楊立志，金海峰

（江陰職業(yè)技術(shù)學(xué)院 計算機科學(xué)系，江蘇 江陰 214433）

0 引 言

當(dāng)前，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的日益成熟和廣泛應(yīng)用，人們的生產(chǎn)生活效率得到了大幅的提高，企事業(yè)單位的管理、作業(yè)模式發(fā)生了巨大變化，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)本身及相關(guān)人才越來越受到應(yīng)用行業(yè)的青睞。

然而，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)涉及到聲、光、電等多個領(lǐng)域的知識，應(yīng)用背景更是多種多樣。在教學(xué)中，如果僅僅按照傳統(tǒng)的教學(xué)模式和課程體系，圍繞物聯(lián)網(wǎng)的3層結(jié)構(gòu)[1]，設(shè)計模擬的應(yīng)用場景，如智能交通、智能農(nóng)業(yè)等，講解諸如電子、網(wǎng)絡(luò)、程序設(shè)計等軟硬件知識，雖然能夠涵蓋從事物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用所需的一般知識和技能，但由于模擬場景無法引起學(xué)生足夠的重視，模擬應(yīng)用中的任務(wù)對學(xué)生來說也是不痛不癢，所以學(xué)生學(xué)習(xí)和掌握這些知識和技能仍然需要一個漫長的過程，具體到實際應(yīng)用領(lǐng)域仍然是一知半解。如何結(jié)合實際的應(yīng)用場景并組織相關(guān)知識點在高職物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)中開展教學(xué)是本文要探討的主要問題。

1 搭建實際工業(yè)應(yīng)用場景

本文選擇智能電化學(xué)水處理器控制系統(tǒng)，經(jīng)適當(dāng)簡化，作為物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)課程體系建設(shè)的“龍骨”，該智能電化學(xué)水處理器的主要功能是，通過形成一種帶有疊加脈沖效應(yīng)的低壓電場，對水的硬度、含菌量等指標進行改善，從而應(yīng)用到中央空調(diào)循環(huán)水處理，以及鋼鐵、電子、紡織、發(fā)電等行業(yè)的廢水再利用，循環(huán)水處理環(huán)節(jié)中，該設(shè)備的優(yōu)點主要表現(xiàn)在能夠替代傳統(tǒng)的依靠化學(xué)方法對水進行處理的方式，既節(jié)省成本又避免二次污染。

圍繞設(shè)備的主要功能，其主要組成單元如圖1所示。圖1中人機交互界面主要作為本地控制的接口，工業(yè)DTU作為設(shè)備與遠程服務(wù)器進行聯(lián)絡(luò)的接口，水質(zhì)傳感器組主要完成電導(dǎo)率、硬度、酸堿度等相關(guān)水質(zhì)參數(shù)的測量，此類參數(shù)有以下3種去向：

圖1 智能水處理設(shè)備功能單元

（1）傳送到人機交互界面進行顯示。

（2）經(jīng)DTU傳送到遠程服務(wù)器進行顯示。

（3）現(xiàn)場控制器自身將根據(jù)水質(zhì)參數(shù)當(dāng)前值和目標值對電場及脈沖參數(shù)進行調(diào)整，以期盡快達到最佳處理效果。

在系統(tǒng)中除了具有協(xié)助設(shè)備進行工作的傳感器，還具有在設(shè)備運行過程中保護設(shè)備安全的保護傳感器組。保護傳感器組主要完成水溫、水流速、電場電壓、電流等參數(shù)的采集，將此類參數(shù)提交給現(xiàn)場控制器進行決策，保證系統(tǒng)的安全運行。按照電化學(xué)的理論，帶有脈沖效應(yīng)的低壓電場對于水質(zhì)的改善效果要明顯優(yōu)于沒有脈沖效應(yīng)的低壓電場。據(jù)此，本系統(tǒng)還設(shè)計了脈沖放大器組，用于提高水處理效果。I/O擴展器的主要功能是根據(jù)現(xiàn)場控制器的指令，驅(qū)動設(shè)備上的相關(guān)動力元件、功能部件等按照工藝流程進行工作。

2 課程體系規(guī)劃

上述系統(tǒng)涉及到物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)多個方面的知識和技能，主要有：

（1）溫度、電壓、電流等常用傳感器功能特點及應(yīng)用，傳感器安裝及調(diào)試。該部分需要學(xué)生掌握的內(nèi)容主要有傳感器在項目中的作用、傳感器的數(shù)據(jù)輸出方式、量程規(guī)格、供電方式、防護等級等。比如電導(dǎo)率傳感器，其直接作用是測量不同水質(zhì)的導(dǎo)電能力，供電氣人員判斷電化學(xué)設(shè)備的電解電流大小，間接作用是能夠給水質(zhì)監(jiān)測人員提供水質(zhì)硬度判斷依據(jù)。該類型的傳感器測量到的數(shù)據(jù)如何傳輸給控制器，或者說控制器如何從傳感器中“拿到”測量值，是學(xué)生必須要掌握的知識。

