劉君玲
(福建信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院計(jì)算機(jī)工程系,福建 福州 350003)
作為現(xiàn)代技能型人才培養(yǎng)和實(shí)踐教學(xué)的重要基地,實(shí)訓(xùn)基地的建設(shè)水平和目標(biāo)是國家示范性高職院??己说囊豁?xiàng)重要指標(biāo),專業(yè)實(shí)驗(yàn)室承擔(dān)著實(shí)踐教學(xué)的任務(wù)和科研的工作,實(shí)驗(yàn)室管理水平既是高職院校建設(shè)工作的重要標(biāo)志,也是院校綜合實(shí)力的體現(xiàn),對深化教育改革和培養(yǎng)創(chuàng)新人才有著深遠(yuǎn)的意義。[2]當(dāng)前,由于人才培養(yǎng)和創(chuàng)新的要求,大部分高職院校實(shí)驗(yàn)室基礎(chǔ)設(shè)施相對較完善,但是管理主要還是以人工為主,主要依靠實(shí)訓(xùn)教師和設(shè)備管理人員的長時(shí)間監(jiān)管來保證實(shí)驗(yàn)教學(xué)的正常進(jìn)行和實(shí)驗(yàn)室的日常運(yùn)行,實(shí)驗(yàn)設(shè)備仍存在利用率低,維護(hù)與管理的技術(shù)落后,工作效率低下,數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、查詢與傳輸及使用困難,設(shè)備的數(shù)字化與智能化程序很低,嚴(yán)重制約了創(chuàng)新人才培養(yǎng)與素質(zhì)教育的發(fā)展。另一方面,針對計(jì)算機(jī)專業(yè)課程,實(shí)踐操作性強(qiáng),學(xué)生需要利用更多的課余時(shí)間來實(shí)踐才能掌握課程開發(fā)的要求,而大部分實(shí)驗(yàn)室均不對外開放,不能滿足學(xué)生對實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的需求。
當(dāng)前,基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能家居、智能樓宇等[3]應(yīng)用得到了廣泛的推廣,技術(shù)給整個(gè)應(yīng)用環(huán)境帶來了智能化改變。因此,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能家居、智能樓宇等方面的部分結(jié)構(gòu)和特性應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室,[4]探索智能實(shí)驗(yàn)室的模型,利用全新的技術(shù)手段和管理方法實(shí)現(xiàn)智能化監(jiān)控和管理實(shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)過程,將大大提高實(shí)驗(yàn)室的管理工作效率和水平。
文章以福建信息學(xué)院計(jì)算機(jī)工程系為例提出的智能實(shí)驗(yàn)室架構(gòu)旨在結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展,分析構(gòu)建智能實(shí)驗(yàn)室的宏觀環(huán)境和建設(shè)需求,提出具有普遍適應(yīng)性和完整性的智能實(shí)驗(yàn)室體系結(jié)構(gòu)和應(yīng)用模式,為我系創(chuàng)新實(shí)訓(xùn)室建設(shè)提出解決方案。
創(chuàng)新實(shí)訓(xùn)室主要是培養(yǎng)從事物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的系統(tǒng)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)分析與運(yùn)行、科技應(yīng)用與研發(fā)的高等工程技能人才。