物联网专业综合实训项目的研究与设计

张书钦++郭倩倩++王海龙++吴志刚++王春霞

摘 要：针对物联网专业综合实训课程中，学生通过实训项目综合运用本专业的知识和技能，在校内进行综合性、系统化开发训练，文中设计了一个综合实训项目。该实训项目集成了无线传感器网络、分布式消息通信、移动终端等技术，能够实现对智能建筑的能耗监测。连续多届的教学实践表明，该项目系统适合不同能力层次、不同技术兴趣的学生进行实训开发，大大提高了学生的物联网专业综合实践能力。

关键词：物联网专业；综合实训；实训项目；实践教学

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2017）10-0-03

0 引 言

物联网（Internet of Things，IoT）是指可将无处不在的末端设备和设施通过各种无线或有线方式通信的信息系统。物联网技术可广泛应用于工业、农业、医疗、环保、军事等领域，未来发展前景十分广阔。物联网涉及计算机、电子等领域，具有知识结构复杂等特点。文献[1-3]中提到，工程性和实践性是物联网专业人才培养的突出特点，提出了理论课程、实践教学环节的一体化教学思路。文献[4-7]分析了物联网专业实践教学体系，重点探讨了基于项目制的实训在物联网实践教学体系中的重要位置。文献[8-10]提供了具体的物联网系统作为实训项目，以培养学生的综合实践能力。

中原工学院计算机学院针对物联网专业方向高年级本科生设置了专业综合实训课程，仿照企业的项目研发过程，使学生在实训项目开发中深入理解专业知识，并掌握项目研发管理方面的知识。综合实训是在程序设计语言、无线网络、物联网原理、嵌入式系统等前导课程的基础上开展的综合性实践环节，一般开设于第6学期，为毕业实习、毕业设计做好准备，最大限度地增强学生对就业市场的适应性。

在项目制的专业综合实训教学中，实训项目的设计是关键问题，实训项目的专业综合性、技术新颖性、工作规范性等方面都直接影响实训教学效果。基于多年的实践经验，本文讨论了实训项目设计的一般方法，并以智能楼宇能耗监测系统为例来分析实训项目的设计与教学实施。

1 基于项目的物联网专业综合实训

物联网专业综合实训课程通过项目化的开发训练使学生综合利用所学物联网软硬件课程知识进行物联网应用系统的设计和开发。该课程安排在第6学期，可以总结前面5个学期所学的C/C++程序设计语言、数据结构、操作系统、数据库原理、嵌入式应用开发等软件类课程，以及计算机组成原理、微机原理与接口、传感器原理、无线网络、EDA技术、RFID原理及应用等硬件类课程。该课程还可为第7和第8学期毕业实习和毕业设计做准备，减少对考研学生的影响。由于第6学期还有其他课程的教学，综合实训课程采用分散方式进行，学生平时可利用课余时间进行实训开发，在期末集中验收。

课程规划了一系列项目系统供学生分组进行开发训练，项目组学生分工合作共同完成系统的开发。每一个实训项目都由指导教师对学生进行指导和管理，及时了解并解决学生遇到的各类问题。通过项目的开发训练，不仅训练了学生的专业知识综合运用能力，还通过规范化管理熟悉了所开发项目的工程实施过程。

2 物联网综合实训项目设计要求

课程主要依托现有的实验实训设备平台来规划和设计实训项目系统，这些系统具有专业综合性的特点，可覆盖典型的专业知识点，能够解决实际应用问题。

2.1 物联网教学知识点分析

实训项目要能反映专业的知识能力要求。结合专业课程体系，从物联网体系结构的感知层、网络层和应用层三方面对实训的教学目标、教学内容等进行分析。物联网专业实训教学重要知识点见表1所列。

