徐季旻

(上海交通大學(xué)學(xué)生創(chuàng)新中心， 上海 200240)

0 引言

物聯(lián)網(wǎng)是新一代信息技術(shù)的重要組成部分，其英文名稱是“Internet of Things(IoT)”。物聯(lián)網(wǎng)通過廣泛部署在具有嵌入式識別、傳感或驅(qū)動功能的空間分布式設(shè)備，從互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上延伸、擴展到物理領(lǐng)域相關(guān)的各個方面。物聯(lián)網(wǎng)設(shè)想了一個未來，通過適當(dāng)?shù)男畔⒑屯ㄐ偶夹g(shù)，將數(shù)字和物理實體聯(lián)系起來，使一類全新的應(yīng)用程序和服務(wù)得以實現(xiàn)[1]。物聯(lián)網(wǎng)的前景非常美好，2009年被正式列為國家新興戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)之一。與物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的芯片、感知、控制、網(wǎng)絡(luò)、5G、虛擬化等行業(yè)也一直在快速地發(fā)展，人才需求量大。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在機械工程、動力工程、車輛工程等傳統(tǒng)工科專業(yè)方向有著廣泛的應(yīng)用?？梢匀谌霚y試、測量和控制各個環(huán)節(jié)。伴隨著新工科的建設(shè)，物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)特別是面向應(yīng)用實踐的物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)，已經(jīng)逐步成為傳統(tǒng)工科專業(yè)的共性需求。根據(jù)教育部2019年6月發(fā)布的數(shù)據(jù)，全國高等學(xué)校共計2956所，而其中開設(shè)有物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的大學(xué)不到400所。即便開設(shè)有物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的高校，學(xué)生與其它專業(yè)的學(xué)生的交流協(xié)作也并不是非常充分。如何做好物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)，滿足學(xué)生的學(xué)習(xí)需求，并為他們在專業(yè)方向的創(chuàng)新助力，是一個值得去嘗試的課題。在這里分享上海交通大學(xué)面向創(chuàng)新實踐的物聯(lián)網(wǎng)通識課程的建設(shè)探索經(jīng)驗，希望能夠?qū)π值芨咝Ｎ锫?lián)網(wǎng)相關(guān)教學(xué)育人的工作有所啟發(fā)。

1 物聯(lián)網(wǎng)通識課程的教學(xué)規(guī)劃

自2011年教育部批準的第一批設(shè)立“物聯(lián)網(wǎng)”本科專業(yè)的35所高校開始招生，近年來新設(shè)立的物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)，多是以原通信、計算機、軟件學(xué)院為基礎(chǔ)，學(xué)科交叉合并設(shè)立的，所以有比較扎實的教學(xué)基礎(chǔ)[2]?？疾煳靼步煌ù髮W(xué)、武漢大學(xué)、北京科技大學(xué)等高校的物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)培養(yǎng)計劃，可以發(fā)現(xiàn)基本上都包括計算機組成原理、模擬電子技術(shù)、數(shù)字電路、信號與系統(tǒng)、通信原理、計算機網(wǎng)絡(luò)、程序設(shè)計、RFID原理與應(yīng)用、傳感器網(wǎng)絡(luò)、嵌入式系統(tǒng)、程序設(shè)計、軟件工程等核心課程。課程涵蓋基礎(chǔ)理論與軟硬件，技術(shù)涉及眾多。適合專業(yè)學(xué)生打下良好的學(xué)科基礎(chǔ)；也是一種寬口徑、重能力的培養(yǎng)方式。

