智能家居應(yīng)用背景下物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究

李林林+吳建勝+孫良旭+劉國(guó)莉+王剛

摘 要： 物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)缺乏實(shí)際項(xiàng)目背景的綜合性實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容彼此獨(dú)立，缺乏聯(lián)系，實(shí)驗(yàn)組織形式與實(shí)際工程開(kāi)發(fā)形式不一致。針對(duì)上述問(wèn)題，文章選擇智能家居物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用作為項(xiàng)目背景，根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)軟硬件技術(shù)層次關(guān)系，對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行按層分組，學(xué)生通過(guò)自由組合方式，組織綜合性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，討論實(shí)驗(yàn)軟硬件環(huán)境的搭建，完成相關(guān)實(shí)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞： 智能； 家居； 物聯(lián)網(wǎng)； 實(shí)驗(yàn)； 教學(xué)

中圖分類號(hào)：TP391.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1006-8228（2017）12-73-03

Research on IoT experiment teaching for the application of smart home

Li Linlin1， Wu Jiansheng1， Sun Liangxu1， Liu Guoli2， Wang Gang1

（1. School of Software， University of Science and Technology Liaoning， Anshan， Liaoning 114051， China；

2. School of Science， University of Science and Technology Liaoning）

Abstract： IoT （Internet of things） experiment teaching lacks the comprehensive experiment of actual project background. The experiment contents are independent and no relations each other. The experiment organization is not consistent with the actual project development organization. Aiming at the above problems， this paper selects the smart home IoT application as the project background， and according to the software and hardware technology hierarchy of IoT， groups the experiment contents by the layers. The students can group by free combination， and organize the comprehensive experiment contents， to discuss the construction of software and hardware environment and fulfill the relevant experiments.

Key words： smart； home； IoT； experiment； teaching

0 引言

物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things， IoT）實(shí)現(xiàn)了物理設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、智能設(shè)備、建筑物和嵌入式設(shè)備之間的互聯(lián)。通過(guò)嵌入設(shè)備中的電子器件、軟件、傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)連接實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的數(shù)據(jù)采集和交換[1]。

智能家居是對(duì)智能建筑中，與居住有關(guān)方面的擴(kuò)展，通過(guò)Wi-Fi和4G等網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)家庭生活各個(gè)方面的智能控制。例如溫濕度、光照采集，水浸、煙霧、可燃?xì)鈱?shí)時(shí)監(jiān)控，空調(diào)、熱水器等家電設(shè)備的遠(yuǎn)程移動(dòng)控制，窗簾、照明燈等家居設(shè)備的智能化控制，門(mén)禁、紅外和視頻監(jiān)控等安防系統(tǒng)控制等[2]。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的研究已經(jīng)深入到實(shí)驗(yàn)室硬件建設(shè)的各個(gè)方面[4-6]，實(shí)驗(yàn)室硬件設(shè)備已經(jīng)很好滿足教學(xué)的需要，但是如何在良好的物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室中，合理的利用現(xiàn)有良好的硬件環(huán)境，科學(xué)組織物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)這個(gè)“軟件”問(wèn)題，一直是困擾物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的問(wèn)題。良好的硬件環(huán)境換不來(lái)良好的教學(xué)效果，這是必須要解決的問(wèn)題，實(shí)景教學(xué)模式是解決該矛盾的一種新的嘗試[7]。

1 物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的問(wèn)題

物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用涉及豐富的軟硬件技術(shù)，硬件方面主要包括傳感器技術(shù)、RFID技術(shù)和嵌入式系統(tǒng)技術(shù)，軟件方面主要包括移動(dòng)開(kāi)發(fā)技術(shù)、服務(wù)器技術(shù)和數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)等[3]。除此之外，還需要網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議等理論基礎(chǔ)支持。

在實(shí)際的物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中存在許多問(wèn)題，主要有以下。

