物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)課程體系與實(shí)踐探討
來源：譽(yù)澄智能 2020/4/9 22:37:27??????點(diǎn)擊：
（停車場(chǎng)系統(tǒng)發(fā)展）物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)課程體系與實(shí)踐探討
摘要：從物聯(lián)網(wǎng)概念和物聯(lián)網(wǎng)由來出發(fā)，就物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)、物聯(lián)網(wǎng)課程體系和物聯(lián)網(wǎng)實(shí)踐3方面介紹國(guó)內(nèi)現(xiàn)階段的情況，和大家一起探討。物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)是復(fù)合型專業(yè)，很難有統(tǒng)一的課程體系，所以特別針對(duì)計(jì)算機(jī)學(xué)院開設(shè)的物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)課程進(jìn)行探討。在實(shí)踐中總結(jié)出，固化協(xié)議棧適合于實(shí)際應(yīng)用，開源協(xié)議棧更適合于教學(xué)。物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)應(yīng)以微控制器為主，采用廠家提供的ZigBee平臺(tái)進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)。
引言
物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things，IOT) 是指通過射頻識(shí)別(RFID)、傳感器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，把任何物體與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，進(jìn)行信息交換和通信，以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)概念的引入，把互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用延伸和擴(kuò)展到了任何物體與物體之間，進(jìn)行信息交換和通信。物聯(lián)網(wǎng)是繼計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)與移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)之后的又一次信息產(chǎn)業(yè)革命。
物聯(lián)網(wǎng)概念是1999年由麻省理工學(xué)院自動(dòng)標(biāo)識(shí)中心(MIT AutoID Center)提出的。2005年，國(guó)際電信聯(lián)盟(ITU) 發(fā)布了一份題為《The Internet of Things》的年度報(bào)告，正式將“物聯(lián)網(wǎng)”命名為“the Internet of Things”。2009年8月，溫家寶總理考察中科院無錫高新微納傳感網(wǎng)工程技術(shù)研發(fā)中心，明確要求盡快建立中國(guó)的傳感信息中心，也就是“感知中國(guó)”中心。筆者從微控制器應(yīng)用到ARM&Linux嵌入式系統(tǒng)，又回歸到微控制器的研究教學(xué)，親歷近30年國(guó)內(nèi)嵌入式應(yīng)用的發(fā)展歷程。下面就物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)、物聯(lián)網(wǎng)課程體系和物聯(lián)網(wǎng)實(shí)踐3方面介紹國(guó)內(nèi)現(xiàn)階段的情況，望和大家一起探討。
1 物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)
在教育部首批戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)相關(guān)本科新專業(yè)中，物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)專業(yè)就有700多所學(xué)校申報(bào)，最終28家IOT、5家WSN獲批，共33所高校。其中70%設(shè)在計(jì)算機(jī)學(xué)院。在2011年3月28日又批了第二批27所高校的物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)，這樣全國(guó)現(xiàn)共有62所高校開設(shè)物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)。
物聯(lián)網(wǎng)工程是交叉學(xué)科，是多個(gè)學(xué)科的融合,即計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、信息與通信工程、微電子學(xué)科、檢測(cè)與自動(dòng)化和儀器科學(xué)與技術(shù)。物聯(lián)網(wǎng)工程是復(fù)合專業(yè)，涉及控制理論與控制工程、微電子檢測(cè)、通信工程和計(jì)算機(jī)與信息專業(yè)，對(duì)應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)的控制、感知、傳輸和信息處理技術(shù)。
