智能家居应用背景下物联网实验教学研究

2017-12-25李林林吴建胜孙良旭刘国莉王刚

计算机时代 2017年12期

李林林+吴建胜+孙良旭+刘国莉+王刚

摘要：物联网实验教学缺乏实际项目背景的综合性实验，实验内容彼此独立，缺乏联系，实验组织形式与实际工程开发形式不一致。针对上述问题，文章选择智能家居物联网应用作为项目背景，根据物联网软硬件技术层次关系，对实验内容进行按层分组，学生通过自由组合方式，组织综合性实验内容，讨论实验软硬件环境的搭建，完成相关实验。

关键词：智能；家居；物联网；实验；教学

中图分类号：TP391.1 文献标志码：A 文章编号：1006-8228（2017）12-73-03

Research on IoT experiment teaching for the application of smart home

Li Linlin1， Wu Jiansheng1， Sun Liangxu1， Liu Guoli2， Wang Gang1

（1. School of Software， University of Science and Technology Liaoning， Anshan， Liaoning 114051， China；

2. School of Science， University of Science and Technology Liaoning）

Abstract： IoT （Internet of things） experiment teaching lacks the comprehensive experiment of actual project background. The experiment contents are independent and no relations each other. The experiment organization is not consistent with the actual project development organization. Aiming at the above problems， this paper selects the smart home IoT application as the project background， and according to the software and hardware technology hierarchy of IoT， groups the experiment contents by the layers. The students can group by free combination， and organize the comprehensive experiment contents， to discuss the construction of software and hardware environment and fulfill the relevant experiments.

Key words： smart； home； IoT； experiment； teaching

0 引言

物联网（Internet of Things， IoT）实现了物理设备、网络设备、智能设备、建筑物和嵌入式设备之间的互联。通过嵌入设备中的电子器件、软件、传感器、执行机构和网络连接实现设备之间的数据采集和交换[1]。

智能家居是对智能建筑中，与居住有关方面的扩展，通过Wi-Fi和4G等网络通信技术实现对家庭生活各个方面的智能控制。例如温湿度、光照采集，水浸、烟雾、可燃气实时监控，空调、热水器等家电设备的远程移动控制，窗帘、照明灯等家居设备的智能化控制，门禁、红外和视频监控等安防系统控制等[2]。

物联网技术的研究已经深入到实验室硬件建设的各个方面[4-6]，实验室硬件设备已经很好满足教学的需要，但是如何在良好的物联网实验室中，合理的利用现有良好的硬件环境，科学组织物联网技术的实验教学这个“软件”问题，一直是困扰物联网相关专业实验教学的问题。良好的硬件环境换不来良好的教学效果，这是必须要解决的问题，实景教学模式是解决该矛盾的一种新的尝试[7]。

1 物联网实验教学存在的问题

物联网应用涉及丰富的软硬件技术，硬件方面主要包括传感器技术、RFID技术和嵌入式系统技术，软件方面主要包括移动开发技术、服务器技术和数据库技术等[3]。除此之外，还需要网络通信协议等理论基础支持。

在实际的物联网实验教学过程中存在许多问题，主要有以下。

⑴ 實验内容的设定多以介绍、演示和验证某一基本技术原理为主，多种技术实验之间彼此独立，实验内容之间缺乏逻辑联系，造成实验教学内容组织缺乏整体性。

⑵ 实验内容的设定多采用经过人为简化、脱离实际应用的虚拟场景。在此场景下虽然可以完成实验，但是所完成的任务与实际应用存在较大差别，锻炼的能力难以达到工程实践要求。

⑶ 实验类型比较单一，缺乏有一定规模的设计性和综合性实验。学生训练基本还停留在低层次的技术实现，缺少高层次的项目设计训练。

⑷ 实验组织形式多以个人为主，在传统实验箱有限功能基础上完成实验。由于实验内容难度分量和实验软硬件环境限制，实验组织形式缺乏团队成员之间的分工和协作，与实际工程实践过程不一致。

2 智能家居应用背景

本文认为上述问题的主要原因在于，实验内容设定没有一个真实的应用背景，不能将所有的物联网技术通过一个综合案例，按照工程实践的实际流程和水平要求，进行有效的分解和组合。我们建议以智能家居作为真实的应用背景，将智能家居所涉及的物联网技术从工程项目需求角度进行分解，按照工程实施逻辑再进行重新组织，充分利用现有软硬件资源，对学生按照团队模式进行组织，按照实际工程流程进行项目的设计、实施和验收。通过采用上述智能家居应用背景物联网实验教学改革，可以有效解决目前物联网实验教学存在的问题，理由如下。

⑴ 实验内容的设定来至于智能家居应用问题的合理分解，彼此保持一定的独立和联系，由问题需求引入技术解决方案，完成技术原理的学习和应用，符合问题导向的学习方式。

⑵ 智能家居是学生最熟悉的实际物联网应用背景，无需进行简化和虚拟。由于智能家居是典型的物联网应用，其具有一般物联网应用都具有的软硬件技术。通过完成智能家居应用背景的综合性实验内容，就可以达到实际工程实践训练的目的和要求。

⑶ 智能家居应用需求比较复杂，涉及的技术比较多。学生需要从系统的高层次设计开始，按照系统分解的设计思想，先进行功能分解，然后进行低层次任务实现。

⑷ 由于智能家居应用无法通过个人在合理的教学时间和环境下完成，所以必须通过团队形式完成。通过团队这种形式，可以锻炼学生在完成实际工程项目过程中所需要的分工、协作、沟通和组织等能力。

