物联网实验室范文

时间:2023-03-22 07:31:43

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物联网实验室

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关键词:物联网实验室;关键技术;实验内容

中图分类号:TP3;G647 文献标识码:A 文章编号:2095-1302(2013)07-0060-02

0 引 言

物联网已经在农业、交通、矿山、医院等应用领域取得了显著成果,架起人类社会和物理系统之间沟通的桥梁。教育方面,国家已经批准100多所高校开设物联网专业。这是一个新兴专业,集计算机网络、嵌入式等多门学科及RFID、网络技术、通信技术等多种前沿技术于一体,在多学科交叉、多种技术并存的情况下进行创新应用有一定难度,因此有必要建立物联网实验室同时研究多种学科和技术。有些高校已经开始招生,物联网专业课程如何设置,教材如何制订,专业课程要想达到预期效果,人才培养要想达到创新能力强、知识结构完整的标准,使得与学校开设课程配套的物联网实验室建设也成为迫切需要解决的问题。物联网作为战略新兴产业,在世界范围内发展可谓一日千里,各高校应抓住这一革命性发展机遇,采取多种方式推进高校物联网专业建设,物联网实验室建设更是迫在眉睫,应该作为高校实验室建设的重中之重。

1 关键技术

建设好物联网实验室需要依据感知层、网络传输层及应用层的多种关键技术,如计算机网络、传感器、嵌入式、电子、通信等。

1.1 ZigBee

ZigBee技术在物联网中实现无线通信功能,符合IEEE802.15.4无线标准。低功耗和使用免申请的2.4 GHz频段是ZigBee技术的突出优势。

1.2 RFID技术

射频识别(Radio Frequency Identification,RFID)技术多用于具有定位功能的系统中,识别卡有无源和有源之分,识别目标对象的过程中自动化程度高,无须人工干预,操作快捷方便,易于与物联网中其他技术的融合,如WSN。在RFID标准中使用最多的是ISO/IEC14443和ISO/IEC15693。笔者用到的RFID技术实现人员定位功能,涉及有源RFID芯片、读写器及后台数据库。

1.3 网络技术

物联网中的网络技术很大程度上是指物联网三层体系结构中实现数据采集的感知层传感器网络技术。物联网发展早期,曾被称为传感网,可见传感器网络技术在物联网发展中起着举足轻重的作用。传感器技术发展迅速,正朝着微型、智能的嵌入式Web传感器方向演变。在笔者现有的工作中,主要研究传感器网络组织结构及其底层协议,实现理论上的突破和实际应用中的规模化。

1.4 通信技术

通信技术主要是无线通信技术,工作频段为2.4 GHz,可依据各种协议栈实现,如ZigBee 2007/Pro协议栈。

2 主要实验

中国科学院院士姚建铨院士在参观物联网企业时强调要多培养学生的动手能力,让学生亲自上手来真正掌握物联网技术。实现这一要求离不开物联网的相关实验。表1所列是有关高校的物联网相关实验内容。

3 实验室建设的内容

根据学校特点,应建设以科研为重点,全面覆盖感知层、网络层和应用层的物联网实验室。实验室建设内容应满足学生循序渐进的学习过程,既有基础理论认知实验,熟悉组网等各项性能指标,也有信息采集、电路设计能力和设计语言编程能力锻炼平台,更少不了设计创新平台。提高物联网专业学生综合实力,掌握根据实际应用搭建平台、数据采集及通信的思路、方法和步骤,使专业人才有理论,会操作,能创新,具备广阔灵活的就业前景,提高毕业生就业成功率。图1所示是高校物联网实验室建设的主要内容。

图1 实验室建设内容

4 结 语

在物联网实验室建设过程中,要充分发挥主观能动性,主动争取主管部门支持,积极借鉴兄弟院校及企业中与实验室建设方面相关的创新点,采用多种方法扩大物联网概念普及范围,以期得到全校师生的理解和重视。物联网实验室的建设,有助于高校实现产学研一体化,有助于提高学生的创新精神及实践能力,使教师、学生、高校及物联网产业链中的各环节对象共同受益,实现一举多得。

参 考 文 献

[1] 于继明,张燕,蔡琳.高校物联网实验室建设思路[J].科学大众(科学教育),2011(3):170-171.

[2] 王红梅.浅谈高等院校物联网教育和物联网实验室建设现状及对策[J].太原城市职业技术学院学报,2012(3):122-123.

[3] 陈华,王姗姗.高职物联网实验室建设初探[J].计算机网络,2012(23):65-68.

[4] 刘丽,谷照燕.高职院校物联网实验室建设研究[J].教育研究,2013(1):64-65.

[5] 林莉,陈丽丽.高校物联网实验室建设规划[J].长春理工大学学报,2012(4):23-24, 58.

[6] 杨从亚.高职物联网专业建设探索[J].职业技术教育,2010(35):5-7.

篇2

关键词: 物联网 实验室 ZigBee无线网络技术

一、物联网的定义及发展

“物联网”(Internet of Things)指的是将各种信息传感设备,如射频识别(RFID)装置、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等种种装置与互联网结合起来而形成的一个巨大网络。物联网是一个未来发展的愿景,其目的是让所有的物品都与网络连接在一起,方便识别和管理。能够实现人在任何时间、任何地点、使用任何网络、联系任何人或物,以达到信息交换的自由。

目前,世界各国都在物联网研究方面投入巨资,我国也不例外。早在10年前,中科院就启动了传感网研究。现如今,物联网更是被提升为国家战略,已进入快速发展时期。总体来看,物联网发展已成为国家层面技术及产业创新的方向之一,重视物联网的研究和开发,推进物联网产业化、规模化发展的技术环境已基本具备。物联网技术的发展带动了经济社会形态、创新形态的变革,推动了面向知识社会的以用户体验为核心的下一代创新形态的形成。

二、ZigBee技术的优势及应用

ZigBee是一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术,它是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术提案。主要用于近距离无线连接。它依据802.15.4标准,在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。这些传感器只需要很少的能量,以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器,所以它们的通信效率非常高。IEEE802.15.4和ZigBee从一开始就被设计用来构建包括恒温装置,安全装置和煤气读数表等设备的无线网络。这是由其主要技术优势决定的:

(1)数据传输速率低:只有10k字节/秒到250k字节/秒,专注于低传输应用。

(2)功耗低:在低耗电待机模式下,两节普通5号干电池可使用六个月到两年,免去了充电或者频繁更换电池的麻烦。这也是ZigBee的支持者所一直引以为豪的独特优势。

(3)成本低:ZigBee数据传输速率低,协议简单,大大降低了成本,且免收专利费。

(4)网络容量大:每个ZigBee网络最多可支持255个设备。

(5)时延短:通常时延都在15毫秒至30毫秒之间。

(6)安全:ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能,采用AES-128加密算法。

(7)有效范围小:有效覆盖范围10~75米之间,具体依据实际发射功率的大小和各种不同的应用模式而定,基本上能够覆盖普通的家庭或办公室环境。

(8)工作频段灵活:使用频段为2.4GHz、868MHz(欧洲)及915MHz(美国),均为免执照频段。

一般而言,随着通信距离的增大,设备的复杂度、功耗及系统成本都在增加。相对于现有的种种无线通信技术,ZigBee技术将是最低功耗和成本的技术。同时由于ZigBee技术的低数据速率和通信范围较小的特点,也决定了ZigBee技术适合于承载数据流量较小的业务。

三、物联网实验室建设方案

高职院校自主研制物联网实验室,应主要包括温度传感器节点、多媒体传感节点、RFID节点,以及多种传感器节点实验室。搭建物联网融合实验室,包括网络传输节点、传感器节点、数据处理和控制节点,实现完整的物联网系统功能。另外还可以与不同行业的相关企业合作,建立校外实训基地。

1.系统硬件设计

系统硬件,通过上位机向串口发送命令到协调器,协调器接收到数据后,分析并将命令再发送到受控的智能终端控制其动作,最终完成要求并返回终端的状态信息。各种实验室设备可在信息交互的基础上实现互相操作,相互协作和远程控制的功能。系统创新性在于提出了万能联动功能,即任何传感器可以和任意执行器之间产生联动。温湿度传感器可以联动打开空调,或者打开除湿器;入侵探测器报警可以联动打开灯光;光照传感器将检测到的光照强度来判断是否打开照明灯,或者打开电动窗帘等操作。

2.系统软件设计

本系统开发环境是IRA7.30B,采用的协议栈为TI的Z-STACK。系统将解调器通过串口和上位机相连,通过人机交互的方式对实验室的传感器和环境参数进行采集。必须知道每个传感器节点的网络地址,这就需要每个传感器设备在加入网络后把网络地址发送给协调器,协调器收到传感器的网络地址后建立地址表存储起来,以便用户要求采集数据时依据地址表来采集每个传感器的数据。

(1)协调器节点软件设计

ZigBee协调器在运行之前需要配置相关的网络参数和设备参数,供后面使用。在加电之后,ZigBee协调器首先应当扫描信道,选择合适的信道和网络标识建立网络,然后允许其他设备加入网络,到这里ZigBee协调器的初始化工作结束。进入正常操作状态之后,zigBee协调器需要管理网络中的设备,包括处理它们的加入和离开;ZigBee协调器需要处理来自其他设备的绑定请求,为不同设备之间的数据转发建立相关绑定信息;它还需要能够处理各种设备和服务查询请求;还需要能够发送和接收数据。

