物联网与电子信息专业实践教学融合的研究

刘静森+杨冬云+侯晓力+朱晓明+邹海英

摘要：在研究物联网技术与电子信息工程专业课程体系的对应关系的基础上，将网联网技术与电子信息专业实践教学进行有机融合，并设计适应该专业的物联网实践教学平台，将该实践教学平台应用到本专业的实践教学中，提高了学生的实践技能，实践教学效果良好。

关键词：物联网；电子信息专业；实践教学

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2015）16-0261-02

“物联网”是在“互联网”的基础上，将其用户端延伸和扩展到任何物品与物品之间，进行信息交换和通信的一种网络概念。其定义是：通过射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络概念。自2009年8月温家宝同志提出“感知中国”以来，物联网被正式列为国家五大新兴战略性产业之一，写入“政府工作报告”，物联网在中国受到了全世界极大的关注。

一、物联网与电子信息专业实践教学融合的意义

物联网技术是当前国内外各领域应用的重点，它具有全面感知、可靠传递、智能处理等特征，给人们的生活、工作和学习带来了更智能、更便捷的变革。如何将物联网技术与电子信息工程专业实践教学进行融合，研制出符合电子信息工程专业的物联网实践教学平台，具有重要的意义和广阔的应用前景，主要体现在以下几个方面。

1.该实践教学平台与传统的课程实验箱可以互为补充，解决了课程试验箱彼此孤立、无衔接的问题，分别从课程和专业（点和面）的角度对提高学生的实践技能起到支撑作用。

2.该实践教学平台所能提供的实验多为综合性与设计性实验，让学生从以前只做一个实验到做一个有实际应用的物联网小系统，给学生自由发挥的空间非常大，充分挖掘学生的潜能与兴趣，以兴趣为导向将学生从以前实验的“被动学习”变成“主动学习”。

3.该实践教学平台所能提供的实验具有工程应用的特点，通过该平台的实验教学，在提高学生实践技能的同时与企业需求相对接，进而提高本专业学生在就业时的竞争力。

4.该实践教学平台将电子信息工程专业主干课程的实验进行了融合，这种理论与实践的有机融合，对本专业主干课程的理论教学起到较好的支撑作用。

5.基于物联网技术构建的实践教学平台不仅适用于电子信息工程专业，同时也适用于其他电类相关专业，具有较好的推广应用价值。

二、物联网实践教学平台现状分析

随着物联网技术的兴起，国内有很多公司开发出了应用于高校的物联网实验平台，例如无锡泛太科技有限公司、深联致远科技有限公司和杭州喜马拉雅集团科技有限公司等。这些公司的物联网实验平台存在如下问题。

1.各公司开发的物联网实验平台往往只提供相关项目的代码，由于公司的研发人员不具备教学经验，他们提供的项目很难与本专业的相关课程进行有机的结合。

2.各公司开发的物联网实验平台采用的都是高端的ARM处理器，由于电子信息工程专业的学生只开设了51单片机的课程，由51过渡到带有嵌入式操作系统的高端ARM处理器的学习难度较大。

3.各公司开发的物联网实验平台只提供物联网的感知层和网络层的相关实验，即使个别的平台也提供了应用层的实验，但这些实验很难与电子信息工程专业开设的相关课程进行有效的结合，学生在这样的平台下实验，很难达到较好的效果。

4.各公司开发的物联网实验平台价格昂贵，每套价格都在万元以上，如果以此平台建立物联网实验室，资金投入较大。

三、物联网与电子信息专业课程体系的对应关系

物联网技术与电子信息工程专业课程体系的关系如图1所示。由图可以看出物联网可分为三个层，分别为感知层、网络层和应用层。下面研究这三个层与课程体系的对应关系。

1.感知层与课程体系的对应关系。感知层是物联网的皮肤和五官，主要负责数据采集和数据短距离传输两部分，物联网的该层与专业课程体系中的Zigbee技术、RFID技术与应用、传感器及检测技术和单片机原理与应用等课程相对应。传感器及检测技术课程从属于物联网领域，传感器是获取信息的工具，位于系统之首，其作用相当于人体的五官，直接感受外部信息，将信息转化成可用信号，对系统的智能化起着决定性作用，智能程度愈高，系统对传感器的依赖程度愈大。ZigBee技术在射频与无线电技术、物联网技术、工业通信技术等领域具有广泛的应用。它是一种短距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线网络技术。Zigbee技术是物联网平台感知层的一个重要组成部分。RFID技术是一种利用无线通信实现的非接触式自动识别技术，是基于射频识别的自动识别类的项目的核心技术，并且RFID技术也成为了物联网感知层的核心技术。传感器及检测技术课程在物联网的感知层负责的是数据的采集。Zigbee技术、RFID技术与应用这两门课程在物联网的感知层负责的是数据的短距离传输。单片机原理与应用课程在物联网的感知层负责的是数据采集与数据短距离传输之间的桥梁。

