研發(fā)“智慧校園—物聯(lián)網(wǎng)教學示范系統(tǒng)”

近期，南開大學計算機控制與工程學

院物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)主任李濤團隊研發(fā)了一套“智慧校園—物聯(lián)網(wǎng)教學示范系統(tǒng)”，它通過利用云計算、虛擬化和物聯(lián)網(wǎng)等新型技術(shù)，將學校的教學、科研、管理與校園資源、應(yīng)用系統(tǒng)進行整合，從而實現(xiàn)了校園的智慧化管理與服務(wù)。

“智慧校園”主要由校園實景聯(lián)動沙盤控制、虛擬校園游覽體驗、室內(nèi)外環(huán)境監(jiān)測、智慧農(nóng)業(yè)監(jiān)測、智能家居和智能教室虛擬聯(lián)動、智能車輛管理以及智能安防等系統(tǒng)構(gòu)成。通過無線Mesh、3G/4G、北斗衛(wèi)星等技術(shù)，將傳感器所采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫擞嬎阆到y(tǒng)，然后進行數(shù)據(jù)處理、智能分析和識別控制，為諸多應(yīng)用提供服務(wù)接口，真正做到“掌上校園”。

系統(tǒng)的一大特色是，虛擬與現(xiàn)實數(shù)據(jù)融合、多系統(tǒng)協(xié)同，涉及智能傳感節(jié)點網(wǎng)絡(luò)、多跳數(shù)據(jù)傳輸、北斗數(shù)據(jù)傳輸、室內(nèi)外環(huán)境監(jiān)測、道路交通與車輛控制模擬、虛擬校園游覽體驗、虛實結(jié)合實景沙盤等諸多功能。戴上VR沉浸式頭盔，使用者便可在3D環(huán)境中實時觀察當前所處位置中的真實道路、建筑等信息，同時還可體驗高空飛翔、俯瞰等。

系統(tǒng)的另一大特色是該示范系統(tǒng)的各部分與各個模塊均與實踐教學內(nèi)容對應(yīng)，如交通、溫濕度監(jiān)測、土壤水質(zhì)、畫面、數(shù)據(jù)集成、VR虛實數(shù)據(jù)融合、虛實同步、可視化呈現(xiàn)，分別涉及傳感器、RFID、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、數(shù)據(jù)處理、嵌入式系統(tǒng)等課程知識。

物聯(lián)網(wǎng)屬于新興產(chǎn)業(yè)，高校在教學與建設(shè)方面皆處于起步階段。教學過程中，學生對于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)的體驗性不足，往往由于缺乏直觀感受而造成理論與技術(shù)困惑。因此，在實驗課程體系建設(shè)與實踐教學探索初期，教學組經(jīng)過討論提出建設(shè)“物聯(lián)網(wǎng)教學示范系統(tǒng)”，用于學生建立感性體驗、專業(yè)認知、專業(yè)思考、用于提升教學質(zhì)量。

“智慧校園—物聯(lián)網(wǎng)教學示范系統(tǒng)”尚處于一期建設(shè)收尾階段，可以實現(xiàn)對接《感知技術(shù)與應(yīng)用》、《物聯(lián)網(wǎng)實驗基礎(chǔ)》和《物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)實訓》等專業(yè)課程。后期將探索視頻融合功能和移動端APP開發(fā)等，逐步完善示范系統(tǒng)功能，使得校園監(jiān)測系統(tǒng)與虛擬場景形成聯(lián)動，為校園實時監(jiān)控、智能預警、人像處理與人員檢測等提供支撐。而且，未來將融入人工智能元素。

案例詳解

系統(tǒng)構(gòu)成

物聯(lián)網(wǎng)教學示范系統(tǒng)的建設(shè)立足南開大學與物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)實際情況，結(jié)合實踐教學案例與實際教學需要，從總體上對系統(tǒng)進行規(guī)劃和設(shè)計。系統(tǒng)涵蓋多個部分，分別是“虛實結(jié)合的校園實景聯(lián)動沙盤控制系統(tǒng)”、“虛擬校園游覽體驗系統(tǒng)”、“水質(zhì)、空氣環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)”、“智慧農(nóng)業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)”、“智能家居、智能教室虛擬聯(lián)動教學與演示系統(tǒng)”。

虛實結(jié)合實景沙盤子系統(tǒng)

