新工科背景下物联网综合实验平台设计
董怀国 车楠 杜宁
摘 要：根据新工科背景下新兴产业对物联网专业的实际应用性和综合交叉性的升级改造需求，以培养学生工程实践能力为目标，通过自主研发可重构的开源综合物联网实验平台，为学院物联网专业理论体系优化与实践教学改革提供有力支撑。同时，结合实践实训需求，以平台为依托，以项目为导向，探索建立满足教学要求的工程性综合案例库，全面提升学生实践能力。
关键词：实验平台 物联网 新工科 综合性
中图分类号：TN91;G642.423 文献标识码：A
Design of the Integrated Experimental Platform of Internet of Things under the Background of New Engineering
DONG Huaiguo CHE Nan DU Ning
（Harbin University of Science and Technology， Harbin， Heilongjiang Province，150080 China）
Abstract： According to the upgrading and transformation needs of emerging industries for the practical application and comprehensive intersectionality of the Internet of Things specialty under the background of new engineering， this paper takes the cultivation of students" engineering practice ability as the goal， and provides strong support for the optimization of the theoretical system and the reform of practical teaching of the Internet of Things specialty through the independent research and development of a reconfigurable open-source integrated experimental platform of Internet of Things. At the same time， combined with the needs of practical training， relying on the platform and taking the project as the guide， it explores and establishes an engineering comprehensive case library that meets the teaching requirements to comprehensively improve students" practical ability.
Key Words： Experimental platform; Internet of Things; New engineering; Integrity
1 綜合实验平台研制的背景
物联网技术是新工科背景下各行业发展、升级的重要支撑，在5G 时代下，物联网将会迎来一个巨大的发展机遇，相关行业发展迅猛，对人才需求量巨大。因此，如何提升高等教育综合实践教学水平，培养满足行业要求的合格人才是各高校物联网专业所面临的共同问题 [1]。
物联网是一门多学科交叉的专业， 融合了计算机技术、网络通信、电子信息等学科，内容庞杂，要想纵深地理解物联网的体系结构，建立完整的知识体系，必须强化实践环节。综合平台的搭建可以让学生直观地感知物联网所涉及的内容及各层的交互关系，进而提高学生的动手能力，有效达到人才培养目的[2]。因此，从实践角度探讨实践平台开发对提升高校物联网专业建设质量，进一步夯实“中国制造2025”等国家计划有积极意义[3]。
目前，国内物联网专业本科生的专业理论知识相对扎实，但实践创新能力与世界一流大学相比仍有较大的差距[4]。而现有实践平台对物联网体系架构支撑不足，难以满足学生的工程实践需求[5]。因此，为提升物联网专业综合实践教学水平，研制对接真实工业开发场景的综合实验平台是非常必要的教学手段。哈尔滨理工大学计算机科学与技术学院自2014年建立物联网专业，项目团队在之前嵌入式设备开发研制的基础上，经过不断探索，自主研发了可重构的开源综合物联网实验平台和配套的项目级案例库，培养学生的创新实践能力，在物联网实践教学过程中取得良好的教学效果。
