物联网实训系统建设探析

2014-05-14李建兵党力明潘向峰

实验科学与技术 2014年2期

李建兵，党力明，潘向峰

(解放军信息工程大学信息系统工程学院，郑州 450001)

近年来，物联网技术和产业快速发展，在“十二五”规划中被列为国家战略性新兴产业，这给物联网专业的发展和建设带来了前所未有的契机。物联网专业是国家战略性新兴产业急需大力发展的电子信息类专业。教育部已经批准开办物联网专业的学校第一批有37所(含传感器网络专业)，第二批又有27所，而依托其他专业开办物联网方向的学校则更多［1－2］。

随着高校物联网及物联网方向专业的大量开设，物联网专业实验室的建设需求也越来越迫切。近两年招录的物联网专业学生即将完成基础课的学习，开始学习物联网方向的专业课，物联网实验室也要求尽快投入使用。因此，短期内将有大量资金投入物联网实验室的建设，给教学仪器设备行业带来了巨大的新兴市场。但是，物联网专业是一门综合性的新兴学科，学科专业建设问题尚在探讨和摸索之中，其实验室的建设方案问题更需慎重考虑，否则将导致大量资金的浪费。

物联网实训系统是专业实验室建设中最为关键的部分。本文针对物联网实训系统的建设问题进行探讨和分析，以期对物联网专业的学科建设提供参考。

1 现状分析

正当众多高校为物联网专业的建设和发展进行探讨和争论的时候，很多原本从事嵌入式系统及其相关行业的教学仪器设备企业，为了尽早抢占物联网实验设备市场，在嵌入式系统试验箱基础上进行改进，增强其无线传输功能，然后贴上物联网的标签，即投入市场宣传，并称其为“物联网实训系统”。

纵观现有的物联网实训系统，其系统结构和基本功能大体相同，如图1所示。其核心电路为基于ARM芯片的嵌入式主板，作为物联网的网关。主板提供各种连接端口，如USB接口、串口、网络接口和无线通信扩展等。主板上集成了 Zigbee、Bluetooth、WIFI、GPRS等无线通信模块，配上对应的终端模块，即可实现无线通信和简单的组网。主板还可连接RFID读卡器，可以读取有源和无源RFID卡信息。所有硬件可以放置在一个实验箱内。

图1 现有的物联网实训系统结构

与该实训系统配套，还需要一台主机，提供系统开发环境和系统监控程序。主机与网关相连，可以通过监控软件实时监控无线通信状况，并在主机显示屏上实时显示。系统还提供系统开发的例程，学习者只需在该程序基础上做少许修改即可进行不同功能的实验［3－4］。

这类产品具有初步的物联网实训功能，在目前物联网课程建设还不成熟、不规范的条件下，尽快拿出一种实训系统的实物，具有一定的积极意义。但该系统作为物联网专业实验的核心设备还存在很多不足，分析如下。

1.1 该系统涵盖的物联网技术内容过少

这种系统结构严格来说属嵌入式无线传感网的一部分，基本上只涵盖了物联网传输层的部分内容。物联网的应用目前还主要集中在无线传感网方面，所以该系统有一定的实用性和积极意义。但是，将其称为物联网实训系统是不规范的，因为真正意义上的物联网远远不只这些，特别是传感层和应用层在这里得不到明显的体现。该系统很容易让学生产生一种误解，认为物联网就是如图1所示的系统，使学生对物联网的认识产生偏差和局限。

另外，该系统的主体是嵌入式系统平台，让人感觉物联网一定要在嵌入式系统上实现。实际上，即使是在传输层，嵌入式系统板也不是必备设备。比如在物流系统中，完全可以用主机直接与通信模块相连，而主机的功能和成本都远低于嵌入式系统。对于信息量处理较少的应用，甚至只需要一个普通的单片机最小系统即可。

作为物联网实训系统，应该让学生全面认识和理解物联网，该系统显然在这方面存在严重不足。

1.2 无法满足不同层次、不同专业学生的需要

不同层次的学生对掌握物联网知识和技能的要求不一样。一般来说，中职学生主要突出其应用技能，高职学生要求其具有一定的组装、配置和维护能力，本科生以上则应具有一定的设计开发能力。而图1所示的实训系统无法体现出不同层次的教学要求。

物联网是一个综合性很强的学科，涉及的知识面非常广，应用领域也非常多。一个学校的物联网专业在教学中不可能面面俱到，而应该对本专业的内容有所侧重。比如，物流行业的学校就应该多训练物流方面的应用系统。而图1所示的物联网实训系统无法体现出专业特色。

因此，对不同层次和不同专业的学生，物联网专业实训系统应该是有所区别的，至少应该能根据不同要求进行配置。现有的物联网实训系统显然不能满足这个要求。

1.3 硬件实训功能不足

该系统主要集中在软件的实训上，如软件的下载和调试等。而硬件都是设计调试好的，几乎无法进行更改和配置，不便于学生认识和理解其硬件组成。特别是试验箱的系统结构，严重限制了学生的实践能力和创新能力的发挥。学生在现有的硬件条件下可以完成软件的设计和实训，而到实际应用领域，换成一个全新的硬件平台和环境，可能会不知所措。本系统在硬件实训方面明显显得不足。

因此，在进行物联网实验室的建设过程中，要根据学生的层次和专业情况，进行合理的设计，其功能绝不是一个“万能实验箱”就能完成的。图1所示的物联网实训系统是企业为抢占市场而仓促推出的产品，在功能设计上缺乏院校的参与，无法满足院校物联网教学的实际需要。

