物联网实景实验教学系统的探索与建设

洪 岚, 王佳斌, 郑力新

(华侨大学 工学院, 福建 泉州 362000)



物联网实景实验教学系统的探索与建设

洪 岚, 王佳斌, 郑力新

(华侨大学 工学院, 福建 泉州 362000)

提出了利用物联网技术构建物联网工程专业的实景实验教学系统,该系统把物联网技术融合到实验室的管理和教学中,让物联网技术的实验教学从传统实验箱走向现实应用。配合“实景式、开放式、探究式、任务驱动型”的实景实验教学方法,该系统既能让物联网技术直接为教学和管理服务,又能作为学生实训实践的平台,还可以充当物联网技术应用的展示平台。总之,该系统一方面使实验室的管理更加智慧,另一方面能让物联网工程专业的学生通过实景教学更深入地了解物联网技术的内涵,掌握物联网技术。

物联网技术； 实景实验教学； 实验教学改革

物联网技术方兴未艾,把物联网技术应用于高校实验室管理,是在原有高校实验室管理信息化的基础上的一次重大提升,特别是在物联网工程专业的实验室建设上。物联网技术是指通过射频识别、无线传感器等方式来获取物理世界的各种信息,结合互联网和移动通信网等网络进行信息的传输和交互,并采用智能计算技术对相关信息数据进行分析处理,从而实现智能化的决策和控制[1]。把物联网技术直接应用于物联网工程专业的实验室建设、构建实景实验教学系统，是实验室建设的一种新的尝试。

1 物联网工程专业的实验内容

物联网工程专业是教育部根据现阶段国家经济发展的战略需要设立的新专业[2],是信息网络产业方向重点支持开办的专业之一,是一门跨领域的综合学科,涵盖了电子技术、计算机技术、网络计算、云计算等多种技术。物联网工程专业以物联网技术为核心,工程性强,培养具备物联网专业智能和工程技术体系结构以及研发设计能力的专业人才,注重培养学生物联网工程应用系统设计综合实践能力[3]。目前,物联网工程专业主要开设“无线射频识别技术”“物联网技术应用”“无线传感技术”“嵌入式系统”“互联网技术”等专业课程,这些课程都配备有多课时的实验实践课,让学生通过实验实践课环节更好地掌握物联网专业核心技术。

2 目前物联网实验室的模式以及存在的问题

物联网工程专业在建设物联网实验室初期,没有成熟的模式可以参考,按照建设传统实验室的模式,为每门实验课程购买实验箱,按照实验指导书来完成实验。经过二三年的物联网工程专业实验实践教学的摸索,发现每门课程的实验各成体系,相对独立,课程与课程之间没有交互,且每门课程配套的实验箱的实验项目比较简单,实验步骤和过程都是给定的,导致了学生只能片面地了解一个实验或一项技术,给学生提供的设计或者开发空间不足。

传统的实验箱模式和实验教学方法在物联网工程专业上未能达到很理想的教学效果[4]，因此利用物联网技术建立了一套物联网实景教学系统。该系统的整体构想是根据实验室管理的具体需求,把物联网技术充分结合到实验室管理中,使该系统一方面可以辅助实验室的管理,另一方面可成为实验教学改革、学生创新能力培养和科创实践的基地,为学院的实验教学和科研等做出相应的支撑,达到一举两得的效果。

3 利用物联网技术构建实景实验教学系统

物联网实景实验教学系统以物联网技术为基础,通过物联网技术中的无线传感器网络、射频识别等方式来获取各类信息,借助互联网、移动信息网络等进行信息的传送和交互,最终采用云计算技术对采集到的信息进行智能计算,实现对每个实验室智能化的监控与协调,构造智慧型实验室。物联网实景实验教学系统采用和物联网技术类似的3层结构,感知层、网络层和应用层[5],见图1。

