未来智库 > 物联网论文 > 【高校新型物联网实验室建设方案探索】
    关键词:专业建设;实验室建设;物联网工程;物联网集成实验室
    中图分类号:G647 文献标志码:A 文章编号:1674-9324(2015)52-0240-02
    物联网是战略性新兴产业的重要组成部分,是继计算机、互联网和移动通信之后新一轮的信息技术革命,正成为推动信息技术在各行各业更深入应用的新一轮的信息化浪潮。发展物联网产业是实现技术自主可控,保障国家安全的迫切需要;是发展战略性新兴产业,带动经济增长的迫切需要;是提升整体创新能力,建设创新型国家的迫切需要。物联网是通过信息传感设备,按约定的协议实现人与人、人与物、物与物全面互联的网络,其主要特征是通过射频识别、传感器等方式获取物理世界的各种信息,结合互联网、移动通信网等网络进行信息的传送与交互,采用智能计算技术对信息进行分析处理,从而提高对物质世界的感知能力,实现智能化的决策和控制。目前,很多高校和职业学校在规划建设和不断完善物联网实验实训室,但是如何在预算有限的成本空间下,建立一个理想的、具有先进性的物联网实验室,是大家普遍关心的问题,也是高校和职业学校实验室建设所面临的一个全新挑战。
    一、物联网实验室建设的背景
    目前,全国高校物联网实验室建设可以划分为三个阶段:(1)2010―2011年,全国物联网专业正式招生,实验室建设参考电子工程实验室建设方案进行。(2)2011―2013年,建立在网络基础上的物联网专业实验室建设工程开始投入使用。(3)2013―2015年,以云计算为基础的具有物联网专业特色的实验室建设工程开始实施。传统的物联网工程人才培养计划,物联网专业的技术实验,主要包含三个部分:基础实验室、专业实验室和综合实验室。由于全国高校的物联网专业由多个不同的学院举办,如有的办在计算机学院,有的办在电子工程学院,有的办在通信学院。不同的背景决定了物联网专业的建设和实验室建设,都带有了原来的专业特色。
    二、传统的物联网实验室建设现状
    高校工程应用型专业的培养目标是高素质的技术应用人才,就嵌入式和物联网专业而言,在课程设置上,要求基础理论以“实用、够用”为度,突出实践教学,注重学生实践能力的培养。实践课程体系设置是实现实践能力培养目标的重要手段,嵌入式和物联网专业实践教学课程的设置大致应包含基础实践、专业实践、应用创新实践三个层次。理论上,传统基础上的物联网实验室建设理念指导下的物联网实验室建设,主要是建设基础实验室、专业实验室和综合实验室。
    1.基础实验室。通过课程实验和课程设计的方式,完成学科基础模块中相应课程的实验,模拟电子数字电子技术实验,高频微波通信和无线通信,传感器和单片机原理与应用实验,C语言和汇编语言,实时操作系统,等等。基础实践旨在使学生掌握进行物联网实验所要求的基本技能,主要包括基本工具的使用、基本元器件的检测和相关电路的调试、仿真器的使用和调试以及软件的使用和开发等。
    2.专业实验室。通过课程实验和课程设计的方式,专业基础模块和专业课模块中相应课程的实验,包括通信原理实验、计算机网络和嵌入式系统实验、传感网实验、RFID实验、移动互联实验、IPV6实验、高级Linux和安卓等大型移动嵌入式操作系统实验等。其中,大部分实验都涉及到物联网的单项关键技术。专业实践的目的在于培养学生物联网单项关键技术的基本技能和专项技能。
    3.综合实验室。需要能够支持毕业设计、电子竞赛、科研课题和应用实训等形式,着眼于物联网知识和技能的综合运用,其目的在于通过一系列的实践活动,锻炼学生的应用创新能力。实践活动中需要学生利用所学的知识和技能分析、解决实际问题,使学生获取更多的直接经验和间接经验。综合实验室提供的嵌入式和物联网应用系统平台,使学生可基于已有的示范系统获得物联网应用系统的感性认识,进而在其上进行毕业设计,或者自主选题参加电子竞赛。教师也可以将科研课题引入实验教学中,以科研课题为背景,循序渐进地开展与科研课题相关的实验内容,逐步引导学生在综合实验室完成科研型实验。