2 功能需求分析

实验室建设的投入一般都较大，在建设初期就应该进行完整的需求分析和设计论证，不能盲目上马。作为物联网实验室的核心设备，物联网实训系统一般应该具备以下功能。

1)配合物联网相关课程教学，开展演示性实验和初步的实践，使学生加强对所学课程内容的理解，类似于电子技术类课程的演示实验。

2)为学生进行物联网相关的创新活动、学科竞赛和毕业设计等提供开发和学习的系统平台，类似于创新实验室。

3)为高校教师进行物联网技术相关的科学研究提供开发测试平台。

对不同层次和不同专业的学校而言，物联网实训系统的具体功能和要求也不尽相同。大体上应遵循以下原则:

1)对于中职及以下的学生，主要突出应用技能，所以物联网实训系统应该是一个已经组装设计好的模拟系统。比如，对于物流专业的学生，可以做一个模拟实际物流的实训演示系统，要求学生熟悉该系统的组成构架，并练习每个环节的操作使用，能进行故障检测和基本的故障维修。

2)对于高职及优秀的中职学生，应具备一定的设计技能。要求熟悉本专业领域物联网系统各个环节的基本操作，对系统结构要非常熟悉，能利用成熟的产品模块搭建和调试一个完整的物联网应用系统，不涉及模块内部的故障检测和维修。所以应该给学生提供组成物联网系统的基础模块，包括硬件模块和软件模块，让学生进行系统设计和模块组装训练。

3)对于本科及优秀的高职学生，要求学生具有基本的开发能力，能对组成物联网系统的各软硬件模块进行配置和修改设计。特别是进行应用软件模块的设计。

4)对于研究生及优秀的本科生，以及从事物联网研发的教师，要求能从底层进行物联网应用系统的开发。本系统应该提供一个核心的系统开发平台和开发调试的环境，配备必要的组件供选择和使用。

因此，物联网实训系统涉及的知识和应用非常广泛，绝不是一个小小的“万能实验箱”就能完成的。我们应该提供从底层核心部分，到各模块，再到一个完整的模拟系统的一整套软硬件资源，再根据不同专业和不同层次的学生进行量身打造。这样才能使物联网实训系统具有较为完善的功能。

3 物联网实训系统的构成

一套完整的物联网实训系统至少应该包括以下方面。

3.1 嵌入式系统板

嵌入式系统板功能强大，设计灵活，可以在很多物联网系统中得到应用。图1所示的网关就是典型的嵌入式系统应用平台，通常是以ARM芯片为核心的嵌入式系统板。

作为物联网实训系统的嵌入式系统板应该具有更好的通用性和可扩展性。硬件上，应该预留满足不同应用需求的足够多的扩展接口，如传感器接口、读写设备接口、操控指示设备(如键盘、指示灯、蜂鸣器等)接口等。软件方面包括系统板各硬件所需的驱动程序、操作系统和控制操作的应用程序。各软硬件模块应该具有可重组和可配置的特性，特别是各硬件模块最好不要固定在主板上，而应具有灵活的插拔结构。

3.2 物联网系统所需的硬件模块

包括:通信模块(包括 Zigbee、Bluetooth、WIFI、GPRS、3G等通信收发模块)、RFID模块(包括各种形式的有源及无源标签，读卡器等)、GPS模块、显示屏、摄像头、麦克风、各类传感器(如温度传感器、湿度传感器、压力传感器、光谱气体传感器等)……很多硬件单元模块是通用产品，可以直接购买，不需要单独研发。

3.3 系统开发套件

包括主机、开发环境(如IAR系统)、仿真器等。

3.4 应用软件

属应用层内容，包括通用的监控软件和针对具体应用需求的实际操作模拟软件。

3.5 学习配套教材

包括实验指导书、物联网系统开发PPT和模拟实训系统软件等。

以上各类设备应该根据学生的学历层次和专业方向来选择和配置。此外，通用实验设备如主机、工作台、电子仪器和硬件电路焊接调试设备等，也是物联网实验室的必备元素。

4 研究基础

根据物联网相关的教学和科研需要，我们自主开发了物联网实训所需的部分电路，并已经成功应用于学生科技创新活动，教学效果良好。现介绍两个应用实例，即GPS信息无线传输系统和嵌入式物联网核心系统开发平台。

4.1 GPS信息无线传输系统

该系统结构如图2所示。这是一个典型的无需嵌入式系统主板的物联网应用实例。GPS信号通过天线接收下来后，通过单片机进行信号处理，然后通过Zigbee通信模块发送，Zigbee接收模块接收到信号后，再通过一个单片机电路对信号进行处理和显示，也可以直接通过串口传输到计算机，在计算机中进行信号的处理和显示(如将坐标在地图上显示)。

图2 GPS信息无线传输系统示意图

本系统没有做成现成的电路模块，而是让学生通过多功能板进行焊接、组装和调试，以便加深对无线通信电路的调试能力。部分实验电路如图3所示。

图3 GPS信息无线传输系统部分实验电路

4.2 嵌入式物联网核心系统开发平台

系统框图如图4所示，它是基于ARM处理器S3C2410/2440的物联网核心系统开发平台，由核心板模块、扩展板模块和LCD板模块三部分组成，具备了图1所示系统的大部分功能，并且其功能、通用性能和可扩展性均较强。

图4 嵌入式物联网核心系统开发平台结构

其中，核心板构成硬件的最小系统，由微处理器(S3C2410/2440)、程序存储器(FLASH)、数据存储器(SDRAM)以及文件存储器(NAND FLASH)等组成。扩展板集成有以太网控制器、音频接口、USB主从接口、SD卡接口、LCD接口、键盘、UART串行口、触摸屏接口、蜂鸣器、ADC验证功能单元等模块。同时，扩展板还提供了两个扩展接口，方便用户实现功能的扩展。