詹小英 黃銀娟 盧錦川
【摘 要】給出一種適合高職院校實(shí)訓(xùn)平臺(tái)管理的物聯(lián)網(wǎng)模型,將M2M模型與高職實(shí)訓(xùn)環(huán)境相結(jié)合,對(duì)實(shí)訓(xùn)設(shè)備與人進(jìn)行綜合監(jiān)管,最大限度監(jiān)控各子實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)。經(jīng)與春茂機(jī)電實(shí)訓(xùn)環(huán)境的融合應(yīng)用分析,該平臺(tái)滿足校企實(shí)訓(xùn)要求,有效解決了信息孤島問題,加大了對(duì)實(shí)訓(xùn)人及設(shè)備的監(jiān)管力度,提高了實(shí)訓(xùn)培養(yǎng)效率及質(zhì)量。
【關(guān)鍵詞】實(shí)訓(xùn)平臺(tái) 物聯(lián)網(wǎng) 高職院校 M2M模型
【中圖分類號(hào)】 G 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】 A
【文章編號(hào)】0450-9889(2015)08C-0190-03
在高職教學(xué)管理中,實(shí)訓(xùn)室提供專業(yè)的實(shí)訓(xùn)環(huán)境,是培養(yǎng)特定高技能人才的必備場所。然而,由于企業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)水平的提高,特別是電類相關(guān)行業(yè)新技術(shù)、新設(shè)備的廣泛應(yīng)用,如何推陳出新,既滿足企業(yè)對(duì)專業(yè)人才需求,又能不斷升級(jí)并優(yōu)化實(shí)訓(xùn)平臺(tái)是確保高職教育改革與可持續(xù)發(fā)展的前提保障。
當(dāng)前的實(shí)訓(xùn)平臺(tái)(PTP,practice training platform)存在不少的弊端,主要表現(xiàn)為:一是實(shí)訓(xùn)設(shè)備老化,更新周期長;二是實(shí)訓(xùn)平臺(tái)彼此孤立,信息化程度低,管理水平落后;三是實(shí)際利用率低,實(shí)訓(xùn)效果較差。隨著信息技術(shù)的發(fā)展,基于物聯(lián)網(wǎng)的人、物等信息數(shù)據(jù)的采集和管理系統(tǒng)已日趨成熟,在高職院校多實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的綜合管理和智能控制上表現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景:一是可實(shí)現(xiàn)多實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的集中管理,有效地解決單個(gè)實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)中的信息孤島問題;二是有助于總結(jié)實(shí)訓(xùn)過程中的問題,實(shí)現(xiàn)實(shí)訓(xùn)過程中人與設(shè)備的綜合管理;三是有利于加強(qiáng)校企合作與交流,適時(shí)更新實(shí)訓(xùn)計(jì)劃,提高人才培養(yǎng)質(zhì)量;四是有助于實(shí)訓(xùn)者根據(jù)實(shí)訓(xùn)情況合理選擇實(shí)訓(xùn)條件,確保實(shí)訓(xùn)效率的前提下,盡快掌握實(shí)訓(xùn)要領(lǐng)。
因此,為實(shí)現(xiàn)多實(shí)訓(xùn)環(huán)境中人與設(shè)備的智能管理,本文提出一種適用于高職實(shí)訓(xùn)管理與教學(xué)的物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)架?;谠摌?gòu)架對(duì)某校機(jī)電一體化中心、工業(yè)控制中心和電工電子實(shí)訓(xùn)室等進(jìn)行組網(wǎng),對(duì)單個(gè)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)進(jìn)行集中管理,一方面加強(qiáng)實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)中信息交流與可監(jiān)控性,提高實(shí)訓(xùn)平臺(tái)智能化管理水平,另一方面為衡量實(shí)訓(xùn)培養(yǎng)質(zhì)量提供參考依據(jù)。
一、實(shí)訓(xùn)現(xiàn)狀及需求分析
