物联网工程专业实验课程设置探索

孔 锐， 张 冰

(暨南大学 电气信息学院， 广东 珠海 519070)

1 高校物联网工程专业的特点

物联网被称为继计算机、互联网之后，世界信息产业的第三次浪潮[1]。物联网工程是一个围绕“战略新兴产业”设立的新专业，2010年、2011 年、2012 年，教育部先后进行了3批物联网相关专业审批，截至 2012 年 6 月，国内已经有近150个高校开设了物联网工程专业。物联网工程专业具有鲜明的综合性、交叉性和应用性特点[2]，涉及电子、计算机、测控与通信等多领域相关专业知识。物联网工程专业特色是厚基础、重理论、强实践、求创新、促应用[2]。以“夯实学科基础，注重专业交叉，强化工程实践，培养创新能力”为思路。物联网工程专业培养的人才，不仅要掌握传感器、微处理器、嵌入式理论和相应的软件技术，还要掌握无线通信、计算机网络、高频电路设计、低功耗、无线传感网络以及3G无线网络设计等新技术。物联网工程专业应用的多样性，要求我们必须培养宽口径人才，既要重视基础训练，又要培养应用系统综合开发能力。物联网工程是应用性非常强的学科，仅传授理论是不够的，一定要立足实践，从应用入手。

2 社会对物联网工程专业人才的需求

据测算，物联网的产业规模比互联网产业大20倍以上，而物联网技术领域需要的人才每年也将在百万人的量级。物联网产业的发展，将会拉动各国经济的发展，物联网的广阔发展前景已经引起了产业链上各行业的青睐。物联网的产业链条涉及传感器、芯片、设备制造及软件应用等行业，作为新一轮的信息技术革命，物联网已经上升为国家战略。温总理曾在2011政府工作报告中指示促进物联网示范应用。高校作为培养高层次人才的“主战场”，应针对性地设置物联网工程相关专业，有目标地培养物联网工程专门人才。目前，我国已有近150多所高校设置了本科物联网工程专业，有些学校的物联网工程专业已招收了3届本科生，物联网发展的战略需求及人才培养需求，使得专业实验课程建设迫在眉睫。

物联网的技术构成主要由3层[3-5]：感知控制层、网络传输层、应用服务层，涉及到的关键技术有传感器技术、传感网技术、移动通信技术、嵌入式技术、下一代网络技术、信息安全技术等。社会对物联网工程专门人才的要求是具备在物联网工程领域跟踪新理论、新知识、新技术的能力，具备一定的物联网系统综合设计能力，掌握信息获取(传感器和信号检测相关知识)以及信息传输(通信、计算机网络)、信息处理(数据融合、云计算等知识)、应用层(应用软件开发、嵌入式系统开发)相关知识，能从事物联网工程领域的科学研究、技术开发等工作。

3 物联网工程专业实验课程建设方案探讨

围绕一门课程主要知识点的实验通常由若干个实验组成，每个实验所针对的是某些知识点或某一类问题的求解方法。根据课程实验的性质，通常可以将实验分为验证性实验、设计性实验和综合性实验。但是课程实验中的综合性实验不同于综合课程设计，它一般是某门课程中关联多个知识点的实验。从对知识点实验的要求来看，验证性实验通常是通过实验来验证有关知识点，而设计性实验则是运用有关知识和方法来求解特定的问题。设计性实验应该是本科层次学生实验的主要内容，实验室建设应重视学生的基本应用开发能力培养。实验环境能培养学生对实际物联网应用项目整体把握的能力，激发学生的创新能力。因此，实验课程的开设必须在兼顾本科教学的同时，围绕物联网关键技术展开，一般将实验课程分成以下几类。

3.1 基础实验课程建设

开设与专业技术相关的基础实验。物联网专业工程性强，对培养人才的动手能力有较高要求，建立完善的基础教学实验室，以满足多样化需求。基础实验可以提供一个物联网技术所涉及的相关基础知识训练实验平台，包括模拟电子线路实验、电路分析实验、数字电子线路实验、C语言程序设计实验、C++程序设计实验、网络程序设计实验、操作系统原理实验、高频电子线路实验、信号与系统实验、数字信号处理实验、单片机原理实验、EDA实验、FPGA实验、计算机网络实验、通信原理实验等。

3.2 专业实验课程建设

开设与物联网技术密切相关的专业实验。专业实验可以提供与物联网技术密切相关的知识和应用技术训练平台，专业实验包括传感器技术实验、RFID实验、传感网技术实验、移动通信技术实验、嵌入式技术实验、下一代网络技术实验、信息安全技术实验、物联网应用课程设计等。

3.3 应用实训课程建设

开设创新性实验和设计性实验。建立“物联网综合演示实训中心”或利用地方政府建立的物联网示范基地、学校自建或者校企合作共建实训中心让学生“体验实践”。利用实验室训练学生的动手能力，组织学生参加各类竞赛。竞赛对“创新”、“理论付诸实践”、“团队合作”3个方面有积极的帮助，并且对校内课程体系改革有推动，它进一步开发了学生的创新意识和能力，促进学校的基础知识教育发展和提高学生综合能力。应用实训实验课程可以选择开设以下实验：智能家居实训实验、智能温室控制实训实验、物联网RFID智能车辆管理实验[6-12]。

