IoT professional curriculum system and the core competence of professional target position，the IoT professional training platform is studied hierarchically and the key technologies and contents are summarized. The key technologies such as hierarchical structure，front-end equipment，communication protocol，application interface and method，terminal application in the training platform are obtained，and the platform equipment is used as the perception layer of agricultural management system. On this basis，according to the process of demand analysis，hardware design，interface design and function realization，a mobile terminal agricultural management system with data acquisition，transmission，display and remote terminal peripheral control functions is developed.

Keywords：internet of things;simulation platform;agricultural management system

0? 引? 言

5G時代的三大類應用場景分別是：增強型的移動互聯網業務應用、海量連接的物聯網應用、超高可靠性與超低時延業務的應用。后兩種場景的應用隨著5G技術的興起和逐步成熟并覆蓋到了生活、生產的方方面面。可以說5G技術與物聯網技術是相輔相成并迅速發展的，這種發展也使得物聯網綜合性人才的需求呈現爆發式增長。但是，物聯網是一個復雜的大系統，涵蓋了多領域的技術與知識，高等職業教育怎樣在有限的人才培養時間和學時中培養出符合職業崗位需求的創新復合型人才是現在急需解決的問題。知識復雜需要整合，崗位實踐性高需要培養核心技術技能，針對這兩個物聯網專業人才培養中最主要的問題，對物聯網專業的核心實踐課程教學平臺進行研究，以期依托平臺能夠對學生進行綜合職業技能培養與全面知識體系的建立。

1? 平臺前端設備的應用

物聯網前端設備涵蓋廣泛，前段設備是物聯網應用系統的“五覺”，是物聯網應用系統的硬件基礎與數據來源。前端設備籠統地說主要包含兩部分：傳感器與RFID設備。平臺中涵蓋包括電源;各協議系統中的不同頻段RFID設備，如低頻125 kHz設備、高頻段ISO 1443和ISO 15693設備、超高頻讀寫器設備、有源2.4 GHz設備等;遵循不同無線通信協議的WSN設備;條形碼和二維碼模擬設備;能夠通過繼電器控制的可開關設備，如風扇、遮陽板、水簾、澆灌、蜂鳴器、電磁鎖等;最后用于傳感網與外部網絡通信以及管理的網關設備。平臺中的設備具有與真實設備一致的屬性與接口，并且已經打包好可供調用的接口函數。以農業管理系統為例，基于以上設備可以搭建的感知層層次結構為：該系統的前端設備包括監測影響農作物生長各要素所需的傳感器和可控設備，比如空氣溫濕度模擬器和與之配合的傳感器、土壤溫濕度模擬器和與之配合使用的傳感器、光照模擬器和與之配合使用的傳感器、二氧化碳濃度模擬器和傳感器，天窗、噴灌、水簾、遮陽板、內外通風都通過繼電器控制，和真實應用場景中一樣，最終通過協調器和網關將數據傳出并將終端命令輸入。

2? 平臺遵循的通信協議

物聯網的網絡層包含感知層中前端設備所組成的各種有線和無線通信網、私有網、互聯網、網絡管理系統和云計算平臺等組成，負責傳遞和處理感知層獲取的信息。教學平臺中所涉及的重點是前端設備按照不同的通信協議所組成的無線通信網以及網關和云平臺之間的通信。

能夠在平臺中模擬的無線通信前端設備主要包括溫濕度、煙霧、光照、人體感應、PM2.5、震動傳感器等，這些根據不同的通信協議加載的通信模塊包括NB-loT、LoRa、Wi-Fi、藍牙、ZigBee等。其中因為ZigBee通信協議的優勢，搭載此通信協議的傳感器還包括很多專用傳感器，如氣壓、位移、角度、扭矩、拉力、壓力、熱偶、激光測距、火焰、超聲液位、液化石油氣、聲音、光敏傳感器等專用型傳感器和工業物聯網中的傳感器。這些傳感器搭配專用的環境模擬器實現仿真設備對于環境的數據采集功能與外圍設備的控制。在由傳感器組成的無線通信網絡中核心是網關，網關與協調器通過模擬串口相連接，協調器再與傳感器按照特定的通信協議組成通信網，傳感器配合環境模擬器進行數據采集，或者和繼電器搭配進行外圍設備的控制，如窗簾的開關和燈泡的開關。

遵循NB-loT通信協議的傳感器設備可以通過外部網絡將所采集到的數據上傳到云平臺，通過云平臺與移動終端的連接達到對繼電器所控制設備以及其他聯網可控設備進行開關或調節的目的。在云平臺中針對不同的傳感器創建不同類型的產品和設備，保存云平臺創建的設備關鍵字，然后在仿真平臺中將關鍵字輸入傳感器設備中進行云平臺到仿真平臺的連接，云平臺進而和應用層中與用戶交互的應用相連接。

3? 基于平臺硬件的移動終端應用的開發

應用層的作用是物聯網與用戶的接口，用戶可以是使用應用的人也可以是更上一層的控制系統。應用層程序遵循行業需求開發，實現物聯網整體的智能應用。若沒有應用層這個接口的存在，物聯網沒有辦法發揮作用。平臺應用層的開發包括上位機的開發和移動終端的開發。

