物联网工程专业实践教学体系研究

崔艳荣, 陈 勇, 胡蓉华

(长江大学 计算机科学学院, 湖北 荆州 434023)

物联网技术是信息技术和互联网技术发展到一定程度的产物,是我国“十二五”期间大力发展的战略性新兴产业,物联网工程专业正是在这样背景下的新增专业[1]。物联网工程专业为物联网产业的发展培养高素质的应用型、研究型和创新型人才,科学合理的实践教学体系是培养学生应用能力、研究能力和创新能力的有力保障[2]。由于是新专业,其理论课程体系及实践教学体系都在探索之中,特别是实践教学体系,不同的高校有不同的侧重点。文献[2]中提出了一种基于竞赛驱动的实践教学体系,把学科竞赛与实践教学结合起来贯穿整个物联网工程专业实践教学;文献[3]从师资队伍、教材建设、实验室及实习基地建设等方面构建了其实践教学体系;文献[4]将物联网工程专业实践教学模块化;文献[5]提出创新教学理念、教学内容、教学方法、教学考核及加强师资建设、平台建设、教材建设、校企合作的“四创新、四加强”的实践教学体系;文献[6-10]将CDIO理念应用于物联网工程专业实践教学体系中;有的实践教学以校企合作为基础[11-12],有的以工程认证为导向[13]。本文从我校物联网工程专业实际情况出发,探究物联网工程专业实践教学体系。

1 物联网工程专业实践教学体系设置

物联网工程专业实践教学体系由课程实验、课程设计、实习实训、毕业设计及学科竞赛5部分组成。其中课程实验和课程设计主要根据理论课程设置配套进行,还有少量课程设置单独的实验课;实训是利用2周时间对某个知识体系进行综合训练;实习是用6周时间与企业合作,对专业知识进行综合训练;毕业设计是学生利用12周时间完成从选题、开题到系统设计及测试的一整套工作,训练学生的综合应用能力;学科竞赛则以竞赛为契机,贯穿专业学习全过程,旨在提高学生的动手能力。下面主要从课程实验、课程设计和实习实训3方面进行介绍。

2 课程实验及课程设计

2.1 课程设置

我校计算机类专业实现大类招生,物联网工程专业在一年级和二年级实行大类培养,大类培养期间主要完成通识教育和学科基础课教育,三、四年级完成专业必修课和选修课的学习。通识课程主要是高等数学、大学英语及体育、人文社科类课程;学科基础课包含数学类、物理类及计算机类3大部分,其中数学类有线性代数、离散数学、概率论与数理统计;物理类的课程则有大学物理及大学物理实验;计算机类有计算机导论、C语言程序设计、面向对象可视化编程、算法与数据结构、电子技术基础、电子技术基础实验。

根据市场需求,结合我校实际,围绕物联网3层体系结构,专业必修课包括计算机网络、操作系统原理、计算机组成原理与系统结构、传感器原理及应用、物联网原理与应用、RFID原理及应用、传感器网络、物联网通信技术、数据处理与智能决策、物联网工程设计与实施。

2.2 课程实验和课程设计

根据课程的不同性质,分别安排了上机课、实验课和课程设计等实践类教学。其中,通识教育阶段涉及到的实践类教学主要有军事理论与军事训练及社会实践;学科基础课中物理类课程开设了32个学时的物理实验课程,计算机类课程开设了电子技术基础实验及不同学时的上机,除了计算机导论外,其他的计算机类课程都安排了2周的课程设计。

专业必修课程中的操作系统原理和数据处理与智能决策分别安排了12学时和8学时的上机操作,其他均安排了12学时或8学时的实验课程。计算机网络、数据处理与智能决策、传感器网络、物联网工程设计与实施均安排了2周的课程设计。

3 实习实训

实习为期6周,学校与实习单位共同制定实习大纲和实习内容,学校选派优秀指导教师和企业导师共同指导学生实习。根据物联网3层体系结构,实习内容包括感知层对数据的获取、传输层对数据的传输及应用层对数据的应用等内容,还设置了智能家居、智能农业、智能交通等综合实训。

3.1 数据获取实训

物联网感知层获取数据的方式主要有两种,一种是通过传感器获取,一种是通过射频识别获取。通过检测类传感器实验可以获取光照、酒精、声音等数据,通过感知类传感器实验可以获取超声波、甲醛、CO等数据,通过控制类传感器实验可以获取对LED灯、继电器等进行控制的数据。基于RFID射频识别获取数据的实训可以包含如下内容：RFID系统的编码、RFID系统的载波产生、RFID系统RF信号的整形和放大、内部模拟信号测试、数字信号测试、标签信息读写、RFID防冲撞实验、CRC实验、RFID信令实验、数据包发送与接收、写入数据存储格式标识命令、锁定数据存储格式标识指令、获得系统信息指令、获得多个块的安全状态指令等。

3.2 数据传输实训

数据传输有通过传感器网络传输和通过RFID组网传输两大类。通过传感器网络传输数据,根据不同的通信方式可以设置为基于ZigBee网络的各个传感器的数据采集实验;基于IPv6网络的各个传感器的数据采集实验;基于Wi-Fi网络的各个传感器的数据采集实验和 基于蓝牙网络的各个传感器的数据采集实验。其中,基于ZigBee通信的实验是重点,又可以细分为 STM32 LED灯的控制实验、ZigBee组网实验、基于ZigBee的无线传感器网络实验、基于ZigBee的SensorDemo图形显示实验、基于ZigBee的HomeAutomation实验及基于ZigBee的Z-Tools使用实验。通过这些实验让学生了解掌握Z-STACK协议栈及ZigBee组网技术,熟悉ZigBee开发工具。为了让学生了解当前工业传感器接口,还可以安排如下实验：工业级检测类传感器模块实验、工业级控制类传感器模块实验、工业级信号识别传感器模块实验和工业级数字信号类传感器模块实验。

