物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)綜合實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的研究與設(shè)計(jì)

張書(shū)欽++郭倩倩++王海龍++吳志剛++王春霞

摘 要：針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)綜合實(shí)訓(xùn)課程中，學(xué)生通過(guò)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目綜合運(yùn)用本專業(yè)的知識(shí)和技能，在校內(nèi)進(jìn)行綜合性、系統(tǒng)化開(kāi)發(fā)訓(xùn)練，文中設(shè)計(jì)了一個(gè)綜合實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目。該實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目集成了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)、分布式消息通信、移動(dòng)終端等技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)智能建筑的能耗監(jiān)測(cè)。連續(xù)多屆的教學(xué)實(shí)踐表明，該項(xiàng)目系統(tǒng)適合不同能力層次、不同技術(shù)興趣的學(xué)生進(jìn)行實(shí)訓(xùn)開(kāi)發(fā)，大大提高了學(xué)生的物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)綜合實(shí)踐能力。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)；綜合實(shí)訓(xùn)；實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目；實(shí)踐教學(xué)

中圖分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2017）10-0-03

0 引 言

物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things，IoT）是指可將無(wú)處不在的末端設(shè)備和設(shè)施通過(guò)各種無(wú)線或有線方式通信的信息系統(tǒng)。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、環(huán)保、軍事等領(lǐng)域，未來(lái)發(fā)展前景十分廣闊。物聯(lián)網(wǎng)涉及計(jì)算機(jī)、電子等領(lǐng)域，具有知識(shí)結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特點(diǎn)。文獻(xiàn)[1-3]中提到，工程性和實(shí)踐性是物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)人才培養(yǎng)的突出特點(diǎn)，提出了理論課程、實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的一體化教學(xué)思路。文獻(xiàn)[4-7]分析了物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)實(shí)踐教學(xué)體系，重點(diǎn)探討了基于項(xiàng)目制的實(shí)訓(xùn)在物聯(lián)網(wǎng)實(shí)踐教學(xué)體系中的重要位置。文獻(xiàn)[8-10]提供了具體的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)作為實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，以培養(yǎng)學(xué)生的綜合實(shí)踐能力。

中原工學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)方向高年級(jí)本科生設(shè)置了專業(yè)綜合實(shí)訓(xùn)課程，仿照企業(yè)的項(xiàng)目研發(fā)過(guò)程，使學(xué)生在實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目開(kāi)發(fā)中深入理解專業(yè)知識(shí)，并掌握項(xiàng)目研發(fā)管理方面的知識(shí)。綜合實(shí)訓(xùn)是在程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)原理、嵌入式系統(tǒng)等前導(dǎo)課程的基礎(chǔ)上開(kāi)展的綜合性實(shí)踐環(huán)節(jié)，一般開(kāi)設(shè)于第6學(xué)期，為畢業(yè)實(shí)習(xí)、畢業(yè)設(shè)計(jì)做好準(zhǔn)備，最大限度地增強(qiáng)學(xué)生對(duì)就業(yè)市場(chǎng)的適應(yīng)性。

在項(xiàng)目制的專業(yè)綜合實(shí)訓(xùn)教學(xué)中，實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)是關(guān)鍵問(wèn)題，實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的專業(yè)綜合性、技術(shù)新穎性、工作規(guī)范性等方面都直接影響實(shí)訓(xùn)教學(xué)效果?；诙嗄甑膶?shí)踐經(jīng)驗(yàn)，本文討論了實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)的一般方法，并以智能樓宇能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為例來(lái)分析實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)與教學(xué)實(shí)施。

1 基于項(xiàng)目的物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)綜合實(shí)訓(xùn)

物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)綜合實(shí)訓(xùn)課程通過(guò)項(xiàng)目化的開(kāi)發(fā)訓(xùn)練使學(xué)生綜合利用所學(xué)物聯(lián)網(wǎng)軟硬件課程知識(shí)進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)。該課程安排在第6學(xué)期，可以總結(jié)前面5個(gè)學(xué)期所學(xué)的C/C++程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)原理、嵌入式應(yīng)用開(kāi)發(fā)等軟件類課程，以及計(jì)算機(jī)組成原理、微機(jī)原理與接口、傳感器原理、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、EDA技術(shù)、RFID原理及應(yīng)用等硬件類課程。該課程還可為第7和第8學(xué)期畢業(yè)實(shí)習(xí)和畢業(yè)設(shè)計(jì)做準(zhǔn)備，減少對(duì)考研學(xué)生的影響。由于第6學(xué)期還有其他課程的教學(xué)，綜合實(shí)訓(xùn)課程采用分散方式進(jìn)行，學(xué)生平時(shí)可利用課余時(shí)間進(jìn)行實(shí)訓(xùn)開(kāi)發(fā)，在期末集中驗(yàn)收。