基于平臺的上位機開發主要應用的語言是C#，因為語言的通用性與靈活性所以基于感知層和網絡層的應用有很多，比如基于WinForm控件的基礎開發，基于RFID技術的低頻、高頻、超高頻、有源2.4 GHz等的專項練習開發和基于這些模擬設備的智慧商城、校園一卡通、門禁系統、停車場系統等實際小型應用的拆解模擬式開發。移動終端應用開發同樣可以使用這些模擬外設來實現，只是需要加載不同類別的接口函數。可以使用Java語言完成對模擬設備的控制，如打開串口、標簽讀取、數據寫入、數據讀取等，也可以對無線傳感網進行連接網關、采集傳感器數據、控制繼電器等。在此基礎上使用Android語言可以進行綜合應用的開發，如智能家居網關與設備的添加與控制、場景的設置等。通過綜合開發讓學生了解物聯網各個層級的知識，形成完整的知識體系。平臺整體層次與關系如圖1所示。

圖1是仿真平臺中的另一個綜合應用——“智能家居仿真模擬管理系統”的抽象結構圖。仿真教學平臺中移動終端與傳感器、繼電器的通信與控制有一個關鍵前提就是需要將感知層中每個傳感器抽象成為類，每個類按照屬性抽象出對應控制行為的方法，這樣才能通過應用層程序實現對感知層前端設備的控制。比如簡單的低頻125 kHz門禁系統中想要實現對標簽的讀取，首先要建立標簽類，然后為標簽添加連接與斷開連接方法、讀寫數據塊方法等，之后再建立連接端口，讀寫數據界面時才能調用這個方法完成對標簽的各種操作。

基于以上研究結果，為解決物聯網專業實際教學中所遇到的問題，作者所在的“移動終端開發”課程組在模擬仿真平臺企業技術人員的幫助下，以平臺的虛擬仿真硬件為前端設備，以設備中的接口方法為數據采集和命令傳遞點，自主開發了運行在移動終端的農業管理系統應用程序，該系統具備通過網關與模擬端口和硬件平臺進行通信，從而具備手動控制調節內外遮陽板設備、通風和灌溉設備，采集土壤的溫濕度、二氧化碳濃度的功能。課程組教師結合真實農業種植需求與平臺的硬件設備功能完成包括設計界面、硬件設備搭建、接口方法重寫等工作，并將開發后的應用作為綜合實踐項目應用于教學中。農業管理系統移動終端應用的運行效果如圖2所示。

農業管理系統移動終端應用的開發流程為：

（1）需求分析：通過專業教師對城鎮周邊的實地考察，總結出現代農業種植大棚需要關注和測量的數據及普遍采用的控制設備，列出系統需求，包括能夠測量大棚內空氣的溫濕度、土壤溫濕度等;能夠實現大棚內外設備的控制功能如開關通風系統和遮陽系統等。根據需求列出系統的功能模塊和對應的界面。系統應包含的功能模塊有登錄功能、數據顯示功能和設備控制功能以及智能控制功能。

（2）仿真平臺硬件系統搭建：根據確定的需求，在平臺上搭建需要的硬件系統。硬件系統所包含的硬件及其連接關系如圖3所示。

（3）界面設計：因為是功能型應用，所以界面設計偏簡潔，功能盡量在主頁中一目了然。如圖2所示的界面都是采用嵌套的線性布局實現的，主頁的數據顯示區域是以圖片為背景的編輯框搭配文本框呈現數據。需要呈現的數據包括空氣濕度、空氣溫度、土壤深度、土壤溫度、光照強度、CO2濃度;功能控制區域為動畫和通過圖像視圖控件中單擊事件切換填充圖片方法實現的功能設置按鈕，包括外通風、內通風、外遮陽、內遮陽、天窗、噴灌、水簾與智能控制;除主界面外還有登錄連接界面，包含網關、串口輸入文本框與連接按鈕;智能控制輸入界面包括繼電器的綁定與設置范圍值輸入文本框以及確定設置按鈕。

（4）功能實現：系統中所有功能的實現的流程都是重寫控件的特定事件所對應的方法，重寫的代碼內調用底層準備好的API。如想獲取傳感器采集器的數據，需要在Farmeing Activity類也就是我們的主界面的Activity功能代碼中定義get Data（）方法，該方法通過ZigBee API調用getCollector Data（）

方法獲取數據，然后通過Handler更新主界面上的數據，ZigBee API就是平臺為我們留好的遵循ZigBee通信協議的硬件內的調用接口，調取不同傳感器數據就是調取不同傳感器接口方法。如果想實現單個設備的控制要使用setRelay LoopState（）方法，方法的參數包括繼電器序列號、繼電器數據、通道數據，這些數據通過Intent傳遞到設備設置，如風扇狀態設置方法setFanState（）中去完成設備的控制，每個設備都有自己的設置方法，在這些方法中調用硬件平臺中的設置接口。

4? 結? 論

經過對教學平臺的研究發現，虛擬教學平臺的引入解決了物聯網專業教學中的很多問題，平臺整合了所有物聯網的關鍵技術，并提供了全面的，可供開發者靈活使用的前端設備和通信協議。平臺使用者無論師生都可以在基于平臺的應用開發過程中生動又全面的掌握典型的物聯網應用系統從需求到功能實現所需的全部技術與知識，以此平臺為依托可以開展全方位、多形式的物聯網教學與開發。

參考文獻：

[1] 秦磊華，石柯，甘早斌.基于CDIO的物聯網工程專業實踐教學體系 [J].高等工程教育研究，2013（5）：168-172.

[2] 張軍.面向5G時代的通信類課程教學改革 [J].教育教學論壇，2020（26）：355-356.

[3] 李艷，高藝航，張帥.基于CDIO的高職物聯網工程專業層次化實踐教學體系的創新研究 [J].計算機產品與流通，2020（4）：189+193.

作者簡介：王爽（1984—），女，漢族，吉林長春人，教師，講師，碩士，研究方向：物聯網技術。