2.2 实训项目的规划

实训项目主要向相关教师征集，多数都来自教师的科研课题，具有较强的专业针对性，能够体现物联网专业课程的教学内容。按所涵盖知识内容，大体上可将实训项目分为以下几类：

（1）无线物联网（基于ZigBee、蓝牙、WiFi的应用系统）；

（2）嵌入式物联网（基于嵌入式设备的远程信息采集和处理系统）；

（3）移动互联网（基于Android/iOS移动终端的应用系统）。

一个项目系统要覆盖感知层、网络层、应用层三方面的技能要点。我们通过集体讨论分析各实训项目特点，最终依据设计性、综合性、系统性、真实性和新颖性确定约10个不同类型的实训项目，供60名学生根据自己的兴趣和能力选择合适的实训项目。

这些项目主要通过实验室现有软硬件设备来构建完整的应用系统。实验室可提供传感器、RFID、PLC、3G/WiFi、网关等节点或模块，并配套有丰富的例程、开发文档等资料，方便学生学习、二次开发、集成与扩展。

3 实训项目智能楼宇能耗监测系统的设计及教学实施

以智能楼宇能耗监测系统为例来分析实训项目的设计与教学实施。

3.1 實训项目系统的设计

智能建筑能耗监测系统由下至上分为现场网络层、通信服务层和管理应用层，系统整体架构如图1所示。现场网络利用部署在楼宇内的无线传感器网络采集能耗状态数据，传输到协调器并送往网关。在通信服务层中，网关通过串口与协调器通信，通过MQTT与消息服务器通信，并能将消息转发给管理应用端，如桌面应用程序、数据库、Web浏览器、移动设备。管理应用层能通过Web、移动终端来管理各种系统配置、建筑能耗信息及预警信息。

本系统集成了无线传感器网络技术（Contiki）、分布式消息通信技术（MQTT）、移动终端开发技术（Android）等新技术。

Contiki无线传感器网络子系统的基本技术要点如下所示：

（1）利用CC2530节点设备，基于Contiki的6LoWPAN传感器网络，节点初始化后会发出入网请求，准备加入IPv6传感网络；endprint

（2）节点间形成以协调器为根节点的6LoWPAN传感器网络。当节点初始化、加入网络、地址分配完成后，节点进入工作状态；

（3）在节点上添加两个任务（Task），即设备能耗状态采集任务和网络管理任务；

（4）根据命令或周期性自动采集能耗数据，将能耗信息和自身状态信息以UDP/IPv6数据包形式传送到服务器。开发工具与开发技术包括C语言、CC2530、IAR、6LoWPAN、RPL、Coap。人员需求1～2名。

MQTT通信平台子系统的基本技术要点包括如下几项：

（1）能够接收来自网关与其他管理终端的消息，并对消息进行可靠性检测；

（2）解析出消息的内容，对消息中需要记录的数据进行记录，判断消息是否需要转发以及转发时需要附带的参数及转发形式；

（3）提供GUI操作界面，便于管理操作，在操作界面显示当前通信连接情况与重要的日志信息，如异常状态、连接超时状态等。开发工具与开发技术包括Qt Creator；开源MQTT库Mosquitto、HiveMQ。需要1名人员。

监测应用服务平台子系统的基本技术要点如下：

（1）侦听前端设备的注册请求，以完成設备的接入。注册成功后，系统即可持续接收来自设备的实时数据；

（2）根据预先定义好的协议格式，将接收到的原始消息进行转义操作，识别成可理解的监测数据信息，并写入数据库中；

（3）根据单位、楼宇、设备类型、时段等对能耗数据进行统计分析；

（4）生成Web页面，实现监测数据的可视化，利用AJAX进行监测数据更新。开发工具与开发技术采用MyEclipse；J2EE；SSH架构；MySQL数据库；JBoss；Tomcat。人员需求3名。

Android移动终端子系统的基本技术要点如下：

（1）使用Google MAP技术将用户管理的建筑标记在手机地图上，并可放大、缩小和移动，方便用户查找建筑标记、获取建筑地理位置信息；

（2）通过无线网络访问MQTT消息服务器或WebService上封装的能耗数据管理服务器解析建筑能耗数据；

（3）使用图表技术对获取的建筑能耗数据进行动态图表显示，可以选择的图形包括柱状图和线形图等；

（4）使用推送技术接收远程服务器的推送信息，实现预警；

（5）使用JavaMail技术实现邮件发送功能，提交用户反馈信息。开发工具与开发技术包括Android Studio、Android SDK、Google MAP、SQLite。人员需求1名。

