探讨基于工作室的物联网实训平台

曾尧

一、中职学校物联网教学存在的问题

目前，物联网技术作为一個新兴技术，许多职业院校专门开设了物联网技术专业，中职学校也积极加强了物联网技术专业规则和课程设置，中山市具备条件的中职学校已开设物联网专业，其他中职学校也准备创建条件开设物联网专业，据我所知职业院校的物联网课程开展普遍还不具备丰富的实验课程和实验环境，物联网实训设备昂贵且行业标准不统一，许多专业老师受制于实训设备的限制，难以在专业班级几十名学生中开展实训操作，使得实训课程只能通过模拟软件进行教学，或者以理论讲解为主，培养出来的学生仅仅停留在理论上的认知，达不到真正地物联网人才培养目标。

   二、设计基于工作室制物联网实训平台

各职业院校争相使用一种全新的教学模式—工作室制人才培养模式，不仅可以改善学习环境及气氛，而且还可增强课程的实践性和创新性，设计好工作室制物联网实验实训平台，对于开展基于工作室制物联网人才培养至关重要。

对于中职学生而言，物联网技术的应用应注重项目实践性，根据物联网项目的工作过程搭建实践体系，搭建“理实一体化”物联网项目实训环境，从理论知识学习、讲解到示范、基本技能培训、工程项目实训等多层次项目教学实践。

物联网从技术架构上来分，可分为三层：感知层、网络层和应用层。不同企业有不同的应用规范和设计方案，在搭建物联网实验环境中，不能只偏重某一领域的某一款技术开展实训，应以典型的应用系统综合项目实训，不仅能使学生掌握物联网各个层次的基本使用，从整体着眼物联网的运作流程，使学生毕业从事物联网相关工作时，即使对面不同类型的项目或不同的规范标准，都可以在完整的物联网知识体系下，灵活变通工作方式，提高解决实际问题能力。根据以上分析，结合本校实际情况，我们采用以下实训平台开展物联网技术教学。

（一）感知层——树莓派

物联网的最底层是感知层，主要通过传感器实现环境信息的采集，依靠执行器与环境或人进行互动，感知层需要用到的设备较多且复杂，也是物联网实验环境搭建投入最多的一部分。树莓派是一款基于Linux操作系统的卡片式计算机，大小跟银行卡一样大。最初研发树莓派，是因为其低价硬件和自由软件，这样更好推动学校的基础计算机学科教育。由于其开源特性，很容易得到各种配套的硬件模块和多种开发工具，适合学生操作使用，也容易让学生理解感知层的运作过程。

（二）网络层——IoT平台

网络层的主要任务是传感器和数据的存储和管理，要求起到中间件的作用，即对下层感知层不同类别的传感器数据统一管理，对上层应用层提供统一调用的接口。在物联网的概念提出来之后，涌现出大量的物联网云平台，即IoT平台。IoT平台能使用统一数据标准，降低物联网信息存储和管理，屏蔽复杂的技术细节，方便用户查看和控制。当前国内做得比较好的IoT平台有中国移动OneNet平台、百度IoT平台、阿里智能云等，这些IoT平台有竞争中不断完善，功能也越显多样化。本文后面的教学实例将采用中国移动OneNet平台进行演示。

（三）应用层——App Inventor

应用层作为与用户直接交互的接口层，所有的信息都通过应用层展示给用户，而用户的各种反馈操作都是由应用层告诉系统，也是整个物联网实验环境搭建中花费最小的部分。很多职业学校会将应用层的教学直接做成软件开发课，但对于中职学生来说，软件开发对于他们来说还是有一定难度，过于深究也会让学生顾此失彼，忽略物联网其他层次的认识。因此，我们将采用App Inventor，以图形化、拼接式的方式开发物联网应用程序，一定程度上规避复杂的程序语言学习。

三、温度监控教学实例

在学校现有的设备和创客教育环境下，将树莓派、中国移动OneNet平台和App Inventor结合搭建成一套实用可靠的物联网实验环境如图1所示。

下面以温度监控课例对该实验实训平台进行介绍。

（一）树莓派传感器的搭建

树莓派可以接入温湿传感器、烟雾传感器、陀螺仪和磁力传感器等识别或获取信息，在本实例中采用热敏电阻作为温度传感器，热敏电阻是一种阻值会随着温度而变化的电阻，以阶跃响应方法测量出热敏电阻的阻值，从而计算出温度。需要用到的器材包括：面包板和跳线、1kΩ热敏电阻、2个1kΩ电阻、330nF电容器，在编辑器中添加代码，获取热敏电阻的读数并转化为温度读数。将阻值转换成温度（以摄氏度为单位），通过热敏电阻的阻值计算温度时，需要利用Steinhart-Hart方程进行一些复杂的数学运算。

（二）在树莓派上安装MQTT协议的Python扩展库

MQTT（消息队列遥测传输）是一种轻量级消息传递协议，提供的消息发布和订阅机制，可以实现设备之间（一对多）的消息交互，适用于物联网连接设备的通信，把传感器的数据通过MQTT协议上传到服务器，在树莓派中编辑代码并保存为MQTT.py文件，同时增加可执行权限，然后以超级用户身份执行MQTT.py文件。

（三）中国移动OneNet平台

OneNet平台由中国移动公司打造的PaaS物联网开放平台，提供“云-管-端”一体化的智能管道和支撑系统，从数据采集、传输、计算、存储、展现到分析，都提供了全面的基础产品和服务。OneNet平台通过主流的物联网协议（如HTTP、EDP、MQTT、Modbus、JT/T808等）帮助设备与云端之间建立安全可靠的双向连接，还支撑海量设备的数据收集、监控、故障等各种物联网场景，其完善的协议封装，简化的开发流程，适合中职学生水平应用。