高职物联网通信方向技能体系及培训方案研究

季 峰，黄艳华，虞 沧

（武汉职业技术学院，武汉 430074）

高职物联网通信方向技能体系及培训方案研究

季 峰，黄艳华，虞 沧

（武汉职业技术学院，武汉 430074）

阐述了物联网的含义及其组成架构，分析了高职通信技术专业对物联网产业的作用，并对物联网通信方向的技能构成体系，及体系中各种技能的要求进行了逐个分析，从物联网通信方向技能实训平台的构建和核心培训课程的教学设计及实施2个方面，论述了物联网通信方向技能培训方案。

物联网；高职通信专业；培训体系；技能分析；实训平台；核心课程

0 前言

近几年，世界范围的物联网产业正在兴起，物联网技术已广泛应用于智慧交通、环境保护、政府工作、公共安全、平安家居、智慧消防、工业监测、老人护理、个人健康、花卉栽培、水系监测、食品溯源、敌情侦查和情报搜集等多个领域。物联网使得信息的交换和物品的管理更加智能、便捷，从而节省了大量的人力资源，提高了管理效率和经济效益［1］。据东方财富网报道，我国物联网发展迅速，2010年我国物联网的总产值约1 900亿，2012年超过了3 600亿，年增速接近40%。预计未来10年，全球物联网产业的产值将达到14亿美元［2］，因而，物联网已受到世界各国的广泛关注，并成为最具发展潜力的产业之一。毋庸置疑，对物联网产业所需人才的培养将成为高职院校必将关注的重要课题之一。本文正是笔者就高职物联网通信方向技能培训体系所做的研究的含义。

1 物联网含义与高职通信技术专业

1.1 物联网的含义

物联网是信息技术发展的结果，它是利用传感器、RFID实现环境信息采集与物品识别，并通过互联网传输这些信息，从而实现信息共享的技术。可以认为物联网是在现代信息技术的基础上发展起来的，现有信息技术的发达程度直接影响到物联网产业的发展程度［3］。

物联网有四层架构组成，分别是感知层、网络层、服务层和应用层。感知层是由传感节点、RFID标签等组成，主要功能是物品识别和信息采集；网络层负责数据信息的传输，包括互联网、移动通信网、短距离无线网络、信息网管中心等；服务层是把底层采集的数据信息与业务需求对应起来，形成实时、动态的数据资源库，即提供信息检索源；应用层则是向用户提供所需要的物品流通信息、环境信息等，是直接向用户提供服务的层面。可以认为物联网是计算机技术、电子科学技术、通信技术、软件工程、控制系统、管理工程等多个学科的交织融合，整个知识、技能体系十分庞大，单个人很难掌握所有的技术，因而，物联网人才的培养应根据上述四层架构中的某个方向进行。

1.2 高职通信技术专业对物联网产业的作用

从对物联网的论述中可以明显地认识到，物联网离开通信技术可谓寸步难行，当然，物联网产业离不开通信技术人才，而这些人才可通过高职通信技术专业来培养。高职通信技术专业是培养生产、建设、管理、服务等第一线的从事通信岗位的高素质技能型人才。所培养的人才可从事通信网施工、通信设备运行维护、通信终端检修、网络优化等工作。结合物联网的组成架构，通信专业可以为物联网产业培养网络项目规划、施工管理、设备安装调试、运行维护等方面的技术技能型人才，即物联网通信方向的人才。

2 高职物联网通信方向技能体系

2.1 物流通信方向技能体系构成

物联网通信方向的人才主要是解决数据传输环节的问题［4］，因而高职院校培养的物联网通信方向的应用型人才应掌握网络和通信知识，能组建、调试、运行和维护有线和无线网络，了解传感器知识和RFID识别技术。高职教育是面向岗位群的，其能力培养应以岗位群所要求的技术技能为基础，物联网在通信方向的岗位群所要求的技术技能如图1所示。

图1 物联网通信方向岗位群技能体系构成图Fig.1 Internet of Things communication direction post groups skill system constitute

2.2 物流通信方向技能要求分析

在物联网通信方向技能体系中，Zigbee是重要的无线传输技术之一，它是一组基于IEEE批准通过的802.15.4无线标准而研制、开发的有关组网、安全和应用软件方面的技术标准［5］，主要定义了网络层、安全层、应用层。是介于标记技术和蓝牙技术之间的近距离（10～100m）、低速率（20～250 kbps）、低功耗双向无线通信技术，在远程控制、远端信息采集等领域应用广泛。

蓝牙技术采用的是时分双工传输方案，工作频段无需许可（我国的频段为2.4GHz～2.4835GHz），蓝牙模块功耗低，且每个蓝牙设备都有一个唯一的地址空间，可向短距离数据业务、语音业务提供技术方案。