当协调器收到信息时,根据数据的第1个标识字符来判断是传感器的网络地址还是传感器采集的数据。若是传感器的网络地址,则把该网络地址存储在地址表里,然后把网络地址通过串口发给上位机,由上位机做进一步处理;若是传感器采集的数据信息,则需通过标识符进一步判断;如果用户是数据采集请求,则把该数据显示给用户。当用户通过上位机监测系统发送数据请求时,传感器的网络地址会通过串口发给协调器,协调器根据该网络地址进行数据采集。

(2)传感器节点软件设计

设备上电后将扫描信道,加入合适的PAN网络,加入网络后将把16位网络地址发给协调器。设备工作时将周期地轮询路由器,看是否有采集数据命令信息。若有,则采集数据并把数据发给协调器,否则继续侦听信道。在进入正常操作状态之后,ZigBee终端设备往往只是简单地发送和接收数据,它们并不处理网络管理等功能,大多数时候都处于休眠状态。

在建立这样一个平台后,我们便可以依照研究目的的不同,更改传感器及应用程序,为进一步的无线传感器实验室建设打下坚实的基础,推动物联网技术的发展,真正地实现“物物相连,感知世界”。

参考文献:

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关键词:物联网;实验室建设;传感器;射频识别

中图分类号:G482 文献标识码:A 文章编号:1009-3044(2016)11-0110-02

物联网是通过射频识别(RFID)、传感器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备,按约定的协议,把任何物品与互联网连接起来,进行信息交换和通讯,以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。物联网是集传感技术、计算机技术、通信技术等多种学科的综合应用。物联网解决的是信息世界与物理世界的互联互通。目前我国物联网运用领域包括智能家居、智能农业、智能交通、智能工业、智能环保、智能医疗等。到目前为止国内众多高校申请和开展了物联网工程专业的招生和教学工作。高校要想担当起新形势下物联网人才的培养,建设一个设施齐全、技术先进、质量可靠的物联网实验室迫在眉睫。中国地质大学长城学院也于2015年招收了第一届物联网专业的本科学生。物联网专业相对其它专业来说更侧重实践性和应用性,因此我们的实验室建设是我们整个学科建设中的重点工作。

1 物联网实验室建设的原则

1.1 与本校的培养目标相适应原则

任何实验室的建设都要与本校的培养目标相一致,物联网实验室也不例外。作为应用型本科院校,主要培养的是应用型人才,而非研究性人才,主要锻炼学生物联网应用系统的组网、调试、安装、售后服务、技术支持,培养物联网设计、施工与运维人才。因此学院实验室的建设应该以满足基础实验、实训为主,旨在满足培养学生的实际动手能力。

1.2 先进性原则

物联网是被称为继计算机、互联网之后世界信息产业第三次浪潮,是一个前沿的技术,因此实验室的建设也应遵循先进性的原则,购置新设备、采用新技术以满足需求。

1.3 模块化可扩展原则

物联网涉及到感知层、网络层和应用层三个层次,每个层次都有各自的技术,这些技术可以用模块化的思想实现,各模块之间要遵循统一的电气和数据接口,可以自由组合重构物联网应用系统。

2 物联网实验室建设需求分析

2.1 物联网建设的技术需求

从技术架构上来看,物联网可分为三层:感知层、网络层和应用层。

感知层的作用相当于人的眼耳鼻喉和皮肤等感知系统,它是物联网识别物体、采集信息的手段,其主要功能是识别物体、采集信息、数据汇聚等。感知层由各种传感器、执行器、短距离无线通信、数据网关等构成,包括:传感器、二维码扫描仪、RFID 标签和读写器、摄像头、GPS 等感知终端;步进电机、直流电机、继电器、电磁阀等各种执行器;ZigBee、Wi-Fi、IPv6、蓝牙等短距离无线通信节点及网关。

网络层由各种私有网络、互联网、有线和无线通信网、网络管理系统、数据服务器和云计算平台等组成,相当于人的神经中枢和大脑,负责传递和处理感知层获取的信息。

应用层是物联网和用户(包括人、组织和其他系统)的接口,它与行业需求相结合,实现各种物联网的智能应用,例如智能电网、智能交通、智能家居等。

物联网实验室的相关设备需要满足以上物联网的三个层次结构中各个组部分的相关实验。

2.2 物联网实验室建设的应用需求

1)满足物联网工程专业基础实验要求

实验室建成后需要满足培养方案上开设课程的相关实验,这是实验室建设的基本要求。通过这些基础实验使学生能够更好地理解和掌握专业知识。

2)要满足学生实训和参加大赛的要求

在学生完成多门专业技术课程学习后,可以开展综合实训课程,让学生通过项目对前导课程的知识综合应用、融会贯通,完成知识到技能的转化,知识点到知识体系的转化。通过实训可以锻炼学生的物联网应用的工程实践能力,以便培养出更高水平的物联网专业学生。

参加物联网应用设计大赛是锻炼学生实践能力的重要方法和手段,通过比赛提高学生对物联网的兴趣和竞技能力,丰富教学内容,活跃教学气氛。

3)满足学校教师物联网科研

科研能力也是衡量一个专业建设的重要指标。实验室建成以后,教师可以利用实验室开展更多地实验项目,从而提升教师的科研能力。

3 建设的内容

作为培养应用型人才的学院,学院的应该从培养目标需求实际出发,建立一个先进的满足教学、实训和科研的要求的综合性的实验室。本实验室应该包括基础实验平台、云服务平台和智能化实验室,物联网工程实验室组成结构图如图1所示。

3.1 基础实验平台

1)RFID综合实验箱是针对物联网专业的RFID教学实验而开发的实验开发平台。RFID技术是物联网的核心技术,因此有必要单独设置购买实验箱。实验箱可以包括各种频段的RFID读写器开发板、多种常见RFID标签、RFID应用模块、嵌入式系统、PC软件系统。这五部分构成完整的RFID体系,为学习RFID技术、了解RFID应用、开发RFID智能化设备提供了完整、优质的软硬件平台。RFID综合实验箱能够有效地帮助师生全面的了解无线射频RFID,掌握RFID的组成结构、运行环境以及工作模式,熟悉天线工作原理,掌握RFID射频信号解码技术等。

2)物联网综合实验箱

物联网综合实验箱应该能够提供完整的、层次化的物联网教学体系,提供从处理器技术、无线组网技术、嵌入式开发、应用层开发与服务、到典型的系统开发实战。物联网综合实验箱需要满足以下三层的具体实验要求。

(1)传感层:

微控制器应用技术:单片机原理及应用-C51系列、STM32的开发和应用、M4系列。

传感器技术:常见传感器原理、数据采集与处理、图像采集。

RFID技术应用:RFID原理、RFID频段分析、RFID标签、二维码、条形码技术。

无线传感网技术:Zigbee、IPv6、蓝牙、433M、WiFi、NFC移动支付、RFID移动支付。

物联网与嵌入式系统开发:基于Cortex-A9,Linux开发、Android开发。

(2)网络层:

网络通信:局域网技术、以太网技术、服务器。

移动通信:GPRS通信、3G通信、4G通信、GPS、手机安卓编程。

数据库:数据库编程、物联网数据库服务。

中间件:SDK、WebService开发。

(3)应用层:

物联网应用:智能家居应用开发、智慧农业应用开发、智能交通应用开发、食品溯源应用开发、智能仓储应用开发等。

物联网安全:无线传感层通信加密、数据网关通信加密、应用软件数据通信加密等。

此外综合实验箱要能够支持多种协议,具有丰富的接口以便连接各种设备。支持网关、手机、云服务等多种管理服务平台,网关支持Android/linux操作系统,运行数据采集控制管理软件。手机端采用Android系统,可远程控制的数据采集和控制系统。云服务系统采用B/S架构,可远程登录获取传感器数据,并且提供开放的API接口,基于这些API接口,用户可以轻松的进行二次开发。

3.2 物联网云服务平台

物联网云服务是一套针对物联网的海量数据服务、应用快速开发而设计的系统,旨在提供一个开放的物联网云服务平台,使传感器数据的接入、存储和展现变得轻松简单,通过几步简单操作就可以完成物联网应用的快速开发。

真正的物联网系统,其数据必然是海量的,必须通过大数据技术存储、分析。系统控制、数据展示也是必须基于云端的,可全球范围内随时访问和操作。

物联网云服务平台可以为老师的实验教学提供统一的在线化管理平台,提供灵活的用户管理和权限控制机制,同时支持大规模并发访问。因此,整个学院的所有学生,可同时接入平台开展实验。老师可随时上线检查学生实验作业、项目设计成果,为学生的实验和设计提供指导。

物联网云服务平台为学生提供在线、支持团体合作的实验及项目设计平台。可为每位学生分配一个登陆账号,实验结果、数据、项目工程相互独立,学生可在课堂之外延续实验。同时,支持项目协作,多个学生可团队合作,共同完成物联网应用系统设计

3.3 实验室智能化建设

为了让学生对物联网的应用有更加深刻的认识,在建设的时候需要对实验室进行智慧化改造,让学生上课的同时不仅可以体会到智能家居带来的舒适感还能学习智能家居的构造与设计。集传感器技术、嵌入式开发、综合布线、网络通信、自动控制等技术将家居生活有关的设备、设施集成,从而构建的一个智能、节能的智能家居实训环境。

智能家居应用系统可实现灯光、窗帘、家电、环境监测、安防、摄像头等的检测控制,可个性化定制居家、外出、看书、休闲、娱乐等情景模式,一键实现。并支持连接互联网实现手机、电脑上网的远程控制。

物联网实验室的建立能够让学生深层次的接触物联网,学习物联网,研究物联网,让学生将理论与实践相结合,提高学生的实际动手能力和创新能力。可以培养学生合理的知识结构、具备扎实的电子技术、现代传感器和无线网络技术、物联网相关高频和微波技术,有线和无线网络通信理论、信息处理、计算机技术、系统工程等基础理论,掌握物联网系统的传感层,传输层与应用层关键设计等专门知识和技能,并且具备在本专业领域跟踪新理论、新知识、新技术的能力以及较强的创新实践能力。

参考文献:

[1] 陈景贤, 陈志生. 高校物联网实验室建设与应用[J]. 实验室研究与探索, 2013(8).

