論水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)與物聯(lián)網(wǎng)方向教學標準的轉(zhuǎn)換

余金棟　黃河

摘 要：以水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)作為典型工程案例，剖析了物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的構(gòu)成要素及學習內(nèi)容，將其轉(zhuǎn)換為專業(yè)教學標準，從而設(shè)計了“工學結(jié)合”模式的教學體系，并從實訓教學環(huán)境和教學團隊方面探討了職業(yè)技術(shù)學院人才培養(yǎng)支持機制的建設(shè)。

關(guān)鍵詞：在線監(jiān)測；物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)；教學標準；實訓環(huán)境

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2014）10-0013-03

0 引 言

國務(wù)院促進高職教育發(fā)展專題會議指出：高職教育是促進轉(zhuǎn)方式、調(diào)結(jié)構(gòu)和民生改善的戰(zhàn)略舉措，以改革的思路辦好職業(yè)教育，對提升勞動大軍就業(yè)創(chuàng)業(yè)能力、產(chǎn)業(yè)素質(zhì)和綜合國力意義重大[1]。電子信息產(chǎn)業(yè)作為國民經(jīng)濟的支柱性產(chǎn)業(yè)，在計算機互聯(lián)網(wǎng)時代發(fā)揮了無可估量的作用，與之適應(yīng)的應(yīng)用電子技術(shù)專業(yè)為該產(chǎn)業(yè)培養(yǎng)了大量掌握電子電路分析、電路制作、樣機調(diào)試、微控制器應(yīng)用設(shè)計及編程等相關(guān)理論知識和操作技能的高素質(zhì)人才，這為信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)帶來了巨大的人才紅利。

當今，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)作為新一波科技革命浪潮的主要驅(qū)動力，自2006年IBM公司提出概念以來，短短幾年時間在國內(nèi)外迅猛發(fā)展成朝陽產(chǎn)業(yè)，智能物流、智慧交通、智慧農(nóng)業(yè)、智慧電網(wǎng)、智能家居、智慧環(huán)境等已深入現(xiàn)實生活。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型自應(yīng)用電子技術(shù)，綜合了傳感器、射頻識別技術(shù)、數(shù)據(jù)通信技術(shù)、嵌入式技術(shù)以及計算機軟件技術(shù)，橫跨多個學科，對大專層次的應(yīng)用電子技術(shù)人才培養(yǎng)體系提出了巨大挑戰(zhàn)。為了適應(yīng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級，需要從典型的物聯(lián)網(wǎng)工程案例出發(fā)，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用項目及其實施過程轉(zhuǎn)換為學習領(lǐng)域，確立應(yīng)用電子技術(shù)專業(yè)物聯(lián)網(wǎng)方向的培養(yǎng)目標，細化課程體系和教學標準。

具體到建筑行業(yè)的高職院校，物聯(lián)網(wǎng)方向?qū)I(yè)應(yīng)培養(yǎng)面向建筑智能化信息系統(tǒng)集成和產(chǎn)品制造第一線，從事物聯(lián)網(wǎng)智能家居系統(tǒng)集成設(shè)計、安裝調(diào)試、維護維修及其系統(tǒng)產(chǎn)品研制、生產(chǎn)、銷售、技術(shù)服務(wù)工作，具備扎實的物聯(lián)網(wǎng)智能家居系統(tǒng)架構(gòu)知識和電子電路基礎(chǔ)理論知識，能夠設(shè)計和集成智能家居系統(tǒng)，分析電子產(chǎn)品的工作原理，掌握智能家居行業(yè)電氣安裝、系統(tǒng)調(diào)試、維護維修、產(chǎn)品設(shè)計制造的技能和方法，勝任物聯(lián)網(wǎng)智能家居行業(yè)相關(guān)崗位的高素質(zhì)技能型專門人才。畢業(yè)生具備誠信品質(zhì)、敬業(yè)精神和責任意識，遵紀守法意識，樹立終身學習理念，具有良好的學習能力、交流溝通和團隊協(xié)作能力、創(chuàng)造能力、就業(yè)和創(chuàng)業(yè)能力[2]。

