研發(fā)“智慧校園—物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)示范系統(tǒng)”

近期，南開大學(xué)計(jì)算機(jī)控制與工程學(xué)

院物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)主任李濤團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一套“智慧校園—物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)示范系統(tǒng)”，它通過利用云計(jì)算、虛擬化和物聯(lián)網(wǎng)等新型技術(shù)，將學(xué)校的教學(xué)、科研、管理與校園資源、應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行整合，從而實(shí)現(xiàn)了校園的智慧化管理與服務(wù)。

“智慧校園”主要由校園實(shí)景聯(lián)動(dòng)沙盤控制、虛擬校園游覽體驗(yàn)、室內(nèi)外環(huán)境監(jiān)測、智慧農(nóng)業(yè)監(jiān)測、智能家居和智能教室虛擬聯(lián)動(dòng)、智能車輛管理以及智能安防等系統(tǒng)構(gòu)成。通過無線Mesh、3G/4G、北斗衛(wèi)星等技術(shù)，將傳感器所采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫擞?jì)算系統(tǒng)，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、智能分析和識(shí)別控制，為諸多應(yīng)用提供服務(wù)接口，真正做到“掌上校園”。

系統(tǒng)的一大特色是，虛擬與現(xiàn)實(shí)數(shù)據(jù)融合、多系統(tǒng)協(xié)同，涉及智能傳感節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)、多跳數(shù)據(jù)傳輸、北斗數(shù)據(jù)傳輸、室內(nèi)外環(huán)境監(jiān)測、道路交通與車輛控制模擬、虛擬校園游覽體驗(yàn)、虛實(shí)結(jié)合實(shí)景沙盤等諸多功能。戴上VR沉浸式頭盔，使用者便可在3D環(huán)境中實(shí)時(shí)觀察當(dāng)前所處位置中的真實(shí)道路、建筑等信息，同時(shí)還可體驗(yàn)高空飛翔、俯瞰等。

系統(tǒng)的另一大特色是該示范系統(tǒng)的各部分與各個(gè)模塊均與實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容對應(yīng)，如交通、溫濕度監(jiān)測、土壤水質(zhì)、畫面、數(shù)據(jù)集成、VR虛實(shí)數(shù)據(jù)融合、虛實(shí)同步、可視化呈現(xiàn)，分別涉及傳感器、RFID、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、數(shù)據(jù)處理、嵌入式系統(tǒng)等課程知識(shí)。

物聯(lián)網(wǎng)屬于新興產(chǎn)業(yè)，高校在教學(xué)與建設(shè)方面皆處于起步階段。教學(xué)過程中，學(xué)生對于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)的體驗(yàn)性不足，往往由于缺乏直觀感受而造成理論與技術(shù)困惑。因此，在實(shí)驗(yàn)課程體系建設(shè)與實(shí)踐教學(xué)探索初期，教學(xué)組經(jīng)過討論提出建設(shè)“物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)示范系統(tǒng)”，用于學(xué)生建立感性體驗(yàn)、專業(yè)認(rèn)知、專業(yè)思考、用于提升教學(xué)質(zhì)量。

“智慧校園—物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)示范系統(tǒng)”尚處于一期建設(shè)收尾階段，可以實(shí)現(xiàn)對接《感知技術(shù)與應(yīng)用》、《物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)》和《物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)》等專業(yè)課程。后期將探索視頻融合功能和移動(dòng)端APP開發(fā)等，逐步完善示范系統(tǒng)功能，使得校園監(jiān)測系統(tǒng)與虛擬場景形成聯(lián)動(dòng)，為校園實(shí)時(shí)監(jiān)控、智能預(yù)警、人像處理與人員檢測等提供支撐。而且，未來將融入人工智能元素。

案例詳解

系統(tǒng)構(gòu)成

物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)示范系統(tǒng)的建設(shè)立足南開大學(xué)與物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)實(shí)際情況，結(jié)合實(shí)踐教學(xué)案例與實(shí)際教學(xué)需要，從總體上對系統(tǒng)進(jìn)行規(guī)劃和設(shè)計(jì)。系統(tǒng)涵蓋多個(gè)部分，分別是“虛實(shí)結(jié)合的校園實(shí)景聯(lián)動(dòng)沙盤控制系統(tǒng)”、“虛擬校園游覽體驗(yàn)系統(tǒng)”、“水質(zhì)、空氣環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)”、“智慧農(nóng)業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)”、“智能家居、智能教室虛擬聯(lián)動(dòng)教學(xué)與演示系統(tǒng)”。

虛實(shí)結(jié)合實(shí)景沙盤子系統(tǒng)

