基于物联网的跨专业融合教学系统的研究

王青芝

（青岛理工大学琴岛学院，山东 青岛 266106）

0 引言

科技进步推动不同领域技术的融合创新，各行各业推进数字化改革，对创新型复合人才的需求与日俱增，因此，高校人才培养目标向着“协同创新”“学科融合”方向发展[1]。物联网作为一个涉及计算机技术、通信技术、电子技术、测控技术、机械制造等专业的交叉学科，各大高校在设立培养方案时均从跨专业融合教学方面着手。结合我院综合实践教学培养现状，设计基于物联网的跨专业融合教学系统，其教学目的主要有以下两个方面：

（1）以物联网实践项目为基础，培养不同专业学生之间团结协作的能力，发挥各个专业学生实践能力，来共同解决实际问题，淡化专业的“专一性”，以达到融合教学的目的。

（2）以“硬件平台”+“仿真平台”相结合的方式，对不同专业学生因材施教。其具体体现如下：

①感知层技术的研发。传统意义上感知层是多为物联网工程、电子信息工程以及嵌入式工程等具有硬件开发基础专业的学生研究。而本教学系统软件提供模拟仿真平台，各专业学生均可参与研究。

②网络层技术的研发。传统意义上的网络层实现信息系统中的实体间的通信与互联，多为网络工程专业的学生研究。而本教学系统软件中的网络层实现了物理世界与信息系统的互联，并采用模拟仿真系统，各专业学生都可参与到该系统中，学以致用。

③应用层技术的研发。传统意义上的应用层多为网络工程专业、计算机科学与技术等有上层应用开发经验专业的学生研究。基于本系统各专业的学生均可将自己的产品通过应用层平台发布到手机、PC客户端进行相关操作并查看效果。

1 基于物联网的跨专业融合教学系统设计

本系统主要由感知层、网络层和应用层三层构成。其中，感知层采用OneNET NB-IOT开发板及各类传感器搭建硬件电路，或者Cisco Packet Tracer软件平台仿真两种方式；网络层采用NB模块与OneNET平台互联或Cisco Packet Tracer仿真平台进行网络和路由的配置两种方式；应用层借助中国移动OneNET应用平台实现数据在多种设备上的图形化展示和用户指令的下达。其系统结构图如图1所示。

图1 基于物联网的跨专业融合教学系统结构图

2 基于物联网的跨专业融合教学系统实现

基于物联网的跨专业融合教学系统的实现从感知层、网络层和应用层三层展开。首先，通过各类传感器感应环境的温度、湿度、烟雾浓度等信息传递给单片机；其次，单片机将物理信息收集处理后，通过依托于中国移动网的NB模组或构建局域网的方式传递给上层应用平台；最后，应用平台接收信息并进行分析处理，在PC端或手机端直观展示，或者下达指令控制相关智能家居设备执行加湿、通风、加热、开灯以及报警等功能[2]。

2.1 感知层构建与实现

感知层采用OneNET NB-IOT开发板及各类传感器搭建硬件电路，或者使用Cisco Packet Tracer软件平台仿真两种方式，其具体实现如下：

（1）采用OneNET NB-IOT开发板及各类传感器搭建硬件电路。

图2是OneNET NB-IOT开发板实物图，OneNET NB-IOT开发板以ARM Cortex-M3 32位微处理器STM32F103RET6为核心,通过LCD1602实时地显示传感器DHT11检测到的温湿度值，同时，搭载中国移动的M5310NB模组，通过AT指令实现与OneNET平台的互联互通。

图2 OneNET NB-IOT 开发板实物图

（2）使用Cisco Packet Tracer软件平台仿真。对于网络工程、计算机科学与技术等专业学生，其课程体系中没有单片机和传感器等硬件基础课程，可以使用Cisco Packet Tracer软件平台仿真各类传感器和开发板的功能，完成感知层设备的搭建（如图3所示）。

图3 基于Cisco Packet Tracer 平台的温湿度监测系统

2.2 网络层构建与实现

网络层采用NB模块与OneNET平台互联或通过仿真平台进行网络和路由的配置，其具体实现如下：

（1）采用NB模块与OneNET平台互联。由于OneNET NB-IOT开发板内置OneNET协议的NB模组M5310,用户通过AT指令完成开发板与OneNET平台的互联互通。设备接入OneNET流程图如图4所示。

图4 设备接入OneNET 流程图

（2）通过仿真平台进行网络和路由的配置。对于网络工程和计算机科学与技术以外大多数专业的学生没有接触过路由与交换的课程，让学生实际去搭建局域网或移动网系统存在一定难度。通过仿真平台进行网络和路由的配置，可以通过模拟仿真的形式如图3所示，使学生搭建局域网或使用移动网，同时了解与使用MQTT、HTTP、TCP、LwM2M等多种协议标准[3]。

2.3 应用层构建与实现

应用层借助中国移动OneNET平台实现数据在多种设备上的图形化展示，其基本流程如图5所示。PC端温湿度数据流展示与智能家居控制如图6所示，手机端温湿度数据展示与阈值设定如图7所示。

图5 OneNET 平台设备构建与数据展示流程图

图6 PC 端温湿度数据流展示与智能家居控制

图7 手机端温湿度数据展示与阈值设定

应用层不仅可以实现数据在多种设备上的图形化展示，同时可以对数据进行分析处理和下发指令控制相应智能设备的运转[4-10]。比如温度过高时，打开风扇；温度过低时，打开加热片；湿度过低时，打开加湿器等。

图8 温度过高时，风扇开启

图9 打开家门，各种智能家居设备自动运转

3 结语

基于物联网的跨专业融合教学系统立足我院实践融合教学现状，以物联网实践项目为依托，采用软件平台仿真和硬件系统搭建两种方式，灵活性高，实用性强。该系统面向多个专业的学生，符合跨专业，学科融合的需求。后期可对其应用平台进一步扩展，开发更多实践教学案例，以满足不同专业，不同研究方向的学生使用。