WiFi无线通信会在信号较弱或有干扰的情况下自动调整带宽，从而保证了数据传输的可靠性，传输速率最高可达11Mbps，在开阔空间的传输距离约为300 m，封闭区域的通信距离为76～122m［6］，可为手提电脑、便携式终端等提供无线接入。WiFi技术和嵌入式技术的结合，能够解决物联网手持终端无线接入问题。

物品的实时定位和跟踪是物联网的重要功能之一，因此GPS也是不可缺少的技术。

作为第二代和第三代移动通信的GPRS和3G技术能为物联网提供公网无线接入方式，可使远端无线手持终端（如手机等）通过GPRS或3G实现远程控制。

除无线公网接入方式外，有线局域网的组建以及互联网的使用，能把由各种无线技术收集到的数据信息和控制信号经有线局域网和互联网传向远端用户或处理中心。无线网络间以及无线网络和有线网络间所使用的通信协议不同，不能直接进行数据传输，需要网关对不同的数据传输网络进行管理，因而学生需具备嵌入式技术知识。

传感节点是在微处理器的控制下工作，对功能简单的传感节点可采用单片机控制，所以增加单片机应用技术也是必要的。物联网无论采用自组织方式，还是采用公网接入方式，都需要通过寻址方式进行通信。目前，在互联网中使用较广泛的寻址方式是IPv4寻址体系，但是随着物联网的广泛应用，IPv4的地址空间将枯竭，拥有更加丰富地址资源的IPv6将成为解决上述问题的有效办法，因而需要进行有关IPv6的知识培训。物联网通信人才在掌握网络技能的同时，还应该了解感知层的知识，在技能体系中增加了适当的RFID和传感器知识。

3 物联网通信方向技能培训方案

3.1 构建物联网通信方向技能实训平台

高职物联网人才的培养需要物联网实训平台的支持，实训平台的建设是改善教学条件、改进教学方法、提高人才培养质量的关键。下面以武汉职业技术学院在这方面的实践为例，探索物联网实训平台构建与典型课程教学设计。根据上述培训体系中的技能要求，在中央财政专项资金的资助下，武汉职业技术学院相关专业教学团队设计出了物联网通信方向实训平台的建设方案，并委托专业公司制备了实训平台，该平台呈现为网络拓扑结构，如图2所示。

该平台建设的出发点是为了促进学生职业能力的形成，立足点是知识、技能的实践运用，即借助该平台把所学技术知识、岗位技能、工作场景呈现出来，为岗位实训、工学结合［7-8］、任务驱动［9］、工作情景等教学方法的实践提供硬件基础。根据物联网通信方向的岗位需求和教学安排，该实训平台包含了Zigbee、WiFi、IPV6、蓝牙等无线网络模块，能够实现同构网的组建。网关是物联网中的重要设备，因而在实训平台中应包含网关设备，并要求网关具有广泛的接入能力、管理能力和协议转换能力，能够实现不同类型传感网、传感网与传统网络图、物联网网络拓扑结构图（互联网、3G、GPRS等网络）之间的互联互通。可以看出网关是网络组建的纽带，是实现信息远程传输和控制的关键，该平台网关的控制硬件采用了性能强大的ARM Cortex A8微处理器，操作系统选择应用广泛的Linux系统。

图2 物联网网络拓扑结构图Fig.2 Internet of Things network Topology

3.2 核心培训课程的教学设计与实施

实训平台的建设除了硬件设备和相应的开发、学习软件外，合理地安排教学内容，把这些设备投入到教学实践中，充分发挥实训平台在人才培养过程中的作用是实训平台建设的关键，也是实训平台建设的最终目的。物联网网关是物联网网络系统的重要组成部分，通常采用嵌入式技术，因而图1中的《嵌入式网关技术》应该是物联网专业方向的核心课程。由于在不同层次的教育中（如研究生、本科生、专科生）均有“嵌入式”课程，且把握好高职层面物联网方向该课程的教学内容、教学深度和教学方法是一个值得探讨的问题，所以该课程的教学具有一定的代表性。在高职教育中，《嵌入式网关技术》的学习是为了培养技术技能型人才，不需要所培养的人才具备较强的物联网网关研发能力，但应了解网关的基本结构，了解嵌入式系统的通信过程，能够利用嵌入式开发工具修改程序中的一些参数和代码，从而顺利完成组网、故障排查、程序与网络升级等任务。基于以上分析，该课程的主要内容有：（1）嵌入式开发环境的搭建。知识点：会在Windows系统下安装VM虚拟机，并在虚拟机上安装Ubuntu系统，了解物理机和虚拟机的区别。（2）Linux操作系统。知识点：了解Linux操作系统的特点和结构，会使用Linux操作系统的常用命令，逐步培养起采用命令使用操作系统的习惯。（3）Linux下基本程序开发工具的使用。知识点：掌握vi编辑器、gcc命令、arm-linux-gcc命令、makefile文件的使用方法，能够采用vi编辑器编写一个简短的c语言程序，了解交叉编译的概念，能够编译编写的程序，并分别在虚拟机和ARM嵌入式系统上运行编译后的可执行程序。（4）Linux基本应用程序。知识点：了解Linux中进程、线程的概念和在程序中的作用，知道进程和线程的创建方法；掌握Contex A8定时器的使用方法。（5）嵌入式网关的通信。知识点：掌握Socket套接字的使用方法，以及TCP／UDP的通信过程；Contex A8串口通信；Contex A8与低功耗WiFi的通信；Contex A8与Zigbee协调器的通信；Contex A8与蓝牙模块的通信。（6）图像化界面。知识点：掌握Linux下Qt的使用方法和开发过程，了解Qt下串口通信、Qt下Zigbee节点使用、Qt下蓝牙模块使用的方法。其中第（1）、（2）、（3）部分适合采用“演示教学法”，第（4）、（5）、（6）部分适合采用“教、学、做一体化教学法”，在所有内容的学习过程中，可把“任务驱动”作为一种练习方式，即在知识点学习完成后，安排适当的任务，通过任务的完成，加深学生对知识的理解和技能的掌握。