上海交通大學(xué)學(xué)生創(chuàng)新中心在雙創(chuàng)示范基地建設(shè)的過程中，作為一個全校的公共創(chuàng)新實踐平臺，開設(shè)的物聯(lián)網(wǎng)通識課程沒有專業(yè)的硬性劃分，面向全校所有感興趣的學(xué)生開放。但是僅靠一門課程是不可能覆蓋專業(yè)教學(xué)計劃的課程范圍，所以課程的設(shè)置必須要從物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)課程中抽取出核心的要素，要讓非專業(yè)學(xué)生能夠短時間內(nèi)建立起完整的物聯(lián)網(wǎng)工程的概念。更為重要的是要利用課程有限的課時，讓學(xué)生能夠真正玩轉(zhuǎn)物聯(lián)網(wǎng)，掌握各個環(huán)節(jié)的關(guān)鍵性技術(shù)，建立起屬于自己的小型完整系統(tǒng)。在課程結(jié)束以后，同學(xué)們根據(jù)課堂所學(xué)，可以遠程實現(xiàn)測試測量，也可以通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)自動化控制；能夠根據(jù)各自的專業(yè)，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)給交通、家居、安防、能源、醫(yī)療、建筑、制造、農(nóng)業(yè)方向大大小小的場景賦予智能。在這個快速發(fā)展與迭代的行業(yè)中，與引領(lǐng)行業(yè)方向的龍頭企業(yè)的緊密合作是非常有必要的。物聯(lián)網(wǎng)通識課程就是與華為公司開展的校企聯(lián)合課程。學(xué)生創(chuàng)新中心持續(xù)推動產(chǎn)學(xué)合作、協(xié)同育人，努力打造產(chǎn)業(yè)界與大學(xué)的握手區(qū)。采用校企聯(lián)合課程的形式，邀請企業(yè)優(yōu)秀的一線工程師來學(xué)校給學(xué)生授課，帶來業(yè)界前沿的技術(shù)平臺與開發(fā)經(jīng)驗。豐富的應(yīng)用案例可供學(xué)生借鑒參考，也能讓學(xué)生體驗到新技術(shù)落地的方式。校內(nèi)老師與企業(yè)導(dǎo)師共同協(xié)商確定教學(xué)內(nèi)容和范圍，發(fā)揮各自所長，合理分工。校內(nèi)老師幫助學(xué)生理清基本概念，做好課堂組織與學(xué)生的教學(xué)管理。企業(yè)導(dǎo)師負責(zé)搭建實驗環(huán)境，傳授開發(fā)方法，指導(dǎo)學(xué)生操作。整個課程偏重于實踐，理論部分課時占比不超過三分之一。以項目式學(xué)習(xí)法引導(dǎo)學(xué)習(xí)過程，鼓勵學(xué)生積極地獲取知識、收集信息、探討方案，讓學(xué)生將學(xué)到的知識學(xué)以致用解決具有現(xiàn)實意義的問題，達到實現(xiàn)面向創(chuàng)新實踐的課程目標。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)通識課程的教學(xué)規(guī)劃Fig.1 Teaching program for general teaching of Internet of Things

2 物聯(lián)網(wǎng)通識課程實踐內(nèi)容設(shè)計

通常的物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層[3]。感知層主要完成信息的采集、轉(zhuǎn)換和收集，網(wǎng)絡(luò)層主要完成信息傳遞和處理，應(yīng)用層主要完成數(shù)據(jù)的管理和數(shù)據(jù)的處理，并將這些數(shù)據(jù)與行業(yè)應(yīng)用相結(jié)合。即便是專業(yè)學(xué)院，設(shè)計跨越物聯(lián)網(wǎng)三層體系架構(gòu)的綜合性實驗，也面臨著眾多挑戰(zhàn)。感知層有著類型眾多的傳感器和終端；網(wǎng)絡(luò)層面臨著不同距離、不同功耗的通信方式以及種類繁多的通信協(xié)議；應(yīng)用層缺乏開放的云平臺，數(shù)據(jù)往往匯總到一臺上位機，數(shù)據(jù)收集很難變成數(shù)據(jù)服務(wù)。實踐是本類課程的重中之重，實驗內(nèi)容、實驗設(shè)備和實驗平臺的遴選尤為重要。華為公司基于“平臺+生態(tài)”戰(zhàn)略推出的華為物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)認證體系的實驗內(nèi)容和圍繞“云-管-端”協(xié)同的新ICT技術(shù)架構(gòu)，針對高校的教學(xué)做一些優(yōu)化，與本門課程的教學(xué)目標是相當(dāng)契合的。

圖2 物聯(lián)網(wǎng)的體系架構(gòu)與實驗平臺Fig.2 Architecture and experiment platform of Internet of Things