物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)由感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層組成。計(jì)算機(jī)學(xué)院在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層領(lǐng)域具有很好的研究基礎(chǔ)，而感知層更多依賴的是軟硬件結(jié)合的嵌入式系統(tǒng)技術(shù)。物聯(lián)網(wǎng)的傳感器接口、RFID讀寫都涉及嵌入式技術(shù)，但實(shí)際上新技術(shù)含量很少，可看作是一個(gè)新袋子。
物聯(lián)網(wǎng)主要涵蓋RFID（>5.5）、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(>8.5)、M2M智能手機(jī)(<4.5)等技術(shù)領(lǐng)域。其中括號(hào)里表達(dá)的是難度系數(shù)，可以看出無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是最難的。
2 物聯(lián)網(wǎng)課程體系
2.1 課程體系考慮因素
物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)主要在計(jì)算機(jī)學(xué)院，但物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)只是本科專業(yè)，要考慮學(xué)生的畢業(yè)出口問題。現(xiàn)大部分本科生都選擇考研，而計(jì)算機(jī)專業(yè)屬于全國(guó)統(tǒng)考，其專業(yè)基礎(chǔ)綜合考試涵蓋數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、計(jì)算機(jī)組成原理、操作系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等學(xué)科專業(yè)基礎(chǔ)課程。這些課程中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)離不開C語言程序設(shè)計(jì)，計(jì)算機(jī)組成原理又有計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的內(nèi)容，實(shí)際涉及6門課，這6門課動(dòng)了就會(huì)影響學(xué)生考研。綜合考慮，最好還是在原來計(jì)算機(jī)專業(yè)課的基礎(chǔ)上進(jìn)行增加和替換，而不完全是要做出一個(gè)新的課程體系。
已出版的物聯(lián)網(wǎng)工程書籍，有的涵蓋深?yuàn)W的算法或涉及多個(gè)專業(yè)的內(nèi)容，碩士和博士研究生都未必能看懂。教學(xué)的目的應(yīng)是授之以漁，而不是授之以魚，廣而全反而會(huì)把初學(xué)的學(xué)生嚇跑，關(guān)鍵是培養(yǎng)學(xué)生興趣。從應(yīng)用角度出發(fā)，實(shí)際上很多硬件都是以模塊形式出現(xiàn)，如RF讀卡器模塊和傳感器模塊，不用了解里面的工作原理就能做應(yīng)用設(shè)計(jì)。物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)是我國(guó)現(xiàn)階段的國(guó)家需要，為國(guó)家培養(yǎng)后備人才。嵌入式系統(tǒng)推廣這么多年，教育部也沒有批為專業(yè)。實(shí)際上物聯(lián)網(wǎng)的難點(diǎn)還是在嵌入式系統(tǒng)方面，而嵌入式方向要以實(shí)踐為主，不會(huì)動(dòng)手，怎么能應(yīng)付軟硬件結(jié)合的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用?
大學(xué)里重要的是教會(huì)學(xué)習(xí)的方法，在各專業(yè)的主干課程基礎(chǔ)上，在物聯(lián)網(wǎng)方面有所加強(qiáng)即可。
2.2 計(jì)算機(jī)學(xué)院物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)課程
物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)核心課程按軟件和硬件分為：硬件方面的電子電路基礎(chǔ)、物聯(lián)網(wǎng)硬件基礎(chǔ)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和無線傳感網(wǎng)，軟件方面的程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)、操作系統(tǒng)系統(tǒng)編程、數(shù)據(jù)庫(kù)和數(shù)據(jù)挖掘。
下面的課程是筆者所在學(xué)院一個(gè)對(duì)嵌入式方向感興趣的學(xué)生所學(xué)課程的基礎(chǔ)上加了幾門物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)必需的課，用黑體加重給出，要加其他的課就需要替換現(xiàn)有的課。一個(gè)學(xué)生要求的學(xué)分是固定的，學(xué)太多課沒有太多的意義，關(guān)鍵是引導(dǎo)他們進(jìn)行工程實(shí)踐。這個(gè)學(xué)生畢設(shè)采用32位微控制器完成了傳感器數(shù)據(jù)采集、無線傳感網(wǎng)協(xié)議棧的移植，將采集數(shù)據(jù)通過串口和USB口傳送給微機(jī)。由此看來，該學(xué)生所學(xué)的知識(shí)可以應(yīng)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用項(xiàng)目開發(fā)。
