王建花

（南京理工大學(xué) 工程訓(xùn)練中心，江蘇 南京 210094）

0 引 言

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，涌現(xiàn)出農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、智慧電力、智慧城市[1-5]等形式的應(yīng)用，各行業(yè)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)人才的需求與日俱增。物聯(lián)網(wǎng)是一門綜合了傳感測(cè)量、電子、通信、計(jì)算機(jī)等技術(shù)的綜合學(xué)科，學(xué)生需要學(xué)習(xí)多門技術(shù)的理論知識(shí)并能實(shí)踐應(yīng)用[6-7]。因此如何培養(yǎng)符合行業(yè)需求的高素質(zhì)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)人才成為高校電子類專業(yè)教學(xué)的重要研究課題。高校物聯(lián)網(wǎng)工程教學(xué)需具備讓學(xué)生實(shí)際操作的物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境，但搭建一套完備的物聯(lián)網(wǎng)實(shí)踐環(huán)境在成本和技術(shù)上都有難度。本文從“構(gòu)建”和“使用”物聯(lián)網(wǎng)的角度實(shí)現(xiàn)了建設(shè)低成本物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)平臺(tái)的方案并應(yīng)用于教學(xué)，學(xué)生既可在平臺(tái)上完成物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目實(shí)踐，也可研究如何建設(shè)該應(yīng)用，為學(xué)生在物聯(lián)網(wǎng)學(xué)習(xí)方面的自由創(chuàng)新提供了充足空間。

1 高校物聯(lián)網(wǎng)工程教學(xué)思考

1.1 當(dāng)前高校物聯(lián)網(wǎng)工程教學(xué)的痛點(diǎn)

當(dāng)前高校物聯(lián)網(wǎng)工程教學(xué)中存在一些不足：（1）物聯(lián)網(wǎng)工程教學(xué)方法及內(nèi)容更新速度慢。工程教學(xué)內(nèi)容依賴配套教學(xué)設(shè)備，設(shè)備更新周期較長(zhǎng)，教材、課件、教學(xué)資料等難以靈活更新。新技術(shù)主要以講解理論知識(shí)為主。（2）教學(xué)內(nèi)容不全面、系統(tǒng)。工程實(shí)踐內(nèi)容多集中于物聯(lián)網(wǎng)中幾種常用傳感器的實(shí)驗(yàn)，缺少對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、組網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)等應(yīng)用的實(shí)踐。究其原因，在于多數(shù)物聯(lián)網(wǎng)都需借助復(fù)雜的電信級(jí)系統(tǒng)才能實(shí)現(xiàn)，該系統(tǒng)搭建難度大、成本高，高校實(shí)驗(yàn)室無(wú)法自主搭建。（3）課程內(nèi)容不能很好地激發(fā)學(xué)生興趣[8]。多數(shù)工程實(shí)踐內(nèi)容為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生只需按照操作步驟完成實(shí)踐內(nèi)容即可，缺少創(chuàng)新開發(fā)空間；實(shí)踐內(nèi)容不能很好地貼合學(xué)生的生活和環(huán)境，學(xué)生無(wú)法代入其中，找不到共情點(diǎn)。

針對(duì)當(dāng)前現(xiàn)狀，高校實(shí)驗(yàn)室積極思考解決方法。如在經(jīng)費(fèi)有限的情況下，部分高校實(shí)驗(yàn)室搭建物聯(lián)網(wǎng)仿真平臺(tái)[9-11]。但仿真平臺(tái)的學(xué)習(xí)缺少實(shí)踐應(yīng)用操作中的具象感和真實(shí)感，學(xué)生無(wú)法切實(shí)體驗(yàn)物聯(lián)網(wǎng)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，學(xué)習(xí)效果大打折扣。