通過建立一個(gè)完整的基礎(chǔ)的實(shí)訓(xùn)架構(gòu)體系,圍繞物聯(lián)網(wǎng)主題,兼顧目前IT技術(shù)的發(fā)展趨勢,讓學(xué)生和學(xué)員學(xué)通過各種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、智能視頻技術(shù)等教學(xué)實(shí)驗(yàn),模擬典型智慧校園、智能家居等實(shí)際應(yīng)用,感知體驗(yàn)與動(dòng)手的結(jié)合、方案設(shè)計(jì)與實(shí)際驗(yàn)證的結(jié)合,來培養(yǎng)學(xué)生合理的知識結(jié)構(gòu),使他們具備扎實(shí)的物聯(lián)網(wǎng)理論知識和實(shí)踐知識,并具備在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域跟蹤新知識、新技術(shù)的能力以及較強(qiáng)的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用能力,最終達(dá)到能讓學(xué)生獨(dú)立構(gòu)架各種物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng),提高動(dòng)手能力,積累實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),提高水平的目的。
物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新實(shí)訓(xùn)室以技術(shù)全面化、業(yè)務(wù)典型化、應(yīng)用教學(xué)化三個(gè)方面為指導(dǎo)思想來進(jìn)行設(shè)計(jì)與建設(shè)。
技術(shù)全面化主要解決技術(shù)知識層面的問題,物聯(lián)網(wǎng)從技術(shù)角度講分為三個(gè)部分:全面感知、可靠傳遞、智能處理,是傳統(tǒng)嵌入式技術(shù)的一種應(yīng)用延伸,囊括從ARM接口技術(shù)、傳感器接口技術(shù)、微控制器驅(qū)動(dòng)應(yīng)用、無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、ZigBee無線通信技術(shù)、6LoWPAN無線通信技術(shù)、IPv6無線通信技術(shù)、嵌入式操作系統(tǒng)、高級嵌入式網(wǎng)絡(luò)通信、智慧云中間件、Android移動(dòng)應(yīng)用、嵌入式服務(wù)器編程、智慧數(shù)據(jù)分析與挖掘等課程資源的學(xué)習(xí)。其中,智能家居的關(guān)鍵技術(shù)有:網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)技術(shù)、組網(wǎng)與控制技術(shù)、傳感器終端技術(shù)、中間件平臺技術(shù)與智能家居業(yè)務(wù)平臺這五大類。作為物聯(lián)網(wǎng)中智能家居行業(yè)應(yīng)用實(shí)訓(xùn)產(chǎn)品,智能家居認(rèn)識實(shí)訓(xùn)平臺,向廣大中高職、本科學(xué)生提供了基于專業(yè)教學(xué)基礎(chǔ)上的行業(yè)綜合應(yīng)用實(shí)訓(xùn)教學(xué),立足與物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)知識點(diǎn),并向整個(gè)行業(yè)項(xiàng)目操作過程的專業(yè)實(shí)訓(xùn)進(jìn)行輻射。
業(yè)務(wù)典型化主要將企業(yè)的成功商業(yè)模式及行業(yè)應(yīng)用如智能家居認(rèn)知實(shí)訓(xùn)平臺是一組基于ZigBee傳感技術(shù)的室內(nèi)環(huán)境檢測智能設(shè)備,可檢測實(shí)訓(xùn)環(huán)境空氣中的溫濕度情況及地板的水浸情況。通過模塊化的檢測單元可方便簡單的實(shí)現(xiàn)對實(shí)訓(xùn)環(huán)境數(shù)據(jù)的拓展檢測。移動(dòng)客戶端應(yīng)用軟件、云平臺軟件均可為用戶提供室內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)展現(xiàn)、環(huán)境異常提醒等服務(wù),實(shí)訓(xùn)管理人無論身在何方,均可能過手機(jī)或平板隨時(shí)了解實(shí)訓(xùn)場景內(nèi)環(huán)境狀況使學(xué)生在實(shí)訓(xùn)的得到真實(shí)行業(yè)產(chǎn)業(yè)應(yīng)用。
