高職物聯網專業課程體系建設與實踐

楊立志，金海峰

（江陰職業技術學院 計算機科學系，江蘇 江陰 214433）

0 引 言

當前，隨著物聯網技術的日益成熟和廣泛應用，人們的生產生活效率得到了大幅的提高，企事業單位的管理、作業模式發生了巨大變化，物聯網技術本身及相關人才越來越受到應用行業的青睞。

然而，物聯網技術涉及到聲、光、電等多個領域的知識，應用背景更是多種多樣。在教學中，如果僅僅按照傳統的教學模式和課程體系，圍繞物聯網的3層結構[1]，設計模擬的應用場景，如智能交通、智能農業等，講解諸如電子、網絡、程序設計等軟硬件知識，雖然能夠涵蓋從事物聯網技術應用所需的一般知識和技能，但由于模擬場景無法引起學生足夠的重視，模擬應用中的任務對學生來說也是不痛不癢，所以學生學習和掌握這些知識和技能仍然需要一個漫長的過程，具體到實際應用領域仍然是一知半解。如何結合實際的應用場景并組織相關知識點在高職物聯網專業中開展教學是本文要探討的主要問題。

1 搭建實際工業應用場景

本文選擇智能電化學水處理器控制系統，經適當簡化，作為物聯網專業課程體系建設的“龍骨”，該智能電化學水處理器的主要功能是，通過形成一種帶有疊加脈沖效應的低壓電場，對水的硬度、含菌量等指標進行改善，從而應用到中央空調循環水處理，以及鋼鐵、電子、紡織、發電等行業的廢水再利用，循環水處理環節中，該設備的優點主要表現在能夠替代傳統的依靠化學方法對水進行處理的方式，既節省成本又避免二次污染。

圍繞設備的主要功能，其主要組成單元如圖1所示。圖1中人機交互界面主要作為本地控制的接口，工業DTU作為設備與遠程服務器進行聯絡的接口，水質傳感器組主要完成電導率、硬度、酸堿度等相關水質參數的測量，此類參數有以下3種去向：

圖1 智能水處理設備功能單元

（1）傳送到人機交互界面進行顯示。

（2）經DTU傳送到遠程服務器進行顯示。

（3）現場控制器自身將根據水質參數當前值和目標值對電場及脈沖參數進行調整，以期盡快達到最佳處理效果。

在系統中除了具有協助設備進行工作的傳感器，還具有在設備運行過程中保護設備安全的保護傳感器組。保護傳感器組主要完成水溫、水流速、電場電壓、電流等參數的采集，將此類參數提交給現場控制器進行決策，保證系統的安全運行。按照電化學的理論，帶有脈沖效應的低壓電場對于水質的改善效果要明顯優于沒有脈沖效應的低壓電場。據此，本系統還設計了脈沖放大器組，用于提高水處理效果。I/O擴展器的主要功能是根據現場控制器的指令，驅動設備上的相關動力元件、功能部件等按照工藝流程進行工作。

2 課程體系規劃

上述系統涉及到物聯網應用技術多個方面的知識和技能，主要有：

（1）溫度、電壓、電流等常用傳感器功能特點及應用，傳感器安裝及調試。該部分需要學生掌握的內容主要有傳感器在項目中的作用、傳感器的數據輸出方式、量程規格、供電方式、防護等級等。比如電導率傳感器，其直接作用是測量不同水質的導電能力，供電氣人員判斷電化學設備的電解電流大小，間接作用是能夠給水質監測人員提供水質硬度判斷依據。該類型的傳感器測量到的數據如何傳輸給控制器，或者說控制器如何從傳感器中“拿到”測量值，是學生必須要掌握的知識。

眾所周知，常見工業傳感器的數據輸出方式一般有兩種：4～20 mA模擬量和RS 485通信。對于類似于4～20 mA的模擬量輸出信號，還要求學生理解掌握換算方法；對于以RS 485方式輸出的信號，往往按照ModBus協議與接收方交互，ModBus協議已經發展為一種工業技術標準[2]，掌握ModBus協議對于學生具有特別重要的意義。

（2）循環水泵、水閥、除垢電機等各種動力元件的工作特點及其控制方法，循環水工藝、排污工藝流程算法設計。從動力元件的控制精確度、可靠性關系到設備生產、處理產品的質量，相關動力元件的工藝流程的聯鎖動作不僅關系到產品生產質量，也關系到設備運行安全[3]。這部分知識往往是一般課程尤其是偏重于理論型課程中涉及不到的，許多學生畢業后由于沒有這方面知識經驗的積累，往往需要在工作崗位上實踐很長時間才能有信心、有底氣去著手動力元件的控制開發。在物聯網技術應用相關課程中設置這部分內容，有利于學生在課堂上就可以掌握工控領域中動力元器件的工作特性，安裝、維護方法，運行控制方法。這樣一來，就可以在工作崗位上從容應對。

