新工科背景下物聯(lián)網(wǎng)綜合實驗平臺設(shè)計

董懷國 車楠 杜寧

摘??要：根據(jù)新工科背景下新興產(chǎn)業(yè)對物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的實際應(yīng)用性和綜合交叉性的升級改造需求，以培養(yǎng)學(xué)生工程實踐能力為目標(biāo)，通過自主研發(fā)可重構(gòu)的開源綜合物聯(lián)網(wǎng)實驗平臺，為學(xué)院物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)理論體系優(yōu)化與實踐教學(xué)改革提供有力支撐。同時，結(jié)合實踐實訓(xùn)需求，以平臺為依托，以項目為導(dǎo)向，探索建立滿足教學(xué)要求的工程性綜合案例庫，全面提升學(xué)生實踐能力。

關(guān)鍵詞：實驗平臺??物聯(lián)網(wǎng)??新工科??綜合性

中圖分類號：TN91;G642.423?????????文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Design?of?the?Integrated?Experimental?Platform?of?Internet?of?Things?under?the?Background?of?New?Engineering

DONG?Huaiguo??CHE?Nan??DU?Ning

（Harbin?University?of?Science?and?Technology，?Harbin，?Heilongjiang?Province，150080??China）

Abstract：?According?to?the?upgrading?and?transformation?needs?of?emerging?industries?for?the?practical?application?and?comprehensive?intersectionality?of?the?Internet?of?Things?specialty?under?the?background?of?new?engineering，?this?paper?takes?the?cultivation?of?students'?engineering?practice?ability?as?the?goal，?and?provides?strong?support?for?the?optimization?of?the?theoretical?system?and?the?reform?of?practical?teaching?of?the?Internet?of?Things?specialty?through?the?independent?research?and?development?of?a?reconfigurable?open-source?integrated?experimental?platform?of?Internet of?Things.?At?the?same?time，?combined?with?the?needs?of?practical?training，?relying?on?the?platform?and?taking?the?project?as?the?guide，?it?explores?and?establishes?an?engineering?comprehensive?case?library?that?meets?the?teaching?requirements?to?comprehensively?improve?students'?practical?ability.

Key?Words：?Experimental?platform;?Internet?of?Things;?New?engineering;?Integrity

1?綜合實驗平臺研制的背景

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是新工科背景下各行業(yè)發(fā)展、升級的重要支撐，在5G?時代下，物聯(lián)網(wǎng)將會迎來一個巨大的發(fā)展機(jī)遇，相關(guān)行業(yè)發(fā)展迅猛，對人才需求量巨大。因此，如何提升高等教育綜合實踐教學(xué)水平，培養(yǎng)滿足行業(yè)要求的合格人才是各高校物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)所面臨的共同問題?[1]。

物聯(lián)網(wǎng)是一門多學(xué)科交叉的專業(yè)，?融合了計算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信、電子信息等學(xué)科，內(nèi)容龐雜，要想縱深地理解物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)，建立完整的知識體系，必須強(qiáng)化實踐環(huán)節(jié)。綜合平臺的搭建可以讓學(xué)生直觀地感知物聯(lián)網(wǎng)所涉及的內(nèi)容及各層的交互關(guān)系，進(jìn)而提高學(xué)生的動手能力，有效達(dá)到人才培養(yǎng)目的[2]。因此，從實踐角度探討實踐平臺開發(fā)對提升高校物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)建設(shè)質(zhì)量，進(jìn)一步夯實“中國制造2025”等國家計劃有積極意義[3]。

目前，國內(nèi)物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)本科生的專業(yè)理論知識相對扎實，但實踐創(chuàng)新能力與世界一流大學(xué)相比仍有較大的差距[4]。而現(xiàn)有實踐平臺對物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)支撐不足，難以滿足學(xué)生的工程實踐需求[5]。因此，為提升物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)綜合實踐教學(xué)水平，研制對接真實工業(yè)開發(fā)場景的綜合實驗平臺是非常必要的教學(xué)手段。哈爾濱理工大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院自2014年建立物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)，項目團(tuán)隊在之前嵌入式設(shè)備開發(fā)研制的基礎(chǔ)上，經(jīng)過不斷探索，自主研發(fā)了可重構(gòu)的開源綜合物聯(lián)網(wǎng)實驗平臺和配套的項目級案例庫，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新實踐能力，在物聯(lián)網(wǎng)實踐教學(xué)過程中取得良好的教學(xué)效果。

