“物联网技术导”课程的教学内容

摘 要：“物联网技术导论”是面向物联网专业本科生开设的第一门物联网课程,目的是让学生对物联网技术有初步的认识,激发其专业兴趣.然而,由于物联网技术横跨电子科学与技术、信息与通信工程、计算机科学与技术、控制科学与工程四大一级学科,其内容极其庞杂.因此,如何选择“物联网技术导论”的讲课内容,对于激发学生的专业兴趣,使学生树立学习的信心,具有重要的意义.首先阐述物联网的基本概念,在此基础上剖析物联网的内在层次结构,进而根据短课时、多内容的特点选择主要的讲课内容.

关 键 词：物联网；导论；层次结构；教学内容

作者简介：吴治海（1981-）,男,安徽亳州人,江南大学物联网工程学院,副教授.（江苏无锡214122）

基金项目：本文系江南大学本科教育教学改革研究项目“物联网新专业实验实践性环节设置策略研究”（项目编号：JGB2011057）、“物联网新专业人才培养与产业结合模式研究”（项目编号：JGB2011053）的研究成果.

中图分类号：G642.421文献标识码：A文章编号：1007-0079（2013）31-0070-02

最近几年,物联网（InterofThings,IOT）概念的提出及其技术的飞速发展引起了世界各国的广泛关注,被称为继计算机与互联网之后世界信息产业发展的第三次浪潮.为了能在这一技术领域占据重要位置,许多国家提出了相应的物联网发展战略.如美国的“智慧地球”、日本的“u-Japan”、韩国的“u-Korea”、欧盟的“欧盟物联网行动计划”、中国的“感知中国”等.发展物联网技术的基础与核心是培养物联网方向的专业人才,为此,国内各大高校相继开设了物联网工程专业并开始招收第一届本科生,如哈尔滨工业大学、华中科技大学、西北工业大学、北京科技大学、江南大学、南京邮电大学等.然而,物联网工程的新专业属性,决定其人才培养方案的制订、课程的设置以及教学方法的实施等,目前仍处于“摸着石头过河”的探索性阶段.但是,国内目前已开设物联网工程专业的大部分高校,都将“物联网技术导论”作为本专业的第一门课程,旨在向体介绍物联网的概念、内涵、关键技术、发展现状以及主要应用等,以激发学生的学习兴趣,并使学生树立学习的信心.因此,“物联网技术导论”课程的讲授成功与否关系到物联网人才培养的质量,进而影响到中国物联网技术发展的进程.

一、物联网的概念及内在层次结构

目前,关于物联网的定义有多种,但是被大多数学者认同的一个定义为：物联网,即通过射频识别、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器、气体感应器等信息传感设备,按约定的协议,把任何物品与互联网连接起来,进行信息的交换与通讯,以实现智能化的识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络.简而言之,物联网就是“物物相连的互联网”.使用通俗的语言,可以这样表述物联网的内涵：使用传感器获取物理对象的信息、使用网络传输信息、使用计算机处理信息、使用控制器设计反馈控制策略、利用执行器对物理对象进行控制与管理等各类操作.由此可以绘制出物联网中的信息流（如图1所示）.因此,从控制学科的角度来说,物联网是一个典型的网络化控制系统（NetworkedControlSystems,NCS）.从物联网的定义以及图1中展示的物联网中的信息流向,可以概括出物联网的层次结构：感知层、网络层、处理层与控制层（如图2所示）.其每层的功能分别为信息的获取、信息的传输、信息的处理与信息的反馈.这四层结构的划分是对传统的物联网三层结构,即感知层、网络层与应用层的进一步细分,本质上是一致的.从这四层结构的划分不难看出,物联网技术涉及信息技术领域的四大一级学科,即电子科学与技术、信息与通信工程、计算机科学与技术以及控制科学与工程.因此物联网是一个多学科交叉的技术,这使得物联网的内容极为丰富.但另一方面,这种交叉性也增加了“物联网技术导论”课程的讲课难度,对教师的专业素质提出了更高的要求.因此,如何选择讲课的重点,既让学生感受到物联网技术的重要性,激发他们的学习兴趣,又使他们面对繁杂的内容而不畏惧,树立学好物联网技术的信心,具有重要的意义.

