付永貴

（山西財(cái)經(jīng)大學(xué) 信息管理學(xué)院，山西 太原 030006）

基于分組教學(xué)的高校物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建研究

付永貴

（山西財(cái)經(jīng)大學(xué) 信息管理學(xué)院，山西 太原 030006）

本文針對(duì)目前物聯(lián)網(wǎng)推廣研究的現(xiàn)狀，探討了物聯(lián)網(wǎng)所涉及的技術(shù)體系，在進(jìn)行大量調(diào)研實(shí)踐的基礎(chǔ)上，提出了基于分組的高校物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的構(gòu)想，對(duì)高校物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的特點(diǎn)進(jìn)行了分析，以山西財(cái)經(jīng)大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建為實(shí)例，分析了物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室的物理架構(gòu)及各物聯(lián)網(wǎng)子系統(tǒng)所應(yīng)有的功能結(jié)構(gòu)。

高校；物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室；分組教學(xué)；架構(gòu)分析

物聯(lián)網(wǎng)是目前計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域研究的熱門(mén)課題。物聯(lián)網(wǎng)，顧名思義，就是物物相連的網(wǎng)絡(luò)，它是依托目前的計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，將其終端延伸到任何外界物體，使用傳感器、射頻識(shí)別技術(shù)、全球定位系統(tǒng)等技術(shù)實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與外界物體，外界物體之間信息互通的網(wǎng)絡(luò)，它的最大特點(diǎn)是智能化。[1]目前世界對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的研究還處在萌芽階段，自2009年8月7日溫家寶總理提出“感知中國(guó)”這一激動(dòng)人心的物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)議題以來(lái)，物聯(lián)網(wǎng)作為一個(gè)新興產(chǎn)業(yè)被正式列為我國(guó)五大新興戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)之一，并正式寫(xiě)入政府工作報(bào)告，自此物聯(lián)網(wǎng)在我國(guó)受到了極大的關(guān)注。[2]高校作為國(guó)家科學(xué)研究的基地，其得天獨(dú)厚的技術(shù)資源和科研環(huán)境為物聯(lián)網(wǎng)的研究創(chuàng)造了其他環(huán)境無(wú)法比擬的平臺(tái)。2010年6月29日全國(guó)高等院校物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)學(xué)科建設(shè)研討會(huì)勝利召開(kāi)，物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)作為一個(gè)全新學(xué)科，受到各高校的高度重視，各高校紛紛向教育部遞交開(kāi)設(shè)物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的申請(qǐng)，很多高校已經(jīng)開(kāi)設(shè)了物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的課程，著手構(gòu)建自己的物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室。

目前，各高校物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建尚處在探索階段，如何構(gòu)建功能、技術(shù)完備的物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室，有效地實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的實(shí)驗(yàn)研討，推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在全國(guó)迅速發(fā)展，成為物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建的關(guān)鍵。經(jīng)過(guò)分析，筆者認(rèn)為高校物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室的構(gòu)建與其他實(shí)驗(yàn)室的構(gòu)建有所不同，它應(yīng)該體現(xiàn)智能控制，具有分組實(shí)驗(yàn)教學(xué)的特點(diǎn)。

一、高校物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建特點(diǎn)分析

結(jié)合我國(guó)高校目前實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建的現(xiàn)實(shí)情況，高校物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建特點(diǎn)主要體現(xiàn)在：

1．體現(xiàn)分組教學(xué)的特點(diǎn)

物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)是借助網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與傳感器技術(shù)、射頻識(shí)別技術(shù)等共同來(lái)完成計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與外界物體互聯(lián)的。基于實(shí)驗(yàn)需求，物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室將建設(shè)不同的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，將參加實(shí)驗(yàn)的同學(xué)進(jìn)行分組，由不同的分組同學(xué)對(duì)不同的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，不同的同學(xué)擔(dān)任不同的實(shí)驗(yàn)角色，記錄實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)，然后輪換，一方面可以讓同學(xué)們更多地互相交流，了解物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，另一方面通過(guò)實(shí)驗(yàn)同學(xué)們可以提出對(duì)系統(tǒng)的改進(jìn)思路，促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室的進(jìn)一步建設(shè)。

2．依托嵌入式技術(shù)

目前多數(shù)開(kāi)設(shè)計(jì)算機(jī)專業(yè)的高校有自己的嵌入式實(shí)驗(yàn)室，而物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)正是嵌入式技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的結(jié)合，所以高校物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室可以依托嵌入式實(shí)驗(yàn)室來(lái)進(jìn)行建設(shè)，也就是可以在現(xiàn)有的嵌入式實(shí)驗(yàn)室基礎(chǔ)上增加相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)控制、管理、協(xié)作功能，這樣嵌入式實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)成的傳感器、示波器以及其他智能芯片設(shè)備可以得到更加充分有效的使用，大大降低實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的成本，同時(shí)教學(xué)是在學(xué)生現(xiàn)有知識(shí)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提升，便于學(xué)生掌握物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。

