基于物联网的高职实训平台构建及其关键技术分析

詹小英 黄银娟 卢锦川

【摘 要】给出一种适合高职院校实训平台管理的物联网模型，将M2M模型与高职实训环境相结合，对实训设备与人进行综合监管，最大限度监控各子实训环节。经与春茂机电实训环境的融合应用分析，该平台满足校企实训要求，有效解决了信息孤岛问题，加大了对实训人及设备的监管力度，提高了实训培养效率及质量。

【关键词】实训平台 物联网 高职院校 M2M模型

【中图分类号】 G 【文献标识码】 A

【文章编号】0450-9889（2015）08C-0190-03

在高职教学管理中，实训室提供专业的实训环境，是培养特定高技能人才的必备场所。然而，由于企业自动化生产水平的提高，特别是电类相关行业新技术、新设备的广泛应用，如何推陈出新，既满足企业对专业人才需求，又能不断升级并优化实训平台是确保高职教育改革与可持续发展的前提保障。

当前的实训平台（PTP，practice training platform）存在不少的弊端，主要表现为：一是实训设备老化，更新周期长；二是实训平台彼此孤立，信息化程度低，管理水平落后；三是实际利用率低，实训效果较差。随着信息技术的发展，基于物联网的人、物等信息数据的采集和管理系统已日趋成熟，在高职院校多实训平台的综合管理和智能控制上表现出良好的应用前景：一是可实现多实训平台的集中管理，有效地解决单个实训环节中的信息孤岛问题；二是有助于总结实训过程中的问题，实现实训过程中人与设备的综合管理；三是有利于加强校企合作与交流，适时更新实训计划，提高人才培养质量；四是有助于实训者根据实训情况合理选择实训条件，确保实训效率的前提下，尽快掌握实训要领。

因此，为实现多实训环境中人与设备的智能管理，本文提出一种适用于高职实训管理与教学的物联网构架。基于该构架对某校机电一体化中心、工业控制中心和电工电子实训室等进行组网，对单个实训平台进行集中管理，一方面加强实训环节中信息交流与可监控性，提高实训平台智能化管理水平，另一方面为衡量实训培养质量提供参考依据。

一、实训现状及需求分析

实训平台是为实训人员提供实训机会，是加强校企合作、提高高职人才培养质量的前提。某单位实训平台包括机电一体化中心、工业控制中心、电工电子实训室、电子信息技术中心、鼎光电子教学工厂、春茂电气自动化设备生产车间及校外实训基地等，对于日常实训管理，以单个实训平台为单位，主要依靠实训教师实时监督管理，智能化水平低。另外，从校企合作的角度来说，校内实训条件并不能完全适应企业发展要求，为此，必须基于当前实训平台，加强整体管理以及信息融合，提高整体平台的智能化：第一，实训平台拟实現多个子平台的集成，既能有效采集实训成果信息，又能适时监控实训过程中人与设备状态。第二，实训平台提供校企合作基础。企业通过现有实训条件为学生制订满足自身企业发展的实训计划，由校方按实训计划培养特定技能人才，根据实训结果及实训过程采集数据对实训环节做出评价。第三，实训平台便于管理和维护，有较高的性价比。

二、PTP物联网模型构建

（一）PTP物联网模型结构。物联网应用模型主要分为三类：一是基于EPCGlobal的应用框架，特别是以RFID为核心的编码、识别处理模型，主要面向于某种信号的采集，如园区车辆管理等。二是基于无线传感网络的多平台融合监控，面向于分散对象的信息采集，如物联网路灯等。三是基于有线和无线的M2M（machine to machine）物联网框架，面向局部范围内信息的采集和处理。对于实训平台的物联网模型，主要是实现机电一体化中心、工业控制中心、电工电子实训室、电子信息技术中心等多个实训过程中数据融合，考虑到实训室实际的地位位置分布，可采用M2M有线和无线通信相结合的“应答”模型。如图1，该物联网模型提供四层框架，依次为应用层、网络层、服务层、物理层。

