车楠+杜宁+王姚

摘 要：物联网作为目前各高校建立的新兴专业学科，具有多学科融合以及面向系统级工程应用的特点，如何构建其实验教学体系是物联网专业与方向发展的关键问题。文章从物联网专业课程体系现状出发，结合哈尔滨理工大学软件学院物联网方向自制实验设备研发经验，构建了以Arduino、Android与XBee技术为主体的物联网实验教学体系。

关键词：物联网；实验教学；高校

中图分类号：G642.3 文献标识码：A 文章编号：1002-4107（2015）11-0033-02

物联网被称为继计算机、互联网之后世界信息产业发展的第三次浪潮，在智能交通、公共安全、工业监测、环境监测、智能家居等各方面都有着广泛的需求和应用前景。可以物联网究竟是什么？物联网专业内涵是什么？物联网专业的课程体系应该怎么样构架？应该组织什么样的实验项目来支撑这个课程体系？这几个问题一直是业内教育者所思考的问题。

一、物联网概念

物联网这个概念被提出之前很久就存在很多符合物联网特征的应用项目，只不过那时候还没有这个词，大家通常将诸如此类的应用项目冠名于某某远程控制系统、某某远程采样系统、某某智能系统等。最近几年由于无线技术、低功耗技术的日趋成熟，及从研发到产品化，很多以前很好的创新性应用想法有了扎实的技术依托。在十多年前是很难想象到一个无线传感器节点能够仅依靠电池供电工作长达几年的时间。提及传感器网络里程碑式的应用，不得不提到加州大学伯克利分校的大鸭岛传感器网络监控项目，该项目实施于2002年，整个系统仅仅有30个节点。而随着技术的发展仅仅在2007年左右，ZigBee联盟提出了能够支持上千个节点的ZigBee PRO协议栈，该领域发展的速度可见一斑。还有很多其他技术的发展也延伸了物联网的应用领域，如RFID技术的成熟，使得物联网在支付、物流等领域井喷式地发展；云计算技术的迅猛发展，使得物联网所采集的信息有了存储和计算的载体。

综上所述，物联网这个概念是依托于多种技术的发展涌现出来的，其核心是依靠于各种类型设备之间的互联，实现Machine to Machine（M2M）级别的应用。

二、物联网专业内涵

截止到目前来看，区别于传统专业，物联网专业并没有一个本专业独有的核心技术，事实上物联网应用中所使用的各种技术都是其他学科技术发展的结晶。以无线传感器网络为例，计算机学科贡献了无线通信的应用层、网络层、数据链路层、安全加密等技术；通信学科贡献了物理层技术；电子学科贡献了各种低功耗模块技术；仪器仪表、物理、化学等学科贡献了各种传感技术。也就是说，物联网专业是上述专业发展到一定程度孕育而生的。那么物联网专业内涵在哪里？由于物联网本身涵盖了多个学科的知识范畴，如果简单向某个学科的内涵进行靠拢，那么设置物联网专业本身就缺乏了其应有的意义和价值。事实上，物联网专业设置应该是面向多种现有多学科技术应用集成和物联网系统实现。

三、物联网专业的课程体系

由于物联网专业面向涉及多学科的工程应用型人才培养，课程体系应该能够支撑起物联网工程系统集成，也就是说，物联网专业课程体系建设应该与物联网工程体系相符合。现在多数物联网专业的课程体系都是依据此建立起来的，物联网工程体系中一般可以划分为感知层、网络层、应用层。感知层一般涵盖物联网MCU技术、传感器技术、RFID技术等；网络层一般涵盖ZigBee技术、802.11 WIFI通信技术、蓝牙通信技术、802.15.4通信技术等；应用层一般包含中间件技术、移动终端开发技术、云计算技术等[1]。

四、物联网实验教学体系

根据Libelium提出的物联网基本架构，我们软件学院提出了自己的AnduiBee物联网技术路线用以支撑物联网专业理论和教学工作，而AnduiBee的由来在于AnduiBee=Arduino+Android+XBee，即我们选择Arduino开源软硬件平台作为开发物联网MCU的平台；选择Android开源平台作为物联网应用层实现平台；选择XBee标准系列射频模块作为网络层实现载体（如图1所示）[2]。

根据该架构，结合国际上物联网领域通用技术，AnduiBee给出了物联网实现的一般化技术路线，而我们AnduiBee的教学解决方案就是以该技术路线为依托，以能够使学生搭建和实现一个完整物联网系统为教学目的，结合国际流行的开源软硬件技术，通过深入浅出的实验项目设置，使学生掌握与国际教学水平接轨和工业化水平接轨的物联网技术。通常物联网会被划分为三个层：感知层、网络层和应用层，上图给出了AnduiBee物联网解决方案针对每个层的技术路线，该技术路线充分参考了Libelium、Digi等顶级物联网技术提供商的解决方案[3]，采用了国际流行的开源软硬件技术，符合国际开源软硬件标准。