專業(yè)基礎(chǔ)課：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)導(dǎo)論、計(jì)算機(jī)科學(xué)導(dǎo)論、程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)（C語言）、離散數(shù)學(xué)、數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)、電路分析基礎(chǔ)、模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)、數(shù)值分析。
專業(yè)必修課：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法設(shè)計(jì)、面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)、計(jì)算理論與算法分析設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)庫(kù)原理與設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)組成原理、匯編語言程序設(shè)計(jì)、操作系統(tǒng)、編譯原理與設(shè)計(jì)、軟件工程基礎(chǔ)、計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、微機(jī)接口技術(shù)、信號(hào)與系統(tǒng)、自動(dòng)控制原理。
專業(yè)選修課：微控制器接口技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、人工智能基礎(chǔ)、嵌入式系統(tǒng)、多媒體技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)信息安全、軟件體系結(jié)構(gòu)、分布式計(jì)算原理與應(yīng)用、Web軟件技術(shù)、硬件描述語言與計(jì)算機(jī)硬件模塊設(shè)計(jì)。
專業(yè)實(shí)踐課：數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)、模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)、操作系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)、程序設(shè)計(jì)方法與實(shí)踐、Web開發(fā)基礎(chǔ)、軟件基礎(chǔ)實(shí)習(xí)、數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)開發(fā)、匯編與接口課程設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)組成原理硬件實(shí)驗(yàn)、軟件工程綜合訓(xùn)練、Visual C++數(shù)據(jù)通信編程實(shí)踐。
學(xué)院的老師還打算開設(shè)微電子與傳感器技術(shù)、無線自組網(wǎng)理論及應(yīng)用、無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及應(yīng)用、普適計(jì)算、服務(wù)計(jì)算與云計(jì)算、異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)技術(shù)、傳感器網(wǎng)數(shù)據(jù)融合技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)信息處理技術(shù)和海量信息處理。
2.3 專業(yè)及特色課程
按物聯(lián)網(wǎng)層次：
① 感知層——射頻識(shí)別技術(shù)、傳感器技術(shù)基礎(chǔ)、嵌入式系統(tǒng)接口技術(shù)。最好在電路分析基礎(chǔ)、模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)、數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)等課程基礎(chǔ)上開設(shè)。
② 網(wǎng)絡(luò)層——計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、通信原理。
其他基本上是應(yīng)用層的課，可多可少，看學(xué)校偏重哪方面應(yīng)用。專業(yè)入門課物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)導(dǎo)論是必需的，而想開設(shè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用或物聯(lián)網(wǎng)原理與應(yīng)用這樣廣而全的課，在有限的學(xué)時(shí)內(nèi)是不太現(xiàn)實(shí)的。
其他學(xué)校、學(xué)院不同于計(jì)算機(jī)學(xué)院的專業(yè)課及特色課有：密碼學(xué)基礎(chǔ)、信號(hào)處理基礎(chǔ)、圖像處理技術(shù)、射頻識(shí)別技術(shù)、傳感器技術(shù)基礎(chǔ)、Linux操作系統(tǒng)編程、Android操作系統(tǒng)編程、無線傳感網(wǎng)與自組織網(wǎng)絡(luò)、電子商務(wù)、數(shù)據(jù)挖掘、移動(dòng)通信、傳感器與檢測(cè)技術(shù)、Web系統(tǒng)開發(fā)與集成、下一代互聯(lián)網(wǎng)、模式識(shí)別、網(wǎng)絡(luò)管理、物流管理概論、智能交通概論和環(huán)境工程概論。
