中国物联网教育装备现状分析及前景探索

朱志亮 陈东红

温州大学物理与电子信息工程学院 浙江温州 325035

1 前言

物联网指的是将各种信息传感设备，如射频识别（RFID）装置、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等各种装置与互联网结合起来而形成的一个巨大网络[1]，用途广泛，遍及智能交通、环境保护、政府工作、公共安全、平安家居、智能消防、工业监测、老人护理、个人健康等众多领域。预计物联网是继计算机、互联网与移动通信网之后的又一次信息产业浪潮。

物联网将带来各种技术、各种产业的大融合，只要抓住时机，任何单位和个人都大有可为。移动通信、互联网的黄金时机已经消逝，而物联网产业的黄金时期就要到来。2009年，温家宝同志在无锡考察时提出“感知中国”计划，物联网建设也正式升级为我国的国家级战略。

2 物联网行业现状

物联网本身并不是全新的技术，而是在原有基础上的提升、汇总和融合。物联网作为一种融合发展的技术，其产业在自身发展的同时，同样会带来庞大的产业集群效应。据新华社调研撰写的《2010—2011年中国物联网发展年度报告》预计，未来5年，全球物联网产业市场将呈现快速增长态势，年均增长率接近25%[2]。保守预计，到2015年，中国的物联网产业将实现5000多亿元规模，年均增长率达11%左右。国家物联网“十二五”规划明确了物联网技术的十二大重点应用领域，包括智能电网、交通运输、物流产业、医疗健康、智能家居、环境与安全检测、精细农牧业、工业与自动控制、金融与服务业、公共安全、国防军事以及智慧城市。

目前，国内物联网产业呈现出电信运营商、高校、科研机构、传感器企业、系统集成、应用软件开发等环节迅速聚合联动之势，物联网产业链条已初步形成，其中的许多细分领域也将蕴含巨大的商机。以电信运营商为例，物联网将是未来布局的主要业务，如中国移动就表示将在物联通、智能家居、手机二维码以及移动产品4个领域重点推出全网产品，移动M2M业务收入年均增速高达95%。随着物联网渐行渐近，运营商将在物联网领域开辟一片营收增长的蓝海。

未来5年，全球物联网产业市场将呈现快速增长态势，年均增长率接近25%。随着利好消息的出台，资本市场的热情也迅速被“点燃”。预计未来将至少存在五六十家物联网上市企业，从目前的23家概念企业来看，2013—2015年将是我国物联网企业上市集中期。尽管物联网尚是一个新兴产业，但作为一项促进产业结构调整的有效途径、推进和谐社会建设的新生动力以及提升自主创新能力的重要选择，其产业前景和市场“钱景”都显得十分广阔。

3 物联网专业教育

物联网技术目前还属于一种新兴技术，正在快速发展。学习与掌握物联网的技术理论、发展方向及其行业应用是目前高等教育的核心目标。2010年初，教育部下达设置物联网专业申报通知，众多高校争相申报。由于物联网涉及的领域非常广泛，从技术角度，主要涉及的现有院系与专业有计算机科学与工程、电子与电气工程、电子信息与通讯、自动控制、遥感与遥测、精密仪器、电子商务等，与物联网应用相关的专业，如建筑与智能化、土木工程、交通运输与物流、节能与环保等，可能会考虑开设选修课。2010年6月，中国第一所物联网工程学院在江南大学揭牌，在国内高校中率先围绕物联网产业发展需要，成立覆盖“传”“感”“网”三方面专业，组建从本科到博士的物联网工程学院，培养“卓越工程师”，为破解高等教育发展的时代命题交上了自己的答卷。除此以外，武汉大学、哈尔滨工业大学、华中科技大学、西安交通大学等著名高校均开设了物联网工程专业，为信息产业培养顶尖的工程师。

物联网除了引起本科院校的热衷，同样也引起高职院校的普遍关注。可以预计，随着物联网产业快速发展，未来社会对物联网相关行业高技能人才的需求会越来越多，高校、职业院校的专业设置和人才培养也应紧紧围绕社会和行业的需求展开。为了推进物联网专业建设进度、提高物联网专业学生培养质量，研制开发既贴近物联网工程实际、又适应学生知识基础，同时能很好达到教学目标的物联网教育装备具有十分重要的现实意义。

