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        高職物聯(lián)網(wǎng)通信方向技能體系及培訓(xùn)方案研究

        2015-02-25 02:03:22黃艷華
        關(guān)鍵詞:網(wǎng)關(guān)嵌入式聯(lián)網(wǎng)

        季 峰,黃艷華,虞 滄

        (武漢職業(yè)技術(shù)學(xué)院,武漢 430074)

        高職物聯(lián)網(wǎng)通信方向技能體系及培訓(xùn)方案研究

        季 峰,黃艷華,虞 滄

        (武漢職業(yè)技術(shù)學(xué)院,武漢 430074)

        闡述了物聯(lián)網(wǎng)的含義及其組成架構(gòu),分析了高職通信技術(shù)專業(yè)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的作用,并對(duì)物聯(lián)網(wǎng)通信方向的技能構(gòu)成體系,及體系中各種技能的要求進(jìn)行了逐個(gè)分析,從物聯(lián)網(wǎng)通信方向技能實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的構(gòu)建和核心培訓(xùn)課程的教學(xué)設(shè)計(jì)及實(shí)施2個(gè)方面,論述了物聯(lián)網(wǎng)通信方向技能培訓(xùn)方案。

        物聯(lián)網(wǎng);高職通信專業(yè);培訓(xùn)體系;技能分析;實(shí)訓(xùn)平臺(tái);核心課程

        0 前言

        近幾年,世界范圍的物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)正在興起,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已廣泛應(yīng)用于智慧交通、環(huán)境保護(hù)、政府工作、公共安全、平安家居、智慧消防、工業(yè)監(jiān)測(cè)、老人護(hù)理、個(gè)人健康、花卉栽培、水系監(jiān)測(cè)、食品溯源、敵情偵查和情報(bào)搜集等多個(gè)領(lǐng)域。物聯(lián)網(wǎng)使得信息的交換和物品的管理更加智能、便捷,從而節(jié)省了大量的人力資源,提高了管理效率和經(jīng)濟(jì)效益[1]。據(jù)東方財(cái)富網(wǎng)報(bào)道,我國物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展迅速,2010年我國物聯(lián)網(wǎng)的總產(chǎn)值約1 900億,2012年超過了3 600億,年增速接近40%。預(yù)計(jì)未來10年,全球物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)值將達(dá)到14億美元[2],因而,物聯(lián)網(wǎng)已受到世界各國的廣泛關(guān)注,并成為最具發(fā)展?jié)摿Φ漠a(chǎn)業(yè)之一。毋庸置疑,對(duì)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)所需人才的培養(yǎng)將成為高職院校必將關(guān)注的重要課題之一。本文正是筆者就高職物聯(lián)網(wǎng)通信方向技能培訓(xùn)體系所做的研究的含義。

        1 物聯(lián)網(wǎng)含義與高職通信技術(shù)專業(yè)

        1.1 物聯(lián)網(wǎng)的含義

        物聯(lián)網(wǎng)是信息技術(shù)發(fā)展的結(jié)果,它是利用傳感器、RFID實(shí)現(xiàn)環(huán)境信息采集與物品識(shí)別,并通過互聯(lián)網(wǎng)傳輸這些信息,從而實(shí)現(xiàn)信息共享的技術(shù)??梢哉J(rèn)為物聯(lián)網(wǎng)是在現(xiàn)代信息技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,現(xiàn)有信息技術(shù)的發(fā)達(dá)程度直接影響到物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展程度[3]。

        物聯(lián)網(wǎng)有四層架構(gòu)組成,分別是感知層、網(wǎng)絡(luò)層、服務(wù)層和應(yīng)用層。感知層是由傳感節(jié)點(diǎn)、RFID標(biāo)簽等組成,主要功能是物品識(shí)別和信息采集;網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)信息的傳輸,包括互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)通信網(wǎng)、短距離無線網(wǎng)絡(luò)、信息網(wǎng)管中心等;服務(wù)層是把底層采集的數(shù)據(jù)信息與業(yè)務(wù)需求對(duì)應(yīng)起來,形成實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)的數(shù)據(jù)資源庫,即提供信息檢索源;應(yīng)用層則是向用戶提供所需要的物品流通信息、環(huán)境信息等,是直接向用戶提供服務(wù)的層面。可以認(rèn)為物聯(lián)網(wǎng)是計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子科學(xué)技術(shù)、通信技術(shù)、軟件工程、控制系統(tǒng)、管理工程等多個(gè)學(xué)科的交織融合,整個(gè)知識(shí)、技能體系十分龐大,單個(gè)人很難掌握所有的技術(shù),因而,物聯(lián)網(wǎng)人才的培養(yǎng)應(yīng)根據(jù)上述四層架構(gòu)中的某個(gè)方向進(jìn)行。

