王曉曄 溫顯斌 肖迎元

（天津理工大學(xué)，天津 300384）

一、引言

我校在2011年申請(qǐng)下了物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)，依托在計(jì)算機(jī)學(xué)院。目前，國家對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)并沒有統(tǒng)一的教材和課程要求，因此，需要進(jìn)行相關(guān)的課程設(shè)置和建設(shè)。

二、物聯(lián)網(wǎng)的層次結(jié)構(gòu)

從技術(shù)架構(gòu)上來分析，物聯(lián)網(wǎng)可分為三個(gè)層次結(jié)構(gòu)，分別是感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。感知層是最底層，它的功能類似于人類的五官一樣，主要進(jìn)行物品的識(shí)別、信息的采集和信息的傳輸。其中物品識(shí)別設(shè)備有二維碼標(biāo)簽和RFID標(biāo)簽的讀寫器；信息采集主要依靠數(shù)碼相機(jī)、攝像頭等圖像和視頻采集系統(tǒng)，各種物理參量的采集系統(tǒng)主要涉及傳感器技術(shù)；信息的傳輸主要涉及藍(lán)牙、紅外、WIFI和Zigbee等短距離無線通信技術(shù)。感知層是核心層，沒有了感知層，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)就無從談起。

三、物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)

通過本專業(yè)的培養(yǎng)，學(xué)生應(yīng)該具備良好的人文素養(yǎng)和職業(yè)道德，具有系統(tǒng)、扎實(shí)的計(jì)算機(jī)理論基礎(chǔ)、較寬廣的物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的計(jì)算機(jī)、通信和傳感的基本理論、基本知識(shí)、基本技能和方法，在物聯(lián)網(wǎng)的信息處理、物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、感知層技術(shù)等方面具備工程實(shí)踐特色，具備從事物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)、開發(fā)、調(diào)試、運(yùn)行維護(hù)等基本能力的應(yīng)用型高級(jí)專門人才。從培養(yǎng)目標(biāo)來看，將感知層相關(guān)課程作為一個(gè)課程群來建設(shè)符合整體課程建設(shè)的需要。

四、感知層的課程內(nèi)容

由以上分析可知，感知層技術(shù)包括射頻技術(shù)、傳感器技術(shù)和無線組網(wǎng)技術(shù)等，因此相應(yīng)教學(xué)內(nèi)容應(yīng)該使學(xué)生能夠熟練掌握和運(yùn)用這些核心技術(shù)。

我院感知層課程群主要包括：RFID射頻技術(shù)、傳感器技術(shù)、短距離無線通信技術(shù)、單片機(jī)原理及應(yīng)用，通過這幾門課程的學(xué)習(xí)，基本能夠完成物品的識(shí)別、物理參量的采集和信息的傳輸功能，其中單片機(jī)作為感知層的控制部件，對(duì)信息的采集和傳輸之間的協(xié)調(diào)起到了不可或缺的作用。

1.理論教學(xué)內(nèi)容設(shè)置

物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)是在無線通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)的日益成熟下迅速發(fā)展起來的，因此說與其相關(guān)的基本上在其他專業(yè)都有開設(shè)，但是根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)工程的專業(yè)性質(zhì)又需要做相應(yīng)的調(diào)整，因此感知層課程群的設(shè)置和內(nèi)容如表1所示。

單片機(jī)作為感知層的核心部件主要實(shí)現(xiàn)對(duì)各種物理信息的定時(shí)采集、顯示和傳輸，同時(shí)對(duì)某些執(zhí)行部件的操作進(jìn)行控制。因此單片機(jī)的教學(xué)內(nèi)容主要側(cè)重于硬件基礎(chǔ)電路的設(shè)計(jì)和相應(yīng)配套軟件的設(shè)計(jì)，并且加大在應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)上的教學(xué)力度。

