彭維平，宋 成，王 磊

（河南理工大學(xué) 計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，河南 焦作 454003）

物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)課程教學(xué)內(nèi)容及方法探討

彭維平，宋 成，王 磊

（河南理工大學(xué) 計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，河南 焦作 454003）

針對物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)課程內(nèi)容涵蓋面廣、交叉性強、教學(xué)內(nèi)容難以把握的教學(xué)實際，結(jié)合近年來的教學(xué)實踐，對該課程的定位和特征進行分析，提出統(tǒng)籌規(guī)劃架構(gòu)為先、分層設(shè)計上下層服務(wù)次之、逐層細化技術(shù)為基的課程內(nèi)容規(guī)劃思想，闡述如何通過強化先進的組網(wǎng)技術(shù)和方法，使學(xué)生掌握必要的技能，提高學(xué)生的實際動手能力。

物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)；系統(tǒng)架構(gòu)；實景觀摩；項目式教學(xué)；翻轉(zhuǎn)課堂

0 引 言

信息時代，物聯(lián)網(wǎng)無處不在。據(jù)IDC測算，2020年全球物聯(lián)網(wǎng)有望影響的下游市場規(guī)模將突破3萬億美元，超過250億臺系統(tǒng)/裝置聯(lián)網(wǎng)[1]。面對如此龐大的智能設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備聯(lián)網(wǎng)需求，規(guī)劃設(shè)計人員需要根據(jù)不同設(shè)備及產(chǎn)品的工作特性，設(shè)計出既能滿足各類業(yè)務(wù)需求和應(yīng)用的聯(lián)網(wǎng)方式及組網(wǎng)結(jié)構(gòu)，又能合理有效地使系統(tǒng)能對外提供各級各類服務(wù)，這對技術(shù)人才在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備組網(wǎng)中的知識水平和技能提出更高的要求。

物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)課程的學(xué)習(xí)對提高學(xué)生的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和設(shè)計能力至關(guān)重要，但目前我國各高校相關(guān)專業(yè)的辦學(xué)尚處于摸索階段，還未形成成熟的教學(xué)內(nèi)容體系，探索一套切實可行的教學(xué)內(nèi)容及教學(xué)模式很有必要。

1 課程定位

物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)課程是在學(xué)生學(xué)習(xí)并掌握物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)所有專業(yè)基礎(chǔ)課和絕大部分專業(yè)必修課之后開設(shè)的一門專業(yè)必修課，其目的是讓學(xué)生通過本門課程的學(xué)習(xí)，掌握當(dāng)前常用的物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)和方法，然后將之前學(xué)習(xí)的專業(yè)知識進行整合和融會貫通，并進行系統(tǒng)規(guī)劃和設(shè)計，進一步提高學(xué)生對物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)與實際應(yīng)用能力。在物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)教學(xué)和知識體系架構(gòu)中，物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)課程是一門承上啟下的課程[2]，其知識體系架構(gòu)如圖1所示。物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)課程除了配套的實驗教學(xué)環(huán)節(jié)之外，還會安排1—2周的課程設(shè)計，通常在第3學(xué)年第1或第2學(xué)期開設(shè)。

此課程開設(shè)的前提是學(xué)生具備一定的傳感器、單片機或嵌入式程序設(shè)計和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)，掌握計算機網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)的方式和方法，能運用可視化編程語言和數(shù)據(jù)庫技術(shù)進行數(shù)據(jù)管理，因此，必須先修的前導(dǎo)課程主要包括單片機與嵌入式技術(shù)、計算機網(wǎng)絡(luò)、高級語言程序設(shè)計技術(shù)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、RFID技術(shù)等，后續(xù)課程為物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)集成與應(yīng)用。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)課程知識體系結(jié)構(gòu)圖