        1.2 高職通信技術(shù)專業(yè)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的作用

        從對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的論述中可以明顯地認(rèn)識(shí)到,物聯(lián)網(wǎng)離開通信技術(shù)可謂寸步難行,當(dāng)然,物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)離不開通信技術(shù)人才,而這些人才可通過高職通信技術(shù)專業(yè)來培養(yǎng)。高職通信技術(shù)專業(yè)是培養(yǎng)生產(chǎn)、建設(shè)、管理、服務(wù)等第一線的從事通信崗位的高素質(zhì)技能型人才。所培養(yǎng)的人才可從事通信網(wǎng)施工、通信設(shè)備運(yùn)行維護(hù)、通信終端檢修、網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化等工作。結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)的組成架構(gòu),通信專業(yè)可以為物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)培養(yǎng)網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目規(guī)劃、施工管理、設(shè)備安裝調(diào)試、運(yùn)行維護(hù)等方面的技術(shù)技能型人才,即物聯(lián)網(wǎng)通信方向的人才。

        2 高職物聯(lián)網(wǎng)通信方向技能體系

        2.1 物流通信方向技能體系構(gòu)成

        物聯(lián)網(wǎng)通信方向的人才主要是解決數(shù)據(jù)傳輸環(huán)節(jié)的問題[4],因而高職院校培養(yǎng)的物聯(lián)網(wǎng)通信方向的應(yīng)用型人才應(yīng)掌握網(wǎng)絡(luò)和通信知識(shí),能組建、調(diào)試、運(yùn)行和維護(hù)有線和無線網(wǎng)絡(luò),了解傳感器知識(shí)和RFID識(shí)別技術(shù)。高職教育是面向崗位群的,其能力培養(yǎng)應(yīng)以崗位群所要求的技術(shù)技能為基礎(chǔ),物聯(lián)網(wǎng)在通信方向的崗位群所要求的技術(shù)技能如圖1所示。

        圖1 物聯(lián)網(wǎng)通信方向崗位群技能體系構(gòu)成圖Fig.1 Internet of Things communication direction post groups skill system constitute

        2.2 物流通信方向技能要求分析

        在物聯(lián)網(wǎng)通信方向技能體系中,Zigbee是重要的無線傳輸技術(shù)之一,它是一組基于IEEE批準(zhǔn)通過的802.15.4無線標(biāo)準(zhǔn)而研制、開發(fā)的有關(guān)組網(wǎng)、安全和應(yīng)用軟件方面的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[5],主要定義了網(wǎng)絡(luò)層、安全層、應(yīng)用層。是介于標(biāo)記技術(shù)和藍(lán)牙技術(shù)之間的近距離(10~100m)、低速率(20~250 kbps)、低功耗雙向無線通信技術(shù),在遠(yuǎn)程控制、遠(yuǎn)端信息采集等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

        藍(lán)牙技術(shù)采用的是時(shí)分雙工傳輸方案,工作頻段無需許可(我國的頻段為2.4GHz~2.4835GHz),藍(lán)牙模塊功耗低,且每個(gè)藍(lán)牙設(shè)備都有一個(gè)唯一的地址空間,可向短距離數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)、語音業(yè)務(wù)提供技術(shù)方案。

        WiFi無線通信會(huì)在信號(hào)較弱或有干擾的情況下自動(dòng)調(diào)整帶寬,從而保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕瑐鬏斔俾首罡呖蛇_(dá)11Mbps,在開闊空間的傳輸距離約為300 m,封閉區(qū)域的通信距離為76~122m[6],可為手提電腦、便攜式終端等提供無線接入。WiFi技術(shù)和嵌入式技術(shù)的結(jié)合,能夠解決物聯(lián)網(wǎng)手持終端無線接入問題。