1.2 本文對(duì)工程教學(xué)的思考

物聯(lián)網(wǎng)工程教學(xué)的目標(biāo)是通過(guò)實(shí)踐讓學(xué)生掌握物聯(lián)網(wǎng)知識(shí)，為后續(xù)從事物聯(lián)網(wǎng)工作打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。在實(shí)際社會(huì)生產(chǎn)中，物聯(lián)網(wǎng)工程依賴產(chǎn)品需求，以項(xiàng)目形式實(shí)施。企業(yè)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)人才的需求分為物聯(lián)網(wǎng)“構(gòu)建者”和物聯(lián)網(wǎng)“使用者”兩類。為滿足對(duì)人才的需求，物聯(lián)網(wǎng)工程教學(xué)需構(gòu)建一個(gè)真實(shí)，由低成本設(shè)備組成的開放式物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，在該平臺(tái)上能完成物聯(lián)網(wǎng)的搭建和應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)兩類人才均可培養(yǎng)的目標(biāo)。

為滿足不同課程和項(xiàng)目的需求，該物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)需做深度和廣度的開放。實(shí)踐授課時(shí)選擇更貼近學(xué)生學(xué)習(xí)生活的案例，以項(xiàng)目的方式推進(jìn)，使學(xué)生能在案例中切身感受主動(dòng)創(chuàng)造的樂(lè)趣，又能學(xué)習(xí)到完整的項(xiàng)目流程。

南京理工大學(xué)工程訓(xùn)練中心以新工科物聯(lián)網(wǎng)工程教學(xué)助力我國(guó)產(chǎn)業(yè)升級(jí)作為指導(dǎo)思想[12]，選擇STM32 和LoRa 等通用技術(shù)和組件構(gòu)建了低成本物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)（簡(jiǎn)稱本平臺(tái)），并將本中心實(shí)驗(yàn)室的安全管理作為實(shí)踐項(xiàng)目（簡(jiǎn)稱本項(xiàng)目）。通過(guò)實(shí)踐本項(xiàng)目，學(xué)生可以針對(duì)自己觀察到教室或?qū)嶒?yàn)室中的安全隱患，提出解決方案，并在本平臺(tái)實(shí)現(xiàn)。

2 LoRa 物聯(lián)網(wǎng)工程教學(xué)平臺(tái)建設(shè)方案

本文采用STM32 單片機(jī)和LoRa 技術(shù)構(gòu)建了一個(gè)具有低成本、開放式、系統(tǒng)全面、實(shí)用、易獲得技術(shù)支撐等特點(diǎn)的物聯(lián)網(wǎng)工程教學(xué)平臺(tái)。

2.1 物聯(lián)網(wǎng)

物聯(lián)網(wǎng)由感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層組成，可實(shí)現(xiàn)物物、物人之間的信息交流[13]。感知層是由各種傳感器構(gòu)成的終端系統(tǒng)，完成物理狀態(tài)的感知；網(wǎng)絡(luò)層完成物聯(lián)網(wǎng)終端和人之間、物聯(lián)網(wǎng)終端之間的互聯(lián)，按照網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可分為工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線、LoRa、5G、NB-IoT、Cat1 等；應(yīng)用層完成對(duì)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用數(shù)據(jù)的處理，讓人能更好地掌控物聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行情況。

2.2 LoRa 技術(shù)

LoRa 技術(shù)是可在868 MHz、915 MHz、433 MHz 等3 個(gè)頻段實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離、大容量、低功耗通信的新型無(wú)線通信技術(shù)。LoRa 支持可變數(shù)據(jù)速率，在保持恒定帶寬時(shí)，能夠在傳輸距離、功耗、穩(wěn)定性三個(gè)參數(shù)間進(jìn)行平衡。對(duì)比其他低功率廣域網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，LoRa 的優(yōu)點(diǎn)在于輕量低成本、遠(yuǎn)距離傳輸、低功耗及抗干擾等[14]。工信部2019 年底發(fā)布的《微功率短距離無(wú)線電發(fā)射設(shè)備管理要求》規(guī)定了LoRa 設(shè)備可在ISM 頻段下合理使用，進(jìn)行建筑樓宇、小區(qū)等范圍內(nèi)的組網(wǎng)通信，無(wú)需申請(qǐng)管理部門審核。

部署一套簡(jiǎn)單的LoRa 物聯(lián)網(wǎng)只需要幾個(gè)終端和一個(gè)網(wǎng)關(guān)，成本低至幾百元。一般將終端與網(wǎng)關(guān)直接連接，構(gòu)成星型網(wǎng)絡(luò)，以獲得低延遲、簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。LoRa 信號(hào)對(duì)于建筑的穿透能力很強(qiáng)，適合在較復(fù)雜的環(huán)境下部署。LoRa信號(hào)傳輸距離理論上可超過(guò)10 km，在實(shí)際應(yīng)用中，權(quán)衡各種因素后一般選擇3 ～5 km[15-17]。

