基于物聯(lián)網(wǎng)的智能控制項目實踐教學(xué)設(shè)計

焦鉻+李浪+鄒祎

摘要：針對智能控制課程的特點，分析實踐教學(xué)中存在的問題，結(jié)合程序開發(fā)語言和物聯(lián)網(wǎng)智能控制等知識，提出基于物聯(lián)網(wǎng)的智能控制平臺實踐項目，從實驗平臺、實驗項目和實驗考核等方面設(shè)計詳細(xì)的實踐教學(xué)方案，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和實踐能力，提高實踐教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；智能控制；實踐教學(xué)；中國制造；智能制造

0引言

“中國制造2025”部署了全面推進(jìn)實施制造強國戰(zhàn)略，提出智能制造作為中國制造的主攻方向。在《中國制造2025》中還指出加快開展物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用示范，推動智能交通工具、智能工程機械、服務(wù)機器人、智能家電、智能照明電器、可穿戴設(shè)備等產(chǎn)品研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能控制領(lǐng)域中應(yīng)用的不斷深入，社會對掌握智能控制技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用型人才的需求會越來越大?；谖锫?lián)網(wǎng)的智能控制項目實踐教學(xué)改革對提高學(xué)生的工程應(yīng)用能力，使學(xué)生掌握行業(yè)前沿技術(shù)的能力，提升學(xué)生的就業(yè)競爭力有著重要的意義。

1目前教學(xué)中存在的問題

（1）課程理論性強，內(nèi)容多且抽象，缺少相應(yīng)的實踐，學(xué)生對理論知識難以掌握；課程學(xué)時少，學(xué)生投入的學(xué)習(xí)時間和精力不足，無法自己尋找實踐項目，缺乏實踐；與課程教材相配套的實驗方案較少，導(dǎo)致實驗難以有效地開展。

（2）智能控制課程實踐教學(xué)大多以仿真為主，缺少面向技術(shù)前沿的實踐環(huán)節(jié)。大多數(shù)高校學(xué)生做實驗就是利用MATLAB的Simulink、GUI等工具設(shè)計各種控制算法和建立智能控制系統(tǒng)模型，從而實現(xiàn)對系統(tǒng)的仿真。學(xué)生對實際的工程項目應(yīng)用不了解，不利于創(chuàng)新能力和職業(yè)能力的培養(yǎng)。

（3）課程考核方式?jīng)]有體現(xiàn)對能力的考核。減少單個知識技能的考核，增加知識能力體系的考核。

2實驗平臺選擇

我們的實踐項目所用的實驗平臺是北京精儀達(dá)盛科技有限公司生產(chǎn)的物聯(lián)網(wǎng)實訓(xùn)開發(fā)系統(tǒng)，系統(tǒng)由物聯(lián)網(wǎng)視頻移動開發(fā)平臺實驗箱和物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點實驗箱組成，主要特點如下：

（1）多環(huán)境支持。提供基于C#、C++、Java的開發(fā)包及已封裝的函數(shù)接口，提供智能手機開發(fā)包及已封裝的函數(shù)接口，可進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)項目的二次開發(fā)。

（2）接口豐富。RJ45 10M/100M自適應(yīng)以太網(wǎng)接口、標(biāo)準(zhǔn)RS-485串行通信接口、模擬視頻輸入接口、視頻輸出接口、支持SD卡接口與存儲、USB接口、支持WIFI和3G網(wǎng)卡。

（3）功能強大。支持CMRTP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，能同網(wǎng)傳感圖像信息、聲音信息、傳感器信息、控制信息，節(jié)點信息；支持多用戶智能移動終端同時訪問ZIGBEE NVS網(wǎng)關(guān)；智能手機、IPAD等；內(nèi)置WEB SERVER，網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)置簡單；可配置成服務(wù)器工作；支持多用戶端同時訪問ZIGBEE NVS網(wǎng)關(guān)；遠(yuǎn)程PC機訪問。

3實驗項目設(shè)計

3.1實驗項目構(gòu)建

基于物聯(lián)網(wǎng)的智能控制實驗項目從技術(shù)架構(gòu)上來看，分為3層：感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層，如圖1所示。

感知層的節(jié)點采集到數(shù)據(jù)經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)層傳輸與服務(wù)器通信，然后應(yīng)用層中的客戶端用軟件登錄服務(wù)器，登錄后即可控制和查看感知節(jié)點的信息?？蛻舳丝梢酝ㄟ^軟件看到感知節(jié)點采集的信息，發(fā)送控制命令去控制對應(yīng)的實物，包括門禁、窗簾、燈光、攝像頭等。各層所安排的實驗項目及課時見表1。

（1）感知層由各種傳感器以及傳感器網(wǎng)關(guān)構(gòu)成，感知層的作用相當(dāng)于人的眼耳鼻喉和皮膚等神經(jīng)末梢，它是物聯(lián)網(wǎng)識別物體、采集信息的來源，主要功能是識別物體，采集信息。感知層開設(shè)的實驗項目包括氣體濃度傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器、二維碼標(biāo)簽、RFID標(biāo)簽和讀寫器、攝像頭、GPS等智能感知終端等實驗。感知層節(jié)點包括感知節(jié)點和控制節(jié)點，感知類節(jié)點包括測試火災(zāi)和煙霧的傳感節(jié)點、采集空氣溫濕度和土壤溫濕度的傳感節(jié)點、探測紅外的傳感器節(jié)點，控制類的節(jié)點包括：控制門禁的節(jié)點、燈光和電源的傳感器節(jié)點以及可以遠(yuǎn)程控制監(jiān)控的無線云臺節(jié)點等。感知節(jié)點和控制節(jié)點可以聯(lián)動，可以結(jié)合起來作為實訓(xùn)項目。

