高校物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)實驗設備選用探討

張志廣 陳爽

摘? 要：本文對物聯(lián)網(wǎng)實驗設備在高校物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)教學中的作用進行分析，對各種物聯(lián)網(wǎng)實驗設備從功能、成本、學生受益程度、可維護性等角度進行對比，重點介紹了開源硬件在物聯(lián)網(wǎng)教學中的作用，給出適合高校物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)實驗設備選用的方案。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);實驗設備;開源硬件

中圖分類號：TP391.44-4;G642? ? ? ?文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）19-0197-02

Abstract：This paper analyses the effects of IoT experimental equipment in the teaching of IoT specialty in universities，compares various equipment from the aspects of function，cost，beneficial degree of students，maintainability，etc.，focuses on the role of open source hardware in the teaching of IoT，and offers suitable scheme of the selection of IoT experimental equipment.

Keywords：IoT（internet of things）;experimental equipment;open source hardware

0? 引? 言

目前，物聯(lián)網(wǎng)工程已經(jīng)成為理工類高校普遍開設的專業(yè)，物聯(lián)網(wǎng)實驗設備作為物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)教學的必要組成部分，在輔助實驗教學、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實踐、完成畢業(yè)設計、參加各類比賽、加強科研能力等方面不可或缺。

1? 物聯(lián)網(wǎng)實驗設備在教學中的應用

1.1? 物聯(lián)網(wǎng)基礎實驗

物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)課目前在高校主要有嵌入式系統(tǒng)、RFID、傳感器、無線傳感器網(wǎng)絡、物聯(lián)網(wǎng)工程實施等主干專業(yè)課程。為配合課堂理論教學，鞏固學生掌握的理論知識，把理論和實踐進行統(tǒng)一，每門課程都配置了實驗課。這類基礎實驗課程主要是驗證性實驗，通過實物操作理解理論知識，所需的物聯(lián)網(wǎng)實驗設備功能單一，能完成本門課程的理論驗證需要即可，但要根據(jù)每門課程的需要進行配置，數(shù)量較多。

1.2? 物聯(lián)網(wǎng)綜合課程設計

物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)每個學期都會安排兩到三周的綜合課程設計。這類課程開設在學生學習專業(yè)基礎課程后，鍛煉學生對物聯(lián)網(wǎng)知識的綜合應用能力，使學生能夠把所學知識進行融合，完成系統(tǒng)的工程實踐任務。所需的物聯(lián)網(wǎng)實驗設備要求功能多樣，能夠搭建較為完整的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。這類設備通常根據(jù)課程設計中的學生分組情況進行配置。

1.3? 創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)和學科競賽

高校物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)每年都要參加物聯(lián)網(wǎng)設計競賽，參加學科競賽選用的物聯(lián)網(wǎng)設備要根據(jù)參賽題目去選用，靈活多樣。學生要根據(jù)選用的硬件去實現(xiàn)設計的功能。這類設備除了實驗室已有設備外，可能要根據(jù)競賽題目需要臨時采購。

1.4? 畢業(yè)設計和科研

物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的畢業(yè)設計大都要求設計實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，要求在畢業(yè)答辯時進行系統(tǒng)展示。每個學生畢設題目不同，選用的設備更是多種多樣?？蒲兄械脑O備要求運算條件較好、通信能力強，有能力的同學可以利用復雜實驗設備進行科研課題的開發(fā)。畢業(yè)設計和科研類設備可以根據(jù)學校經(jīng)費情況由學生自行采購，然后學校統(tǒng)一報銷的方式進行配置。

2? 可供選用的物聯(lián)網(wǎng)實驗設備介紹

高校物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)如何選用實驗設備來滿足上述教學中的需求，能夠最大程度上提高學生實踐能力、降低設備采購成本、做到物盡其用，是一個值得探討的問題。目前市面上可供選用的物聯(lián)網(wǎng)實驗設備大致可以分為以下幾種。

