物联网组网技术课程教学内容及方法探讨

彭维平，宋 成，王 磊

（河南理工大学 计算机科学与技术学院，河南 焦作 454003）

物联网组网技术课程教学内容及方法探讨

彭维平，宋 成，王 磊

（河南理工大学 计算机科学与技术学院，河南 焦作 454003）

针对物联网组网技术课程内容涵盖面广、交叉性强、教学内容难以把握的教学实际，结合近年来的教学实践，对该课程的定位和特征进行分析，提出统筹规划架构为先、分层设计上下层服务次之、逐层细化技术为基的课程内容规划思想，阐述如何通过强化先进的组网技术和方法，使学生掌握必要的技能，提高学生的实际动手能力。

物联网组网；系统架构；实景观摩；项目式教学；翻转课堂

0 引 言

信息时代，物联网无处不在。据IDC测算，2020年全球物联网有望影响的下游市场规模将突破3万亿美元，超过250亿台系统/装置联网[1]。面对如此庞大的智能设备和网络设备联网需求，规划设计人员需要根据不同设备及产品的工作特性，设计出既能满足各类业务需求和应用的联网方式及组网结构，又能合理有效地使系统能对外提供各级各类服务，这对技术人才在物联网设备组网中的知识水平和技能提出更高的要求。

物联网组网技术课程的学习对提高学生的网络规划和设计能力至关重要，但目前我国各高校相关专业的办学尚处于摸索阶段，还未形成成熟的教学内容体系，探索一套切实可行的教学内容及教学模式很有必要。

1 课程定位

物联网组网技术课程是在学生学习并掌握物联网工程专业所有专业基础课和绝大部分专业必修课之后开设的一门专业必修课，其目的是让学生通过本门课程的学习，掌握当前常用的物联网组网技术和方法，然后将之前学习的专业知识进行整合和融会贯通，并进行系统规划和设计，进一步提高学生对物联网系统的设计开发与实际应用能力。在物联网专业教学和知识体系架构中，物联网组网技术课程是一门承上启下的课程[2]，其知识体系架构如图1所示。物联网组网技术课程除了配套的实验教学环节之外，还会安排1—2周的课程设计，通常在第3学年第1或第2学期开设。

此课程开设的前提是学生具备一定的传感器、单片机或嵌入式程序设计和无线传感器网络基础，掌握计算机网络组网的方式和方法，能运用可视化编程语言和数据库技术进行数据管理，因此，必须先修的前导课程主要包括单片机与嵌入式技术、计算机网络、高级语言程序设计技术、无线传感器网络技术、数据库技术、RFID技术等，后续课程为物联网系统集成与应用。

图1 物联网组网技术课程知识体系结构图

2 组网特征

物联网作为一种新兴的信息网络技术，本质上是将各种传感器技术、网络技术、人工智能和自动控制技术集成与融合，使人与人、人与物、物与物相连，构成一个准泛在的网络，是互联网的延伸和扩展，其核心和基础仍然是互联网。相比传统互联网领域的组网技术，物联网组网除了包含计算机网络组网领域的相关技术和方法之外，还具有其独特的地方，主要包括以下三方面。

（1）联网主体多样化。

物联网技术的一个显著特征是全面感知，它是各种感知技术的综合应用，联网设备包括（计算机网络领域）交换机、路由器、PC机和服务器，还包含（物联网领域）感知节点、汇聚节点、RFID标签、RFID读写器、智能网关、移动终端等。

（2）传输技术复杂化。

物联网应用中各种感知手段采集的信息通过有线和无线网络与互联网融合，并通过互联网将信息实时而准确地传递出去，由于所传递的信息数量极其庞大，形成海量信息，所以在传输过程中，为保障数据的正确性和及时性，必须适应各种异构的网络和协议。

（3）数据处理智能化。

物联网不仅能提供传感器的连接，还能将感知层采集的数据利用数据融合、模式识别等智能信息处理技术进行分析、加工和处理，为管理者的手动决策和智能设备的自主决策提供数据支持。

3 教学内容规划

目前，与物联网组网技术课程相关的参考书及教材较少，大致分为两种类型：第一类采用系统分层的方式逐层讲解每一层相关的技术[3]，如从数据链路层的互联技术到网络层的网络协议和路由器与交换机配置技术，再到应用层的综合布线、网络管理、物联网对象名称解析服务等，讲解的技术涵盖面十分广阔；第二类采用案例式教学模式[4]，以讲解物联网在多个行业的应用需求以及相关的组网技术为主，如物联网技术在智能家居、智能工业、智能农业、智能物流、智能交通、智能电网、智能环保、智能安防、智能医疗等多领域的应用。两种类型的讲授内容各有侧重，在实际教学过程中，需要综合利用这两种类型的资源优势，有选择、有目的地组织课堂教学内容。