[2] 林莉, 陈丽丽. 高校物联网实验室建设规划[J]. 长春理工大学学报, 2012(4).

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关键词:农业院校;物联网;信息平台;实验室建设

中图分类号:TP393 文献标识码:A 文章编号:2095-1302(2012)11-0084-03

0 引 言

物联网是继计算机、互联网和移动通信之后的又一次信息产业的革命性发展[1]。物联网相关专业是以计算机科学与技术、电子科学与技术、通信工程、控制以及软件工程等多个学科相融合的综合性专业学科。各高校在开设物联网专业时,必将结合本校传统优势学科,发展具有自身特色的物联网工程专业,涉及到实践教学改革、课程体系设置、师资队伍建设、实验和实践环境建设、教材建设等多方面的改革和创新[2]。

1 项目建设的背景

随着物联网的迅速发展,社会各行各业对物联网应用的需求越来越明显,作为国家科学技术发展主要力量的高等学校,建设物联网实验室并开展针对性的教学与科研,培养专业技术人才,有利于高校的学科发展和教学科研水平的提升[3]。

为了贯彻落实《国务院关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定》,促进山东省物联网产业和相关人才教育事业的发展,适应山东省对物联网高端专门人才的迫切需求,充分利用青岛农业大学作为省属农业院校的区域优势和教学资源,扩大青岛农业大学在信息类专业校企合作联合办学的成果,青岛农业大学于2011年在通信工程专业设置了物联网专业方向,并于当年开始招生,这样,学校的物联网实验室建设成为当务之急。

2 物联网信息平台及应用实验室建设目标

随着信息技术和网络技术的迅猛发展,社会对信息类专业人才的需求量越来越大,高校在培养应用型人才的同时,必须注重提升人才的创新精神和实践能力[4],在物联网实验室建设过程中,结合本校物联网专业人才培养目标进行建设[5]。学校的物联网信息平台及应用实验室建设应本着培养学生具备扎实的电子技术、现代传感器和无线网络技术等基础理论的原则,以掌握物联网系统的传感层、传输层与应用层关键设计等专门知识和技能为目标,兼顾当前流行技术的发展趋势,注重各种技术之间的融合与灵活应用,注重创新实验及项目实践,将物联网技术真正融会贯通到实际应用中,包括物流管理、智能家居、环境监测、设施农业等。开设物联网基础性和专业性实验,从基础到深入、从原理到应用,全面体现物联网的各个环节[6]。

作为一所省属农业院校,青岛农业大学物联网实验室的建设应和农业类专业紧密结合,充分发挥农业院校的农业特色优势,以应用性为主,建立一个物联网信息平台及应用实验室。物联网信息平台及应用实验室除了可以进行各种无线传感器网络、嵌入式系统等教学实验外,还应当可以模拟典型物流、设施农业和环境监测等实际应用。物联网信息平台及应用实验室应当结合物联网传感层、网络层与应用层的特点,进行分层设计、理论联系实际的模块化结构解决方案。

青岛农业大学的物联网专业是和青岛东合信息技术有限公司联合培养的,合作采用121人才培养模式,即将本科四年的学习分为三个阶段:第一阶段以校内开设的公共课、基础课程为主;第二阶段主要以校企联合面向市场需要进行课程改革后的专业基础课和专业课为主,在保证专业基本理论与技能学习的基础上,突出物联网的基本理论与技能的学习;第三阶段以物联网的具体应用实例和要求进行操作、项目实战实训为主,进行技能、能力和创新意识的培养和训练。

关于物联网实验室的建设,目前尚处在探索阶段,如何构建功能、技术完备,符合高校自身特点,有效实现物联网技术的实验实践环节,推动物联网技术的迅速发展,是高校物联网实验室构建的关键[7]。物联网信息平台及应用实验室应针对高校物联网专业实际应用的多种需求来设计与建设,包括物流管理、环境监测、设施农业等。开设物联网基础性公共实验和专业性实验,应当从基础到深入、从原理到应用,全面体现物联网传感层、网络层与应用层的的各个环节[8]。

3 高校物联网信息平台及应用实验室体系结构

物联网分为感知层、网络层和应用层三层体系结构。感知层主要利用射频识别(RFID)、二维码、传感器、传感器网络等感知、捕获技术手段对物体进行信息采集和捕获;网络层主要通过各种通信网络与互联网的融合,将物体通过传感器网络接入互联网,进行信息交互与共享;应用层则利用云计算、模糊识别等各种智能技术,对获取的海量数据和信息进行分析处理,提高对物体、经济和社会各种活动和变化的洞察力,实现智能化的决策与控制[9]。

基于实验需求及物联网专业开设的实际需要,高校的物联网实验室可以分为基础教学和应用实训两部分。图1所示是一个高校物联网信息平台及应用实验室的体系结构。

3.1 物联网基础教学实验室

物联网基础实验室主要用于实现物联网专业中涉及到的嵌入式系统、传感器、计算机网络、单片机、无线通信、移动通信、通信原理等课程的实验操作。青岛农业大学物联网基础实验室是在现有计算机科学与技术、通信工程、电子信息工程等专业的已有部分相关实验室(如单片机、嵌入式系统、通信原理、网络技术等实验室)实验设备的基础上,由青岛东合信息技术有限公司提供基于Sigma86x系列平台的物联网教学实验设备。该平台为海尔软件有限公司中网社区家庭网关产品(Home Box)的教学版实验平台,可实现海尔网络家电控制系统、灯光窗帘控制系统、智能音视频系统、家庭安防系统、远程医疗系统、HOMEBOX媒体中心、中心控制系统(HOMEBOX、PC控制中心)等七大智能家居系统,可实现广域网与家庭网络的无缝接入。

物联网教学实验平台的硬件资源包括电源按钮、复位按钮、通用I/O接口,板上提供稳定的3.3 V、5 V、12 V电压,UART控制器,UART与RS232转换板IDE控制器、PCI总线,两个USB 接口,HDMI,色差及AV接口,以太网10/100控制器,E2PROM,64MB Flash,128MB DDR SDRAM,160GSATA硬盘等。

物联网教学实验平台具有丰富的接口,提供的扩展功能模块包括SD Card接口,可支持2 GB SD卡、USB键盘鼠标、ZigBee无线通讯模块、WIFI网络模块、RF通讯模块,红外接收器等功能。

3.2 物联网应用实训实验室

物联网应用实训实验室是根据学校现有的优势学科,主要建设涉及农业、环境监测、仓储物流、食品追溯,另外还将建设智能家居、智能安防等。现以环境监测为例介绍其功能及实现过程。

环境监测系统主要模拟农村田地环境的监测,以对田地的温度、湿度、气体、光照等各类重要的环境数据信息进行统一监控。通过该系统,学生可以了解现场环境勘测、传感器选型与架设、网络设计、数据传输、通信技术及数据管理系统等多方面的知识,提高实践演练和动手能力。其具体学习和工作过程如下:

(1) 数据采集

通过系统现场设置不同的传感器来分别模拟不同的环境,并通过传感器进行信息采集。传感器采集的信息先传送到附近的无线传感器网络(WSN)节点,再由节点完成数据格式转换后传送出去。

(2) 网络传输

网络交互部分主要由WSN 节点、Wi-Fi 模组及天线端组成。主要负责将无线传感器网络中的信息和Wi-Fi 摄像头信息通过无线交换机送到连接的Internet服务器中。

(3) 数据管理

传感器采集的信息被传送到服务器后,学习利用数据管理系统管理所有的数据,并通过专家决策系统对实际情况做出判断,最终进行决策。

4 结 语

物联网是一种技术,只有和具体的学科、专业相结合,才能充分发挥其优势。每个学校在建设物联网实验室时,都应该充分发挥本校的优势,和学校的优势学科相结合。我国是农业大国,农业作为关系着国计民生的基础产业,其信息化、智慧化的程度尤为重要。物联网技术在农业生产和科研中的引入与应用,是现代农业依托新型信息化应用迈出的一大步,可以改变粗放的农业经营管理方式,引领现代农业的发展。随着科技的迅速发展,物联网在农业上的应用会越来越广泛,一批关键农业信息感知技术和新兴产业培育问题也期待科技突破[10]。作为农业院校,只有充分发挥农业院校的科技与人才优势,才能更好地服务于“三农”。

参考文献

[1] 王良民,熊书明.物联网工程概论[M].北京:清华大学出版社,2011.