（3）現場控制器功能特點、使用方法、程序設計方法。隨著技術的發展，當前工控領域有眾多的現場控制器、各種類型的PLC、各個廠家的單片機，由于應用場景、用戶需求、控制流程復雜度等各種因素的不同，而各有應用優勢。但ARM系列處理器因為穩定性、運行速度、價格優勢等多方面的因素被越來越多地應用到各種領域中[4]。以意法半導體的Cortex-M系列微處理器為主的各類工業控制器在抗干擾性、耐惡劣環境能力等方面經過眾多廠商的努力得到了很高的提升，再加上其本身擁有眾多的用戶群，今年來在工業物聯網應用領域也得到了廣泛的應用。

本文所述項目也是基于STM32F407IGT控制器進行開發，其豐富的硬件接口和資源為外圍器件的選型提供了極大的便利，如工業觸屏、工業DTU、擴展I/O模塊、電流電壓采集模塊、各類傳感器等。

軟件設計采用嵌入式實時操作系統作為基礎框架，該部分知識也是學生需要掌握的重點內容，許多嵌入式實時操作系統，體積小，源碼開放，整合了操作系統任務調度、資源管理等方面的核心內容，是學生學習和掌握操作系統相關知識的入門首選內容。

（4）人機交互設備使用方法、界面組態方法。人機交互是工業物聯網技術必不可少的一項內容[5]，為設備提供了現場控制、運行參數監視等重要功能。常見的人機交互設備主要有基于TCP/IP通信方法、基于RS 485通信方法、基于RS 232串口通信方法和基于TTL串口的通信方法等類型的觸摸屏[6-7]，這幾種類型的觸摸屏由于控制簡單、靈活且功能強大，在實際開發中應用較多。眾多的生產廠家也為各自推出的觸摸屏量身定制了開發（組態）環境，使得用戶經過簡單的學習或者練習就能夠設計出精美的工控界面，并快速應用到產品中去。本文所述項目中使用了昆侖通態工業觸屏作為產品本地控制界面，這部分內容的學習對于學生而言基本沒有門檻，同時也能增加學生的學習興趣和獲得感。

（5）遠程服務器構建方法，以及設備組網、參數采集、遠程控制等功能的組態方法。與人機交互設備的開發類似，當前工業服務器也有眾多成熟的產品[8]，如組態王、力控等。工業服務器也一樣提供組態環境，在組態環境中，除了含有基本的交互組件，如按鈕、文本框等之外，還含有實時數據存儲與轉換的各類變量，而與本地控制組態軟件不同的是，工業服務器組態軟件含有與本地或遠程數據庫的交互手段與方法，其中提供的虛擬遠程通信接口與物理遠程通信模塊的對接方法、通信協議的定義及其規則的應用等是相對難以理解和掌握的內容。這些知識需要學生通過觀察理解實驗現象、實踐練習等手段才能理解和掌握。

（6）斷路器、保險器、電源、DTU等模塊選型、安裝，控制柜布局、布線，設備調試、安裝等相關知識。該部分知識和技能是構建工業物聯網產品的“磚瓦”，學生從事工業物聯網技術應用一般是從掌握和應用這部分知識和技能開始的。這部分知識對于學生工程素質的培養和形成，工程思維能力的鍛煉有許多幫助，學習和掌握好這部分知識和技能能夠為學生日后從事工業物聯網技術設計和開發打下堅實的基礎，具有重要意義。

圍繞上述知識和技能特點，本文對高職物聯網專業相關課程設置見表1所列。

表1中，專業基礎課程部分的C程序設計、仿真機器人及嵌入式機器人編程三門課程在教學過程中按照上述順序串行實施。仿真機器人課程以Robomind平臺為教學環境，通過設計虛擬有趣的任務場景，讓學生學習掌握函數定義、調用、傳遞參數以及算法設計等知識。嵌入式機器人編程以Arduino系列單片機為硬件平臺，以Proteus為電路仿真平臺，以巡線機器人為課程任務開展教學，對專業基礎課程部分的知識和技能進行綜合運用，為后續專業課程相關內容學習做好準備。

表1 高職物聯網專業課程設置

專業課程部分以傳感器技術與應用、現場控制器程序設計作為物聯網傳感層開發技術的核心課程，以電導率、pH值、電壓、電流、水溫等傳感器應用為課程任務，通過對控制器編程、傳感器安裝部署、工程布線等工作任務的實施，開展教學和實訓。

工業組網技術、工業設備控制技術兩門課程作為物聯網網絡層的主導課程，主要以GPRS、NB-IoT、WiFi等無線通信技術[9-10]為主線，以智能水處理器處理目標參數、工作電氣參數、工控動作流程等為傳輸對象，結合用戶實際要求構建網絡拓撲，傳輸協議設計，網絡安全性、可靠性檢測等相關課程任務。

應用層主要采用當前應用廣泛的工業組態軟件的安裝部署、應用發布等為主要教學任務，其主要知識點涉及應用界面組態、腳本程序設計、I/O點組態、數據庫組態及數據關聯、嵌入式Web服務器功能設計、遠程通信鏈路設置等。

3 結 語

高職物聯網專業在專業能力培養方面以培養學生物聯網技術應用能力、項目實施能力為主要目標，通過引入實際工業應用項目，簡化后作為課堂教學任務，能夠有效地提高學生學習熱情，培養和鍛煉學生的實際作業能力。