该教学设计实施中应注意的事项。（1）在上述教学中，侧重实践教学，理论教学与实践教学的学时分配比例为3∶5，总课时为80。（2）在通信网络中，除上述几种通信网拓扑关系外，还有网状通信网，考虑到网状通信网较复杂，可安排有能力的学生作为拓展部分学习。（3）考核原则：强调目标评价和理论与实践一体化评价，突出实训过程评价；结合实训现场及课后技术文档的整理，对学习效果进行综合评估，并据此改进教学。

武汉职业技术学院已将该技能培训体系通过两届学生进行了教学实践，实践证明，该体系所含的知识和技术适合于培养高职物联网通信技术方向的人才。教师在教学中可根据教学需要，把理论教学和实践教学有效地结合起来，采用一些更有利于学生理解知识和掌握技能的教学方法。这些措施的实施有利于调动学生学习的积极性、思维的活跃性，有利于学生掌握本专业方向所应具备的知识和技能。

4 总结

物联网将影响到生产、生活的方方面面，使信息的交流更加便捷，节约了人力资源，提高了管理效率和经济效益，物联网产业的快速发展将对高技能应用型人才提出更大的需求。本文结合物联网的网络构成和高职通信专业的特点，分析了通信专业所培养的物联网方面的人才应具备的技能，给出了物联网通信方向的知识结构和实训平台的建设方案，由此形成了技能培训体系，并付诸实践。

［1］肖剑.物联网应用与发展前景浅析［J］.电信网技术，2011（9）：45-48.

［2］张厚培.物联网梦想照进现实 14万亿美元前景诱人［DB/OL］.［2013-03-22］.http://fomamce.eastmoney. com/news/1353,20130322280565441.htm l.

［3］皮碧媛，刘芳.高职高专物联网专业人才培养浅析［J］.今日财富，2011（9）：104-104.

［4］季峰，王碧芳.基于“校企合作”高职通信专业教学标准研究与实践［J］.职教论坛，2014（6）：49-51.

［5］李浩.基于Zigbee的无线网络技术及应用［J］.信息技术，2008（1）：12-14.

［6］王娟，郭家奇，刘薇.W iFi技术的深入探讨与研究［J］.价值工程，2011（6）：91-92.

［7］赖晓桦.工学结合模式下的高职课程教学改革初探［J］.中国职业技术教育，2012（5）：75-80.

［8］刘晓欢.对高等职业教育“工学结合”内涵的再认识［J］.教育与职业，2012（14）：9-11.

［9］季峰.高职单片机原理与接口技术课程任务驱动式教学探析［J］.黄河水利职业技术学院学报，2010，22（3）：55-57.

[责任编辑 樊建科]

Research on High Vocational Internet of Things Communication Direction Skill System and Training Scheme

JI Feng,HUANG Yanhua,YU Cang
（Wuhan Polytechnic,Wuhan 430074,Hubei,China）

It states the implication and constitute of Internet of Things,analyzes the function of higher vocational communication specialty to Internet of Things industry,the constitute system of Internet of Things communication direction skill,the requirement of every skill.From the establishment of Things communication direction skill training platform and the design and implement of core curriculum,it also discusses the Things communication direction skill training scheme.

Internet of Things;higher vocational communication specialty;training system;skill analysis; training platform;core curriculum

TP393

A

1008-486X(2014)04-0059-03

2014-05-06

湖北省教育科学“十二五”规划课题：通讯专业“物联网应用实训平台”建设与工学结合人才培养模式探索（2013B356）。

季 峰（1975-），男，河南荥阳人，副教授，博士，主要从事电信专业的教学与研究工作，研究方向：微电子器件、电子电路设计、高职教育教学 。