3 物聯(lián)網(wǎng)實(shí)踐
3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備
物聯(lián)網(wǎng)實(shí)踐可以采用實(shí)驗(yàn)套件、開發(fā)板等，對(duì)于電子愛好者很實(shí)用。但是，對(duì)高校來說還是實(shí)驗(yàn)箱比較實(shí)用，便于管理和保存。筆者曾跟實(shí)驗(yàn)箱設(shè)計(jì)公司探討實(shí)驗(yàn)箱的核心板插電可以獨(dú)立工作，這樣學(xué)生入門時(shí)可以拿回去自己學(xué)習(xí)做部分內(nèi)容，而實(shí)驗(yàn)箱主板上的豐富外設(shè)是為了完成綜合實(shí)驗(yàn)和系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的需要，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)收時(shí)再到實(shí)驗(yàn)室來。
物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)箱中主要的還是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)部分。實(shí)際有微控制器就夠了，現(xiàn)在的微控制器集成網(wǎng)口和USB口的很多，采集的數(shù)據(jù)很容易就傳送給微機(jī)。而現(xiàn)在有的實(shí)驗(yàn)箱廠商就是把原來的嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)箱加上無線傳感網(wǎng)絡(luò)部分，號(hào)稱帶嵌入式操作系統(tǒng)的微處理器板子是網(wǎng)關(guān)，無形中增加了實(shí)驗(yàn)箱的價(jià)格。涉及多種體系結(jié)構(gòu)的處理器，帶操作系統(tǒng)，也增加了教學(xué)的難度。
無線傳感網(wǎng)絡(luò)部分主要涉及網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，然而工程實(shí)際應(yīng)用的技術(shù)并不一定適用于教學(xué)。有的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧完全固化在無線傳感網(wǎng)絡(luò)模塊中，甚至都不知道模塊用的是何種芯片。若學(xué)校側(cè)重工程應(yīng)用，可以選擇固化協(xié)議棧教學(xué)方案。要做無線傳感網(wǎng)絡(luò)教學(xué)，又是研究型大學(xué)，當(dāng)然希望網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧開放源碼。下面介紹固化和開源兩類常用協(xié)議棧。
3.2 固化協(xié)議棧
(1) XBee系列
美國(guó)DIGI公司的ZigBee模塊XBee，是一種遠(yuǎn)距離低功耗的數(shù)據(jù)透?jìng)髂K，包含2.4 GHz、900 MHz和868 MHz 3種頻段，同時(shí)可兼容IEEE 802.15.4相關(guān)協(xié)議。每個(gè)模塊都可以作為路由節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器以及終端節(jié)點(diǎn)，可組建無線mesh網(wǎng)絡(luò)。XBee模塊是內(nèi)置協(xié)議棧，包含AP和ATI兩種配置命令，可通過XCTU以及ZigBee Operator這兩款軟件進(jìn)行調(diào)試。模塊可以通過普通串口（UART）與其他設(shè)備進(jìn)行連接，通過控制命令來進(jìn)行控制。
(2) Jennic系列
JN5121無線模塊是英國(guó)Jennic公司(現(xiàn)被NXP公司收購(gòu))的第一款ZigBee模塊（后續(xù)包括JN5139、JN5148等）。JN5121也是第一款真正意義上兼容于IEEE 802.15.4的低功耗、低成本無線模塊。該模塊內(nèi)置一款32位的RISC處理器，配置有2.4 GHz頻段的IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的無線收發(fā)器，64 KB的ROM，96 KB的RAM，21路GPIO。JN5121內(nèi)置的ROM存儲(chǔ)器，集成了點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信與網(wǎng)狀網(wǎng)通信的完整協(xié)議棧。
(3) SNAP系列
SNAP網(wǎng)絡(luò)是由CEL公司與Synapse Wireless公司合作開發(fā)的面向無線傳感網(wǎng)應(yīng)用的無線mesh協(xié)議。SNAP為復(fù)雜的ZigBee網(wǎng)絡(luò)提供一個(gè)簡(jiǎn)單、可靠、智能的完整組網(wǎng)方案，同時(shí)，因?yàn)槭褂谩皩?duì)等網(wǎng)絡(luò)”概念，功耗優(yōu)化明顯，冗余性能優(yōu)異。SNAP具有很多特點(diǎn)，包括無組網(wǎng)過程、無需預(yù)先構(gòu)架網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、?duì)等網(wǎng)絡(luò)、布網(wǎng)簡(jiǎn)單、內(nèi)置 Python虛擬機(jī)、編程以腳本方式編程、空中升級(jí)以及可在運(yùn)行時(shí)調(diào)用所有功能等。
