新工科背景下物聯(lián)網綜合實驗平臺設計

董懷國 車楠 杜寧

摘??要：根據新工科背景下新興產業(yè)對物聯(lián)網專業(yè)的實際應用性和綜合交叉性的升級改造需求，以培養(yǎng)學生工程實踐能力為目標，通過自主研發(fā)可重構的開源綜合物聯(lián)網實驗平臺，為學院物聯(lián)網專業(yè)理論體系優(yōu)化與實踐教學改革提供有力支撐。同時，結合實踐實訓需求，以平臺為依托，以項目為導向，探索建立滿足教學要求的工程性綜合案例庫，全面提升學生實踐能力。

關鍵詞：實驗平臺??物聯(lián)網??新工科??綜合性

中圖分類號：TN91;G642.423?????????文獻標識碼：A

Design?of?the?Integrated?Experimental?Platform?of?Internet?of?Things?under?the?Background?of?New?Engineering

DONG?Huaiguo??CHE?Nan??DU?Ning

（Harbin?University?of?Science?and?Technology，?Harbin，?Heilongjiang?Province，150080??China）

Abstract：?According?to?the?upgrading?and?transformation?needs?of?emerging?industries?for?the?practical?application?and?comprehensive?intersectionality?of?the?Internet?of?Things?specialty?under?the?background?of?new?engineering，?this?paper?takes?the?cultivation?of?students'?engineering?practice?ability?as?the?goal，?and?provides?strong?support?for?the?optimization?of?the?theoretical?system?and?the?reform?of?practical?teaching?of?the?Internet?of?Things?specialty?through?the?independent?research?and?development?of?a?reconfigurable?open-source?integrated?experimental?platform?of?Internet of?Things.?At?the?same?time，?combined?with?the?needs?of?practical?training，?relying?on?the?platform?and?taking?the?project?as?the?guide，?it?explores?and?establishes?an?engineering?comprehensive?case?library?that?meets?the?teaching?requirements?to?comprehensively?improve?students'?practical?ability.

Key?Words：?Experimental?platform;?Internet?of?Things;?New?engineering;?Integrity

1?綜合實驗平臺研制的背景

物聯(lián)網技術是新工科背景下各行業(yè)發(fā)展、升級的重要支撐，在5G?時代下，物聯(lián)網將會迎來一個巨大的發(fā)展機遇，相關行業(yè)發(fā)展迅猛，對人才需求量巨大。因此，如何提升高等教育綜合實踐教學水平，培養(yǎng)滿足行業(yè)要求的合格人才是各高校物聯(lián)網專業(yè)所面臨的共同問題?[1]。

物聯(lián)網是一門多學科交叉的專業(yè)，?融合了計算機技術、網絡通信、電子信息等學科，內容龐雜，要想縱深地理解物聯(lián)網的體系結構，建立完整的知識體系，必須強化實踐環(huán)節(jié)。綜合平臺的搭建可以讓學生直觀地感知物聯(lián)網所涉及的內容及各層的交互關系，進而提高學生的動手能力，有效達到人才培養(yǎng)目的[2]。因此，從實踐角度探討實踐平臺開發(fā)對提升高校物聯(lián)網專業(yè)建設質量，進一步夯實“中國制造2025”等國家計劃有積極意義[3]。

目前，國內物聯(lián)網專業(yè)本科生的專業(yè)理論知識相對扎實，但實踐創(chuàng)新能力與世界一流大學相比仍有較大的差距[4]。而現有實踐平臺對物聯(lián)網體系架構支撐不足，難以滿足學生的工程實踐需求[5]。因此，為提升物聯(lián)網專業(yè)綜合實踐教學水平，研制對接真實工業(yè)開發(fā)場景的綜合實驗平臺是非常必要的教學手段。哈爾濱理工大學計算機科學與技術學院自2014年建立物聯(lián)網專業(yè)，項目團隊在之前嵌入式設備開發(fā)研制的基礎上，經過不斷探索，自主研發(fā)了可重構的開源綜合物聯(lián)網實驗平臺和配套的項目級案例庫，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新實踐能力，在物聯(lián)網實踐教學過程中取得良好的教學效果。