實(shí)訓(xùn)平臺(tái)是為實(shí)訓(xùn)人員提供實(shí)訓(xùn)機(jī)會(huì),是加強(qiáng)校企合作、提高高職人才培養(yǎng)質(zhì)量的前提。某單位實(shí)訓(xùn)平臺(tái)包括機(jī)電一體化中心、工業(yè)控制中心、電工電子實(shí)訓(xùn)室、電子信息技術(shù)中心、鼎光電子教學(xué)工廠、春茂電氣自動(dòng)化設(shè)備生產(chǎn)車間及校外實(shí)訓(xùn)基地等,對(duì)于日常實(shí)訓(xùn)管理,以單個(gè)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)為單位,主要依靠實(shí)訓(xùn)教師實(shí)時(shí)監(jiān)督管理,智能化水平低。另外,從校企合作的角度來說,校內(nèi)實(shí)訓(xùn)條件并不能完全適應(yīng)企業(yè)發(fā)展要求,為此,必須基于當(dāng)前實(shí)訓(xùn)平臺(tái),加強(qiáng)整體管理以及信息融合,提高整體平臺(tái)的智能化:第一,實(shí)訓(xùn)平臺(tái)擬實(shí)現(xiàn)多個(gè)子平臺(tái)的集成,既能有效采集實(shí)訓(xùn)成果信息,又能適時(shí)監(jiān)控實(shí)訓(xùn)過程中人與設(shè)備狀態(tài)。第二,實(shí)訓(xùn)平臺(tái)提供校企合作基礎(chǔ)。企業(yè)通過現(xiàn)有實(shí)訓(xùn)條件為學(xué)生制訂滿足自身企業(yè)發(fā)展的實(shí)訓(xùn)計(jì)劃,由校方按實(shí)訓(xùn)計(jì)劃培養(yǎng)特定技能人才,根據(jù)實(shí)訓(xùn)結(jié)果及實(shí)訓(xùn)過程采集數(shù)據(jù)對(duì)實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)做出評(píng)價(jià)。第三,實(shí)訓(xùn)平臺(tái)便于管理和維護(hù),有較高的性價(jià)比。
二、PTP物聯(lián)網(wǎng)模型構(gòu)建
(一)PTP物聯(lián)網(wǎng)模型結(jié)構(gòu)。物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用模型主要分為三類:一是基于EPCGlobal的應(yīng)用框架,特別是以RFID為核心的編碼、識(shí)別處理模型,主要面向于某種信號(hào)的采集,如園區(qū)車輛管理等。二是基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的多平臺(tái)融合監(jiān)控,面向于分散對(duì)象的信息采集,如物聯(lián)網(wǎng)路燈等。三是基于有線和無線的M2M(machine to machine)物聯(lián)網(wǎng)框架,面向局部范圍內(nèi)信息的采集和處理。對(duì)于實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的物聯(lián)網(wǎng)模型,主要是實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化中心、工業(yè)控制中心、電工電子實(shí)訓(xùn)室、電子信息技術(shù)中心等多個(gè)實(shí)訓(xùn)過程中數(shù)據(jù)融合,考慮到實(shí)訓(xùn)室實(shí)際的地位位置分布,可采用M2M有線和無線通信相結(jié)合的“應(yīng)答”模型。如圖1,該物聯(lián)網(wǎng)模型提供四層框架,依次為應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層、服務(wù)層、物理層。
圖1 實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的物聯(lián)網(wǎng)模型
應(yīng)用層根據(jù)使用對(duì)象的不同提供多級(jí)顯示服務(wù),I類用戶顯示整個(gè)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)信息,并為整體實(shí)訓(xùn)提供指導(dǎo),II類用戶對(duì)單個(gè)實(shí)訓(xùn)室進(jìn)行監(jiān)管、III類用戶面向?qū)嵱?xùn)對(duì)象,提供實(shí)訓(xùn)過程中必要的實(shí)訓(xùn)信息(如實(shí)訓(xùn)任務(wù)、步驟、錯(cuò)誤報(bào)警等)。
網(wǎng)絡(luò)層包括校內(nèi)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)及校外合作企業(yè)的網(wǎng)絡(luò)連接及訪問服務(wù)。校內(nèi)提供了無線和有線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)通信,校外以ADSL為媒介,實(shí)現(xiàn)校內(nèi)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)與校外合作企業(yè)的信息交互。服務(wù)層是聯(lián)系應(yīng)用層與物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的重要組成,應(yīng)用服務(wù)器將各實(shí)訓(xùn)平臺(tái)采集到的信息存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中,各級(jí)用戶根據(jù)其訪問等級(jí)從WEB服務(wù)器中獲取對(duì)應(yīng)信息。