物聯(lián)網(wǎng)感知層數(shù)據(jù)一般通過射頻識別或傳感器獲取，控制功能往往通過數(shù)字量或者數(shù)模轉(zhuǎn)換，經(jīng)耦合電路實現(xiàn)。這樣的終端一般都是一個嵌入式系統(tǒng)。對于沒有數(shù)字電路、模擬電路、嵌入式開發(fā)基礎(chǔ)的學(xué)生來說，是一道比較高的門檻。我們選擇華為BearPi開發(fā)板和LiteOS開源操作系統(tǒng)結(jié)合的課程實踐方案，最大的優(yōu)點就是軟硬件都是模塊化設(shè)計，即適合學(xué)生快速上手，也能夠深度開發(fā)。BearPi開發(fā)板上的主芯片是STM32L4系列的低功耗高性能ARM內(nèi)核MCU，是同學(xué)們很容易接觸到的主流單片機。開發(fā)板上實現(xiàn)了最小系統(tǒng)，具備在線下載、調(diào)試、仿真的能力，配備了基本的按鍵和LED，有TFT顯示屏，這對初學(xué)者很友好；擴展了Flash和SD卡，有足夠的容量應(yīng)對各種現(xiàn)場數(shù)據(jù)存儲。通信模塊和傳感器通過通信接口和E53傳感器接口接入，具有很大的靈活性；還配備了光照、煙霧、溫濕度傳感器、GPS接收器等，針對一些典型應(yīng)用場景可以讓學(xué)生直接去嘗試。Huawei LiteOS是華為針對物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域推出的輕量級實時操作系統(tǒng)。如果沒有操作系統(tǒng)，單片機開發(fā)中的時鐘配置、寄存器、定時器、中斷、串行總線接口等等，都會耗費學(xué)生大量的時間，無法專注于功能性開發(fā)學(xué)習(xí)。有了操作系統(tǒng)，底層硬件被屏蔽，只需要少量C語言基礎(chǔ)知識，就可以實現(xiàn)硬件初始化，通過創(chuàng)建并行的任務(wù)來獲取數(shù)據(jù)，完成所需功能。有大量的示例文件，可以直接把外設(shè)模塊都驅(qū)動起來。大大降低了入門難度，提高了開發(fā)效率。有能力的同學(xué)可以深入地去實現(xiàn)系統(tǒng)資源的申請、多任務(wù)的配合、優(yōu)先級的調(diào)度、任務(wù)間的通信等，甚至可以編寫自己的API。

對于未來物聯(lián)網(wǎng)的使用，網(wǎng)絡(luò)層應(yīng)該是一個泛在網(wǎng)絡(luò)。國際電信聯(lián)盟電信標準局( ITU-T) 認為泛在網(wǎng)絡(luò)具有以最小的技術(shù)限制，能夠在任何地點、任何時間，以任何方式為個人和/或設(shè)備提供所訂購的服務(wù)和通信能力[4]。鑒于目前運營商的網(wǎng)絡(luò)部署以及從教學(xué)的角度出發(fā)，課程實踐方案中網(wǎng)絡(luò)層的通信方式主要選擇NB-IoT與WiFi兩種形式。學(xué)生們?nèi)粘Ｓ龅降奈锫?lián)網(wǎng)應(yīng)用(抄表、監(jiān)測數(shù)據(jù)、開關(guān)量控制、經(jīng)緯度等)對功耗、覆蓋、連接數(shù)量這幾個指標，非常敏感；而對于速率反而并不敏感。使用LPWAN(Low Power Wide Area Network)低功耗廣域網(wǎng)技術(shù)是最方便的。如果選擇無線局域網(wǎng)通信技術(shù)，藍牙的傳輸距離短、連接的設(shè)備數(shù)量有限；ZigBee的自組網(wǎng)形式比較復(fù)雜，學(xué)生不易掌握。而且無線局域網(wǎng)與公網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸，離不開邊緣網(wǎng)關(guān)的支撐。NB-IoT作為價格低廉、低功耗、大連接、廣覆蓋的廣域網(wǎng)技術(shù)，很適合學(xué)生在教室、實驗室、宿舍等任何地點開展實驗?；贜B-IoT的共享單車智能鎖，就是一個很好的案例，有助于學(xué)生對技術(shù)的理解。如果是對速率有要求的大量數(shù)據(jù)的傳輸需求，本課程的實踐是通過WiFi模塊傳輸。WiFi路由器已經(jīng)非常普及，設(shè)置簡單，針對應(yīng)用層的數(shù)據(jù)傳輸也近乎是一種透傳的形式。當(dāng)然，開發(fā)板上通信模塊也比較容易替換，也可以嘗試2G、4G模塊、華為HiLink模塊等，未來比較理想的是切換成5G模塊。