4 物联网教育装备现状分析

基于物联网的教育装备已逐渐出现在国内教育装备行业，目前市面上各生产厂家推出的产品较多，主要分为两大类型：实验箱形式装备与实训类装备。

4.1 实验箱形式装备

在实验箱形式产品中，比较典型的有深圳无线龙科技公司推出的RF-USN V10。该平台由传感器和RFID子系统、个人区域网子系统、广域网（WIFI和以太网等）等子系统构成。其核心网关采用最新的STM32F系列32位ARM Cortex高性能微控制器，具备彩色OLED图形显示器、高速以太网接口、USB接口、电容触摸键盘等配置，同时集成具有低功耗WI-FI（GS1010）无线系统、蓝牙系统、GSM/GPRS无线系统、ZIGBEE无线网关系统，兼容802.11、802.15.4、802.3等多种无线通讯标准；网关核心软件不仅能完成多种无线网络管理，传感器和射频识别信息采集，而且可以通过不同无线和有线路径，将数据传输到USN网络中心服务器数据库和互联网，实现USN的核心功能和主要技术要求。

该实验设备能够较完整地完成最新一代USN网络相关传感器和射频识别、微功耗网状无线网络、无线互联和将采集数据送往互联网的全过程多种教学实验。

另外还有凌阳公司研发的SP-WSNCE15A物联网教学实验箱，这是一款采用传感器、射频识别技术的物联网教学平台。实验箱具备12大节点，可以任意组合网络拓扑结构，完成各种真实物联网系统调试与设计工作；配备多种传感器模块，如温湿度传感器、光照传感器、火焰传感器、烟雾传感器、热释电传感器、灰尘传感器、雨滴传感器、三轴加速度、三轴电子罗盘、红外测距、语音识别节点，每个传感器模块都有标准的接口与节点主板相连，更换传感器无需改变任何电路；一块主板可调试不同传感器，每个传感器都可与相应执行器件配合，完成智能系统的调试与研发。

该教学平台采用标准化设计，节点主板用于连接传感器与核心处理器，若传感器或核心处理器损坏，更换非常方便。嵌入式网关处理器采用S3C2440微处理器。网关软件包括Linux2.6操作系统软件、基于QT4的嵌入式图形界面开发软件、嵌入式数据库软件和嵌入式网络服务器等多种网络应用软件，另外还有PC数据管理与分析软件，这个软件能在PC上以数字和图表的方式实现数据的管理与维护，可实时显示无限传感器网络中各节点的状态及交互控制传感器网络节点上的设备。应用范围较广，适用于物联网工程专业、通信、嵌入式、电子信息、计算机、自动化、机电一体化等专业的教学及科研。

以上两类实验设备是目前市面上主流的物联网实验箱，主要不足包括：1）实验内容脱离实际，设备主要实现物联网感知层与网络层理论功能，对于应用层则较少涉及，缺乏应用对象，学生通过实验较难了解掌握物联网实际工程技术的应用情况；2）涉及知识点有限，物联网作为复合型专业，涵盖了传感器及检测、通信与网络、射频识别、嵌入式系统、物联网数据融合及管理等众多相关技术，而以上两类实验设备仅能覆盖其中的个别技术。

4.2 实训类装备

除此以外，也有厂家已经推出相关的实训设备，比较典型的是北京新大陆时代教育科技有限公司的物联网智能追溯实训系统。该实训平台是以食品质量安全追溯体系中最具代表性的食品批发环节、食品零售环节和城市管理平台为范本进行浓缩设计，在感知层上对人的标识采用RFID卡、食品标识采用二维码，利用智能溯源秤载体上的压力传感器实现数据的自动采集；在网络传输层上，设计了网络综合布线、网络管理维护和网络安全管理等方面的实训；在数据处理层，根据实际需要采用B/S和C/S混合结构，部署了WebService服务进行统一的数据服务以及企业级的数据库产品等。