應(yīng)用教學(xué)化:基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)基礎(chǔ)教學(xué)完美展現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)智能家居行業(yè)的應(yīng)用,通過設(shè)計(jì)一整套完整的智能家居應(yīng)用實(shí)訓(xùn):智能溫濕度傳感實(shí)驗(yàn);智能水浸探測實(shí)驗(yàn);智能可燃?xì)怏w探測實(shí)驗(yàn);智能煙感探測實(shí)驗(yàn);智能一氧化碳探測實(shí)驗(yàn);智能開關(guān)控制實(shí)訓(xùn);智能燈光控制調(diào)光實(shí)訓(xùn);智能情景模式設(shè)置實(shí)訓(xùn);智能家電控制實(shí)訓(xùn);智能電動(dòng)窗簾控制實(shí)訓(xùn);智能門禁控制實(shí)訓(xùn);智能視頻監(jiān)控實(shí)訓(xùn);智能異常報(bào)警實(shí)訓(xùn);體現(xiàn)教學(xué)實(shí)訓(xùn)一體化設(shè)計(jì),向廣大師生用戶提供:基礎(chǔ)教學(xué)+行業(yè)實(shí)訓(xùn)一體化的產(chǎn)品,做到理論與實(shí)際操作相結(jié)合,培養(yǎng)復(fù)合型專業(yè)技術(shù)人才。
福建職業(yè)信息技術(shù)學(xué)院物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新互動(dòng)實(shí)訓(xùn)室面積建議100-120平方米,分為理實(shí)一體化實(shí)訓(xùn)學(xué)習(xí)區(qū)及互動(dòng)實(shí)驗(yàn)區(qū),兩個(gè)區(qū)域在空間上相互融合,互動(dòng)實(shí)驗(yàn)區(qū)的各個(gè)創(chuàng)新實(shí)訓(xùn)室設(shè)備真實(shí)運(yùn)用在教室日常各個(gè)環(huán)節(jié)。整個(gè)實(shí)訓(xùn)室主要由8套六角桌、48臺PC,一套智能教室互動(dòng)實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)平臺及新大陸物聯(lián)網(wǎng)云平臺軟件構(gòu)成,整個(gè)實(shí)訓(xùn)室可讓40-48名學(xué)生同時(shí)實(shí)訓(xùn)。
統(tǒng)一的云平臺管理軟件能夠?qū)崿F(xiàn)老師對實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的個(gè)性化生成及發(fā)布,每組學(xué)生即可以登錄老師所發(fā)布的不同頁面進(jìn)行實(shí)驗(yàn),每節(jié)實(shí)驗(yàn)課各組學(xué)生之間實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)互不干擾。同時(shí),云平臺的API接口與實(shí)驗(yàn)軟件的源代碼均根據(jù)教學(xué)要求開放,使得學(xué)生從認(rèn)知、互動(dòng)、安裝部署直到后臺軟件研發(fā)層面可全程參與。不僅避免了傳統(tǒng)互動(dòng)實(shí)訓(xùn)室認(rèn)知與實(shí)訓(xùn)兩部分脫離的情況,而且高度與實(shí)際行業(yè)應(yīng)用的互動(dòng)結(jié)合,最大程度激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)與創(chuàng)新熱情。
1.實(shí)訓(xùn)學(xué)習(xí)區(qū)