AnduiBee物联网实验教学体系是我们依据物联网系统集成所需技术环节制订的实验教学体系（如图2所示），该体系结合了目前国际物联网广泛使用的技术。本文主要讲解的理论和实验教学的项目就是基于这个体系完成的，我们选择了广泛和通用的实验项目，即实验体系中主线和推荐使用部分在本书内进行详细说明，其他部分在www.anduibee.com的网站上都能找到详细的指导材料。

图2中实线部分本身是我们实验体系中主干课程，而虚线部分是面向大学生实践活动、创新活动、深入研究学习而设立的选修实验。

在感知层中基于Arduino的物联网MCU开发技术是对应传统单片机技术这门课程[4]，通过引入Arduino

这一世界知名的开源软硬件平台，能够使学生了解到国际上通用单片机软硬件开发方式，并针对物联网领域通常涉及的单片机应用环节，有针对性地开设了相关环节。作为物联网重要组成部分，传感器应用技术中包括了传感器网络领域通常使用的传感器技术，其中包括温湿度传感器、光感传感器等，并通过上述所提到Arduino平台结合进行实验，使学生充分掌握传感器开发使用方式。在RFID技术环节我们提供两个课程：一个是基于广泛使用PN532射频的芯片的RFID开发技术，该课程主要是通过针对于PN532这一专业芯片的接口开发技术，通过Arduino使用SPI接口对PN532进行控制和采样；另外一种低频的RFID应用技术，主要采用Arduino外加射频电路完成RFID物理层功能，通过该部分可以使学生理解物理层工作原理包括曼彻斯特编码解码、信号载波和滤波工作过程。

网络层部分中，802.15.4无线通信技术，802.15.4技术一种面向点对点、星型网络的无线通信协议，其本身可以作为ZigBee协议栈的物理层和MAC层，实验体系加入这一环节原因在当整体ZigBee的协议栈工作的时候，MAC层部分可控制接口就被封装了起来，无法体现出MAC层的工作原理，其实验内容包括了：802.15.4点对点通信、 远程控制模拟和数字I/O、API操作实现本地和远程控制、 配置管脚睡眠和周期睡眠、Arduino控制XBee模块通信、 建立星型网络、 网络环境下的数字/模拟采样。而对于ZigBee技术部分实验，我们采用的是ZigBee 2007/pro协议栈，实验内容包括ZigBee网络建立和路由协议实验、 ZigBee 2007 PRO安全实验、ZigBee网络中终端节点休眠实验、ZigBee应用层实验、Zigbee模块与MCU配合开发方法（其中MCU也采用前文所述的Arduino平台）。对于802.11协议栈既WIFI实验部分实验包括了：带有基础设施网络结构WIFI通信实验、 S6B周期性模拟和数字I/O采样、基于IP Service XBeeS6B远程AT命令实验、 IP Service的串口信息通信、 通用API使用方法、使用API中IPV4模式完成数据传输、 基于XBee S6B 的HTTP应用层实验。蓝牙应用技术部分，我们分为两类：蓝牙2.0、蓝牙4.0，实验内容包括：蓝牙主/从配置、 MCU模块控制蓝牙模块等，值得注意的是我们在蓝牙4.0实验中加入了现在广受关注的Ibeacon实验环节。

应用层部分中，M2M物联网网关及中间件环节采用的是DIGI公司出品DIA网关中间件技术，该中间件技术可以支持ZigBee节点信息采集、数据云信息传递、一致性保证等功能，可以通过中间件上的应用开发从而实现用户所定制的应用，由于中间件技术是解决大量数据传输和管理的核心技术，所以我们的实验体系中引入这Connector网关与Zigbee节点间通信实验、Connector X2e网关DIA中间件编程实验、Device Cloud配置与Android端程序设计；对于数据表现方面我们采用Android这一广泛使用的开源移动终端平台作为我们教学和实验的载体，所以我们在体系中加入了Android物联网开发技术环节，着重体现Android开发中的无线技术开发，包括蓝牙、WIFI网络编程，RFID等。

参考文献：

[1]王志良，闫纪铮.普通高等学校物联网工程专业知识体

系和课程规划[M].西安：西安电子科技大学出版社，

2012：9.

[2]Getting Started Guide：ZigBee RF Module Developers

Kit.www.digi.com.2014-09-30.

[3]Latest Case Studies，www.libelium.com.2014-10-3.

[4]Getting Started with Arduino，www.Arduino.cc.

2014-10-05.