2?綜合實驗平臺的研制

2.1?實驗平臺的架構(gòu)設(shè)計

此課題的設(shè)計目的是建立一套涵蓋數(shù)據(jù)感知、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理、云計算等知識領(lǐng)域的系統(tǒng)性綜合物聯(lián)網(wǎng)實驗平臺，設(shè)計方式以自主開發(fā)為主，根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)教學(xué)體系對實踐環(huán)節(jié)的要求，借鑒Digi、華為、小米等國內(nèi)外主流物聯(lián)網(wǎng)廠商的開發(fā)模式，搭建適應(yīng)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的開源物聯(lián)網(wǎng)綜合平臺，平臺整體架構(gòu)如圖1所示。

平臺設(shè)計涵蓋了物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)的感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層，可實踐項目包括物聯(lián)網(wǎng)課程體系所涉及的實驗內(nèi)容，滿足本科與研究生實踐教學(xué)需求。同時，為滿足學(xué)生自主開發(fā)的需求，實驗平臺設(shè)計采用模塊化組態(tài)設(shè)計方案，組件和環(huán)境可靈活配置，所有組件都是按模塊封裝，可以任意組合，具有可重構(gòu)性和靈活性。學(xué)生在了解實驗平臺通用標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)的前提下可以進(jìn)行自主開發(fā)，針對物聯(lián)網(wǎng)項目需求靈活配置軟硬件組件，按需組板、自由加載外圍硬件，大大提升學(xué)生的自主開發(fā)能力和學(xué)習(xí)興趣。平臺遵循開源標(biāo)準(zhǔn)，所有軟硬件核心代碼均可提供，軟硬件實驗接口參考標(biāo)準(zhǔn)封裝格式，學(xué)生可以通過接口配置環(huán)境信息、運行嵌入式代碼、定制控制信息，實現(xiàn)多元化開發(fā)方式，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識與能力。

2.2?實驗平臺的組成和功能

實驗平臺所有硬件均采用自制設(shè)備形式，由封裝好的開發(fā)板、外圍組件、網(wǎng)關(guān)等硬件組成，具體的實物形式如圖2所示。按功能劃分主要包括物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)實驗平臺、物聯(lián)網(wǎng)嵌入式實驗平臺、無線通信實驗系統(tǒng)、無線模塊和外圍軟硬件等。

2.2.1基礎(chǔ)實驗系統(tǒng)設(shè)計

基礎(chǔ)實驗系統(tǒng)包括基礎(chǔ)實驗平臺和嵌入式實驗平臺兩部分，可完成的實驗內(nèi)容主要為傳感器技術(shù)與應(yīng)用、物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)等映射到物聯(lián)網(wǎng)傳感層和傳輸層的專業(yè)基礎(chǔ)和方向課程，可以支撐物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)大部分課程的實驗和實踐教學(xué)內(nèi)容。

硬件設(shè)計方面，平臺微處理器采用Arduino?M0（Cortex?M0+內(nèi)核）和STM32?微處理器可選模式，支持遞進(jìn)式實驗內(nèi)容設(shè)計。Arduino是開源創(chuàng)客平臺，在互聯(lián)網(wǎng)上有大量的實踐案例，可以直接用C語言和C++語言進(jìn)行硬件開發(fā)，適合大一學(xué)生學(xué)習(xí)硬件，利用Arduino處理器進(jìn)行入門教學(xué)，大大提高了學(xué)生的硬件學(xué)習(xí)興趣和能力，為之后進(jìn)行其他硬件學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)大一學(xué)生可以選擇Arduino進(jìn)行初級實驗項目設(shè)計，到學(xué)習(xí)完硬件語言基礎(chǔ)課后再進(jìn)階選擇STM32微處理器進(jìn)行高級實驗內(nèi)容，由淺入深，符合學(xué)生學(xué)習(xí)的認(rèn)知規(guī)律。