眾所周知，常見工業(yè)傳感器的數(shù)據(jù)輸出方式一般有兩種：4～20 mA模擬量和RS 485通信。對于類似于4～20 mA的模擬量輸出信號，還要求學(xué)生理解掌握換算方法；對于以RS 485方式輸出的信號，往往按照ModBus協(xié)議與接收方交互，ModBus協(xié)議已經(jīng)發(fā)展為一種工業(yè)技術(shù)標準[2]，掌握ModBus協(xié)議對于學(xué)生具有特別重要的意義。

（2）循環(huán)水泵、水閥、除垢電機等各種動力元件的工作特點及其控制方法，循環(huán)水工藝、排污工藝流程算法設(shè)計。從動力元件的控制精確度、可靠性關(guān)系到設(shè)備生產(chǎn)、處理產(chǎn)品的質(zhì)量，相關(guān)動力元件的工藝流程的聯(lián)鎖動作不僅關(guān)系到產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量，也關(guān)系到設(shè)備運行安全[3]。這部分知識往往是一般課程尤其是偏重于理論型課程中涉及不到的，許多學(xué)生畢業(yè)后由于沒有這方面知識經(jīng)驗的積累，往往需要在工作崗位上實踐很長時間才能有信心、有底氣去著手動力元件的控制開發(fā)。在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用相關(guān)課程中設(shè)置這部分內(nèi)容，有利于學(xué)生在課堂上就可以掌握工控領(lǐng)域中動力元器件的工作特性，安裝、維護方法，運行控制方法。這樣一來，就可以在工作崗位上從容應(yīng)對。

（3）現(xiàn)場控制器功能特點、使用方法、程序設(shè)計方法。隨著技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)前工控領(lǐng)域有眾多的現(xiàn)場控制器、各種類型的PLC、各個廠家的單片機，由于應(yīng)用場景、用戶需求、控制流程復(fù)雜度等各種因素的不同，而各有應(yīng)用優(yōu)勢。但ARM系列處理器因為穩(wěn)定性、運行速度、價格優(yōu)勢等多方面的因素被越來越多地應(yīng)用到各種領(lǐng)域中[4]。以意法半導(dǎo)體的Cortex-M系列微處理器為主的各類工業(yè)控制器在抗干擾性、耐惡劣環(huán)境能力等方面經(jīng)過眾多廠商的努力得到了很高的提升，再加上其本身擁有眾多的用戶群，今年來在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用領(lǐng)域也得到了廣泛的應(yīng)用。

本文所述項目也是基于STM32F407IGT控制器進行開發(fā)，其豐富的硬件接口和資源為外圍器件的選型提供了極大的便利，如工業(yè)觸屏、工業(yè)DTU、擴展I/O模塊、電流電壓采集模塊、各類傳感器等。

軟件設(shè)計采用嵌入式實時操作系統(tǒng)作為基礎(chǔ)框架，該部分知識也是學(xué)生需要掌握的重點內(nèi)容，許多嵌入式實時操作系統(tǒng)，體積小，源碼開放，整合了操作系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度、資源管理等方面的核心內(nèi)容，是學(xué)生學(xué)習(xí)和掌握操作系統(tǒng)相關(guān)知識的入門首選內(nèi)容。

（4）人機交互設(shè)備使用方法、界面組態(tài)方法。人機交互是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)必不可少的一項內(nèi)容[5]，為設(shè)備提供了現(xiàn)場控制、運行參數(shù)監(jiān)視等重要功能。常見的人機交互設(shè)備主要有基于TCP/IP通信方法、基于RS 485通信方法、基于RS 232串口通信方法和基于TTL串口的通信方法等類型的觸摸屏[6-7]，這幾種類型的觸摸屏由于控制簡單、靈活且功能強大，在實際開發(fā)中應(yīng)用較多。眾多的生產(chǎn)廠家也為各自推出的觸摸屏量身定制了開發(fā)（組態(tài)）環(huán)境，使得用戶經(jīng)過簡單的學(xué)習(xí)或者練習(xí)就能夠設(shè)計出精美的工控界面，并快速應(yīng)用到產(chǎn)品中去。本文所述項目中使用了昆侖通態(tài)工業(yè)觸屏作為產(chǎn)品本地控制界面，這部分內(nèi)容的學(xué)習(xí)對于學(xué)生而言基本沒有門檻，同時也能增加學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和獲得感。

