**摘　要：**分析了2021年物聯網產業人才需求、培養及其存在的問題，提出了培養物聯網技術技能型人才實訓裝置設計的四條基本原則。介紹唯眾實訓裝置系統架構，網關、感知層模塊化設備硬件設計，軟件設計以及紅外通信、４３３ＭＨｚ、Ｚｉｇｂｅｅ 等通信技術轉換為 ＴＣＰ／ ＩＰ、ＧＰＲＳ網絡技術原理。構建集基礎性、驗證性、設計性、綜合性和創新性開發五位一體綜合實訓裝置，教學實踐證明實訓裝置對提高學生工程實踐能力和科技創新能力具有重要意義。

**關鍵詞：**物聯網；人才培養；模塊化；實訓裝置

１ 物聯網行業人才需求、培養及存在問題

1.1國內物聯網行業人才需求與培養現狀
目前，我國物聯網行業進入了高速發展階段，已形成上、中、下游全產業鏈且帶動多個行業協同發展的產業布局，產業規模比互聯網產業大20倍以上。2009年，物聯網的產業規模只有1700多億元；2013年，產業規模突破6000億元，年復合增長率超30%；2015年產業規模猛增至近萬億元。 未來五年，物聯網行業人才缺乏預測:智能交通,車聯網市場人才需求約有20萬;智能物流,物流與智能倉儲方市場人才需求約20萬;智能電網,智能電網與新能源店里產業人才需求將達百萬;智能醫療,智能醫療設備支持與技術服務、智能醫護管理等人才需求將超百萬;智能工業,過程管理與自動化控制的崗位專業人才需求約50萬;智能農業,智能農業各類專業人才在現代農業“一二五”當中缺口1000萬人以上;智能家居市場人才需求近百萬。物聯網按人才層次分為研究型人才、工程應用型人才及技術技能型人才；按照崗位需求分為電子設備技術人員、芯片設計和制造人員、通訊和計算機網絡人員、系統設計、系統應用和系統管理人員。為進一步促進物聯網產業發展，2015年，教育部印發教職成［２０１５］１０ 號文件，《普通高等學校高等職業教育（?？?#xff09;專業設置管理辦法》和《普通高等學校高等職業教育（?？?#xff09;專業目錄（２０１５ 年）》正式實施，本次專業設置對高等職業教育（?？?#xff09;專業名稱、對應職業、相銜接中職專業、接續本科專業均進行明確說明，完善中職－高職－本科的職業教育人才培養體系，從根本上滿足物聯網產業技術技能型人才的需求，促進物聯網產業有序健康發展。 依據該文件，高等職業教育（?？?#xff09;專業設置中涉及物聯網的相關專業包括設施農業與裝備、智能交通技術運用、物聯網應用技術、物聯網工程技術、物流信息技術等專業，培養學生主要從事職業包括農業、交通運輸、信息和通信、管理工程、工業工程等領域的業務銷售、生產管理、產品開發、產品運營、測試實施和系統維護等環節工程技術（管理）人才。 同時將原有智能電網技術、傳感網技術、物聯網應用技術三個專業合并為物聯網應用技術，新增物聯網工程技術專業。

1.2物聯網實驗實訓教學現狀及存在問題
我國物聯網相關專業開設于 ２０１０ 年，而且大部分專業設置初期都是在計算機、電子信息等專業基礎上新開設的專業，學校專業實驗實訓室、師資隊伍等也都是在以上專業的教學資源基礎上加以整合、改造或轉型形成的，因此，實驗實訓教學環境以及裝置設備難以跟上物聯網行業發展最新趨勢。同時，現階段各學校在使用的物聯網綜合實訓裝置都存在以下幾個問題：第一，設備實訓項目僅停留在驗證性或簡單設計性實驗；第二，實訓教學資源配套不受重視尤其是創新性、綜合性實驗實訓項目缺乏必要的實訓教學資源；第三，開設實驗實訓項目難以與現實生活有機銜接，人才培養未能滿足崗位需求；第四，物聯網通用技能尤其是硬件設計開發技能未能得到訓練；第五，綜合實訓項目應用情境過于單一；第六，重視開發，輕集成。

２ 實訓裝置設計原則

2.1模塊化組合式設計
隨著無線傳感器網絡技術的發展，分布式、自組網大規模數據采集已成為物聯網技術特點，同時由于物聯網技術應用領域的廣泛性，采用模塊化組合式設計實訓裝置符合數據采集終端分布式特點，且可以按照物聯網技術架構將數據采集感知層設備與采集終端處理單元相分離，增強系統設計的靈活性，從而拓寬系統應用情境。

2.2兼顧開發和系統集成能力訓練
依據物聯網專業技術人才培養層次劃分，高職專業培養目標定位于工程應用型和技術技能型人才，因此，實訓裝置的開發應同時兼顧開發能力和系統集成能力的培養。 在系統軟硬件組成設計、實訓項目設計、實訓教學資源制作等方面應重點突出物聯網專業通用技能，包括系統開發與系統集成能力，并在不同的項目實施情境或載體中相融合。