    按照这个理论上的方案来建设的实验室,主要存在两方面的问题:一是必然会导致实验室出现越来越大和越来越多的趋势,实验室加大和加多,必然导致使用能源的增加,管理难度增加和实验室建设成本上升,这一点对资金有限和场地有限的许多高校来说,建设实验实训室会造成很大困扰。二是存在技术上的落后,没有反映物联网技术发展的新趋势和新技术。
    三、密切联系物联网技术发展趋势的集成实验室建设方案
    1.物联网新架构及特点。经过近几年的发展,物联网技术日趋成熟,如果将物联网比喻成一座大厦,各种物联网应用工程和应用产品就是这个大厦的主体结构。而各种相关的技术,特别是新兴的无线通信和无线网络技术(包括ZigBee、蓝牙、WiFi、RFID等)构成了大厦的基础。基于云端和云计算的互联网和大数据,云计算,将亿万个不同的节点和设备连接成为巨大的物联网网络,无处不在的智能手机等移动互联设备,通过云端服务器和云计算结构连接到亿万物联网设备和节点,实现了联网控制和获取各种传感器数据。传统的物联网专业实验室建设停留在原来电子技术实验建设的模板上,没有与时俱进,不能与当前物联网发展的现状密切联系,不利于培养能适应当前技术发展实际的物联网专业技术人才。要建设新的紧密联系当前物联网新发展的物联网工程技术实验室,就需要物联网实验实训室整体网络覆盖,要将多种移动网络、传感器网络、高速无线网络与有线网络实施多层次的完整覆盖。同时,为了实现对实验的指导和监控,方便教师指导学生的实验和保存实验原始数据,要将实验实训室内部的相关SOC芯片、部件和互联网网关等通过这个完全覆盖实验室的网络连接到云计算服务器和数据库,最终连接到智能手机和平板等移动终端设备,实现物联网实验室基于云的系统集成。
    2.基于物联网新架构设计的集成实验室。物联网专业的实验室建设,应该与时俱进,与当前物联网发展的现状密切联系,以便培养能适应当前技术发展实际的物联网专业技术人才。要实现这个目标,就需要物联网实验实训室的整体网络覆盖,包括多种移动网络、传感器网络、高速无线网络和有线网络的多层次完整覆盖。同时,实现实验实训室内部相关SOC芯片、部件和互联网网关等通过这个完全覆盖网络实验室的网络连接到云计算服务器和数据库,最终连接到智能手机和平板等移动终端设备。典型的创新型物联网集成实验室如图1所示。
    典型的创新型物联网集成实验室建设要求:①实验室要与云端连接,以实现终端的传感器数据随时上传存储。②云端的传感器数据可在本地投影仪上随时查看。③实验实训台与本地服务器直接相连,并通过服务器与云端实现数据链接。④教师的计算机与学生实验实训台上的MPU可实现通讯连接。⑤在本地实验仪器仓库中,配备了相关的实验与检测仪器设备,供学生借用。⑥在本地元器件仓库中,配备了相关的元器件,供学生借用。⑦在物联网案例展示区中,有与本次实验实训相关的物联网案例样品,供学生参考。
    和传统嵌入式实验实训室方案比较,集成实验实训室可以实现物联网工程实验室、物联网专业实验室、电子信息实验室、嵌入式软件实训室、RFID实训室等多种实验实训室功能。不仅能使实验实训室建设更加接近物联网、云计算、大数据等技术前沿,而且通过立体空间和多种实验实训室集成,大幅度地降低了实验室建设价格和需要场地的空间,使更多比较缺乏经费的高校和职业学校可以尽快开展新型实验实训室建设工作。全面集成应用实训场景和功能新型集成实验实训室,通过多工位互联互动和整体应用场景仿真,实现了将智能家居、智慧煤矿、智慧图书馆、智慧零售、智慧物流、智慧小区、智慧医院等多种应用实训场景和应用实训功能集成在单一的实验室内,全面强化了应用体验和支持各种应用开发项目。
    参考文献:
    [1]黄峥,古鹏.物联实验室建设研究与探讨[J].实验技术与管理,2012,(2):191-195.
    [2]王群.物联网体系结构研究与模拟实验平台的组建[J].实验技术与管理,2010,(10):178-181.
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