2?綜合實驗平臺的研制

2.1?實驗平臺的架構設計

此課題的設計目的是建立一套涵蓋數據感知、數據傳輸、數據處理、云計算等知識領域的系統(tǒng)性綜合物聯(lián)網實驗平臺，設計方式以自主開發(fā)為主，根據物聯(lián)網專業(yè)教學體系對實踐環(huán)節(jié)的要求，借鑒Digi、華為、小米等國內外主流物聯(lián)網廠商的開發(fā)模式，搭建適應工業(yè)標準的開源物聯(lián)網綜合平臺，平臺整體架構如圖1所示。

平臺設計涵蓋了物聯(lián)網體系架構的感知層、網絡層和應用層，可實踐項目包括物聯(lián)網課程體系所涉及的實驗內容，滿足本科與研究生實踐教學需求。同時，為滿足學生自主開發(fā)的需求，實驗平臺設計采用模塊化組態(tài)設計方案，組件和環(huán)境可靈活配置，所有組件都是按模塊封裝，可以任意組合，具有可重構性和靈活性。學生在了解實驗平臺通用標準架構的前提下可以進行自主開發(fā)，針對物聯(lián)網項目需求靈活配置軟硬件組件，按需組板、自由加載外圍硬件，大大提升學生的自主開發(fā)能力和學習興趣。平臺遵循開源標準，所有軟硬件核心代碼均可提供，軟硬件實驗接口參考標準封裝格式，學生可以通過接口配置環(huán)境信息、運行嵌入式代碼、定制控制信息，實現多元化開發(fā)方式，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識與能力。

2.2?實驗平臺的組成和功能

實驗平臺所有硬件均采用自制設備形式，由封裝好的開發(fā)板、外圍組件、網關等硬件組成，具體的實物形式如圖2所示。按功能劃分主要包括物聯(lián)網基礎實驗平臺、物聯(lián)網嵌入式實驗平臺、無線通信實驗系統(tǒng)、無線模塊和外圍軟硬件等。

2.2.1基礎實驗系統(tǒng)設計

基礎實驗系統(tǒng)包括基礎實驗平臺和嵌入式實驗平臺兩部分，可完成的實驗內容主要為傳感器技術與應用、物聯(lián)網通信技術、無線傳感器網絡等映射到物聯(lián)網傳感層和傳輸層的專業(yè)基礎和方向課程，可以支撐物聯(lián)網專業(yè)大部分課程的實驗和實踐教學內容。

硬件設計方面，平臺微處理器采用Arduino?M0（Cortex?M0+內核）和STM32?微處理器可選模式，支持遞進式實驗內容設計。Arduino是開源創(chuàng)客平臺，在互聯(lián)網上有大量的實踐案例，可以直接用C語言和C++語言進行硬件開發(fā)，適合大一學生學習硬件，利用Arduino處理器進行入門教學，大大提高了學生的硬件學習興趣和能力，為之后進行其他硬件學習奠定基礎。物聯(lián)網專業(yè)大一學生可以選擇Arduino進行初級實驗項目設計，到學習完硬件語言基礎課后再進階選擇STM32微處理器進行高級實驗內容，由淺入深，符合學生學習的認知規(guī)律。