2.1? 物聯(lián)網(wǎng)實訓平臺

例如智能家居系統(tǒng)、智能溫室大棚沙盤演示系統(tǒng)、智能安防控制系統(tǒng)、特殊環(huán)境安全工程系統(tǒng)、智慧城市應用系統(tǒng)、智慧工廠應用系統(tǒng)、智能農(nóng)業(yè)應用系統(tǒng)、智慧交通應用系統(tǒng)、食品溯源應用系統(tǒng)、智能產(chǎn)品開發(fā)技能培養(yǎng)系統(tǒng)、智能倉儲應用系統(tǒng)等綜合性系統(tǒng)。這類平臺采購成本高，一套系統(tǒng)價格在20萬元左右，有的系統(tǒng)還要支付云服務年費。這類系統(tǒng)屬于物聯(lián)網(wǎng)集成系統(tǒng)，一般包括物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)、數(shù)據(jù)采集終端、控制系統(tǒng)等模塊。提供完整的軟件系統(tǒng)和源代碼，各個模塊的源代碼和軟件系統(tǒng)加起來大概需要幾個GB的容量。復雜的系統(tǒng)對于大學階段剛剛進行物聯(lián)網(wǎng)學習的學生來說，理解難度非常大。由于是專門針對某一種應用的系統(tǒng)集成，基本不可能在原有系統(tǒng)上進行應用擴展和二次開發(fā)。如果設備出現(xiàn)故障，只能請廠家技術(shù)人員進行修理。這類設備對于學生掌握基礎知識、課程設計、畢業(yè)設計的用途都微乎其微，但是可以開闊學生視野，了解物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)，增強學生學習物聯(lián)網(wǎng)的興趣，并且可以按照廠商所給代碼進行開發(fā)測試。

2.2? 物聯(lián)網(wǎng)實驗箱和實驗套裝

例如RFID實驗箱、嵌入式實驗箱、ZigBee套裝、無線傳感網(wǎng)實驗箱、友善之臂開發(fā)板、健康監(jiān)護應用實驗箱、窄帶物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)實訓系統(tǒng)、感知層信息安全試驗箱等實驗套裝設備。實驗箱級實驗設備價格大概在30000元左右，實驗套裝設備價格在1000元左右。這類實驗設備會提供設計好的實驗案例，學生可以按照實驗指導書的步驟順利完成實驗。通過閱讀實驗案例源代碼可以讓學生掌握物聯(lián)網(wǎng)理論知識在編程實踐中的應用。這類設備提供的實驗源代碼在學生能理解的范圍，而且硬件帶有擴展接口，學生可以在設備提供的源代碼基礎之上進行二次開發(fā)?？梢詰迷诨A知識實驗、課程設計、學科競賽和畢業(yè)設計中。這類設備的局限性在于只能在現(xiàn)有硬件和源代碼的基礎上進行修改和完善，不能任意擴展，學生只能在讀懂源代碼的基礎上進行二次開發(fā)，不能鍛煉學生搭建系統(tǒng)、從零開發(fā)的能力。這類設備硬件系統(tǒng)較為復雜，如果出現(xiàn)故障，實驗員判斷故障點非常困難，一般只能請廠家技術(shù)人員上門維修。

2.3? 經(jīng)典開發(fā)板

在單片機開發(fā)板加入無線模塊，單片機開發(fā)板包括51單片機、STM32等。51單片機開發(fā)板加Wi-Fi模塊是一種選擇。51單片機是一款經(jīng)典且應用廣泛的單片機，學生學習內(nèi)部結(jié)構(gòu)，外部引腳，接口編程時用51單片機簡單易上手，在51單片機加入Wi-Fi可進行無線連接，可作為終端節(jié)點。STM32運算速度快，能夠?qū)崿F(xiàn)復雜算法，傳輸大量數(shù)據(jù)。STM32加Wi-Fi可作為路由節(jié)點，構(gòu)成物聯(lián)網(wǎng)的硬件基礎。這些開發(fā)板既可以自己做也可以在網(wǎng)上自行購買，并且學生可根據(jù)具體需求自己組裝硬件外設，提高學生設計硬件電路的能力。

