应用型本科院校物联网实验室建设的探索

杨会

摘 要：物联网技术是多种技术的融合，应用型本科院校的物联网专业建设应结合学校自身特点，在优化专业课程体系的同时，着力于物联网实验室的建设。针对我校当前建设物联网实验室的应用需求，提出了物联网实验室建设的具体思路和发展前景，并引入窄带物联网通信技术，将物联网技术与窄带物联网通信技术相结合来搭建可供学生实际操作的移动互联应用实训平台。

关键词：物联网；智能实验室；窄带物联网通信；移动互联

中图分类号：TP393；G64 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2017）09-0-02

0 引 言

国家“十三五”规划纲要明确提出“发展物联网开环应用”，将致力于加强通用协议和标准的研究，推动物联网不同行业不同领域应用间的互联互通、资源共享和应用协同[1]。在此大形势下，作为应用型本科院校，在人才培养方面，不仅要重视物联网技术专业基础知识，更应重视特定应用领域的实际工作能力，因此必须高度重视与理论教学相辅相成的实验教学环境的建设。本文以宿迁学院物联网实验室建设为例，详细阐述了物联网实验室建设的应用需求、建设思路以及针对应用型本科院校学生的建设特色。

1 物联网实验室建设的应用需求

物联网技术是集计算机技术、传感器技术、通信技术、嵌入式技术等多种技术的综合技术[2]，作为应用型本科院校，物联网专业已获批准并将开始招生。为了能够培养高素质、动手能力强的综合应用型人才，物联网实验室建设迫在眉睫。

1.1 满足基础实验的需求

物联网实验室建成后首先要满足物联网专业、电子工程专业、通信工程专业等与专业培养方案有关实验课程的要求。物联网实验室开设的相关基础实验课程不仅可以加深学生对相关专业知识的认识与理解，也可以培养学生的动手实践能力，为学生毕业后从事相关专业工作打下坚实的基础。

1.2 满足实训和参加比赛的需求

与其他学科相比，物联网专业是一门集成创新型的应用性很强的综合学科，为了培养本学科人才的创新能力和综合应用能力，物联网实验室还应满足实训和比赛的需求。

实训课程是面向企业对人才的真实需求，运用企业当期运行的真实项目，实施案例教学，并按照企业的实际用人需求，定向培养具有职业品行素质和行业领域知识的技能型人才。

当今针对大学生的比赛项目大多是基于物联网技术平台来实现，因此建设物联网实验室，使学生能够接触到最前沿的科技，并能参与到这样的比赛和项目中，对学生来说无疑是一种与平常教学不一样的经历和体会。

1.3 满足科研需求

由于应用型本科院校对教师科研能力的要求越来越高，特别是对物联网这种多学科交叉的新专业来说，教师的知识和技能都存在不足之处，因此需要通过科研探索来提高教师的科研能力；需要在建设物联网实验室时充分考虑教师在科研层面的需求，从硬件平台以及软件平台提供相应的支撑。

2 物联网实验室建设的思路

物联网实验室建设主要分为基础理论认知平台、智能实验室实训平台、应用设计创新平台。

2.1 基础理论认知平台

物联网基础理论认知平台主要是指为满足物联网等相关专业基础实验课程的需求而配备的物联网综合实验箱。该实验箱能够提供完整的、层次化的物联网教学体系，提供与单片机技术、物联网通信技术、传感器技术以及Android技术等相关的一系列实验项目，见表1所列。

物联网综合实验箱应能够完整地体现物联网的三层结构，即感知层、网络层和应用层。从硬件应用到软件设计，一步步引导学生了解整个物联网体系结构。此外，实验箱应采用模块化设计，不仅方便学生和老师选择性地做一些感兴趣的实验，还便于实验员进行检修和维护。最重要的是要具备二次开发的功能，便于学生进行其他综合性实验项目的拓展，例如环境监测实验、智能家居实验、智能交通实验、智能安防实验等。

2.2 智能实验室实训平台

基于物联网应用技术的智能实验室实训平台[3，4]集成了LabVIEW技术、嵌入式技术、传感器技术、互联网技术以及App技术。实训平台大致分为3部分，即服务器层、嵌入式控制终端、无线传感网络。智能实验室实训平台如图1所示。

2.2.1 服务器层

服务器层通过Internet网同嵌入式控制终端相连，以 TCP/IP 协议进行通信，接收来自嵌入式控制终端的数据，分析后存入数据库以备检索，并显示在网页上。老师可通过 Web 或App的方式远程访问服务器，将操作结果存入数据库，服务器通过预先的设定分析数据库的变化，最终反映在向嵌入式控制终端发送的相应命令上。

2.2.2 嵌入式控制终端

嵌入式控制终端位于实验室内部，将服务器和无线传感网络紧密联系在一起，接收来自无线传感网和摄像头发送来的数据，进行处理并通过网络上传服务器，可以远程通过服务器上的网页进行查看和控制。