        物品的實(shí)時(shí)定位和跟蹤是物聯(lián)網(wǎng)的重要功能之一,因此GPS也是不可缺少的技術(shù)。

        作為第二代和第三代移動(dòng)通信的GPRS和3G技術(shù)能為物聯(lián)網(wǎng)提供公網(wǎng)無線接入方式,可使遠(yuǎn)端無線手持終端(如手機(jī)等)通過GPRS或3G實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

        除無線公網(wǎng)接入方式外,有線局域網(wǎng)的組建以及互聯(lián)網(wǎng)的使用,能把由各種無線技術(shù)收集到的數(shù)據(jù)信息和控制信號(hào)經(jīng)有線局域網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)傳向遠(yuǎn)端用戶或處理中心。無線網(wǎng)絡(luò)間以及無線網(wǎng)絡(luò)和有線網(wǎng)絡(luò)間所使用的通信協(xié)議不同,不能直接進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,需要網(wǎng)關(guān)對(duì)不同的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行管理,因而學(xué)生需具備嵌入式技術(shù)知識(shí)。

        傳感節(jié)點(diǎn)是在微處理器的控制下工作,對(duì)功能簡單的傳感節(jié)點(diǎn)可采用單片機(jī)控制,所以增加單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)也是必要的。物聯(lián)網(wǎng)無論采用自組織方式,還是采用公網(wǎng)接入方式,都需要通過尋址方式進(jìn)行通信。目前,在互聯(lián)網(wǎng)中使用較廣泛的尋址方式是IPv4尋址體系,但是隨著物聯(lián)網(wǎng)的廣泛應(yīng)用,IPv4的地址空間將枯竭,擁有更加豐富地址資源的IPv6將成為解決上述問題的有效辦法,因而需要進(jìn)行有關(guān)IPv6的知識(shí)培訓(xùn)。物聯(lián)網(wǎng)通信人才在掌握網(wǎng)絡(luò)技能的同時(shí),還應(yīng)該了解感知層的知識(shí),在技能體系中增加了適當(dāng)?shù)腞FID和傳感器知識(shí)。

        3 物聯(lián)網(wǎng)通信方向技能培訓(xùn)方案

        3.1 構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)通信方向技能實(shí)訓(xùn)平臺(tái)

        高職物聯(lián)網(wǎng)人才的培養(yǎng)需要物聯(lián)網(wǎng)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的支持,實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的建設(shè)是改善教學(xué)條件、改進(jìn)教學(xué)方法、提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的關(guān)鍵。下面以武漢職業(yè)技術(shù)學(xué)院在這方面的實(shí)踐為例,探索物聯(lián)網(wǎng)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)構(gòu)建與典型課程教學(xué)設(shè)計(jì)。根據(jù)上述培訓(xùn)體系中的技能要求,在中央財(cái)政專項(xiàng)資金的資助下,武漢職業(yè)技術(shù)學(xué)院相關(guān)專業(yè)教學(xué)團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)出了物聯(lián)網(wǎng)通信方向?qū)嵱?xùn)平臺(tái)的建設(shè)方案,并委托專業(yè)公司制備了實(shí)訓(xùn)平臺(tái),該平臺(tái)呈現(xiàn)為網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),如圖2所示。

        該平臺(tái)建設(shè)的出發(fā)點(diǎn)是為了促進(jìn)學(xué)生職業(yè)能力的形成,立足點(diǎn)是知識(shí)、技能的實(shí)踐運(yùn)用,即借助該平臺(tái)把所學(xué)技術(shù)知識(shí)、崗位技能、工作場(chǎng)景呈現(xiàn)出來,為崗位實(shí)訓(xùn)、工學(xué)結(jié)合[7-8]、任務(wù)驅(qū)動(dòng)[9]、工作情景等教學(xué)方法的實(shí)踐提供硬件基礎(chǔ)。根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)通信方向的崗位需求和教學(xué)安排,該實(shí)訓(xùn)平臺(tái)包含了Zigbee、WiFi、IPV6、藍(lán)牙等無線網(wǎng)絡(luò)模塊,能夠?qū)崿F(xiàn)同構(gòu)網(wǎng)的組建。網(wǎng)關(guān)是物聯(lián)網(wǎng)中的重要設(shè)備,因而在實(shí)訓(xùn)平臺(tái)中應(yīng)包含網(wǎng)關(guān)設(shè)備,并要求網(wǎng)關(guān)具有廣泛的接入能力、管理能力和協(xié)議轉(zhuǎn)換能力,能夠?qū)崿F(xiàn)不同類型傳感網(wǎng)、傳感網(wǎng)與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖、物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖(互聯(lián)網(wǎng)、3G、GPRS等網(wǎng)絡(luò))之間的互聯(lián)互通。可以看出網(wǎng)關(guān)是網(wǎng)絡(luò)組建的紐帶,是實(shí)現(xiàn)信息遠(yuǎn)程傳輸和控制的關(guān)鍵,該平臺(tái)網(wǎng)關(guān)的控制硬件采用了性能強(qiáng)大的ARM Cortex A8微處理器,操作系統(tǒng)選擇應(yīng)用廣泛的Linux系統(tǒng)。