[2] 王志良,闫纪铮.普通高等教育物联网工程专业规划用书[M].西安:西安电子科技大学出版社,2011.

[3] 柯强.物联网专业课程建设探讨[J].物联网技术,2012(1):80-82.

[4] 黄峥,古鹏.物联网实验室建设研究与探讨[J].实验技术与管理,2012,29(2):191-195.

[5] 林莉,陈丽丽.高校物联网实验室建设规划[J].长春理工大学学报,2012,7(4):23-24.

[6] 闫春娟.物联网专业实验室的创新建设[J].高校实验室工作研究,2012(2):89-91.

[7] 付永贵.基于分组教学的高校物联网实验室构建研究[J].中国教育信息化,2011(5):63-65.

[8] 张凌云,薛飞.物联网技术在农业中的应用[J].广东农业科学,2011(6):146-149.

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【关键词】物联网 高校实验室 智慧校园

1 高校实验室管理中存在的问题

1.1 实验室人员队伍和结构建设的速度远远跟不上实验室建设的速度

政府部门或者学校投资方花费大量资金投入了实验室设备,大量的高精尖的设备也进入了高校实验室。比如我校在2013年开始建设实验室,专业的新增导致在校生的规模急剧扩大,专业结构划分越细,实验室的数量种类也在急剧增加,实验人员只限于忙于计划内开设的实验教学内容,导致一些设备资源严重闲置,设备利用率不高。在高校实验队伍得不到应有的重视,很少有外出培训提升的机会,只能靠自己慢慢摸索来提升自己,在职称评定、项目申请、科学研究等很少有C会来提升自己。就目前我校这种模式下实验人员存在学历偏低,职称偏低,缺乏一些高素质人才的加入。

1.2 实验室安全隐患多

随着实验室开课任务的增加,专职实验老师无法应对大量的学生,在实验操作过程中,老师无法顾及到每一个学生,大量的学生没有按照操作流程来进行实验,有部分实验项目对实验室财产和人身安全有一定的危险性。长期的非正规操作,使得很多学生没有养成良好的实验素养,使得仪器的损坏率故障率越来越高。

1.3 实验室管理水平落后

近年来,各高校加大了实验力度的建设,中央与地方共建实验室经费、校企共建实验室经费、“211”工程建设经费、国家重点实验室经费等投入了巨资。实验设备规模在飞速发展,但是大多数高校实验室管理人员还是采用传统的管理方式,陈旧的管理理念,僵化的管理制度,并没有跟随时代的步伐。

2 智慧实验室

智慧实验室必然以信息技术应用为主线,在未来,借助物联网、云计算、大数据、智能化控制和移动互联等信息技术,通过感知、物联、智能化的方式,将高校实验室中的物理基础设施、信息基础设施、学习生活基础设施和科研基础设施连接起来,达到智能自动化管理和监控,保障实验室的安全,创造一个绿色环保、低碳低耗、智能舒适的实验环境。同时,通过这些最新前沿技术的应用,升级现有的校园网络设施,结合一卡通系统,以校园微信公众号和校园门户网站为平台入口,实现与智慧校园的数据融合、服务融合和网络融合。

2.1 物联网技术与智慧实验室

近年来物联网技术已经广泛应用于智慧城市与智慧校园建设,将物联网技术应用于高校实验室管理,可以有效地解决高校实验管理存在的问题,也为全面提升高校信息化管理水平带来了新的机遇,高校实验室的智慧化已经成为未来高校实验室建设的必然趋势。

物联网是通过射频识别(RFID,Radio Frequency Identification)、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备。按约定的协议,把物品与网络连接起来进行信息交换和通信,以现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。以物联网技术打造智慧校园建设.为高校智慧学习环境构建带来了诱人的机遇和挑战,智慧教育成为全国教育信息化的发展方向。

2.2 云技术与智慧实验室

云技术是一种虚拟化技术,云技术可以在一些计算机类实验室中发挥出很多优势。虚拟仿真平台的建设也是智慧实验室建设的重要组成部分,虚拟实验平台面向全校,充分考虑多种技术的融合,以实现全校虚拟实验资源的整合。云计算是一种能够通过网络以便利、按需的方式获取计算资源(包括网络、服务器、存储、应用和服务等)并提高其可用性的模式,这些资源来自一个共享的、可配置的资源池,并能够以简便和无人干预的方式获取和释放资源。云平台建设是将实验室的资源虚拟化,使用云终端、云系统、云服务器、云存储。整合机房所有的IT资源,提高利用率;将所有的教学资源都由‘云’来提供,随时随地可以获取;降低硬件的采购;并且可以实现资源共享,比如一些正版的专业实验软件,由于版权等因素只能是一些实验室内部计算机可以使用,使得一些需要学习的人收到了时间和空间的限制,但是使用虚拟云技术,只要在一些终端设备登录云客户端,就可以为学生或者老师提供多样化的学习资源。

3 智慧实验室的管理系统构架

物联网技术是构建智慧校园的关键技术,由于民办高校实验室建设资金有限,智慧实验室的构建要考虑系统的可扩展性,预留智慧实验室的扩建接口。参考物连网的三层体系结构,本文构建了智慧实验的架构模型如图1所示。

3.1 基于RFID的实验室设备资产管理系统

基于RFID系统的管理主要包括有固定资产的管理和低值易耗品的管理,学校对固定资产进行打标,利用RFID技术可以对固定资产进行定位,固定资产的管理包括设备增删、查询、借用、维修、统计、定位等,低值易耗品的管理包括查询、领用、统计等。

3.2 基于ZigBee的智慧实验室的数据监测系统无线传感网络是当今国际前沿研究的热点领域

ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低成本的双向无线通信技术,系统由传感器节点、路由节点、中心节点和上位机监测平台组成。系统主要包括CPU、ZigBee模块、RFID模块、串口、传感器模块和门禁模块等。ZigBee终端节点负责实验室环境现场数据的采集,通过实验室监测系统实现实验室信息管理的智慧化,并对协调器传输的数据进行处理。

3.3 实验室智能视频监控系统

常规的视频监控仅能提供视频的捕获、存储、回放等功能,很难起到预警和报警作用。实验室智能视频监控系统的主要由三部分组成:摄像头,智能检测模块,移动通信模块。智能监管系统主要包括实验室地图、视频监控系统、门禁系统巡视系统、对讲呼叫系统、紧急报警系统,智能预警系统主要包括应急预警、危险实验室预警、门窗预警、实验人员预警、用电预警、安全预警情况查询等功能 。

3.4 开放实验室预约系统

实验室教学通过验证性实验虽然能加深学生对理论知识的掌握和理解,但不能够培养学生的创新思维,而开放式实验室有利于以学生为本,激发学生的学习、动手科研兴趣,主学习,培养出创新型人才和应用型人才。

师生通过网上预约实验。使验员开放实验室非常方便实验安排更加科学合理。开放实验室预约系统包括权限管理、预约管理、查询管理、门禁管理、审批管理等功能,预约管理主要是实现预约申请、预约审核、实验进度等,查询主要是查询实验室类别、实验项目、设备状况、预约状况等。这样实验室人员从传统的“看门人”变成技术管理人,节省出更多的时间来指导学生实验和进行科研,还能把实验室人员从繁琐的事物中解放出来。

3.5 实验室智能水电管理系统

水电管理系统对于院校实现水电管理系统化、智能化、节约化具有非常现实的意义。水电智能管理系统可以通过控制中心的计算机进行软件操作,利用软件控制实验室内的各个水电控制继电器,再由继电器控制水电的通道开关,进而实现由水电智能管理系统控制中心控制所有实验室内的电器开关和水阀开关。利用水电智能管理软件可以对校园内电器及水阀进行智能化管理,譬如:在规定时间内控制给水、控制停水、控制给电、控制停电等,所有操作由系统完成。

3.6 实验教学信息系统

该系统主要面向全院师生,包括学生管理、教师管理、实验课程管理与实验项目管理。比如我校使用的北京邮电大学的虚拟实验系统平台,结合该平台进行二次开发,进行虚实结合,变成一套管理兼教学的综合实验信息系统。实验课教学是由教师对实验项目库进行管理, 通过实验教学流程管理, 从实验项目库中选择不同的实验项目构成各门实验课程 ,并由各课程教师负责网络课堂的管理。学生提交实验方案的设计实验课程, 使用设计实验方案管理模块 。在实验课开始前应用助教申请模块 ,筛选确定各实验课程的助教名单, 在实验课结束后,应用教学评估模块,对教学教师 、助教 、实验室工作人员 、实验课内容、硬件设施等各方面开展评估分析。平时可使用内容管理模块, 展示整个教学单位从教学到管理全方位的信息。

4 结论

基于物联网的智慧实验室的建立,彻底改变了以往实验室粗放的管理模式,实验室的管理观念也得到改变,通过系统的实施,规范了实验教学管理,不仅提高了实验室管理人员的工作效率和服务水平,也提高了实验室设备的利用率和设备维修及耗材资金的使用效益,系统中的原始资料和基础数据也为实验室开展评估提供了重要的依据。

参考文献

[1]余成格,钱昌吉.关于高校仪器设备政府采购技术指标的思考术指标的思考[J].实验室研究与探索,2010,29(12):177-180.