2 組網(wǎng)特征

物聯(lián)網(wǎng)作為一種新興的信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，本質(zhì)上是將各種傳感器技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、人工智能和自動控制技術(shù)集成與融合，使人與人、人與物、物與物相連，構(gòu)成一個準(zhǔn)泛在的網(wǎng)絡(luò)，是互聯(lián)網(wǎng)的延伸和擴展，其核心和基礎(chǔ)仍然是互聯(lián)網(wǎng)。相比傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的組網(wǎng)技術(shù)，物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)除了包含計算機網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)領(lǐng)域的相關(guān)技術(shù)和方法之外，還具有其獨特的地方，主要包括以下三方面。

（1）聯(lián)網(wǎng)主體多樣化。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的一個顯著特征是全面感知，它是各種感知技術(shù)的綜合應(yīng)用，聯(lián)網(wǎng)設(shè)備包括（計算機網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域）交換機、路由器、PC機和服務(wù)器，還包含（物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域）感知節(jié)點、匯聚節(jié)點、RFID標(biāo)簽、RFID讀寫器、智能網(wǎng)關(guān)、移動終端等。

（2）傳輸技術(shù)復(fù)雜化。

物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中各種感知手段采集的信息通過有線和無線網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)融合，并通過互聯(lián)網(wǎng)將信息實時而準(zhǔn)確地傳遞出去，由于所傳遞的信息數(shù)量極其龐大，形成海量信息，所以在傳輸過程中，為保障數(shù)據(jù)的正確性和及時性，必須適應(yīng)各種異構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)和協(xié)議。

（3）數(shù)據(jù)處理智能化。

物聯(lián)網(wǎng)不僅能提供傳感器的連接，還能將感知層采集的數(shù)據(jù)利用數(shù)據(jù)融合、模式識別等智能信息處理技術(shù)進行分析、加工和處理，為管理者的手動決策和智能設(shè)備的自主決策提供數(shù)據(jù)支持。

3 教學(xué)內(nèi)容規(guī)劃

目前，與物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)課程相關(guān)的參考書及教材較少，大致分為兩種類型：第一類采用系統(tǒng)分層的方式逐層講解每一層相關(guān)的技術(shù)[3]，如從數(shù)據(jù)鏈路層的互聯(lián)技術(shù)到網(wǎng)絡(luò)層的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和路由器與交換機配置技術(shù)，再到應(yīng)用層的綜合布線、網(wǎng)絡(luò)管理、物聯(lián)網(wǎng)對象名稱解析服務(wù)等，講解的技術(shù)涵蓋面十分廣闊；第二類采用案例式教學(xué)模式[4]，以講解物聯(lián)網(wǎng)在多個行業(yè)的應(yīng)用需求以及相關(guān)的組網(wǎng)技術(shù)為主，如物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能家居、智能工業(yè)、智能農(nóng)業(yè)、智能物流、智能交通、智能電網(wǎng)、智能環(huán)保、智能安防、智能醫(yī)療等多領(lǐng)域的應(yīng)用。兩種類型的講授內(nèi)容各有側(cè)重，在實際教學(xué)過程中，需要綜合利用這兩種類型的資源優(yōu)勢，有選擇、有目的地組織課堂教學(xué)內(nèi)容。

3.1 統(tǒng)籌規(guī)劃，架構(gòu)為先

開設(shè)物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)課程之前，學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)過計算機網(wǎng)絡(luò)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、RFID應(yīng)用等相關(guān)課程，物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)本質(zhì)上就是這些技術(shù)的綜合。學(xué)生雖然掌握其中的很多知識點和基礎(chǔ)技能，但無法將這些技術(shù)和知識較好地聯(lián)系起來，知識點支離破碎，缺乏對這些知識點應(yīng)用的融會貫通能力，仍然迷茫于如何應(yīng)用，也會導(dǎo)致學(xué)生失去學(xué)習(xí)興趣。