課程規(guī)劃了一系列項(xiàng)目系統(tǒng)供學(xué)生分組進(jìn)行開(kāi)發(fā)訓(xùn)練，項(xiàng)目組學(xué)生分工合作共同完成系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。每一個(gè)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目都由指導(dǎo)教師對(duì)學(xué)生進(jìn)行指導(dǎo)和管理，及時(shí)了解并解決學(xué)生遇到的各類問(wèn)題。通過(guò)項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)訓(xùn)練，不僅訓(xùn)練了學(xué)生的專業(yè)知識(shí)綜合運(yùn)用能力，還通過(guò)規(guī)范化管理熟悉了所開(kāi)發(fā)項(xiàng)目的工程實(shí)施過(guò)程。

2 物聯(lián)網(wǎng)綜合實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)要求

課程主要依托現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)設(shè)備平臺(tái)來(lái)規(guī)劃和設(shè)計(jì)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目系統(tǒng)，這些系統(tǒng)具有專業(yè)綜合性的特點(diǎn)，可覆蓋典型的專業(yè)知識(shí)點(diǎn)，能夠解決實(shí)際應(yīng)用問(wèn)題。

2.1 物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)知識(shí)點(diǎn)分析

實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目要能反映專業(yè)的知識(shí)能力要求。結(jié)合專業(yè)課程體系，從物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)的感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層三方面對(duì)實(shí)訓(xùn)的教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容等進(jìn)行分析。物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)實(shí)訓(xùn)教學(xué)重要知識(shí)點(diǎn)見(jiàn)表1所列。

2.2 實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的規(guī)劃

實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目主要向相關(guān)教師征集，多數(shù)都來(lái)自教師的科研課題，具有較強(qiáng)的專業(yè)針對(duì)性，能夠體現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)課程的教學(xué)內(nèi)容。按所涵蓋知識(shí)內(nèi)容，大體上可將實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目分為以下幾類：

（1）無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)（基于ZigBee、藍(lán)牙、WiFi的應(yīng)用系統(tǒng)）；

（2）嵌入式物聯(lián)網(wǎng)（基于嵌入式設(shè)備的遠(yuǎn)程信息采集和處理系統(tǒng)）；

（3）移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)（基于Android/iOS移動(dòng)終端的應(yīng)用系統(tǒng)）。

一個(gè)項(xiàng)目系統(tǒng)要覆蓋感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層三方面的技能要點(diǎn)。我們通過(guò)集體討論分析各實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目特點(diǎn)，最終依據(jù)設(shè)計(jì)性、綜合性、系統(tǒng)性、真實(shí)性和新穎性確定約10個(gè)不同類型的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，供60名學(xué)生根據(jù)自己的興趣和能力選擇合適的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目。

這些項(xiàng)目主要通過(guò)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有軟硬件設(shè)備來(lái)構(gòu)建完整的應(yīng)用系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)室可提供傳感器、RFID、PLC、3G/WiFi、網(wǎng)關(guān)等節(jié)點(diǎn)或模塊，并配套有豐富的例程、開(kāi)發(fā)文檔等資料，方便學(xué)生學(xué)習(xí)、二次開(kāi)發(fā)、集成與擴(kuò)展。

3 實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目智能樓宇能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及教學(xué)實(shí)施

以智能樓宇能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為例來(lái)分析實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)與教學(xué)實(shí)施。

3.1 實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

智能建筑能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由下至上分為現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)層、通信服務(wù)層和管理應(yīng)用層，系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1所示?，F(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)利用部署在樓宇內(nèi)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)采集能耗狀態(tài)數(shù)據(jù)，傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器并送往網(wǎng)關(guān)。在通信服務(wù)層中，網(wǎng)關(guān)通過(guò)串口與協(xié)調(diào)器通信，通過(guò)MQTT與消息服務(wù)器通信，并能將消息轉(zhuǎn)發(fā)給管理應(yīng)用端，如桌面應(yīng)用程序、數(shù)據(jù)庫(kù)、Web瀏覽器、移動(dòng)設(shè)備。管理應(yīng)用層能通過(guò)Web、移動(dòng)終端來(lái)管理各種系統(tǒng)配置、建筑能耗信息及預(yù)警信息。

