物联网实验室建设与探讨

张天平

(武昌工学院信息工程学院，湖北 武汉 430065)

1 高校物联网实验室建设存在的问题

(1)在人才培养方案上缺乏综合应用创新性实验，不少学校都是将相关学科进行简单拼凑，在实验类型上只注重于“验证性实验”而缺乏“综合应用实验”[1]。(2)在实验室建设过程中，或者将本校已有相关专业的功能实验室进行简单拼凑作为新专业的物联网实验室，缺乏整体系统性，导致实验功能不过是将几个相关实验室的实验进行简单叠加；或者物联网实验室只提供实验箱，缺乏物联网的综合应用开发环境，无法完成同时涉及整个物联网架构的实验。(3)实验室建设过程中忽略综合应用开发环境的建设，只是注重演示或体验[2-3]。

2 本校物联网实验室建设

2.1 物联网实验室建设目标

建设物联网实验室时必须具备高度的前瞻性，由于计算机行业的各类硬件设备更新换代比较快，在对物联网实验室进行建设时期一定要注意每一个项目的硬件都必须能够满足3～5年的需求，也就是说在5年以内的时间里，物联网实验室的设备是不会被淘汰的，就算升级也要相对简单方便，因此，选型设备应该具备快捷升级的特点。其次需要对现投入的硬件和软件做最大的保护，因此，在选择设备厂商时一定要选择有实力并且信誉良好的合作伙伴，确保在未来的时间里能够为物联网实验室提供良好而又强大的售后服务支持[3]。

2.2 物联网实验室建设内容

(1)基础实验室。物联网基础技术实验系统(实验箱)由Cortex-A9嵌入式智能终端、无线通信模块节点、智能传感器模块和扩展调试配件4个部分构成。

高性能四核处理器Cortex-A9为核心控制器，板载16个通信模块节点和12个传感器模块，用户可任意配置通信节点、传感器模块的种类与数量。通过本教学实训系统，学生可加深对物联网各个行业(农业、家居、货柜、医疗)系统的了解，熟悉物联网技术发展的最新技术。可深入学习嵌入式ARM技术的硬件组成、操作系统及图形用户界面的移植、应用程序开发等技术；也可针对ZIGBEE技术、蓝牙4.0技术、WIFI技术等无线传感技术进行学习和了解；也可进行各种RFID技术、传感技术的学习。

基础实验室设备的主要规格参数如下：

智能终端采用主流的Samsung Cortex-A9处理器，网关将处理器的所有应用接口全部引出，配套实验教程，支持对网关进行深度地嵌入式学习和开发。网关可以搭载Zigbee、433、蓝牙、Wi-Fi等模块，采用统一接口，是实现所有信息的汇聚处理平台，嵌入式网关提供智能温室大棚、智能家居、智能交通、智能仓储货架等管理软件。

通信模块，节点种类涵盖ZigBee、IPv6、蓝牙、Wi-Fi和RFID读写器，另可选配摄像头、GPS、北斗2代、GPRS、3G、条码、指纹、微型打印机等多种模块，传感器种类多达30余种，是一款配置齐全、功能强大、性能卓越的物联网教学科研综合实验平台。

软件资源：Android嵌入式系统版本：Android 4.2.2。交叉编译器：arm-linux-gcc-4.5.1-v6-vfp。U-boot：完全开源的U-boot；支持Fastboot下载烧写；支持SD卡启动；支持原生的命令行模式，可更改启动参数等；支持eMMC读写操作。Superboot：支持SD卡脱机快速烧写；支持EXT3/4格式系统文件烧写；支持自动识别MMC/NAND启动。

实训项目包含基础实验、应用实验、综合实训实验，其中基础实验共计28个，包含：CC2530 GPIO实验、CC2530 UART串口实验、CC2530定时器实验、CC2530 AD转换实验、CC2530外部中断实验等等。应用实验共计35个，包含：烟雾传感器实验、光照传感器实验、雨滴传感器实验、人体感应传感器实验、火警传感器实验等等。综合实训实验共计7个，包含：物联网智能家居安防综合系统实验、物联网智能家居环境监控综合系统实验、物联网智能医疗应用开发、物联网应用之可调灯光设计实验、物联网RFID货柜应用开发等等。