⑴ 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)定多以介紹、演示和驗(yàn)證某一基本技術(shù)原理為主，多種技術(shù)實(shí)驗(yàn)之間彼此獨(dú)立，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容之間缺乏邏輯聯(lián)系，造成實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容組織缺乏整體性。

⑵ 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)定多采用經(jīng)過(guò)人為簡(jiǎn)化、脫離實(shí)際應(yīng)用的虛擬場(chǎng)景。在此場(chǎng)景下雖然可以完成實(shí)驗(yàn)，但是所完成的任務(wù)與實(shí)際應(yīng)用存在較大差別，鍛煉的能力難以達(dá)到工程實(shí)踐要求。

⑶ 實(shí)驗(yàn)類型比較單一，缺乏有一定規(guī)模的設(shè)計(jì)性和綜合性實(shí)驗(yàn)。學(xué)生訓(xùn)練基本還停留在低層次的技術(shù)實(shí)現(xiàn)，缺少高層次的項(xiàng)目設(shè)計(jì)訓(xùn)練。

⑷ 實(shí)驗(yàn)組織形式多以個(gè)人為主，在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)箱有限功能基礎(chǔ)上完成實(shí)驗(yàn)。由于實(shí)驗(yàn)內(nèi)容難度分量和實(shí)驗(yàn)軟硬件環(huán)境限制，實(shí)驗(yàn)組織形式缺乏團(tuán)隊(duì)成員之間的分工和協(xié)作，與實(shí)際工程實(shí)踐過(guò)程不一致。

2 智能家居應(yīng)用背景

本文認(rèn)為上述問(wèn)題的主要原因在于，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)定沒(méi)有一個(gè)真實(shí)的應(yīng)用背景，不能將所有的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)通過(guò)一個(gè)綜合案例，按照工程實(shí)踐的實(shí)際流程和水平要求，進(jìn)行有效的分解和組合。我們建議以智能家居作為真實(shí)的應(yīng)用背景，將智能家居所涉及的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)從工程項(xiàng)目需求角度進(jìn)行分解，按照工程實(shí)施邏輯再進(jìn)行重新組織，充分利用現(xiàn)有軟硬件資源，對(duì)學(xué)生按照?qǐng)F(tuán)隊(duì)模式進(jìn)行組織，按照實(shí)際工程流程進(jìn)行項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、實(shí)施和驗(yàn)收。通過(guò)采用上述智能家居應(yīng)用背景物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，可以有效解決目前物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的問(wèn)題，理由如下。

⑴ 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)定來(lái)至于智能家居應(yīng)用問(wèn)題的合理分解，彼此保持一定的獨(dú)立和聯(lián)系，由問(wèn)題需求引入技術(shù)解決方案，完成技術(shù)原理的學(xué)習(xí)和應(yīng)用，符合問(wèn)題導(dǎo)向的學(xué)習(xí)方式。

⑵ 智能家居是學(xué)生最熟悉的實(shí)際物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用背景，無(wú)需進(jìn)行簡(jiǎn)化和虛擬。由于智能家居是典型的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，其具有一般物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用都具有的軟硬件技術(shù)。通過(guò)完成智能家居應(yīng)用背景的綜合性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，就可以達(dá)到實(shí)際工程實(shí)踐訓(xùn)練的目的和要求。

⑶ 智能家居應(yīng)用需求比較復(fù)雜，涉及的技術(shù)比較多。學(xué)生需要從系統(tǒng)的高層次設(shè)計(jì)開(kāi)始，按照系統(tǒng)分解的設(shè)計(jì)思想，先進(jìn)行功能分解，然后進(jìn)行低層次任務(wù)實(shí)現(xiàn)。

⑷ 由于智能家居應(yīng)用無(wú)法通過(guò)個(gè)人在合理的教學(xué)時(shí)間和環(huán)境下完成，所以必須通過(guò)團(tuán)隊(duì)形式完成。通過(guò)團(tuán)隊(duì)這種形式，可以鍛煉學(xué)生在完成實(shí)際工程項(xiàng)目過(guò)程中所需要的分工、協(xié)作、溝通和組織等能力。