平臺為物聯(lián)網(wǎng)的傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)計了豐富的外圍硬件接入，傳感器采用固態(tài)封裝、開關(guān)切換的方式，無線通信模塊接入方式設(shè)計為統(tǒng)一的針腳封裝，采用即插即用的替換方式，方便學(xué)生任意搭建多種傳感器和無線網(wǎng)絡(luò)制式的傳感網(wǎng)。無線網(wǎng)絡(luò)提供豐富的通信接口，支持Wi-Fi、Bluetooth2.0、Bluetooth4.0、ZigBee（XBEE）、ZigBee（TICC2530）?、802.15.4、IPv6、Lora等主流無線通信協(xié)議。其中，RFID應(yīng)用提供低頻（125?K）、高頻（13.56?MHz）、超高頻（900?MHz）、有源2.4G等選擇。外圍傳感器提供TVOC、PM2.5、三軸加速度、熱釋電、溫濕度、震動、光敏、熱敏、震動、紅外、火焰等。同時開放平臺傳感器接入接口，可以兼容各種外圍傳感器，滿足不同項目功能需求的設(shè)計和實現(xiàn)。

2.2.2無線通信系統(tǒng)設(shè)計

無線通信系統(tǒng)主要支持通信原理實驗，驗證無線信號調(diào)制、信號發(fā)送、接收與解調(diào)。通信原理是物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的一門重要的專業(yè)課程，對理論與實踐的結(jié)合要求較高。傳統(tǒng)的通信原理實驗教學(xué)多以驗證性實驗為主，無法提升學(xué)生的綜合實驗?zāi)芰?，不符合新興科學(xué)對實踐教學(xué)的要求。而一些高校采用NI開發(fā)的通用軟件無線電外設(shè)（Universal?Software?Radio?Peripheral，USRP）[6]造價比較高，一般高校無法承擔(dān)。為解決以上問題，該系統(tǒng)采用軟硬件相結(jié)合的方式，采用自主開發(fā)Gnu-Radio+USRP的無線通信驗證環(huán)境，大大降低了硬件造價。系統(tǒng)提供本地實現(xiàn)虛擬仿真通信實驗和硬件調(diào)試，同時提供優(yōu)盤承載調(diào)試環(huán)境和遠(yuǎn)程調(diào)試多種方式，方便學(xué)生隨時進(jìn)行硬件實驗，解決了硬件實驗的空間制約問題。

通信系統(tǒng)基帶信號處理器采用Intel?Cyclone?IV?系列FPGA，使用Qsys構(gòu)建硬件系統(tǒng)，NIOS?II軟核CPU?C/C++編程實現(xiàn)控制，簡化FPGA代碼開發(fā)。數(shù)據(jù)傳輸模塊全面支持USB3.0數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，傳輸速度能夠達(dá)到5Gbps。系統(tǒng)針對Zigbee/802.15.4?FPGA級的調(diào)制解調(diào)實驗，可以實現(xiàn)芯片級解碼，讓學(xué)生深入了解和學(xué)習(xí)底層通信場景。

在實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，無線通信系統(tǒng)提供了以標(biāo)準(zhǔn)802.15.4/ZigBee物理層實現(xiàn)為例的無線通信原理實驗，對于CC2530、XBEE等802.15.4/ZigBee標(biāo)準(zhǔn)射頻芯片所發(fā)出射頻信號進(jìn)行采樣，并完成從信號到數(shù)據(jù)的解調(diào)過程，學(xué)生可以獨立完成802.15.4/ZigBee所采用OQPSK信號整個解調(diào)過程，即signal->symbol->chip->bit的過程，可以充分理解為什么該種信號可以實現(xiàn)抗無線干擾和相對可靠的數(shù)據(jù)傳輸；同時也可以讓學(xué)生自己構(gòu)造信號完成調(diào)制過程并與標(biāo)準(zhǔn)ZigBee/802.15.4模塊進(jìn)行通信，學(xué)習(xí)包括OQPSK在內(nèi)的多種信號構(gòu)造原理，學(xué)生可以直觀地看到實驗結(jié)果，從而加深對抽象的理論知識的理解。

2.2.3?綜合案例庫設(shè)計

現(xiàn)有的物聯(lián)網(wǎng)實驗教學(xué)過程中，實驗案例資源碎片化現(xiàn)象嚴(yán)重。學(xué)生無法將各學(xué)科的知識有效地聯(lián)系在一起，所以需要有綜合性的實驗案例設(shè)計從整體宏觀的角度展示物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)和學(xué)科的關(guān)聯(lián)性，整合課程體系，建立學(xué)生系統(tǒng)觀，保證實踐教學(xué)能力目標(biāo)的達(dá)成。

