李建兵，黨力明，潘向峰

(解放軍信息工程大學 信息系統(tǒng)工程學院，鄭州 450001)

近年來，物聯(lián)網(wǎng)技術和產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，在“十二五”規(guī)劃中被列為國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，這給物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的發(fā)展和建設帶來了前所未有的契機。物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)是國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)急需大力發(fā)展的電子信息類專業(yè)。教育部已經(jīng)批準開辦物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的學校第一批有37所(含傳感器網(wǎng)絡專業(yè))，第二批又有27所，而依托其他專業(yè)開辦物聯(lián)網(wǎng)方向的學校則更多［1－2］。

隨著高校物聯(lián)網(wǎng)及物聯(lián)網(wǎng)方向專業(yè)的大量開設，物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)實驗室的建設需求也越來越迫切。近兩年招錄的物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)學生即將完成基礎課的學習，開始學習物聯(lián)網(wǎng)方向的專業(yè)課，物聯(lián)網(wǎng)實驗室也要求盡快投入使用。因此，短期內將有大量資金投入物聯(lián)網(wǎng)實驗室的建設，給教學儀器設備行業(yè)帶來了巨大的新興市場。但是，物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)是一門綜合性的新興學科，學科專業(yè)建設問題尚在探討和摸索之中，其實驗室的建設方案問題更需慎重考慮，否則將導致大量資金的浪費。

物聯(lián)網(wǎng)實訓系統(tǒng)是專業(yè)實驗室建設中最為關鍵的部分。本文針對物聯(lián)網(wǎng)實訓系統(tǒng)的建設問題進行探討和分析，以期對物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的學科建設提供參考。

1 現(xiàn)狀分析

正當眾多高校為物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的建設和發(fā)展進行探討和爭論的時候，很多原本從事嵌入式系統(tǒng)及其相關行業(yè)的教學儀器設備企業(yè)，為了盡早搶占物聯(lián)網(wǎng)實驗設備市場，在嵌入式系統(tǒng)試驗箱基礎上進行改進，增強其無線傳輸功能，然后貼上物聯(lián)網(wǎng)的標簽，即投入市場宣傳，并稱其為“物聯(lián)網(wǎng)實訓系統(tǒng)”。

縱觀現(xiàn)有的物聯(lián)網(wǎng)實訓系統(tǒng)，其系統(tǒng)結構和基本功能大體相同，如圖1所示。其核心電路為基于ARM芯片的嵌入式主板，作為物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)關。主板提供各種連接端口，如USB接口、串口、網(wǎng)絡接口和無線通信擴展等。主板上集成了 Zigbee、Bluetooth、WIFI、GPRS等無線通信模塊，配上對應的終端模塊，即可實現(xiàn)無線通信和簡單的組網(wǎng)。主板還可連接RFID讀卡器，可以讀取有源和無源RFID卡信息。所有硬件可以放置在一個實驗箱內。

圖1 現(xiàn)有的物聯(lián)網(wǎng)實訓系統(tǒng)結構

與該實訓系統(tǒng)配套，還需要一臺主機，提供系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境和系統(tǒng)監(jiān)控程序。主機與網(wǎng)關相連，可以通過監(jiān)控軟件實時監(jiān)控無線通信狀況，并在主機顯示屏上實時顯示。系統(tǒng)還提供系統(tǒng)開發(fā)的例程，學習者只需在該程序基礎上做少許修改即可進行不同功能的實驗［3－4］。

這類產(chǎn)品具有初步的物聯(lián)網(wǎng)實訓功能，在目前物聯(lián)網(wǎng)課程建設還不成熟、不規(guī)范的條件下，盡快拿出一種實訓系統(tǒng)的實物，具有一定的積極意義。但該系統(tǒng)作為物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)實驗的核心設備還存在很多不足，分析如下。

1.1 該系統(tǒng)涵蓋的物聯(lián)網(wǎng)技術內容過少

這種系統(tǒng)結構嚴格來說屬嵌入式無線傳感網(wǎng)的一部分，基本上只涵蓋了物聯(lián)網(wǎng)傳輸層的部分內容。物聯(lián)網(wǎng)的應用目前還主要集中在無線傳感網(wǎng)方面，所以該系統(tǒng)有一定的實用性和積極意義。但是，將其稱為物聯(lián)網(wǎng)實訓系統(tǒng)是不規(guī)范的，因為真正意義上的物聯(lián)網(wǎng)遠遠不只這些，特別是傳感層和應用層在這里得不到明顯的體現(xiàn)。該系統(tǒng)很容易讓學生產(chǎn)生一種誤解，認為物聯(lián)網(wǎng)就是如圖1所示的系統(tǒng)，使學生對物聯(lián)網(wǎng)的認識產(chǎn)生偏差和局限。