3 智能家居綜合性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和組織實(shí)施

將物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)進(jìn)行分層分析，可以分為感知層、執(zhí)行層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層，其中感知層和執(zhí)行層屬于同一層次。感知層由各種傳感器以及傳感器網(wǎng)關(guān)構(gòu)成，包括溫濕度傳感器、光照傳感器、可燃?xì)鈧鞲衅?、煙霧傳感器、水浸傳感器、震動(dòng)傳感器、紅外柵欄傳感器、人體感應(yīng)傳感器和攝像機(jī)等，接收指令，采集和上傳信息。執(zhí)行層由各種執(zhí)行裝置以及執(zhí)行裝置控制器構(gòu)成，包括門(mén)禁電磁鎖、電動(dòng)窗簾、紅外遙控器、燈光開(kāi)關(guān)等，接收指令，控制執(zhí)行裝置完成動(dòng)作。網(wǎng)絡(luò)層由各種私有網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)、有線和無(wú)線通信網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)和云計(jì)算平臺(tái)等組成，負(fù)責(zé)傳遞和處理感知層獲取的信息。應(yīng)用層是物聯(lián)網(wǎng)和用戶的接口，它與具體需求結(jié)合，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的智能應(yīng)用。

根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)學(xué)習(xí)的要求，將綜合性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容按照技術(shù)層次進(jìn)行組織，分為四組，分別為感知層實(shí)驗(yàn)內(nèi)容組、執(zhí)行層實(shí)驗(yàn)內(nèi)容組、網(wǎng)絡(luò)層實(shí)驗(yàn)內(nèi)容組和應(yīng)用層實(shí)驗(yàn)內(nèi)容組。一個(gè)完整的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用涉及到所有的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容分組，各個(gè)分組從技術(shù)本身角度是彼此獨(dú)立的，但是從技術(shù)應(yīng)用角度又是密切相關(guān)的。感知的信息需要通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳達(dá)到應(yīng)用，應(yīng)用的決策控制又需要通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳達(dá)到執(zhí)行設(shè)備。

各個(gè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容分組的具體實(shí)驗(yàn)內(nèi)容如圖1所示。

將學(xué)生按照?qǐng)F(tuán)隊(duì)進(jìn)行組織，要求團(tuán)隊(duì)中成員分別選擇各個(gè)層次中的一部分實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，所有團(tuán)隊(duì)成員集體完成一項(xiàng)智能家居物聯(lián)網(wǎng)小應(yīng)用。由于各個(gè)分層的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容從技術(shù)原理上是一致或者類似的，但是技術(shù)應(yīng)用上又有所不同。團(tuán)隊(duì)成員可以根據(jù)個(gè)人興趣，通過(guò)集體協(xié)商，在每個(gè)不同的層次選擇不同的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，通過(guò)這樣的組合，可以創(chuàng)建很多相同智能家居背景的、不同需求的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，示例如表1所示。

這樣的綜合性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)既可以使實(shí)驗(yàn)內(nèi)容豐富完整，又可以使實(shí)驗(yàn)內(nèi)容存在差異區(qū)別。通過(guò)這樣的綜合性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，既可以讓所有學(xué)生學(xué)習(xí)到相同的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，又可以讓所有學(xué)生學(xué)習(xí)到不同的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。