图1 实训平台的物联网模型

应用层根据使用对象的不同提供多级显示服务，I类用户显示整个实训平台信息，并为整体实训提供指导，II类用户对单个实训室进行监管、III类用户面向实训对象，提供实训过程中必要的实训信息（如实训任务、步骤、错误报警等）。

网络层包括校内实训平台及校外合作企业的网络连接及访问服务。校内提供了无线和有线传输的数据通信，校外以ADSL为媒介，实现校内实训平台与校外合作企业的信息交互。服务层是联系应用层与物联网节点的重要组成，应用服务器将各实训平台采集到的信息存储到数据库服务器中，各级用户根据其访问等级从WEB服务器中获取对应信息。

子实训平台包括大量的感应节点，即物理层节点，通过一系列传感器，采集实训过程中的基本数据信息，如在电工电子实训平台，以CC2430为基本的“感知”模块，测量关键点处端电压及电流信号。

（二）M2M模型通信的“应答”构建。物联网M2M模型通信采用轮转查询的“应答”模式，特别是图1中的电工电子实训平台，采用了IEEE 802.15.4协议的ZigBee通信。首先，系统初始化，依次校验物理层、网络层、服务层、应用层标志位，若标志位无改变，则完成一次轮转，若标志位改变，则需返回处理事件，并重新开始校验，如网络层标志位改变，返回网络层处理事件（NWK_Process_Event），并从物理层重新校验，如图2。

图2 ZigBee协议软件构建流程

以电工电子实训平台物联网节点通信为例进一步分析M2M模型通信的“应答”机制：实训开始，系统初始化，各实训节点请求加入网络，与Sink节点（网络协调器）交互，调用aplJoitNetwork（ ）函数，校验符号位，加入该节点网络。单个节点与Sink节点交互时，为了方便，可使交互在同一程序目录下执行，然后按照交互目的，调用不同的事件处理程序。

三、多实训平台的融合及其关键技术分析

（一）多实训平台及设备的网络连接。根据各实训平台硬件配置，子实训平台及其设备的接入可分为：

1.基于路由器/交换机的有线连接，如工业控制中心、电子信息技术中心等，这些平台设备多通过有线连接入网。图3给出了基本拓扑结构。该拓扑结构分两级管理模式：第一级主要是对应于子平台的监控计算机（教师端，II类用户），监控学生端设备；第二级是整个实训平台的监控管理中心，包括校内以及校外管理用户（I类用户）。

2.基于Zigbee的无线连接，如电工电子实训室等，多以CC2430无线单片机为核心，采集学生端设备数据，并与上层用户数据交换。

由于实训平台的复杂性，多数情况下有线和無线通信需协同进行，如在鼎光电子教学厂和春茂电气自动化设备生产车间，工控机、大型设备的并网连接以有线连接为主，而某些敷设线路冗杂的地方则以无线连接为主，如电气柜温度检测节点等。

图3 实训平台有线连接的星形拓扑

（二）基于Zigbee的无线收发技术。Zigbee无线通信可基于CC2430无线单片机中射频（RF）收发装置实现，如图4，待发数据经2.4GHz直接序列扩频并放大后，由天线发出，接收到的RF信号经解扩恢复到原发送数据，实现数据信号收发。

图4 CC2430射频（RF）收发装置

对于2.4GHz直接序列扩频技术，IEEE 802.15.4给出了对应的扩频步骤：将二进制数据每个字节的低4位转换为一个符号，高4位转换为另一个符号；扩展得到的符号数据为一个32bit的PN序列；扩展后的序列通过半正弦脉冲调制，将数据信号映射到载波信号中。待发送数据调制结束后，设置寄存器为“CTRL1.TX_MODE=0；STXON”准备待发，若信道空闲，启用数据校准并发送，当没有字节写入SFLUSHTX时，TXFIFO缓冲器给出下溢脉冲，表明发送结束；在接收端，寄存器设置为“DMCTRL1. RX_MODE=0；SRXON”，准备接收，若RXFIFO溢出，接收中断，当复位后无信息流，则表示完成数据接收，将接收到的RF信号解扩即可获得待发数据。

