陳朋朋 孫伯顯 高守婉 趙志軍

摘 要：高等院校已開(kāi)始設(shè)置“物聯(lián)網(wǎng)工程”的相關(guān)專(zhuān)業(yè)，與之相配套的傳感網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)是專(zhuān)業(yè)建設(shè)的重要環(huán)節(jié)。本文在分析當(dāng)前高等院校專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)現(xiàn)狀基礎(chǔ)上提出傳感網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)方案，以避免出現(xiàn)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)中的弊病和問(wèn)題，對(duì)目前高校物聯(lián)網(wǎng)專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)具有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；設(shè)備選型

一、引言

繼計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)之后，物聯(lián)網(wǎng)引領(lǐng)了信息產(chǎn)業(yè)革命的又一次大的浪潮。在以往高校實(shí)驗(yàn)室建設(shè)過(guò)程中，可能已經(jīng)搭建了RFID實(shí)驗(yàn)設(shè)備、軟件工程實(shí)驗(yàn)室等，滿(mǎn)足了數(shù)據(jù)感知及處理的部分實(shí)踐要求。然而僅僅上述設(shè)備并不能滿(mǎn)足物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)人才培養(yǎng)的實(shí)踐要求。尤其是無(wú)線傳感網(wǎng)實(shí)踐環(huán)境的搭建對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)人才培養(yǎng)至關(guān)重要，一方面可培養(yǎng)出該方向的專(zhuān)業(yè)技術(shù)人才，另一方面可對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的前沿技術(shù)和熱點(diǎn)應(yīng)用進(jìn)行深入研究。而這也正是當(dāng)前高校實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的短板所在。因此，探索面向物聯(lián)網(wǎng)的無(wú)線傳感網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)具有重大的指導(dǎo)與實(shí)踐意義。

二、建設(shè)目標(biāo)與要求

傳感網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)需要有一定的前瞻性和可升級(jí)性，首先應(yīng)保證滿(mǎn)足3至5年的教學(xué)需要，其次設(shè)備易升級(jí)換代，最后要最大限度地保護(hù)已有投入。因此，實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)目標(biāo)為：（1）所選擇設(shè)備能滿(mǎn)足5年內(nèi)的需求。（2）選型設(shè)備能方便升級(jí)且擴(kuò)展性好。（3）選型廠商擁有完善的售后服務(wù)體系且能不斷提供前瞻性建議和意見(jiàn)。

眾所周知，實(shí)驗(yàn)是教學(xué)與科研實(shí)踐的主要形式，因此要注重實(shí)驗(yàn)環(huán)境的真實(shí)性，并將其與諸多前沿學(xué)科相結(jié)合，以設(shè)計(jì)出綜合系統(tǒng)性的實(shí)驗(yàn)，從而培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。故實(shí)驗(yàn)室需滿(mǎn)足以下三方面要求：（1）面向教學(xué)，支持物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)專(zhuān)業(yè)的學(xué)生學(xué)習(xí)和實(shí)踐活動(dòng)。（2）面向創(chuàng)新，支持物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)專(zhuān)業(yè)的師生創(chuàng)新與科研活動(dòng)。（3）面向行業(yè)，滿(mǎn)足物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用的行業(yè)需求及學(xué)校特色。

三、建設(shè)思路與內(nèi)容

在現(xiàn)有設(shè)備基礎(chǔ)之上，構(gòu)建符合物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)鏈人才需求的實(shí)驗(yàn)環(huán)境將是物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的關(guān)鍵。因此，首先應(yīng)該設(shè)計(jì)科學(xué)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，然后有針對(duì)性地購(gòu)買(mǎi)相應(yīng)設(shè)備。

1.實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)室主要依據(jù)聯(lián)網(wǎng)技術(shù)體系架構(gòu)來(lái)搭建，分為三個(gè)層次：感知層、傳輸層、應(yīng)用層，使學(xué)生可以全面學(xué)習(xí)物聯(lián)網(wǎng)涉及的各方面技術(shù)。在實(shí)驗(yàn)室建設(shè)初期，主要從感知層及傳輸層進(jìn)行基礎(chǔ)環(huán)境的搭建，對(duì)以后應(yīng)用層的科研活動(dòng)進(jìn)行支持。