2.2.3 无线传感网络

无线传感网络处于系统最底层，通过 ZigBee和温湿度、烟雾、火光等传感器将实验室的实时环境数据回传至嵌入式控制终端，嵌入式控制终端通过对接收到的数据进行处理，控制相应继电器组完成对设備的控制。根据实训需求，无线传感网络设计了环境监测模块、视频安防模块、智能开关控制模块。该无线传感网络的结构如图2所示。

环境监测模块：该模块通过温度传感器、湿度传感器、光照传感器等采集实验室内的温度、湿度、光强度等信号并通过无线发射模块上传至嵌入式控制终端，并通过网络最终显示在电脑上供监测人员查看。

视频安防模块：该模块一方面通过烟雾传感器、火光传感器采集相应信号来监测实验室有无火灾隐情，并当有火灾发生时及时向消防部门报警；另一方面通过红外激光传感器采集数据，监测在实验室不开放期间是否有人员闯入，并当有人员闯入时及时向公安部门报警。另外还可以通过摄像头及时对实验室情况进行视频监控。endprint

智能开关控制模块：实验人员可以对实验室的温度、光照强度、定时开关等进行设置。当实验室温度、走廊光照强度、定时时间达到用户指定情况时嵌入式控制终端控制相应继电器组完成控制功能。实验室温度过低或者过高时可以自动开启空调，并根据光照强度实时控制照明灯的亮灭及智能窗帘的开启和关闭，实现在用户指定时间打开实验室开关，不使用实验室时自动关闭开关的功能。

2.3 应用设计创新平台

物联网专业学生在通过基础实验平台、实训平台学习后，在对物联网的架构以及无线传感网充分了解的基础上，不仅可以在原有系统模型上进行二次开发，还可以利用创新平台进行相关应用设计。此外，为了满足物联网专业教师科研的需求与学生参加各种竞赛的需求，在建设物联网实验室时应考虑到应用设计创新平台的建设。该平台以嵌入式FPGA设计实验套件MyRIO作为硬件开发平台，将LabVIEW作为软件开发平台，通过软硬件的开发可以使教师、学生快速搭建起一个基于物联网的相关实践创新项目平台，从而能够在项目实践中提升教师的科研能力与学生的实践创新能力。

3 物联网实验室建设特色

针对当今物联网发展的趋势，引入窄带物联网（NB-IoT）技术是物联网实验室建设的初步探索。作为应用型本科院校，本次物联网实验室的建设考虑将物联网终端与窄带物联网通信技术相结合来实现移动互联网应用的实训平台也是一大特色。该窄带物联网实训平台如图3所示。

图3 窄带物联网实训平台

NB-IoT技术是指一种专为物联网设计的窄带射频技术，以室内覆盖、低成本、低功耗和广连接为特点。物联网终端虽可使用2G/3G/4G网络来实现移动互联网应用，但难以满足低功耗低成本的要求，因此目前接入运营商网络的物联网终端仅占6%[5]。引入NB-IoT技术后，可真正实现所有物与物的连接，这是物联網的发展前景，也是物联网实验室建设的前景。

无线传感网完成传感器数据采集后，通过ZigBee无线发送给窄带物联网智能网关。智能网关接收到数据后，可完成数据格式的转换，使无线传感网采集得到的数据在NB-IoT通信网络中传输。最后通过搭载的NB-IoT通信基站系统，使得人们可以利用移动设备快速便捷地访问无线传感网采集的数据。

4 结 语

我们应抓住机遇，找准专业定位、优化课程体系，重视物联网实验室的建设，抢占物联网人才培养先机。本文详细阐述了物联网实验室建设的应用需求、主要内容以及针对应用型本科院校学生的建设特色，但我校的物联网实验室建设仍处在初步探索阶段，还需不断改进和完善，才能为社会培养更多的物联网专业人才。

参考文献

[1]林莉，陈丽丽.高校物联网实验室建设规划[J].长春理工大学学报， 2012（4）：27-28，62.

[2]陈景贤，陈志生.高校物联网实验室建设与应用[J].实验室研究与探索， 2013（8）.

[3]王慧渊，张珣.基于物联网技术的智能实验室的研究[J].物联网技术， 2013（10）：64-67.

[4]吴蓬勃，李学海，杨斐，等.基于物联网的智能实验室研究与实践[J].实验室研究与探索， 2015， 34（3）：78-85.

[5]邢宇龙，胡云.窄带物联网部署策略[J].信息通信技术， 2017（1）：33-39.

[6]裴浩，游小荣.高职院校纺织物联网实验室建设研究[J].物联网技术，2014，4（11）：91-92.

[7]温显斌，肖迎元，王晓晔，等.物联网专业实验室建设初探以及注意的几个问题[J].物联网技术，2015，5（3）：107-108.

[8]冯德尹.新建本科院校转型中的物联网实验室建设探究[J].网络安全技术与应用，2014（7）：217.endprint