1 水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)與學習領(lǐng)域的轉(zhuǎn)換

水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)是典型的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用工程，其結(jié)構(gòu)分為三層：第一，以水質(zhì)監(jiān)測儀器、傳感器構(gòu)成的水質(zhì)數(shù)據(jù)采集層；第二，以基于ZigBee無線通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)合接口電路的數(shù)據(jù)傳輸層；第三，水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)的管理層，包括服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫，提供Internet訪問形成共享層。基于三層結(jié)構(gòu)，成功構(gòu)建的流溪河水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)在線、實時的數(shù)據(jù)無縫融合，水質(zhì)在線監(jiān)測平臺提供互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)遠程訪問共享，并為生活飲用水質(zhì)監(jiān)測預警和流域水生態(tài)系統(tǒng)健康保護決策提供支持。水質(zhì)在線監(jiān)控系統(tǒng)由網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、管理層監(jiān)控機、ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)組成，這是一個層次型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，最底部為傳感器終端設(shè)備，向上層依次為路由器、協(xié)調(diào)器和監(jiān)控機、服務(wù)器。服務(wù)器配置網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫，可通過Internet網(wǎng)絡(luò)向授權(quán)用戶提供數(shù)據(jù)訪問共享。監(jiān)控機采用PC機，主要是查看和分析處理水質(zhì)數(shù)據(jù)。ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)負責水質(zhì)數(shù)據(jù)的采集，由ZigBee傳感器網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備、ZigBee傳感器網(wǎng)絡(luò)路由器、ZigBee傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器暨網(wǎng)關(guān)組成。ZigBee傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器暨網(wǎng)關(guān)的功能之一是負責發(fā)起網(wǎng)絡(luò)，對其進行管理和維護，包括對任意時刻新加入網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備分配網(wǎng)絡(luò)地址，管理節(jié)點加入和離開，網(wǎng)絡(luò)安全密鑰分發(fā)和更新；其二是承擔數(shù)據(jù)采集層網(wǎng)絡(luò)與管理層網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)交換和協(xié)議轉(zhuǎn)換，將采集的數(shù)據(jù)上傳給管理層的監(jiān)控機。

根據(jù)水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)成和實施工作步驟，轉(zhuǎn)換到學習領(lǐng)域，主要包括以下幾個方面：（1）水質(zhì)探測傳感器及其接口電路，主要是RS-485總線和Modbus通信協(xié)議；（2）ZigBee無線通信網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)與數(shù)據(jù)通信控制；（3）網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器數(shù)據(jù)庫及數(shù)據(jù)共享發(fā)布軟件開發(fā)。

2 物聯(lián)網(wǎng)方向的專業(yè)教學標準

2.1 專業(yè)教學標準與課程標準

專業(yè)教學標準是保證專業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量的重要文件，涉及課程體系、課程教學標準、教學環(huán)境、教學團隊，從不同方面體現(xiàn)了“工學結(jié)合”的高職教育人才培養(yǎng)模式，簡單來說稱為“411”模式，即第1-4學期完成支撐專業(yè)核心能力的理論基礎(chǔ)知識的學習和各專項技能的訓練；第5學期通過生產(chǎn)實習、智能建筑電子產(chǎn)品設(shè)計與制作、專業(yè)證書考證訓練等綜合課程形成專業(yè)能力、方法能力和社會能力；第6學期到企業(yè)頂崗實習，完成職業(yè)素養(yǎng)的全面形成。其中核心課程有：單片機原理與接口技術(shù)、檢測與控制技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、Web編程技術(shù)及其實訓，涵蓋水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)的知識領(lǐng)域。實踐技能培養(yǎng)方面主要有電子產(chǎn)品的設(shè)計、制作、維修、系統(tǒng)集成調(diào)試等能力[3-4]。

課程標準是對學生接受課程教學之后的結(jié)果所做的具體描述，是教育質(zhì)量在特定教育階段應(yīng)達到的具體指標，是對課程教學的基本規(guī)范和要求，是教學管理和課程評價的依據(jù)，是教材編寫、教學實施和考試命題的依據(jù)。下面詳述《物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)》和《物聯(lián)網(wǎng)實訓》兩門課程的課程標準設(shè)計。

2.2 《物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)》課程標準

課程性質(zhì)是應(yīng)用電子技術(shù)專業(yè)的專業(yè)核心課程，作用是使學生了解物聯(lián)網(wǎng)的基本技術(shù)體系架構(gòu)、概念、以及相關(guān)操作技能，包括無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、無線射頻、嵌入式終端技術(shù)等，典型應(yīng)用如一維碼、二維碼、EPC、RFID、WSN、智能卡、M2M等。通過課程學習對無線通信原理、云計算、智能技術(shù)、安全技術(shù)有一定的了解。前期必修課有《C語言程序設(shè)計》、《單片機原理與接口技術(shù)》、《檢測與控制技術(shù)》，后續(xù)學習《物聯(lián)網(wǎng)實訓》、《智能建筑電子產(chǎn)品設(shè)計與制作》課程。課程整體設(shè)計方面，分為“感”、“聯(lián)”、“知”、“控”四個方面，分別學習物體感知、身份識別、數(shù)據(jù)采集，互聯(lián)互通、信息交互、信息共享，數(shù)據(jù)綜合、存儲、管理、分析，智能應(yīng)用控制等方面的技術(shù)架構(gòu)。相對于計算機網(wǎng)絡(luò)課程，本課程側(cè)重于底層通訊原理即無線通訊和高層數(shù)據(jù)為中心的中間件與應(yīng)用層的講授，同時延伸擴展無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、RFID和智能交通、智能倉儲物流、智能電網(wǎng)、智能家居的應(yīng)用。