(4) Ember系列
Ember公司創(chuàng)立于2001年，其開發(fā)技術(shù)源自麻省理工學(xué)院。Ember公司在無線傳感網(wǎng)領(lǐng)域推出的具有代表性的EM250是單片解決方案，它集成了2.4 GHz、兼容IEEE 802.15.4的收發(fā)器以及一個(gè)16位XAP2b微處理器，同時(shí)還集成包括閃存和SRAM存儲(chǔ)器與基于ZigBee應(yīng)用的外設(shè)。EmberNet棧在系統(tǒng)模式下運(yùn)行時(shí)可以連通到芯片的任意區(qū)域；在應(yīng)用模式下，應(yīng)用代碼連通到EM250設(shè)備的通路則相對(duì)受限。
(5) STM32W系列
意法半導(dǎo)體（ST）公司于2009年底推出的STM32W系列無線傳感網(wǎng)射頻集成單片機(jī)，采用32位ARM CortexM3內(nèi)核，片上整合2.4 GHz IEEE 802.15.4收發(fā)器和低功耗MAC、AES128硬件加密引擎，STM32W108內(nèi)置128 KB Flash和8 KB SRAM，具有高性能、低功耗的特點(diǎn)。STM32W108CBU61芯片固化了由Ember公司提供的、經(jīng)過ZigBee Alliance認(rèn)證的ZigBee2007 Pro協(xié)議棧，具有優(yōu)異的性能和良好的兼容性，可以和其他經(jīng)過ZigBee Alliance認(rèn)證的第三方產(chǎn)品互聯(lián)互通。
3.3 開源協(xié)議棧
(1) XBOW及TinyOS
Crossbow(簡(jiǎn)稱XBOW，現(xiàn)被新美半導(dǎo)體收購(gòu))技術(shù)來源于UC Berkeley相關(guān)團(tuán)隊(duì)，而后者是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的開拓者和引領(lǐng)者，共同推出的TinyOS是傳感網(wǎng)領(lǐng)域研究者使用最多的平臺(tái)，其硬件節(jié)點(diǎn)包括 MICA、MICA2、MICAZ等，也是國(guó)際上最流行的硬件平臺(tái)，是研究者和學(xué)習(xí)者理想的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。MICAz產(chǎn)品能夠工作在全球2.4 GHz ISM波段上，且支持IEEE 802.15.4微型無線測(cè)量系統(tǒng)和 ZigBee協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，可以直接使用XBOW提供的成熟xmesh協(xié)議棧，搭建自己的傳感器網(wǎng)絡(luò)。它可以說是做得最正統(tǒng)的傳感器網(wǎng)絡(luò)，基于TinyOS、 nesC開發(fā)。
(2) ZStack協(xié)議棧
ZStack協(xié)議棧是由Chipcon公司（后被TI公司收購(gòu)）開發(fā)的較全面支持ZigBee協(xié)議的開源協(xié)議棧，也是業(yè)界廣泛使用的離產(chǎn)品化較近的協(xié)議棧。ZStack協(xié)議棧支持的芯片包括TI公司的8位MCU CC2530/CC2430、16位MCU MSP430、32位MCU LM3S9B96，Atmel公司的AVR系列MCU，Microchip公司的PIC系列MCU以及Freescale公司的MC1319x等。
TI公司最新提供的32位微控制器LM3S9B96+CC2520做協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，配8位8051核CC2530傳感器采集節(jié)點(diǎn)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)套件是較理想的教學(xué)平臺(tái)。LM3S9B96片內(nèi)有串口、網(wǎng)口、USB口，與主機(jī)通信也可用USB虛擬串口實(shí)現(xiàn)，根本不需要什么嵌入式網(wǎng)關(guān)。
我們與TI公司成立了“北京理工大學(xué)—美國(guó)德州儀器物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室”，TI公司提供了原廠32位MCU和8位MCU評(píng)估套件。我們期待國(guó)內(nèi)公司能夠生產(chǎn)出這種方案的實(shí)驗(yàn)箱。8051內(nèi)核的CC2530 到ARM CortexM3內(nèi)核的LM3S9B96都是MCU，這樣的實(shí)驗(yàn)方案學(xué)生更容易接受，跨度不大。TI原廠方案已評(píng)估，用在物聯(lián)網(wǎng)競(jìng)賽上，設(shè)計(jì)了“智能泊車引導(dǎo)系統(tǒng)”。在本刊發(fā)表論文“LM3S9B96與CC2520平臺(tái)上的ZigBee無線組網(wǎng)技術(shù)及應(yīng)用”。
另外，我們還得到TI公司大學(xué)計(jì)劃支持，為推廣TI公司32位微控制器，編寫了《ARM Cortex核TI微控制器教程》一書。其中“物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集與傳輸”這一章，專門針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)涉及的溫濕度、光照度、加速度傳感器和RFID，給出采集程序。還包括ZigBee點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信和32位網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)內(nèi)容。