平臺為物聯(lián)網的傳感網絡設計了豐富的外圍硬件接入，傳感器采用固態(tài)封裝、開關切換的方式，無線通信模塊接入方式設計為統(tǒng)一的針腳封裝，采用即插即用的替換方式，方便學生任意搭建多種傳感器和無線網絡制式的傳感網。無線網絡提供豐富的通信接口，支持Wi-Fi、Bluetooth2.0、Bluetooth4.0、ZigBee（XBEE）、ZigBee（TICC2530）?、802.15.4、IPv6、Lora等主流無線通信協(xié)議。其中，RFID應用提供低頻（125?K）、高頻（13.56?MHz）、超高頻（900?MHz）、有源2.4G等選擇。外圍傳感器提供TVOC、PM2.5、三軸加速度、熱釋電、溫濕度、震動、光敏、熱敏、震動、紅外、火焰等。同時開放平臺傳感器接入接口，可以兼容各種外圍傳感器，滿足不同項目功能需求的設計和實現。

2.2.2無線通信系統(tǒng)設計

無線通信系統(tǒng)主要支持通信原理實驗，驗證無線信號調制、信號發(fā)送、接收與解調。通信原理是物聯(lián)網專業(yè)的一門重要的專業(yè)課程，對理論與實踐的結合要求較高。傳統(tǒng)的通信原理實驗教學多以驗證性實驗為主，無法提升學生的綜合實驗能力，不符合新興科學對實踐教學的要求。而一些高校采用NI開發(fā)的通用軟件無線電外設（Universal?Software?Radio?Peripheral，USRP）[6]造價比較高，一般高校無法承擔。為解決以上問題，該系統(tǒng)采用軟硬件相結合的方式，采用自主開發(fā)Gnu-Radio+USRP的無線通信驗證環(huán)境，大大降低了硬件造價。系統(tǒng)提供本地實現虛擬仿真通信實驗和硬件調試，同時提供優(yōu)盤承載調試環(huán)境和遠程調試多種方式，方便學生隨時進行硬件實驗，解決了硬件實驗的空間制約問題。

通信系統(tǒng)基帶信號處理器采用Intel?Cyclone?IV?系列FPGA，使用Qsys構建硬件系統(tǒng)，NIOS?II軟核CPU?C/C++編程實現控制，簡化FPGA代碼開發(fā)。數據傳輸模塊全面支持USB3.0數據傳輸協(xié)議，傳輸速度能夠達到5Gbps。系統(tǒng)針對Zigbee/802.15.4?FPGA級的調制解調實驗，可以實現芯片級解碼，讓學生深入了解和學習底層通信場景。

在實踐教學環(huán)節(jié)，無線通信系統(tǒng)提供了以標準802.15.4/ZigBee物理層實現為例的無線通信原理實驗，對于CC2530、XBEE等802.15.4/ZigBee標準射頻芯片所發(fā)出射頻信號進行采樣，并完成從信號到數據的解調過程，學生可以獨立完成802.15.4/ZigBee所采用OQPSK信號整個解調過程，即signal->symbol->chip->bit的過程，可以充分理解為什么該種信號可以實現抗無線干擾和相對可靠的數據傳輸；同時也可以讓學生自己構造信號完成調制過程并與標準ZigBee/802.15.4模塊進行通信，學習包括OQPSK在內的多種信號構造原理，學生可以直觀地看到實驗結果，從而加深對抽象的理論知識的理解。

2.2.3?綜合案例庫設計

現有的物聯(lián)網實驗教學過程中，實驗案例資源碎片化現象嚴重。學生無法將各學科的知識有效地聯(lián)系在一起，所以需要有綜合性的實驗案例設計從整體宏觀的角度展示物聯(lián)網架構和學科的關聯(lián)性，整合課程體系，建立學生系統(tǒng)觀，保證實踐教學能力目標的達成。

針對以上問題，在綜合實驗平臺的基礎上完成綜合案例庫的建立。傳感網的搭建結合多種通信方式，可以開展傳感數據采集、組網傳輸。利用外圍終端包括網關、Android移動端、服務器、云平臺等實現外圍接收處理傳感數據和傳感網絡控制功能，從而實現了物聯(lián)網平臺的搭建。針對實際項目需求，設計項目為導向的綜合實驗內容，滿足實踐實訓和案例庫搭建的功能需求。目前，已經設計并實現了多個平臺配套的案例式的綜合實驗，涉及智能家居、農業(yè)、環(huán)境、健康監(jiān)測等不同應用場景。案例教學給學生進行自主開發(fā)夯實了技術基礎，學生從案例中獲得啟發(fā)，開拓了設計思路，申報國家級、省級創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目，參加“互聯(lián)網+”大賽，取得了不錯的成績，專業(yè)的整體就業(yè)率大幅提高。