（5）遠程服務(wù)器構(gòu)建方法，以及設(shè)備組網(wǎng)、參數(shù)采集、遠程控制等功能的組態(tài)方法。與人機交互設(shè)備的開發(fā)類似，當(dāng)前工業(yè)服務(wù)器也有眾多成熟的產(chǎn)品[8]，如組態(tài)王、力控等。工業(yè)服務(wù)器也一樣提供組態(tài)環(huán)境，在組態(tài)環(huán)境中，除了含有基本的交互組件，如按鈕、文本框等之外，還含有實時數(shù)據(jù)存儲與轉(zhuǎn)換的各類變量，而與本地控制組態(tài)軟件不同的是，工業(yè)服務(wù)器組態(tài)軟件含有與本地或遠程數(shù)據(jù)庫的交互手段與方法，其中提供的虛擬遠程通信接口與物理遠程通信模塊的對接方法、通信協(xié)議的定義及其規(guī)則的應(yīng)用等是相對難以理解和掌握的內(nèi)容。這些知識需要學(xué)生通過觀察理解實驗現(xiàn)象、實踐練習(xí)等手段才能理解和掌握。

（6）斷路器、保險器、電源、DTU等模塊選型、安裝，控制柜布局、布線，設(shè)備調(diào)試、安裝等相關(guān)知識。該部分知識和技能是構(gòu)建工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品的“磚瓦”，學(xué)生從事工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用一般是從掌握和應(yīng)用這部分知識和技能開始的。這部分知識對于學(xué)生工程素質(zhì)的培養(yǎng)和形成，工程思維能力的鍛煉有許多幫助，學(xué)習(xí)和掌握好這部分知識和技能能夠為學(xué)生日后從事工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計和開發(fā)打下堅實的基礎(chǔ)，具有重要意義。

圍繞上述知識和技能特點，本文對高職物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)相關(guān)課程設(shè)置見表1所列。

表1中，專業(yè)基礎(chǔ)課程部分的C程序設(shè)計、仿真機器人及嵌入式機器人編程三門課程在教學(xué)過程中按照上述順序串行實施。仿真機器人課程以Robomind平臺為教學(xué)環(huán)境，通過設(shè)計虛擬有趣的任務(wù)場景，讓學(xué)生學(xué)習(xí)掌握函數(shù)定義、調(diào)用、傳遞參數(shù)以及算法設(shè)計等知識。嵌入式機器人編程以Arduino系列單片機為硬件平臺，以Proteus為電路仿真平臺，以巡線機器人為課程任務(wù)開展教學(xué)，對專業(yè)基礎(chǔ)課程部分的知識和技能進行綜合運用，為后續(xù)專業(yè)課程相關(guān)內(nèi)容學(xué)習(xí)做好準備。

表1 高職物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)課程設(shè)置

專業(yè)課程部分以傳感器技術(shù)與應(yīng)用、現(xiàn)場控制器程序設(shè)計作為物聯(lián)網(wǎng)傳感層開發(fā)技術(shù)的核心課程，以電導(dǎo)率、pH值、電壓、電流、水溫等傳感器應(yīng)用為課程任務(wù)，通過對控制器編程、傳感器安裝部署、工程布線等工作任務(wù)的實施，開展教學(xué)和實訓(xùn)。

工業(yè)組網(wǎng)技術(shù)、工業(yè)設(shè)備控制技術(shù)兩門課程作為物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層的主導(dǎo)課程，主要以GPRS、NB-IoT、WiFi等無線通信技術(shù)[9-10]為主線，以智能水處理器處理目標參數(shù)、工作電氣參數(shù)、工控動作流程等為傳輸對象，結(jié)合用戶實際要求構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)拓撲，傳輸協(xié)議設(shè)計，網(wǎng)絡(luò)安全性、可靠性檢測等相關(guān)課程任務(wù)。

應(yīng)用層主要采用當(dāng)前應(yīng)用廣泛的工業(yè)組態(tài)軟件的安裝部署、應(yīng)用發(fā)布等為主要教學(xué)任務(wù)，其主要知識點涉及應(yīng)用界面組態(tài)、腳本程序設(shè)計、I/O點組態(tài)、數(shù)據(jù)庫組態(tài)及數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)、嵌入式Web服務(wù)器功能設(shè)計、遠程通信鏈路設(shè)置等。

3 結(jié) 語

高職物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)在專業(yè)能力培養(yǎng)方面以培養(yǎng)學(xué)生物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用能力、項目實施能力為主要目標，通過引入實際工業(yè)應(yīng)用項目，簡化后作為課堂教學(xué)任務(wù)，能夠有效地提高學(xué)生學(xué)習(xí)熱情，培養(yǎng)和鍛煉學(xué)生的實際作業(yè)能力。