實(shí)訓(xùn)學(xué)習(xí)區(qū)采用8套的六角桌及48臺電腦,老師在該實(shí)訓(xùn)室就可以進(jìn)行理論知識的教學(xué),可以圍繞著“采集、傳輸、處理、應(yīng)用”四大核心領(lǐng)域,展示智能教室建設(shè)各項(xiàng)新技術(shù)、新產(chǎn)品、新裝備、新工藝,讓學(xué)生了解當(dāng)前智能家居技術(shù)、發(fā)展趨勢,以及相關(guān)產(chǎn)品。學(xué)生學(xué)習(xí)完,可以進(jìn)行相應(yīng)的討論,然后到互動(dòng)體驗(yàn)區(qū)進(jìn)行相應(yīng)的實(shí)訓(xùn)。
2.互動(dòng)實(shí)訓(xùn)區(qū)
該區(qū)域提供物聯(lián)網(wǎng)智能家居實(shí)際應(yīng)用展示,以最直觀的互動(dòng)體驗(yàn)方式展示物聯(lián)網(wǎng)各項(xiàng)技術(shù)在創(chuàng)新實(shí)訓(xùn)室中的應(yīng)用場景。除此之外,其中的每項(xiàng)展示環(huán)節(jié),學(xué)生均能參與其中的規(guī)劃、部署、安裝、調(diào)試、開發(fā)環(huán)節(jié),既能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)與創(chuàng)新的熱情,又達(dá)到理論與實(shí)踐結(jié)合的效果,完成體驗(yàn)與研發(fā)的多種教學(xué)任務(wù)。
該區(qū)域?qū)⒎譃樗膲K內(nèi)容供8組學(xué)生進(jìn)行相應(yīng)的實(shí)訓(xùn)實(shí)驗(yàn)
(1)合理分組教學(xué)實(shí)訓(xùn)一體化
實(shí)訓(xùn)室的居家控制系統(tǒng)可以分三組學(xué)生進(jìn)行實(shí)訓(xùn)
第一組學(xué)生:控制實(shí)訓(xùn)室燈光的實(shí)驗(yàn);
第二組學(xué)生:控制實(shí)訓(xùn)窗簾的實(shí)驗(yàn);
第三組學(xué)生:控制實(shí)訓(xùn)室設(shè)備如:投影儀的、空調(diào)等實(shí)驗(yàn);
實(shí)訓(xùn)室的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)分一組學(xué)生進(jìn)行實(shí)訓(xùn)
第四組學(xué)生:采集實(shí)訓(xùn)室的環(huán)境數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)如:室內(nèi)的溫度與濕度等;
安防監(jiān)控系統(tǒng)可以分三組學(xué)生進(jìn)行實(shí)訓(xùn);
第五組學(xué)生:控制調(diào)取實(shí)訓(xùn)室監(jiān)控設(shè)備實(shí)驗(yàn);
第六組學(xué)生:控制實(shí)訓(xùn)室門禁實(shí)驗(yàn);
第七組學(xué)生:控制實(shí)訓(xùn)室防盜實(shí)驗(yàn);
娛樂影音系統(tǒng)分一組學(xué)生進(jìn)行實(shí)訓(xùn)
第八組學(xué)生:控制實(shí)訓(xùn)室的娛樂影音設(shè)備實(shí)驗(yàn);
(2)系統(tǒng)功能擴(kuò)展應(yīng)用化
該系統(tǒng)支持學(xué)生開發(fā)的應(yīng)用軟件/文檔等資料,存儲(chǔ)于個(gè)人PC電腦。
該系統(tǒng)支持課后老師登錄云平臺,用其高級賬號,可迅速清除其賬號下學(xué)生賬號的所操作的痕跡與記錄
(3)整體系統(tǒng)功能靈動(dòng)化。
整體系統(tǒng)可以根據(jù)需要,解除學(xué)生客戶端與系統(tǒng)綁定,實(shí)現(xiàn)教師客戶端直接控制整個(gè)系統(tǒng)的完整運(yùn)行。
