应用型本科院校物联网实验室建设研究

冀松++南晓青

摘要：物联网实验室建设是物联网工程专业建设中的一个重要组成部分，该文从应用型本科院校的具体需求出发，从建设原则、需求分析、建设内容三个方面提出了物联网实验室的建设规划。

关键词：物联网；实验室建设；传感器；射频识别

中图分类号：G482 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）11-0110-02

物联网是通过射频识别（RFID）、传感器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。物联网是集传感技术、计算机技术、通信技术等多种学科的综合应用。物联网解决的是信息世界与物理世界的互联互通。目前我国物联网运用领域包括智能家居、智能农业、智能交通、智能工业、智能环保、智能医疗等。到目前为止国内众多高校申请和开展了物联网工程专业的招生和教学工作。高校要想担当起新形势下物联网人才的培养，建设一个设施齐全、技术先进、质量可靠的物联网实验室迫在眉睫。中国地质大学长城学院也于2015年招收了第一届物联网专业的本科学生。物联网专业相对其它专业来说更侧重实践性和应用性，因此我们的实验室建设是我们整个学科建设中的重点工作。

1 物联网实验室建设的原则

1.1 与本校的培养目标相适应原则

任何实验室的建设都要与本校的培养目标相一致，物联网实验室也不例外。作为应用型本科院校，主要培养的是应用型人才，而非研究性人才，主要锻炼学生物联网应用系统的组网、调试、安装、售后服务、技术支持，培养物联网设计、施工与运维人才。因此学院实验室的建设应该以满足基础实验、实训为主，旨在满足培养学生的实际动手能力。

1.2 先进性原则

物联网是被称为继计算机、互联网之后世界信息产业第三次浪潮，是一个前沿的技术，因此实验室的建设也应遵循先进性的原则，购置新设备、采用新技术以满足需求。

1.3 模块化可扩展原则

物联网涉及到感知层、网络层和应用层三个层次，每个层次都有各自的技术，这些技术可以用模块化的思想实现，各模块之间要遵循统一的电气和数据接口，可以自由组合重构物联网应用系统。

2 物联网实验室建设需求分析

2.1 物联网建设的技术需求

从技术架构上来看，物联网可分为三层：感知层、网络层和应用层。

感知层的作用相当于人的眼耳鼻喉和皮肤等感知系统，它是物联网识别物体、采集信息的手段，其主要功能是识别物体、采集信息、数据汇聚等。感知层由各种传感器、执行器、短距离无线通信、数据网关等构成，包括：传感器、二维码扫描仪、RFID 标签和读写器、摄像头、GPS 等感知终端；步进电机、直流电机、继电器、电磁阀等各种执行器；ZigBee、Wi-Fi、IPv6、蓝牙等短距离无线通信节点及网关。

网络层由各种私有网络、互联网、有线和无线通信网、网络管理系统、数据服务器和云计算平台等组成，相当于人的神经中枢和大脑，负责传递和处理感知层获取的信息。

应用层是物联网和用户（包括人、组织和其他系统）的接口，它与行业需求相结合，实现各种物联网的智能应用，例如智能电网、智能交通、智能家居等。

物联网实验室的相关设备需要满足以上物联网的三个层次结构中各个组部分的相关实验。

2.2 物联网实验室建设的应用需求

1）满足物联网工程专业基础实验要求

实验室建成后需要满足培养方案上开设课程的相关实验，这是实验室建设的基本要求。通过这些基础实验使学生能够更好地理解和掌握专业知识。

2）要满足学生实训和参加大赛的要求

在学生完成多门专业技术课程学习后，可以开展综合实训课程，让学生通过项目对前导课程的知识综合应用、融会贯通，完成知识到技能的转化，知识点到知识体系的转化。通过实训可以锻炼学生的物联网应用的工程实践能力，以便培养出更高水平的物联网专业学生。

参加物联网应用设计大赛是锻炼学生实践能力的重要方法和手段，通过比赛提高学生对物联网的兴趣和竞技能力，丰富教学内容，活跃教学气氛。

3）满足学校教师物联网科研

科研能力也是衡量一个专业建设的重要指标。实验室建成以后，教师可以利用实验室开展更多地实验项目，从而提升教师的科研能力。

3 建设的内容

作为培养应用型人才的学院，学院的应该从培养目标需求实际出发，建立一个先进的满足教学、实训和科研的要求的综合性的实验室。本实验室应该包括基础实验平台、云服务平台和智能化实验室，物联网工程实验室组成结构图如图1所示。

3.1 基础实验平台

1）RFID综合实验箱是针对物联网专业的RFID教学实验而开发的实验开发平台。RFID技术是物联网的核心技术，因此有必要单独设置购买实验箱。实验箱可以包括各种频段的RFID读写器开发板、多种常见RFID标签、RFID应用模块、嵌入式系统、PC软件系统。这五部分构成完整的RFID体系，为学习RFID技术、了解RFID应用、开发RFID智能化设备提供了完整、优质的软硬件平台。RFID综合实验箱能够有效地帮助师生全面的了解无线射频RFID，掌握RFID的组成结构、运行环境以及工作模式，熟悉天线工作原理，掌握RFID射频信号解码技术等。