由此，筆者建議在講授技術(shù)知識之前，從系統(tǒng)總體架構(gòu)的角度，對學(xué)生學(xué)習(xí)過的知識點做初步融合，用體系架構(gòu)的總體思路來啟發(fā)學(xué)生，讓學(xué)生對本門課程有總體的認識。總體架構(gòu)是一個項目或應(yīng)用的總體輪廓和框架，偏向于概念，是從項目整體出發(fā)，明確問題的范圍，然后確定所需組件和服務(wù)。通過此環(huán)節(jié)，讓學(xué)生構(gòu)建對某個應(yīng)用的大局觀，有利于培養(yǎng)學(xué)生對具體項目的掌控度，教學(xué)過程中講解的一個通用架構(gòu)如圖2所示。

3.2 分層設(shè)計，上下層服務(wù)次之

架構(gòu)設(shè)計能讓學(xué)生從宏觀上對物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)產(chǎn)生一定了解，分層設(shè)計則是讓學(xué)生從服務(wù)提供的角度認識每一層需要為上一層提供哪些服務(wù)、常用的技術(shù)和方法。目前，受到各界廣泛認可的物聯(lián)網(wǎng)分層為信息感知層、物聯(lián)接入層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層、智能處理層和應(yīng)用接口層。信息感知層主要是對物的感知和識別，涉及的技術(shù)有RFID、傳感器、多媒體信息捕獲、位置服務(wù)、GPS技術(shù)等；物聯(lián)接入層主要涉及藍牙、WIFI、Zigbee、WIMAX、GPRS技術(shù)等[5]；網(wǎng)絡(luò)傳輸層主要涉及以IPv4和IPv6為核心建立的互聯(lián)網(wǎng)平臺；智能處理層主要涉及數(shù)據(jù)融合技術(shù)、海量數(shù)據(jù)分析、云計算技術(shù)等；應(yīng)用接口層則是以各類行業(yè)應(yīng)用為主，針對不同的行業(yè)采用不同的解決方案。

圖2 通用架構(gòu)圖

3.3 逐層細化，技術(shù)為基

對于物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)，僅僅從幾種不同的信息采集模式和幾種有線或無線數(shù)據(jù)傳輸方法去分析和講解是遠遠不夠的，需要深入到具體的技術(shù)和手段，因為掌握了某一種常用技術(shù)和方法，運用其他技術(shù)就會容易很多。應(yīng)用領(lǐng)域和行業(yè)千變?nèi)f化，但本質(zhì)核心技術(shù)是不變的。因此，在涉及具體的實現(xiàn)環(huán)節(jié)時，講授技術(shù)基礎(chǔ)和細節(jié)是非常關(guān)鍵和必要的。通過近幾年的摸索，筆者在具體實施教學(xué)中主要從以下幾個細節(jié)方面進行強化。

3.3.1 數(shù)據(jù)封裝格式JSON

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中存在較大數(shù)量低功耗、低能量和有限數(shù)據(jù)處理能力的終端節(jié)點，為提高這些節(jié)點封裝和解析數(shù)據(jù)的效率，我們重點引入JSON技術(shù)，通過JSON格式進行數(shù)據(jù)封裝。JSON是一種輕量級的數(shù)據(jù)交換格式，其采用鍵值構(gòu)造具有特定語法格式的字符串，易于機器的解析和生成，讀寫更加容易，且支持C、C#、Java、JavaScript、Perl、PHP 等多種語言。

3.3.2 數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議MQTT

物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中數(shù)據(jù)傳輸主要面臨3個問題：一是在網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定的情況下，如何保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸；二是如何保證數(shù)據(jù)不被重復(fù)發(fā)送；三是連接斷開后如何進行自動重連。因此，使用合理有效的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議至關(guān)重要。針對這個問題，筆者給學(xué)生詳細講解了MQTT（Message Queuing Telemetry Transport，消息隊列遙測傳輸協(xié)議），這是一種基于發(fā)布/訂閱模式的輕量級通訊協(xié)議，該協(xié)議構(gòu)建于TCP/IP協(xié)議的基礎(chǔ)之上，由IBM在1999年發(fā)布，并于2014年被正式推薦為物聯(lián)網(wǎng)傳輸協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。