課程目標設(shè)計分為工作能力目標和職業(yè)能力目標。工作能力目標包括：

（1）運用物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的體系架構(gòu)和技術(shù)特點選擇合理的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)方案；

（2）根據(jù)應(yīng)用的需要正確運用傳感器技術(shù)和RFID技術(shù)，設(shè)計無線傳感網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)感知和識別；

（3）根據(jù)應(yīng)用的需要選擇合理的通信方式和聯(lián)網(wǎng)方式；

（4）設(shè)計應(yīng)用系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)，進行系統(tǒng)集成、安裝調(diào)試和維護，熟悉智能家居統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)。

職業(yè)能力目標包括以下兩個方面：一是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用與系統(tǒng)設(shè)計能力；二是物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)集成、安裝調(diào)試、運行維護的能力。

課程內(nèi)容設(shè)計上，可以分為五個單元學習情境，每個單元分若干任務(wù)。具體情境如下：

（1）認識物聯(lián)網(wǎng)。也就是要求掌握物聯(lián)網(wǎng)的概念和體系架構(gòu)，了解物聯(lián)網(wǎng)的特點、發(fā)展、標準化；

（2）物聯(lián)網(wǎng)感知與識別。具體任務(wù)如下：

任務(wù)1：傳感器數(shù)據(jù)采集，要求了解傳感器的組成、分類和常用傳感器的原理和應(yīng)用。掌握磁檢測、光照、紅外對射、人體感應(yīng)、溫濕度、煙霧檢測等傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成、特點及其應(yīng)用；任務(wù)2： 射頻識別，掌握RFID系統(tǒng)的組成、原理、分類及其應(yīng)用，了解一維碼、二維碼的應(yīng)用。

（3）物聯(lián)網(wǎng)通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。具體任務(wù)如下：

任務(wù)1： 無線數(shù)字通訊技術(shù)，了解數(shù)字通信系統(tǒng)的組成、傳輸方式、信號的形式、數(shù)據(jù)編碼及質(zhì)量指標，了解數(shù)據(jù)鏈路、數(shù)據(jù)交換、通信網(wǎng)，了解無線信道復用與擴頻技術(shù)；任務(wù)2：短距離無線通信，了解藍牙技術(shù)、超寬帶技術(shù)的原理和特點，掌握ZigBee接入技術(shù)；任務(wù)3：點對點無線通信，了解CC2530芯片點對點通訊操作，使用IAR開發(fā)環(huán)境設(shè)計程序，實現(xiàn)ZigBee模塊之間點對多點通訊；任務(wù)4：點對多點無線通信，CC2530芯片點對多點通訊操作，使用IAR開發(fā)環(huán)境設(shè)計程序，實現(xiàn)2個ZigBee模塊之間點對點通訊；任務(wù)5：ZigBee模塊無線組網(wǎng)，Z-Stack2007協(xié)議棧架構(gòu)、開發(fā)流程、工程配置，掌握ZigBee模塊無線組網(wǎng)原理及過程；任務(wù)6：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)集成，掌握基于ZigBee模塊的傳感器數(shù)據(jù)采集傳輸?shù)膶崿F(xiàn)過程；任務(wù)7：無線局域網(wǎng)與廣域網(wǎng)接入，了解Wi-Fi技術(shù)、Ad Hoc技術(shù)、無線城域網(wǎng)技術(shù)、無線廣域網(wǎng)技術(shù)及M2M技術(shù)，會組建無線網(wǎng)絡(luò)訪問Internet。

（4） 物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用之生態(tài)環(huán)境保護。具體任務(wù)是水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)建，了解生態(tài)環(huán)境保護物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用現(xiàn)狀，掌握水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成。

（5）物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用之智慧城市與智能家居。具體任務(wù)如下：

任務(wù)1： 智慧城市的架構(gòu)，了解智慧城市的架構(gòu)，掌握其系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成；任務(wù)2： 智能家居系統(tǒng)構(gòu)建，了解智能家居應(yīng)用現(xiàn)狀，掌握智能家居系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成。

