物联网专业感知层课程群的建设

2015-12-02王晓晔温显斌肖迎元

中国轻工教育 2015年3期

关键词：智能家居联网传感器

王晓晔温显斌肖迎元

（天津理工大学，天津 300384）

一、引言

我校在2011年申请下了物联网工程专业，依托在计算机学院。目前，国家对于物联网专业并没有统一的教材和课程要求，因此，需要进行相关的课程设置和建设。

二、物联网的层次结构

从技术架构上来分析，物联网可分为三个层次结构，分别是感知层、网络层和应用层。感知层是最底层，它的功能类似于人类的五官一样，主要进行物品的识别、信息的采集和信息的传输。其中物品识别设备有二维码标签和RFID标签的读写器；信息采集主要依靠数码相机、摄像头等图像和视频采集系统，各种物理参量的采集系统主要涉及传感器技术；信息的传输主要涉及蓝牙、红外、WIFI和Zigbee等短距离无线通信技术。感知层是核心层，没有了感知层，物联网技术就无从谈起。

三、物联网专业的培养目标

通过本专业的培养，学生应该具备良好的人文素养和职业道德，具有系统、扎实的计算机理论基础、较宽广的物联网相关的计算机、通信和传感的基本理论、基本知识、基本技能和方法，在物联网的信息处理、物联网网络技术、感知层技术等方面具备工程实践特色，具备从事物联网应用系统设计、开发、调试、运行维护等基本能力的应用型高级专门人才。从培养目标来看，将感知层相关课程作为一个课程群来建设符合整体课程建设的需要。

四、感知层的课程内容

由以上分析可知，感知层技术包括射频技术、传感器技术和无线组网技术等，因此相应教学内容应该使学生能够熟练掌握和运用这些核心技术。

我院感知层课程群主要包括：RFID射频技术、传感器技术、短距离无线通信技术、单片机原理及应用，通过这几门课程的学习，基本能够完成物品的识别、物理参量的采集和信息的传输功能，其中单片机作为感知层的控制部件，对信息的采集和传输之间的协调起到了不可或缺的作用。

1.理论教学内容设置

物联网工程专业是在无线通信技术、计算机技术、传感器技术和自动控制技术的日益成熟下迅速发展起来的，因此说与其相关的基本上在其他专业都有开设，但是根据物联网工程的专业性质又需要做相应的调整，因此感知层课程群的设置和内容如表1所示。

单片机作为感知层的核心部件主要实现对各种物理信息的定时采集、显示和传输，同时对某些执行部件的操作进行控制。因此单片机的教学内容主要侧重于硬件基础电路的设计和相应配套软件的设计，并且加大在应用系统开发上的教学力度。

1）原位处理池对于渗沥液氨氮的去除效果很好，最高能达到95%以上，总氮去除率大体上也在50%以上，COD去除效果在30%以上。

表1 理论教学课程和内容

作为物联网工程的专业课程，如果传感器原理单纯讲述传感器技术，则显得教学知识落后于物联网感知层的技术发展，所以在讲述传感器技术的同时，加强传感器检测电路设计的讲解，通过Proteus软件绘制传感器应用电路的原理图，结合虚拟仪器Labview软件，可以实现对所设计的传感器进行输出信号的显示和各种性能评估。

物联网另一个重要技术是短距离无线传输通信技术，主要实现采集信息的传输，除了讲解蓝牙、红外、WIFI等技术的概念和应用之外，将把重点内容放在Zigbee的工作原理、自组网技术和应用开发上，因为ZigBee技术作为一种短距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线网络，以其经济、可靠、高效等优点在物联网技术中有着良好的应用前景。

RFID射频技术的飞速发展对于物联网领域的进步具有重要的意义，在教学内容上，以提高学生的职业能力为主要目标，突出实践环节，使学生全面了解RFID的工作原理，通过相关项目的立题，掌握构建RFID应用系统的核心技术。

2.基于项目驱动的实践教学

物联网工程的专业性质决定了实验教学成为该专业教学体系中不可或缺的重要环节。为了更好地提高学生的综合素质和实践能力，培养学生的创新能力，本专业提出了基于项目驱动的物联网专业实践教学体系[3]。在物联网工程专业的学生进入大二开始学习专业课时，将学生分成科研小组，每8-10人为一个小组。为了结合目前比较成功的物联网应用案例和学生的兴趣，由课程教师设计项目的题目，这些题目应该涉及感知层的各门课程，因此需要教师进行大量的前期准备和项目设计的各项工作。

本校物联网专业根据目前比较成熟的智能家居[4]和RFID射频系统案例，设计出各个项目小组的题目，以及每门相关课程的子课题，课程与项目的具体关系如图1所示。

图1 感知层课程群与实践项目的关系图

依据综合项目的内容，各门课程又设计了相应的子项目，作为综合项目的技术支撑。依据各门课程的教学内容和特点，设计相应的子项目如表2所示。

表2 各门课程子课题设计

3.构建多层次的实践教学体系

为了激发学生的学习兴趣、提高学生的实践能力，项目驱动的实践教学体系采取了循序渐进的实验项目，争取在专业学习的初始阶段就给学生建立明确的专业认知体系和学习目标。实验项目涉及专业认识实习、课内实验、综合实训等多个教学环节，可以将项目一直持续到毕业设计中，贯穿于整个教学体系中。同时，随着教学工作和实验室建设的不断完善，可以设计出更多的项目，供学生选择。

（1）专业认识实习方面

我校物联网实验室构建了智能家居模型，布置了如下子系统。

智能安防子系统：在门窗附近安装了摄像头和红外线，同时室内安装了煤气探头、烟雾探头，作为信息采集器，同时安装有喷水控制、煤气控制和电源控制，并有报警装置和向用户发送报警信息功能。

家居环境子系统：主要包括光敏传感器、温湿度传感器、含氧量、负离子检测器等信息采集装置，控制部件包括灯光控制、窗帘控制、空调控制等。

电子管理子系统：主要实现对各种电子设备如电视、音响、计算机的管理和控制。

通过对智能家居模型的认识和控制，使学生能够直观的了解物联网工程专业的应用以及需要学习的专业知识。

（2）课内实验环节

我校建设有传感器实验室、Zigbee实验室、RFID实验室，可以满足感知层各门课程的实验教学环节的需要。

传感器实验室：可以完成温湿度、光照、重力传感、速度、超声波、磁阻、酒精、压力、甲烷、一氧化碳、二氧化碳等信息的采集，为了实现二次开发的需要，还设计了电压和电流模块，可以根据需要自行设计任何的传感模块。

Zigbee实验室：可以自组无线网，实现和上位机的串行通信和无线通信功能，实现综合实验的能力。

RFID实验室：可以进行低频、高频、超高频和2.4G有源RFID低功耗实验，触摸屏实验，通过嵌入式的控制系统，实现了开发综合实验的能力。

（3）综合实训环节