面向物联网的无线传感网实验室建设探析

陈朋朋 孙伯显 高守婉 赵志军

摘 要：高等院校已开始设置“物联网工程”的相关专业，与之相配套的传感网实验室建设是专业建设的重要环节。本文在分析当前高等院校专业实验室建设现状基础上提出传感网实验平台建设方案，以避免出现传统实验室建设中的弊病和问题，对目前高校物联网专业实验室建设具有一定的指导意义。

关键词：物联网；实验教学；设备选型

一、引言

继计算机、互联网之后，物联网引领了信息产业革命的又一次大的浪潮。在以往高校实验室建设过程中，可能已经搭建了RFID实验设备、软件工程实验室等，满足了数据感知及处理的部分实践要求。然而仅仅上述设备并不能满足物联网产业人才培养的实践要求。尤其是无线传感网实践环境的搭建对于物联网人才培养至关重要，一方面可培养出该方向的专业技术人才，另一方面可对物联网的前沿技术和热点应用进行深入研究。而这也正是当前高校实验室建设的短板所在。因此，探索面向物联网的无线传感网实验室建设具有重大的指导与实践意义。

二、建设目标与要求

传感网实验室建设需要有一定的前瞻性和可升级性，首先应保证满足3至5年的教学需要，其次设备易升级换代，最后要最大限度地保护已有投入。因此，实验室的建设目标为：（1）所选择设备能满足5年内的需求。（2）选型设备能方便升级且扩展性好。（3）选型厂商拥有完善的售后服务体系且能不断提供前瞻性建议和意见。

众所周知，实验是教学与科研实践的主要形式，因此要注重实验环境的真实性，并将其与诸多前沿学科相结合，以设计出综合系统性的实验，从而培养学生的创新能力。故实验室需满足以下三方面要求：（1）面向教学，支持物联网相关专业的学生学习和实践活动。（2）面向创新，支持物联网相关专业的师生创新与科研活动。（3）面向行业，满足物联网技术应用的行业需求及学校特色。

三、建设思路与内容

在现有设备基础之上，构建符合物联网产业链人才需求的实验环境将是物联网实验室建设的关键。因此，首先应该设计科学的实验内容，然后有针对性地购买相应设备。

1.实验设计

实验室主要依据联网技术体系架构来搭建，分为三个层次：感知层、传输层、应用层，使学生可以全面学习物联网涉及的各方面技术。在实验室建设初期，主要从感知层及传输层进行基础环境的搭建，对以后应用层的科研活动进行支持。

感知层主要对物联网的两大基础技术——传感器和RFID，进行学习与研究，感知层侧重于传感器和RFID基础知识与原理的学习。

在对物联网基础的两大知识及原理进行了解和学习之后，传输层对物联网的两种传输方式——无线网与有线网进行研究和学习。因此在对物联网传输方式进行实验设计时，我们分为两个内容来实现，即无线组网环节和有线组网环节。

通过物联网实验室前期的教学和科研平台的应用后，可以进一步对物联网应用层进行开发。主要包括数据存储、数据分析以及相关的软件开发。实验设计主要包括管理软件的开发及编程。

2.设备选型

实验系统建议采用实验箱式设计，配置基于Zigbee及TinyOS等不同技术平台的无线传感节点及网关等设备，涵盖物联网的感知层、传输层与应用层，从而为学生进行真实物联网环境下的实操提供支持。此外，为方便学校进行实验，需要厂商提供配套的上位機软件、源代码、二次开发包及实验教材，支持学校进行物联网相关课程实验教学、无线传感网络领域科研及大学生创新项目活动。

对于感知层中传感模块的选择不在于数量，通常采购典型的温度、湿度、光、电压、电流模块即可。考虑到经费原因，不要求高精度工业传感器，只需实现相应功能即可。另外，电源的选择要遵循方便易用的原则。

在传输层，无线组网主要选择基于TinyOS与Zigbee两套协议栈。TinyOS是加州大学伯克利分校开发的开放源代码操作系统，主要提供给教师及研究生科研使用。对于基于Zigbee 协议栈的节点平台，目前做开发用得比较多是ZigBee2006的协议栈，比较适合本科生教学与实验。针对有线组网则基于现有主流路由与交换设备。

最后，搭配一台主机，安装有Web服务及相关的开发工具，通过相应的协议抓包工具，能够让学生从底层及原理上更为深入地理解物联网技术，同时让学生可以完成上位机软件的开发，从而实现物联网应用层的实践开发。为方便底层传感器的操作，主机的选择建议选择市面带有串口的各种商用机。

四、结束语

科学完备的物联网实验室有利于提高专业的整体教学质量。本文针对物联网的特点及发展，提出相应建设目标、原则及思路，对于目前高校物联网专业实验室建设具有一定的借鉴意义。

参考文献：

[1]刘宝亮.物联网引发新产业热潮[N].中国经济导报，2010-3-9.

[2]马建.物联网技术概论.北京：机械工业出版社，2011.

基金项目：中国矿业大学青年教师教改项目（2013Y46），浙江省交通运输厅科研计划项目（2014T25）。