C3SD视角下物联网工程实验中心建设探讨

刘进军，徐志红，陈桂林

C3SD视角下物联网工程实验中心建设探讨

刘进军，徐志红，陈桂林

摘要:分析了物联网工程实验中心的建设现状，从C3SD技术视角提出了实验中心的建设原则，探讨了实验中心在环境建设、课程资料建设、与其他实验中心融合、跨学科共建共享实验平台、师资队伍建设方面的措施，对应用型高校物联网工程实验室建设具有积极的借鉴意义。

关键词:物联网；实验中心；体系架构；C3SD

随着物联网产业的发展，市场对于物联网人才的需求迅速增加，对人才培养质量的要求不断提高。建设物联网工程实验中心是培养应用型技术人才的重要途径，是提高人才实践创新能力的重要方法，也是物联网工程专业建设的核心内容之一[1]。

作为适应国家战略产业发展需求的新专业，物联网工程实验中心在体系建设、核心实验课程建设、师资队伍培养、与已有实验中心融合等方面还存在不足：如“因课设室”独立分散地建设实验室，缺乏对实验室群的系统规划；受制于供应商设备，过于注重验证性、演示性实验，缺乏创新性、综合性实验的设计，限制了对学生创新能力的培养；过于注重实验设备采购，而忽视了实验资料、实验课程体系、实验师资队伍等软环境建设等。在此背景下，本文以滁州学院为例,探讨C3SD技术架构下物联网工程实验中心的建设方法。

1基于C3SD的物联网技术架构

物联网技术架构[2,3]C3SD，即建立在传感器网络(Sensor Network)上的通信(Communication)、计算(Computing)、控制(Control)、数据海(Data Ocean)集成的架构，如图1所示。该架构不仅表明了各子系统的具体作用，更体现了子系统间的关联性，该关联性为物联网工程实验中心实验室群的集成与耦合提供了建设依据。

图1物联网C3SD技术架构

根据C3SD技术架构及人才培养规律，本文提出了物联网工程实验中心的建设原则，讨论了实验中心与网络工程实验中心、软件工程实验中心的耦合关系，并以物联网典型应用为纽带，探讨跨学科共建物联网实验平台的可行性，为生物与食品、化工、机械等多个学科提供共享的物联网感知、控制平台。

2物联网工程实验中心的建设原则

滁州学院物联网工程实验中心树立“以学生为主体，以工程实践能力及创新精神培养为核心，知识、能力与素质相互促进协同发展”的实验教学理念，通过不断探索，逐渐确立了“集成、开放、创新、服务”的实验中心建设原则：

2.1实验中心的建设要突出“集成”性

从C3SD的技术视角来看，中心各实验室要突出感知模块、通信模块、计算模块、控制模块以及数据海模块间的集成性，实现合理的松散耦合。避免过于独立分散和过于紧耦合两种极端化所带来的影响：如简单的“因课设室”虽然便于个别专业课程的实验教学，但割裂了各技术间的关联。与之相反的，将C3SD的多个功能模块高度集成在一个实验室中，虽体现了集成应用的特点，但难以厘清各模块的分界面，导致无法充分展开实验课程。

2.2实验中心的建设要强调“开放”性

物联网涉及计算机、通信、电子等多个专业领域，但计算机及网络技术仍然是物联网应用中的核心技术，计算机的基本原理与方法也同样适用于物联网。由此，“开放”是物联网技术研究与应用的重要特征，是各类数据在异构的物联网体系结构中得以被获取、传输、处理与应用的前提。实验中心的建设必须强调技术、标准、数据的开放性，使学生能够熟练掌握不同设备、程序、接口间的互操作，具备搭建异构物联网的能力。

2.3实验中心的建设要注重“创新”性

为培养学生的实践创新能力，实验中心不能仅局限于提供物联网课程的实验教学，还要具备实践创新、科技研发及企业服务等多项功能，为学生提供开放式的创新平台。基于该平台，学生可以开展学年设计、毕业设计、实践创新设计、创意产品开发等多项活动，并将创新元素融入其中。

(四)实验中心的建设要围绕“服务”性

实验中心建设的根本目的是更好地服务于专业人才培养。通过紧紧围绕人才培养目标，中心培养学生物联网系统集成能力，能够基于工程规范及实际需求选择合适的体系结构，设计感知、传输及应用集成的物联网络系统解决方案，组织方案的实施、测试及优化；培养物联网应用系统设计开发能力，能够在需求分析的基础上选择恰当的软件体系结构与模式，运用恰当的开发工具编写程序代码，并对系统进行测试与维护。

3物联网工程实验中心的建设内容

3.1模块化实验环境建设

以C3SD技术架构为视角，采用模块化设计，实验中心涵盖感知模块、通信模块、计算模块、控制模块以及数据海模块等。各模块的实验环境基本包括，感知模块：RFID、条形码、无线传感器、定位等物体标示与信息采集的实验设备；通信模块：WSN、3G/4G等移动通信以及计算机网络等；数据海模块：物联网海量数据存储、数据融合和知识发掘、安全和保密等；控制模块：新型调节与执行机构、微机电系统、机器人、无人装备等实验仪器；计算模块：云计算平台、共性服务软件中间件、嵌入式平台等。

