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量、電子、通信、計算機等技術(shù)的綜合學(xué)科，學(xué)生需要學(xué)習(xí)多門技術(shù)的理論知識并能實踐應(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)的角度實現(xiàn)了建設(shè)低成本物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)平臺的方案并應(yīng)用于教學(xué)，學(xué)生既可在平臺上完成物聯(lián)網(wǎng)項目實踐，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 當前高校物聯(lián)網(wǎng)工程教學(xué)的痛點

當前高校物聯(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，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為主。（2）教學(xué)內(nèi)容不全面、系統(tǒng)。工程實踐內(nèi)容多集中于物聯(lián)網(wǎng)中幾種常用傳感器的實驗，缺少對無線網(wǎng)絡(luò)、組網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)平臺等應(yīng)用的實踐。究其原因，在于多數(shù)物聯(lián)網(wǎng)都需借助復(fù)雜的電信級系統(tǒng)才能實現(xiàn)，該系統(tǒng)搭建難度大、成本高，高校實驗室無法自主搭建。（3）課程內(nèi)容不能很好地激發(fā)學(xué)生興趣[8]。多數(shù)工程實踐內(nèi)容為驗證性實驗，學(xué)生只需按照操作步驟完成實踐內(nèi)容即可，缺少創(chuàng)新開發(fā)空間；實踐內(nèi)容不能很好地貼合學(xué)生的生活和環(huán)境，學(xué)生無法代入其中，找不到共情點。

針對當前現(xiàn)狀，高校實驗室積極思考解決方法。如在經(jīng)費有限的情況下，部分高校實驗室搭建物聯(lián)網(wǎng)仿真平臺[9-11]。但仿真平臺的學(xué)習(xí)缺少實踐應(yīng)用操作中的具象感和真實感，學(xué)生無法切實體驗物聯(lián)網(wǎng)實際應(yīng)用場景，學(xué)習(xí)效果大打折扣。

1.2 本文對工程教學(xué)的思考

物聯(lián)網(wǎng)工程教學(xué)的目標是通過實踐讓學(xué)生掌握物聯(lián)網(wǎng)知識，為后續(xù)從事物聯(lián)網(wǎng)工作打下堅實基礎(chǔ)。在實際社會生產(chǎn)中，物聯(lián)網(wǎng)工程依賴產(chǎn)品需求，以項目形式實施。企業(yè)對物聯(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。為滿足對人才的需求，物聯(lián)網(wǎng)工程教學(xué)需構(gòu)建一個真實，由低成本設(shè)備組成的開放式物聯(lián)網(wǎng)平臺，在該平臺上能完成物聯(lián)網(wǎng)的搭建和應(yīng)用，實現(xiàn)兩類人才均可培養(yǎng)的目標。

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

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)助力我國產(chǎn)業(yè)升級作為指導(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（簡稱本平臺），并將本中心實驗室的安全管理作為實踐項目（簡稱本項目）。通過實踐本項目，學(xué)生可以針對自己觀察到教室或?qū)嶒炇抑械陌踩[患，提出解決方案，并在本平臺實現(xiàn)。

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

本文采用STM32 單片機和LoRa 技術(shù)構(gòu)建了一個具有低成本、開放式、系統(tǒng)全面、實用、易獲得技術(shù)支撐等特點的物聯(lián)網(wǎng)工程教學(xué)平臺。

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)場總線、LoRa、5G、NB-IoT、Cat1 等；應(yīng)用層完成對物聯(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 個頻段實現(xiàn)長距離、大容量、低功耗通信的新型無線通信技術(shù)。LoRa 支持可變數(shù)據(jù)速率，在保持恒定帶寬時，能夠在傳輸距離、功耗、穩(wěn)定性三個參數(shù)間進行平衡。對比其他低功率廣域網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，LoRa 的優(yōu)點在于輕量低成本、遠距離傳輸、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，進行建筑樓宇、小區(qū)等范圍內(nèi)的組網(wǎng)通信，無需申請管理部門審核。

部署一套簡單的LoRa 物聯(lián)網(wǎng)只需要幾個終端和一個網(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、簡單的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。LoRa 信號對于建筑的穿透能力很強，適合在較復(fù)雜的環(huán)境下部署。LoRa信號傳輸距離理論上可超過10 km，在實際應(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)平臺建設(shè)方案

本平臺是基于STM32 和LoRa 實現(xiàn)的開放式物聯(lián)網(wǎng)工程教學(xué)平臺，由終端、網(wǎng)關(guān)、阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺、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)平臺系統(tǒng)框架

本平臺所選用的STM32 單片機在嵌入式及物聯(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 的國產(chǎn)MCU 品牌和型號非常豐富。

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4G/5G 移動網(wǎng)絡(luò)，建設(shè)難度大且成本高，大多數(shù)高校實驗室都很難負擔高昂的建設(shè)、維護費用。本實驗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)層時難度較大。故本平臺選擇低成本、簡單易懂的LoRa 技術(shù)完成終端和網(wǎng)關(guān)之間的通信。

2.3.1 終端

本平臺的物聯(lián)網(wǎng)終端由STM32G070 單片機、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)場景的數(shù)據(jù)采集。終端單片機具有128 KB FLASH、36 KB RAM、59 個GPIO、4 個USART、2 個I2C、2 個SPI 通信接口等，可以方便接入各種傳感器，并具有較好的擴展性。終端集成一個LoRa 模塊實現(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 語言編譯環(huán)境、STM32 庫開發(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)下達的數(shù)據(jù)采集或查詢命令，調(diào)用傳感器驅(qū)動接口進行數(shù)據(jù)采集或動作執(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，將接口提供給軟件框架調(diào)用完成終端側(cè)的應(yīng)用擴展。

2.3.2 網(wǎng)關(guān)