子實(shí)訓(xùn)平臺(tái)包括大量的感應(yīng)節(jié)點(diǎn),即物理層節(jié)點(diǎn),通過一系列傳感器,采集實(shí)訓(xùn)過程中的基本數(shù)據(jù)信息,如在電工電子實(shí)訓(xùn)平臺(tái),以CC2430為基本的“感知”模塊,測量關(guān)鍵點(diǎn)處端電壓及電流信號(hào)。
(二)M2M模型通信的“應(yīng)答”構(gòu)建。物聯(lián)網(wǎng)M2M模型通信采用輪轉(zhuǎn)查詢的“應(yīng)答”模式,特別是圖1中的電工電子實(shí)訓(xùn)平臺(tái),采用了IEEE 802.15.4協(xié)議的ZigBee通信。首先,系統(tǒng)初始化,依次校驗(yàn)物理層、網(wǎng)絡(luò)層、服務(wù)層、應(yīng)用層標(biāo)志位,若標(biāo)志位無改變,則完成一次輪轉(zhuǎn),若標(biāo)志位改變,則需返回處理事件,并重新開始校驗(yàn),如網(wǎng)絡(luò)層標(biāo)志位改變,返回網(wǎng)絡(luò)層處理事件(NWK_Process_Event),并從物理層重新校驗(yàn),如圖2。
圖2 ZigBee協(xié)議軟件構(gòu)建流程
以電工電子實(shí)訓(xùn)平臺(tái)物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)通信為例進(jìn)一步分析M2M模型通信的“應(yīng)答”機(jī)制:實(shí)訓(xùn)開始,系統(tǒng)初始化,各實(shí)訓(xùn)節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求加入網(wǎng)絡(luò),與Sink節(jié)點(diǎn)(網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器)交互,調(diào)用aplJoitNetwork( )函數(shù),校驗(yàn)符號(hào)位,加入該節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)。單個(gè)節(jié)點(diǎn)與Sink節(jié)點(diǎn)交互時(shí),為了方便,可使交互在同一程序目錄下執(zhí)行,然后按照交互目的,調(diào)用不同的事件處理程序。
三、多實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的融合及其關(guān)鍵技術(shù)分析
(一)多實(shí)訓(xùn)平臺(tái)及設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)連接。根據(jù)各實(shí)訓(xùn)平臺(tái)硬件配置,子實(shí)訓(xùn)平臺(tái)及其設(shè)備的接入可分為:
1.基于路由器/交換機(jī)的有線連接,如工業(yè)控制中心、電子信息技術(shù)中心等,這些平臺(tái)設(shè)備多通過有線連接入網(wǎng)。圖3給出了基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分兩級(jí)管理模式:第一級(jí)主要是對(duì)應(yīng)于子平臺(tái)的監(jiān)控計(jì)算機(jī)(教師端,II類用戶),監(jiān)控學(xué)生端設(shè)備;第二級(jí)是整個(gè)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的監(jiān)控管理中心,包括校內(nèi)以及校外管理用戶(I類用戶)。
2.基于Zigbee的無線連接,如電工電子實(shí)訓(xùn)室等,多以CC2430無線單片機(jī)為核心,采集學(xué)生端設(shè)備數(shù)據(jù),并與上層用戶數(shù)據(jù)交換。
由于實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的復(fù)雜性,多數(shù)情況下有線和無線通信需協(xié)同進(jìn)行,如在鼎光電子教學(xué)廠和春茂電氣自動(dòng)化設(shè)備生產(chǎn)車間,工控機(jī)、大型設(shè)備的并網(wǎng)連接以有線連接為主,而某些敷設(shè)線路冗雜的地方則以無線連接為主,如電氣柜溫度檢測節(jié)點(diǎn)等。
圖3 實(shí)訓(xùn)平臺(tái)有線連接的星形拓?fù)?/p>
(二)基于Zigbee的無線收發(fā)技術(shù)。Zigbee無線通信可基于CC2430無線單片機(jī)中射頻(RF)收發(fā)裝置實(shí)現(xiàn),如圖4,待發(fā)數(shù)據(jù)經(jīng)2.4GHz直接序列擴(kuò)頻并放大后,由天線發(fā)出,接收到的RF信號(hào)經(jīng)解擴(kuò)恢復(fù)到原發(fā)送數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信號(hào)收發(fā)。
圖4 CC2430射頻(RF)收發(fā)裝置
