基于物聯網的跨專業融合教學系統的研究

王青芝

（青島理工大學琴島學院，山東 青島 266106）

0 引言

科技進步推動不同領域技術的融合創新，各行各業推進數字化改革，對創新型復合人才的需求與日俱增，因此，高校人才培養目標向著“協同創新”“學科融合”方向發展[1]。物聯網作為一個涉及計算機技術、通信技術、電子技術、測控技術、機械制造等專業的交叉學科，各大高校在設立培養方案時均從跨專業融合教學方面著手。結合我院綜合實踐教學培養現狀，設計基于物聯網的跨專業融合教學系統，其教學目的主要有以下兩個方面：

（1）以物聯網實踐項目為基礎，培養不同專業學生之間團結協作的能力，發揮各個專業學生實踐能力，來共同解決實際問題，淡化專業的“專一性”，以達到融合教學的目的。

（2）以“硬件平臺”+“仿真平臺”相結合的方式，對不同專業學生因材施教。其具體體現如下：

①感知層技術的研發。傳統意義上感知層是多為物聯網工程、電子信息工程以及嵌入式工程等具有硬件開發基礎專業的學生研究。而本教學系統軟件提供模擬仿真平臺，各專業學生均可參與研究。

②網絡層技術的研發。傳統意義上的網絡層實現信息系統中的實體間的通信與互聯，多為網絡工程專業的學生研究。而本教學系統軟件中的網絡層實現了物理世界與信息系統的互聯，并采用模擬仿真系統，各專業學生都可參與到該系統中，學以致用。

③應用層技術的研發。傳統意義上的應用層多為網絡工程專業、計算機科學與技術等有上層應用開發經驗專業的學生研究。基于本系統各專業的學生均可將自己的產品通過應用層平臺發布到手機、PC客戶端進行相關操作并查看效果。

1 基于物聯網的跨專業融合教學系統設計

本系統主要由感知層、網絡層和應用層三層構成。其中，感知層采用OneNET NB-IOT開發板及各類傳感器搭建硬件電路，或者Cisco Packet Tracer軟件平臺仿真兩種方式；網絡層采用NB模塊與OneNET平臺互聯或Cisco Packet Tracer仿真平臺進行網絡和路由的配置兩種方式；應用層借助中國移動OneNET應用平臺實現數據在多種設備上的圖形化展示和用戶指令的下達。其系統結構圖如圖1所示。

圖1 基于物聯網的跨專業融合教學系統結構圖

2 基于物聯網的跨專業融合教學系統實現

基于物聯網的跨專業融合教學系統的實現從感知層、網絡層和應用層三層展開。首先，通過各類傳感器感應環境的溫度、濕度、煙霧濃度等信息傳遞給單片機；其次，單片機將物理信息收集處理后，通過依托于中國移動網的NB模組或構建局域網的方式傳遞給上層應用平臺；最后，應用平臺接收信息并進行分析處理，在PC端或手機端直觀展示，或者下達指令控制相關智能家居設備執行加濕、通風、加熱、開燈以及報警等功能[2]。

2.1 感知層構建與實現

感知層采用OneNET NB-IOT開發板及各類傳感器搭建硬件電路，或者使用Cisco Packet Tracer軟件平臺仿真兩種方式，其具體實現如下：

（1）采用OneNET NB-IOT開發板及各類傳感器搭建硬件電路。

圖2是OneNET NB-IOT開發板實物圖，OneNET NB-IOT開發板以ARM Cortex-M3 32位微處理器STM32F103RET6為核心,通過LCD1602實時地顯示傳感器DHT11檢測到的溫濕度值，同時，搭載中國移動的M5310NB模組，通過AT指令實現與OneNET平臺的互聯互通。

圖2 OneNET NB-IOT 開發板實物圖

（2）使用Cisco Packet Tracer軟件平臺仿真。對于網絡工程、計算機科學與技術等專業學生，其課程體系中沒有單片機和傳感器等硬件基礎課程，可以使用Cisco Packet Tracer軟件平臺仿真各類傳感器和開發板的功能，完成感知層設備的搭建（如圖3所示）。

圖3 基于Cisco Packet Tracer 平臺的溫濕度監測系統

2.2 網絡層構建與實現

網絡層采用NB模塊與OneNET平臺互聯或通過仿真平臺進行網絡和路由的配置，其具體實現如下：

（1）采用NB模塊與OneNET平臺互聯。由于OneNET NB-IOT開發板內置OneNET協議的NB模組M5310,用戶通過AT指令完成開發板與OneNET平臺的互聯互通。設備接入OneNET流程圖如圖4所示。

圖4 設備接入OneNET 流程圖

（2）通過仿真平臺進行網絡和路由的配置。對于網絡工程和計算機科學與技術以外大多數專業的學生沒有接觸過路由與交換的課程，讓學生實際去搭建局域網或移動網系統存在一定難度。通過仿真平臺進行網絡和路由的配置，可以通過模擬仿真的形式如圖3所示，使學生搭建局域網或使用移動網，同時了解與使用MQTT、HTTP、TCP、LwM2M等多種協議標準[3]。

2.3 應用層構建與實現

應用層借助中國移動OneNET平臺實現數據在多種設備上的圖形化展示，其基本流程如圖5所示。PC端溫濕度數據流展示與智能家居控制如圖6所示，手機端溫濕度數據展示與閾值設定如圖7所示。

圖5 OneNET 平臺設備構建與數據展示流程圖

圖6 PC 端溫濕度數據流展示與智能家居控制

圖7 手機端溫濕度數據展示與閾值設定

應用層不僅可以實現數據在多種設備上的圖形化展示，同時可以對數據進行分析處理和下發指令控制相應智能設備的運轉[4-10]。比如溫度過高時，打開風扇；溫度過低時，打開加熱片；濕度過低時，打開加濕器等。

圖8 溫度過高時，風扇開啟

圖9 打開家門，各種智能家居設備自動運轉

3 結語

基于物聯網的跨專業融合教學系統立足我院實踐融合教學現狀，以物聯網實踐項目為依托，采用軟件平臺仿真和硬件系統搭建兩種方式，靈活性高，實用性強。該系統面向多個專業的學生，符合跨專業，學科融合的需求。后期可對其應用平臺進一步擴展，開發更多實踐教學案例，以滿足不同專業，不同研究方向的學生使用。