2.3配備教學資源包
傳統實驗實訓裝置對教學資源包都不予重視，造成實驗實訓裝置使用效益和實訓效果低下。 實訓裝置的開發同時配套實驗實訓講義、各層次實驗實訓項目過程中涉及的源代碼、工具軟件、開發環境、技術文檔、工程管理文件、項目完成的效果視頻等實驗實訓教學資源包，為學生實訓構建起全方位的學習框架。

2.4教學、創新開發和技能競賽相結合
實訓裝置的設計要考慮承擔相近專業（群）、不同課程、不同教學層次的實驗實訓教學任務，要求實訓裝置必須滿足開設基礎性實訓項目、驗證性實訓項目、設計性實訓項目等實訓教學任務，同時還應滿足開設創新開發的綜合性、創新性實訓項目等的能力，兼顧全國職業院校技能競賽、電子設計大賽、挑戰杯競賽等學科競賽賽前集訓的需要，提高裝置的實用性和先進性。

３ 唯眾物聯網實訓裝置的實現

3.1系統架構
實訓裝置的系統架構如圖 １ 所示。 按照物聯網技術架構，實訓裝置分為感知層、網絡層、應用層。

圖１　系統架構圖

感知層主要負責傳感器數據采集和處理、控制指令的執行等任務；包括各類環境數據傳感器、ＲＦＩＤ、二維碼、圖像視頻等采集任務；同時負責對繼電器、門鎖以及各類家電進行控制。網絡層主要負責對紅外通信、４３３ＭＨｚ、Ｚｉｇｂｅｅ等物理層通信方式進行網絡通信協議轉換、傳輸，數據最終通過 ＴＣＰ／ ＩＰ、ＧＰＲＳ 等網絡實現互聯。 其中網關通過串口連接 Ｚｉｇｂｅｅ 網絡及 ＧＰＲＳ 模塊，通過ＷＩＦＩ 網絡連接智能中控；智能中控負責 ＴＣＰ／ ＩＰ 網絡與 ４３３ＭＨｚ 直接通信轉換； 紅外轉發 器 負 責４３３ＭＨｚ 與紅外信號直接進行轉換，從而實現各類物聯網通信技術互通互聯。系統應用層主要建設各類 ＡＰＰ、ＷＥＢ 應用程序，為用戶提供應用程序對系統實施遠程監測和實時控制。

圖2　唯眾物聯網實訓裝置實物圖

3.2硬件設計
3.2.1網關設計
系統智能網關的硬件框架圖如圖 ２ 所示。 其ＣＰＵ 處理器選用基于六核ARM 64位處理器（雙核Cortex-A72+四核Cortex-A53），其 運 行 主 頻 達 １.8ＧＨｚ， 配 有內存大小3G LPDDR3，配有四核ARM Mali-T860 MP4 GPU，支持OpenGL ES1.1/2.0/3.0/3.1、OpenVG1.1、 OpenCL,、DX11，支持AFBC（幀緩沖壓縮）、高性能NPU支持8bit/16bit運算，支持TensorFlow、Pytorch、Caffe、Mxnet、Darknet、Onnx主流深度學習框架。核心板載留有1路SPI接口、4路GPIO口、1個電源指示燈、2路ADC接口、2路IIC接口、1個16G儲存eMMC、1路1000Mbps以太網接口、1路音頻輸出、1路TF-Card接口、3路USB接口、1路電源按鍵、1路復位按鍵、1路SIM卡座。

圖3　網關硬件框架圖

圖4　唯眾網關硬件實物圖

3.2.2感知層模塊化設備

感知層終端微控制器選用 STC15W4K56S4 單片機和 ＣＣ２５３０ 微處理器。 STC15W4K56S4由中央處理器（ＣＰＵ）、程序存儲器、數據存儲器、定時／ 計數器、ＵＡＲＴ 串口、Ｉ／ Ｏ 接口、高速 ＡＤ 接口、ＳＰＩ 接口、看門狗及片內振蕩等模塊組成。 ＣＣ２５３０ 芯片內部集成 ８０５１ 硬核、無線收發器、ＡＤＣ 模塊、６４ＫＢ 的ＦＬＡＳＨ 存儲器、２１ 個通用 ＧＰＩＯ 和兩個 ＵＡＲＴ 接口。 其無線發射頻率為 ２．４ＧＨｚ，最大數據傳輸速率為 ２５０ｋｂｉｔ／ ｓ。感知層終端節點的硬件實物圖如圖 ３ 所示，硬件框架如圖 ４ 所示。 該類設備由傳感器模塊、執行控制器模塊、ＣＰＵ 主處理模塊、通信模塊構成，全部模塊化設計，可自由組合完成基礎性和創新性的實驗實訓任務。 其主要的模塊化設備如表 １ 所示。