3 智能家居综合性实验设计和组织实施

将物联网的技术进行分层分析，可以分为感知层、执行层、网络层和应用层，其中感知层和执行层属于同一层次。感知层由各种传感器以及传感器网关构成，包括温湿度传感器、光照传感器、可燃气传感器、烟雾传感器、水浸传感器、震动传感器、红外栅栏传感器、人体感应传感器和摄像机等，接收指令，采集和上传信息。执行层由各种执行装置以及执行装置控制器构成，包括门禁电磁锁、电动窗帘、红外遥控器、灯光开关等，接收指令，控制执行装置完成动作。网络层由各种私有网络、互联网、有线和无线通信网、网络管理系统和云计算平台等组成，负责传递和处理感知层获取的信息。应用层是物联网和用户的接口，它与具体需求结合，实现物联网的智能应用。

根据物联网技术学习的要求，将综合性实验内容按照技术层次进行组织，分为四组，分别为感知层实验内容组、执行层实验内容组、网络层实验内容组和应用层实验内容组。一个完整的物联网应用涉及到所有的实验内容分组，各个分组从技术本身角度是彼此独立的，但是从技术应用角度又是密切相关的。感知的信息需要通过网络传达到应用，应用的决策控制又需要通过网络传达到执行设备。

各个实验内容分组的具体实验内容如图1所示。

将学生按照团队进行组织，要求团队中成员分别选择各个层次中的一部分实验内容，所有团队成员集体完成一项智能家居物联网小应用。由于各个分层的实验内容从技术原理上是一致或者类似的，但是技术应用上又有所不同。团队成员可以根据个人兴趣，通过集体协商，在每个不同的层次选择不同的实验内容，通过这样的组合，可以创建很多相同智能家居背景的、不同需求的物联网应用，示例如表1所示。

这样的综合性实验设计既可以使实验内容丰富完整，又可以使实验内容存在差异区别。通过这样的综合性实验设计，既可以让所有学生学习到相同的物联网技术，又可以让所有学生学习到不同的物联网应用。

4 实验教学平台软硬件环境构建

对于实验教学平台硬件环境构建，为了能够充分再现智能家居项目背景，购置一定数量、成本较低、不同类型的传感器，由团队根据设计方案自由选择，其他一些数量较少、成本较高的执行设备或者传感器，团队间协商共享方式使用，这样首先可以解决感知层和执行层的硬件环境问题。对于无线通信，购置一些不同通信协议无线通信模块和路由器，确保在设置上团队之间互不干扰。对于有线通信，为了实验管理方便，提前在实验室进行合理有序的网络布线，团队只能选择使用，不能随意重新布线，这样又可以解决网络层的硬件环境问题。感知层和执行层一半都是独立的硬件模块，在了解原理的基础上，学生只需掌握如何使用就可以了，一般实验不会涉及到硬件本身或协议本身的开发。

对于实验教学平台软件环境构建，主要包括操作系统和开发工具。在应用层上，可以根据应用执行的终端类型，又可以分为服务器、网关、PC终端和移动终端。不同的终端类型要求不同的软件环境。一般来说，对于服务器，操作系统一般选择Linux或者Windows，安装服务组件，开发工具一般选择Eclipse或者Visual Studio开发工具。对于网关，多为嵌入式设备，一般选择裁剪后的Linux操作系统，为了开发方便，多采用Windows开发，Linux部署联调的方式，一般选择Qt Creator、MinGW和Qt-Opensource-Windows开发工具。对于PC终端，操作系统一般选择Windows，PC多以浏览器方式对服务器或者网关进行信息查看和设备控制，一般只需要部署应用运行环境即可，不需要安装开发工具。对于移动终端，考虑开发成本，多采用Android操作系统的手机，采用与网关一样的开发方式，一般选择eclipse开发工具，安装J2EE开发组件完成开发，然后部署到手机，通过手机APP方式对服务器或者网关进行信息查看和设备控制。

5 结束语

本文选择智能家居作为物联网应用背景，解决了学生进行物联网技术学习缺乏应用背景问题，描述了综合性实验内容的设计和组织，完成综合性实验所需要的软硬件平台环境的构建，解决了学生进行物联网技术学习和教师进行物联网技术授课所需要的实验教学平台问题。教师可以根据教学需要，在该平台上灵活地进行软硬件搭配和实验内容组合，学生的學习效果良好，非常贴近实际的工程项目，达到了工程实践训练的目的，可以推广到物联网相关专业的实验教学中。随着物联网技术的发展，该平台还需要在软硬件上进行升级和扩展，实验内容还需要更新，复杂物联网应用在该平台的教学是否可行还需要进一步研究。

参考文献（References）：

[1] 朱洪波，杨龙祥，朱琦.物联网技术进展与应用[J].南京邮电大

学报（自然科学版），2011.1：1-9

[2] 高同辉，刘东晓.智能家居实训平台开发与应用[J].实验技术

与管理，2015.7：167-171

[3] 燕妮.浅论物联网技术的应用研究[J].科技信息，2013.19：81，94

[4] 吴蓬勃，李学海，杨斐，张金燕.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，2015.3：78-85

[5] 安健，桂小林，杨麦顺.工程实践与科技创新的物联网开放实

验室建设[J].实验技术与管理，2016.10：245-248

[6] 李光雷，潘庆阳，徐坚，尹合栋.基于物联网技术的高职院校实

验室智能管理平台设计[J].实验室研究与探索，2016.5：249-252，260