2 综合实验平台的研制
2.1 实验平台的架构设计
此课题的设计目的是建立一套涵盖数据感知、数据传输、数据处理、云计算等知识领域的系统性综合物联网实验平台，设计方式以自主开发为主，根据物联网专业教学体系对实践环节的要求，借鉴Digi、华为、小米等国内外主流物联网厂商的开发模式，搭建适应工业标准的开源物联网综合平台，平台整体架构如图1所示。
平台设计涵盖了物联网体系架构的感知层、网络层和应用层，可实践项目包括物联网课程体系所涉及的实验内容，满足本科与研究生实践教学需求。同时，为满足学生自主开发的需求，实验平台设计采用模块化组态设计方案，组件和环境可灵活配置，所有组件都是按模块封装，可以任意组合，具有可重构性和灵活性。学生在了解实验平台通用标准架构的前提下可以进行自主开发，针对物联网项目需求灵活配置软硬件组件，按需组板、自由加载外围硬件，大大提升学生的自主开发能力和学习兴趣。平台遵循开源标准，所有软硬件核心代码均可提供，软硬件实验接口参考标准封装格式，学生可以通过接口配置环境信息、运行嵌入式代码、定制控制信息，实现多元化开发方式，培养学生的创新意识与能力。
2.2 实验平台的组成和功能
实验平台所有硬件均采用自制设备形式，由封装好的开发板、外围组件、网关等硬件组成，具体的实物形式如图2所示。按功能划分主要包括物联网基础实验平台、物联网嵌入式实验平台、无线通信实验系统、无线模块和外围软硬件等。
2.2.1基础实验系统设计
基础实验系统包括基础实验平台和嵌入式实验平台两部分，可完成的实验内容主要为传感器技术与应用、物联网通信技术、无线传感器网络等映射到物联网傳感层和传输层的专业基础和方向课程，可以支撑物联网专业大部分课程的实验和实践教学内容。
硬件设计方面，平台微处理器采用Arduino M0（Cortex M0+内核）和STM32 微处理器可选模式，支持递进式实验内容设计。Arduino是开源创客平台，在互联网上有大量的实践案例，可以直接用C语言和C++语言进行硬件开发，适合大一学生学习硬件，利用Arduino处理器进行入门教学，大大提高了学生的硬件学习兴趣和能力，为之后进行其他硬件学习奠定基础。物联网专业大一学生可以选择Arduino进行初级实验项目设计，到学习完硬件语言基础课后再进阶选择STM32微处理器进行高级实验内容，由浅入深，符合学生学习的认知规律。
平台为物联网的传感网络设计了丰富的外围硬件接入，传感器采用固态封装、开关切换的方式，无线通信模块接入方式设计为统一的针脚封装，采用即插即用的替换方式，方便学生任意搭建多种传感器和无线网络制式的传感网。无线网络提供丰富的通信接口，支持Wi-Fi、Bluetooth2.0、Bluetooth4.0、ZigBee（XBEE）、ZigBee（TICC2530） 、802.15.4、IPv6、Lora等主流无线通信协议。其中，RFID应用提供低频（125 K）、高频（13.56 MHz）、超高频（900 MHz）、有源2.4G等选择。外围传感器提供TVOC、PM2.5、三轴加速度、热释电、温湿度、震动、光敏、热敏、震动、红外、火焰等。同时开放平台传感器接入接口，可以兼容各种外围传感器，满足不同项目功能需求的设计和实现。
2.2.2无线通信系统设计
无线通信系统主要支持通信原理实验，验证无线信号调制、信号发送、接收与解调。通信原理是物联网专业的一门重要的专业课程，对理论与实践的结合要求较高。传统的通信原理实验教学多以验证性实验为主，无法提升学生的综合实验能力，不符合新兴科学对实践教学的要求。而一些高校采用NI开发的通用软件无线电外设（Universal Software Radio Peripheral，USRP）[6]造价比较高，一般高校无法承担。为解决以上问题，该系统采用软硬件相结合的方式，采用自主开发Gnu-Radio+USRP的无线通信验证环境，大大降低了硬件造价。系统提供本地实现虚拟仿真通信实验和硬件调试，同时提供优盘承载调试环境和远程调试多种方式，方便学生随时进行硬件实验，解决了硬件实验的空间制约问题。
通信系统基带信号处理器采用Intel Cyclone IV 系列FPGA，使用Qsys构建硬件系统，NIOS II软核CPU C/C++编程实现控制，简化FPGA代码开发。数据传输模块全面支持USB3.0数据传输协议，传输速度能够达到5Gbps。系统针对Zigbee/802.15.4 FPGA级的调制解调实验，可以实现芯片级解码，让学生深入了解和学习底层通信场景。