3.3.3 Web Services服務(wù)

物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用環(huán)境中存在多源異構(gòu)的數(shù)據(jù)采集終端和異同的應(yīng)用服務(wù)支撐平臺，這些異同給物與物之間的數(shù)據(jù)交換、服務(wù)交互和協(xié)同工作產(chǎn)生了不同程度的阻礙。針對這個問題，我們引入Web Services服務(wù)，通過Web Services服務(wù)，所有平臺均可向外界發(fā)布功能或消息，并通過Web瀏覽器實現(xiàn)數(shù)據(jù)訪問和交互。

3.3.4 跨平臺界面設(shè)計QT

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)除了需要實現(xiàn)不同類型感知網(wǎng)絡(luò)以及感知網(wǎng)絡(luò)與通信網(wǎng)絡(luò)之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換，達到局域互聯(lián)和廣域互聯(lián)之外，更重要的一點是需要在網(wǎng)關(guān)設(shè)備上提供可視化的圖形用戶操作界面，為用戶提供可視化的設(shè)備管理功能和遠程控制服務(wù)。對此，我們引入QT界面設(shè)計軟件的講授內(nèi)容。QT是一個跨平臺的C++圖形用戶界面應(yīng)用程序開發(fā)框架，其模塊化程度高，可重用性較好，支持組件編程，可在不同平臺上進行本地化運行，通過signals/slots機制實現(xiàn)各個元件之間的協(xié)同工作，能提供簡單易用且功能強大的IDE——Qt Creator，進行界面開發(fā)非常方便。

3.3.5 數(shù)據(jù)庫技術(shù)

傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫技術(shù)如Oracle、SQL Server、MySQL等已經(jīng)在互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，卻并不適合應(yīng)用于M2M的應(yīng)用環(huán)境，特別是應(yīng)用于手機、PDA、嵌入式的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)和智能移動終端這一類設(shè)備中，因此，需要為學(xué)生增加嵌入式數(shù)據(jù)庫或內(nèi)存數(shù)據(jù)庫的內(nèi)容。如嵌入式數(shù)據(jù)庫SQLite，數(shù)據(jù)庫中所有的信息都包含在一個文件內(nèi)，并采用獨立、可嵌入且零配置的SQL數(shù)據(jù)庫引擎，適合智能移動終端設(shè)備使用；而Redis是一個可基于內(nèi)存短期存儲,也可持久化存儲的日志型Key-Value數(shù)據(jù)庫，非常適合與JSON數(shù)據(jù)格式配合使用。

4 教學(xué)方法改革

傳統(tǒng)的教學(xué)過程中，課堂教學(xué)是學(xué)生了解和熟悉技術(shù)基礎(chǔ)理論和方法的主要途徑，而以掌握知識點為目標(biāo)的實驗教學(xué)是學(xué)生掌握相關(guān)技術(shù)和使用方法的主要手段，將兩者相結(jié)合進行教學(xué)是目前主要的教學(xué)模式[6]。物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)涉及的內(nèi)容多、知識點零碎且交叉性強，采用傳統(tǒng)的教學(xué)方式和方法很難激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，學(xué)生也很難理解和掌握眾多零碎知識和技能之間的聯(lián)系，更難以融會貫通地使用。筆者從以下幾方面進行改革。

4.1 實景觀摩，建立大局觀

在開課之初，通常在第二次課就帶領(lǐng)學(xué)生參觀校內(nèi)智能家居實景和校外實踐基地的智能農(nóng)業(yè)大棚，進行現(xiàn)場觀摩。通過實景觀摩，首先，讓學(xué)生身臨其境，感受進入物聯(lián)時代后未來家居和智能農(nóng)業(yè)的便捷以及智能技術(shù)的神奇，激發(fā)其對未知的渴望和學(xué)習(xí)的興趣；其次，可以讓學(xué)生親自動手去組合各種智能化設(shè)備，配置它們之間的聯(lián)動關(guān)系，實實在在地感受M2M的神奇，讓學(xué)生明白這些看似遙不可及高大上的技術(shù)和方法就在我們身邊，樹立對學(xué)習(xí)好本門課程的信心；最后，幫助學(xué)生建立對物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的大局觀，明白組網(wǎng)技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用規(guī)劃中的層次和位置。