3.2 实训项目的教学实施

实训课程的教学过程分为准备、开发和验收考核这三个阶段。准备阶段在第5学期期末，主要介绍实训项目特点，将学生按兴趣和能力进行项目分组，保证每一组都有能力较好的学生。开发阶段跨越第6学期，学生在教师的指导下利用课外时间进行项目系统的设计与开发。验收考核阶段在第6学期期末，每名学生需提交项目系统设计文档、项目系统源代码、实训报告，还要对每名学生进行考核。

一般的项目系统可以供多届学生迭代开发，不断完善系统功能，扩展系统构成，优化代码实现，改善用户接口等。智能楼宇能耗监测系统在第一届实训教学中，仅要求能够实现各子系统的互联互通，能够从传感节点将消息上传到后台进行存储、处理，后台也可以将命令消息下发到指定的传感节点，主要完成进程线程规划、模块接口与消息定义、数据库设计等基础性、框架性设计与开发工作。

在系统开发中，注重工作过程和规范、编程思想与开发技术的运用。在实训项目开发过程参照企业开发管理方式，强调代码编写规范，要求学生撰写需求分析、概要设计、详细设计，以及专题技术学习总结等文档。利用SVN等版本工具对代码、文档进行管理，方便了项目开发的统一管理和控制，也便于下届学生在此基础上进行扩展升级。这种规范化的项目实践经验使学生在实习或就业时能更好地适应企业化的工作环境。

4 结 语

物联网专业综合实训课程是主要专业课程完成之后的综合实践环节，该课程采取项目制组织方式，通过精心设计的实训项目系统锻炼学生的专业知识综合实践能力。本文以智能楼宇能耗监测系统为例分析了实训项目的规划设计与教学实施。

对于实训课程来说，一个实训项目可供多届学生持续开发、扩展、改进，下一届学生可以在前届的基础上工作，提高学生的学习起点，克服学生在初次面对开发项目时的茫然和畏难情绪。因此，有必要重视实训项目库的建设，通过多届学生不断地完善，形成专业针对性强、管理规范、指导有保障的一系列实训项目，对提高实训教学质量有重要意义。

参考文献

[1]周鹏，王金凤，刘兆瑜，等.物联网工程专业人才培养模式研究——以郑州航院为例[J].软件导刊：教育技术， 2015， 14（10）：41-43.

[2]曹丽颖.物联网工程专业校企合作人才培养模式探索[J].沈阳农业大学学报（社会科学版），2015，17（1）：50-53.

[3]邱恭安，章国安，包志华.物联网专业课程教学中学科特色培养探讨[J].物联网技术， 2016，6（9）：118-120.

[4]彭剑，戴经国，肖华茂，等.物联网工程专业实践教学体系设计[J].计算机教育，2015（4）：111-113.

[5]樊谨，仇建.物联网工程专业创新实践课程教学模式探讨[J].计算机教育，2016，263（11）：119-122.

[6]李媛，方建军，龙浩.面向“应用型”人才培养的物联网工程教学体系探索[J].物联网技术， 2014，4（1）：77-79.

[7]段任.物联网工程专业实践教学模式研究[J].中国管理信息化，2017，20（7）：243-244.

[8]任倩倩，郭亚红.物联网工程专业项目驱动实验教学改革探索[J].黑龙江教育（高教研究与评估版）， 2013（2）： 19-20.

[9]李友胜.智能家居实训室在高校的建设与实践[J].电脑知识与技术：学术交流，2017（1）：130-132.

[10]郭昉，段佳勇.物联网智能停车场实训系统的开发与应用[J].电子世界，2017（3）：180-181.endprint