2.3 LoRa 物聯(lián)網(wǎng)工程教學(xué)平臺(tái)建設(shè)方案

本平臺(tái)是基于STM32 和LoRa 實(shí)現(xiàn)的開放式物聯(lián)網(wǎng)工程教學(xué)平臺(tái)，由終端、網(wǎng)關(guān)、阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)、WiFi 路由器及其配件、開發(fā)環(huán)境等組成。系統(tǒng)框架如圖1 所示。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)工程教學(xué)平臺(tái)系統(tǒng)框架

本平臺(tái)所選用的STM32 單片機(jī)在嵌入式及物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，集成開發(fā)環(huán)境成熟，上層應(yīng)用代碼易移植，且可替換STM32 的國(guó)產(chǎn)MCU 品牌和型號(hào)非常豐富。

在網(wǎng)絡(luò)接入和組網(wǎng)方面，采用NB-IoT 和Cat1 技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)需使用復(fù)雜的電信級(jí)4G/5G 移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，建設(shè)難度大且成本高，大多數(shù)高校實(shí)驗(yàn)室都很難負(fù)擔(dān)高昂的建設(shè)、維護(hù)費(fèi)用。本實(shí)驗(yàn)室曾基于樹莓派開發(fā)了一套5G 物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)套件，但本科生在理解網(wǎng)絡(luò)層時(shí)難度較大。故本平臺(tái)選擇低成本、簡(jiǎn)單易懂的LoRa 技術(shù)完成終端和網(wǎng)關(guān)之間的通信。

2.3.1 終端

本平臺(tái)的物聯(lián)網(wǎng)終端由STM32G070 單片機(jī)、LoRa 模塊和各類傳感器件組成，可完成智能樓宇、智能城市、智慧農(nóng)業(yè)等物聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景的數(shù)據(jù)采集。終端單片機(jī)具有128 KB FLASH、36 KB RAM、59 個(gè)GPIO、4 個(gè)USART、2 個(gè)I2C、2 個(gè)SPI 通信接口等，可以方便接入各種傳感器，并具有較好的擴(kuò)展性。終端集成一個(gè)LoRa 模塊實(shí)現(xiàn)與網(wǎng)關(guān)的通信，使用Keil 公司出品的Keil μVision5 軟件集成開發(fā)環(huán)境，可提供C 語(yǔ)言編譯環(huán)境、STM32 庫(kù)開發(fā)包和調(diào)試跟蹤功能。

終端軟件程序?qū)崿F(xiàn)與網(wǎng)關(guān)的LoRa 通信，接收網(wǎng)關(guān)下達(dá)的數(shù)據(jù)采集或查詢命令，調(diào)用傳感器驅(qū)動(dòng)接口進(jìn)行數(shù)據(jù)采集或動(dòng)作執(zhí)行，收集后傳送給網(wǎng)關(guān)。

基于終端軟硬件框架，學(xué)生可加入傳感器硬件和軟件驅(qū)動(dòng)，將接口提供給軟件框架調(diào)用完成終端側(cè)的應(yīng)用擴(kuò)展。

2.3.2 網(wǎng)關(guān)

平臺(tái)網(wǎng)關(guān)由STM32F103 單片機(jī)、LoRa 模塊和WiFi 模塊等組成。網(wǎng)關(guān)一方面與多個(gè)終端通過(guò)LoRa 通信，實(shí)現(xiàn)管理和數(shù)據(jù)交互；另一方面通過(guò)WiFi 或4G 模塊接入互聯(lián)網(wǎng)，接收物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)下達(dá)的操作命令或上傳數(shù)據(jù)。網(wǎng)關(guān)選用STM32F103 單片機(jī)，提供512 KB FLASH、64 KB RAM、5 個(gè)USART、2 個(gè)I2C、3 個(gè)SPI、外接72 MHz 晶振。網(wǎng)關(guān)集成一個(gè)LoRa 模塊實(shí)現(xiàn)與終端LoRa 通信。還集成一個(gè)WiFi 模塊完成與路由器間的通信。WiFi 模塊也可以由LTE 模塊或以太網(wǎng)模塊替代。網(wǎng)關(guān)軟件使用Keil μVision5 軟件開發(fā)。