對(duì)于2.4GHz直接序列擴(kuò)頻技術(shù),IEEE 802.15.4給出了對(duì)應(yīng)的擴(kuò)頻步驟:將二進(jìn)制數(shù)據(jù)每個(gè)字節(jié)的低4位轉(zhuǎn)換為一個(gè)符號(hào),高4位轉(zhuǎn)換為另一個(gè)符號(hào);擴(kuò)展得到的符號(hào)數(shù)據(jù)為一個(gè)32bit的PN序列;擴(kuò)展后的序列通過半正弦脈沖調(diào)制,將數(shù)據(jù)信號(hào)映射到載波信號(hào)中。待發(fā)送數(shù)據(jù)調(diào)制結(jié)束后,設(shè)置寄存器為“CTRL1.TX_MODE=0;STXON”準(zhǔn)備待發(fā),若信道空閑,啟用數(shù)據(jù)校準(zhǔn)并發(fā)送,當(dāng)沒有字節(jié)寫入SFLUSHTX時(shí),TXFIFO緩沖器給出下溢脈沖,表明發(fā)送結(jié)束;在接收端,寄存器設(shè)置為“DMCTRL1. RX_MODE=0;SRXON”,準(zhǔn)備接收,若RXFIFO溢出,接收中斷,當(dāng)復(fù)位后無信息流,則表示完成數(shù)據(jù)接收,將接收到的RF信號(hào)解擴(kuò)即可獲得待發(fā)數(shù)據(jù)。
高職實(shí)訓(xùn)平臺(tái)信息的無線收發(fā)是利用CC2430無線模塊實(shí)現(xiàn)的。在春茂電氣自動(dòng)化設(shè)備生產(chǎn)車間,采集關(guān)鍵點(diǎn)(變壓器、控制柜等)電流、電壓、溫度等參數(shù),將數(shù)據(jù)寫入128位的發(fā)送緩存,設(shè)置寄存器,經(jīng)多次跳躍后到Sink節(jié)點(diǎn)接收,將子節(jié)點(diǎn)采集到數(shù)據(jù)傳給無線路由設(shè)備,并上載服務(wù)器數(shù)據(jù)中心,根據(jù)用戶等級(jí)差異,訪問對(duì)應(yīng)WEB服務(wù)器,對(duì)平臺(tái)設(shè)備等進(jìn)行監(jiān)控。同時(shí),根據(jù)采集到的數(shù)據(jù),I、II類用戶可對(duì)學(xué)生單個(gè)實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)進(jìn)行評(píng)價(jià),對(duì)其實(shí)訓(xùn)過程存在的問題進(jìn)行說明,給出合理化建議,并通過該課程的教學(xué)管理平臺(tái)發(fā)布,使受訓(xùn)學(xué)生加深實(shí)訓(xùn)過程的定性認(rèn)識(shí)。
(三)實(shí)訓(xùn)過程遠(yuǎn)程管理技術(shù)。高職物聯(lián)網(wǎng)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)不僅對(duì)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控管理,還要對(duì)受訓(xùn)人進(jìn)行管理,適時(shí)評(píng)價(jià)并提高實(shí)訓(xùn)效果:企業(yè)根據(jù)自身發(fā)展需求制訂學(xué)生的實(shí)訓(xùn)計(jì)劃,校方提供實(shí)訓(xùn)環(huán)境。在實(shí)訓(xùn)過程中,利用M2M框架,一方面監(jiān)控實(shí)訓(xùn)設(shè)備,確保實(shí)訓(xùn)安全;另一方面采集實(shí)訓(xùn)信息(到課狀況、實(shí)訓(xùn)時(shí)間、PLC程序、電工電子導(dǎo)通信息等),評(píng)價(jià)實(shí)訓(xùn)過程,真正實(shí)現(xiàn)設(shè)備和人的共同管理。
實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的遠(yuǎn)程管理是基于服務(wù)器層面的各用戶之間的信息交互,包含不同用戶對(duì)某一事物的認(rèn)知分析,如圖5所示。企業(yè)用戶和教師用戶從各自WEB界面獲得學(xué)生A的實(shí)訓(xùn)情況,并通過WEB界面將實(shí)訓(xùn)評(píng)價(jià)、建議等輸入到數(shù)據(jù)服務(wù)器中,然后由實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的綜合管理中心發(fā)布,學(xué)生A通過訪問WEB服務(wù)器認(rèn)清實(shí)訓(xùn)過程的不足,并根據(jù)給出的建議,不斷優(yōu)化并提高實(shí)訓(xùn)技能。
圖5 基于服務(wù)層的多用戶信息交互示意圖
四、實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的運(yùn)行評(píng)價(jià)與效果分析
高職院校實(shí)訓(xùn)平臺(tái)以M2M物聯(lián)網(wǎng)框架為基礎(chǔ),對(duì)某校春茂電氣自動(dòng)化設(shè)備生產(chǎn)車間等部分實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)管理。