2.4? 物聯(lián)網(wǎng)開源硬件

例如各種型號的Arduino開發(fā)板、Raspberry Pi開發(fā)板、ESP8266無線物聯(lián)網(wǎng)模塊、RFID模塊、各類傳感器模塊等。Arduino是一款便捷靈活、方便上手的開源電子原型平臺。包含硬件（各種型號的Arduino板）和軟件（Arduino IDE），由一個歐洲開發(fā)團隊于2005年冬季開發(fā)。Raspberry Pi是一款針對電腦業(yè)余愛好者、教師、學生以及小型企業(yè)等用戶的迷你電腦，預裝Linux系統(tǒng)，體積僅信用卡大小，搭載ARM架構(gòu)處理器，運算性能和智能手機相仿。這類硬件以開發(fā)板和模塊形式提供，價格便宜，一般開發(fā)板只有300元左右。這類開源硬件有成熟的中文社區(qū)，有豐富的學習資料和免費共享的物聯(lián)網(wǎng)案例。硬件是以散件形式提供，學生在學習時是以DIY形式，自己動手從零做起，搭建硬件系統(tǒng)，代碼也是從零做起，真正體會物聯(lián)網(wǎng)學習的樂趣。這類開源硬件的編程，有許多現(xiàn)成的模塊可以使用，調(diào)用簡單的函數(shù)即可實現(xiàn)復雜的功能，入手容易，不必理解底層寄存器的復雜配置。學生可以從一個LED燈的點亮、一個溫度傳感器的數(shù)據(jù)讀取、一個繼電器的控制這些基礎做起，到逐步完成用APP去控制物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)終端設備工作的整個學習過程。這類設備完全可以應用在物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)學生從基礎實驗到學科競賽、課程設計等各個方面。更為重要的是學生通過這類開源物聯(lián)網(wǎng)設備的使用，可以實踐硬件接口的連接、理解模塊的工作原理、自己編寫源代碼去驅(qū)動硬件工作，真正掌握物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。如果設備模塊出現(xiàn)損壞，學生自己就可以用替代法排查故障源，只需更換損壞的模塊就可繼續(xù)進行學習，維修容易。

2.5? 傳感器

傳感器是物聯(lián)網(wǎng)中獲得數(shù)據(jù)的方法。傳感器有幾千種，價格有低有高，實驗室不可能采購所有的傳感器，而是針對不同應用采購傳感器，且按耗材采購。學生根據(jù)每類傳感器進行分析、設計、使用，完成終端數(shù)據(jù)采集及控制。

3? 高校物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)實驗設備選用策略

通過對以上幾類物聯(lián)網(wǎng)實驗設備的分析，根據(jù)高校自身物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)培養(yǎng)目標、學生的基礎情況、學校資金的安排，應合理選用物聯(lián)網(wǎng)實驗設備，最大程度輔助教學，提高學生實踐能力。對于實驗設備經(jīng)費充足、學生理解能力強的高校，建議采購少量物聯(lián)網(wǎng)實訓平臺來提高學生對物聯(lián)網(wǎng)綜合系統(tǒng)的整體構(gòu)建的認知，通過這些平臺去學習復雜物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的專業(yè)知識。采購滿足實驗學生人數(shù)的物聯(lián)網(wǎng)實驗箱和套件，利用這些設備去快速開發(fā)，進行學科競賽和課程設計。采購足夠數(shù)量的開源硬件，培養(yǎng)學生實踐能力，更好地鍛煉學生從零開發(fā)的能力。對于實驗經(jīng)費緊張，更注重學生實踐能力培養(yǎng)的高校，建議更多采購成本低、應用廣，但是更能提升學習物聯(lián)網(wǎng)興趣的開源硬件。這類開源硬件的使用，可以讓學生從每個傳感器的連接、每個基礎功能的實現(xiàn)做起，極大地鍛煉學生的工程實踐能力。而且可以積累每一屆學生的開發(fā)經(jīng)驗，為后續(xù)學生提供寶貴的學習資料，形成良性循環(huán)，最大程度地實現(xiàn)實驗設備的使用價值。

參考文獻：

[1] 陳呂洲.Arduino程序設計基礎：第2版 [M].北京：北京航空航天大學出版社，2015.

[2] [美]Brendan Horan.Raspberry Pi樹莓派實作應用 [M].翟娟，施暢，譯.北京：人民郵電出版社，2014.

作者簡介：張志廣（1975-），男，漢族，河北秦皇島人，物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)講師，碩士，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)。