高职物联网专业课程体系建设与实践

2021-04-27杨立志金海峰

物联网技术 2021年4期

杨立志，金海峰

（江阴职业技术学院计算机科学系，江苏江阴 214433）

0 引言

当前，随着物联网技术的日益成熟和广泛应用，人们的生产生活效率得到了大幅的提高，企事业单位的管理、作业模式发生了巨大变化，物联网技术本身及相关人才越来越受到应用行业的青睐。

然而，物联网技术涉及到声、光、电等多个领域的知识，应用背景更是多种多样。在教学中，如果仅仅按照传统的教学模式和课程体系，围绕物联网的3层结构[1]，设计模拟的应用场景，如智能交通、智能农业等，讲解诸如电子、网络、程序设计等软硬件知识，虽然能够涵盖从事物联网技术应用所需的一般知识和技能，但由于模拟场景无法引起学生足够的重视，模拟应用中的任务对学生来说也是不痛不痒，所以学生学习和掌握这些知识和技能仍然需要一个漫长的过程，具体到实际应用领域仍然是一知半解。如何结合实际的应用场景并组织相关知识点在高职物联网专业中开展教学是本文要探讨的主要问题。

1 搭建实际工业应用场景

本文选择智能电化学水处理器控制系统，经适当简化，作为物联网专业课程体系建设的“龙骨”，该智能电化学水处理器的主要功能是，通过形成一种带有叠加脉冲效应的低压电场，对水的硬度、含菌量等指标进行改善，从而应用到中央空调循环水处理，以及钢铁、电子、纺织、发电等行业的废水再利用，循环水处理环节中，该设备的优点主要表现在能够替代传统的依靠化学方法对水进行处理的方式，既节省成本又避免二次污染。

围绕设备的主要功能，其主要组成单元如图1所示。图1中人机交互界面主要作为本地控制的接口，工业DTU作为设备与远程服务器进行联络的接口，水质传感器组主要完成电导率、硬度、酸碱度等相关水质参数的测量，此类参数有以下3种去向：

图1 智能水处理设备功能单元

（1）传送到人机交互界面进行显示。

（2）经DTU传送到远程服务器进行显示。

（3）现场控制器自身将根据水质参数当前值和目标值对电场及脉冲参数进行调整，以期尽快达到最佳处理效果。

在系统中除了具有协助设备进行工作的传感器，还具有在设备运行过程中保护设备安全的保护传感器组。保护传感器组主要完成水温、水流速、电场电压、电流等参数的采集，将此类参数提交给现场控制器进行决策，保证系统的安全运行。按照电化学的理论，带有脉冲效应的低压电场对于水质的改善效果要明显优于没有脉冲效应的低压电场。据此，本系统还设计了脉冲放大器组，用于提高水处理效果。I/O扩展器的主要功能是根据现场控制器的指令，驱动设备上的相关动力元件、功能部件等按照工艺流程进行工作。

2 课程体系规划

上述系统涉及到物联网应用技术多个方面的知识和技能，主要有：

（1）温度、电压、电流等常用传感器功能特点及应用，传感器安装及调试。该部分需要学生掌握的内容主要有传感器在项目中的作用、传感器的数据输出方式、量程规格、供电方式、防护等级等。比如电导率传感器，其直接作用是测量不同水质的导电能力，供电气人员判断电化学设备的电解电流大小，间接作用是能够给水质监测人员提供水质硬度判断依据。该类型的传感器测量到的数据如何传输给控制器，或者说控制器如何从传感器中“拿到”测量值，是学生必须要掌握的知识。

众所周知，常见工业传感器的数据输出方式一般有两种：4～20 mA模拟量和RS 485通信。对于类似于4～20 mA的模拟量输出信号，还要求学生理解掌握换算方法；对于以RS 485方式输出的信号，往往按照ModBus协议与接收方交互，ModBus协议已经发展为一种工业技术标准[2]，掌握ModBus协议对于学生具有特别重要的意义。