        圖2 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖Fig.2 Internet of Things network Topology

        3.2 核心培訓(xùn)課程的教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)施

        實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的建設(shè)除了硬件設(shè)備和相應(yīng)的開發(fā)、學(xué)習(xí)軟件外,合理地安排教學(xué)內(nèi)容,把這些設(shè)備投入到教學(xué)實(shí)踐中,充分發(fā)揮實(shí)訓(xùn)平臺(tái)在人才培養(yǎng)過程中的作用是實(shí)訓(xùn)平臺(tái)建設(shè)的關(guān)鍵,也是實(shí)訓(xùn)平臺(tái)建設(shè)的最終目的。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)是物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的重要組成部分,通常采用嵌入式技術(shù),因而圖1中的《嵌入式網(wǎng)關(guān)技術(shù)》應(yīng)該是物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)方向的核心課程。由于在不同層次的教育中(如研究生、本科生、??粕┚小扒度胧健闭n程,且把握好高職層面物聯(lián)網(wǎng)方向該課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)深度和教學(xué)方法是一個(gè)值得探討的問題,所以該課程的教學(xué)具有一定的代表性。在高職教育中,《嵌入式網(wǎng)關(guān)技術(shù)》的學(xué)習(xí)是為了培養(yǎng)技術(shù)技能型人才,不需要所培養(yǎng)的人才具備較強(qiáng)的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)研發(fā)能力,但應(yīng)了解網(wǎng)關(guān)的基本結(jié)構(gòu),了解嵌入式系統(tǒng)的通信過程,能夠利用嵌入式開發(fā)工具修改程序中的一些參數(shù)和代碼,從而順利完成組網(wǎng)、故障排查、程序與網(wǎng)絡(luò)升級(jí)等任務(wù)?;谝陨戏治?,該課程的主要內(nèi)容有:(1)嵌入式開發(fā)環(huán)境的搭建。知識(shí)點(diǎn):會(huì)在Windows系統(tǒng)下安裝VM虛擬機(jī),并在虛擬機(jī)上安裝Ubuntu系統(tǒng),了解物理機(jī)和虛擬機(jī)的區(qū)別。(2)Linux操作系統(tǒng)。知識(shí)點(diǎn):了解Linux操作系統(tǒng)的特點(diǎn)和結(jié)構(gòu),會(huì)使用Linux操作系統(tǒng)的常用命令,逐步培養(yǎng)起采用命令使用操作系統(tǒng)的習(xí)慣。(3)Linux下基本程序開發(fā)工具的使用。知識(shí)點(diǎn):掌握vi編輯器、gcc命令、arm-linux-gcc命令、makefile文件的使用方法,能夠采用vi編輯器編寫一個(gè)簡短的c語言程序,了解交叉編譯的概念,能夠編譯編寫的程序,并分別在虛擬機(jī)和ARM嵌入式系統(tǒng)上運(yùn)行編譯后的可執(zhí)行程序。(4)Linux基本應(yīng)用程序。知識(shí)點(diǎn):了解Linux中進(jìn)程、線程的概念和在程序中的作用,知道進(jìn)程和線程的創(chuàng)建方法;掌握Contex A8定時(shí)器的使用方法。(5)嵌入式網(wǎng)關(guān)的通信。知識(shí)點(diǎn):掌握Socket套接字的使用方法,以及TCP/UDP的通信過程;Contex A8串口通信;Contex A8與低功耗WiFi的通信;Contex A8與Zigbee協(xié)調(diào)器的通信;Contex A8與藍(lán)牙模塊的通信。(6)圖像化界面。知識(shí)點(diǎn):掌握Linux下Qt的使用方法和開發(fā)過程,了解Qt下串口通信、Qt下Zigbee節(jié)點(diǎn)使用、Qt下藍(lán)牙模塊使用的方法。其中第(1)、(2)、(3)部分適合采用“演示教學(xué)法”,第(4)、(5)、(6)部分適合采用“教、學(xué)、做一體化教學(xué)法”,在所有內(nèi)容的學(xué)習(xí)過程中,可把“任務(wù)驅(qū)動(dòng)”作為一種練習(xí)方式,即在知識(shí)點(diǎn)學(xué)習(xí)完成后,安排適當(dāng)?shù)娜蝿?wù),通過任務(wù)的完成,加深學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解和技能的掌握。