智能家居認(rèn)知實(shí)訓(xùn)平臺是將智能家居控制系統(tǒng)真實(shí)安裝在實(shí)訓(xùn)室環(huán)境中,將實(shí)訓(xùn)室中的真實(shí)布景的家居環(huán)境,如燈光、電器、窗簾等進(jìn)行智能控制,并提供日常防護(hù)與異常報(bào)警的安防監(jiān)控套件,與環(huán)境監(jiān)測等套件相結(jié)合,給老師與學(xué)生有真實(shí)的智能家居體驗(yàn)系統(tǒng)。通過該系統(tǒng)可以認(rèn)知整套智能家居控制系統(tǒng)與實(shí)際環(huán)境、實(shí)際受控設(shè)備之間的關(guān)系,掌握在具體應(yīng)用中所涉及的技能知識,理解智能家居系統(tǒng)應(yīng)用的整體規(guī)劃與方案。該系統(tǒng)集教學(xué)、實(shí)訓(xùn)和體驗(yàn)功能于一體,圍繞智能家居主題,注重各種設(shè)備之間的融合與靈活應(yīng)用,按照教學(xué)的獨(dú)特設(shè)計(jì)將智能家居各功能設(shè)備組合成不同的應(yīng)用場景。體現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層在智能家居上的應(yīng)用與實(shí)訓(xùn)室建設(shè)的先進(jìn)性。
1.平臺特點(diǎn)
(1)教學(xué)實(shí)訓(xùn)一體化?;谖锫?lián)網(wǎng)技術(shù)基礎(chǔ)教學(xué)之余,完美展現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)智能家居行業(yè)應(yīng)用,體現(xiàn)教學(xué)實(shí)訓(xùn)一體化設(shè)計(jì),向廣大師生用戶提供:基礎(chǔ)教學(xué)+行業(yè)實(shí)訓(xùn)一體化的產(chǎn)品,做到理論與實(shí)際操作相結(jié)合,培養(yǎng)復(fù)合型專業(yè)技術(shù)人才。
(2)教學(xué)資源系列化。從教學(xué)知識點(diǎn)、課程學(xué)時(shí)、教材課程的設(shè)計(jì)、以及實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目和其他配套的軟性教學(xué)服務(wù),內(nèi)容層次遞進(jìn),從基礎(chǔ)技術(shù)到行業(yè)應(yīng)用,從理論知識到實(shí)際操作訓(xùn)練,從技術(shù)層面到整個(gè)行業(yè)應(yīng)用項(xiàng)目方案掌握,本產(chǎn)品提供系列化教學(xué)服務(wù)體系。
(3)課程設(shè)計(jì)多層化。結(jié)合中高職院校的廣大學(xué)生的就業(yè)方向,以及企事業(yè)用人單位的招工崗位實(shí)際要求,本產(chǎn)品提供不同階梯的課程設(shè)計(jì),滿足中高職、本科院校的廣大師生的教學(xué)需求。
中職學(xué)校:除理論知識外,側(cè)重于系統(tǒng)搭建、配置、安裝、調(diào)試與部品故障初判、簡單維修等其他需求。高職學(xué)校:在中職學(xué)校需求的基礎(chǔ)上,滿足行業(yè)應(yīng)用操作、項(xiàng)目方案制作、行業(yè)招投標(biāo)操作等其他需求。
(4)系統(tǒng)架構(gòu)智能化。一體化控制,簡單安裝、部署、組網(wǎng)、操控,智能示警等,體現(xiàn)物聯(lián)應(yīng)用智能化設(shè)計(jì)。
(5)物聯(lián)應(yīng)用擴(kuò)展化。系統(tǒng)全方面展現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)智能家居行業(yè)應(yīng)用之余,還拓展到智能家居行業(yè)相交集的物聯(lián)網(wǎng)其他行業(yè)的應(yīng)用,如:樓宇對講與智慧遠(yuǎn)程醫(yī)療。不局限于單個(gè)行業(yè),而是真正的做到物聯(lián)應(yīng)用系統(tǒng)化。
2.主要功能
(1)智慧中心
智能家居認(rèn)知實(shí)訓(xùn)平臺智慧中心,分為基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)支持、系統(tǒng)控制、云信息服務(wù)三大構(gòu)架。其中:基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)支持:配置高性能的路由器,可保障長時(shí)間高效工作。
系統(tǒng)控制:配置智能家居網(wǎng)關(guān)與智能平板(或智能手機(jī)),可通過智能家居網(wǎng)關(guān)的組網(wǎng),對智能家居設(shè)備進(jìn)行智能化便捷控制;智能家居網(wǎng)關(guān)是整個(gè)系統(tǒng)的核心部品。
