物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)與探討

張?zhí)炱?/p>

(武昌工學(xué)院信息工程學(xué)院，湖北 武漢 430065)

1 高校物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)存在的問題

(1)在人才培養(yǎng)方案上缺乏綜合應(yīng)用創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)，不少學(xué)校都是將相關(guān)學(xué)科進(jìn)行簡(jiǎn)單拼湊，在實(shí)驗(yàn)類型上只注重于“驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)”而缺乏“綜合應(yīng)用實(shí)驗(yàn)”[1]。(2)在實(shí)驗(yàn)室建設(shè)過程中，或者將本校已有相關(guān)專業(yè)的功能實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行簡(jiǎn)單拼湊作為新專業(yè)的物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室，缺乏整體系統(tǒng)性，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)功能不過是將幾個(gè)相關(guān)實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行簡(jiǎn)單疊加；或者物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室只提供實(shí)驗(yàn)箱，缺乏物聯(lián)網(wǎng)的綜合應(yīng)用開發(fā)環(huán)境，無法完成同時(shí)涉及整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的實(shí)驗(yàn)。(3)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)過程中忽略綜合應(yīng)用開發(fā)環(huán)境的建設(shè)，只是注重演示或體驗(yàn)[2-3]。

2 本校物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)

2.1 物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)目標(biāo)

建設(shè)物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室時(shí)必須具備高度的前瞻性，由于計(jì)算機(jī)行業(yè)的各類硬件設(shè)備更新?lián)Q代比較快，在對(duì)物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行建設(shè)時(shí)期一定要注意每一個(gè)項(xiàng)目的硬件都必須能夠滿足3～5年的需求，也就是說在5年以內(nèi)的時(shí)間里，物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備是不會(huì)被淘汰的，就算升級(jí)也要相對(duì)簡(jiǎn)單方便，因此，選型設(shè)備應(yīng)該具備快捷升級(jí)的特點(diǎn)。其次需要對(duì)現(xiàn)投入的硬件和軟件做最大的保護(hù)，因此，在選擇設(shè)備廠商時(shí)一定要選擇有實(shí)力并且信譽(yù)良好的合作伙伴，確保在未來的時(shí)間里能夠?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室提供良好而又強(qiáng)大的售后服務(wù)支持[3]。

2.2 物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)內(nèi)容

(1)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)室。物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)技術(shù)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)(實(shí)驗(yàn)箱)由Cortex-A9嵌入式智能終端、無線通信模塊節(jié)點(diǎn)、智能傳感器模塊和擴(kuò)展調(diào)試配件4個(gè)部分構(gòu)成。

高性能四核處理器Cortex-A9為核心控制器，板載16個(gè)通信模塊節(jié)點(diǎn)和12個(gè)傳感器模塊，用戶可任意配置通信節(jié)點(diǎn)、傳感器模塊的種類與數(shù)量。通過本教學(xué)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，學(xué)生可加深對(duì)物聯(lián)網(wǎng)各個(gè)行業(yè)(農(nóng)業(yè)、家居、貨柜、醫(yī)療)系統(tǒng)的了解，熟悉物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的最新技術(shù)。可深入學(xué)習(xí)嵌入式ARM技術(shù)的硬件組成、操作系統(tǒng)及圖形用戶界面的移植、應(yīng)用程序開發(fā)等技術(shù)；也可針對(duì)ZIGBEE技術(shù)、藍(lán)牙4.0技術(shù)、WIFI技術(shù)等無線傳感技術(shù)進(jìn)行學(xué)習(xí)和了解；也可進(jìn)行各種RFID技術(shù)、傳感技術(shù)的學(xué)習(xí)。

基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的主要規(guī)格參數(shù)如下：

智能終端采用主流的Samsung Cortex-A9處理器，網(wǎng)關(guān)將處理器的所有應(yīng)用接口全部引出，配套實(shí)驗(yàn)教程，支持對(duì)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行深度地嵌入式學(xué)習(xí)和開發(fā)。網(wǎng)關(guān)可以搭載Zigbee、433、藍(lán)牙、Wi-Fi等模塊，采用統(tǒng)一接口，是實(shí)現(xiàn)所有信息的匯聚處理平臺(tái)，嵌入式網(wǎng)關(guān)提供智能溫室大棚、智能家居、智能交通、智能倉(cāng)儲(chǔ)貨架等管理軟件。

通信模塊，節(jié)點(diǎn)種類涵蓋ZigBee、IPv6、藍(lán)牙、Wi-Fi和RFID讀寫器，另可選配攝像頭、GPS、北斗2代、GPRS、3G、條碼、指紋、微型打印機(jī)等多種模塊，傳感器種類多達(dá)30余種，是一款配置齊全、功能強(qiáng)大、性能卓越的物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)科研綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