4 物联网工程专业实验课程内容探讨

由于基础实验课程与部分专业实验课程与其他专业相近，这些实验课程内容人们都比较熟悉，因此，这里就不再进行探讨。我们就物联网工程专业的部分特有专业和应用实训实验课程内容进行了探讨。

4.1 传感器技术实验课程

作为物联网最主要的技术基础之一，物联网对传感器提出了一些新的要求。对传感器的要求是体积小、成本低、重量轻、功耗低。在技术方面，要求材料科学、机械设计与加工工艺、检测技术、光学技术、电子电路设计、可靠性工程等技术支撑；在传感器指标方面，对测量范围、精确度、分辨率、灵敏度等有严格的要求。学生在完成传感器理论学习后，可以进行传感器应用教学实验，锻炼实际动手操作能力。

4.1.1 传感器技术实验课程设计目的

提供一套可以更换CPU核心板的、能够接入多种传感器的实践教学装置和教学资源，目的是让学生学习传感器的应用，包括接口电路设计、传感器信息采集、传感器信号分析。可开展以下教学及科研任务：

(1) 应用不同类型CPU实现传感器信息采集与处理；

(2) 多类型传感器应用与研究；

(3) 多类型传感器接口的应用设计；

(4) 嵌入式开发；

(5) 串口通信应用与开发。

4.1.2 传感器技术实验课程内容设置

传感器技术实验课程应该包括温湿度传感器应用实验、震动传感器应用实验、磁感应传感器应用实验、环境光传感器应用实验、称重传感器应用实验、操作控制类传感器应用实验、粉尘传感器应用实验、测距测障类传感器应用实验、三轴加速度传感器应用实验等。

4.2 RFID实验课程

RFID是通过无线射频方式获取物体相关数据，并对物体加以识别，是一种非接触式的自动识别技术。RFID技术是实现物联网的关键技术。

4.2.1 RFID实验课程设计目的

RFID实验平台应该集成低频(30～300 kHz，典型应用频率125 kHz和133 kHz)、高频(3～30 MHz，典型应用频率13.56 MHz)、超高频(300 MHz～3GHz，典型应用频率433 MHz和2.45 GHz)的数据采集功能，同时还应该集成了 PS/2 接口支持对一、二维数据的采集，并提供实验例程和典型应用，便于学生熟悉和掌握物联网的原理和实际应用。

4.2.2 RFID实验课程内容设置

实验内容应该包括125 kHz读写实验、125 kHz防碰撞实验、13.56 MHz RFID防碰撞实验、13.56 MHz RFID自定义命令测试实验、915 M RFID读写实验、915M RFID防碰撞实验、2.4 G读写实验、2.4 G防碰撞实验、PS/2接口协议实验、一维码读取实验、二维码读取实验等。

4.3 无线传感网技术实验课程

由大量部署在监测区域内的微型传感器节点构成的无线传感器网络(简称WSN)，通过无线通信方式智能组网，形成一个自组织网络系统，具有信号采集、实时监测、信息传输、协同处理、信息服务等功能，能感知、采集和处理网络所覆盖区域中感知对象的各种信息，并将处理后的信息传递给用户。WSN 可以使人们在任何时间、地点和任何环境条件下，获取大量详实、可靠的物理世界的信息，这种具有智能获取、传输和处理信息功能的网络化智能传感器和无线传感器网，正在逐步形成IT 领域的新兴产业，它可以广泛应用于军事、科研、环境、交通、医疗、制造、反恐、抗灾、家居等领域。无线传感器网络系统是一个学科交叉综合的、知识高度集成的前沿热点研究领域，正受到各方面的高度关注。

4.3.1 无线传感网技术实验设计目的

无线传感网实验应该提供一套有线(RS-485总线)和无线(ZigBee、nRF24L01)相互结合的带有多个移动终端的传感网络科研教学装置和资源，包括传感器信息的采集、通信网络拓扑结构、组网模式、通信帧结构设计、通信协议层次分析和简单的通信协议设计，可开展以下教学及科研：

(1) 应用认知短距离无线传输网络；

(2) 应用学习标准协议；

(3) 研究点对点无线通信、点对多点无线通信协议(轮询方式通信)；

(4) 自主设计通信帧结构；

(5) 研究有线和无线相结合的通信方式，贴近实际应用系统，便于参照实验系统的模式进行应用系统设计。

4.3.2 无线传感网技术实验课程内容

无线传感网技术实验应该包括ZigBee网络频段选择实验、ZigBee组网和网络拓扑监测实验、接收功率测试实验、ZigBee绑定和匹配实验、ZigBee网络节点吞吐量测量实验、采集传感器数据实验、ZigBee网络传送传感器数据实验、ZigBee网络综合实验、nRF24L01无线模块实验等。

