高校物联网专业实验设备选用探讨

张志广 陈爽

摘  要：本文对物联网实验设备在高校物联网专业教学中的作用进行分析，对各种物联网实验设备从功能、成本、学生受益程度、可维护性等角度进行对比，重点介绍了开源硬件在物联网教学中的作用，给出适合高校物联网专业实验设备选用的方案。

关键词：物联网;实验设备;开源硬件

中图分类号：TP391.44-4;G642       文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2019）19-0197-02

Abstract：This paper analyses the effects of IoT experimental equipment in the teaching of IoT specialty in universities，compares various equipment from the aspects of function，cost，beneficial degree of students，maintainability，etc.，focuses on the role of open source hardware in the teaching of IoT，and offers suitable scheme of the selection of IoT experimental equipment.

Keywords：IoT（internet of things）;experimental equipment;open source hardware

0  引  言

目前，物联网工程已经成为理工类高校普遍开设的专业，物联网实验设备作为物联网工程专业教学的必要组成部分，在辅助实验教学、创新创业实践、完成毕业设计、参加各类比赛、加强科研能力等方面不可或缺。

1  物联网实验设备在教学中的应用

1.1  物联网基础实验

物联网专业课目前在高校主要有嵌入式系统、RFID、传感器、无线传感器网络、物联网工程实施等主干专业课程。为配合课堂理论教学，巩固学生掌握的理论知识，把理论和实践进行统一，每门课程都配置了实验课。这类基础实验课程主要是验证性实验，通过实物操作理解理论知识，所需的物联网实验设备功能单一，能完成本门课程的理论验证需要即可，但要根据每门课程的需要进行配置，数量较多。

1.2  物联网综合课程设计

物联网专业每个学期都会安排两到三周的综合课程设计。这类课程开设在学生学习专业基础课程后，锻炼学生对物联网知识的综合应用能力，使学生能够把所学知识进行融合，完成系统的工程实践任务。所需的物联网实验设备要求功能多样，能够搭建较为完整的物联网系统。这类设备通常根据课程设计中的学生分组情况进行配置。

1.3  创新创业和学科竞赛

高校物联网专业每年都要参加物联网设计竞赛，参加学科竞赛选用的物联网设备要根据参赛题目去选用，灵活多样。学生要根据选用的硬件去实现设计的功能。这类设备除了实验室已有设备外，可能要根据竞赛题目需要临时采购。

1.4  毕业设计和科研

物联网专业的毕业设计大都要求设计实现物联网系统，要求在毕业答辩时进行系统展示。每个学生毕设题目不同，选用的设备更是多种多样。科研中的设备要求运算条件较好、通信能力强，有能力的同学可以利用复杂实验设备进行科研课题的开发。毕业设计和科研类设备可以根据学校经费情况由学生自行采购，然后学校统一报销的方式进行配置。

2  可供选用的物联网实验设备介绍

高校物联网专业如何选用实验设备来满足上述教学中的需求，能够最大程度上提高学生实践能力、降低设备采购成本、做到物尽其用，是一个值得探讨的问题。目前市面上可供选用的物联网实验设备大致可以分为以下几种。

2.1  物联网实训平台

例如智能家居系统、智能温室大棚沙盘演示系统、智能安防控制系统、特殊环境安全工程系统、智慧城市应用系统、智慧工厂应用系统、智能农业应用系统、智慧交通应用系统、食品溯源应用系统、智能产品开发技能培养系统、智能仓储应用系统等综合性系统。这类平台采购成本高，一套系统价格在20万元左右，有的系统还要支付云服务年费。这类系统属于物联网集成系统，一般包括物联网网关、数据采集终端、控制系统等模块。提供完整的软件系统和源代码，各个模块的源代码和软件系统加起来大概需要几个GB的容量。复杂的系统对于大学阶段刚刚进行物联网学习的学生来说，理解难度非常大。由于是專门针对某一种应用的系统集成，基本不可能在原有系统上进行应用扩展和二次开发。如果设备出现故障，只能请厂家技术人员进行修理。这类设备对于学生掌握基础知识、课程设计、毕业设计的用途都微乎其微，但是可以开阔学生视野，了解物联网系统架构，增强学生学习物联网的兴趣，并且可以按照厂商所给代码进行开发测试。