軟件資源：Android嵌入式系統(tǒng)版本：Android 4.2.2。交叉編譯器：arm-linux-gcc-4.5.1-v6-vfp。U-boot：完全開源的U-boot；支持Fastboot下載燒寫；支持SD卡啟動(dòng)；支持原生的命令行模式，可更改啟動(dòng)參數(shù)等；支持eMMC讀寫操作。Superboot：支持SD卡脫機(jī)快速燒寫；支持EXT3/4格式系統(tǒng)文件燒寫；支持自動(dòng)識(shí)別MMC/NAND啟動(dòng)。

實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目包含基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、應(yīng)用實(shí)驗(yàn)、綜合實(shí)訓(xùn)實(shí)驗(yàn)，其中基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)共計(jì)28個(gè)，包含：CC2530 GPIO實(shí)驗(yàn)、CC2530 UART串口實(shí)驗(yàn)、CC2530定時(shí)器實(shí)驗(yàn)、CC2530 AD轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)、CC2530外部中斷實(shí)驗(yàn)等等。應(yīng)用實(shí)驗(yàn)共計(jì)35個(gè)，包含：煙霧傳感器實(shí)驗(yàn)、光照傳感器實(shí)驗(yàn)、雨滴傳感器實(shí)驗(yàn)、人體感應(yīng)傳感器實(shí)驗(yàn)、火警傳感器實(shí)驗(yàn)等等。綜合實(shí)訓(xùn)實(shí)驗(yàn)共計(jì)7個(gè)，包含：物聯(lián)網(wǎng)智能家居安防綜合系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)、物聯(lián)網(wǎng)智能家居環(huán)境監(jiān)控綜合系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)、物聯(lián)網(wǎng)智能醫(yī)療應(yīng)用開發(fā)、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用之可調(diào)燈光設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、物聯(lián)網(wǎng)RFID貨柜應(yīng)用開發(fā)等等。

(2)綜合實(shí)驗(yàn)室。綜合實(shí)驗(yàn)室配置有綜合實(shí)訓(xùn)開發(fā)平臺(tái)和綜合應(yīng)用平臺(tái)。綜合實(shí)訓(xùn)開發(fā)平臺(tái)用于引導(dǎo)學(xué)生自主實(shí)踐，同時(shí)也服務(wù)于課程設(shè)計(jì)、學(xué)科競(jìng)賽，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維與工程思維。綜合應(yīng)用平臺(tái)用于引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行自主體驗(yàn)，促進(jìn)學(xué)生進(jìn)行項(xiàng)目研發(fā)。

綜合實(shí)訓(xùn)開發(fā)平臺(tái)結(jié)構(gòu)：臺(tái)體+核心網(wǎng)關(guān)+智能Wi-Fi模塊+高清網(wǎng)絡(luò)攝像頭+USB虛擬串口+相關(guān)開發(fā)工具及各種物聯(lián)網(wǎng)終端模塊。其中，智能WIFI模塊基于高通Atheros AR9331 SOC方案，支持基于linux內(nèi)核的OpenWrt路由系統(tǒng)，模塊有2個(gè)10/100Mbps支持自動(dòng)翻轉(zhuǎn)的LAN/WAN以太網(wǎng)口，支持U盤、USB轉(zhuǎn)串口、USB攝像頭、USB移動(dòng)硬盤、USB 3G/4G網(wǎng)卡、USB無線網(wǎng)卡等超多USB設(shè)備，支持IEEE802.11 b/g/n，無線速率最大150Mbps，無線傳輸距離100m以上(空曠地帶)，能夠支持路由、AP、中繼、橋接等多種工作模式。并且配置門磁、窗簾控制器、溫濕度、LED燈、煙霧、人體紅外報(bào)警等傳感器，能夠與軟件系統(tǒng)和核心網(wǎng)關(guān)配合進(jìn)行以下綜合實(shí)訓(xùn)應(yīng)用和創(chuàng)新開發(fā)。智能控制系統(tǒng)軟件，用來收集和控制系統(tǒng)內(nèi)部各傳感器的數(shù)據(jù)和視頻圖像，并通過遠(yuǎn)程的方式控制各設(shè)備的動(dòng)作。系統(tǒng)軟件采用WEB端控制方式：大量帶有如溫濕度、煙霧、人體紅外傳感器的Zigbee節(jié)點(diǎn)模塊進(jìn)行組網(wǎng)，通過Zigbee協(xié)調(diào)器把節(jié)點(diǎn)傳感器數(shù)據(jù)通過串口傳送到PC。WEB端分別顯示：數(shù)據(jù)監(jiān)控顯示、情景模式、開關(guān)控制、網(wǎng)絡(luò)連接、空調(diào)遙控、監(jiān)控視頻、報(bào)警、定時(shí)功能等。