4.4 智能家居实训系统

智能家居是以住宅为平台，利用综合布线技术、网络通信技术、自动控制技术、音视频技术将家居生活有关的设施集成，构建高效的住宅设施与家庭日常事务的管理系统，提升家居安全性、便利性、舒适性、艺术性，并实现环保节能的居住环境。基于智能家居系统，通过手机、PDA、互联网用户，可以控制家用设备、执行场景操作，使多个设备形成联动；另一方面，智能家居内的各种设备相互间可以通讯，不需要用户指挥也能根据不同的状态互动运行。主要功能为楼宇对讲、安防视频监控室内灯光、窗帘控制、家电控制、远程操控访客环境、灾害远程监控与报警、老人健康监测、家庭能源管理、社区信息查询与服务。

物联网技术的综合应用，涵盖的物联网技术有电子技术、传感器技术、单片机、无线传感网RFID技术、嵌入式网关、中间件、电机控制、计算机、网络通信、音视频多媒体技术。

4.4.1 系统结构及组成

(1) 智能家居演示系统。用于放置传感器节点，收集、发送和接收信息，在整个实训组织过程中，教师与学生均可用智能网关来控制相应的节点，在演示端会产生相应的现象。

(2) 智能家居控制系统。控制无线网络，学生和教师使用不同的智能网关对演示系统进行控制，从而完成演示讲解和效果验证。在整个实验过程中，学生需要先在实验箱中调试网络，再到演示系统当中去验证。

(3) 智能家居传输系统。学生和教师可以通过PC机或者手机来控制节点。

(4) 智能家居平台由智能家居网关、智能家居控制节点、智能家居感知设备3部分组成。智能家居实验箱是智能家居系统的核心部分，负责对家居设备实现智能化，它是智能家居平台最关键的部分；智能家居感知设备就是对家居环境进行采集的终端设备，如烟感、红外开关设备等。

4.4.2 智能家居系统实验内容

(1) 智能门禁系统实验。智能门禁系统功能：修改门禁密码；连续设置有效卡时，每张卡的编码按前一张的编码+1递增；可以设置开锁时间、防拆报警功能、开锁时检测门禁状态、门禁报警状态、报警延时时间及强制恢复出厂编程密码等。利用ZigBee模块将门禁系统和物联网网关相连接，使得智能门禁连接到整个智能安防系统当中。

(2) RFID人员定位系统实验。RFID是目前唯一真正意义的人员定位系统，对于教学很有意义，方便后期学生毕业真正投入到工作当中。它可以应用个人定位、物流和仓库管理、高价值资产和闭环资产跟踪，读写速度能达到0.01秒一次。

(3) 智能开关实验。智能开关利用遥控的方式控制家电和各种家用电器，并最终汇总到智能网关当中，进行总体控制和手机控制，完全满足智能家居的概念，是真正的物联网应用案例。

(4) 小冰柜温度监测及环境温度监测实验。小冰柜温度采集利用ZigBee模块进行冰柜的外温和内温的测量，通过无线将采集的温度传到网关和手机终端，在PC机终端将显示冰柜温度和湿度。

(5) 智能窗帘实验。以无线的方式控制窗帘的开合，用ZigBee控制电机的正传反转。通过光敏传感器采集光照信息，在光线充足的时候关闭窗帘，在光线暗淡的情况下打开窗帘，并可以自己设置光照值。

(6) 智能灯光实验。采用ZigBee模块进行灯光的控制，可以控制不同种类的灯，原理相同。可扩展为控制马路路灯、霓虹灯、LED灯等。

(7) 智能监控及警报实验。红外对射将实现外来人入侵检测，将相应信息传到物联网智能网关中，并同步显示在终端，红外探头将实现人员检测，将信息传到物联网网关和手机终端。

(8) 智能有毒烟雾监控实验。智能有毒气体监测将检测烟雾浓度，当烟雾浓度达到一定程度时将发出报警并将信息传到物联网网关中，同时信息会传输到手机和终端中。

(9) 物联网智能网关实验。控制端可多样化：手机、平板电脑、PC机，另外智能网关还支持android操作系统实验以及android控制软件的开发，实现对家具进行控制

(10) 物联网联动系统实验。红外对射器+联动触发器，实现茶几上方灯光(当人员坐在沙发上)自动照明的联动；烟雾传感器+联动触发器，实现当烟雾浓度达到标准时，触发排气扇排气功能，当烟感传感器报警时摄像头转到烟感传感器报警位置并进行摄像监控。

5 结束语

物联网工程专业实验课程的设置不是一成不变的，高校可以根据学校自身特点设置实验课程，以现有学科和实验室为基础进行合理配置，以满足物联网工程专业教学为主要目的。另外，物联网的标准体系、商业模式以及相关的政策法规还很不完善，物联网的发展目前还处于方兴未艾的初始阶段，在发展过程中还会不断出现新的技术和需求。因此，物联网专业人才的培养方案也必须不断更新，以适应物联网领域发展的需求。

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