物联网教学与科研体系结构研究

周丁丁，李慧华

（1.周口师范学院 实验室与设备管理处，河南 周口466001；2.周口职业技术学院 医学院，河南 周口466000）

物联网被称为继计算机、互联网之后的第三次信息浪潮，它将互联网用户端延伸到物与物之间的连接，通过射频识别（RFID）、红外感应、全球定位技术将物品按照规定的协议连接到互联网，并实现彼此的信息交换，达到物品智能、跟踪、监控和管理的网络化.目前国内外对物联网高度重视，在美国，奥巴马就职后提出“智慧地球”的概念，这也是美国首次提出物联网的概念.作为新一轮的IT技术革命，奥巴马意在利用“智慧地球”来刺激美国经济，借此将美国经济带出低谷.美国权威咨询机构FORRESTER预测，到2020年，物联网业务与互联网业务之比将达到30∶1.在欧洲，2009年6月，欧盟委员会向欧盟议会、理事会、欧洲经济和社会委员会递交了《欧盟物联网行动计划》，其目的是希望欧洲通过构建新型物联网管理框架来引领世界“物联网”发展［1］.温家宝同志2010年3月5日在十一届全国人大三次会议上做政府工作报告时提出要大力培育战略性新兴产业，加快物联网的研发应用.工信部也明确表示，物联网已正式列入国家重点发展的五大战略性新兴产业之一.在政府的大力号召下，物联网技术必将成为未来各地重要的创新产业.产业的发展催生人才的需求，一方面加强物联网专业的人才培养迫在眉睫，它可以为物联网产业的发展提供重要的人才支持，另一方面加强对高校教师科研创新能力的培养，可以为物联网创新产业提供良好的环境.传统的计算机网络专业中不包含物联网的内容，且缺乏实际应用能力的培养，如何在计算机网络专业中加入物联网专业的内容，并提高理论和实践相结合的动手和创新的能力，将是笔者所要提出的一个研究方案；另外如何打造高校教师物联网的科研创新平台是笔者另一个研究的目标.

1 物联网概念

物联网是通过射频识别RFID［2］、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备按照约定的协议把任何物品与互联网连接起来进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络.物联网在信息与通信的世界里获得了一个新的沟通维度，它将任何时间任何地点人与人之间的沟通和连接扩展到任何时间和任何地点，人与物，物与物之间的沟通和连接.根据国际电信联盟ITU的描述，在物联网时代通过在各种各样的物品上嵌入一种短距离的移动收发器，物品将被智能化，这样世界上所有的物品都可以通过互联网主动进行信息交换.物联网是互联网的应用扩展，简而言之，物联网就是“物物相连的互联网”.

2 物联网教学体系结构研究

作为一门新专业，物联网教学应该做到理论和实践相结合，从知识、能力、素质三方面来构建现代教育的内容.

2.1 物联网技术基础

物联网作为新生事物，其实技术方面并不新，它是由很多既有的技术作为支撑，这些技术包含有射频识别RFID、产品电子代码EPC、ZIGBEE技术、移动互联网、无线传感器网络等.其体系结构包含三层，分别为应用层、网络层和感知层.应用层主要面向不同行业所产生的不同应用，具体涉及的技术包括云计算、中间件、人工智能和数据挖掘等.网络层主要建立在Internet和移动通信网络的基础之上，因此需要有线网络和无线网络相关的技术作为支撑.具体的技术包括IPV6，2G／3G，WIFI和ZIGBEE等通信技术.而感知层则主要面向物体的数据采集层面，包括FRID和无线传感器技术.从物联网的发展不难看出其具有技术高集成和学科多交叉的特点.物联网是传感网、互联网、智能服务的综合体.每个学校要结合自身的特点来设置和划分学科方向，如感知识别的传感器方向、物联网的无线通信方向等.因此在高校的教学中需要构建相应的知识体系和课程体系.

图1 物联网体系结构图

2.2 物联网知识体系

物联网工程专业主要包含的知识体系有感知识别、网络构建、管理服务、创新应用.其中感知识别由数据采集子层、短距离通信技术和协同信息处理子层构成.数据采集子层主要包含传感器、RFID、多媒体信息采集、二维码和实时定位技术，并通过短距离通信技术来完成数据的协同处理和传输交换.网络构建主要是将来自感知层的信息通过网络传输到应用层，其中包含有移动通信网、互联网、行业网和融合技术，涉及协议的构建和设计.管理服务主要需要云计算平台作为数据的服务支撑，人工智能和分布式智能系统可以对海量数据进行高效处理，并提供高效智能的支撑平台.创新应用主要是考虑和行业的应用相结合，实现物与物相连，解决具体的应用问题.如智能物流可以实时定位物流过程主体物品的状态，完成从发送方到接收方的全面监控.智能家居可以为家庭提供家电控制、照明控制、窗帘控制、电话远程控制、室内外遥控、防盗报警以及可编程定时控制等多种功能和手段，使您的生活更加舒适、便利和安全.智慧农业利用物联网技术为打造精细化农业提供信息化支撑服务.笔者提到的物联网知识体系是建立在物联网体系结构之上，其中感知识别属于感知层，网络构建属于网络层，管理服务和创新应用处于应用层.这样就使所提到的知识体系和物联网的体系结构有了一定的对应关系，使物联网知识体系更具体和完备.