平臺網(wǎng)關(guān)由STM32F103 單片機、LoRa 模塊和WiFi 模塊等組成。網(wǎng)關(guān)一方面與多個終端通過LoRa 通信，實現(xiàn)管理和數(shù)據(jù)交互；另一方面通過WiFi 或4G 模塊接入互聯(lián)網(wǎng)，接收物聯(lián)網(wǎng)平臺下達的操作命令或上傳數(shù)據(jù)。網(wǎng)關(guān)選用STM32F103 單片機，提供512 KB FLASH、64 KB RAM、5 個USART、2 個I2C、3 個SPI、外接72 MHz 晶振。網(wǎng)關(guān)集成一個LoRa 模塊實現(xiàn)與終端LoRa 通信。還集成一個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 接收并識別物聯(lián)網(wǎng)平臺的命令，再通過LoRa 轉(zhuǎn)交給終端。通過LoRa 從終端接收的數(shù)據(jù)被網(wǎng)關(guān)按物聯(lián)網(wǎng)平臺要求的格式封裝后再通過WiFi 上報給物聯(lián)網(wǎng)平臺。

學(xué)生在本平臺實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用時，在網(wǎng)關(guān)上無需改動代碼。如學(xué)生想要對網(wǎng)絡(luò)傳輸或嵌入式網(wǎng)關(guān)進行深入學(xué)習(xí)或者做科研訓(xùn)練時，可進一步研究網(wǎng)關(guān)軟件，并豐富平臺網(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)場景使用工業(yè)或商業(yè)WiFi 路由器接入互聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)與物聯(lián)網(wǎng)平臺的連接。

2.3.4 阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺

本平臺選用的阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺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。平臺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，使用者可通過調(diào)用云端API 將命令下發(fā)至物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備，實現(xiàn)遠程控制。

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

進入公共實例，在設(shè)備管理中創(chuàng)建網(wǎng)關(guān)和終端對應(yīng)的產(chǎn)品和設(shè)備對象，并進行信息讀取、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，既可在本平臺建立的物聯(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)平臺較多，比如中國移動OneNET、百度天工物聯(lián)網(wǎng)平臺、華為云、涂鴉智能等。學(xué)生可選擇平臺作擴展，修改網(wǎng)關(guān)軟件適配即可。

2.3.5 本平臺使用方法

本平臺在設(shè)計之初便提供了“使用”和“構(gòu)建”兩種模式?！笆褂谩蹦Ｊ绞侵笇W(xué)生使用本平臺完成多種物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，如監(jiān)控教室或?qū)嶒炇噎h(huán)境、掌握籃球場使用情況等，使用本平臺開發(fā)實際物聯(lián)網(wǎng)項目的流程如圖2 所示。而“構(gòu)建”模式則可供對物聯(lián)網(wǎng)知識了解較深的學(xué)生對本平臺的終端、網(wǎng)關(guān)、互聯(lián)傳輸方案和物聯(lián)網(wǎng)云平臺作進一步的改造和完善。

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

圖3 執(zhí)行實驗室安全管理項目實物連接圖

3 實驗室安全項目教學(xué)案例

教學(xué)中采用實驗室安全管理項目作為使用范例，以項目式教學(xué)的方式授課。項目階段和活動見表1 所列。

表1 實驗室安全項目過程表

3.1 立項

實驗室安全管理項目旨在讓學(xué)生監(jiān)控當前實驗室的安全隱患和環(huán)境參數(shù)。安全隱患監(jiān)控事項包括火災(zāi)隱患（通過感知煙霧、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（感知電燈光照強度、電器使用等）等[18]。教師介紹完項目背景后，再對學(xué)生進行LoRa 物聯(lián)網(wǎng)工程教學(xué)培訓(xùn)，要求每組學(xué)生在本平臺上完成至少一個安全隱患事項監(jiān)控項目。學(xué)生分組后通過分析項目選擇監(jiān)控某一安全隱患事項作為子項目，在該過程中，學(xué)生充分發(fā)揮自己的主動性進行創(chuàng)新，發(fā)現(xiàn)問題后可以咨詢教師或者自行查詢資料解決。小組對方案初步論證后輸出立項報告，明確本組要實現(xiàn)內(nèi)容的目標和項目計劃。平臺軟件為開放式，學(xué)生在了解平臺功能后可根據(jù)自身能力，在教師的協(xié)助下對平臺進行額外擴展。

3.2 執(zhí)行

執(zhí)行階段學(xué)生進一步熟悉平臺使用方法、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)平臺調(diào)試。在開發(fā)過程中，階段性對功能進行系統(tǒng)測試，確保實現(xiàn)的正確性。某組學(xué)生基于平臺實現(xiàn)的光強度和溫濕度子項目實物連接如3 所示。某小組執(zhí)行項目過程中的終端調(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)試顯示的實驗室環(huán)境數(shù)據(jù)

圖5 阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺顯示的實驗室環(huán)境數(shù)據(jù)

3.3 結(jié)項

小組確認實現(xiàn)了立項時的項目目標后，完成報告撰寫、成果演示、結(jié)項答辯等，并提交結(jié)項報告。教師根據(jù)成果完成情況進行成績評定。

4 結(jié) 語

本文構(gòu)建了一個低成本的開放式、系統(tǒng)全面、實用、通用的物聯(lián)網(wǎng)工程教學(xué)平臺，為學(xué)生的物聯(lián)網(wǎng)實踐創(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)揮主動性和創(chuàng)新性來實現(xiàn)項目，成本低且自由度高。通過教學(xué)實踐探索，充分鍛煉了工程訓(xùn)練中心的教師隊伍，也讓學(xué)生從中受益。隨著技術(shù)的發(fā)展，通過更新硬件或軟件，可將該平臺進一步完善。