物联网专业综合实训项目的研究与设计

-精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 1 物联网专业综合实训项目的研究与 设计 摘 要：针对物联网专业综合实 训课程中，学生通过实训项目综合运用 本专业的知识和技能，在校内进行综合 性、系统化开发训练，文中设计了一个 综合实训项目。该实训项目集成了无线 传感器网络、分布式消息通信、移动终 端等技术，能够实现对智能建筑的能耗 监测。连续多届的教学实践表明，该项 目系统适合不同能力层次、不同技术兴 趣的学生进行实训开发，大大提高了学 生的物联网专业综合实践能力。 中国论文网 /8/view-12998331.htm 关键词：物联网专业；综合实训； 实训项目；实践教学 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 2 中图分类号：TP391 文献标识码： A 文章编号：2095-1302（2017）10-0- 03 0 引 言 物联网（Internet of Things，IoT）是指可将无处不在的末端 设备和设施通过各种无线或有线方式通 信的信息系统。物联网技术可广泛应用 于工业、农业、医疗、环保、军事等领 域，未来发展前景十分广阔。物联网涉 及计算机、电子等领域，具有知识结构 复杂等特点。文献1-3中提到，工程性 和实践性是物联网专业人才培养的突出 特点，提出了理论课程、实践教学环节 的一体化教学思路。文献4-7分析了物 联网专业实践教学体系，重点探讨了基 于项目制的实训在物联网实践教学体系 中的重要位置。文献8-10提供了具体 的物联网系统作为实训项目，以培养学 生的综合实践能力。 中原工学院计算机学院针对物联 网专业方向高年级本科生设置了专业综 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 3 合实训课程，仿照企业的项目研发过程， 使学生在实训项目开发中深入理解专业 知识，并掌握项目研发管理方面的知识。 综合实训是在程序设计语言、无线网络、 物联网原理、嵌入式系统等前导课程的 基础上开展的综合性实践环节，一般开 设于第 6 学期，为毕业实习、毕业设计 做好准备，最大限度地增强学生对就业 市场的适应性。 在项目制的专业综合实训教学中， 实训项目的设计是关键问题，实训项目 的专业综合性、技术新颖性、工作规范 性等方面都直接影响实训教学效果。基 于多年的实践经验，本文讨论了实训项 目设计的一般方法，并以智能楼宇能耗 监测系统为例来分析实训项目的设计与 教学实施。 1 基于项目的物联网专业综合实 训 物联网专业综合实训课程通过项 目化的开发训练使学生综合利用所学物 联网软硬件课程知识进行物联网应用系 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 4 统的设计和开发。该课程安排在第 6 学 期，可以总结前面 5 个学期所学的 C/C+程序设计语言、数据结构、操作 系统、数据库原理、嵌入式应用开发等 软件类课程，以及计算机组成原理、微 机原理与接口、传感器原理、无线网络、 EDA 技术、 RFID 原理及应用等硬件类 课程。该课程还可为第 7 和第 8 学期毕 业实习和毕业设计做准备，减少对考研 学生的影响。由于第 6 学期还有其他课 程的教学，综合实训课程采用分散方式 进行，学生平时可利用课余时间进行实 训开发，在期末集中验收。 课程规划了一系列项目系统供学 生分组进行开发训练，项目组学生分工 合作共同完成系统的开发。每一个实训 项目都由指导教师对学生进行指导和管 理，及时了解并解决学生遇到的各类问 题。通过项目的开发训练，不仅训练了 学生的专业知识综合运用能力，还通过 规范化管理熟悉了所开发项目的工程实 施过程。 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 5 2 物联网综合实训项目设计要求 课程主要依托现有的实验实训设 备平台来规划和设计实训项目系统，这 些系统具有专业综合性的特点，可覆盖 典型的专业知识点，能够解决实际应用 问题。 2.1 物联网教学知识点分析 实训项目要能反映专业的知识能 力要求。结合专业课程体系，从物联网 体系结构的感知层、网络层和应用层三 方面对实训的教学目标、教学内容等进 行分析。物联网专业实训教学重要知识 点见表 1 所列。 2.2 实训项目的规划 实训项目主要向相关教师征集， 多数都来自教师的科研课题，具有较强 的专业针对性，能够体现物联网专业课 程的教学内容。按所涵盖知识内容，大 体上可将实训项目分为以下几类： （1）无线物联网（基于 ZigBee、蓝牙、 WiFi 的应用系统） ； （2）嵌入式物联网（基于嵌入 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 6 式设备的远程信息采集和处理系统） ； （3）移动互联网（基于 Android/iOS 移动终端的应用系统） 。 一个项目系统要覆盖感知层、网 络层、应用层三方面的技能要点。我们 通过集体讨论分析各实训项目特点，最 终依据设计性、综合性、系统性、真实 性和新颖性确定约 10 个不同类型的实 训项目，供 60 名学生根据自己的兴趣 和能力选择合适的实训项目。 这些项目主要通过实验室现有软 硬件设备来构建完整的应用系统。实验 室可提供传感器、 RFID、PLC、3G/WiFi、网关等节点或 模块，并配套有丰富的例程、开发文档 等资料，方便学生学习、二次开发、集 成与扩展。 3 实训项目智能楼宇能耗监测系 统的设计及教学实施 以智能楼宇能耗监测系统为例来 分析实训项目的设计与教学实施。 