图2 物联网专业的知识体系图

2.3 物联网课程体系

物联网的知识体系是学校制定专业教学计划的依据，同时它在专业教学计划中的实施需要通过课程体系来体现，因此课程体系被称为知识体系的延伸和实施.由于物联网是多学科交叉的产物，因此在进行课程设置时需要考虑到不同学校的特点，笔者以一般应用型高校为背景，将课程体系分为公共基础课、学科专业课和实践课.公共基础课包含大学工学本科阶段所需要掌握的基础课程，具体有物理、数学等计算机交叉学科课程和计算机专业所必备的计算机公共基础和程序设计等课程.另外包含全校都要开设的英语、体育、政治等公共课.学科专业课程指本学科内的专业课程，针对物联网学科专业分为专业基础主干课、专业必修课、专业选修课.专业基础主干课的主要课程有数字和模拟电子技术、离散数学、数据结构、电路分析基础、物联网工程导论、计算机组成原理、传感器原理、通信原理、形式语言与自动机理论等课程.专业必修课的主要课程有计算机网络、操作系统、面向对象语言编程、ZIGBEE协议与应用、无线传感器网络技术、数据库技术.专业选修课的主要课程有ARM编程、嵌入式操作系统、单片机原理、JAVA语言、软件工程、网络安全、网络编程、WEB技术开发、TCP／IP协议、云计算、FRID技术原理、多媒体技术等.物联网专业的实践课程包含有专业实验、课外实践、专业实习和毕业设计四个部分.其中专业实验主要指嵌入式课程设计、物联网工程实验、移动设备应用软件开发实验.课外实践主要是通过和企业合作或者参加校外组织的专业设计大赛来完成.专业实习主要是通过到相关企业中进行具体的实战演习.毕业设计是在校内外专业实习的基础上，完成物联网应用系统的设计开发.另外建设物联网专业工程实验室，将教师的科研和学生的具体工程实践相结合，以更好地完成实践和理论的结合，并培养学生的创新能力.

图3 物联网课程体系图

3 物联网科研体系结构研究

随着物联网产业的不断发展，人才培养力度的不断加强，高校教师的科研水平也亟待进一步提升，因此围绕高校教师科研体系结构的研究显得尤为重要.结合对普通本科院校的调研发现，针对高校的物联网科研体系结构大致包含如下几个方面：1）FRID射频识别技术的研究；2）无线传感器网络关键技术研究［3］；3）无线通信技术研究［4］；4）物联网数据智能处理技术研究［5］；5）物联网安全技术研究［6］.其中FRID射频识别技术主要是面向特定应用领域的研究，比如物流和农业等领域，用于构建智慧物流和农业的数据识别的前端.另外，无线传感器网络作为物联网的基础，物联网需要通过无线传感器来探测和获取相关数据，不同类型的数据需要不同种类的传感器.因此对于无线传感器及网络的研究非常重要.可以研究的内容包括：WSN路由算法研究、节点定位算法研究、安全策略研究、动态目标跟踪方法研究、跨层协议设计、WSN节能功耗研究等.研究WSN的同时也需要各传感器节点之间进行网络通信，这就需要对无线通信技术进行相关的研究.具体包括：ZigBee技术、蓝牙技术、UWB技术等.当人们通过无线传感器实现对数据的收集，利用无线通信技术完成了数据的多跳传输以及共享使用，下一步就需要对收集到的数据进行智能化的处理.这部分就需要用到云计算和大数据的概念和技术，比如通过云计算中MAP－REDUCE计算框架实现数据的分布式并行处理，以提高计算效率.通过大数据处理的思想，进行数据分析和挖掘.目前信息安全和网络安全已经上升到国家安全的高度，物联网的发展也会面临着安全问题，因此物联网安全也被纳入科学研究的体系.图4表示了物联网科研体系结构.其科研体系结构也贯穿了图1所提到的物联网体系结构，分别从感知层，网络层和应用层不同层面来研究物联网关键技术.

图4 物联网科研体系图

4 总结

物联网作为新技术已经受到广泛的关注，未来物联网的发展将会带动整个产业的发展，带来更多的创新应用和服务.因此如何培养物联网专业人才将成为高校目前乃至未来需要面临的问题.笔者根据高校发展现状，提出适合一般普通本科高校的知识体系和课程体系，为高素质物联网人才的培养奠定坚实的基础.另外笔者还就普通本科高校从事物联网科学研究的教师，提出合适的科研体系，为教师的科研提供一定的参考.

［1］王志良.物联网工程导论［M］.西安：西安电子科技大学出版社，2011.

［2］郎为民.射频识别 （RFID）技术原理与应用［M］.北京：机械工业出版社，2006.

［3］李建中，高宏.无线传感器网络的研究进展［J］.计算机研究与发展，2008，45（1）：1－15.

［4］成小良，邓志东，董志然.基于无线通信和计算特征分析的能耗模型［J］.计算机研究与发展，2009，46（12）：1985－1993.

［5］唐雅玲.一种基于认证的物联网安全传输机制［J］.计算机工程，2014，40（1）：144－148.

［6］刘强，崔莉，陈海明.物联网关键技术与应用［J］.计算机科学，2010，37（6）：1－4.