ZStack協(xié)議棧上層網(wǎng)絡(luò)部分源碼開放，但和硬件相關(guān)的關(guān)鍵部分是封裝好的，未開放，沒有廠家的支持是沒辦法移植協(xié)議棧的。筆者的研究生曾開題設(shè)計(jì)32位微控制器的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，在移植協(xié)議棧時(shí)碰到了無法解決的問題，后轉(zhuǎn)到完全開源的MsstatePAN。
(3) MsstatePAN協(xié)議棧
源代碼完全開放的MsstatePAN協(xié)議棧，是由密西西比州立大學(xué)的Robert Reese教授在參考Microchip ZigBee Stack的基礎(chǔ)上自己編寫的。該協(xié)議棧支持硬件平臺(tái)CC2430、PIC18C4620+CC2420和MSP430+CC2420。國(guó)內(nèi)一些研究機(jī)構(gòu)也在此精簡(jiǎn)協(xié)議棧上進(jìn)行擴(kuò)充，實(shí)現(xiàn)了一些其原本不具備的功能。
我們利用TI公司收購(gòu)的LM3S系列微控制器設(shè)計(jì)ZigBee硬件節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了該平臺(tái)節(jié)點(diǎn)間的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，掌握了LM3S系列微控制器對(duì)射頻模塊 CC2420的操作。在本刊發(fā)表論文“LM3S1138與CC2420的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信”。最終，我們成功將MsstatePAN協(xié)議棧移植到了 LM3S系列微控制器結(jié)合CC2420無線模塊的硬件平臺(tái)上，與TI公司第三方合作設(shè)計(jì)了物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。
物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要由LM3S811、LM3S9B96和CC2420無線傳輸模塊構(gòu)成，支持LM3S811與LM3S9B96的硬件實(shí)驗(yàn)及 ZigBee組網(wǎng)實(shí)驗(yàn)。該平臺(tái)還可與CC2430終端節(jié)點(diǎn)一起組網(wǎng)。ZigBee組網(wǎng)實(shí)驗(yàn)部分，根據(jù)需要可配置成星狀或樹狀網(wǎng)通信。同時(shí)，為直觀獲知當(dāng)前的組網(wǎng)狀況，針對(duì)此實(shí)驗(yàn)平臺(tái)專門編寫相應(yīng)的PC機(jī)監(jiān)控軟件，能實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)狀態(tài)及數(shù)據(jù)。該ZigBee網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)溫濕度、濕敏電阻、可燃?xì)怏w濃度、煙霧濃度、二氧化碳濃度、光照度、熱釋電人體紅外測(cè)溫、紅外線防盜信號(hào)、加速度、氧氣濃度等一系列傳感器的數(shù)據(jù)采集及無線傳輸。
(4) GOS協(xié)議棧
GOS是中國(guó)科學(xué)院推出的基于C語言的無線傳感網(wǎng)低功耗協(xié)議棧（目前該平臺(tái)由深聯(lián)科技進(jìn)行維護(hù)），其突出特點(diǎn)是完全使用C語言開發(fā)，簡(jiǎn)單高效，具有很好的健壯性，適合于很多工控及其他行業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用。目前GOS主要支持的硬件包括ATmega128、MSP430+CC1000或CC2420，或者其他支持相關(guān)指令集的處理器，以及具有一定開放接口的射頻芯片。
(5) ZigBee 精簡(jiǎn)協(xié)議棧
美國(guó)密西西比州立大學(xué)的Robert Reese 教授出于教學(xué)、科研目的開發(fā)出一套精簡(jiǎn)版(subset) ZigBee 協(xié)議棧。該精簡(jiǎn)協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)了ZigBee協(xié)議的主要功能。國(guó)內(nèi)一些研究機(jī)構(gòu)在此精簡(jiǎn)協(xié)議上進(jìn)行擴(kuò)充, 實(shí)現(xiàn)了一些其原本不具備的功能。
3.4 RFID讀卡器
在嵌入式系統(tǒng)聯(lián)誼會(huì)交流過程中，知曉一種RFID讀卡器模塊，可讀校園一卡通和身份證的ID碼，當(dāng)然余額和身份證信息是不允許讀的。但僅根據(jù)每個(gè)卡的唯一ID碼，也可以設(shè)計(jì)很多應(yīng)用。我們?cè)O(shè)計(jì)了“基于校園一卡通的考勤管理系統(tǒng)”，彌補(bǔ)學(xué)生考勤管理的缺陷。一卡通作為學(xué)生在校身份證明及日常消費(fèi)卡，每個(gè)學(xué)生都有，不用再買其他卡，可用其設(shè)計(jì)很好的物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)案例。
結(jié)語