3??綜合實驗平臺解決的教學問題

物聯(lián)網綜合實驗平臺的搭建以滿足新工科對實踐教學環(huán)節(jié)的要求為目標，解決了現有物聯(lián)網實踐教學環(huán)節(jié)存在的問題，主要體現在以下幾點。

3.1??解決了現有實驗平臺對學生工程需求支撐不足的問題

實驗平臺與實際工業(yè)開發(fā)環(huán)境和接口相對應，為學生提供真實場景的實驗環(huán)境。系統(tǒng)設計充分參考主流物聯(lián)網技術提供商的解決方案，采用了成熟的開源軟硬件技術，研發(fā)了符合物聯(lián)網開源軟硬件標準、兼容工業(yè)現場硬件開發(fā)接口、支持物聯(lián)網項目體系架構的綜合實驗平臺，充分滿足物聯(lián)網綜合實踐項目的工程性需求。

3.2??解決了實驗平臺對實驗體系綜合性支撐不足的問題

綜合性平臺設計覆蓋物聯(lián)網體系結構，同時各組件間采用統(tǒng)一標準接口設計，實現了子系統(tǒng)間的無縫兼容，為整個課程體系的橫縱向聯(lián)系的支撐、綜合實驗的設計、實訓項目的開發(fā)等提供全方位的平臺支持。解決現有平臺在完成不同實驗內容所采用的硬件相互之間的兼容性較差，導致各實踐項目的可延展性差的問題。

3.3??解決了物聯(lián)網實驗設備靈活性不足，造價高的問題

實驗平臺全部采用自制的方式，設備以模塊化為主要設計形式，大大提升設備的靈活性。其中，通過自主研發(fā)的方式建立與國際接軌的基于USRP的無線通信實踐平臺，建立無線通信類的課程群。解決了硬件平臺價位高，仿真平臺工程性不足的問題，為無線通信類課程實踐提供滿足“新工科”對工程性要求的解決方案。

4??結語

綜合實驗平臺的搭建，不僅可以橫向支撐基礎實驗實踐教學，由于其在設計上的自主性、綜合性和可重構性，同時也是面向項目的開放平臺，提供企業(yè)級的工程案例庫。為學生參加各種競賽、項目驅動、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目提供平臺，鍛煉了學生的項目設計和開發(fā)能力，符合新工科對專業(yè)的實驗實踐要求和培養(yǎng)工程人才的需求，同時為學院物聯(lián)網專業(yè)進行工程認證在實驗條件和學生對復雜系統(tǒng)設計能力培養(yǎng)上提供有力的支撐。

參考文獻

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[2]黃建忠，王毅，張滬寅，等.基于PBL和OBE理念的物聯(lián)網工程專業(yè)實踐平臺建設[J].計算機教育，2020（5）：29-32.

[3]譚永海.基于Raspberry?Pi的物聯(lián)網云服務教學平臺設計[J].科技經濟市場，2022（9）：40-42.

[4]孫謙，朱文婕.新工科背景下“計算機網絡”創(chuàng)新實驗教學模式探索與實踐[J].長春師范大學學報，2021，40（12）：150-153.

[5]黃建忠，王毅，張滬寅，等.基于PBL和OBE理念的物聯(lián)網工程專業(yè)實踐平臺建設[J].計算機教育，2020（5）：29-32.

[6]郭秀珍.面向物聯(lián)網的異構互聯(lián)技術研究[D].北京：清華大學，2021.