3．實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)接入校園網(wǎng)絡(luò)

物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室所組成的局域網(wǎng)可以很好地實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互訪，但卻不能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，而物聯(lián)網(wǎng)本身是依托互聯(lián)網(wǎng)的一個(gè)產(chǎn)物，它本身的目的是實(shí)現(xiàn)“智慧地球”，各種外界物體都可以通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)連接到一起，所以它根本的意義在于遠(yuǎn)程控制，將物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室接入校園網(wǎng)絡(luò)可以通過(guò)校園網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室的遠(yuǎn)程控制，其實(shí)驗(yàn)室建設(shè)模式將有助于物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室研究成果的延伸和在網(wǎng)絡(luò)世界的推廣使用。

4．多學(xué)科師生共同參與建設(shè)

因?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)技術(shù)是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與嵌入式技術(shù)的結(jié)合，物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)必將使用到網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、嵌入式技術(shù)、自動(dòng)化控制技術(shù)、電子電路技術(shù)等多種技術(shù)，而高校學(xué)科相對(duì)分類(lèi)較細(xì)，不同的學(xué)科具有不同的課程設(shè)置特點(diǎn)，不同學(xué)科的教師也具有不同的知識(shí)體系，所以物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)需要不同學(xué)科的教師共同參與，這樣有助于知識(shí)的整合，確保實(shí)驗(yàn)室建設(shè)功能完備，又能促進(jìn)不同學(xué)科的教師互相交流，共同提高。

5．實(shí)驗(yàn)室建設(shè)要有很強(qiáng)的擴(kuò)展性

物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的目的是為了實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)與外界物體，外界物體之間的互相連接，其根本就是任何物體通過(guò)傳感器技術(shù)、射頻技術(shù)等都可以連接起來(lái)，所以實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)要給新的物體接入物聯(lián)網(wǎng)留有足夠的接口，便于實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)功能的擴(kuò)展和延伸，達(dá)到物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室無(wú)限延伸教學(xué)的目的。

6．要有專項(xiàng)資金，專人管理

物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)需要投入大量的資金，如果沒(méi)有專項(xiàng)資金進(jìn)行投資的話容易使得實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)半途而廢或者實(shí)驗(yàn)室建設(shè)功能簡(jiǎn)單，不能很好地實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)的目的。同時(shí)因?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)是一項(xiàng)任務(wù)艱巨的工程，所以需要專人負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)過(guò)程，出現(xiàn)問(wèn)題可以及時(shí)上報(bào)，有什么建設(shè)要求也可以方便與領(lǐng)導(dǎo)及技術(shù)人員進(jìn)行溝通。

本著順應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的趨勢(shì)，提高本校專業(yè)建設(shè)水平，促進(jìn)教研共同發(fā)展，山西財(cái)經(jīng)大學(xué)組織有關(guān)教授專家進(jìn)行研討，擬構(gòu)建本校的物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室。筆者作為物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建組成人員之一，提出了山西財(cái)經(jīng)大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建的具體架構(gòu)。

二、物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建實(shí)例分析

山西財(cái)經(jīng)大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室依托現(xiàn)有嵌入式實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建，使用目前實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的ARM嵌入式系統(tǒng)、攝像頭、溫度傳感器、濕度傳感器、以太網(wǎng)通訊模組、示波器、UART模組、Zigbee模組、指紋識(shí)別模塊、紅外人體感應(yīng)器、61控制器等嵌入式設(shè)備；同時(shí)購(gòu)買(mǎi)二層交換機(jī)、三層交換機(jī)、數(shù)據(jù)接口、路由器、無(wú)線網(wǎng)卡、網(wǎng)線以及其他相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行構(gòu)建。

為了方便管理，物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室將有多個(gè)分服務(wù)器，各實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)外部設(shè)備經(jīng)由嵌入式系統(tǒng)與分服務(wù)器相連，形成各分組物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，將各分服務(wù)器與實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心服務(wù)器相連，最后實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心服務(wù)器接入校園網(wǎng)服務(wù)器陣列。

山西財(cái)經(jīng)大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室將有生物認(rèn)證系統(tǒng)、溫濕度監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、人員定位實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、氣體濃度監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、遠(yuǎn)程訪問(wèn)控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、照明燈開(kāi)關(guān)控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)等多個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)人員可以通過(guò)編寫(xiě)程序代碼控制系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。

為了實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的安全，需要對(duì)各實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)置訪問(wèn)權(quán)限，擁有權(quán)限的用戶才能對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行訪問(wèn)。實(shí)驗(yàn)室使用各分服務(wù)器是為了便于各個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可以分別管理，確保各個(gè)實(shí)驗(yàn)分組獨(dú)立運(yùn)行，避免由于服務(wù)器故障造成系統(tǒng)整體的癱瘓和系統(tǒng)訪問(wèn)混亂現(xiàn)象的發(fā)生。實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心服務(wù)器負(fù)責(zé)將外部訪問(wèn)指令傳給各分服務(wù)器及將各分服務(wù)器所連接終端設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)傳給外部訪問(wèn)用戶。