[2]徐剑坤.高校仪器设备采购中技术指标应该谁提供[J].科技资讯,2008(24):181.

[3]杨现民,余胜泉.智慧教育体系架构与关键支撑技术[J].中国电化教育,2015(01):77-84.

[4]周洪波.云计算:技术、应用、标准和商业模式[M].北京:电子工业出版社,2011:19-20.

[5]黄凯奇,陈晓棠,康运峰等.智能视频监控技术综述[J].计算机学报,2015(06):1093-1096.

篇6

关键词:物联网 高职 实验实训管理

高职院校是培养高素质技能型专门人才的基地,因此,实践教学是高职教学的重中之重,与高职人才培养的可持续发展密切相关。实验实训室是高职学生进行实践操作的主要场所,实验实训室的管理水平很大程度上体现了该高职院校的总体管理水平,在高职院校的教学管理中具有至关重要的意义。

一、高职实验实训室的管理现状

当前,我国高职实验实训室的管理主要存在监督管理力度不够、信息系统自动化程度低、仪器设备闲置率较高、小型设备仪器较易遗失、大型仪器设备维护较难、实验环境存在安全隐患、资源开放共享程度不够等问题。为了提高管理效率,各院校采取了各种方法,例如制定相应的规章制度和人工监督评估方案、对各类仪器设备实行“标签化”、投入大量运营经费、安排实验室管理员进行日常维护等。总之,这些常用的方法主要依赖于“人”或“制度”,即依赖管理人员的手动操作或依靠规章制度的硬性约束,没有从根本上实现管理的自动化、智能化和实时化。

二、物联网的内涵及关键技术

物联网,即物与物相连的互联网,是指将射频识别(RFID)装置、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等各种信息传感设备与互联网联合起来形成的一个巨大网络。通过信息交换和传输,实现实体物品间的物物通讯和实时共享等功能。

2005年,国际电联(ITU)在《物联网》的报告中指出,物联网的关键技术主要有4项,即RFID技术、智能技术、纳米技术和WSN。RFID技术主要用来标识物体,智能技术主要是针对事物的智能化,纳米技术主要是实现事物的微缩,WSN技术主要用于感知事物。

物联网被誉为是继计算机、互联网、移动通信网之后的又一次信息化产业的浪潮,它具有全面感知、可靠传递、智能处理和无处不在的特点,受到了各国政府、企业界和学术界的高度重视,欧盟、美国、日本等国甚至都己将其列入国家和区域型的信息化战略。

三、物联网技术在高职实验实训室管理中的应用方案

任何一种管理方法的使用都是为了能更好地实现管理的目标。对绝大部分高职院校实验实训室来说,最关键的管理目标是提高管理效率、确保实验环境的安全及强化管理的实时化和智能化这几个方面。基于物联网技术的高职院校实验实训室管理基本上能实现这些目标。

1.硬件方面

硬件方面主要包括RFID电子标签、自动读写器、数据处理服务器和无线设备接入点等。通过自动读写器读取RFID标签信息,利用无线链路传输到无线设备接入点,数据处理服务器将输入的信息进行整理、分析、加密等处理以获得实验室设备数据。

2.软件方面

(1)中央处理系统。中央处理系统是整个实验实训室软件系统的核心部分,因此本方案中首先要建立的就是中央处理系统。它能提供强大的数据处理和分析功能,在高职实验实训室的众多子系统,例如,仪器设备管理子系统、实验实训物品管理子系统、环境监测管理子系统、人员管理子系统等这些子系统中起到桥梁的作用,为数据交换、处理、沟通开辟了渠道,并能将这些信息进行实时分析和及时反馈。

(2)仪器设备的智能管理。目前,绝大多数高职院校一般会给每台大型仪器设备手动贴上“固定资产” 标签,标签上标明了该台仪器设备的名称、购置日期以及固定资产编号等。但是,这些纸质标签不具备任何的可写性,且非常容易污损或遗失。倘若把这些标签都换成RFID电子标签的话,情况就大不一样了。可在实验实训室的出入口安装固定读写器,对每一台设备仪器进行自动读写,此时,置于仪器设备上的RFID标签将发挥信息采集和产品识别的作用,通过物联网技术获得包括产品名称、规格、型号、固定资产号、生产厂家、生产日期、使用单位、使用地点、使用说明等在内的所有详细信息,并自动生成入库清单,完成自动入库。

另外,对仪器设备来说,定期的保养维护至关重要。但在很多高职院校的实验实训室内,这项工作往往被忽视,等到仪器设备出了问题,管理员才会进行维修检查。这样的维护安检方式不利于设备的可持续运转。利用RFID系统后,根据仪器设备的使用频率和以往的故障率,管理员可以计算并推测出可能出故障的时间节点。按照这些节点,中央处理系统就会定期提醒相关人员进行安检维护,然后将每次保养维护的信息存储到电子标签中。这样的做法,既可以保证安检维护工作的及时性,又能激发管理员的工作积极性,督促他们对相应仪器设备的维护保养工作负责到底。

(3)实验环境的实时监控。实验实训室环境条件的好坏关系到实验实训能否顺利开展,因此,实验实训室的环境管理也非常重要。通过环境监测管理子系统,实验室内的温度、湿度、光线、空气质量等环境条件都可以及时地传送到中央处理系统。当室内温度高于系统设定的最高温时,中央处理系统通过控制开关来自动开启制冷空调;当室内空气干燥,湿度低于系统设定的最低值时,加湿器的开关将自动开启。当实验室采光不足,光线暗于最低值时,中央处理系统也可通过传感器自动打开照明灯光或窗帘等。当实验室出现漏水、漏气、火险等安全问题时,中央处理系统会在第一时间启动消防系统的自动报警功能,将存在危险的电力、水力等系统及时关闭,第一时间控制险情,并迅速将实时信息传递到实验室管理人员的通信设备上。

(4)实验实训人员的智能筛查。实验实训室是高职院校实践教学的重要场所。为确保安全有序,必须对进出的人员进行监控管理。可在实验室入口处安装固定的阅读器,对每一个进入该区域人员的基本信息进行自动识读,包括姓名、院系、联系方式等,同时将这些信息及时传输到中央处理系统进行登记存储。如果该信息与事先预约授权的信息相符,便可允许该人员进入实验室,反之,则自动发出报警提示,第一时间通知管理员尽快采取相应措施,防止该人员进入。另外,如有人员单独在实验实训室进行实验操作时,为确保人身安全,要求佩戴一个与安全控制中心相连接的传感器,一旦出现摔倒或长时间静止时传感器会自动向控制中心报警,大大降低意外的发生。

(5)实验物资的自动采购。实验物资是实验实训能正常进行的基本保证之一。基于物联网技术的实验物资管理可以使实验室内的“易耗品”和“供应商”之间实现互动,不需人工干预即可保证实验室内有充足的教学实验物资。

以浙江交通职业技术学院机电一体化实训室为例,一旦实训所需的模具的存储量低于系统设定的安全值时,实验物资管理子系统便会发出提示,并自动通过中央处理系统向该模具的指定供应商发出补货订单。供应商接收到订单后,也会自动向实训室的中央处理系统发送“确认函”,并生成订单金额,同时将信息实时发送到实验室管理员的通讯设备上,以便管理员确认后尽快将产品送达该实训室。

四、结语

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[关键词]物联网;实训实验课;信息化

高速发展的互联网技术大大的改变了人们的生活和工作方式,人们的教育理念正在不知不觉中发生变化。多媒体、网络、云技术等新技术手段取代了传统的“黑板+粉笔”。作为信息技术使用和接收能力最快的高等院校,进行一场新的教育技术革命是无法避免和迫在眉睫的。我国职业院校信息化建设的主要目标是“通过信息化来改变传统的教育方式,促进现代化教育的形成,并从根本上提高职业院校的教学水平。”

一、什么是课程的信息化建设

随着高职教育的不断发展,教育部已经明确提出了实施教育信息化建设工程的要求,明确了高等职业教育信息化的概念。高职院校的教学目标不同于本科院校,他以培养高素质技术型人才为己任,提升学生的综合素质、培养学生的创业就业能力,提高教育质量是关键。

课程信息化教学不仅具有学生喜闻乐见的教学手段,而且具有实时的互动能力,扩充了教学资源库,完备了教学体系,如教学网站、网络辅助教学、学习资源库、游戏学习、仿真学习、互动学习等。与传统的模式相比,这些教学平台不仅形式新颖,还引进许多新的教学理念,强调以学生为中心,更加注重发挥学生的主动性,是教学发展的必然趋势和追求目标。

二、当前我国职业院校课程信息化建设现状分析

1.软硬件发展不平衡,互相掣肘。

在高职院校信息化建设过程中,一直以来“重”硬件建设、“轻”软件建设现象较为普遍。很多院校的信息化建设都将主要的精力和侧重点放在有形的硬件建设上,在传统的想法上认为硬件的建设只需要保证硬件够用,然后就进行大规模的建设就可以。而对硬件上运行的内容――应用方案和应用软件没有进行认真的研究、设计和建设,以至于投入大量资金建成的校园网及管理系统只用来进行简单的文件传输和新闻浏览,硬件没有或是只发挥了微乎其微的作用。还有一种情况是,开发了很多应用的软件可是使用时才发现,硬件不能配合。还是导致软件不能发挥作用。这种软硬件相互掣肘的情况比比皆是,严重影响了信息化建设的成效。