2）物联网综合实验箱

物联网综合实验箱应该能够提供完整的、层次化的物联网教学体系，提供从处理器技术、无线组网技术、嵌入式开发、应用层开发与服务、到典型的系统开发实战。物联网综合实验箱需要满足以下三层的具体实验要求。

（1）传感层：

微控制器应用技术：单片机原理及应用-C51系列、STM32的开发和应用、M4系列。

传感器技术：常见传感器原理、数据采集与处理、图像采集。

RFID技术应用：RFID原理、RFID频段分析、RFID标签、二维码、条形码技术。

无线传感网技术：Zigbee、IPv6、蓝牙、433M、WiFi、NFC移动支付、RFID移动支付。

物联网与嵌入式系统开发：基于Cortex-A9，Linux开发、Android开发。

（2）网络层：

网络通信：局域网技术、以太网技术、服务器。

移动通信：GPRS通信、3G通信、4G通信、GPS、手机安卓编程。

数据库：数据库编程、物联网数据库服务。

中间件：SDK、WebService开发。

（3）应用层：

物联网应用：智能家居应用开发、智慧农业应用开发、智能交通应用开发、食品溯源应用开发、智能仓储应用开发等。

物联网安全：无线传感层通信加密、数据网关通信加密、应用软件数据通信加密等。

此外综合实验箱要能够支持多种协议，具有丰富的接口以便连接各种设备。支持网关、手机、云服务等多种管理服务平台，网关支持Android/linux操作系统，运行数据采集控制管理软件。手机端采用Android系统，可远程控制的数据采集和控制系统。云服务系统采用B/S架构，可远程登录获取传感器数据，并且提供开放的API接口，基于这些API接口，用户可以轻松的进行二次开发。

3.2 物联网云服务平台

物联网云服务是一套针对物联网的海量数据服务、应用快速开发而设计的系统，旨在提供一个开放的物联网云服务平台，使传感器数据的接入、存储和展现变得轻松简单，通过几步简单操作就可以完成物联网应用的快速开发。

真正的物联网系统，其数据必然是海量的，必须通过大数据技术存储、分析。系统控制、数据展示也是必须基于云端的，可全球范围内随时访问和操作。

物联网云服务平台可以为老师的实验教学提供统一的在线化管理平台，提供灵活的用户管理和权限控制机制，同时支持大规模并发访问。因此，整个学院的所有学生，可同时接入平台开展实验。老师可随时上线检查学生实验作业、项目设计成果，为学生的实验和设计提供指导。

物联网云服务平台为学生提供在线、支持团体合作的实验及项目设计平台。可为每位学生分配一个登陆账号，实验结果、数据、项目工程相互独立，学生可在课堂之外延续实验。同时，支持项目协作，多个学生可团队合作，共同完成物联网应用系统设计

3.3 实验室智能化建设

为了让学生对物联网的应用有更加深刻的认识，在建设的时候需要对实验室进行智慧化改造，让学生上课的同时不仅可以体会到智能家居带来的舒适感还能学习智能家居的构造与设计。集传感器技术、嵌入式开发、综合布线、网络通信、自动控制等技术将家居生活有关的设备、设施集成，从而构建的一个智能、节能的智能家居实训环境。

智能家居应用系统可实现灯光、窗帘、家电、环境监测、安防、摄像头等的检测控制，可个性化定制居家、外出、看书、休闲、娱乐等情景模式，一键实现。并支持连接互联网实现手机、电脑上网的远程控制。

物联网实验室的建立能够让学生深层次的接触物联网，学习物联网，研究物联网，让学生将理论与实践相结合，提高学生的实际动手能力和创新能力。可以培养学生合理的知识结构、具备扎实的电子技术、现代传感器和无线网络技术、物联网相关高频和微波技术，有线和无线网络通信理论、信息处理、计算机技术、系统工程等基础理论，掌握物联网系统的传感层，传输层与应用层关键设计等专门知识和技能，并且具备在本专业领域跟踪新理论、新知识、新技术的能力以及较强的创新实践能力。

参考文献：

[1] 陈景贤， 陈志生. 高校物联网实验室建设与应用[J]. 实验室研究与探索， 2013（8）.

[2] 林莉， 陈丽丽. 高校物联网实验室建设规划[J]. 长春理工大学学报， 2012（4）.

[3] 黄峥， 古鹏. 物联网实验室建设研究与探讨[J]. 实验技术与管理， 2012（2）.

[4] 尚丽平， 秦明伟. 物联网工程专业实验室建设[J]. 计算机教育， 2012（21）.