另外，該系統(tǒng)的主體是嵌入式系統(tǒng)平臺，讓人感覺物聯(lián)網(wǎng)一定要在嵌入式系統(tǒng)上實現(xiàn)。實際上，即使是在傳輸層，嵌入式系統(tǒng)板也不是必備設備。比如在物流系統(tǒng)中，完全可以用主機直接與通信模塊相連，而主機的功能和成本都遠低于嵌入式系統(tǒng)。對于信息量處理較少的應用，甚至只需要一個普通的單片機最小系統(tǒng)即可。

作為物聯(lián)網(wǎng)實訓系統(tǒng)，應該讓學生全面認識和理解物聯(lián)網(wǎng)，該系統(tǒng)顯然在這方面存在嚴重不足。

1.2 無法滿足不同層次、不同專業(yè)學生的需要

不同層次的學生對掌握物聯(lián)網(wǎng)知識和技能的要求不一樣。一般來說，中職學生主要突出其應用技能，高職學生要求其具有一定的組裝、配置和維護能力，本科生以上則應具有一定的設計開發(fā)能力。而圖1所示的實訓系統(tǒng)無法體現(xiàn)出不同層次的教學要求。

物聯(lián)網(wǎng)是一個綜合性很強的學科，涉及的知識面非常廣，應用領域也非常多。一個學校的物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)在教學中不可能面面俱到，而應該對本專業(yè)的內容有所側重。比如，物流行業(yè)的學校就應該多訓練物流方面的應用系統(tǒng)。而圖1所示的物聯(lián)網(wǎng)實訓系統(tǒng)無法體現(xiàn)出專業(yè)特色。

因此，對不同層次和不同專業(yè)的學生，物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)實訓系統(tǒng)應該是有所區(qū)別的，至少應該能根據(jù)不同要求進行配置?，F(xiàn)有的物聯(lián)網(wǎng)實訓系統(tǒng)顯然不能滿足這個要求。

1.3 硬件實訓功能不足

該系統(tǒng)主要集中在軟件的實訓上，如軟件的下載和調試等。而硬件都是設計調試好的，幾乎無法進行更改和配置，不便于學生認識和理解其硬件組成。特別是試驗箱的系統(tǒng)結構，嚴重限制了學生的實踐能力和創(chuàng)新能力的發(fā)揮。學生在現(xiàn)有的硬件條件下可以完成軟件的設計和實訓，而到實際應用領域，換成一個全新的硬件平臺和環(huán)境，可能會不知所措。本系統(tǒng)在硬件實訓方面明顯顯得不足。

因此，在進行物聯(lián)網(wǎng)實驗室的建設過程中，要根據(jù)學生的層次和專業(yè)情況，進行合理的設計，其功能絕不是一個“萬能實驗箱”就能完成的。圖1所示的物聯(lián)網(wǎng)實訓系統(tǒng)是企業(yè)為搶占市場而倉促推出的產(chǎn)品，在功能設計上缺乏院校的參與，無法滿足院校物聯(lián)網(wǎng)教學的實際需要。

2 功能需求分析

實驗室建設的投入一般都較大，在建設初期就應該進行完整的需求分析和設計論證，不能盲目上馬。作為物聯(lián)網(wǎng)實驗室的核心設備，物聯(lián)網(wǎng)實訓系統(tǒng)一般應該具備以下功能。

1)配合物聯(lián)網(wǎng)相關課程教學，開展演示性實驗和初步的實踐，使學生加強對所學課程內容的理解，類似于電子技術類課程的演示實驗。

2)為學生進行物聯(lián)網(wǎng)相關的創(chuàng)新活動、學科競賽和畢業(yè)設計等提供開發(fā)和學習的系統(tǒng)平臺，類似于創(chuàng)新實驗室。