2.信息化建设的激励评价机制不健全。

1)学校没有足够重视信息化教学手段的使用。信息化教学手段的成果没有与教师考核、评优和职称晋升挂钩。导致教师在教学中教学的方式方法没有向信息化手段倾斜。

2)对高职学生的学习特点不够明确,没有将信息技术同课程相结合。书本内容可以换一种表现形式,例如用多媒体手段等。

3)学校举办的各种对教师的培训比较少,难以使他们真正掌握和利用现代教育信息技术和方法进行教学和管理工作。

三、物联网实训试验课程信息化建设的重要意义

课程的信息化建设是一种利用现代各种信息化手段向学生进行全方位传递信息的教育。在高等学校教学质量与教学改革工作占有重要地位,信息技术与教学相结合变更了传统的教学模式,在优化课堂教学结构等方面起到了积极的作用。

四、我校开展物联网实训试验课程的基本情况

我校是一所集干部培训与高职教育于一体的、有着60余年历史的老校。公共安全系为我校比较有特色的系部之一,开展计算机方面的教学已有近二十年的历史。2013年,我系首次开展了物联网方面的教学――《物联网应用技术基础》,此课程为全系必修课,主要的内容为讲解什么是物联网以及它对我们生活的影响、物联网的基本应用领域、物联网应用基本原理的讲解。此课程的开展受到学生的一致好评。在2015年,我系为更好的服务教学、提高教学质量、激发学生学习兴趣,建设了物联网实训室,开设了物联网实训试验课程。此课程极大激发了学生的学习热情,但是由于资金有限、空间有限,在教学中不可能人手配备一套试验设备。在学生的学习热情与我们能够提供的试验环境之间有了很大的冲突。

因此,我们萌生了能否建立信息化的实训试验平台,将一些试验演示视频放于网上、将实验室虚拟化,既可以环节试验设备不够用的矛盾又可以使学生的何时何地想学就学。

五、物联网实训试验课信息化构建的框架

通过本课题的研究与建设,探索出一个适合高职学生的,侧重于物联网公共安全领域应用的物联网实验课程信息化教学模式。

1.信息化课程教学展示的建设。以PowerPoint和目前比较先进的微课、幕课技术作为教学展示的主要手段。摒弃了传统的板书模式,以多媒体、视频、动画作为主要说明方法。学生喜闻乐见、通俗易懂、在心理上没有抵触情绪,易于接受相关的知识内容。而且这些信息化的教学展示可以挂于校园网上,便于学生随时随地的学习、有针对性地学习。

2.实验过程视频文件库的建设。将若干个试验实训项目分别拍摄为视频文件,突出实验细节,强化注意事项,并将这些视频文件整理成库,作为教学最有力的辅助手段。

3.信息化考试系统的建设。建立信息化的考试系统,摒弃传统的纸质试卷和一对一的实验考试模式,以网络化的方式建立网络实验考试模式。并定期的丰富和完善题库的建设。

4.多媒体实验题库的建设。最为课后练习的主要手段,建立多媒体的实验题库,一改传统的几大题型,针对实验实训课程的特殊性,建立适合的多媒体形式题库。

六、课题研究过程中的问题和经验总结

1.信息化建设需要事前规划,有计划、有步骤的有序安排

信息化建设是一项艰巨的、长期的、复杂的系统工程,不能走一步看一步,必须在前期做好预案。院校信息化建设已经开展了很多年,有许多可借鉴的建设经验和模式。应在学校符合学院大的发展规划的前提下,制定完整的建设发展方案,按部就班的分阶段、有步骤的实施。

2.职业教育是高职院校的显著特点,在教学的内容、形式和教学手段上都要突出其职业教育的特点,高职的信息化建设同样要围绕这个大的中心展开,要将实践性教学放在首位。可以通过实训室网络模拟化,为学生提供与真实工作相似的环境,在这种环境下的教学更能够提高学生对专业技能的掌握,提高学生的就业竞争力能力。

3.高职院校的信息化建设要多放借鉴,取长补短。需要走出去学习国内外的优秀高职院校信息化建设范例,要积极的组织行业专家和企业人员对院校的信息化建设出谋献策,对这些建议进行分析和研究,作为学院进行信息化建设的重要参考。

七、结束语

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关键词 物联网 实践能力 就业

中图分类号:G642 文献标识码:A DOI:10.16400/ki.kjdkx.2016.12.020

Abstract The Internet of things (IOT) technology has been widely used in many industries. IoT talent demand is growing. Students with strong practice ability are very popular with the market. There are problems while cultivating the students' practical ability of IOT engineering program in application-oriented institutes. In order to deal with the problems and foster outstanding IoT talents for the society, three kinds of effective countermeasures are put forward.

Keywords the things of Internet; practical ability; careers

物联网、云计算、大数据作为当前信息技术领域的热点,吸引了行业和研究机构的关注。物联网已广泛应用于智能农业、智能家居、智能交通、智慧城市、智慧工业等多个领域,给人们的生活带来便利,改善了企业管理,提高了生产效益。随着物联网应用的蓬勃发展,对物联网人才的需求量剧增。社会对物联网人才的需求不再局限于懂得物联网理论知识,社会欢迎能够将理论应用于实践以及能够快速上手的人才。

物联网工程专业学生实践能力的培养依然处于探索阶段。①由于自身的特点,完全参照成熟的计算机科学与技术专业、软件工程专业的实践能力的培养方式并不可行。有必要根据专业自身特点形成有特色的实践能力培养方式。

下面我们先分析物联网工程专业对学生实践能力培养的不足之处,然后提出一些行之有效的对策。

1 学生实践能力培养存在的问题

物联网体系从技术角度可以划分为感知层、网络层、处理层和应用层。感知层应用传感器技术、RFID技术将物理世界和信息世界连通起来,侧重于信息的采集。网络层结合无线传感网技术、互联网技术、现代通信等技术,侧重于信息的传递。处理层负责信息的存储和聚合以及价值的挖掘,常用技术包括机器学习、数据库等。应用层面向用户,将数据以友好的方式呈现给用户。物联网从工程角度可划分为设计、研发、工程实施和管理。②可以看到,由于物联网工程涉及的技术比较多,需要培养学生的综合技术应用能力。

目前在实践能力培养方面,存在下面三个不足之处。

(1)学生接触实验设备的时间少。实验一般分为验证型、设计型和综合型,其中验证型实验要求学生按部就班重现实验现象,所花时间一般比较少,对学生能力培养的效果有限;设计型实验是围绕一个小目标进行设计,而综合型实验需要学生结合多种技术来完成一个应用。设计型和综合型实验能够很好地提高学生的实践能力,但需要学生花费较多的时间,在正常的课内时间很难完成。现有实验设备通常以实验箱的形式存在,一套设备2万以上,在正常实验也很难保证学生每人一套,多数情况下是以小组的方式提供。为了实验设备的安全,实验设备一般不允许学生带到实验室外面。由于在指定的时间很难完成设计型的实验,所以实验多数以验证型实验为主,限制了学生能力的发挥。

(2)学生没有全流程实验环境。通常物理网应用都涉及感知层、网络层、处理层和应用层。现有实验设备往往局限在某一层次,比如传感器实验侧重于数据采集;通信实验侧重于物体之间的自主连接;数据处理实验侧重于数据的分析与呈现。现有的实验呈现离散化的状态,缺乏将完整应用全流程实验环境,使得学生只能看到某一个方面。然而在实际环境中构建一个使用环境存在一定的困难,一是空间和费用问题,比如构建物流系统不仅需要大的实验室安装空间,同时需要很大的经费投入,在缺乏良好的产学研环境情况下,③很有可能造成资源的浪费;其次是物联网应用很多,要完成实际系统的改造往往比较困难。因此,有必要引入虚拟仿真环境,为学生提供全流程物联网应用实现环境。

(3)学生实践能力培养与社会需求脱节。学生的培养方案在学生入学前就已制定,而且方案在该年级学生整个学习过程一般不会变动。如果存在问题,一般会在下一次人才培养方案作出修正。所以经常有高年级学生羡慕低年级学生享受人才方案修改带来的便利。人才培养方案也考虑了学生实践能力的培养问题。现有的培养方式主要包括课后作业、课程论文、课内实验、专周课程设计。这些培养方式的共同特征是围绕着所讲授课程来设计的。一般教材上的内容都是比较成熟,意味着这些都是几年前的知识,在物联网技术日新月异的时代,教材所讲授知识往往存在一定的滞后性。这也是毕业生抱怨学校所学知识在工作后往往用不上的原因。企业为了生存和占领市场,往往想方设法用先进的技术去实现具有强大竞争力的产品。学生毕业后多数进入企业,所以有必要提前让学生了解企业现在需要什么样的人才,需要学生掌握什么样的技术。

2 实践能力培养的对策

物联网专业学生的实践能力培养方式需要改进。下面是四个行之有效的对策。

(1)实验设备化整为零。做化学和物理必须到专业实验室里面完成,因为化学实验в幸欢ǖ奈O招裕物理实验需要借助于精密的仪器。然而物联网的实验并不需要一定在专业实验室完成。学生领取实验设备,可以在学校安排的上课时间在实验室接受实验课程教师的指导以及验收实验成果,上课时间结束后,可以将实验设备带离专业实验室,自主确定实验时间。这种方式结合了专业实验室的教师指导和课后时间的灵活性。为保障学生人手一套实验设备,需要实验设备小型化以及充足的数量,另外是单套价格不能太昂贵。比如采用树莓派或Arduino开发板进行实验,单块开发板价格200元左右,学生可以在上面自主完成多数物联网实验。