(一)基于M2M框架的實(shí)訓(xùn)設(shè)備管理效果分析。在春茂電氣自動(dòng)化設(shè)備生產(chǎn)車間,原先的設(shè)備大多依靠人力維護(hù)管理,對(duì)其部分進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)改造后,設(shè)備實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控,并能根據(jù)設(shè)備狀態(tài)智能維護(hù):一是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信號(hào)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。春茂車間配置有較多的電氣裝置(如焊機(jī)等直接接電設(shè)備),且實(shí)訓(xùn)過程多是帶電作業(yè),用電不當(dāng)可能造成設(shè)備損害,甚至危及生命安全。在某些節(jié)點(diǎn)配置CC2430無線單片機(jī),采集并上載電流及端壓信號(hào),當(dāng)檢測到的電流或電壓過大,超過設(shè)定閥值時(shí),單片機(jī)能快速做出預(yù)警,斷掉電源,并將故障信息反饋I、II級(jí)用戶。二是優(yōu)化設(shè)備管理、提高經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。春茂車間配置有電氣柜,在實(shí)訓(xùn)過程中需對(duì)柜內(nèi)溫度進(jìn)行調(diào)節(jié),避免電氣設(shè)備溫升過高。通常,柜內(nèi)溫度調(diào)節(jié)裝置(空調(diào)機(jī)等)與電氣柜處于同步運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài),現(xiàn)對(duì)柜內(nèi)溫升敏感設(shè)備(變壓器等)配置CC2430無線單片機(jī),其自帶的溫度傳感器可實(shí)時(shí)測量敏感設(shè)備溫度,以此為依據(jù),控制空調(diào)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn),節(jié)約電能消耗,提高經(jīng)濟(jì)運(yùn)行,如圖6(a),在確保柜內(nèi)溫度正常的前提下,M2M框架下的風(fēng)機(jī)綜合用電量更低,經(jīng)濟(jì)性更好。
(二)基于M2M框架的學(xué)生實(shí)訓(xùn)效果評(píng)價(jià)。取4組,每組8人進(jìn)行兩個(gè)實(shí)訓(xùn)過程M、N,A組采用常規(guī)實(shí)訓(xùn)M、N;B組常規(guī)實(shí)訓(xùn)M、物聯(lián)網(wǎng)實(shí)訓(xùn)N;C組常規(guī)實(shí)訓(xùn)N、物聯(lián)網(wǎng)實(shí)訓(xùn)M;D組物聯(lián)網(wǎng)實(shí)訓(xùn)M、N,如圖6(b),進(jìn)行二次重復(fù)實(shí)訓(xùn),可見物聯(lián)網(wǎng)框架下實(shí)訓(xùn)效率更高,效果更顯著。
(a)實(shí)訓(xùn)設(shè)備經(jīng)濟(jì)性對(duì)比
(b)實(shí)訓(xùn)效果對(duì)比
圖6 基于M2M框架的實(shí)訓(xùn)平臺(tái)效果分析
五、結(jié)論
從對(duì)人和物的綜合管理來說,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)有其獨(dú)特的優(yōu)勢,可實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的信息交流,提高整體的智能化水平。本文以某校實(shí)訓(xùn)平臺(tái)為基礎(chǔ),在分析當(dāng)前實(shí)訓(xùn)環(huán)境的基礎(chǔ)上,給出了一種適用于高職實(shí)訓(xùn)管理的M2M物聯(lián)網(wǎng)框架,并以春茂實(shí)訓(xùn)中心為例,從受訓(xùn)學(xué)生與實(shí)訓(xùn)設(shè)備兩個(gè)方面分析該物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的優(yōu)劣:一是對(duì)于實(shí)訓(xùn)設(shè)備,以CC2430為終端節(jié)點(diǎn),采集電氣柜內(nèi)溫度、重要機(jī)電設(shè)備的端電壓、電流值等信息,對(duì)實(shí)訓(xùn)過程進(jìn)行監(jiān)控,優(yōu)化設(shè)備管理,提高經(jīng)濟(jì)運(yùn)行;二是對(duì)于受訓(xùn)學(xué)生,通過服務(wù)層的信息交互,提高實(shí)訓(xùn)效率,滿足校企雙方要求的實(shí)訓(xùn)要求??傊?,M2M物聯(lián)網(wǎng)框架適用于高職實(shí)訓(xùn)平臺(tái)管理,能實(shí)現(xiàn)多子實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的融合,有效解決單實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的信息孤島問題,對(duì)于推進(jìn)高職教育改革,提高教學(xué)質(zhì)量都有重要的意義。
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【基金項(xiàng)目】廣西高校科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(LX2014555)
(責(zé)編 黎 原)