图1 物联网实景实验教学系统的总体框图

3.1 基于RFID技术的门禁考勤系统

采用RFID技术和指纹识别相结合,主要具备门禁刷卡和指纹考勤的功能。根据教学计划中实验室上课时间的安排,可以给教师设置相关权限,教师即可在上课的时间段打开相应实验室的门,并且后台及时记录开门的时间和人员,这样对实验室进出情况一目了然,同时也可用于学生考勤[6]。这部分功能可支持物联网工程专业“射频识别技术”“物联网技术应用”“物联网概论”“面向对象程序设计”等课程的实验教学部分和相关的实践课。

3.2 仪器设备管理系统

系统采用RFID技术完成仪器设备基本信息管理、借用管理、维修管理和贵重仪器管理等。在每台设备上贴上RFID标签。每个RFID标签关联了该台仪器的相应信息,通过手持RFID读写设备扫描标签,即可读取该台设备的所有信息,方便管理人员对实验仪器进行检查与盘点。仪器的借还管理、维修管理以及贵重物品管理也基于RFID标签完成,管理人员只要扫描相应设备的标签,就可在平台上对其进行借出、归还登记及维修登记等,简单便捷,不容易出错[7]。

该系统还可作为设备防盗系统。在每间实验室门口布设RFID感应天线,当实验室内仪器被非法搬出实验室时,感应天线能及时读取设备信息,并第一时间反馈到主控中心并发出报警。这部分功能可支持物联网工程专业“射频识别技术”“物联网技术应用”“数据库技术”“面向对象程序设计”“EPC技术基础”等课程的实验教学部分以及相关的实践课程等。

3.3 基于ZigBee无线传感网络的智能控制系统

每个实验室内布设各种类型的无线传感器节点和电器控制节点,这些节点采集前端数据,并通过智能网关汇集到信息管理系统平台中[8]。可通过PC机或移动设备远程登录信息管理系统平台,实时查询实验室内部环境参数,如温湿度监测、二氧化碳/氧气浓度监测、光照度监测、烟雾检测等,同时,用户也可通过系统平台结合高清视频监控系统,远程控制实验室中的空调、投影仪、照明、插座以及窗帘等设备,真正实现智能化管理[9]。这部分功能可支持物联网工程专业“射频识别技术”“物联网技术应用”“无线传感网络WSN仿真”“传感器与检测技术”等课程的实验教学部分以及相关的实践课程等。

3.4 高清视频监控系统

在每个实验室布设高清网络监控摄像机,教师可随时随地通过电脑或手机登录信息管理系统平台，监测各实验室的实时图像,对实验室内的人员活动、上课情况、实验室环境等进行监控。同时,高清网络摄像机还可作为安全措施的重要组成部分。这部分功能可支持物联网工程专业“数字视频处理”“数字信号处理”“计算机网络”等课程的实验教学部分以及相关的实践课程等。

4 物联网实景实验教学系统关键技术

4.1 智能网关

(1) 智能网关是整个系统的重要部分,在整个物联网实景实验教学系统中起着承上启下的重要作用,是连接终端节点和用户通信的纽带[10],同时担负着各种不同设备通信协议的转换任务,还可以作为服务平台为用户提供各种可能的增值服务。前端各类型节点采取到的视频、数据和信息都会汇集到智能网关,通过以太网传输到云服务器,用户则通过登录云服务器的信息管理系统平台,实现对终端节点的监测和控制。智能网关的硬件结构如图2所示。

图2 智能网关的硬件结构图

(2) 智能网关就是实现管理人员和实验室设备之间通信的一个桥梁,是系统中最重要的控制单元。一方面,智能网关通过ZigBee与系统中的所有设备进行无线通信,读取数据、发送指令；另一方面,智能网关通过TCP/IP等网络协议连接到互联网或移动网络中,方便管理人员对其进行访问和读取。由于接口的不同和通信方式的差异,因此网关就是解决不同设备之间的信息和数据交换这个问题的。