虛實結(jié)合實景沙盤由智能家居、智能交通、環(huán)境監(jiān)測、智能安防等教學演示部分所組成，系統(tǒng)不但在現(xiàn)實中部署，同時也在沙盤上模擬一套與之對應(yīng)的系統(tǒng)。實景沙盤區(qū)別以往普通的沙盤，具備動態(tài)性、聯(lián)動性、擴展性。動態(tài)性體現(xiàn)為，沙盤不僅僅是現(xiàn)實的“縮減版”，其上所有模擬部件與實體一樣具備感知性和反饋動作，比如沙盤上的車輛經(jīng)過路口時，根據(jù)紅綠信號燈進行停車、行進操作；聯(lián)動性，舉例來講，當現(xiàn)實中外部車輛進入校園后，通過標定該車輛并將其與沙盤中的車輛建立映射關(guān)系后，沙盤上的車輛行進與現(xiàn)實中的該車輛行進同步，能夠直觀反映其情況；擴展性，通過數(shù)據(jù)融合形成外部接口，現(xiàn)實中所部署節(jié)點所采集的數(shù)據(jù)可直觀反映到沙盤對應(yīng)的部件，無需重新部署系統(tǒng)即可增設(shè)監(jiān)測節(jié)點。以此為平臺，學生可按接口標準進行二次開發(fā)，將新的實驗方案融入其中。

校園游覽體驗子系統(tǒng)

校園游覽體驗系統(tǒng)通過無人機拍攝對校園外景和典型樓宇內(nèi)部進行建模，通過VR 技術(shù)使學生可以進行沉浸式體驗。

環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng)

環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)由室外、室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測組成。室外、室外通過布置環(huán)境監(jiān)測節(jié)點，對環(huán)境中溫度、濕度、光照、二氧化碳等數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)測、收集、處理和數(shù)據(jù)分析。

智能農(nóng)業(yè)子系統(tǒng)

智慧農(nóng)業(yè)子系統(tǒng)，以南開大學津南新校區(qū)農(nóng)業(yè)體驗園為背景，在該農(nóng)業(yè)體驗園中部署設(shè)備，主要由水質(zhì)監(jiān)測設(shè)備、土壤溫濕度與酸堿度監(jiān)測設(shè)備、氣象監(jiān)測設(shè)備等組成。設(shè)備采集信息同時實時上傳到各自終端管理軟件中，數(shù)據(jù)通過多跳網(wǎng)絡(luò)和北斗衛(wèi)星傳輸，并提供數(shù)據(jù)接口與沙盤子系統(tǒng)、校園游覽子系統(tǒng)相對接，實時展示于其中。學生可通過物聯(lián)網(wǎng)接入與數(shù)據(jù)處理基礎(chǔ)知識，嘗試修改數(shù)據(jù)接口。

教學示范與跨學科融合

通過物聯(lián)網(wǎng)教學示范系統(tǒng)建設(shè)與初步使用，對實驗課程體系形成了有力支撐。系統(tǒng)所涵蓋內(nèi)容均與理論教學與實驗教學對應(yīng)，是教學演示和學生實踐的理想平臺。又因具備與教學中的各個模塊及綜合案例對應(yīng)，因此形成了較好的示范效應(yīng)。

改進計劃

實踐教學過程中，因初步建立實驗課程體系，課程內(nèi)容涉及較多知識，缺乏清晰主線。

通過問卷調(diào)查、談話、討論等形式，掌握一些典型情況，比如學生反映有一些實驗教學內(nèi)容，雖然能夠完成，但最后仍不明白為什么，或者仍未建立起系統(tǒng)觀；完成作業(yè)耗時較多，有一些非主線的實驗內(nèi)容，缺乏有機聯(lián)系；實驗環(huán)境配置較為復雜，編程不夠便利；示范系統(tǒng)部分模塊缺乏接口或恢復機制，學生出現(xiàn)錯誤只能重置等。

對此，課程建設(shè)團隊與教學組進行了具有針對性的調(diào)整和改進，在課程內(nèi)容上，與計算機系統(tǒng)基礎(chǔ)實驗、組成原理、操作系統(tǒng)、編譯原理等教學組協(xié)同更新，將基礎(chǔ)知識綜合部分加強；對于非主線實驗內(nèi)容，準備進行刪減，另外設(shè)立獨立實驗；計劃重新配置完整版的實驗環(huán)境，學生可直接使用；示范系統(tǒng)準備進行雙系統(tǒng)備份，分為運行系統(tǒng)和試驗系統(tǒng)，試驗系統(tǒng)進行資源可配置設(shè)定，接口及源碼面向?qū)W生開放，學生在分配到的資源設(shè)備上進行拓展實驗，經(jīng)過教師驗證，擇優(yōu)融入運行系統(tǒng)。