高校物联网实验室建设思路

摘 要：物联网应用发展非常迅速，各国均非常重视物联网技术发展。我国已批准37所高校物联网相关专业将于今年开始招生。高校物联网实验室的建设目标、建设内容、建设原则等问题急需要解决。本文作者根据多年的科研与实验室建设经验，对以上问题进行分析，并提出了建设思路。

关键字：物联网； 实验室建设； 传感器网络

中图分类号：tp311 文献标识码：A 文章编号：1006-3315（2011）3-170-002

随着通信、网络、计算机、嵌入式技术的发展，物联网技术应用开始走入日常生活[1][2]，从消费者将超市内食品包装上的二维码拍下来便可以追踪该产品的生产地、生产日期等相关信息，到坐在办公室便可通过网络、手机遥控家里的电器，那些曾经想都不敢想的事，如今正一件一件发生在我们身边，人们从观念上也开始接受了这样的变化。但是，提及物联网，人们还是觉得太高深、太遥远，即便是在象牙塔中深造、追随新知识的大学生，也没有清晰概念。目前，物联网已经是一个热门的专业方向，国家已经批准37所重点高校建设物联网专业，但是作为一门新的专业，高校如何建设物联网实验室，是关系到物联网人才培养、物联网技术创新的迫切问题。

一、物联网实验室建设问题及建设迫切性

目前，随着我国物联网应用技术快速发展，高校物联网专业批准建设，配合教材理论知识体系的物联网实验室建设成为当前迫切的问题。物联网教学涉及通信技术、嵌入式技术、RFID、网络技术、信息处理技术等，基本技术已经较成熟，但是作为一门新专业，需要集成以前技术并进行创新应用。虽然各高校不缺少通信、电子、计算机等科的教师，但是能够根据物联网的技术集成与应用进行组织教学的，却是少之又少。特别是很多物联网教师将从嵌入式、无线传感器网络学科教师转型而来，对于物联网这种多学科交叉的新专业，总感觉有知识或技能上的不足，特别是物联网实验涉及到通信、电子、网络等方面的新知识、新技术、新设备，如何掌握这些理论与技术知识，对教师本身也是一个极大的挑战。因此物联网实验教学教什么、拿什么教、怎么教等，基本上是空白，很多方面只能借鉴其它实验室建设方面的经验[3]，可以预见将会面临各种各样的问题，需要学科建设部门、大学、专任教师共同思考与探讨。由于一些高校物联网专业已经批准，物联网相关专业将于本年度开始招生，制订物联网实验室的建设目标、建设内容、建设标准等，非常紧迫。

二、大学物联网实验室建设目标及原则

物联网（The Internet of Things），广义上包含了物与物之间、物与人之间、人与人之间、物与计算机之间、人与计算机之间、计算机与计算机之间等各种主体间的互联，综合了当前通信、嵌入式技术、是网络技术、RFID技术、计算机信息处理技术等多个学科先进技术，具有很强应用性的学科。目前物联网方面尚未最终形成国家标准，但是自从1999年物联网被提出后受到越来越多的关注，在世界范围内物联网技术与应用取得了令人瞩目的研究成果，例如IBM的“智慧地球”项目、日本的U-Japan计划、韩国的U-Korea计划，我国的国家传感网创新研发中心与产业园也于2009年12月在无锡落成。从物联网的技术特征与应用特点来看，它涉及多个学校的技术前沿，正处于技术应用高速发展时期，应用范围广，应用创新性强，因此，物联网实验室建设的目标及原则要根据这门课的特征、人才培训的目标来考虑。从目前阶段来看，物联网专业培养以下几个方面的人才[4]：（1）生产制造、测试工程师，（2）市场、技术服务工程师，（3）产品、项目开发工程师，（4）企业级核心技术研发工程师，（5）国家级核心、基础技术科研人才。从学校的特征及培养目标来看，物联网实验室建设目标：建设具有先进的实验仪器设备，能面向物联网应用的不同层次基础性、综合性、设计性创新性实验教学实验室，改革实验教学方法和实验教学手段，建设先进的、开放的实验教学环境。培养物联网应用、开发、研究、技术服务方面专业人才，为社会主义经济建设服务。与其他人才培养相比，物联网学科对人才的创新能力、知识结构要求更高。综合考虑本学科特点，物联网实验室建设应符合以下原则：

1．建设的规模与水平要与自己培养人才的目标相适应

各个学校培养人才的定位不同，决定实验室建设内容、建设平台有所不同。应用型大学应以创新型技术应用开发平台为主建设，研究型大学应以理论与应用创新结合创建实验平台，一些职业技术学院可在生产制造、设备测试服务等方面加强建设。只有不同层次的学校有侧重点的培养，将来整个社会物联网应用才能从整体上得到合理分工协作，取得更好的社会效益。另外，由于物联网应用性强的特点，学校要结合自己物联网专业应用方向与相关专业合作建设。如智能电网应用、智能交通应用、智能农业应用、家庭健康监控等应用方向。

2．物联网实验室建设要具备先进性

由于物联网应用结合了当前各方面的最新研究成果，深入到社会生产、生活的各个方面，并随着当前技术发展与应用同步发展，因此建设时要考虑先进性，充分发挥实验室与技术应用紧密结合的能力，使实验室保持发展与活力。目前，物联网专业的实验设备与实验平台相对都较新，与当前最新研究基本保持同步。