(3) 由于智能网关要处理的数据量比较大,不同设备之间的协议转换复杂,因此在设计软件时,采用多线程的编程技术[11]。多线程的编程技术，优点在它可以把上行数据和下行数据分开来处理,并且2个线程可同时运行,节省了运行时间。这样一方面充分发挥嵌入式Linux网关的网络性能,另一方面能获得最大的通信效率和稳定性。网关的网络编程是通过Socket接口来实现的,系统在网关和上位机之间建立了一个面向连接的服务,使得网关可以用无线或者有线的方式和上位机进行通信。在系统工作的主程序中,网关服务器不断地检测来自设备终端和来自用户终端的连接请求,当从任一端收到请求命令时,服务器被激活并创建一个子进程与发送请求端通信,直到通信结束服务器方才结束该进程,而主程序返回继续检测来自其他终端的连接请求。

4.2 云计算平台

云计算是分布式计算、互联网技术、大规模资源管理等技术的融合和发展,它融合了数据中心管理、资源虚拟化、海量数据处理、计算机安全等多个研究方向[12]。在物联网实景实验教学系统中,我们利用云计算技术建立起实验室信息管理网站,以服务的形式为用户提供应用程序、数据存储、基础设施等资源。用户可随时随地通过各种终端设备,如电脑、手机、平板等访问云计算平台。

5 物联网实景实验教学系统的教学实例

物联网实景实验教学系统可为物联网工程专业的学生提供实验和实践课基地,可实现“实景式、开放式、探究式、任务驱动型”的实验教学方法。大部分物联网专业的实验课和实践课都可在物联网实验教学系统中完成。系统中所有的代码和接口都是开放的,因此任课教师可指导学生在相关的功能模块上进行设计与优化,学生可全面参与研发和设计物联网实景教学系统,这样学生能够直观地感受到自己所学的知识在实际中的应用,也能对整个物联网的架构有个全面的认识,能激发学生的学习热情,有助于培养学生的自主探索能力和创新能力。

5.1 智能家居实验教学与实践

智能家居是物联网工程专业一门综合性极强的教学实践课程,实验室内根据智能家居的特点布设门禁、窗帘控制、环境探测等相关无线传感器节点,构成自组织网络,通过自行设计改进的智能家居网关设备接入互联网。学生可通过实验室或自己的计算机完成采集智能家居传感网络中的数据,或完成通过节点控制各类电器开关等综合性、设计性的实验环节。该实践课程极大地锻炼了学生综合应用物联网工程技术的能力,同时还能作为展示物联网技术的示范实验室。该系统中实验教学主要分成3个部分:终端设备的组建、ARM网关的开发和客户端的开发,可为物理网技术应用等主干课程开出相应实验项目。

(1) 终端设备的组建。让学生了解各种传感器的工作原理,掌握无线传感网络的相关知识,包括各种传感器的信息采集、数据分析、无线传感网络的拓扑结构选择及控制、通信协议分析、通信帧结构设计等。

(2) ARM网关开发。针对提高学生的嵌入式编程能力,主要包括LINUX操作系统的移植、外设驱动程序的编写、系统相关库的移植以及各种服务器端的程序编写等。网关开发包含了Web服务器的移植和socket服务端的设计。

(3) 客户端开发。可包含安卓客户端设计和Web浏览器客户端设计2种。

5.2 RFID射频识别系统实验课程教学实例

RFID技术通过无线电信号识别特定目标并读写相关数据,而无需在识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触,是物联网技术中的一项核心技术。RFID射频识别技术课程是物联网工程专业的重要必修课,该门课程主要让学生系统掌握RFID射频识别技术的原理和应用,而该门课程配套的实验就是让学生通过实践操作来加深对RFID理论的认识。在物联网实景实验教学系统中,通过在每个实验室的出入口布设RFID阅读器,并结合仪器设备管理系统就可作为实验室资产设备等的智能管理系统,同时也可开放部分环节作为RFID射频识别系统实验课程的平台。