虛實(shí)結(jié)合實(shí)景沙盤由智能家居、智能交通、環(huán)境監(jiān)測、智能安防等教學(xué)演示部分所組成，系統(tǒng)不但在現(xiàn)實(shí)中部署，同時(shí)也在沙盤上模擬一套與之對應(yīng)的系統(tǒng)。實(shí)景沙盤區(qū)別以往普通的沙盤，具備動(dòng)態(tài)性、聯(lián)動(dòng)性、擴(kuò)展性。動(dòng)態(tài)性體現(xiàn)為，沙盤不僅僅是現(xiàn)實(shí)的“縮減版”，其上所有模擬部件與實(shí)體一樣具備感知性和反饋動(dòng)作，比如沙盤上的車輛經(jīng)過路口時(shí)，根據(jù)紅綠信號(hào)燈進(jìn)行停車、行進(jìn)操作；聯(lián)動(dòng)性，舉例來講，當(dāng)現(xiàn)實(shí)中外部車輛進(jìn)入校園后，通過標(biāo)定該車輛并將其與沙盤中的車輛建立映射關(guān)系后，沙盤上的車輛行進(jìn)與現(xiàn)實(shí)中的該車輛行進(jìn)同步，能夠直觀反映其情況；擴(kuò)展性，通過數(shù)據(jù)融合形成外部接口，現(xiàn)實(shí)中所部署節(jié)點(diǎn)所采集的數(shù)據(jù)可直觀反映到沙盤對應(yīng)的部件，無需重新部署系統(tǒng)即可增設(shè)監(jiān)測節(jié)點(diǎn)。以此為平臺(tái)，學(xué)生可按接口標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行二次開發(fā)，將新的實(shí)驗(yàn)方案融入其中。

校園游覽體驗(yàn)子系統(tǒng)

校園游覽體驗(yàn)系統(tǒng)通過無人機(jī)拍攝對校園外景和典型樓宇內(nèi)部進(jìn)行建模，通過VR 技術(shù)使學(xué)生可以進(jìn)行沉浸式體驗(yàn)。

環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng)

環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)由室外、室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測組成。室外、室外通過布置環(huán)境監(jiān)測節(jié)點(diǎn)，對環(huán)境中溫度、濕度、光照、二氧化碳等數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測、收集、處理和數(shù)據(jù)分析。

智能農(nóng)業(yè)子系統(tǒng)

智慧農(nóng)業(yè)子系統(tǒng)，以南開大學(xué)津南新校區(qū)農(nóng)業(yè)體驗(yàn)園為背景，在該農(nóng)業(yè)體驗(yàn)園中部署設(shè)備，主要由水質(zhì)監(jiān)測設(shè)備、土壤溫濕度與酸堿度監(jiān)測設(shè)備、氣象監(jiān)測設(shè)備等組成。設(shè)備采集信息同時(shí)實(shí)時(shí)上傳到各自終端管理軟件中，數(shù)據(jù)通過多跳網(wǎng)絡(luò)和北斗衛(wèi)星傳輸，并提供數(shù)據(jù)接口與沙盤子系統(tǒng)、校園游覽子系統(tǒng)相對接，實(shí)時(shí)展示于其中。學(xué)生可通過物聯(lián)網(wǎng)接入與數(shù)據(jù)處理基礎(chǔ)知識(shí)，嘗試修改數(shù)據(jù)接口。

教學(xué)示范與跨學(xué)科融合

通過物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)示范系統(tǒng)建設(shè)與初步使用，對實(shí)驗(yàn)課程體系形成了有力支撐。系統(tǒng)所涵蓋內(nèi)容均與理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)對應(yīng)，是教學(xué)演示和學(xué)生實(shí)踐的理想平臺(tái)。又因具備與教學(xué)中的各個(gè)模塊及綜合案例對應(yīng)，因此形成了較好的示范效應(yīng)。

改進(jìn)計(jì)劃

實(shí)踐教學(xué)過程中，因初步建立實(shí)驗(yàn)課程體系，課程內(nèi)容涉及較多知識(shí)，缺乏清晰主線。

通過問卷調(diào)查、談話、討論等形式，掌握一些典型情況，比如學(xué)生反映有一些實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，雖然能夠完成，但最后仍不明白為什么，或者仍未建立起系統(tǒng)觀；完成作業(yè)耗時(shí)較多，有一些非主線的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，缺乏有機(jī)聯(lián)系；實(shí)驗(yàn)環(huán)境配置較為復(fù)雜，編程不夠便利；示范系統(tǒng)部分模塊缺乏接口或恢復(fù)機(jī)制，學(xué)生出現(xiàn)錯(cuò)誤只能重置等。

對此，課程建設(shè)團(tuán)隊(duì)與教學(xué)組進(jìn)行了具有針對性的調(diào)整和改進(jìn)，在課程內(nèi)容上，與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、組成原理、操作系統(tǒng)、編譯原理等教學(xué)組協(xié)同更新，將基礎(chǔ)知識(shí)綜合部分加強(qiáng)；對于非主線實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，準(zhǔn)備進(jìn)行刪減，另外設(shè)立獨(dú)立實(shí)驗(yàn)；計(jì)劃重新配置完整版的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，學(xué)生可直接使用；示范系統(tǒng)準(zhǔn)備進(jìn)行雙系統(tǒng)備份，分為運(yùn)行系統(tǒng)和試驗(yàn)系統(tǒng)，試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行資源可配置設(shè)定，接口及源碼面向?qū)W生開放，學(xué)生在分配到的資源設(shè)備上進(jìn)行拓展實(shí)驗(yàn)，經(jīng)過教師驗(yàn)證，擇優(yōu)融入運(yùn)行系統(tǒng)。