(2)引入云平台。由于物联网专业人才培养方案中总学时的限制,在正常的教学中只会安排几门很重要的基础课和专业课,但物联网整个体系涉及多个方面的内容,很难在正常的教学中都得到安排。因此,需要扩展学习的途径。通过慕课可以重要课程的理论知识,但慕课往往对实践内容讲得较少或者不方便安排实践内容。云平台是一个很好的学习平台。云平台可以提供物联网工程从传感层到应用层多门实验课程。实验主要以虚拟仿真的形式完成。④3D虚拟仿真提供很真实的场景,让学生能够直接对传感器、驱动器进行控制,形成感性认识。虚拟仿真不仅节省了成本,而且让学生可以在仿真环境下实现从数据采集到数据呈现的完整的应用,对于培养学生的系统观很有好处。

(3)参与竞赛提升能力。在没有外界压力时,学生往往会按部就班和夸大面临的困难,延误完成物联网产品或应用的时间。竞赛的鲜明特点是在指定的时间范围内完成具有一定功能的物联网应用。由于时间的原因,参加竞赛的学生需要在很短的时间确定自己的选题,避免在茫茫大海中漫无目的地寻找;确定选题后,需要集中精力去完善物联网应用的整体设计;设计完成后,需要编码实现设想的功能。竞赛期间,学生往往觉得很辛苦,但完成竞赛后,无论名次如何,学生往往会有很大收获。学生不仅可以培养团队合作精神,还可以培养决策能力,以及设计和编码实现能力。

(4)企业实习。社会上有很多优秀的物联网企业,向社会提供丰富的物联网应用。到企业实习直接接触原汁原味的物联网产品,能够触发学生动手实践和不断创新的欲望。学生到物联网企业实习主要包括两个时间点。⑤一是在入学第一年进行物联网专业认识实习教育的时候。学校一般会安排一到两周的时间。学生到达企业,通过参观企业展厅,动手安装APP,真实体验物联网的应用,应用包括智能家居、智能物流等多个方面。丰富的应用在学生脑袋里面形成感性的认识,引导学生对未来四年进行学习规划。二是在最后一年。学生主要任务是完成毕业设计。一般情况下学校都会允许和鼓励学生在企业中结合自身项目来完成。学生可以选择多个岗位进行实习。比如研发岗位,侧重于物联网软和硬件的研发;网络设计岗位,侧重于在特定的环境下合理选择物联网设备完成满足一定要求的物联网网络;工程实施岗位,侧重于根据设计图纸完成物联网设备的安装和调试。这些岗位都需要将理论知识应用于工程实践,能够极大地提高学生的动手实践能力。

3 结语

为社会培养实践能力强的学生有着重要的意义,也是国家对应用型本科院校的殷殷期待。现有物联网工程专业学生的实践培养方式主要参照计算机科学与技术、软件工程的实践方式,没有很好结合物联网工程专业自身的特点。在分析现有实践能力培B方式的不足后,提出了几种创新培养方式,旨在为社会输送高质量的物联网人才。

注释

① 张明华,董新龙,陈江瑛.工程材料实验教学中开展设计性实验的探索与实践[J].科教导刊(上旬刊),2016.1:104-105.

② 文毅,胡云峰.独立学院“集成电路工艺基础”实验教学研究[J].科教导刊(中旬刊),2016.1:99-100.

③ 王伟.职业院校搭建产学研平台实现协同创新研究[J].科教导刊(上旬刊),2016.1:5-6.

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【关键词】物联网 校企合作 合作共赢

【中图分类号】G626 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089(2014)8 -0018-02

前言

物联网是我国战略性新兴产业的重要组成部分,引领了继计算机、互联网、移动互联网之后世界信息产业的第三次浪潮,其产业链长、和行业结合的信息渗透能力强、经济带动能力强,是未来科技竞争和产业升级的重要驱动力。在国家和社会的大力支持下,物联网焕发着前所未有的勃勃生机。面对市场机遇,中国三大电信运营商争相发力物联网技术开发及应用拓展。物联网的推广将会成为推进经济发展的又一驱动器,未来中国物联网行业发展前景广阔。

目前,物联网人才的培养已经成为物联网发展面临的挑战之一。物联网人才市场需求巨大,但综合人才却十分缺乏。为了弥补物联网产业发展带来的人才缺口,需要培养大量具有物联网技术能力等复合型人才。2010年初教育部下达了高校设置物联网专业申报通知,众多高校争相申报。笔者认为,依据国家的相关产业、教育政策,探索务实可行的校企合作模式。以下是笔者对物联网的发展和建设进行的一些研究。

一、专业校企合作

物联网技术在我国已得到迅速的发展,但物联网还没有形成统一的标准,企业与企业之间研发的产品都是按自己的标准来生产,这对学校人才培养很难定位和建立专业建设方向。有时学校的发展急于求成,对专业没有定位好,盲目建设,对学生很不负责,学生毕业后也很难找到自己满意的工作。

经走访一些高校,与企业进行深入调研,总结出物联网专业的建设必须要与本校的办学特色相结合,确立一个长远的发展战略,以科学可持续发展的战略思想制定可行的目标和措施,重点培植学校的核心竞争力。笔者以广西机电职业技术学院的物联网专业的建设特色就是以计算机网络为基础进行拓展的专业定位。专业合作方式是以学校为名义招生,与企业共同培养,企业负责学生的就业。未来企业要想在物联网时代取得大发展,企业之间需要在资金、人才、决策上进行资源整合,形成产业联盟,才会实现合作共赢。

二、师资校企合作

自物联网专业的开为以来到目前,真正的物联网专业还没有毕业学生,对高校物联网专业的发展是很大的考验,这些新技术课程肯定会遇到师资不足的问题。而物联网企业走在高校的前面,它的发展指引着高校的前进,面对高校物联网发展缺少专业人才,高校物联网专业的发展需要企业的帮助,如何才能走出专业教师短缺的局面,笔者通过调研建议:

1、从企业选取1-2名经验丰富的工程定时到学校兼职任教,有利于学生提高工程实践能力。通过校企合作双方共同培养,能够使学生学以致用,使学校的知识学习与企业的职场训练真正紧密结合起来,调动学生学习的积极性。企业一线工程师深入学校进行技术、设备培训,了解教学过程与教学需求,通过校企间人员的互动和信息的交流,促进学校提升教学水平,也有助于提高企业产品实力及技术能力。

2、鼓励部分计算机网络专业老师转到物联网专业,从我院选拔1-2人到合作企业参加企业锻炼,学习物联网专业最前沿新知识,参加社会培训认证。鼓励教师主动参与针对企业需求的科技研发工作,促进成果转化,实现互利共赢。

3、对部分核心课程,邀请企业有经验的工程师到我院定时开展专业知识讲座,以便学生可以了解行业动态,激发学生学习的热情,促进学生学习的积极性;另外邀请企业工程师与在校的老师共同指导物联网专业学生的实验,加强学生的实践能力。

4、通过校企合作,依托双方共建的实验室、实训室,联合建立经相关组织认可的人才培训中心,整合师资资源,合作开展师资人才培训及认证工作,包括通过培训的学员可获得相应行业组织及相关部门及国际知名厂家颁发的认证证书,增强参培学员的就业能力与优势,同时优秀学员可获得企业就业推荐的机会。

三、实验设备教学合作

高校新办的物联网专业在实验实践教学所需的设备比较缺乏,而这些设备厂家所生产的设备在全国也没有统一的标准,厂家与厂家之间的设备可能存在不兼容的应用,这对高校的采购难度非常大,面对这些困难,笔者提出以下建议:

学校在实验教学设备缺少的情况,可通过与企业进行合作,由企业对学校直接投入设备,学校提供场地,提供传感网及移动互联网教育教学设备及教材、课件、实验指导书等相关教学资源。特别是新研发的设备,这对学校的设备资源得到有效的补充,有利于学生学习最新的知识,实现与社会用人接轨。

四、课程资源合作建设

物联网作为一个较新的专业,其课程体系建设及教学资源的积累都相对比较薄弱。而企业的发展走在学校的前面,经过多年的专注与积累,他们在产品应用培训、产品研发和方案设计他们有丰富的经验,企业有着较为完善的专业建设思路并积累了一定的专业教学资源,包括教学设备试验指导书、丰富的物联网系统方案、各研讨会的会议资料,专家讲义及报告材料、培训视频资料等等。

学校申报物联网专业是近几年才开始,刚刚起步,对教材的建设等还不成熟。现在市场上也没有统一的教材可用,或是选用的教材也是比较单一。与企业进行合作,在物联网专业建设中,双方进行研讨,把职业教育人才培养理念引入到教学中,明确组织相关合作院校共同编写、出版切实符合职业院校学生培养需求的系列物联网专业教材。

五、学生就业实践合作

物联网产业是一个新兴产业,也是国家“十二五规划”的重点产业,企业的发展需要大量的人才,而这方面的人才目前比较短缺,企业想快速发展,通过与学校进行合作,企业急需的人才在学校进行选拔,专门对这方面的人才做定点培训,培训合格的学生可以直接上岗,缩短学生在企业的磨合期,减少企业的成本,有效提高企业的竞争力。