針對以上問題，在綜合實驗平臺的基礎(chǔ)上完成綜合案例庫的建立。傳感網(wǎng)的搭建結(jié)合多種通信方式，可以開展傳感數(shù)據(jù)采集、組網(wǎng)傳輸。利用外圍終端包括網(wǎng)關(guān)、Android移動端、服務(wù)器、云平臺等實現(xiàn)外圍接收處理傳感數(shù)據(jù)和傳感網(wǎng)絡(luò)控制功能，從而實現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)平臺的搭建。針對實際項目需求，設(shè)計項目為導(dǎo)向的綜合實驗內(nèi)容，滿足實踐實訓(xùn)和案例庫搭建的功能需求。目前，已經(jīng)設(shè)計并實現(xiàn)了多個平臺配套的案例式的綜合實驗，涉及智能家居、農(nóng)業(yè)、環(huán)境、健康監(jiān)測等不同應(yīng)用場景。案例教學(xué)給學(xué)生進(jìn)行自主開發(fā)夯實了技術(shù)基礎(chǔ)，學(xué)生從案例中獲得啟發(fā)，開拓了設(shè)計思路，申報國家級、省級創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目，參加“互聯(lián)網(wǎng)+”大賽，取得了不錯的成績，專業(yè)的整體就業(yè)率大幅提高。

3??綜合實驗平臺解決的教學(xué)問題

物聯(lián)網(wǎng)綜合實驗平臺的搭建以滿足新工科對實踐教學(xué)環(huán)節(jié)的要求為目標(biāo)，解決了現(xiàn)有物聯(lián)網(wǎng)實踐教學(xué)環(huán)節(jié)存在的問題，主要體現(xiàn)在以下幾點。

3.1??解決了現(xiàn)有實驗平臺對學(xué)生工程需求支撐不足的問題

實驗平臺與實際工業(yè)開發(fā)環(huán)境和接口相對應(yīng)，為學(xué)生提供真實場景的實驗環(huán)境。系統(tǒng)設(shè)計充分參考主流物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)提供商的解決方案，采用了成熟的開源軟硬件技術(shù)，研發(fā)了符合物聯(lián)網(wǎng)開源軟硬件標(biāo)準(zhǔn)、兼容工業(yè)現(xiàn)場硬件開發(fā)接口、支持物聯(lián)網(wǎng)項目體系架構(gòu)的綜合實驗平臺，充分滿足物聯(lián)網(wǎng)綜合實踐項目的工程性需求。

3.2??解決了實驗平臺對實驗體系綜合性支撐不足的問題

綜合性平臺設(shè)計覆蓋物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)，同時各組件間采用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)接口設(shè)計，實現(xiàn)了子系統(tǒng)間的無縫兼容，為整個課程體系的橫縱向聯(lián)系的支撐、綜合實驗的設(shè)計、實訓(xùn)項目的開發(fā)等提供全方位的平臺支持。解決現(xiàn)有平臺在完成不同實驗內(nèi)容所采用的硬件相互之間的兼容性較差，導(dǎo)致各實踐項目的可延展性差的問題。

3.3??解決了物聯(lián)網(wǎng)實驗設(shè)備靈活性不足，造價高的問題

實驗平臺全部采用自制的方式，設(shè)備以模塊化為主要設(shè)計形式，大大提升設(shè)備的靈活性。其中，通過自主研發(fā)的方式建立與國際接軌的基于USRP的無線通信實踐平臺，建立無線通信類的課程群。解決了硬件平臺價位高，仿真平臺工程性不足的問題，為無線通信類課程實踐提供滿足“新工科”對工程性要求的解決方案。

4??結(jié)語

綜合實驗平臺的搭建，不僅可以橫向支撐基礎(chǔ)實驗實踐教學(xué)，由于其在設(shè)計上的自主性、綜合性和可重構(gòu)性，同時也是面向項目的開放平臺，提供企業(yè)級的工程案例庫。為學(xué)生參加各種競賽、項目驅(qū)動、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目提供平臺，鍛煉了學(xué)生的項目設(shè)計和開發(fā)能力，符合新工科對專業(yè)的實驗實踐要求和培養(yǎng)工程人才的需求，同時為學(xué)院物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)進(jìn)行工程認(rèn)證在實驗條件和學(xué)生對復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計能力培養(yǎng)上提供有力的支撐。

參考文獻(xiàn)

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