基于此，山西財(cái)經(jīng)大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室硬件網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

山西財(cái)經(jīng)大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室各子系統(tǒng)功能如下：

1．生物認(rèn)證系統(tǒng)

該系統(tǒng)可以利用人的生物特征對(duì)人的身份進(jìn)行認(rèn)證。系統(tǒng)首先通過(guò)生物傳感器采集有使用權(quán)限用戶的生物特征（手紋、臉像、虹膜），數(shù)字化后將其傳遞給服務(wù)器，由服務(wù)器對(duì)這些信息進(jìn)行保存，當(dāng)用戶要使用這一系統(tǒng)時(shí)由系統(tǒng)再次采集用戶的生物特征信息并與服務(wù)器所保存的信息進(jìn)行比對(duì)，確認(rèn)這一用戶是否是符合身份的用戶。

2．溫濕度監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

這一系統(tǒng)可以由溫濕度傳感器采集實(shí)驗(yàn)室溫濕度值，高于某一刻度的溫度或濕度系統(tǒng)會(huì)報(bào)警提示，這一實(shí)驗(yàn)的成功可以有效地幫助工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的溫濕度自動(dòng)監(jiān)測(cè)控制。

3．人員定位實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

這一系統(tǒng)可以借助攝像頭傳輸攝像信號(hào)對(duì)人員位置進(jìn)行定位，系統(tǒng)可以根據(jù)攝像信息準(zhǔn)確獲取人員的空間位置坐標(biāo)，在這一系統(tǒng)中學(xué)生可以設(shè)置不同的定位精度來(lái)獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，然后與實(shí)際的物理位置進(jìn)行比對(duì)。這一實(shí)驗(yàn)的成功有助于在生產(chǎn)實(shí)際中準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)生產(chǎn)人員所處的位置。

4．氣體濃度監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

這一系統(tǒng)可以由氣體傳感器采集氣體的濃度，將采集結(jié)果數(shù)字化后傳輸給服務(wù)器，服務(wù)器根據(jù)氣體的不同濃度值決定開(kāi)啟換氣散或關(guān)閉換氣散。這一實(shí)驗(yàn)的成功有助于實(shí)現(xiàn)智能家居和工業(yè)系統(tǒng)對(duì)生產(chǎn)場(chǎng)所有毒氣體的有效控制。

5．遠(yuǎn)程訪問(wèn)控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

這一系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程控制物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室的運(yùn)行狀態(tài)，控制物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)設(shè)備的開(kāi)關(guān)及運(yùn)行，并動(dòng)態(tài)地生成運(yùn)行數(shù)據(jù)顯示于遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)上。這一實(shí)驗(yàn)的成功有助于工業(yè)場(chǎng)所的遠(yuǎn)程生產(chǎn)控制。

6．照明燈開(kāi)關(guān)控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

這一系統(tǒng)可以通過(guò)光照傳感器感知實(shí)驗(yàn)室光照強(qiáng)度，將光照強(qiáng)度信息數(shù)字化后傳給服務(wù)器，由服務(wù)器根據(jù)采集到的光照強(qiáng)度信息決定是否開(kāi)啟照明燈，這一實(shí)驗(yàn)的成功將更加有利于現(xiàn)實(shí)生活中照明燈開(kāi)關(guān)的控制。

基于以上分析，山西財(cái)經(jīng)大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室各實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖2所示。

另外，物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室各實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)還應(yīng)該有一些其他的功能，比如對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄的功能等，便于師生進(jìn)行研討交流和對(duì)系統(tǒng)功能進(jìn)行分析改進(jìn)。

三、總結(jié)

本文提出了在教學(xué)實(shí)驗(yàn)分組的基礎(chǔ)上構(gòu)建高校物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室的構(gòu)想，對(duì)高校物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建的特點(diǎn)進(jìn)行分析，以山西財(cái)經(jīng)大學(xué)為例進(jìn)行了物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室的架構(gòu)分析和各子系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)分析。本文僅限于理論的研究和架構(gòu)的分析，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的進(jìn)一步成熟，物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室功能結(jié)構(gòu)將更加客觀和完善。

[1]百度.http://baike.baidu.com/view/2911674.htm[OL],2010-08-16.

[2]新華網(wǎng).http://news.xinhuanet.com/eworld/2010-08/04/c_12407101.htm[OL],2010-08-04.

[3]寧祥峰,張春業(yè),萬(wàn)偉,李仁波,李婧卿.基于LTE系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的研究與設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用,2010（6）.

[4]賈海林,鄭立剛,路長(zhǎng),崔志恒.實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的分析與探討[J].實(shí)驗(yàn)室科學(xué),2010（1）.

（編輯：金冉）

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1673-8454（2011）05-0063-03