2.3 《物聯(lián)網(wǎng)實訓》課程標準

課程性質(zhì)是綜合能力形成課程，以實際物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用項目為實訓載體，通過實訓，培養(yǎng)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)集成調(diào)試和解決實際問題的能力，培養(yǎng)職業(yè)道德和職業(yè)素養(yǎng)，積累實踐經(jīng)驗，增強專業(yè)學習興趣和信心。按照基于實際工作過程的課程設(shè)計思路，以項目為載體，任務(wù)為驅(qū)動，在物聯(lián)網(wǎng)終端平臺、智能網(wǎng)關(guān)、RFID、ZigBee和M2M等模塊基礎(chǔ)上集成無線傳感網(wǎng)絡(luò)（WSN），收集傳感器數(shù)據(jù)，構(gòu)建識別感知、傳輸、數(shù)據(jù)共享與控制三層架構(gòu)的技術(shù)體系，實現(xiàn)物體智能化監(jiān)測聯(lián)網(wǎng)與控制，使學生獲取物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計與集成的知識和技能。課程設(shè)定工作目標：一是標識與感知；二是構(gòu)建無線通信網(wǎng)絡(luò)；三是安裝應(yīng)用軟件。職業(yè)能力目標是具備物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)集成開發(fā)能力和系統(tǒng)運行維護能力。

課程設(shè)置三個單元學習情境，具體如下：

（1）感知與標識。任務(wù)1：構(gòu)建RFID標識系統(tǒng)，掌握RFID標簽讀寫設(shè)備操作；任務(wù)2：構(gòu)建傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，掌握傳感器數(shù)據(jù)采集模塊的安裝與編程設(shè)置操作，會運用上位機收集傳感器數(shù)據(jù)；任務(wù)3：構(gòu)建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，掌握基于ZigBee終端、路由器模塊的WSN網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建編程與設(shè)置。

（2）網(wǎng)絡(luò)組建。任務(wù)1：組建ZigBee無線通信網(wǎng)絡(luò)，掌握ZigBee無線通信網(wǎng)絡(luò)的組建，會對網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器模塊進行安裝與編程；任務(wù)2：ZigBee網(wǎng)絡(luò)與Internet互聯(lián)，掌握ZigBee無線通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器模塊與PC機通過串行口進行數(shù)據(jù)傳輸和存儲，會構(gòu)建數(shù)據(jù)庫并存儲數(shù)據(jù)。

（3）控制與服務(wù)發(fā)布。任務(wù)1：安裝終端控制平臺軟件，掌握ARM終端平臺的軟件安裝流程，會構(gòu)建控制界面對物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的對象進行控制；任務(wù)2：物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)發(fā)布，掌握物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)訪問和服務(wù)發(fā)布，會編寫簡單的Web訪問客戶端頁面。

3 專業(yè)人才培養(yǎng)支持體系

明確專業(yè)定位和確定專業(yè)教學標準之后，應(yīng)重點從實踐教學環(huán)境、教學團隊建設(shè)等方面完善人才培養(yǎng)支持體系建設(shè)上下功夫，進一步完善“工學結(jié)合”人才培養(yǎng)模式的內(nèi)涵。

3.1 實踐教學環(huán)境

為滿足教學體系中的實踐環(huán)節(jié)，配置專業(yè)實踐條件和環(huán)境，硬件方面應(yīng)有計算機和物聯(lián)網(wǎng)實訓教學平臺，實現(xiàn)包括傳感器模塊、無線通信模塊、嵌入式模塊、服務(wù)器、局域網(wǎng)絡(luò)配置和搭建的操作。軟件方面應(yīng)有IAR開發(fā)環(huán)境、嵌入式交叉開發(fā)環(huán)境，以及單片機仿真軟件。

3.2 教學團隊的建設(shè)

教學團隊是專業(yè)教學標準實施的承擔主體，應(yīng)注重“雙師”素質(zhì)的建設(shè)，不但具備電子技術(shù)、通信、計算機等學科專業(yè)背景知識，更應(yīng)該積累系統(tǒng)集成和實施的經(jīng)驗。同時應(yīng)適應(yīng)現(xiàn)階段職業(yè)教育的模式要求，不斷更新教育教學理念，整合教學學資源，深化專業(yè)與課程改革。

4 結(jié) 語

從專業(yè)適應(yīng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型角度出發(fā)，以水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)為典型工程案例，在剖析物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)組成和轉(zhuǎn)換學習領(lǐng)域的基礎(chǔ)上，重點討論了應(yīng)用電子技術(shù)專業(yè)物聯(lián)網(wǎng)方向的教學標準，主要以《物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)》和《物聯(lián)網(wǎng)實訓》兩門課為例，闡述體現(xiàn) “工學結(jié)合”人才培養(yǎng)模式的課程設(shè)計，及實訓環(huán)境、教學團隊等支持體系的構(gòu)建。

參考文獻

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Abstract： The IOT field courses set up in the applied electronic technology specialty are an effective way for the specialty to adapt industrial transformation， and to train IOT professional and technical personnel. Taking an on-line water quality monitoring system as a typical case， the constituent elements and learning contents of IOT system were analyzed， and were converted to professional standards for teaching. Based on the standards， the curriculum standards of “work-integrated learning” mode were designed. The construction of personnel training support system in vocational and technical colleges is discussed in the aspects of practical teaching environment and teaching team.

Keywords： on-line monitoring； Internet of Things； teaching standard； practical teaching environment