每个模块可支撑多门核心课程，模块间松散耦合，甚至有些模块可以放在其他实验中心。这样既能够通过几个模块的按需组合来模拟典型物联网的应用，体现技术的集成与统一，又便于独立展开核心课程实验。

3.2核心课程实验资料建设

在建设良好实验环境的基础上，构建物联网工程主要核心课程的实验教学资料。建设课程包括：射频识别与条码技术、传感器与检测技术、无线传感器网络、短距离无线通信、海量数据存储、基于云计算的大数据处理、物联网安全技术、物联网控制技术、嵌入式系统等。内容包括：实验课程大纲、实验项目、实验指导书、课程设计项目及学年设计项目等。建设思路：结合学生的认知规律，按照“直观”→“理论”→“实践”→“方法与应用”的循序渐进路线，由简单到复杂，由验证型到综合型，设计不同类型的实验项目，并适当增加设计型、综合型实验项目的比重。同时，选择符合区域经济发展和学校办学特色的行业应用，设计产学研一体的创新实践项目，进一步培养学生的综合应用能力。滁州学院依托在智能家居、健康监护、消防物联网以及智慧农业等方面的多项产学研项目开展实践教学，培养学生创新能力，取得了良好的效果。

3.3与已有实验中心的融合

物联网工程实验中心涵盖多个模块，这些模块并不都是物联网所独有，由于模块间采用的是松散耦合方式，所以部分模块可以与网络工程、软件工程等实验中心共享，避免实验室的重复建设，例如物联网工程实验中心可以包括感知及控制模块，通信、计算及海量数据处理放在网络工程中心，软件工程中心则提供应用与中间件的开发环境，三个实验中心通过数据流关联。图2以物联网典型应用——基于无线个人体域网(WBAN)的健康监护为例展示了各实验中心间的松散耦合关系。

图2　各实验中心间的松散耦合——以WBAN应用为例

3.4跨学科共建实验平台

实验中心在培养物联网工程学生实践能力的同时，也可为其他学科，如生物工程、化工、物流、机械等，提供物联网教学的支撑环境，并以典型物联网应用为基础，开展跨学科的实验环境共建与共享。以此为指导，滁州学院生物与食品工程学院、信息学院共建了基于物联网技术的蔬菜大棚实训基地。通过物联网技术，该基地可以自动检测蔬菜大棚的温湿度、土壤酸碱度等参数，并根据检测结果自动调节大棚内温湿度，提供灌溉和给养，如图3所示。基地可同时满足生物工程、物联网工程等专业的实践教学需求，为学生提供真实的实训环境。该方式有效地实现了跨学科教学资源的互补与共享，创新了应用型人才培养的模式。

图3基于物联网技术的蔬菜大棚管理示意图

3.5实践教学师资队伍建设

通过多种途径，滁州学院建设了一支高水平、专兼职结合、“双能型”的物联网工程实践教学师资队伍。基于校企合作及产学研合作项目促进教师实践教学能力、科技开发与研究能力的提升；建立由企业专家及专任教师相结合的实践教学导师团队，重点围绕实践教学开展相关的教学研究、改革及具体的教学工作；聘请专家参与实践教学环节，安排教师参加企业的一线生产、研发等。

4结束语

物联网技术是信息技术发展的必然趋势，其应用将会涉及到人类生活的每个方面，同时产生大量的人才需求。结合滁州学院物联网工程实验中心的建设经验，本文提出了实验中心的建设原则，总结了实验中心在实验环境建设、课程资料建设、与其他实验中心融合、跨学科共建实验平台、师资队伍建设等方面的方法。物联网工程实验中心的建设紧扣人才培养目标，适应人才培养的发展需求，进一步突显了学校应用型人才培养的办学定位。

[参考文献]

[1]教育部高等学校计算机科学与技术专业教学指导分委员会. 高等学校物联网工程专业实践教学体系与规范[M]. 机械工业出版社, 2012.

[2]潘云鹤. 物联网蕴藏的创新空间[J]. 管理工程学报, 2010,24 (S1): 71-72.

[3]熊伟程. 物联网的C3SD技术架构研究[J]. 物联网技术, 2013,(9): 47-49.

责任编辑：王与

A Disscusion on Experimental Center Construction of the Internet of Things from the Perspective of C3SD

Liu Jinjun

Abstract:This paper analyzes experimental center construction of the Internet of Things, proposes the construction principles from the perspective of C3SD, discusses the construction measures in experiment environments, course materials, integration with other experimental centers, sharing experiment platforms in cross-disciplinary way, and training teachers. This paper has a positive significance for experimental center construction of the Internet of Things in application-oriented institutes.

Key words:Internet of Things; Experimental center; System architecture; C3SD

中图分类号：TP391.44

文献标识码：A

文章编号：1673-1794(2016)02-0027-03

作者简介：刘进军，滁州学院计算机与信息工程学院讲师；徐志红，陈桂林，滁州学院计算机与信息工程学院(安徽 滁州 239000)。

基金项目：安徽省教育厅教学研究项目(2012jyxm525，2012jyxm531)

收稿日期：2015-11-15