圖 ４　感知層終端設備硬件框架圖

圖 ３　感知層模塊實物圖

表 １　實訓裝置感知層主要模塊參數情況

3.3通信技術原理
3.3.1 433ＭＨｚ 射頻通信－ＴＣＰ／ＩＰ網絡通信實現
傳統 ４３３ＭＨｚ 射頻通信存在成本低、實用性好等優點，常見于無線數據采集等領域，同時物聯網技術必須能實現廣域網的互通互聯，因此，實訓裝置必須考慮傳統 ４３３ＭＨｚ 通信技術與國際通行 ＴＣＰ／ ＩＰ網絡進行協議轉換，在該實訓裝置中，選用了目前常見的傳輸模塊SI4432，設備具有 ４３３ＭＨｚ 無線收發功能，智能學習無線設備和遙控開關，對碼簡單；完全兼容 ＲＳ２３２、ＲＳ４８５ 接品規范，雙向通信；支持信號中繼，信號轉發，狀態實時同步更新；軟件界面完全圖形化等優點。

3.3.2紅外轉發器
紅外轉發器主要完成對接收到的 ４３３ＭＨｚ 射頻信號轉換為相應的紅外信號，其電路主要原理圖如圖 ５ 所示。 ４３３ＭＨｚ 射頻信號模塊收到的信號接到ＮＥ５５５ 芯片的第四引腳，用于調制 ＮＥ５５５ 產生的３８ＫＨｚ 信號，最終驅動 ＶＴ９０１３ 三極管，紅外發射管即可發射相應紅外信號，控制對應設備。

圖 ５　紅外轉發器硬件原理圖

由 ＮＥ５５５ 組成多諧振蕩器的頻率計算公式為

可知

取 f＝ ３８kHz，Ｃ ＝ ２２０ｐｆ，求得 Ｒ５＋２Ｒ４ ＝ １７２ｋΩ因此，取 Ｒ５＝１０ｋΩ，可知 Ｒ４＝８１ｋΩ。 考慮調試測試需要以及誤差，Ｒ４ 取 １００ｋΩ 電位器。

3.4軟件設計
實現裝置開發過程軟件設計工作主要在于ＵＢｏｏｔ 移植、內核配置和移植、根文件系統制作、常見應用模塊的驅動以及其測試程序等。 其開發的步驟及各開發階段所完成軟件工作如圖 ６ 所示，大部分提供 ＤＥＭＯ 程序供學生實驗實訓學習用。

圖 ６ 實訓裝置軟件開發步驟

４ 實訓內容

物聯網專業主要實訓課程包括傳感器技術應用、單片機原理與接口技術、Ｚｉｇｂｅｅ 與 ＲＦＩＤ 技術實踐、Ｌｉｎｕｘ 操作系統、嵌入式技術應用和物聯網綜合實訓等課程，該實訓裝置可以滿足以上課程實訓需要，其開設的主要項目包括驗證性、基礎性、設計性、綜合性和創新開發等五位一體實驗實訓項目體系，主要實訓項目如表 ２ 所示。

表 ２　實訓裝置開設主要實訓項目

５ 結語

實訓裝置構建了以 Ｃｏｒｔｅｘ－Ａ72架構 RK3399pro主處理器為物聯網網關，融合了紅外通信、４３３ＭＨｚ 射頻通信、 Ｚｉｇｂｅｅ 網絡、 ＧＰＲＳ 網絡以及ＴＣＰ／ ＩＰ 網絡等物聯網常見通信技術，同時結合嵌入式技術和計算機軟件技術設計開發了一套集基礎性、驗證性、設計性、綜合性和創新開發實驗實訓項目以及配套一系列實訓教學資源系統。

經過教學實踐證明，唯眾物聯網技術綜合實訓裝置承辦《2020促進金磚工業創新合作大賽總決賽“未來技能” 賽道物聯網賽項》硬件環境搭建、《2020一帶一路暨金磚國家技能發展與技術創新大賽物聯網技術及其在智慧城市中的應用賽項》硬件環境搭建、《2020年黑龍江省物聯網技術職業技能大賽》硬件環境搭建、《2019年湖北省職業院校技能大賽（高職組）物聯網技術應用賽項》硬件環境搭建及數十個中高職院校物聯網應用技術專業實訓室實訓環境搭建，實訓裝置有力地促進物聯網專業教學改革，提高物聯網工程應用型和技術技能型人才培養的可持續性，對培養學生工程實踐能力，提高實訓教學有效性和針對性具有重要意義。

本文參考：模塊化物聯網技術綜合實訓裝置設計與實現 陳彥彬; 林燕雄; 黃佳旭; 錢德明; 鐘小寅 實驗室科學 2018
http://www.whwkzc.com/html/2021/fwef_0518/884.html

總結

以上是生活随笔為你收集整理的唯众模块化物联网技术综合实训装置的设计与实现的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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