3.1 训项目系统的设计 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 7 智能建筑能耗监测系统由下至上 分为现场网络层、通信服务层和管理应 用层，系统整体架构如图 1 所示。现场 网络利用部署在楼宇内的无线传感器网 络采集能耗状态数据，传输到协调器并 送往网关。在通信服务层中，网关通过 串口与协调器通信，通过 MQTT 与消 息服务器通信，并能将消息转发给管理 应用端，如桌面应用程序、数据库、 Web 浏览器、移动设备。管理应用层能 通过 Web、移动终端来管理各种系统配 置、建筑能耗信息及预警信息。 本系统集成了无线传感器网络技 术（Contiki） 、分布式消息通信技术 （MQTT） 、移动终端开发技术 （Android）等新技术。 Contiki 无线传感器网络子系统的 基本技术要点如下所示： （1）利用 CC2530 节点设备， 基于 Contiki 的 6LoWPAN 传感器网络， 节点初始化后会发出入网请求，准备加 入 IPv6 传感网络； （2）节点 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 8 间形成以协调器为根节点的 6LoWPAN 传感器网络。当节点初始化、加入网络、 地址分配完成后，节点进入工作状态； （3）在节点上添加两个任务 （Task） ，即设备能耗状态采集任务和 网络管理任务； （4）根据命令或周期性自动采 集能耗数据，将能耗信息和自身状态信 息以 UDP/IPv6 数据包形式传送到服务 器。开发工具与开发技术包括 C 语言、 CC2530、IAR 、6LoWPAN、RPL、Coa p。人员需求 12 名。 MQTT 通信平台子系统的基本技 术要点包括如下几项： （1）能够接收来自网关与其他 管理终端的消息，并对消息进行可靠性 检测； （2）解析出消息的内容，对消 息中需要记录的数据进行记录，判断消 息是否需要转发以及转发时需要附带的 参数及转发形式； （3）提供 GUI 操作界面，便于 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 9 管理操作，在操作界面显示当前通信连 接情况与重要的日志信息，如异常状态、 连接超时状态等。开发工具与开发技术 包括 Qt Creator；开源 MQTT 库 Mosquitto、HiveMQ。需要 1 名人员。 监测应用服务平台子系统的基本 技术要点如下： （1）侦听前端设备的注册请求， 以完成O 备的接入。注册成功后，系 统即可持续接收来自设备的实时数据； （2）根据预先定义好的协议格 式，将接收到的原始消息进行转义操作， 识别成可理解的监测数据信息，并写入 数据库中； （3）根据单位、楼宇、设备类 型、时段等对能耗数据进行统计分析； （4）生成 Web 页面，实现监测 数据的可视化，利用 AJAX 进行监测数 据更新。开发工具与开发技术采用 MyEclipse；J2EE；SSH 架构；MySQL 数据库；JBoss ；Tomcat。人员需求 3 名。 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 10 Android 移动终端子系统的基本 技术要点如下： （1）使用 Google MAP 技术将 用户管理的建筑标记在手机地图上，并 可放大、缩小和移动，方便用户查找建 筑标记、获取建筑地理位置信息； （2）通过无线网络访问 MQTT 消息服务器或 WebService 上封装的能 耗数据管理服务器解析建筑能耗数据； （3）使用图表技术对获取的建 筑能耗数据进行动态图表显示，可以选 择的图形包括柱状图和线形图等； （4）使用推送技术接收远程服 务器的推送信息，实现预警； （5）使用 JavaMail 技术实现邮 件发送功能，提交用户反馈信息。开发 工具与开发技术包括 Android Studio、Android SDK、Google MAP、 SQLite。人员需求 1 名。 3.2 实训项目的教学实施 实训课程的教学过程分为准备、 开发和验收考核这三个阶段。准备阶段 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 11 在第 5 学期期末，主要介绍实训项目特 点，将学生按兴趣和能力进行项目分组， 保证每一组都有能力较好的学生。开发 阶段跨越第 6 学期，学生在教师的指导 下利用课外时间进行项目系统的设计与 开发。验收考核阶段在第 6 学期期末， 每名学生需提交项目系统设计文档、项 目系统源代码、实训报告，还要对每名 学生进行考核。 一般的项目系统可以供多届学生 迭代开发，不断完善系统功能，扩展系 统构成，优化代码实现，改善用户接口 等。智能楼宇能耗监测系统在第一届实 训教学中，仅要求能够实现各子系统的 互联互通，能够从传感节点将消息上传 到后台进行存储、处理，后台也可以将 命令消息下发到指定的传感节点，主要 完成进程线程规划、模块接口与消息定 义、数据库设计等基础性、框架性设计 与开发工作。 在系统开发中，注重工作过程和 规范、编程思想与开发技术的运用。在 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 12 实训项目开发过程参照企业开发管理方 式，强调代码编写规范，要求学生撰写 需求分析、概要设计、详细设计，以及 专题技术学习总结等文档。利用 SVN 等版本工具对代码、文档进行管理，方 便了项目开发的统一管理和控制，也便 于下届学生在此基础上进行扩展升级。 这种规范化的项目实践经验使学生在实 习或就业时能更好地适应企业化的工作 环境。 4 结 语 物联网专业综合实训课程是主要 专业课程完成之后的综合实践环节，该 课程采取项目制组织方式，通过精心设 计的实训项目系统锻炼学生的