本文是筆者近一年多來學(xué)習(xí)物聯(lián)網(wǎng)、參加各種會(huì)議的總結(jié)。由于個(gè)人的知識(shí)面有限，考慮問題可能片面，望和國(guó)內(nèi)業(yè)界同仁共同探討國(guó)內(nèi)的物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)，為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用推廣盡自己的微薄之力。物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)不是以理論為主導(dǎo)，重點(diǎn)是在工程應(yīng)用。教學(xué)應(yīng)該由應(yīng)用來驅(qū)動(dòng)，時(shí)刻做好準(zhǔn)備，不斷調(diào)整教學(xué)內(nèi)容。因很難有適合所有學(xué)校的通用課程體系，課程設(shè)置及內(nèi)容應(yīng)重在特色。
摘要：從物聯(lián)網(wǎng)概念和物聯(lián)網(wǎng)由來出發(fā)，就物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)、物聯(lián)網(wǎng)課程體系和物聯(lián)網(wǎng)實(shí)踐3方面介紹國(guó)內(nèi)現(xiàn)階段的情況，和大家一起探討。物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)是復(fù)合型專業(yè)，很難有統(tǒng)一的課程體系，所以特別針對(duì)計(jì)算機(jī)學(xué)院開設(shè)的物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)課程進(jìn)行探討。在實(shí)踐中總結(jié)出，固化協(xié)議棧適合于實(shí)際應(yīng)用，開源協(xié)議棧更適合于教學(xué)。物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)應(yīng)以微控制器為主，采用廠家提供的ZigBee平臺(tái)進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)。
引言
物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things，IOT) 是指通過射頻識(shí)別(RFID)、傳感器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，把任何物體與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，進(jìn)行信息交換和通信，以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)概念的引入，把互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用延伸和擴(kuò)展到了任何物體與物體之間，進(jìn)行信息交換和通信。物聯(lián)網(wǎng)是繼計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)與移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)之后的又一次信息產(chǎn)業(yè)革命。
物聯(lián)網(wǎng)概念是1999年由麻省理工學(xué)院自動(dòng)標(biāo)識(shí)中心(MIT AutoID Center)提出的。2005年，國(guó)際電信聯(lián)盟(ITU) 發(fā)布了一份題為《The Internet of Things》的年度報(bào)告，正式將“物聯(lián)網(wǎng)”命名為“the Internet of Things”。2009年8月，溫家寶總理考察中科院無錫高新微納傳感網(wǎng)工程技術(shù)研發(fā)中心，明確要求盡快建立中國(guó)的傳感信息中心，也就是“感知中國(guó)”中心。筆者從微控制器應(yīng)用到ARM&Linux嵌入式系統(tǒng)，又回歸到微控制器的研究教學(xué)，親歷近30年國(guó)內(nèi)嵌入式應(yīng)用的發(fā)展歷程。下面就物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)、物聯(lián)網(wǎng)課程體系和物聯(lián)網(wǎng)實(shí)踐3方面介紹國(guó)內(nèi)現(xiàn)階段的情況，望和大家一起探討。
1 物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)
在教育部首批戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)相關(guān)本科新專業(yè)中，物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)專業(yè)就有700多所學(xué)校申報(bào)，最終28家IOT、5家WSN獲批，共33所高校。其中70%設(shè)在計(jì)算機(jī)學(xué)院。在2011年3月28日又批了第二批27所高校的物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)，這樣全國(guó)現(xiàn)共有62所高校開設(shè)物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)。
物聯(lián)網(wǎng)工程是交叉學(xué)科，是多個(gè)學(xué)科的融合,即計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、信息與通信工程、微電子學(xué)科、檢測(cè)與自動(dòng)化和儀器科學(xué)與技術(shù)。物聯(lián)網(wǎng)工程是復(fù)合專業(yè)，涉及控制理論與控制工程、微電子檢測(cè)、通信工程和計(jì)算機(jī)與信息專業(yè)，對(duì)應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)的控制、感知、傳輸和信息處理技術(shù)。