1）原位處理池對(duì)于滲瀝液氨氮的去除效果很好，最高能達(dá)到95%以上，總氮去除率大體上也在50%以上，COD去除效果在30%以上。

表1 理論教學(xué)課程和內(nèi)容

作為物聯(lián)網(wǎng)工程的專業(yè)課程，如果傳感器原理單純講述傳感器技術(shù)，則顯得教學(xué)知識(shí)落后于物聯(lián)網(wǎng)感知層的技術(shù)發(fā)展，所以在講述傳感器技術(shù)的同時(shí)，加強(qiáng)傳感器檢測(cè)電路設(shè)計(jì)的講解，通過Proteus軟件繪制傳感器應(yīng)用電路的原理圖，結(jié)合虛擬儀器Labview軟件，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)所設(shè)計(jì)的傳感器進(jìn)行輸出信號(hào)的顯示和各種性能評(píng)估。

物聯(lián)網(wǎng)另一個(gè)重要技術(shù)是短距離無線傳輸通信技術(shù)，主要實(shí)現(xiàn)采集信息的傳輸，除了講解藍(lán)牙、紅外、WIFI等技術(shù)的概念和應(yīng)用之外，將把重點(diǎn)內(nèi)容放在Zigbee的工作原理、自組網(wǎng)技術(shù)和應(yīng)用開發(fā)上，因?yàn)閆igBee技術(shù)作為一種短距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無線網(wǎng)絡(luò)，以其經(jīng)濟(jì)、可靠、高效等優(yōu)點(diǎn)在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中有著良好的應(yīng)用前景。

RFID射頻技術(shù)的飛速發(fā)展對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的進(jìn)步具有重要的意義，在教學(xué)內(nèi)容上，以提高學(xué)生的職業(yè)能力為主要目標(biāo)，突出實(shí)踐環(huán)節(jié)，使學(xué)生全面了解RFID的工作原理，通過相關(guān)項(xiàng)目的立題，掌握構(gòu)建RFID應(yīng)用系統(tǒng)的核心技術(shù)。

2.基于項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的實(shí)踐教學(xué)

物聯(lián)網(wǎng)工程的專業(yè)性質(zhì)決定了實(shí)驗(yàn)教學(xué)成為該專業(yè)教學(xué)體系中不可或缺的重要環(huán)節(jié)。為了更好地提高學(xué)生的綜合素質(zhì)和實(shí)踐能力，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，本專業(yè)提出了基于項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)實(shí)踐教學(xué)體系[3]。在物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的學(xué)生進(jìn)入大二開始學(xué)習(xí)專業(yè)課時(shí)，將學(xué)生分成科研小組，每8-10人為一個(gè)小組。為了結(jié)合目前比較成功的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用案例和學(xué)生的興趣，由課程教師設(shè)計(jì)項(xiàng)目的題目，這些題目應(yīng)該涉及感知層的各門課程，因此需要教師進(jìn)行大量的前期準(zhǔn)備和項(xiàng)目設(shè)計(jì)的各項(xiàng)工作。

本校物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)根據(jù)目前比較成熟的智能家居[4]和RFID射頻系統(tǒng)案例，設(shè)計(jì)出各個(gè)項(xiàng)目小組的題目，以及每門相關(guān)課程的子課題，課程與項(xiàng)目的具體關(guān)系如圖1所示。

圖1 感知層課程群與實(shí)踐項(xiàng)目的關(guān)系圖

依據(jù)綜合項(xiàng)目的內(nèi)容，各門課程又設(shè)計(jì)了相應(yīng)的子項(xiàng)目，作為綜合項(xiàng)目的技術(shù)支撐。依據(jù)各門課程的教學(xué)內(nèi)容和特點(diǎn)，設(shè)計(jì)相應(yīng)的子項(xiàng)目如表2所示。

表2 各門課程子課題設(shè)計(jì)

3.構(gòu)建多層次的實(shí)踐教學(xué)體系

為了激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、提高學(xué)生的實(shí)踐能力，項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的實(shí)踐教學(xué)體系采取了循序漸進(jìn)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，爭取在專業(yè)學(xué)習(xí)的初始階段就給學(xué)生建立明確的專業(yè)認(rèn)知體系和學(xué)習(xí)目標(biāo)。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目涉及專業(yè)認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)、課內(nèi)實(shí)驗(yàn)、綜合實(shí)訓(xùn)等多個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)，可以將項(xiàng)目一直持續(xù)到畢業(yè)設(shè)計(jì)中，貫穿于整個(gè)教學(xué)體系中。同時(shí)，隨著教學(xué)工作和實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的不斷完善，可以設(shè)計(jì)出更多的項(xiàng)目，供學(xué)生選擇。