3.1 统筹规划，架构为先

开设物联网组网技术课程之前，学生已经学习过计算机网络、无线传感器网络、RFID应用等相关课程，物联网组网本质上就是这些技术的综合。学生虽然掌握其中的很多知识点和基础技能，但无法将这些技术和知识较好地联系起来，知识点支离破碎，缺乏对这些知识点应用的融会贯通能力，仍然迷茫于如何应用，也会导致学生失去学习兴趣。

由此，笔者建议在讲授技术知识之前，从系统总体架构的角度，对学生学习过的知识点做初步融合，用体系架构的总体思路来启发学生，让学生对本门课程有总体的认识。总体架构是一个项目或应用的总体轮廓和框架，偏向于概念，是从项目整体出发，明确问题的范围，然后确定所需组件和服务。通过此环节，让学生构建对某个应用的大局观，有利于培养学生对具体项目的掌控度，教学过程中讲解的一个通用架构如图2所示。

3.2 分层设计，上下层服务次之

架构设计能让学生从宏观上对物联网组网产生一定了解，分层设计则是让学生从服务提供的角度认识每一层需要为上一层提供哪些服务、常用的技术和方法。目前，受到各界广泛认可的物联网分层为信息感知层、物联接入层、网络传输层、智能处理层和应用接口层。信息感知层主要是对物的感知和识别，涉及的技术有RFID、传感器、多媒体信息捕获、位置服务、GPS技术等；物联接入层主要涉及蓝牙、WIFI、Zigbee、WIMAX、GPRS技术等[5]；网络传输层主要涉及以IPv4和IPv6为核心建立的互联网平台；智能处理层主要涉及数据融合技术、海量数据分析、云计算技术等；应用接口层则是以各类行业应用为主，针对不同的行业采用不同的解决方案。

图2 通用架构图

3.3 逐层细化，技术为基

对于物联网组网，仅仅从几种不同的信息采集模式和几种有线或无线数据传输方法去分析和讲解是远远不够的，需要深入到具体的技术和手段，因为掌握了某一种常用技术和方法，运用其他技术就会容易很多。应用领域和行业千变万化，但本质核心技术是不变的。因此，在涉及具体的实现环节时，讲授技术基础和细节是非常关键和必要的。通过近几年的摸索，笔者在具体实施教学中主要从以下几个细节方面进行强化。

3.3.1 数据封装格式JSON

无线传感器网络中存在较大数量低功耗、低能量和有限数据处理能力的终端节点，为提高这些节点封装和解析数据的效率，我们重点引入JSON技术，通过JSON格式进行数据封装。JSON是一种轻量级的数据交换格式，其采用键值构造具有特定语法格式的字符串，易于机器的解析和生成，读写更加容易，且支持C、C#、Java、JavaScript、Perl、PHP 等多种语言。

3.3.2 数据传输协议MQTT

物联网环境中数据传输主要面临3个问题：一是在网络不稳定的情况下，如何保证数据的可靠传输；二是如何保证数据不被重复发送；三是连接断开后如何进行自动重连。因此，使用合理有效的数据传输协议至关重要。针对这个问题，笔者给学生详细讲解了MQTT（Message Queuing Telemetry Transport，消息队列遥测传输协议），这是一种基于发布/订阅模式的轻量级通讯协议，该协议构建于TCP/IP协议的基础之上，由IBM在1999年发布，并于2014年被正式推荐为物联网传输协议标准。

3.3.3 Web Services服务

物联网应用环境中存在多源异构的数据采集终端和异同的应用服务支撑平台，这些异同给物与物之间的数据交换、服务交互和协同工作产生了不同程度的阻碍。针对这个问题，我们引入Web Services服务，通过Web Services服务，所有平台均可向外界发布功能或消息，并通过Web浏览器实现数据访问和交互。

3.3.4 跨平台界面设计QT

物联网网关除了需要实现不同类型感知网络以及感知网络与通信网络之间的协议转换，达到局域互联和广域互联之外，更重要的一点是需要在网关设备上提供可视化的图形用户操作界面，为用户提供可视化的设备管理功能和远程控制服务。对此，我们引入QT界面设计软件的讲授内容。QT是一个跨平台的C++图形用户界面应用程序开发框架，其模块化程度高，可重用性较好，支持组件编程，可在不同平台上进行本地化运行，通过signals/slots机制实现各个元件之间的协同工作，能提供简单易用且功能强大的IDE——Qt Creator，进行界面开发非常方便。

