基于物联网的智能控制项目实践教学设计

焦铬+李浪+邹祎

摘要：针对智能控制课程的特点，分析实践教学中存在的问题，结合程序开发语言和物联网智能控制等知识，提出基于物联网的智能控制平台实践项目，从实验平台、实验项目和实验考核等方面设计详细的实践教学方案，培养学生的创新能力和实践能力，提高实践教学质量。

关键词：物联网；智能控制；实践教学；中国制造；智能制造

0引言

“中国制造2025”部署了全面推进实施制造强国战略，提出智能制造作为中国制造的主攻方向。在《中国制造2025》中还指出加快开展物联网技术研发和应用示范，推动智能交通工具、智能工程机械、服务机器人、智能家电、智能照明电器、可穿戴设备等产品研发和产业化。随着物联网技术在智能控制领域中应用的不断深入，社会对掌握智能控制技术和物联网技术的应用型人才的需求会越来越大。基于物联网的智能控制项目实践教学改革对提高学生的工程应用能力，使学生掌握行业前沿技术的能力，提升学生的就业竞争力有着重要的意义。

1目前教学中存在的问题

（1）课程理论性强，内容多且抽象，缺少相应的实践，学生对理论知识难以掌握；课程学时少，学生投入的学习时间和精力不足，无法自己寻找实践项目，缺乏实践；与课程教材相配套的实验方案较少，导致实验难以有效地开展。

（2）智能控制课程实践教学大多以仿真为主，缺少面向技术前沿的实践环节。大多数高校学生做实验就是利用MATLAB的Simulink、GUI等工具设计各种控制算法和建立智能控制系统模型，从而实现对系统的仿真。学生对实际的工程项目应用不了解，不利于创新能力和职业能力的培养。

（3）课程考核方式没有体现对能力的考核。减少单个知识技能的考核，增加知识能力体系的考核。

2实验平台选择

我们的实践项目所用的实验平台是北京精仪达盛科技有限公司生产的物联网实训开发系统，系统由物联网视频移动开发平台实验箱和物联网节点实验箱组成，主要特点如下：

（1）多环境支持。提供基于C#、C++、Java的开发包及已封装的函数接口，提供智能手机开发包及已封装的函数接口，可进行物联网项目的二次开发。

（2）接口丰富。RJ45 10M/100M自适应以太网接口、标准RS-485串行通信接口、模拟视频输入接口、视频输出接口、支持SD卡接口与存储、USB接口、支持WIFI和3G网卡。

（3）功能强大。支持CMRTP网络协议，能同网传感图像信息、声音信息、传感器信息、控制信息，节点信息；支持多用户智能移动终端同时访问ZIGBEE NVS网关；智能手机、IPAD等；内置WEB SERVER，网络参数设置简单；可配置成服务器工作；支持多用户端同时访问ZIGBEE NVS网关；远程PC机访问。

3实验项目设计

3.1实验项目构建

基于物联网的智能控制实验项目从技术架构上来看，分为3层：感知层、网络层和应用层，如图1所示。

感知层的节点采集到数据经过网络层传输与服务器通信，然后应用层中的客户端用软件登录服务器，登录后即可控制和查看感知节点的信息。客户端可以通过软件看到感知节点采集的信息，发送控制命令去控制对应的实物，包括门禁、窗帘、灯光、摄像头等。各层所安排的实验项目及课时见表1。

（1）感知层由各种传感器以及传感器网关构成，感知层的作用相当于人的眼耳鼻喉和皮肤等神经末梢，它是物联网识别物体、采集信息的来源，主要功能是识别物体，采集信息。感知层开设的实验项目包括气体浓度传感器、温度传感器、湿度传感器、二维码标签、RFID标签和读写器、摄像头、GPS等智能感知终端等实验。感知层节点包括感知节点和控制节点，感知类节点包括测试火灾和烟雾的传感节点、采集空气温湿度和土壤温湿度的传感节点、探测红外的传感器节点，控制类的节点包括：控制门禁的节点、灯光和电源的传感器节点以及可以远程控制监控的无线云台节点等。感知节点和控制节点可以联动，可以结合起来作为实训项目。

（2）网络层由各种移动通信网络、互联网、网络中心和信息中心等组成，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。在网络层中，传感器与协调器之间的传输都是利用Zigbee进行相互通信的，而且由网关接收到感知层的信息，然后通过网络和无线通信方式传输信息给服务器，用户可在客户端上观察到感知节点的数据，并且可发送控制指令给协调器去控制节点。网络层的实验项目只需要了解路由器的设置，包括局域网和广域网络的设置，因此安排的实验课时较少。

（3）应用层是物联网和用户（包括人、组织和其他系统）的接口，它与行业需求结合，实现物联网的智能应用，是智能控制实践中最关键的部分。实践项目包括智能交通控制系统、工业控制系统、智能农业控制系统、智能家居控制系统、智能物流控制系统、智能制造控制系统、智能安防控制系统等。

3.2实验项目举例

智能控制在物联网背景下有着广泛的应用，尤其体现在工程应用实例项目上。

1）监控土壤环境状况。

将传感器植入土壤或暴露在空气中，由传感器采集到的数据通过物联网传输至远程控制中心，可及时了解当前农作物生长环境和变化趋势，确定农作物生产目标。通过智能控制，可实时掌握环境温度和土壤各项参数等对农作物产量的影响，并进行参数的调节，最大限度地提高农作物产量。

2）产品制造和质量监控。

制造业集成了多种先进科技的流水作业。生产制造过程中伴随有大量数据，如产品加工条件或控制参数（时间、温度等）。通过收集这些数据可反映每个生产环节的状态，对生产的顺利进行起着至关重要的作用。通过智能控制可得到产品质量与参数间的关系，从而获得针对性很强的建议，以改进产品质量，而且可能发现更高效的控制模式，带来丰厚的回报。

3）天气预警。

一方面，利用智能设备随时关注气象信息，并针对雨天发出报警提醒；另一方面，智能终端随时跟踪用户行踪，并通过智能控制由用户历史行动特征数据预测去向。一旦预测到用户要出门，就在合适的时候由相应智能终端提醒其带雨伞。如用户在门口，就将由安装在门上的智能设备发出提醒；如在车内，则由车载计算机发出提醒。

4基于CDIO的项目考核

CDIO（conceive、design、implement、operate，构思、设计、实现、运作）是当今国际高等工程教育的一种新模式，由美国麻省理工学院和瑞典皇家工学院等4所大学共同倡导。这种模式更加注重扎实的工程基础理论和专业知识的培养，通过每一门课程、每一个模块、每一个教学环节来落实产业对能力的要求，满足产业对工程人才质量的要求。结合CDIO工程教育人才培养考核标准和传统实践教学环节的考核方法，建立了以个人能力、交流沟通能力、团队合作能力、创新能力等能力培养为目标，以工程构思、工程推理、工程设计、工程应用为主线的考核体系，采用自评、项目组互评、答辩等多元考核方式，考核体系见表2。基于CDIO的项目考核体系能有效地激励学生的学习主动性，合理地评价学生的学习效果，督促教师不断地完善实践教学内容，优化和提高教师的实践教学能力。

5结语

基于物联网的智能控制项目实践教学改革结合了国家战略需求和行业需求，使学生能够更好地掌握和运用智能控制理论进行实际的工程应用，提高了学生的工程应用能力和掌握行业前沿技术的能力，提升了学生的就业竞争力。

（编辑：郭田珍）