云信息服務(wù):則是本產(chǎn)品提供了一套智能家居設(shè)備應(yīng)用平臺,包括客戶端軟件以及智能家居云。
(2)居家控制套件
智能家居認(rèn)知實(shí)訓(xùn)平臺居家控制套件,是基于ZigBee傳感技術(shù)的控制家居設(shè)備的控制套件,通過這套件可以將家居設(shè)備分類別模塊的進(jìn)行智能化控制,分為:智能燈光控制系統(tǒng)、電動(dòng)窗簾控制系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng)。
(3)娛樂影音套件
智能家居認(rèn)知實(shí)訓(xùn)平臺娛樂影音套件,采用基于ZigBee傳感技術(shù)的智能插座、智能控制面板、紅外轉(zhuǎn)發(fā)器設(shè)備對家居娛樂設(shè)備(電視、音響系統(tǒng))以及會(huì)客、影院等多種情景模式進(jìn)行設(shè)定與控制,實(shí)現(xiàn)家庭娛樂的目的。
(4)居家控制套件
智能家居認(rèn)知實(shí)訓(xùn)平臺環(huán)境監(jiān)測套件,是一組基于ZigBee傳感技術(shù)的室內(nèi)環(huán)境檢測智能設(shè)備,該套件可檢測家居環(huán)境空氣中的溫濕度情況及廚房衛(wèi)生間地板的水浸情況。
通過模塊化的檢測單元可方便簡單的實(shí)現(xiàn)對家居環(huán)境數(shù)據(jù)的拓展檢測。移動(dòng)客戶端應(yīng)用軟件、云平臺軟件均可為用戶提供室內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)展現(xiàn)、環(huán)境異常提醒等服務(wù),無論身在何方,隨時(shí)了解室內(nèi)環(huán)境狀況。
(5)安全防護(hù)套件
智能家居認(rèn)知實(shí)訓(xùn)平臺安全防護(hù)套件由一整套基于Zigbee技術(shù)的傳感器、無線攝像頭、智能門鎖組成,旨在向用戶提供高效、穩(wěn)定、操作便捷、智能控制的安全防護(hù)系統(tǒng)。其中:
傳感器可對家中的可燃?xì)馓?、光電煙霧和一氧化碳進(jìn)行偵測和報(bào)警。
智慧門鎖與門、窗磁組成了一個(gè)門禁系統(tǒng),提供指紋、RFID和遠(yuǎn)程開鎖功能,配合智慧中心可探測門、窗是否存在異常入侵并提供報(bào)警功能。
采用網(wǎng)絡(luò)無線攝像頭方案免去復(fù)雜的布線和調(diào)試,支持四區(qū)域移動(dòng)幀測,支持遠(yuǎn)程進(jìn)行訪問。紅外傳感器支持入侵防范于布防,保證整個(gè)居家的安全。
圖1 智能家居互動(dòng)體驗(yàn)平臺拓?fù)鋱D
基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)的是以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為核心,以技術(shù)全面化、業(yè)務(wù)典型化、應(yīng)用教學(xué)化三個(gè)方面為指導(dǎo)思想進(jìn)行建設(shè)的一個(gè)全面的智能感知的實(shí)訓(xùn)環(huán)境和綜合信息服務(wù)平臺。[5]通過建立創(chuàng)新實(shí)訓(xùn)室,建設(shè)一個(gè)教、學(xué)、研、培訓(xùn)認(rèn)證統(tǒng)一的實(shí)訓(xùn)平臺,不僅為學(xué)生提供良好的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐平臺,提高他們的動(dòng)手能力,積累實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),提高學(xué)生的水平;同時(shí)為教師提供物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用研究的科研平臺,通過創(chuàng)新實(shí)訓(xùn)室設(shè)備促進(jìn)教師與科研人員進(jìn)行更好的科研研究,為教師、學(xué)生和管理人員提供智能化、安全化、可視化的管理平臺。