通过RFID组网传输数据的实验包括：HF 13.56M ISO 15693 实验、UHF 900M ISO 18000-6实验、高频13.56M ISO 14443模块实验、LF 125K ID卡读取实验、2.4G RFID模块配置操作实验。通过这些实验,让学生了解并熟悉RFID多个频段模块,包括低频、高频、超高频以及2.4G,并且清楚它们各自的RFID协议。

3.3 数据应用实训

为了将接收到的数据应用到具体的行业领域,在数据应用实训阶段可以安排如下实验：

(1) 嵌入式系统设计与应用实验。通过本系列实验,让学生学习了解Linux系统及GUI编程方法,并开发自己的上层应用系统。这些实验包括：基础应用实验(SOCKET 网络编程、嵌入式WebServer移植);基于Qt的GUI实验(基于QtDesigner的程序设计、搭建Qt/Embedded环境);底层系统构建实验(Linux内核裁剪与编译、构建根文件系统);底层驱动实验(内核驱动入门、按键中断驱动及控制)等。

(2) TinyOS2无线传感网实验。通过本系列实验,学习基于TinyOS系统的ZigBee,掌握ZigBee技术及TinyOS系统。具体实验包括：环境的搭建( IAR软件的安装、 Cygwin软件的安装等);CC2530基本的外设实验(基于CC2530在TinyOS控制实验);CC2530的无线电(基于点对点通信、基于TinyOS网络协议中的分发协议);接口和底层实现的组件等。

(3) Android4.0系统实验。通过本系列实验,学习并且掌握Android从环境搭建到程序执行的开发过程,了解Android底层串口通信。具体实验设置如下：Android开发环境搭建(Android Ubuntu开发环境建立等);Android系统架构实验,Android内核移植与编译实验等;Android中间层实验( LED实验、Beep实验、UART串口实验等);Android综合应用(GPRS拨号实验、Wi-Fi联网实验、开源游戏移植实验);Android SDK开发(Android ADB调试实验、网络服务连接实验);Android综合实训应用(RFID 电子钱包应用实验、RFID 读卡实验)。

3.4 综合实训

综合实训可以提高学生综合应用能力,设置了如下内容：

(1) 物联网智能家居综合实训。通过该系列实训,使学生直观认识物联网技术在实际家居中的应用,了解智能家居的硬件体系及软件构成。具体内容如下：ZigBee无线传感网组网实训;各个传感器数据采集绘制曲线实训;门禁控制及使用实训;视频监控与远程访问;GSM/GPRS短信息控制实训;WEB远程服务器监控实训;场景联动演示实训;Android手持设备接入控制实训;红外家电遥控使用实训;电动窗帘控制及使用实训;Android客户端应用实训等。

(2) 物联网智能农业综合实训。通过该系列实训,使学生直观认识物联网技术在实际农业中的应用,了解智慧农业的硬件体系及软件构成。具体内容如下：传感器检测实训;环境智能调控实训;反馈控制实训;环境数据库处理实训;卷帘控制实训;GSM/GPRS短信息控制实训;WEB远程服务器监控实训;Android手持设备远程控制实训等。

(3) 物联网智能交通实训。该系列实训以车辆交通为核心,通过人、车、路传感网的互通互联实现对车辆交通系统的智能控制、管理,是对传感器技术、无线技术及RFID技术的综合应用。具体内容如下： 智能车辆巡线运动控制实训;智能车辆自动避障运动实训;智能车辆无线控制实训;WEB远程服务器监控实训;道路传感网环境监测实训;道路视频监控实训;交通智能决策实训;ETC路费功能实训;智能停车管理系统功能实训;信号灯控制功能实训;道路险情控制实训;GSM/GPRS短信息控制实训;Android手持设备应用客户端访问实训;Android手持设备控制智能车辆运动实训;综合演示功能实训等。

(4) RFID技术综合实训。通过体验RFID技术,了解RFID各个频段模块的应用场景,将RFID基础功能应用到实际应用设计中。具体内容如下：RFID电子钱包应用综合实训;门禁管理应用综合实训;ETC路费管理应用综合实训;枪支管理系统开发综合实训;图书馆管理系统开发综合实训;人员身份管理系统开发综合实训等。

(5) 物联网移动互联综合实训。该系列实训以物联网移动互联教学科研平台为依托,用先进的物联网管理思想,将物联网技术应用在超市管理、物流管理及工业工程管理等方面。具体内容如下：自动化仓储实训;移动式入库流程实训;移动式库内实训;移动式出库流程实训;摘取式电子标签分拣实训;播种式电子标签分拣实训;自动化分拣实训及仓储收货实训等。

4 结语

实践教学是物联网工程专业教学过程中的重要环节,如何围绕物联网的体系结构,并结合学校实验室建设的实际情况构建科学合理有效的实践课程体系,是一个值得探究的问题。文中研究的课程设计、课程实验及实习实训等方案还有待优化和完善,下一步还将对物联网工程专业实践教学环节中的毕业设计和学科竞赛进行研究。