（2）網(wǎng)絡(luò)層由各種移動通信網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)中心和信息中心等組成，相當(dāng)于人的神經(jīng)中樞和大腦，負(fù)責(zé)傳遞和處理感知層獲取的信息。在網(wǎng)絡(luò)層中，傳感器與協(xié)調(diào)器之間的傳輸都是利用Zigbee進(jìn)行相互通信的，而且由網(wǎng)關(guān)接收到感知層的信息，然后通過網(wǎng)絡(luò)和無線通信方式傳輸信息給服務(wù)器，用戶可在客戶端上觀察到感知節(jié)點的數(shù)據(jù)，并且可發(fā)送控制指令給協(xié)調(diào)器去控制節(jié)點。網(wǎng)絡(luò)層的實驗項目只需要了解路由器的設(shè)置，包括局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)絡(luò)的設(shè)置，因此安排的實驗課時較少。

（3）應(yīng)用層是物聯(lián)網(wǎng)和用戶（包括人、組織和其他系統(tǒng)）的接口，它與行業(yè)需求結(jié)合，實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的智能應(yīng)用，是智能控制實踐中最關(guān)鍵的部分。實踐項目包括智能交通控制系統(tǒng)、工業(yè)控制系統(tǒng)、智能農(nóng)業(yè)控制系統(tǒng)、智能家居控制系統(tǒng)、智能物流控制系統(tǒng)、智能制造控制系統(tǒng)、智能安防控制系統(tǒng)等。

3.2實驗項目舉例

智能控制在物聯(lián)網(wǎng)背景下有著廣泛的應(yīng)用，尤其體現(xiàn)在工程應(yīng)用實例項目上。

1）監(jiān)控土壤環(huán)境狀況。

將傳感器植入土壤或暴露在空氣中，由傳感器采集到的數(shù)據(jù)通過物聯(lián)網(wǎng)傳輸至遠(yuǎn)程控制中心，可及時了解當(dāng)前農(nóng)作物生長環(huán)境和變化趨勢，確定農(nóng)作物生產(chǎn)目標(biāo)。通過智能控制，可實時掌握環(huán)境溫度和土壤各項參數(shù)等對農(nóng)作物產(chǎn)量的影響，并進(jìn)行參數(shù)的調(diào)節(jié)，最大限度地提高農(nóng)作物產(chǎn)量。

2）產(chǎn)品制造和質(zhì)量監(jiān)控。

制造業(yè)集成了多種先進(jìn)科技的流水作業(yè)。生產(chǎn)制造過程中伴隨有大量數(shù)據(jù)，如產(chǎn)品加工條件或控制參數(shù)（時間、溫度等）。通過收集這些數(shù)據(jù)可反映每個生產(chǎn)環(huán)節(jié)的狀態(tài)，對生產(chǎn)的順利進(jìn)行起著至關(guān)重要的作用。通過智能控制可得到產(chǎn)品質(zhì)量與參數(shù)間的關(guān)系，從而獲得針對性很強的建議，以改進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量，而且可能發(fā)現(xiàn)更高效的控制模式，帶來豐厚的回報。

3）天氣預(yù)警。

一方面，利用智能設(shè)備隨時關(guān)注氣象信息，并針對雨天發(fā)出報警提醒；另一方面，智能終端隨時跟蹤用戶行蹤，并通過智能控制由用戶歷史行動特征數(shù)據(jù)預(yù)測去向。一旦預(yù)測到用戶要出門，就在合適的時候由相應(yīng)智能終端提醒其帶雨傘。如用戶在門口，就將由安裝在門上的智能設(shè)備發(fā)出提醒；如在車內(nèi)，則由車載計算機發(fā)出提醒。

4基于CDIO的項目考核

CDIO（conceive、design、implement、operate，構(gòu)思、設(shè)計、實現(xiàn)、運作）是當(dāng)今國際高等工程教育的一種新模式，由美國麻省理工學(xué)院和瑞典皇家工學(xué)院等4所大學(xué)共同倡導(dǎo)。這種模式更加注重扎實的工程基礎(chǔ)理論和專業(yè)知識的培養(yǎng)，通過每一門課程、每一個模塊、每一個教學(xué)環(huán)節(jié)來落實產(chǎn)業(yè)對能力的要求，滿足產(chǎn)業(yè)對工程人才質(zhì)量的要求。結(jié)合CDIO工程教育人才培養(yǎng)考核標(biāo)準(zhǔn)和傳統(tǒng)實踐教學(xué)環(huán)節(jié)的考核方法，建立了以個人能力、交流溝通能力、團(tuán)隊合作能力、創(chuàng)新能力等能力培養(yǎng)為目標(biāo)，以工程構(gòu)思、工程推理、工程設(shè)計、工程應(yīng)用為主線的考核體系，采用自評、項目組互評、答辯等多元考核方式，考核體系見表2?；贑DIO的項目考核體系能有效地激勵學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性，合理地評價學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，督促教師不斷地完善實踐教學(xué)內(nèi)容，優(yōu)化和提高教師的實踐教學(xué)能力。

5結(jié)語

基于物聯(lián)網(wǎng)的智能控制項目實踐教學(xué)改革結(jié)合了國家戰(zhàn)略需求和行業(yè)需求，使學(xué)生能夠更好地掌握和運用智能控制理論進(jìn)行實際的工程應(yīng)用，提高了學(xué)生的工程應(yīng)用能力和掌握行業(yè)前沿技術(shù)的能力，提升了學(xué)生的就業(yè)競爭力。

（編輯：郭田珍）