（1）專業(yè)認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)方面

我校物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建了智能家居模型，布置了如下子系統(tǒng)。

智能安防子系統(tǒng)：在門窗附近安裝了攝像頭和紅外線，同時(shí)室內(nèi)安裝了煤氣探頭、煙霧探頭，作為信息采集器，同時(shí)安裝有噴水控制、煤氣控制和電源控制，并有報(bào)警裝置和向用戶發(fā)送報(bào)警信息功能。

家居環(huán)境子系統(tǒng)：主要包括光敏傳感器、溫濕度傳感器、含氧量、負(fù)離子檢測(cè)器等信息采集裝置，控制部件包括燈光控制、窗簾控制、空調(diào)控制等。

電子管理子系統(tǒng)：主要實(shí)現(xiàn)對(duì)各種電子設(shè)備如電視、音響、計(jì)算機(jī)的管理和控制。

通過對(duì)智能家居模型的認(rèn)識(shí)和控制，使學(xué)生能夠直觀的了解物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的應(yīng)用以及需要學(xué)習(xí)的專業(yè)知識(shí)。

（2）課內(nèi)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)

我校建設(shè)有傳感器實(shí)驗(yàn)室、Zigbee實(shí)驗(yàn)室、RFID實(shí)驗(yàn)室，可以滿足感知層各門課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)的需要。

傳感器實(shí)驗(yàn)室：可以完成溫濕度、光照、重力傳感、速度、超聲波、磁阻、酒精、壓力、甲烷、一氧化碳、二氧化碳等信息的采集，為了實(shí)現(xiàn)二次開發(fā)的需要，還設(shè)計(jì)了電壓和電流模塊，可以根據(jù)需要自行設(shè)計(jì)任何的傳感模塊。

Zigbee實(shí)驗(yàn)室：可以自組無線網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)和上位機(jī)的串行通信和無線通信功能，實(shí)現(xiàn)綜合實(shí)驗(yàn)的能力。

RFID實(shí)驗(yàn)室：可以進(jìn)行低頻、高頻、超高頻和2.4G有源RFID低功耗實(shí)驗(yàn)，觸摸屏實(shí)驗(yàn)，通過嵌入式的控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了開發(fā)綜合實(shí)驗(yàn)的能力。

（3）綜合實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)

我校將把各門課程中完成的項(xiàng)目進(jìn)行整合，構(gòu)建成智能家居子系統(tǒng)、公交付費(fèi)子系統(tǒng)、商品管理子系統(tǒng)等綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。通過多層次的實(shí)踐教學(xué)體系，能夠使學(xué)生更加深入的認(rèn)識(shí)和掌握物聯(lián)網(wǎng)工程的專業(yè)知識(shí)。

五、結(jié)束語

物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)是一個(gè)新興的學(xué)科，讓學(xué)生深層次的接觸物聯(lián)網(wǎng)，學(xué)習(xí)物聯(lián)網(wǎng)，通過項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的形式將理論和實(shí)踐教學(xué)相結(jié)合，提高學(xué)生的實(shí)踐和創(chuàng)新能力，是我們今后要做的主要工作。

[1]寧黎苗，黎紅友，彭艦.物聯(lián)網(wǎng)的智能家居實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2011，9（5）：260-292.

[2]教育部高等學(xué)校計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)分委員會(huì).高等學(xué)校物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)實(shí)踐教學(xué)體系與規(guī)范（試行）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

[3]任倩倩，郭亞紅.物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革探索[J].黑龍江教育，2013（2）：19-20.

[4]楊宏偉，朱紅梅，韓永林.結(jié)合智能家居的物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索[J].重慶與世界，2013，30（8）：78-81.