（2）循环水泵、水阀、除垢电机等各种动力元件的工作特点及其控制方法，循环水工艺、排污工艺流程算法设计。从动力元件的控制精确度、可靠性关系到设备生产、处理产品的质量，相关动力元件的工艺流程的联锁动作不仅关系到产品生产质量，也关系到设备运行安全[3]。这部分知识往往是一般课程尤其是偏重于理论型课程中涉及不到的，许多学生毕业后由于没有这方面知识经验的积累，往往需要在工作岗位上实践很长时间才能有信心、有底气去着手动力元件的控制开发。在物联网技术应用相关课程中设置这部分内容，有利于学生在课堂上就可以掌握工控领域中动力元器件的工作特性，安装、维护方法，运行控制方法。这样一来，就可以在工作岗位上从容应对。

（3）现场控制器功能特点、使用方法、程序设计方法。随着技术的发展，当前工控领域有众多的现场控制器、各种类型的PLC、各个厂家的单片机，由于应用场景、用户需求、控制流程复杂度等各种因素的不同，而各有应用优势。但ARM系列处理器因为稳定性、运行速度、价格优势等多方面的因素被越来越多地应用到各种领域中[4]。以意法半导体的Cortex-M系列微处理器为主的各类工业控制器在抗干扰性、耐恶劣环境能力等方面经过众多厂商的努力得到了很高的提升，再加上其本身拥有众多的用户群，今年来在工业物联网应用领域也得到了广泛的应用。

本文所述项目也是基于STM32F407IGT控制器进行开发，其丰富的硬件接口和资源为外围器件的选型提供了极大的便利，如工业触屏、工业DTU、扩展I/O模块、电流电压采集模块、各类传感器等。

软件设计采用嵌入式实时操作系统作为基础框架，该部分知识也是学生需要掌握的重点内容，许多嵌入式实时操作系统，体积小，源码开放，整合了操作系统任务调度、资源管理等方面的核心内容，是学生学习和掌握操作系统相关知识的入门首选内容。

（4）人机交互设备使用方法、界面组态方法。人机交互是工业物联网技术必不可少的一项内容[5]，为设备提供了现场控制、运行参数监视等重要功能。常见的人机交互设备主要有基于TCP/IP通信方法、基于RS 485通信方法、基于RS 232串口通信方法和基于TTL串口的通信方法等类型的触摸屏[6-7]，这几种类型的触摸屏由于控制简单、灵活且功能强大，在实际开发中应用较多。众多的生产厂家也为各自推出的触摸屏量身定制了开发（组态）环境，使得用户经过简单的学习或者练习就能够设计出精美的工控界面，并快速应用到产品中去。本文所述项目中使用了昆仑通态工业触屏作为产品本地控制界面，这部分内容的学习对于学生而言基本没有门槛，同时也能增加学生的学习兴趣和获得感。

（5）远程服务器构建方法，以及设备组网、参数采集、远程控制等功能的组态方法。与人机交互设备的开发类似，当前工业服务器也有众多成熟的产品[8]，如组态王、力控等。工业服务器也一样提供组态环境，在组态环境中，除了含有基本的交互组件，如按钮、文本框等之外，还含有实时数据存储与转换的各类变量，而与本地控制组态软件不同的是，工业服务器组态软件含有与本地或远程数据库的交互手段与方法，其中提供的虚拟远程通信接口与物理远程通信模块的对接方法、通信协议的定义及其规则的应用等是相对难以理解和掌握的内容。这些知识需要学生通过观察理解实验现象、实践练习等手段才能理解和掌握。

（6）断路器、保险器、电源、DTU等模块选型、安装，控制柜布局、布线，设备调试、安装等相关知识。该部分知识和技能是构建工业物联网产品的“砖瓦”，学生从事工业物联网技术应用一般是从掌握和应用这部分知识和技能开始的。这部分知识对于学生工程素质的培养和形成，工程思维能力的锻炼有许多帮助，学习和掌握好这部分知识和技能能够为学生日后从事工业物联网技术设计和开发打下坚实的基础，具有重要意义。

围绕上述知识和技能特点，本文对高职物联网专业相关课程设置见表1所列。

表1中，专业基础课程部分的C程序设计、仿真机器人及嵌入式机器人编程三门课程在教学过程中按照上述顺序串行实施。仿真机器人课程以Robomind平台为教学环境，通过设计虚拟有趣的任务场景，让学生学习掌握函数定义、调用、传递参数以及算法设计等知识。嵌入式机器人编程以Arduino系列单片机为硬件平台，以Proteus为电路仿真平台，以巡线机器人为课程任务开展教学，对专业基础课程部分的知识和技能进行综合运用，为后续专业课程相关内容学习做好准备。