網(wǎng)關(guān)從WiFi 接收并識(shí)別物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的命令，再通過(guò)LoRa 轉(zhuǎn)交給終端。通過(guò)LoRa 從終端接收的數(shù)據(jù)被網(wǎng)關(guān)按物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)要求的格式封裝后再通過(guò)WiFi 上報(bào)給物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。

學(xué)生在本平臺(tái)實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用時(shí)，在網(wǎng)關(guān)上無(wú)需改動(dòng)代碼。如學(xué)生想要對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳輸或嵌入式網(wǎng)關(guān)進(jìn)行深入學(xué)習(xí)或者做科研訓(xùn)練時(shí)，可進(jìn)一步研究網(wǎng)關(guān)軟件，并豐富平臺(tái)網(wǎng)關(guān)功能、提升網(wǎng)關(guān)容量、提升轉(zhuǎn)發(fā)速度或?qū)iFi 換成4G/5G 方式等。

2.3.3 WiFi 路由器及互聯(lián)網(wǎng)

網(wǎng)關(guān)可根據(jù)場(chǎng)景使用工業(yè)或商業(yè)WiFi 路由器接入互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)與物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的連接。

2.3.4 阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)

本平臺(tái)選用的阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)是阿里巴巴公司提供的集成了設(shè)備管理、數(shù)據(jù)安全通信和消息訂閱等功能的一體化物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用平臺(tái)。平臺(tái)向下支持連接海量設(shè)備，采集設(shè)備數(shù)據(jù)上云；向上提供云端API，使用者可通過(guò)調(diào)用云端API 將命令下發(fā)至物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

本平臺(tái)使用阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)提供的公共實(shí)例平臺(tái)服務(wù)，提供設(shè)備管理、規(guī)則引擎、監(jiān)控運(yùn)維等功能服務(wù)。

進(jìn)入公共實(shí)例，在設(shè)備管理中創(chuàng)建網(wǎng)關(guān)和終端對(duì)應(yīng)的產(chǎn)品和設(shè)備對(duì)象，并進(jìn)行信息讀取、設(shè)置等操作，從互聯(lián)網(wǎng)側(cè)控制網(wǎng)關(guān)和終端。學(xué)生使用該系統(tǒng)時(shí)，既可在本平臺(tái)建立的物聯(lián)網(wǎng)上增加新終端，也可在物聯(lián)網(wǎng)終端增加新功能。增加新終端需添加新的子設(shè)備，關(guān)聯(lián)到網(wǎng)關(guān)設(shè)備，再編輯功能并發(fā)布。增加新功能則只需在終端對(duì)應(yīng)子設(shè)備中重新編輯并發(fā)布。

應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)的物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)較多，比如中國(guó)移動(dòng)OneNET、百度天工物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)、華為云、涂鴉智能等。學(xué)生可選擇平臺(tái)作擴(kuò)展，修改網(wǎng)關(guān)軟件適配即可。

2.3.5 本平臺(tái)使用方法

本平臺(tái)在設(shè)計(jì)之初便提供了“使用”和“構(gòu)建”兩種模式?！笆褂谩蹦Ｊ绞侵笇W(xué)生使用本平臺(tái)完成多種物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，如監(jiān)控教室或?qū)嶒?yàn)室環(huán)境、掌握籃球場(chǎng)使用情況等，使用本平臺(tái)開發(fā)實(shí)際物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目的流程如圖2 所示。而“構(gòu)建”模式則可供對(duì)物聯(lián)網(wǎng)知識(shí)了解較深的學(xué)生對(duì)本平臺(tái)的終端、網(wǎng)關(guān)、互聯(lián)傳輸方案和物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)作進(jìn)一步的改造和完善。

圖2 使用物聯(lián)網(wǎng)工程教學(xué)平臺(tái)開發(fā)項(xiàng)目的流程

圖3 執(zhí)行實(shí)驗(yàn)室安全管理項(xiàng)目實(shí)物連接圖

3 實(shí)驗(yàn)室安全項(xiàng)目教學(xué)案例

教學(xué)中采用實(shí)驗(yàn)室安全管理項(xiàng)目作為使用范例，以項(xiàng)目式教學(xué)的方式授課。項(xiàng)目階段和活動(dòng)見表1 所列。