系统运用物联网为代表的信息技术手段，将食品流通各环节加工及流通的信息相关联，形成完整的信息追溯链。通过建立食品批发（配送）交易、零售、团体采购等监管子系统，并建立市级食品质量安全信息追溯数据中心，实现从食品批发到零售终端相关信息的正向跟踪，食品零售终端到食品来源相关信息的逆向溯源，食品流通的监管与综合分析。

该实训平台的物联网特点非常鲜明，是2012年全国职业院校技能大赛高职组物联网技术应用大赛的指定产品。但作为一家专注于工业产品的物联网专业企业，更多的是工业产品在教育装备中的直接应用，对于教育装备如何更好服务于学生培养缺乏深刻的认识和经验的积累。此外，作为一种应用对象明确的物联网应用系统，如何培养其他领域的物联网应用人才也是一个必须认真考虑的问题。

此外，浙江求是科教设备有限公司推出QS-iHome-I型物联网—智能家居综合实训系统，该系统主要分为主控单元（ARM9控制器）、PC机和移动电话远程遥控单元、摄像头监控和数据存储单元、交换机和路由器等数据交换通讯单元、门禁系统单元、各类传感单元、各类家电及家电控制单元等。

其中，ARM9主控机是所有信息的处理中心，它采用高性能的S3C2440作为主控芯片。在自动模式中，它将摄像头、红外感应、声光烟雾燃气等各类检测数据通过以太网进行集中处理、分析、判断，并储存到数据存储单元中，然后根据程序设定的一些预设条件，再通过以太网将各控制信号传给门禁控制模块、灯光控制模块、智能窗帘控制模块、插座控制模块及各种智能家电模块等，如有必要则通过GSM/GPRS向手机及报警中心自动报警。

系统囊括了物联网基本通信和网络技术、传感和控制技术、嵌入式系统工程开发技术和智能家居应用等各大部分，把这些原先分散的学科和技术融合在一起集成到一个实训平台上，系统大量引入模块化的设计思想，教师和学生可以根据自己需要，将各种模块随意组合起来搭建各种适合自己的学习情境，有效地帮助学生完成课程设计、课外实践活动和学术比赛。

但该实训系统也存在一些不足：1）系统通讯方式单一，且多为有线通信技术，如各传感模块与主机之间，全部采用以太网连接，只有系统与外部采用GSM/GPRS无线方式连接，未能很好体现物联网时代无线传感的特点和趋势；2）对于物联网的核心关键技术——RFID射频识别技术，系统未能体现，不能不说是一个极大的缺憾。

综上所述，目前市面上并未有真正意义上的物联网实验实训系统，各厂商设备均存在较多不足和局限。一方面，未能采用先进的教育思想，所设计实验内容脱离实际，影响教学质量；另一方面，未能涵盖物联网关键核心技术，只是部分甚至象征性采用个别物联网相关技术，未能满足物联网专业教学需要[3]。

5 物联网教育装备前景探索

物联网是一个比互联网更大的网络，从技术范围而言，也是嵌入式技术、微处理器技术、传感器技术的一个更大集成和整合，目前国内有很多大型企业掌握这些技术，也有很多人才，但是由于教学设备利润低、批量小、投入大、市场风险大，他们对于将技术和教育界共享不感兴趣，对开发设计教育用的设备和教材也不感兴趣，这也是现在的物联网教育和物联网技术脱节的重要原因。

目前市面上的物联网教学设备大都是依照原有学科理论培养体系而设计的，各实验项目主要完成对教材中相应知识点的验证演示，这种模式对于学生能力的培养效果有待商榷。面对教学设备与物联网专业发展脱节的现实，市场亟需一种能全面、系统涵盖相关技术，满足物联网专业教学需要的实验实训设备[4-5]。