感知層主要對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的兩大基礎(chǔ)技術(shù)——傳感器和RFID，進(jìn)行學(xué)習(xí)與研究，感知層側(cè)重于傳感器和RFID基礎(chǔ)知識(shí)與原理的學(xué)習(xí)。

在對(duì)物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)的兩大知識(shí)及原理進(jìn)行了解和學(xué)習(xí)之后，傳輸層對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的兩種傳輸方式——無(wú)線網(wǎng)與有線網(wǎng)進(jìn)行研究和學(xué)習(xí)。因此在對(duì)物聯(lián)網(wǎng)傳輸方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)，我們分為兩個(gè)內(nèi)容來(lái)實(shí)現(xiàn)，即無(wú)線組網(wǎng)環(huán)節(jié)和有線組網(wǎng)環(huán)節(jié)。

通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室前期的教學(xué)和科研平臺(tái)的應(yīng)用后，可以進(jìn)一步對(duì)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層進(jìn)行開(kāi)發(fā)。主要包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)分析以及相關(guān)的軟件開(kāi)發(fā)。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)主要包括管理軟件的開(kāi)發(fā)及編程。

2.設(shè)備選型

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)建議采用實(shí)驗(yàn)箱式設(shè)計(jì)，配置基于Zigbee及TinyOS等不同技術(shù)平臺(tái)的無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)及網(wǎng)關(guān)等設(shè)備，涵蓋物聯(lián)網(wǎng)的感知層、傳輸層與應(yīng)用層，從而為學(xué)生進(jìn)行真實(shí)物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的實(shí)操提供支持。此外，為方便學(xué)校進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，需要廠商提供配套的上位機(jī)軟件、源代碼、二次開(kāi)發(fā)包及實(shí)驗(yàn)教材，支持學(xué)校進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)、無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域科研及大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目活動(dòng)。

對(duì)于感知層中傳感模塊的選擇不在于數(shù)量，通常采購(gòu)典型的溫度、濕度、光、電壓、電流模塊即可?？紤]到經(jīng)費(fèi)原因，不要求高精度工業(yè)傳感器，只需實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能即可。另外，電源的選擇要遵循方便易用的原則。

在傳輸層，無(wú)線組網(wǎng)主要選擇基于TinyOS與Zigbee兩套協(xié)議棧。TinyOS是加州大學(xué)伯克利分校開(kāi)發(fā)的開(kāi)放源代碼操作系統(tǒng)，主要提供給教師及研究生科研使用。對(duì)于基于Zigbee 協(xié)議棧的節(jié)點(diǎn)平臺(tái)，目前做開(kāi)發(fā)用得比較多是ZigBee2006的協(xié)議棧，比較適合本科生教學(xué)與實(shí)驗(yàn)。針對(duì)有線組網(wǎng)則基于現(xiàn)有主流路由與交換設(shè)備。

最后，搭配一臺(tái)主機(jī)，安裝有Web服務(wù)及相關(guān)的開(kāi)發(fā)工具，通過(guò)相應(yīng)的協(xié)議抓包工具，能夠讓學(xué)生從底層及原理上更為深入地理解物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，同時(shí)讓學(xué)生可以完成上位機(jī)軟件的開(kāi)發(fā)，從而實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層的實(shí)踐開(kāi)發(fā)。為方便底層傳感器的操作，主機(jī)的選擇建議選擇市面帶有串口的各種商用機(jī)。

四、結(jié)束語(yǔ)

科學(xué)完備的物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室有利于提高專(zhuān)業(yè)的整體教學(xué)質(zhì)量。本文針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的特點(diǎn)及發(fā)展，提出相應(yīng)建設(shè)目標(biāo)、原則及思路，對(duì)于目前高校物聯(lián)網(wǎng)專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)具有一定的借鑒意義。

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