本系統(tǒng)集成了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（Contiki）、分布式消息通信技術(shù)（MQTT）、移動(dòng)終端開(kāi)發(fā)技術(shù)（Android）等新技術(shù)。

Contiki無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)的基本技術(shù)要點(diǎn)如下所示：

（1）利用CC2530節(jié)點(diǎn)設(shè)備，基于Contiki的6LoWPAN傳感器網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)初始化后會(huì)發(fā)出入網(wǎng)請(qǐng)求，準(zhǔn)備加入IPv6傳感網(wǎng)絡(luò)；endprint

（2）節(jié)點(diǎn)間形成以協(xié)調(diào)器為根節(jié)點(diǎn)的6LoWPAN傳感器網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)節(jié)點(diǎn)初始化、加入網(wǎng)絡(luò)、地址分配完成后，節(jié)點(diǎn)進(jìn)入工作狀態(tài)；

（3）在節(jié)點(diǎn)上添加兩個(gè)任務(wù)（Task），即設(shè)備能耗狀態(tài)采集任務(wù)和網(wǎng)絡(luò)管理任務(wù)；

（4）根據(jù)命令或周期性自動(dòng)采集能耗數(shù)據(jù)，將能耗信息和自身狀態(tài)信息以UDP/IPv6數(shù)據(jù)包形式傳送到服務(wù)器。開(kāi)發(fā)工具與開(kāi)發(fā)技術(shù)包括C語(yǔ)言、CC2530、IAR、6LoWPAN、RPL、Coap。人員需求1～2名。

MQTT通信平臺(tái)子系統(tǒng)的基本技術(shù)要點(diǎn)包括如下幾項(xiàng)：

（1）能夠接收來(lái)自網(wǎng)關(guān)與其他管理終端的消息，并對(duì)消息進(jìn)行可靠性檢測(cè)；

（2）解析出消息的內(nèi)容，對(duì)消息中需要記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，判斷消息是否需要轉(zhuǎn)發(fā)以及轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)需要附帶的參數(shù)及轉(zhuǎn)發(fā)形式；

（3）提供GUI操作界面，便于管理操作，在操作界面顯示當(dāng)前通信連接情況與重要的日志信息，如異常狀態(tài)、連接超時(shí)狀態(tài)等。開(kāi)發(fā)工具與開(kāi)發(fā)技術(shù)包括Qt Creator；開(kāi)源MQTT庫(kù)Mosquitto、HiveMQ。需要1名人員。

監(jiān)測(cè)應(yīng)用服務(wù)平臺(tái)子系統(tǒng)的基本技術(shù)要點(diǎn)如下：

（1）偵聽(tīng)前端設(shè)備的注冊(cè)請(qǐng)求，以完成設(shè)備的接入。注冊(cè)成功后，系統(tǒng)即可持續(xù)接收來(lái)自設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；

（2）根據(jù)預(yù)先定義好的協(xié)議格式，將接收到的原始消息進(jìn)行轉(zhuǎn)義操作，識(shí)別成可理解的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)信息，并寫入數(shù)據(jù)庫(kù)中；

（3）根據(jù)單位、樓宇、設(shè)備類型、時(shí)段等對(duì)能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析；

（4）生成Web頁(yè)面，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的可視化，利用AJAX進(jìn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)更新。開(kāi)發(fā)工具與開(kāi)發(fā)技術(shù)采用MyEclipse；J2EE；SSH架構(gòu)；MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)；JBoss；Tomcat。人員需求3名。

Android移動(dòng)終端子系統(tǒng)的基本技術(shù)要點(diǎn)如下：

（1）使用Google MAP技術(shù)將用戶管理的建筑標(biāo)記在手機(jī)地圖上，并可放大、縮小和移動(dòng)，方便用戶查找建筑標(biāo)記、獲取建筑地理位置信息；

（2）通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)MQTT消息服務(wù)器或WebService上封裝的能耗數(shù)據(jù)管理服務(wù)器解析建筑能耗數(shù)據(jù)；

（3）使用圖表技術(shù)對(duì)獲取的建筑能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)圖表顯示，可以選擇的圖形包括柱狀圖和線形圖等；