3)為高校教師進行物聯(lián)網(wǎng)技術相關的科學研究提供開發(fā)測試平臺。

對不同層次和不同專業(yè)的學校而言，物聯(lián)網(wǎng)實訓系統(tǒng)的具體功能和要求也不盡相同。大體上應遵循以下原則:

1)對于中職及以下的學生，主要突出應用技能，所以物聯(lián)網(wǎng)實訓系統(tǒng)應該是一個已經(jīng)組裝設計好的模擬系統(tǒng)。比如，對于物流專業(yè)的學生，可以做一個模擬實際物流的實訓演示系統(tǒng)，要求學生熟悉該系統(tǒng)的組成構架，并練習每個環(huán)節(jié)的操作使用，能進行故障檢測和基本的故障維修。

2)對于高職及優(yōu)秀的中職學生，應具備一定的設計技能。要求熟悉本專業(yè)領域物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)的基本操作，對系統(tǒng)結構要非常熟悉，能利用成熟的產(chǎn)品模塊搭建和調試一個完整的物聯(lián)網(wǎng)應用系統(tǒng)，不涉及模塊內部的故障檢測和維修。所以應該給學生提供組成物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的基礎模塊，包括硬件模塊和軟件模塊，讓學生進行系統(tǒng)設計和模塊組裝訓練。

3)對于本科及優(yōu)秀的高職學生，要求學生具有基本的開發(fā)能力，能對組成物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的各軟硬件模塊進行配置和修改設計。特別是進行應用軟件模塊的設計。

4)對于研究生及優(yōu)秀的本科生，以及從事物聯(lián)網(wǎng)研發(fā)的教師，要求能從底層進行物聯(lián)網(wǎng)應用系統(tǒng)的開發(fā)。本系統(tǒng)應該提供一個核心的系統(tǒng)開發(fā)平臺和開發(fā)調試的環(huán)境，配備必要的組件供選擇和使用。

因此，物聯(lián)網(wǎng)實訓系統(tǒng)涉及的知識和應用非常廣泛，絕不是一個小小的“萬能實驗箱”就能完成的。我們應該提供從底層核心部分，到各模塊，再到一個完整的模擬系統(tǒng)的一整套軟硬件資源，再根據(jù)不同專業(yè)和不同層次的學生進行量身打造。這樣才能使物聯(lián)網(wǎng)實訓系統(tǒng)具有較為完善的功能。

3 物聯(lián)網(wǎng)實訓系統(tǒng)的構成

一套完整的物聯(lián)網(wǎng)實訓系統(tǒng)至少應該包括以下方面。

3.1 嵌入式系統(tǒng)板

嵌入式系統(tǒng)板功能強大，設計靈活，可以在很多物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中得到應用。圖1所示的網(wǎng)關就是典型的嵌入式系統(tǒng)應用平臺，通常是以ARM芯片為核心的嵌入式系統(tǒng)板。

作為物聯(lián)網(wǎng)實訓系統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)板應該具有更好的通用性和可擴展性。硬件上，應該預留滿足不同應用需求的足夠多的擴展接口，如傳感器接口、讀寫設備接口、操控指示設備(如鍵盤、指示燈、蜂鳴器等)接口等。軟件方面包括系統(tǒng)板各硬件所需的驅動程序、操作系統(tǒng)和控制操作的應用程序。各軟硬件模塊應該具有可重組和可配置的特性，特別是各硬件模塊最好不要固定在主板上，而應具有靈活的插拔結構。

3.2 物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)所需的硬件模塊

包括:通信模塊(包括 Zigbee、Bluetooth、WIFI、GPRS、3G等通信收發(fā)模塊)、RFID模塊(包括各種形式的有源及無源標簽，讀卡器等)、GPS模塊、顯示屏、攝像頭、麥克風、各類傳感器(如溫度傳感器、濕度傳感器、壓力傳感器、光譜氣體傳感器等)……很多硬件單元模塊是通用產(chǎn)品，可以直接購買，不需要單獨研發(fā)。

3.3 系統(tǒng)開發(fā)套件

包括主機、開發(fā)環(huán)境(如IAR系統(tǒng))、仿真器等。

3.4 應用軟件

屬應用層內容，包括通用的監(jiān)控軟件和針對具體應用需求的實際操作模擬軟件。

3.5 學習配套教材

包括實驗指導書、物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)開發(fā)PPT和模擬實訓系統(tǒng)軟件等。