        該教學(xué)設(shè)計(jì)實(shí)施中應(yīng)注意的事項(xiàng)。(1)在上述教學(xué)中,側(cè)重實(shí)踐教學(xué),理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)的學(xué)時(shí)分配比例為3∶5,總課時(shí)為80。(2)在通信網(wǎng)絡(luò)中,除上述幾種通信網(wǎng)拓?fù)潢P(guān)系外,還有網(wǎng)狀通信網(wǎng),考慮到網(wǎng)狀通信網(wǎng)較復(fù)雜,可安排有能力的學(xué)生作為拓展部分學(xué)習(xí)。(3)考核原則:強(qiáng)調(diào)目標(biāo)評(píng)價(jià)和理論與實(shí)踐一體化評(píng)價(jià),突出實(shí)訓(xùn)過程評(píng)價(jià);結(jié)合實(shí)訓(xùn)現(xiàn)場(chǎng)及課后技術(shù)文檔的整理,對(duì)學(xué)習(xí)效果進(jìn)行綜合評(píng)估,并據(jù)此改進(jìn)教學(xué)。

        武漢職業(yè)技術(shù)學(xué)院已將該技能培訓(xùn)體系通過兩屆學(xué)生進(jìn)行了教學(xué)實(shí)踐,實(shí)踐證明,該體系所含的知識(shí)和技術(shù)適合于培養(yǎng)高職物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)方向的人才。教師在教學(xué)中可根據(jù)教學(xué)需要,把理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)有效地結(jié)合起來,采用一些更有利于學(xué)生理解知識(shí)和掌握技能的教學(xué)方法。這些措施的實(shí)施有利于調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性、思維的活躍性,有利于學(xué)生掌握本專業(yè)方向所應(yīng)具備的知識(shí)和技能。

        4 總結(jié)

        物聯(lián)網(wǎng)將影響到生產(chǎn)、生活的方方面面,使信息的交流更加便捷,節(jié)約了人力資源,提高了管理效率和經(jīng)濟(jì)效益,物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展將對(duì)高技能應(yīng)用型人才提出更大的需求。本文結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成和高職通信專業(yè)的特點(diǎn),分析了通信專業(yè)所培養(yǎng)的物聯(lián)網(wǎng)方面的人才應(yīng)具備的技能,給出了物聯(lián)網(wǎng)通信方向的知識(shí)結(jié)構(gòu)和實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的建設(shè)方案,由此形成了技能培訓(xùn)體系,并付諸實(shí)踐。

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        [責(zé)任編輯 樊建科]

        Research on High Vocational Internet of Things Communication Direction Skill System and Training Scheme

        JI Feng,HUANG Yanhua,YU Cang
        (Wuhan Polytechnic,Wuhan 430074,Hubei,China)

        It states the implication and constitute of Internet of Things,analyzes the function of higher vocational communication specialty to Internet of Things industry,the constitute system of Internet of Things communication direction skill,the requirement of every skill.From the establishment of Things communication direction skill training platform and the design and implement of core curriculum,it also discusses the Things communication direction skill training scheme.

        Internet of Things;higher vocational communication specialty;training system;skill analysis; training platform;core curriculum

        TP393

        A

        1008-486X(2014)04-0059-03

        2014-05-06

        湖北省教育科學(xué)“十二五”規(guī)劃課題:通訊專業(yè)“物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用實(shí)訓(xùn)平臺(tái)”建設(shè)與工學(xué)結(jié)合人才培養(yǎng)模式探索(2013B356)。

        季 峰(1975-),男,河南滎陽人,副教授,博士,主要從事電信專業(yè)的教學(xué)與研究工作,研究方向:微電子器件、電子電路設(shè)計(jì)、高職教育教學(xué) 。

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