理想的物联网教育装备必须能体现三大方面的思考：既能体现教育规律，又能涵盖物联网核心技术，并在此基础上针对专业核心技能设置教学内容。

物联网作为一种不同于互联网的网络，与传统互联网本质的区别在于其所连接的对象。互联网是一个人与人的网络，而物联网连接的是物，物联网与互联网的区别很大程度上取决于人与物的区别。物不能思考、表达、自我识别和通信，所以为了实现物物相连，必须使物具备与人一样的思考、表达、识别和通信能力，所以必须使用各种智能传感技术使对象具备感知、发送信息的功能，使用各种身份识别技术实现对众多对象的智能识别。同时由于物体数量和地点的不确定性，物联网更多使用的是各种自组织的无线移动网络协议组网，这些是物联网的核心技术。

此外，建构主义认为，学习是一个积极主动的建构过程，它强调学习的积极主动性、目标指引性、任务真实性、不断反思性和互动合作性。学生是学习过程的主体，通过不断地积极实践，建构自己的新的知识和经验，而不是被动地接受知识。因此，要帮助学生投身到与他们将来需要有关的，各种有一定难度的真实任务或解决难题的社会活动中去[6]。

项目教学法通过提出项目，以解决用户问题为主要目的，巧妙地把教材中介绍的对实践有指导意义的知识点尽可能地体现于项目中，教学的目的不仅仅是向学生介绍知识，更重要的是通过引导学生把知识应用于案例，培养学生对新知识的应用能力，被普遍认为是一种能有效提高学生学习主动性、增强课程学习效果的教学方法，这种模式尤其适合于物联网等综合性极强的专业课程。

作为教育装备，必须体现教育规律：一是内容上的高度集成性，即需要把传感器及检测、通信与网络、射频识别、嵌入式系统、物联网数据融合及管理这些原先分散的学科和技术融合在一起集成到一个实训平台上；二是结构上的灵活性，根据需要可以将各种模块随意组合搭建各种适合自己的学习情境；三是考虑功能上的实用性、实训项目的可扩展性以及操作上的安全性。

在认真研究同类设备的基础上，考虑到物联网未来若干年的政策倾向、技术和应用趋势，并兼顾国内高校物联网教育的实际情况，笔者试探性提出一种基于项目式教学的物联网综合实验实训系统，可广泛、灵活地应用于各大高校与职业院校物联网、物流管理、自动化控制等相关专业的专业教学、实训及竞赛，并可对今后物联网专业教学设备的开发思路起到一定的探索作用。

该系统以智能仓库管理与物流配送为载体，融合传感器及检测、通信与网络、射频识别、嵌入式系统、物联网数据融合及管理等物联网核心技术，完整地表达了一个物联网系统的体系结构和运行原理。系统框架模型如图1所示。

本系统设计需要将各种先进的物联网技术适当解剖，寻找物联网实际应用与教育实际情况的最佳交叉点，将这些交叉点作为本系统的主要内容，既紧扣当今物联网技术的发展潮流，同时兼顾高校物联网教育的实际情况，让学校可以有的放矢，让学生可以轻松、高效地掌握这些物联网的实用技术。

图1 系统框架模型

6 总结

国内在物联网产业的投入是走在世界的最前面的，西方国家由于金融危机，一方面降低了对物联网技术的投入，另一方面也没有中国这样强大的技术人力资源来支撑。如果我国能够不断推出低价格和高性能的物联网教育教学设备，将对相关院校该课程的教学建设起到良好的推动作用。有了大量廉价和高质量、高水平的国产化教学设备，再融合进来高校丰富的教学教材资源和良好的教育基础，国内物联网技术的应用，在人才培养尽快解决后，必然很快迎来一个产业丰收期。

[1]黄映辉,李冠宇.物联网：语义、性质与归类[J].计算机科学,2011(1):32-34.

[2]彭瑜.物联网技术的发展及其工业应用的方向[J].自动化仪表,2011(1):22-25.

[3]杨从亚.高职物联网专业建设探索[J].职业技术教育,2010(35):12-14.

[4]杨柳.信息类高职院校物联网专业建设刍议[J].科技创新导报,2011(7):24-26.

[5]付永贵.基于分组教学的高校物联网实验室构建研究[J].中国教育信息化,2011(5):34-35.

[6]傅四保.建构主义学习理论指导下的项目教学法初探[J].中国大学教学,2011(2):27-29.