2.网络层与课程体系的对应关系。网络层主要负责把感知层感知到的数据无障碍、可靠及安全地进行传送，物联网的该层与专业课程体系中的通信原理、信息论与编码、通信网及接入技术和工业通信技术基础等课程相对应。这些课程给物联网的网络层技术提供理论支撑，是物联网网络层理论基础。

3.应用层与课程体系的对应关系。应用层主要负责把感知和传输来的数据进行分析和处理，做出正确的控制和决策，物联网的该层与专业课程体系中的电子系统软件设计、监控系统软件基础、3G技术应用和数字图像处理等课程相对应。

四、物联网实践教学平台的设计

物联网的三个层都有相应的课程与之对应，但学生在进行课程的理论学习和实践学习的时候，课程之间比较孤立，很难建立这种对应的关系，所以导致课程的理论和实践教学效果较差。通过以上分析可以看出物联网技术与电子信息工程专业课程体系有着紧密的关系，该关系是设计并实现基于物联网技术的实践教学平台的基础。以物联网技术与电子信息专业课程体系的对应关系为依托，结合本专业理论教学与实践教学的特点设计符合本专业的物联网实践教学平台。该实践教学平台如图2所示。该平台硬件由ARM嵌入式主板、模块板和PC机平台或手机平台构成。模块板中RFID模块、Zigbee模块、蓝牙模块、传感器模块和GPS模块主要负责物联网感知层的功能，感知层的每一个模块都有与之对应的理论课程，在利用模块进行感知层实验时可以让学生更深刻地理解与之对应的理论课程的知识点，达到理论与实践的统一。模块板中以太网模块、GPRS模块和WIFI模块主要负责物联网网络层的功能，网络层的两个模块都有与之对应的理论课程，同样在利用模块进行网络层实验时可以让学生更深刻地理解通信原理、信息论与编码这些理论性较强的课程的知识点。PC机平台或手机平台主要负责物联网应用层的功能，基于这两个平台的应用层软件开发，可以将传输层上传的数据进行更好地显示和存储，这正是监控系统软件设计这样的专业课所涉及的知识。而ARM嵌入式主板是感知层模块和网络层模块之间的桥梁。它一方面负责与传感器模块及短距离传输模块进行通信进行数据的获取，另一方面它将获取到的数据通过网络层模块进行传输与上位机进行通信。

ARM嵌入式主板采用意法半导体公司的STM32系列处理器，方便学生由51快速的过渡到ARM处理器的学习，PC机平台选用Windows操作系统，手机平台选用Android操作系统。

五、教学效果

该实践教学平台已在实践教学中广泛应用，教学效果良好，主要体现如下。

1.对实践教学的促进。在实践教学中，该平台提高了电子信息工程专业学生的实践技能和工程应用能力，学生对实践的兴趣增加，以兴趣为导向让学生更加积极主动地动手实践，这些实践技能的提升使学生在学科竞赛中取得了比以往更好的成绩，并且在就业中竞争力大大提高，就业后得到了企业的普遍认可。

2.对理论教学的促进。在理论教学中，通过该平台的实验，学生可更深刻地理解理论课程所教授的知识，学生从以前的单纯的理论学习到“从理论到实践，再从实践到理论”这样一个良性的循环，在实践中遇到问题并得到解决后更加深了对理论知识点的理解。

总之，学生在该实践教学平台的学习过程中发挥了主体作用，提高了工程实践能力和创新能力。

参考文献：

[1]刘云浩.物联网导论[M].北京：科学出版社，2013.

[2]伍新华.物联网工程技术[M].北京：清华大学出版社，2011.

[3]许毅.无线传感器网络原理及方法[M].北京：清华大学出版社，2012.endprint