另外企业可以为学生提供就业指导与就业实践机会,在平时的实训课程中,或是在寒、署假安排学生到企业进行实践学习,增强学生实践能力与就业能力,实现在学校到企业的角色转变,为就业做好准备,提高学生就业的竞争力。

六、科研项目合作

双方结合自身优势,整合资源及推广平台,推动各自科研及技术实践成果的转化,建立成果转化及推广合作的长效机制,实现平台与利益共享。

企业与学院共建科研团队进行合作项目开发,经验收评估合格的项目开发成果,企业负责该成果的转化及推广工作,依托企业行业的资源进行项目推广,为合作院校及相关团队带来丰富而持续的科研成果收益。另外企业根据自身的优势进行产品的推广及权,通过校企合作,依托学校的师资及学生资源,建立当地的推广中心及技术支持中心,联合进行行业产品推广并进行利益分享。

总之,物联网产业是一个新产业,无论是企业或是学校对人才都比较短缺,企业与学校共建高校提供网络空间与平台,开放和共享网络资源,促进高校人才培养与教学实践,推动高校科研及项目成果转化,引导教育与行业间的有效对接并实现共赢。

参考文献:

[1]李爱涛,孙桂萍,唐艳娜.浅谈校企合作对物联网专业建设的影响[J]. 价值工程.2012

[2] 蒋琴雅.创新校企合作机制提高物联网专业大学生就业能力[J].中国成人教育.2012

篇10

关键词:物联网工程专业;项目驱动;实践教学体系

中图分类号:G642.0 文献标志码:A 文章编号:1674-9324(2015)42-0129-02

2011年工业和信息化部制定并印发《物联网“十二五”发展规划》,要求在已具备的技术、产业和应用基础上大力发展物联网,在关键核心技术上攻坚克难,使物联网技术体系逐步完备并实现产业化。物联网产业是新兴产业,为了快速推动物联网相关技术的进步,社会急需大量具有工程实践能力的创新能力的人才。

高校是人才培养基地。2010年教育部批准设立物联网工程专业,至今,全国开办物联网工程专业的本科院校已超过200多所。物联网工程专业是一个多学科交叉型的新兴专业,集计算机信息技术、嵌入式技术、测控技术和通信技术等为一体,理论知识涉及面广,同时与工程实际又有着密不可分的关联。该专业人才培养目标要求学生既要掌握扎实的理论基础,又要具备较强的工程实践能力和工程创新能力。许多高校在物联网工程专业建设中,仍然沿用传统教学模式,重理论而轻实践,导致物联网人才的培养流于形式,无法培养出真正懂物联网、研究物联网和应用物联网的高级应用型人才。为此,必须打破原有的模式,积极研究并构建适合物联网工程专业发展的实践教学新模式。

一、实践教学体系构建原则

物联网是基于互联网,将RFID射频识别技术、红外感应技术、卫星定位技术和激光扫描识别技术等多种信息感知技术进行融合,按照统一约定的协议实现物物相连并进行信息的通信与交换,构建集智能化识别、定位、跟踪、监控和管理于一体的网络系统。

物联网工程专业作为新兴专业,主要承担着物联网系统架构和关键技术的研究与应用任务,以培养出具有一定科学研究能力,同时具有系统分析、设计、开发、应用和解决一些实际问题能力的工程应用创新型人才。

物联网工程有很强的工程应用背景,决定了物联网工程专业的实践教学也不能脱离实际的工程应用要素,因此,在实践教学体系中必须以实际工程化项目作为载体,采取项目驱动式及实施方案反推原则来构建,即按照“校外实践基地建设―实践教学师资建设―校内实践基地建设―实践教学模式建设”四个阶段来构建物联网工程专业实践教学体系,培养出具备实践能力、创新能力、岗位能力和创业能力等四大能力的物联网工程专业毕业生,才能符合市场对人才的需求。

二、实践教学体系构建方案

在构建物联网工程专业实践教学体系过程中,按照构建原则的四个阶段来完成以下建设内容:

1.校外实践基地建设。建立校外实践基地可以充分利用社会资源为学校服务,能够对校内实践教学的各个环节得以充实和完善。物联网工程专业应该重点寻找产业集聚区(产业基地)中与物联网相关的企业进行深度合作,通过校企合作方式建立校外实践基地,不仅解决学生实践应用平台问题,而且为企业储备技术力量,进而实现双赢。

校外实践基地自身储备有大量的工程化项目资源和适于专业实践教学的设备资源,能给学生提供一个全面的、真实的实践教学平台。学生在实习中,不但强化了学生的专业技能,而且提高了学生对实际问题的分析和解决能力,为今后更快适应用人单位的岗位职业技能需求打下基础。

2.实践教学师资建设。物联网工程专业是新兴专业,目前在岗教师的知识结构难免会出现满足不了新专业要求的情况。物联网工程专业偏重于物联网技术的研究与工程应用,年轻教师具备丰富的理论知识和较强的科研能力,但是缺乏在企业一线生产和管理的实际工程经验,无法指导学生进行工程化项目设计与应用。为加强“双师型”实践教学师资队伍建设,可采取以下途径:

(1)向社会积极引进物联网技术相关的高级人才、企业工程师或技术人员等,在本身具备工程实践能力的条件下,经培训和考核合格后取得高校教师资格证,成为重要的“双师型”教师。

(2)积极开展校企合作,让专业实践教学教师加入到企业一线去参与生产和管理工作,学习工程化项目的设计与应用能力,经过分阶段、分批次地到企业中去培训,成为合格的“双师型”教师。

(3)无法长期到合作企业中锻炼的教师,可以依托“产学研”科研课题进入企业,在科研过程中逐渐了解企业情况,掌握企业生产和管理流程,逐步成为合格的“双师型”教师。

3.校内实践基地建设。校内实践基地直接面向校内物联网工程专业,是学生理论、实践一体化教学的主要实施场地,在整合校外实践基地优质资源基础上,使校内实践教学和校外企业生产结合起来,提升学生的工程综合实践能力和工程创新能力。

校内实践基地主要包含四种类型实验/实训室,分别为基础实验型、专业实训型、技术创新型和岗位实战型。

(1)基础实验型包括软件开发实验室、数据库原理实验室和微机原理与接口技术实验室等。此类型主要面向C语言和JAVA语言等软件开发原理与应用技术、数据库原理与开发技术以及微型计算机组成原理与接口技术方面的理论知识和以验证性实验为主的实验室。

(2)专业实训型包括单片机原理及应用实训室、传感器原理及应用实训室、RFID原理及应用实训室、嵌入式系统原理及应用实训室、计算机网络实训室和ZigBee网络原理及应用实训室等。此类型主要面向物联网关键核心技术的开发与应用实训,涉及物联网的感知层和传输层重要理论和开发技术,以综合型和设计型项目为主,采取项目驱动方式进行教学,强调工程实践能力的培养。

(3)技术创新型包括物联网创新实验室、学生自主实训室等。此类型主要面向有系统设计和开发需求的学生,在物联网创新实验室中提供包括机械加工、PCB制作、电路焊接与装配、电路测试与调试以及丰富元器件等整套器材,学生可以通过项目申请方式以组为单位进入实验室完成物联网应用系统的开发。学生自主实训室提供基础的应用平台,对学生24小时开放,便于学生实施自主定制的应用系统开发。

(4)岗位实战型包括智能交通实践平台、智能家居实践平台和面向行业集成应用平台等。此类型主要面向大三、大四的学生进行真实系统的研究与开发,以工程化项目驱动为导向,培养学生从事物联网相关行业所必备的能力和素质。

4.实践教学模式建设。采用项目驱动的实践教学模式以工程实践能力培养为主线,以学生为中心,充分调动学生的主观能动性。在教师引导下,以项目案例作为铺垫开展理论教学和实践教学,让学生明白实践的目标和实践的内容,进而实现特定的训练目的。

该实践教学模式充分融合“校内校外一体化”、“课内课外一体化”和“理论实践一体化”人才培养模式,实现基础实验课程、专业实训课程和岗位实战课程等的分类改革,从而建立与实践能力、创新能力、岗位能力和创业能力培养相协调的实践教学模式。

三、结语

物联网工程专业的建设与发展必须紧跟社会发展的潮流,物联网技术在社会中应用的重要性已经凸显,如何培养适应社会发展需求的专业人才是关键。构建以项目驱动为导向的物联网工程专业实践教学体系才能培养出真正适应物联网发展与演变的人才。基于项目驱动的实践教学体系可以使企业、学校、教师和学生等多方面实现共赢,为“双师型”教师发展奠定基础,为学生积累丰富的工程化项目开发经验,为对口就业率的提高起到强大的推动作用。

因此,要做到以工程能力培养为核心,合理设计物联网工程专业实践教学体系,采用项目驱动教学模式,校企深度联合,全面培养学生的实践能力、岗位能力、创新能力和创业能力,才能培养出高质量的应用型、复合型与拔尖创新型人才。

参考文献:

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[2]于北瑜.基于项目驱动的计算机专业实践教学研究与实践[J].吉林省教育学院学报,2013,(29):35-36.

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[4]朱军,熊聪聪,张贤坤,等.物联网工程专业实践教学体系探究[J].天津市教科院学报,2014,(3):36-38.

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