在实践教学环节，无线通信系统提供了以标准802.15.4/ZigBee物理层实现为例的无线通信原理实验，对于CC2530、XBEE等802.15.4/ZigBee标准射频芯片所发出射频信号进行采样，并完成从信号到数据的解调过程，学生可以独立完成802.15.4/ZigBee所采用OQPSK信号整个解调过程，即signal->symbol->chip->bit的过程，可以充分理解为什么该种信号可以实现抗无线干扰和相对可靠的数据传输；
同时也可以让学生自己构造信号完成调制过程并与标准ZigBee/802.15.4模块进行通信，学习包括OQPSK在内的多种信号构造原理，学生可以直观地看到实验结果，从而加深对抽象的理论知识的理解。
2.2.3 综合案例库设计
现有的物联网实验教学过程中，实验案例资源碎片化现象严重。学生无法将各学科的知识有效地联系在一起，所以需要有综合性的实验案例设计从整体宏观的角度展示物联网架构和学科的关联性，整合课程体系，建立学生系统观，保证实践教学能力目标的达成。
针对以上问题，在综合实验平台的基础上完成综合案例库的建立。传感网的搭建结合多种通信方式，可以开展传感数据采集、组网传输。利用外围终端包括网关、Android移动端、服务器、云平台等实现外围接收处理传感数据和传感网络控制功能，从而实现了物联网平台的搭建。针对实际项目需求，设计项目为导向的综合实验内容，满足实践实训和案例库搭建的功能需求。目前，已经设计并实现了多个平台配套的案例式的综合实验，涉及智能家居、农业、环境、健康监测等不同应用场景。案例教学给学生进行自主开发夯实了技术基础，学生从案例中获得启发，开拓了设计思路，申报国家级、省级创新创业项目，参加“互联网+”大赛，取得了不错的成绩，专业的整体就业率大幅提高。
3 综合实验平台解决的教学问题
物联网综合实验平台的搭建以满足新工科对实践教学环节的要求为目标，解决了现有物联网实践教学环节存在的问题，主要体现在以下几点。
3.1 解决了现有实验平台对学生工程需求支撑不足的问题
实验平台与实际工业开发环境和接口相对应，为学生提供真实场景的实验环境。系统设计充分参考主流物联网技术提供商的解决方案，采用了成熟的开源软硬件技术，研发了符合物联网开源软硬件标准、兼容工业现场硬件开发接口、支持物联网项目體系架构的综合实验平台，充分满足物联网综合实践项目的工程性需求。
3.2 解决了实验平台对实验体系综合性支撑不足的问题
综合性平台设计覆盖物联网体系结构，同时各组件间采用统一标准接口设计，实现了子系统间的无缝兼容，为整个课程体系的横纵向联系的支撑、综合实验的设计、实训项目的开发等提供全方位的平台支持。解决现有平台在完成不同实验内容所采用的硬件相互之间的兼容性较差，导致各实践项目的可延展性差的问题。
3.3 解决了物联网实验设备灵活性不足，造价高的问题
实验平台全部采用自制的方式，设备以模块化为主要设计形式，大大提升设备的灵活性。其中，通过自主研发的方式建立与国际接轨的基于USRP的无线通信实践平台，建立无线通信类的课程群。解决了硬件平台价位高，仿真平台工程性不足的问题，为无线通信类课程实践提供满足“新工科”对工程性要求的解决方案。
4 结语
综合实验平台的搭建，不仅可以横向支撑基础实验实践教学，由于其在设计上的自主性、综合性和可重构性，同时也是面向项目的开放平台，提供企业级的工程案例库。为学生参加各种竞赛、项目驱动、创新创业项目提供平台，锻炼了学生的项目设计和开发能力，符合新工科对专业的实验实践要求和培养工程人才的需求，同时为学院物联网专业进行工程认证在实验条件和学生对复杂系统设计能力培养上提供有力的支撑。
参考文献
[1] 安健，程锦东，桂小林，等.面向物联网专业的开放实践教学模式[J].计算机教育，2020（7）：124-127，133.
[2]黄建忠，王毅，张沪寅，等.基于PBL和OBE理念的物联网工程专业实践平台建设[J].计算机教育，2020（5）：29-32.
[3]谭永海.基于Raspberry Pi的物联网云服务教学平台设计[J].科技经济市场，2022（9）：40-42.
[4]孙谦，朱文婕.新工科背景下“计算机网络”创新实验教学模式探索与实践[J].长春师范大学学报，2021，40（12）：150-153.
[5]黄建忠，王毅，张沪寅，等.基于PBL和OBE理念的物联网工程专业实践平台建设[J].计算机教育，2020（5）：29-32.
[6]郭秀珍.面向物联网的异构互联技术研究[D].北京：清华大学，2021.
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