綜合應(yīng)用平臺(tái)是根據(jù)現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行改造，并采用實(shí)物布景裝飾，主要功能有以下幾點(diǎn)：(1)家居安防：射頻門禁控制與門磁感應(yīng)，電動(dòng)窗簾控制，室內(nèi)環(huán)境監(jiān)控，溫濕度、可燃?xì)?、煙霧、光照、人體檢測(cè)、水浸、紅外柵欄、震動(dòng)、報(bào)警燈、燈光控制等功能；(2)家電控制：對(duì)常見多種紅外家電統(tǒng)一進(jìn)行遙控控制；(3)視頻監(jiān)控：實(shí)時(shí)對(duì)家居中的環(huán)境進(jìn)行本地和遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控；(4)本地監(jiān)控：兼容B/S、C/S兩套軟件架構(gòu)，不僅可以通過智能終端的觸摸顯示屏實(shí)現(xiàn)本地功能監(jiān)控、還可通過移動(dòng)手持終端客戶端訪問和遠(yuǎn)程互聯(lián)網(wǎng)WEB頁(yè)面訪問；(5)數(shù)據(jù)備份：數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)家居環(huán)境及安防報(bào)警信息進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)備份，可擴(kuò)展連接云服務(wù)器，通過云端程序進(jìn)行數(shù)據(jù)信息瀏覽與查看。

綜合應(yīng)用平臺(tái)系統(tǒng)配置

(1)ARM網(wǎng)關(guān)一個(gè)；(2)配置液晶電視、手機(jī)、平板電腦、全向紅外轉(zhuǎn)發(fā)器、報(bào)警燈、緊急按鈕、LED調(diào)光燈、人體感應(yīng)傳感器、光照傳感器、紅外柵欄傳感器、煙霧傳感器、水浸傳感器、溫濕度傳感器、可燃?xì)鈧鞲衅鳌⒄饎?dòng)傳感器、云臺(tái)攝像機(jī)、門禁攝像機(jī)、窗簾控制器、電動(dòng)窗簾、出門開關(guān)、門磁、電磁鎖、門禁卡、門禁讀卡器、無線路由等硬件。

3 物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)應(yīng)該注意的問題

3.1 與本學(xué)校人才培養(yǎng)特色相適應(yīng)

每所大學(xué)都有自身的優(yōu)勢(shì)專業(yè)，在物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)中，各個(gè)大學(xué)應(yīng)根據(jù)自身的人才培養(yǎng)特色，根據(jù)本學(xué)校物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)人才培養(yǎng)的具體目標(biāo)進(jìn)行建設(shè)[4]。

3.2 具備先進(jìn)性、開放性

物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室可面向社會(huì)開放，接待其他學(xué)校的教師和學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和科研；可以作為高校物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室解決方案的展示點(diǎn)供其他單位學(xué)習(xí)觀摩；還可以與實(shí)驗(yàn)設(shè)備供應(yīng)商合作組建物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備維護(hù)中心[5]。

3.3 物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室?guī)熧Y隊(duì)伍建設(shè)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)涉及的知識(shí)面非常寬，因此擔(dān)任單一學(xué)科的實(shí)驗(yàn)室老師是無法勝任實(shí)驗(yàn)教學(xué)指導(dǎo)和管理工作的。同時(shí)如果單獨(dú)啟用學(xué)校內(nèi)的計(jì)算機(jī)相關(guān)教育資源對(duì)學(xué)生進(jìn)行教學(xué)，其效果是不明顯的，甚至由于許多校內(nèi)教師還沒有真正地理解物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，很多教師在理論教學(xué)方面還可以勝任教學(xué)工作，但是在實(shí)踐方面卻是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足的。因此，我們應(yīng)當(dāng)聘請(qǐng)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)公司的高級(jí)工程師進(jìn)行課堂授課并且支持骨干教師參與企業(yè)項(xiàng)目合作開發(fā)，做到教學(xué)科研兩不誤。

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)現(xiàn)在高校物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)存在的問題進(jìn)行分析，結(jié)合本校物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)體會(huì)，提出了物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)應(yīng)該注意的事項(xiàng)。物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)有利于促進(jìn)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)人才的培養(yǎng)，因此，應(yīng)當(dāng)加大和普及物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)力度，使各大院校培養(yǎng)出更多具有實(shí)踐動(dòng)手能力的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)人才。