4 實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)軟硬件環(huán)境構(gòu)建

對(duì)于實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)硬件環(huán)境構(gòu)建，為了能夠充分再現(xiàn)智能家居項(xiàng)目背景，購(gòu)置一定數(shù)量、成本較低、不同類型的傳感器，由團(tuán)隊(duì)根據(jù)設(shè)計(jì)方案自由選擇，其他一些數(shù)量較少、成本較高的執(zhí)行設(shè)備或者傳感器，團(tuán)隊(duì)間協(xié)商共享方式使用，這樣首先可以解決感知層和執(zhí)行層的硬件環(huán)境問(wèn)題。對(duì)于無(wú)線通信，購(gòu)置一些不同通信協(xié)議無(wú)線通信模塊和路由器，確保在設(shè)置上團(tuán)隊(duì)之間互不干擾。對(duì)于有線通信，為了實(shí)驗(yàn)管理方便，提前在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行合理有序的網(wǎng)絡(luò)布線，團(tuán)隊(duì)只能選擇使用，不能隨意重新布線，這樣又可以解決網(wǎng)絡(luò)層的硬件環(huán)境問(wèn)題。感知層和執(zhí)行層一半都是獨(dú)立的硬件模塊，在了解原理的基礎(chǔ)上，學(xué)生只需掌握如何使用就可以了，一般實(shí)驗(yàn)不會(huì)涉及到硬件本身或協(xié)議本身的開(kāi)發(fā)。

對(duì)于實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)軟件環(huán)境構(gòu)建，主要包括操作系統(tǒng)和開(kāi)發(fā)工具。在應(yīng)用層上，可以根據(jù)應(yīng)用執(zhí)行的終端類型，又可以分為服務(wù)器、網(wǎng)關(guān)、PC終端和移動(dòng)終端。不同的終端類型要求不同的軟件環(huán)境。一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于服務(wù)器，操作系統(tǒng)一般選擇Linux或者Windows，安裝服務(wù)組件，開(kāi)發(fā)工具一般選擇Eclipse或者Visual Studio開(kāi)發(fā)工具。對(duì)于網(wǎng)關(guān)，多為嵌入式設(shè)備，一般選擇裁剪后的Linux操作系統(tǒng)，為了開(kāi)發(fā)方便，多采用Windows開(kāi)發(fā)，Linux部署聯(lián)調(diào)的方式，一般選擇Qt Creator、MinGW和Qt-Opensource-Windows開(kāi)發(fā)工具。對(duì)于PC終端，操作系統(tǒng)一般選擇Windows，PC多以瀏覽器方式對(duì)服務(wù)器或者網(wǎng)關(guān)進(jìn)行信息查看和設(shè)備控制，一般只需要部署應(yīng)用運(yùn)行環(huán)境即可，不需要安裝開(kāi)發(fā)工具。對(duì)于移動(dòng)終端，考慮開(kāi)發(fā)成本，多采用Android操作系統(tǒng)的手機(jī)，采用與網(wǎng)關(guān)一樣的開(kāi)發(fā)方式，一般選擇eclipse開(kāi)發(fā)工具，安裝J2EE開(kāi)發(fā)組件完成開(kāi)發(fā)，然后部署到手機(jī)，通過(guò)手機(jī)APP方式對(duì)服務(wù)器或者網(wǎng)關(guān)進(jìn)行信息查看和設(shè)備控制。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文選擇智能家居作為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用背景，解決了學(xué)生進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)學(xué)習(xí)缺乏應(yīng)用背景問(wèn)題，描述了綜合性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)計(jì)和組織，完成綜合性實(shí)驗(yàn)所需要的軟硬件平臺(tái)環(huán)境的構(gòu)建，解決了學(xué)生進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)學(xué)習(xí)和教師進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)授課所需要的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)問(wèn)題。教師可以根據(jù)教學(xué)需要，在該平臺(tái)上靈活地進(jìn)行軟硬件搭配和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容組合，學(xué)生的學(xué)習(xí)效果良好，非常貼近實(shí)際的工程項(xiàng)目，達(dá)到了工程實(shí)踐訓(xùn)練的目的，可以推廣到物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，該平臺(tái)還需要在軟硬件上進(jìn)行升級(jí)和擴(kuò)展，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容還需要更新，復(fù)雜物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用在該平臺(tái)的教學(xué)是否可行還需要進(jìn)一步研究。

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