3．物联网实验室建设要具备开放性

物联网是一个应用非常广泛的学科，不仅学物联网专业的学生，其他专业的学生也可以根据自己应用方案在此平台上做实验或者应用开发；实验平台不仅为学生提供实验环境，也是教师及科研人员的研究开发平台，同时可作为企业合作研究平台。物联网是一个非常大的新兴产业，很多应用都有待于进一步设计与研究，学校实验室也同时充满着机遇与挑战，不仅完成基本实验，更可以为学生、老师提供一个创新的实验研究平台，对物联网的理论研究具有重要的促进与验证作用。

4．便于升级，方便跟踪物联网、传感网最新技术进展

由于物联网与当前各种前沿技术发展紧密相关，因此在建设时，要充分考虑到技术发展因素，使设备、平台等方面升级，如设备要尽可能具有多种接口、兼容性，软件平台要具有开放性。

5．要注重实验室师资队伍建设

建设实验室的同时，也要重视对运用物联网实验室的师资队伍的建设，建设硬实力的同时也抓好软实力。教育者对技术的观念和技术能力直接影响着先进科技的应用与推广。应该对高校相关专业的教师加强培养力度，完善其知识及能力结构，使其正确认识技术的意义所在，在教学中能够抓住技术的灵魂，发挥好先进技术的积极作用。这样可以克服技术在教学过程中的一些实际障碍，利于学生对新技术的理解，激发其学习兴趣，为其主动学习、探究该领域打下坚实的基础。

三、大学物联网实验室建设的内容

物联网实验室与其他实验室相比，其内容广泛性、应用广泛性、平台开放性等特点，不是单一型、演示型与验证型实验室，而是综合型、设计型、应用创新型、开放式实验室，促进学生从分知识学习向工程应用创新、从知识积累向应用能力转化，提供一个激发创新思维、学习和实施技术应用创新的实验平台。因此，在实验室建设内容方面，应有以下建设内容：

1．基础理论认知实验

基础理论知识认知和平台实物认知、实验仪器使用掌握。理论方面包括物联网相关的基础理论、当前国内外研究、发展及技术应用现状、关键技术等。实物平台主要包括各种传感器、智能终端、物联网节点、物联网实验平台，并结合自己学科专业发展情况选择平台及设备、组织网络平台建设。目前传感器主要有光、温度、加速度、湿度、压力、化学等传感器，节点主要有美国DARR/MTO MEMS研究的Smart dust；加州大学伯克利分校提出的Mica系列节点、TMote Sky节点、TelosB节点；欧洲研究计划提出的EyesIFX节点；日本东京大学的Yoshihiro Kwahara等提出的U-cube节点等，芯片提供商主要有德州仪器（TI）、飞利浦、GE、三星、杭天中微，中芯公司等产品，目前平台方面，主要有MICA平台、宁波中科、无线龙等实验平台，另外各研究所及大学根据自己的应用搭建有自己专有实验平台。物联网通信主要涉及ZigBee协议、WiFi、3G、蓝牙等协议，组网形式根据应用不同有多种组织方式，主要有Wireless HART、6LoWPAN、DigiMesh、ZigBee及混合网络。短距离无线通讯芯片主要有nRF905、nRF2401、CC1100、CC2420、CC2520、CC1110、CC2430/1、GS1010/1011等。EPC标签有LF、HF、UHF、Microwave四种，读写距离依次减少，标准也不相同，实验室可根据自己需求选择相应标签或者全部选择。在仪器使用方面，根据平台不同也各不相同。

2．传感及组网实验

目前的实验平台支持开放式物理接口及空中接口，节点支持平台式、分簇式自组织个域网，同时也支持与其它网络融合。可根据学科发展及应用需要组织Wireless HART、6LoWPAN、DigiMesh、ZigBee及混合网络应用开放平台搭建，使学生能够认知不同的网络组织及功能，为自己创新组织网络打下基础。

3．信息采集与处理实验

让学生锻炼信息采集、外围电路设计、信息处理及编码能力，并让学生熟悉使用网络协议分析仪分析网络信息传输处理过程，对网络的容量、网络稳定性、网络安全性等有一定认知理解。

4．应用设计创新实验

在学生具备基本理论认知、设备认知、组网、信息采集及处理的基础上，根据自己想法，设计一个创新应用实验，并在开放平台搭建自己的应用实验，或与外界应用结合创新。

5．创新应用分析、测试实验

对于创新应用实验，要从实验结果、应用前景、系统性能等方面做进一步拓展分析，找出不足或进一步优化的方法，或者分析问题发生的原因与解决办法，提高学生的分析处理问题的能力，并为平台开放式建设提供知识、研究积累。

四、总结

物联网理论、技术及应用等发展迅速，高校今年将招物联网专业学生，作为以实验为基础、应用创新性强的工科专业，如何培养学生存在很多问题。本文分析物联网实验室建设存在的问题、迫切性，对建设目标、建设原则、建设内容等方面进行分析与论述，为高校建设物联网实验室提供一些参考思路。

参考文献：

[1]李卢一,郑燕林.物联网在教育中的应用.现代教育技术.2010,20(2):8-10

[2]王晓静,张晋.物联网研究综述[J].辽宁大学学报：自然科学版,2010,37(1):37-39

[3]胡四泉,王志良.“无线传感器网络”课程实验教学探讨.中国电力教育,2010,31:110-111

[4]郑裕侠．走出物联网教学四无困境.全国物联网师资培训资料，2011.1