王青芝

（青島理工大學(xué)琴島學(xué)院，山東 青島 266106）

0 引言

科技進(jìn)步推動(dòng)不同領(lǐng)域技術(shù)的融合創(chuàng)新，各行各業(yè)推進(jìn)數(shù)字化改革，對(duì)創(chuàng)新型復(fù)合人才的需求與日俱增，因此，高校人才培養(yǎng)目標(biāo)向著“協(xié)同創(chuàng)新”“學(xué)科融合”方向發(fā)展[1]。物聯(lián)網(wǎng)作為一個(gè)涉及計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、電子技術(shù)、測(cè)控技術(shù)、機(jī)械制造等專業(yè)的交叉學(xué)科，各大高校在設(shè)立培養(yǎng)方案時(shí)均從跨專業(yè)融合教學(xué)方面著手。結(jié)合我院綜合實(shí)踐教學(xué)培養(yǎng)現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)基于物聯(lián)網(wǎng)的跨專業(yè)融合教學(xué)系統(tǒng)，其教學(xué)目的主要有以下兩個(gè)方面：

（1）以物聯(lián)網(wǎng)實(shí)踐項(xiàng)目為基礎(chǔ)，培養(yǎng)不同專業(yè)學(xué)生之間團(tuán)結(jié)協(xié)作的能力，發(fā)揮各個(gè)專業(yè)學(xué)生實(shí)踐能力，來共同解決實(shí)際問題，淡化專業(yè)的“專一性”，以達(dá)到融合教學(xué)的目的。

（2）以“硬件平臺(tái)”+“仿真平臺(tái)”相結(jié)合的方式，對(duì)不同專業(yè)學(xué)生因材施教。其具體體現(xiàn)如下：

①感知層技術(shù)的研發(fā)。傳統(tǒng)意義上感知層是多為物聯(lián)網(wǎng)工程、電子信息工程以及嵌入式工程等具有硬件開發(fā)基礎(chǔ)專業(yè)的學(xué)生研究。而本教學(xué)系統(tǒng)軟件提供模擬仿真平臺(tái)，各專業(yè)學(xué)生均可參與研究。

②網(wǎng)絡(luò)層技術(shù)的研發(fā)。傳統(tǒng)意義上的網(wǎng)絡(luò)層實(shí)現(xiàn)信息系統(tǒng)中的實(shí)體間的通信與互聯(lián)，多為網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)的學(xué)生研究。而本教學(xué)系統(tǒng)軟件中的網(wǎng)絡(luò)層實(shí)現(xiàn)了物理世界與信息系統(tǒng)的互聯(lián)，并采用模擬仿真系統(tǒng)，各專業(yè)學(xué)生都可參與到該系統(tǒng)中，學(xué)以致用。

③應(yīng)用層技術(shù)的研發(fā)。傳統(tǒng)意義上的應(yīng)用層多為網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)、計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)等有上層應(yīng)用開發(fā)經(jīng)驗(yàn)專業(yè)的學(xué)生研究。基于本系統(tǒng)各專業(yè)的學(xué)生均可將自己的產(chǎn)品通過應(yīng)用層平臺(tái)發(fā)布到手機(jī)、PC客戶端進(jìn)行相關(guān)操作并查看效果。

1 基于物聯(lián)網(wǎng)的跨專業(yè)融合教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要由感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層三層構(gòu)成。其中，感知層采用OneNET NB-IOT開發(fā)板及各類傳感器搭建硬件電路，或者Cisco Packet Tracer軟件平臺(tái)仿真兩種方式；網(wǎng)絡(luò)層采用NB模塊與OneNET平臺(tái)互聯(lián)或Cisco Packet Tracer仿真平臺(tái)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)和路由的配置兩種方式；應(yīng)用層借助中國(guó)移動(dòng)OneNET應(yīng)用平臺(tái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在多種設(shè)備上的圖形化展示和用戶指令的下達(dá)。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 基于物聯(lián)網(wǎng)的跨專業(yè)融合教學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 基于物聯(lián)網(wǎng)的跨專業(yè)融合教學(xué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

基于物聯(lián)網(wǎng)的跨專業(yè)融合教學(xué)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)從感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層三層展開。首先，通過各類傳感器感應(yīng)環(huán)境的溫度、濕度、煙霧濃度等信息傳遞給單片機(jī)；其次，單片機(jī)將物理信息收集處理后，通過依托于中國(guó)移動(dòng)網(wǎng)的NB模組或構(gòu)建局域網(wǎng)的方式傳遞給上層應(yīng)用平臺(tái)；最后，應(yīng)用平臺(tái)接收信息并進(jìn)行分析處理，在PC端或手機(jī)端直觀展示，或者下達(dá)指令控制相關(guān)智能家居設(shè)備執(zhí)行加濕、通風(fēng)、加熱、開燈以及報(bào)警等功能[2]。