以上各類設備應該根據(jù)學生的學歷層次和專業(yè)方向來選擇和配置。此外，通用實驗設備如主機、工作臺、電子儀器和硬件電路焊接調試設備等，也是物聯(lián)網(wǎng)實驗室的必備元素。

4 研究基礎

根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)相關的教學和科研需要，我們自主開發(fā)了物聯(lián)網(wǎng)實訓所需的部分電路，并已經(jīng)成功應用于學生科技創(chuàng)新活動，教學效果良好?，F(xiàn)介紹兩個應用實例，即GPS信息無線傳輸系統(tǒng)和嵌入式物聯(lián)網(wǎng)核心系統(tǒng)開發(fā)平臺。

4.1 GPS信息無線傳輸系統(tǒng)

該系統(tǒng)結構如圖2所示。這是一個典型的無需嵌入式系統(tǒng)主板的物聯(lián)網(wǎng)應用實例。GPS信號通過天線接收下來后，通過單片機進行信號處理，然后通過Zigbee通信模塊發(fā)送，Zigbee接收模塊接收到信號后，再通過一個單片機電路對信號進行處理和顯示，也可以直接通過串口傳輸?shù)接嬎銠C，在計算機中進行信號的處理和顯示(如將坐標在地圖上顯示)。

圖2 GPS信息無線傳輸系統(tǒng)示意圖

本系統(tǒng)沒有做成現(xiàn)成的電路模塊，而是讓學生通過多功能板進行焊接、組裝和調試，以便加深對無線通信電路的調試能力。部分實驗電路如圖3所示。

圖3 GPS信息無線傳輸系統(tǒng)部分實驗電路

4.2 嵌入式物聯(lián)網(wǎng)核心系統(tǒng)開發(fā)平臺

系統(tǒng)框圖如圖4所示，它是基于ARM處理器S3C2410/2440的物聯(lián)網(wǎng)核心系統(tǒng)開發(fā)平臺，由核心板模塊、擴展板模塊和LCD板模塊三部分組成，具備了圖1所示系統(tǒng)的大部分功能，并且其功能、通用性能和可擴展性均較強。

圖4 嵌入式物聯(lián)網(wǎng)核心系統(tǒng)開發(fā)平臺結構

其中，核心板構成硬件的最小系統(tǒng)，由微處理器(S3C2410/2440)、程序存儲器(FLASH)、數(shù)據(jù)存儲器(SDRAM)以及文件存儲器(NAND FLASH)等組成。擴展板集成有以太網(wǎng)控制器、音頻接口、USB主從接口、SD卡接口、LCD接口、鍵盤、UART串行口、觸摸屏接口、蜂鳴器、ADC驗證功能單元等模塊。同時，擴展板還提供了兩個擴展接口，方便用戶實現(xiàn)功能的擴展。

圖5 嵌入式物聯(lián)網(wǎng)核心系統(tǒng)開發(fā)平臺電路板

該系統(tǒng)的實物如圖5所示，由優(yōu)秀的本科學生焊接和調試大部分硬件電路，并編寫和燒錄硬件驅動程序，使其加強對硬件的理解和認識。更多的軟件設計均是在熟悉硬件結構基礎上進行的。系統(tǒng)板并沒有做成試驗箱的封閉形式，更能加強實訓效果。

5 結束語

針對物聯(lián)網(wǎng)實訓系統(tǒng)的建設問題進行了探討和分析。介紹了物聯(lián)網(wǎng)實訓系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀及其存在的不足，探討了該系統(tǒng)所應具備的基本功能，提出了組成物聯(lián)網(wǎng)實訓系統(tǒng)的軟硬件模塊系統(tǒng)構成，最后，介紹了物聯(lián)網(wǎng)實訓系統(tǒng)建設的初步研究成果。希望本文的分析能對物聯(lián)網(wǎng)實訓系統(tǒng)的建設提供參考。

［1］王志良，王粉花.物聯(lián)網(wǎng)工程概論［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2011.

［2］賈靈，王薪宇，鄭淑軍.物聯(lián)網(wǎng)/無線傳感網(wǎng)原理與實踐［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2011.

［3］物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)設計平臺實驗指導書［M］.北京:凌陽科技大學計劃，2012.

［4］物聯(lián)網(wǎng)教學系統(tǒng)實驗指導書［M］.北京:博創(chuàng)科技，2012.