（4）使用推送技術(shù)接收遠(yuǎn)程服務(wù)器的推送信息，實(shí)現(xiàn)預(yù)警；

（5）使用JavaMail技術(shù)實(shí)現(xiàn)郵件發(fā)送功能，提交用戶反饋信息。開(kāi)發(fā)工具與開(kāi)發(fā)技術(shù)包括Android Studio、Android SDK、Google MAP、SQLite。人員需求1名。

3.2 實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的教學(xué)實(shí)施

實(shí)訓(xùn)課程的教學(xué)過(guò)程分為準(zhǔn)備、開(kāi)發(fā)和驗(yàn)收考核這三個(gè)階段。準(zhǔn)備階段在第5學(xué)期期末，主要介紹實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目特點(diǎn)，將學(xué)生按興趣和能力進(jìn)行項(xiàng)目分組，保證每一組都有能力較好的學(xué)生。開(kāi)發(fā)階段跨越第6學(xué)期，學(xué)生在教師的指導(dǎo)下利用課外時(shí)間進(jìn)行項(xiàng)目系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)。驗(yàn)收考核階段在第6學(xué)期期末，每名學(xué)生需提交項(xiàng)目系統(tǒng)設(shè)計(jì)文檔、項(xiàng)目系統(tǒng)源代碼、實(shí)訓(xùn)報(bào)告，還要對(duì)每名學(xué)生進(jìn)行考核。

一般的項(xiàng)目系統(tǒng)可以供多屆學(xué)生迭代開(kāi)發(fā)，不斷完善系統(tǒng)功能，擴(kuò)展系統(tǒng)構(gòu)成，優(yōu)化代碼實(shí)現(xiàn)，改善用戶接口等。智能樓宇能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在第一屆實(shí)訓(xùn)教學(xué)中，僅要求能夠?qū)崿F(xiàn)各子系統(tǒng)的互聯(lián)互通，能夠從傳感節(jié)點(diǎn)將消息上傳到后臺(tái)進(jìn)行存儲(chǔ)、處理，后臺(tái)也可以將命令消息下發(fā)到指定的傳感節(jié)點(diǎn)，主要完成進(jìn)程線程規(guī)劃、模塊接口與消息定義、數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)等基礎(chǔ)性、框架性設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)工作。

在系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中，注重工作過(guò)程和規(guī)范、編程思想與開(kāi)發(fā)技術(shù)的運(yùn)用。在實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目開(kāi)發(fā)過(guò)程參照企業(yè)開(kāi)發(fā)管理方式，強(qiáng)調(diào)代碼編寫規(guī)范，要求學(xué)生撰寫需求分析、概要設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)，以及專題技術(shù)學(xué)習(xí)總結(jié)等文檔。利用SVN等版本工具對(duì)代碼、文檔進(jìn)行管理，方便了項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的統(tǒng)一管理和控制，也便于下屆學(xué)生在此基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)展升級(jí)。這種規(guī)范化的項(xiàng)目實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)使學(xué)生在實(shí)習(xí)或就業(yè)時(shí)能更好地適應(yīng)企業(yè)化的工作環(huán)境。

4 結(jié) 語(yǔ)

物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)綜合實(shí)訓(xùn)課程是主要專業(yè)課程完成之后的綜合實(shí)踐環(huán)節(jié)，該課程采取項(xiàng)目制組織方式，通過(guò)精心設(shè)計(jì)的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目系統(tǒng)鍛煉學(xué)生的專業(yè)知識(shí)綜合實(shí)踐能力。本文以智能樓宇能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為例分析了實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的規(guī)劃設(shè)計(jì)與教學(xué)實(shí)施。

對(duì)于實(shí)訓(xùn)課程來(lái)說(shuō)，一個(gè)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目可供多屆學(xué)生持續(xù)開(kāi)發(fā)、擴(kuò)展、改進(jìn)，下一屆學(xué)生可以在前屆的基礎(chǔ)上工作，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)起點(diǎn)，克服學(xué)生在初次面對(duì)開(kāi)發(fā)項(xiàng)目時(shí)的茫然和畏難情緒。因此，有必要重視實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目庫(kù)的建設(shè)，通過(guò)多屆學(xué)生不斷地完善，形成專業(yè)針對(duì)性強(qiáng)、管理規(guī)范、指導(dǎo)有保障的一系列實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，對(duì)提高實(shí)訓(xùn)教學(xué)質(zhì)量有重要意義。

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