高职实训平台信息的无线收发是利用CC2430无线模块实现的。在春茂电气自动化设备生产车间，采集关键点（变压器、控制柜等）电流、电压、温度等参数，将数据写入128位的发送缓存，设置寄存器，经多次跳跃后到Sink节点接收，将子节点采集到数据传给无线路由设备，并上载服务器数据中心，根据用户等级差异，访问对应WEB服务器，对平台设备等进行监控。同时，根据采集到的数据，I、II类用户可对学生单个实训环节进行评价，对其实训过程存在的问题进行说明，给出合理化建议，并通过该课程的教学管理平台发布，使受训学生加深实训过程的定性认识。

（三）实训过程远程管理技术。高职物联网实训平台不仅对设备进行监控管理，还要对受训人进行管理，适时评价并提高实训效果：企业根据自身发展需求制订学生的实训计划，校方提供实训环境。在实训过程中，利用M2M框架，一方面监控实训设备，确保实训安全；另一方面采集实训信息（到课状况、实训时间、PLC程序、电工电子导通信息等），评价实训过程，真正实现设备和人的共同管理。

实训平台的远程管理是基于服务器层面的各用户之间的信息交互，包含不同用户对某一事物的认知分析，如图5所示。企业用户和教师用户从各自WEB界面获得学生A的实训情况，并通过WEB界面将实训评价、建议等输入到数据服务器中，然后由实训平台的综合管理中心发布，学生A通过访问WEB服务器认清实训过程的不足，并根据给出的建议，不断优化并提高实训技能。

图5 基于服务层的多用户信息交互示意图

四、实训平台的运行评价与效果分析

高职院校实训平台以M2M物联网框架为基础，对某校春茂电气自动化设备生产车间等部分实训环节进行联网管理。

（一）基于M2M框架的实训设备管理效果分析。在春茂电气自动化设备生产车间，原先的设备大多依靠人力维护管理，对其部分进行物联网改造后，设备实现实时监控，并能根据设备状态智能维护：一是实现数据信号的实时监控。春茂车间配置有较多的电气装置（如焊机等直接接电设备），且实训过程多是带电作业，用电不当可能造成设备损害，甚至危及生命安全。在某些节点配置CC2430无线单片机，采集并上载电流及端压信号，当检测到的电流或电压过大，超过设定阀值时，单片机能快速做出预警，断掉电源，并将故障信息反馈I、II级用户。二是优化设备管理、提高经济运行。春茂车间配置有电气柜，在实训过程中需对柜内温度进行调节，避免电气设备温升过高。通常，柜内温度调节装置（空调机等）与电气柜处于同步运转状态，现对柜内温升敏感设备（变压器等）配置CC2430无线单片机，其自带的温度传感器可实时测量敏感设备温度，以此为依据，控制空调机运转，节约电能消耗，提高经济运行，如图6（a），在确保柜内温度正常的前提下，M2M框架下的风机综合用电量更低，经济性更好。

（二）基于M2M框架的学生实训效果评价。取4组，每组8人进行两个实训过程M、N，A组采用常规实训M、N；B组常规实训M、物联网实训N；C组常规实训N、物联网实训M；D组物联网实训M、N，如图6（b），进行二次重复实训，可见物联网框架下实训效率更高，效果更显著。

（a）实训设备经济性对比

（b）实训效果对比

图6 基于M2M框架的实训平台效果分析

五、结论

从对人和物的综合管理来说，物联网技术有其独特的优势，可实现整个系统的信息交流，提高整体的智能化水平。本文以某校实训平台为基础，在分析当前实训环境的基础上，给出了一种适用于高职实训管理的M2M物联网框架，并以春茂实训中心为例，从受训学生与实训设备两个方面分析该物联网平台的优劣：一是对于实训设备，以CC2430为终端节点，采集电气柜内温度、重要机电设备的端电压、电流值等信息，对实训过程进行监控，优化设备管理，提高经济运行；二是对于受训学生，通过服务层的信息交互，提高实训效率，满足校企双方要求的实训要求。总之，M2M物联网框架适用于高职实训平台管理，能实现多子实训平台的融合，有效解决单实训平台的信息孤岛问题，对于推进高职教育改革，提高教学质量都有重要的意义。

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【基金项目】广西高校科学技术研究项目（LX2014555）

（责编 黎 原）