RFID的实验教学主要包括RFID器件等硬件类实验和RFID通信协议的分析和设计等软件类实验。结合物联网实景教学系统,可开出的实验项目有RFID系统的编码、载波产生、信号调制、RF信号功率放大、末级输出调制载波信号、天线等硬件类的实验,还包括标签信息的读写、防冲突算法、数据包分析等协议类实验和应用程序开发设计类的实验项目。让学生参与到物联网实景系统中,可让学生对RFID技术在实际的应用中有一个全面的、直观的认识。

6 结语

物联网实景实验教学系统利用物联网技术将实验室统一进行智能化管理,达到展示物联网技术内涵。把物联网技术从概念转为现实的体验,使学生更深入地了解物联网技术的实质内容,让学生一进入实验室,就能体验到物联网技术的存在,近距离与物联网技术接触交流；同时,在实验室的建设和管理上大量采用物联网技术,如RFID实现资产的登记和跟踪、基于电子门禁系统的开发实验室、云终端智能会议室、太阳能供电、视频智慧安防系统等,使实验室“智慧”化。实现对实验室管理的物联网化,还可以让学生在实景中进行实验,加深对物联网工程专业理论的理解。物联网实景实验教学系统实现了一个高度智慧化的实验室构架,高效、优质地完成实验项目和实验管理。

References)

[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, 2013,32(8):451-453.

[2] 胡成全,魏晓辉,钟丽鸿,等.物联网工程专业课程设置与实践教学体系设计[J].计算机教育,2015(9):12-15.

[3] 孔锐,张冰.物联网工程专业实验课程设置探索[J].实验技术与管理,2014,31(2):179-182.

[4] 邓广涛,陈魁奎.地方理工科高校实验教学改革探索与实践[J].实验技术与管理,2011,28(11):324-330.

[5] 周春月,闫子淇.基于物联网技术的智慧实验室架构研究[J].实验室研究与探索, 2014,33(5):239-243.

[6] 周晓红,李娟娟,王晓云.基于RFID和视频人像识别技术的门禁式定员监控系统的设计[J].现代电子技术,2015,38(16):73-80.

[7] 毕泗国.基于RFID技术的标签数据读写传输标准及应用[J].上海高校图书情报工作研究,2015 (2):46-49.

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[9] 崔贯勋.基于物联网的实验室智能化综合管理系统设计与实现[J].实验室研究与探索,2015,34(11):217-220.

[10] 申斌,张桂香,汪明,等.基于物联网的智能家居设计与实现[J].自动化与仪表,2013,28(2):6-10.

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[12] 罗军舟 金嘉晖,宋爱波,等.云计算:体系架构与关键技术[J].通信学报,2011,32(7):3-21.

Exploration and construction of a real-situation experimental teaching system of IoT

Hong Lan, Wang Jiabin, Zheng Lixin

(College of Engineering, Huaqiao University, Quanzhou 362000, China)

Based on Internet of Things (IoT) technologies, this paper presents a real-situation experimental teaching system. The system integrates IoT technologies, converting the experimental teaching of IoT from a traditional experiment box to a practical application. Cooperating with the real-situation, open-style, inquiry-based and task driven teaching methods, the system is able to serve the teaching and management affairs directly. Moreover, the system can provide a practical platform for students and work as a display platform of IoT applications as well.In summary, the system not only makes the management of laboratories more intelligent, but also enables the students of the IoT engineering major to gain a deeper insight into the IoT technology.

Internet of Things；real-situation experimental teaching； experimental teaching reform

10.16791/j.cnki.sjg.2016.11.043

2016-06-15

福建省科技创新平台项目(2013H2002)；泉州市科技重点项目(2013Z12)；华侨大学2014年度实验教学改革与建设课题(66661408)

洪岚(1980—)，女,福建泉州,硕士,实验师,主要从事物联网技术方面和实验室智能化管理方面的教学科研及实验室建设与管理工作.

E-mail：hhlam@126.com

G642.0

B

1002-4956(2016)11-0172-04