3.3.5 数据库技术

传统的数据库技术如Oracle、SQL Server、MySQL等已经在互联网领域得到广泛应用，却并不适合应用于M2M的应用环境，特别是应用于手机、PDA、嵌入式的物联网网关和智能移动终端这一类设备中，因此，需要为学生增加嵌入式数据库或内存数据库的内容。如嵌入式数据库SQLite，数据库中所有的信息都包含在一个文件内，并采用独立、可嵌入且零配置的SQL数据库引擎，适合智能移动终端设备使用；而Redis是一个可基于内存短期存储,也可持久化存储的日志型Key-Value数据库，非常适合与JSON数据格式配合使用。

4 教学方法改革

传统的教学过程中，课堂教学是学生了解和熟悉技术基础理论和方法的主要途径，而以掌握知识点为目标的实验教学是学生掌握相关技术和使用方法的主要手段，将两者相结合进行教学是目前主要的教学模式[6]。物联网组网技术涉及的内容多、知识点零碎且交叉性强，采用传统的教学方式和方法很难激发学生的学习兴趣，学生也很难理解和掌握众多零碎知识和技能之间的联系，更难以融会贯通地使用。笔者从以下几方面进行改革。

4.1 实景观摩，建立大局观

在开课之初，通常在第二次课就带领学生参观校内智能家居实景和校外实践基地的智能农业大棚，进行现场观摩。通过实景观摩，首先，让学生身临其境，感受进入物联时代后未来家居和智能农业的便捷以及智能技术的神奇，激发其对未知的渴望和学习的兴趣；其次，可以让学生亲自动手去组合各种智能化设备，配置它们之间的联动关系，实实在在地感受M2M的神奇，让学生明白这些看似遥不可及高大上的技术和方法就在我们身边，树立对学习好本门课程的信心；最后，帮助学生建立对物联网应用的大局观，明白组网技术在物联网应用规划中的层次和位置。

4.2 项目式教学，实物进课堂

如今网络上共享的公共学习资源越来越丰富，学生可以通过智能手机等工具随时随地获取资源。教师在教学过程中单纯地讲解技术对学生来说意义不大，更重要的是要教会学生如何灵活运用这些技术。在教学中，笔者采用了项目式教学的方法，将和某企业合作的“智能农业大棚远程监控平台”科研项目作为案例，从需求分析开始，带领学生逐步完成整个项目，重点讲解如何规划和设计网络结构以及如何选择合理的组网方式。此外，将智能农业大棚原型控制系统实物带入课堂，让学生零距离地认识这些工业用的部件，并通过分析设计方案和源代码，让学生掌握JSON数据封装技术、MQTT服务配置、QT界面设计、Redis服务部署、SQLite数据库等技术的使用。

4.3 翻转课堂，实践出真知

通过上述项目式教学环节之后，学生已经在教师的带领下逐步完成了一个完整的项目，但是这些还远远不够，还需要让学生融会贯通、灵活地运用所掌握的技术和方法。在后期教学中，我们采用了翻转课堂的模式，以智能家居为例，采取小组合作的方法，让各组学生作为一个团队来规划和设计方案，并在课堂上进行讲解，教师和其他学生作为听众和评委，各小组之间不仅是竞争关系，还能够互相取长补短，加深学生对知识的深入理解，提高灵活运用的能力。

5 结 语

物联网组网技术是物联网工程专业教学中承上启下的一门核心课程，在教学过程中需要合理安排本门课程的授课内容，选择有效的教学方式和方法，让学生最终学习到更多更好的技术知识，并能够实现对技术的灵活运用。笔者根据物联网组网技术在学科中的定位和特征，提出统筹规划架构为先，分层设计逐层细化课程内容的规划思想，采用实景观摩、项目式教学、实物进课堂、翻转课堂等教学模式，并在近三届学生的实践教学过程中进行相关实践，具有较强的操作性，希望能对其他高校的教学提供一定参考。

[1] 智造局MakeMountain. 物联网技术行业前景分析[EB/OL].（2016-06-18）[2017-05-18]. https://sanwen.net/a/tjzhubo.html.

[2] 陈辉, 李敬兆, 詹林. 物联网工程专业人才培养和专业建设探索[J].计算机教育, 2014(4): 13-17.

[3] 乔平安. 物联网组网技术（高等学校物联网专业系列教材）[M]. 北京: 中国铁道出版社, 2013.

[4] 薛燕红. 物联网组网技术及案例分析[M]. 北京: 清华大学出版社, 2013.

[5] 佚名. 物联网常用的组网技术浅析[EB/OL].（2016-08-09）[2017-07-09]. http://www.elecfans.com/iot/430650.html.

[6] 姚建峰, 黄式东, 孙艳歌. 物联网工程专业实践教学体系模块化研究[J]. 物联网技术, 2017(1): 112-114.

1672-5913(2017)11-0095-04

G642

河南理工大学教育教学改革研究项目（2013JG030）。

彭维平，男，副教授，研究方向为物联网安全及应用，pwp9999@hpu.edu.cn。

（编辑：史志伟）