4.2 項目式教學(xué)，實物進課堂

如今網(wǎng)絡(luò)上共享的公共學(xué)習(xí)資源越來越豐富，學(xué)生可以通過智能手機等工具隨時隨地獲取資源。教師在教學(xué)過程中單純地講解技術(shù)對學(xué)生來說意義不大，更重要的是要教會學(xué)生如何靈活運用這些技術(shù)。在教學(xué)中，筆者采用了項目式教學(xué)的方法，將和某企業(yè)合作的“智能農(nóng)業(yè)大棚遠程監(jiān)控平臺”科研項目作為案例，從需求分析開始，帶領(lǐng)學(xué)生逐步完成整個項目，重點講解如何規(guī)劃和設(shè)計網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及如何選擇合理的組網(wǎng)方式。此外，將智能農(nóng)業(yè)大棚原型控制系統(tǒng)實物帶入課堂，讓學(xué)生零距離地認識這些工業(yè)用的部件，并通過分析設(shè)計方案和源代碼，讓學(xué)生掌握JSON數(shù)據(jù)封裝技術(shù)、MQTT服務(wù)配置、QT界面設(shè)計、Redis服務(wù)部署、SQLite數(shù)據(jù)庫等技術(shù)的使用。

4.3 翻轉(zhuǎn)課堂，實踐出真知

通過上述項目式教學(xué)環(huán)節(jié)之后，學(xué)生已經(jīng)在教師的帶領(lǐng)下逐步完成了一個完整的項目，但是這些還遠遠不夠，還需要讓學(xué)生融會貫通、靈活地運用所掌握的技術(shù)和方法。在后期教學(xué)中，我們采用了翻轉(zhuǎn)課堂的模式，以智能家居為例，采取小組合作的方法，讓各組學(xué)生作為一個團隊來規(guī)劃和設(shè)計方案，并在課堂上進行講解，教師和其他學(xué)生作為聽眾和評委，各小組之間不僅是競爭關(guān)系，還能夠互相取長補短，加深學(xué)生對知識的深入理解，提高靈活運用的能力。

5 結(jié) 語

物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)教學(xué)中承上啟下的一門核心課程，在教學(xué)過程中需要合理安排本門課程的授課內(nèi)容，選擇有效的教學(xué)方式和方法，讓學(xué)生最終學(xué)習(xí)到更多更好的技術(shù)知識，并能夠?qū)崿F(xiàn)對技術(shù)的靈活運用。筆者根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)在學(xué)科中的定位和特征，提出統(tǒng)籌規(guī)劃架構(gòu)為先，分層設(shè)計逐層細化課程內(nèi)容的規(guī)劃思想，采用實景觀摩、項目式教學(xué)、實物進課堂、翻轉(zhuǎn)課堂等教學(xué)模式，并在近三屆學(xué)生的實踐教學(xué)過程中進行相關(guān)實踐，具有較強的操作性，希望能對其他高校的教學(xué)提供一定參考。

[1] 智造局MakeMountain. 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)行業(yè)前景分析[EB/OL].（2016-06-18）[2017-05-18]. https://sanwen.net/a/tjzhubo.html.

[2] 陳輝, 李敬兆, 詹林. 物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)人才培養(yǎng)和專業(yè)建設(shè)探索[J].計算機教育, 2014(4): 13-17.

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1672-5913(2017)11-0095-04

G642

河南理工大學(xué)教育教學(xué)改革研究項目（2013JG030）。

彭維平，男，副教授，研究方向為物聯(lián)網(wǎng)安全及應(yīng)用，pwp9999@hpu.edu.cn。

（編輯：史志偉）