(2)综合实验室。综合实验室配置有综合实训开发平台和综合应用平台。综合实训开发平台用于引导学生自主实践，同时也服务于课程设计、学科竞赛，培养学生的创新思维与工程思维。综合应用平台用于引导学生进行自主体验，促进学生进行项目研发。

综合实训开发平台结构：台体+核心网关+智能Wi-Fi模块+高清网络摄像头+USB虚拟串口+相关开发工具及各种物联网终端模块。其中，智能WIFI模块基于高通Atheros AR9331 SOC方案，支持基于linux内核的OpenWrt路由系统，模块有2个10/100Mbps支持自动翻转的LAN/WAN以太网口，支持U盘、USB转串口、USB摄像头、USB移动硬盘、USB 3G/4G网卡、USB无线网卡等超多USB设备，支持IEEE802.11 b/g/n，无线速率最大150Mbps，无线传输距离100m以上(空旷地带)，能够支持路由、AP、中继、桥接等多种工作模式。并且配置门磁、窗帘控制器、温湿度、LED灯、烟雾、人体红外报警等传感器，能够与软件系统和核心网关配合进行以下综合实训应用和创新开发。智能控制系统软件，用来收集和控制系统内部各传感器的数据和视频图像，并通过远程的方式控制各设备的动作。系统软件采用WEB端控制方式：大量带有如温湿度、烟雾、人体红外传感器的Zigbee节点模块进行组网，通过Zigbee协调器把节点传感器数据通过串口传送到PC。WEB端分别显示：数据监控显示、情景模式、开关控制、网络连接、空调遥控、监控视频、报警、定时功能等。

综合应用平台是根据现有实验室进行改造，并采用实物布景装饰，主要功能有以下几点：(1)家居安防：射频门禁控制与门磁感应，电动窗帘控制，室内环境监控，温湿度、可燃气、烟雾、光照、人体检测、水浸、红外栅栏、震动、报警灯、灯光控制等功能；(2)家电控制：对常见多种红外家电统一进行遥控控制；(3)视频监控：实时对家居中的环境进行本地和远程视频监控；(4)本地监控：兼容B/S、C/S两套软件架构，不仅可以通过智能终端的触摸显示屏实现本地功能监控、还可通过移动手持终端客户端访问和远程互联网WEB页面访问；(5)数据备份：数据库对家居环境及安防报警信息进行实时数据备份，可扩展连接云服务器，通过云端程序进行数据信息浏览与查看。

综合应用平台系统配置

(1)ARM网关一个；(2)配置液晶电视、手机、平板电脑、全向红外转发器、报警灯、紧急按钮、LED调光灯、人体感应传感器、光照传感器、红外栅栏传感器、烟雾传感器、水浸传感器、温湿度传感器、可燃气传感器、震动传感器、云台摄像机、门禁摄像机、窗帘控制器、电动窗帘、出门开关、门磁、电磁锁、门禁卡、门禁读卡器、无线路由等硬件。

3 物联网实验室建设应该注意的问题

3.1 与本学校人才培养特色相适应

每所大学都有自身的优势专业，在物联网实验室建设中，各个大学应根据自身的人才培养特色，根据本学校物联网专业人才培养的具体目标进行建设[4]。

3.2 具备先进性、开放性

物联网实验室可面向社会开放，接待其他学校的教师和学生进行实验和科研；可以作为高校物联网实验室解决方案的展示点供其他单位学习观摩；还可以与实验设备供应商合作组建物联网教学实验设备维护中心[5]。

3.3 物联网实验室师资队伍建设

物联网技术涉及的知识面非常宽，因此担任单一学科的实验室老师是无法胜任实验教学指导和管理工作的。同时如果单独启用学校内的计算机相关教育资源对学生进行教学，其效果是不明显的，甚至由于许多校内教师还没有真正地理解物联网技术，很多教师在理论教学方面还可以胜任教学工作，但是在实践方面却是远远不足的。因此，我们应当聘请物联网技术公司的高级工程师进行课堂授课并且支持骨干教师参与企业项目合作开发，做到教学科研两不误。

4 结语

本文对现在高校物联网实验室建设存在的问题进行分析，结合本校物联网实验室建设体会，提出了物联网实验室建设应该注意的事项。物联网实验室的建设有利于促进对物联网相关技术人才的培养，因此，应当加大和普及物联网实验室的建设力度，使各大院校培养出更多具有实践动手能力的物联网技术人才。