缺乏專業(yè)的應(yīng)用層平臺一直是物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)的痛點。匯集的各種端側(cè)數(shù)據(jù)無處可去，也難以便捷地被訪問到；要實現(xiàn)遠程的逆向響應(yīng)更是困難。網(wǎng)上有一些開源的物聯(lián)網(wǎng)平臺，比如Kaa和SiteWhere，但是這些平臺的部署已遠遠超出本類課程的范圍。而華為OceanConnect就是一個終端接入解耦、平臺與應(yīng)用分離、安全可靠的物聯(lián)網(wǎng)鏈接管理平臺，支持有線和無線的接入方式，支持HTTP/S、MQTTS、LWM2M/CoAP原生接入，符合一般物聯(lián)網(wǎng)終端的接入?yún)f(xié)議。更為重要的是，一般學(xué)生在進行數(shù)據(jù)傳輸時，只考慮數(shù)據(jù)的功能性，對數(shù)據(jù)的安全性幾乎不考慮。通過自定義的數(shù)據(jù)格式傳輸，一開始也不太容易讓別人搞得清楚字段的含義。但是如果變成一種正式的應(yīng)用，數(shù)據(jù)一旦被截獲后又毫無安全可言，很快就會被破解。OceanConnect平臺在傳輸信息前先建立TLS/DTLS安全連接，防止數(shù)據(jù)被竊取和篡改。通過設(shè)備接入鑒權(quán)、創(chuàng)建傳感器鑒權(quán)和上報數(shù)據(jù)鑒權(quán)，防止非法設(shè)備的越權(quán)訪問。這些細節(jié)代碼雖然不用學(xué)生去實現(xiàn)，但是傳輸數(shù)據(jù)時必須符合相應(yīng)的規(guī)范，能很好地幫助學(xué)生建立起網(wǎng)絡(luò)安全和可靠性意識。設(shè)定規(guī)則引擎，比如溫度高于于26度就打開空調(diào)的響應(yīng)動作，早上8點后作為觸發(fā)條件關(guān)閉走廊的燈。規(guī)則可以和設(shè)備、應(yīng)用、告警綁定，當(dāng)綁定的信息滿足條件時，自動化執(zhí)行響應(yīng)動作。藉此學(xué)生就可以面向終端用戶實現(xiàn)完整的控制邏輯。OceanConnect提供一個門戶網(wǎng)站服務(wù)器，第三方應(yīng)用APP憑借申請的ID和密碼，可以訪問開放的API。除了在網(wǎng)站上直接查詢設(shè)備數(shù)據(jù)和進行控制，有能力的學(xué)生還可以做出自己的移動端APP，增加用戶的交互性。

綜上所述，華為“端、管、云”的平臺、協(xié)議、終端技術(shù)，是跨越物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)，適合開展物聯(lián)網(wǎng)通識教學(xué)的實踐環(huán)境。

3 多元化的課程形式與創(chuàng)新活動拓展

自2017年起，上海交通大學(xué)學(xué)生創(chuàng)新中心已經(jīng)和華為聯(lián)合開設(shè)了2次物聯(lián)網(wǎng)校企聯(lián)合公開課，受到學(xué)生的廣泛歡迎。每次課程有來自機械與動力、船舶、電子、材料、環(huán)境、空天等不同學(xué)院多個專業(yè)的70多名學(xué)生參加，取得了良好的教學(xué)效果。說明課程教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計是符合不同專業(yè)學(xué)生的物聯(lián)網(wǎng)學(xué)習(xí)需求的。物聯(lián)網(wǎng)公開課程逐步優(yōu)化后，又轉(zhuǎn)化成基礎(chǔ)實踐課程的教學(xué)模塊。基礎(chǔ)實踐課程是上海交大理工科專業(yè)學(xué)生都必修的一門課程。傳統(tǒng)的基礎(chǔ)實踐課程以機械制造的內(nèi)容為主。物聯(lián)網(wǎng)的教學(xué)內(nèi)容引入后，一方面可以覆蓋到更多的學(xué)生，真正起到了通識教育的目的；另一方面也為學(xué)生拓展了知識面，提升了他們的實踐動手能力。今后在他們的專業(yè)方向上進行創(chuàng)新的時候，自然會用到課程中學(xué)習(xí)到的平臺和技術(shù)，有效提高了他們的開發(fā)效率。

其實，學(xué)生們的創(chuàng)新動力還是非常強烈的。物聯(lián)網(wǎng)通識課程并沒有選擇理論考試作為課程考核內(nèi)容，而是要求學(xué)生3-5人組成一個小組，獨立完成一個物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用項目的設(shè)計并做出作品原型。在課程最后的項目答辯中，學(xué)生們的創(chuàng)意和作品完成度，經(jīng)常超出任課教師和企業(yè)工程師的預(yù)期。為了鼓勵學(xué)生持續(xù)利用學(xué)到的知識和開發(fā)技能，讓課程作為創(chuàng)新的起點，而不是教學(xué)的終點。課程結(jié)束后鼓勵學(xué)生進行“大學(xué)生創(chuàng)新實踐項目”(簡稱大創(chuàng)項目)立項，通過大創(chuàng)項目的經(jīng)費支持，持續(xù)讓學(xué)生進行作品迭代。通過校企聯(lián)合的形式將項目從校內(nèi)推向校外，并實行課賽結(jié)合。近年來，從課程中走出的學(xué)生團隊在教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項目中成功立項4項；2018年、2019年有多支學(xué)生團隊獲得“全國大學(xué)生物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計競賽”一、二等獎。今后，還要繼續(xù)培育師資，讓校內(nèi)教師與業(yè)界的工程師充分互動、相互促進、共同提高，不斷將行業(yè)的新技術(shù)引入課程，持續(xù)提高課程的教學(xué)質(zhì)量。