二、“物联网技术导论”教学内容选择

目前国内已出版发行的“物联网技术导论”教材有十多本.[1-12]通过浏览这些教材的目录,不难发现物联网内容极其庞杂,主要涉及传感器技术、无线传感器网络、射频识别技术、短距离无线通信技术、远程通信技术、无线单片机、嵌入式系统、云计算技术、机器学习、模式识别、数据挖掘、智能信息处理技术、物联网控制技术、物联网安全技术、物联网技术标准、物联网应用等.依据物联网的四层结构,可以将上述内容进行如下层次归类：感知层包括传感器技术、无线传感器网络与射频识别技术；网络层包括短距离无线通信技术与远程通信技术；处理层包括云计算技术、机器学习、模式识别与数据挖掘；控制层包括物联网控制技术；物联网安全技术、物联网技术标准与物联网应用横跨物联网的四层结构.但另一方面,作为一门导论课,一般来说讲课时间会限制在20课时以内.试图在较短的时间内把上述内容完全彻底讲一遍是不现实的,因此需要选择重点内容进行讲解,目标是让学生对物联网的整体架构、关键技术有一个整体上的清晰认识.那么如何选择主要内容呢?以江南大学已经实施两年的“物联网技术导论”课程教学方案为例,结合物联网的四层结构,来分配每讲的主要内容.目前江南大学“物联网技术导论”课为16课时,除去最后一次考核占用的2课时,还有7讲14课时.下面,结合物联网的四层内在结构,详细叙述每讲的主要内容.

第一讲——绪论.介绍物联网的基本定义、内在结构、研究现状、发展动态、主要应用领域.重点讲解物联网的基本定义与内在结构,讲解时应播放一段物联网应用案例的视频,增加学生对物联网内在结构的整体认识.

第二讲——感知层技术一.介绍智能传感器技术,包括传感器技术、微控制器接口、无线单片机、嵌入式系统.重点介绍传感器工作原理、比较CC2430和CC2530功能差异、嵌入式智能传感器的一般结构、标准接口与串行接口.第三讲——感知层技术二.介绍无线传感器网络.由于无线传感器网络具备了一个简单的物联网系统的架构,对本讲内容的讲解可以大大提高学生对物联网内在结构的认识.主要讲授无线传感器网络的定义、体系结构、特征、协议栈结构、主要支撑技术,如定位技术、时间同步、数据融合、安全技术等.可以结合无线传感器网络在智能农业当中的应用来讲解本部分内容.

第四讲——感知层技术三.介绍射频识别技术.由于射频识别技术也具备了一个简单的物联网系统的架构,所以对本章内容的讲解可以进一步增强学生对物联网内在结构的认识.主要讲解射频识别的组成、分类、工作原理、技术标准、与传统自动识别技术的区别以及安全问题.可以结合射频识别技术在门禁系统当中的应用来讲解本部分内容.

第五讲——网络层技术.介绍短距离无线通信技术和远程通信技术.重点介绍Zigbee技术、WiFi技术、蓝牙技术、超宽带技术和3G无线远程通信技术,简单介绍多路访问技术和多路复用技术.应结合具体的应用来讲解Zigbee技术、WiFi技术和蓝牙技术.

第六讲——处理层技术.主要介绍云计算技术、机器学习、模式识别与数据挖掘.重点介绍它们的含义、基本结构和主要方法.在介绍基本结构时应画出结构方图,使其技术原理清晰明了.

第七讲——控制层技术.重点介绍控制的思想,即反馈.可以结合具体的例子来讲解,如倒立摆的控制,让学生主观感受反馈的作用,但要避免复杂的数学公式.也可以适当介绍控制学科的前言问题,如网络化控制系统与多智能体系统,让学生深刻感受到控制技术在物联网技术当中的地位.

以上七讲基本包含了物联网技术的主要内容.通过这七讲的学习,学生基本上对物联网架构和关键技术有了一个整体上的认识.由于不同高校开设物联网工程专业的院系有所不同,教师的专业背景也有所不同.但是,确保学生正确认识物联网技术的一个基本要求是教师向学生完整地介绍物联网的四层结构.任何一层的缺失都将导致学生对物联网概念和内涵认识的不准确,影响其以后的学习效果.

三、结语

本文在阐述物联网内在层次结构的基础上,结合“物联网技术导论”课程课时短、内容多的特点,详细介绍了如何在有限的课时内分配主要的物联网技术的知识点.由于“物联网技术导论”是一门新的课程,目前还没有成熟的课程教学方案,因此,本专业的高校教师要善于结合自己的专业知识和教学经验,编写符合中国国情的“物联网技术导论”教材,探寻一条符合中国学生的“物联网技术导论”课程教学方法,进而培养出基础扎实、技术熟练的物联网专业人才,推动“感知中国”战略的进程.

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（责任编辑：王意琴）