2.2  物联网实验箱和实验套装

例如RFID实验箱、嵌入式实验箱、ZigBee套装、无线传感网实验箱、友善之臂开发板、健康监护应用实验箱、窄带物联网开发实训系统、感知层信息安全试验箱等实验套装设备。实验箱级实验设备价格大概在30000元左右，实验套装设备价格在1000元左右。这类实验设备会提供设计好的实验案例，学生可以按照实验指导书的步骤顺利完成实验。通过阅读实验案例源代码可以让学生掌握物联网理论知识在编程实践中的应用。这类设备提供的实验源代码在学生能理解的范围，而且硬件带有扩展接口，学生可以在设备提供的源代码基础之上进行二次开发。可以应用在基础知识实验、课程设计、学科竞赛和毕业设计中。这类设备的局限性在于只能在现有硬件和源代码的基础上进行修改和完善，不能任意扩展，学生只能在读懂源代码的基础上进行二次开发，不能锻炼学生搭建系统、从零开发的能力。这类设备硬件系统较为复杂，如果出现故障，实验员判断故障点非常困难，一般只能请厂家技术人员上门维修。

2.3  经典开发板

在单片机开发板加入无线模块，单片机开发板包括51单片机、STM32等。51单片机开发板加Wi-Fi模块是一种选择。51单片机是一款经典且应用广泛的单片机，学生学习内部结构，外部引脚，接口编程时用51单片机简单易上手，在51单片机加入Wi-Fi可进行无线连接，可作为终端节点。STM32运算速度快，能够实现复杂算法，传输大量数据。STM32加Wi-Fi可作为路由节点，构成物联网的硬件基础。这些开发板既可以自己做也可以在網上自行购买，并且学生可根据具体需求自己组装硬件外设，提高学生设计硬件电路的能力。

2.4  物联网开源硬件

例如各种型号的Arduino开发板、Raspberry Pi开发板、ESP8266无线物联网模块、RFID模块、各类传感器模块等。Arduino是一款便捷灵活、方便上手的开源电子原型平台。包含硬件（各种型号的Arduino板）和软件（Arduino IDE），由一个欧洲开发团队于2005年冬季开发。Raspberry Pi是一款针对电脑业余爱好者、教师、学生以及小型企业等用户的迷你电脑，预装Linux系统，体积仅信用卡大小，搭载ARM架构处理器，运算性能和智能手机相仿。这类硬件以开发板和模块形式提供，价格便宜，一般开发板只有300元左右。这类开源硬件有成熟的中文社区，有丰富的学习资料和免费共享的物联网案例。硬件是以散件形式提供，学生在学习时是以DIY形式，自己动手从零做起，搭建硬件系统，代码也是从零做起，真正体会物联网学习的乐趣。这类开源硬件的编程，有许多现成的模块可以使用，调用简单的函数即可实现复杂的功能，入手容易，不必理解底层寄存器的复杂配置。学生可以从一个LED灯的点亮、一个温度传感器的数据读取、一个继电器的控制这些基础做起，到逐步完成用APP去控制物联网系统终端设备工作的整个学习过程。这类设备完全可以应用在物联网专业学生从基础实验到学科竞赛、课程设计等各个方面。更为重要的是学生通过这类开源物联网设备的使用，可以实践硬件接口的连接、理解模块的工作原理、自己编写源代码去驱动硬件工作，真正掌握物联网技术。如果设备模块出现损坏，学生自己就可以用替代法排查故障源，只需更换损坏的模块就可继续进行学习，维修容易。

2.5  传感器

传感器是物联网中获得数据的方法。传感器有几千种，价格有低有高，实验室不可能采购所有的传感器，而是针对不同应用采购传感器，且按耗材采购。学生根据每类传感器进行分析、设计、使用，完成终端数据采集及控制。

3  高校物联网专业实验设备选用策略

通过对以上几类物联网实验设备的分析，根据高校自身物联网专业培养目标、学生的基础情况、学校资金的安排，应合理选用物联网实验设备，最大程度辅助教学，提高学生实践能力。对于实验设备经费充足、学生理解能力强的高校，建议采购少量物联网实训平台来提高学生对物联网综合系统的整体构建的认知，通过这些平台去学习复杂物联网系统的专业知识。采购满足实验学生人数的物联网实验箱和套件，利用这些设备去快速开发，进行学科竞赛和课程设计。采购足够数量的开源硬件，培养学生实践能力，更好地锻炼学生从零开发的能力。对于实验经费紧张，更注重学生实践能力培养的高校，建议更多采购成本低、应用广，但是更能提升学习物联网兴趣的开源硬件。这类开源硬件的使用，可以让学生从每个传感器的连接、每个基础功能的实现做起，极大地锻炼学生的工程实践能力。而且可以积累每一届学生的开发经验，为后续学生提供宝贵的学习资料，形成良性循环，最大程度地实现实验设备的使用价值。

参考文献：

[1] 陈吕洲.Arduino程序设计基础：第2版 [M].北京：北京航空航天大学出版社，2015.

[2] [美]Brendan Horan.Raspberry Pi树莓派实作应用 [M].翟娟，施畅，译.北京：人民邮电出版社，2014.

作者简介：张志广（1975-），男，汉族，河北秦皇岛人，物联网专业讲师，硕士，研究方向：物联网。