2.1 感知層構(gòu)建與實(shí)現(xiàn)

感知層采用OneNET NB-IOT開發(fā)板及各類傳感器搭建硬件電路，或者使用Cisco Packet Tracer軟件平臺(tái)仿真兩種方式，其具體實(shí)現(xiàn)如下：

（1）采用OneNET NB-IOT開發(fā)板及各類傳感器搭建硬件電路。

圖2是OneNET NB-IOT開發(fā)板實(shí)物圖，OneNET NB-IOT開發(fā)板以ARM Cortex-M3 32位微處理器STM32F103RET6為核心,通過LCD1602實(shí)時(shí)地顯示傳感器DHT11檢測(cè)到的溫濕度值，同時(shí)，搭載中國(guó)移動(dòng)的M5310NB模組，通過AT指令實(shí)現(xiàn)與OneNET平臺(tái)的互聯(lián)互通。

圖2 OneNET NB-IOT 開發(fā)板實(shí)物圖

（2）使用Cisco Packet Tracer軟件平臺(tái)仿真。對(duì)于網(wǎng)絡(luò)工程、計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)等專業(yè)學(xué)生，其課程體系中沒有單片機(jī)和傳感器等硬件基礎(chǔ)課程，可以使用Cisco Packet Tracer軟件平臺(tái)仿真各類傳感器和開發(fā)板的功能，完成感知層設(shè)備的搭建（如圖3所示）。

圖3 基于Cisco Packet Tracer 平臺(tái)的溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

2.2 網(wǎng)絡(luò)層構(gòu)建與實(shí)現(xiàn)

網(wǎng)絡(luò)層采用NB模塊與OneNET平臺(tái)互聯(lián)或通過仿真平臺(tái)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)和路由的配置，其具體實(shí)現(xiàn)如下：

（1）采用NB模塊與OneNET平臺(tái)互聯(lián)。由于OneNET NB-IOT開發(fā)板內(nèi)置OneNET協(xié)議的NB模組M5310,用戶通過AT指令完成開發(fā)板與OneNET平臺(tái)的互聯(lián)互通。設(shè)備接入OneNET流程圖如圖4所示。

圖4 設(shè)備接入OneNET 流程圖

（2）通過仿真平臺(tái)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)和路由的配置。對(duì)于網(wǎng)絡(luò)工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)以外大多數(shù)專業(yè)的學(xué)生沒有接觸過路由與交換的課程，讓學(xué)生實(shí)際去搭建局域網(wǎng)或移動(dòng)網(wǎng)系統(tǒng)存在一定難度。通過仿真平臺(tái)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)和路由的配置，可以通過模擬仿真的形式如圖3所示，使學(xué)生搭建局域網(wǎng)或使用移動(dòng)網(wǎng)，同時(shí)了解與使用MQTT、HTTP、TCP、LwM2M等多種協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)[3]。

2.3 應(yīng)用層構(gòu)建與實(shí)現(xiàn)

應(yīng)用層借助中國(guó)移動(dòng)OneNET平臺(tái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在多種設(shè)備上的圖形化展示，其基本流程如圖5所示。PC端溫濕度數(shù)據(jù)流展示與智能家居控制如圖6所示，手機(jī)端溫濕度數(shù)據(jù)展示與閾值設(shè)定如圖7所示。

圖5 OneNET 平臺(tái)設(shè)備構(gòu)建與數(shù)據(jù)展示流程圖

圖6 PC 端溫濕度數(shù)據(jù)流展示與智能家居控制

圖7 手機(jī)端溫濕度數(shù)據(jù)展示與閾值設(shè)定

應(yīng)用層不僅可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在多種設(shè)備上的圖形化展示，同時(shí)可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理和下發(fā)指令控制相應(yīng)智能設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)[4-10]。比如溫度過高時(shí)，打開風(fēng)扇；溫度過低時(shí)，打開加熱片；濕度過低時(shí)，打開加濕器等。

圖8 溫度過高時(shí)，風(fēng)扇開啟

圖9 打開家門，各種智能家居設(shè)備自動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)

3 結(jié)語

基于物聯(lián)網(wǎng)的跨專業(yè)融合教學(xué)系統(tǒng)立足我院實(shí)踐融合教學(xué)現(xiàn)狀，以物聯(lián)網(wǎng)實(shí)踐項(xiàng)目為依托，采用軟件平臺(tái)仿真和硬件系統(tǒng)搭建兩種方式，靈活性高，實(shí)用性強(qiáng)。該系統(tǒng)面向多個(gè)專業(yè)的學(xué)生，符合跨專業(yè)，學(xué)科融合的需求。后期可對(duì)其應(yīng)用平臺(tái)進(jìn)一步擴(kuò)展，開發(fā)更多實(shí)踐教學(xué)案例，以滿足不同專業(yè)，不同研究方向的學(xué)生使用。