表1 實(shí)驗(yàn)室安全項(xiàng)目過(guò)程表

3.1 立項(xiàng)

實(shí)驗(yàn)室安全管理項(xiàng)目旨在讓學(xué)生監(jiān)控當(dāng)前實(shí)驗(yàn)室的安全隱患和環(huán)境參數(shù)。安全隱患監(jiān)控事項(xiàng)包括火災(zāi)隱患（通過(guò)感知煙霧、溫度等環(huán)境參數(shù)獲悉）、物品安全（感知門禁系統(tǒng)、攝像等）、人員安全（感知紅外、聲音等）以及通風(fēng)、能耗（感知電燈光照強(qiáng)度、電器使用等）等[18]。教師介紹完項(xiàng)目背景后，再對(duì)學(xué)生進(jìn)行LoRa 物聯(lián)網(wǎng)工程教學(xué)培訓(xùn)，要求每組學(xué)生在本平臺(tái)上完成至少一個(gè)安全隱患事項(xiàng)監(jiān)控項(xiàng)目。學(xué)生分組后通過(guò)分析項(xiàng)目選擇監(jiān)控某一安全隱患事項(xiàng)作為子項(xiàng)目，在該過(guò)程中，學(xué)生充分發(fā)揮自己的主動(dòng)性進(jìn)行創(chuàng)新，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題后可以咨詢教師或者自行查詢資料解決。小組對(duì)方案初步論證后輸出立項(xiàng)報(bào)告，明確本組要實(shí)現(xiàn)內(nèi)容的目標(biāo)和項(xiàng)目計(jì)劃。平臺(tái)軟件為開放式，學(xué)生在了解平臺(tái)功能后可根據(jù)自身能力，在教師的協(xié)助下對(duì)平臺(tái)進(jìn)行額外擴(kuò)展。

3.2 執(zhí)行

執(zhí)行階段學(xué)生進(jìn)一步熟悉平臺(tái)使用方法、確定解決方案、在終端連接傳感器并編寫代碼、將代碼編譯后連接網(wǎng)關(guān)調(diào)試，或在阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)調(diào)試。在開發(fā)過(guò)程中，階段性對(duì)功能進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試，確保實(shí)現(xiàn)的正確性。某組學(xué)生基于平臺(tái)實(shí)現(xiàn)的光強(qiáng)度和溫濕度子項(xiàng)目實(shí)物連接如3 所示。某小組執(zhí)行項(xiàng)目過(guò)程中的終端調(diào)試打印以及阿里云顯示如圖4 和圖5 所示。

圖4 終端串口調(diào)試顯示的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境數(shù)據(jù)

圖5 阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)顯示的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境數(shù)據(jù)

3.3 結(jié)項(xiàng)

小組確認(rèn)實(shí)現(xiàn)了立項(xiàng)時(shí)的項(xiàng)目目標(biāo)后，完成報(bào)告撰寫、成果演示、結(jié)項(xiàng)答辯等，并提交結(jié)項(xiàng)報(bào)告。教師根據(jù)成果完成情況進(jìn)行成績(jī)?cè)u(píng)定。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文構(gòu)建了一個(gè)低成本的開放式、系統(tǒng)全面、實(shí)用、通用的物聯(lián)網(wǎng)工程教學(xué)平臺(tái)，為學(xué)生的物聯(lián)網(wǎng)實(shí)踐創(chuàng)新提供了極大的自由度。提出從“使用者”和“構(gòu)建者”兩個(gè)角度研究物聯(lián)網(wǎng)工程教學(xué)，且用學(xué)生身處的環(huán)境激發(fā)學(xué)生發(fā)揮主動(dòng)性和創(chuàng)新性來(lái)實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目，成本低且自由度高。通過(guò)教學(xué)實(shí)踐探索，充分鍛煉了工程訓(xùn)練中心的教師隊(duì)伍，也讓學(xué)生從中受益。隨著技術(shù)的發(fā)展，通過(guò)更新硬件或軟件，可將該平臺(tái)進(jìn)一步完善。