物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)由感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層組成。計(jì)算機(jī)學(xué)院在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層領(lǐng)域具有很好的研究基礎(chǔ)，而感知層更多依賴的是軟硬件結(jié)合的嵌入式系統(tǒng)技術(shù)。物聯(lián)網(wǎng)的傳感器接口、RFID讀寫都涉及嵌入式技術(shù)，但實(shí)際上新技術(shù)含量很少，可看作是一個(gè)新袋子。
物聯(lián)網(wǎng)主要涵蓋RFID（>5.5）、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(>8.5)、M2M智能手機(jī)(<4.5)等技術(shù)領(lǐng)域。其中括號(hào)里表達(dá)的是難度系數(shù)，可以看出無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是最難的。
2 物聯(lián)網(wǎng)課程體系
2.1 課程體系考慮因素
物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)主要在計(jì)算機(jī)學(xué)院，但物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)只是本科專業(yè)，要考慮學(xué)生的畢業(yè)出口問題。現(xiàn)大部分本科生都選擇考研，而計(jì)算機(jī)專業(yè)屬于全國(guó)統(tǒng)考，其專業(yè)基礎(chǔ)綜合考試涵蓋數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、計(jì)算機(jī)組成原理、操作系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等學(xué)科專業(yè)基礎(chǔ)課程。這些課程中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)離不開C語言程序設(shè)計(jì)，計(jì)算機(jī)組成原理又有計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的內(nèi)容，實(shí)際涉及6門課，這6門課動(dòng)了就會(huì)影響學(xué)生考研。綜合考慮，最好還是在原來計(jì)算機(jī)專業(yè)課的基礎(chǔ)上進(jìn)行增加和替換，而不完全是要做出一個(gè)新的課程體系。
已出版的物聯(lián)網(wǎng)工程書籍，有的涵蓋深?yuàn)W的算法或涉及多個(gè)專業(yè)的內(nèi)容，碩士和博士研究生都未必能看懂。教學(xué)的目的應(yīng)是授之以漁，而不是授之以魚，廣而全反而會(huì)把初學(xué)的學(xué)生嚇跑，關(guān)鍵是培養(yǎng)學(xué)生興趣。從應(yīng)用角度出發(fā)，實(shí)際上很多硬件都是以模塊形式出現(xiàn)，如RF讀卡器模塊和傳感器模塊，不用了解里面的工作原理就能做應(yīng)用設(shè)計(jì)。物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)是我國(guó)現(xiàn)階段的國(guó)家需要，為國(guó)家培養(yǎng)后備人才。嵌入式系統(tǒng)推廣這么多年，教育部也沒有批為專業(yè)。實(shí)際上物聯(lián)網(wǎng)的難點(diǎn)還是在嵌入式系統(tǒng)方面，而嵌入式方向要以實(shí)踐為主，不會(huì)動(dòng)手，怎么能應(yīng)付軟硬件結(jié)合的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用?
大學(xué)里重要的是教會(huì)學(xué)習(xí)的方法，在各專業(yè)的主干課程基礎(chǔ)上，在物聯(lián)網(wǎng)方面有所加強(qiáng)即可。
2.2 計(jì)算機(jī)學(xué)院物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)課程
物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)核心課程按軟件和硬件分為：硬件方面的電子電路基礎(chǔ)、物聯(lián)網(wǎng)硬件基礎(chǔ)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和無線傳感網(wǎng)，軟件方面的程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)、操作系統(tǒng)系統(tǒng)編程、數(shù)據(jù)庫(kù)和數(shù)據(jù)挖掘。
下面的課程是筆者所在學(xué)院一個(gè)對(duì)嵌入式方向感興趣的學(xué)生所學(xué)課程的基礎(chǔ)上加了幾門物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)必需的課，用黑體加重給出，要加其他的課就需要替換現(xiàn)有的課。一個(gè)學(xué)生要求的學(xué)分是固定的，學(xué)太多課沒有太多的意義，關(guān)鍵是引導(dǎo)他們進(jìn)行工程實(shí)踐。這個(gè)學(xué)生畢設(shè)采用32位微控制器完成了傳感器數(shù)據(jù)采集、無線傳感網(wǎng)協(xié)議棧的移植，將采集數(shù)據(jù)通過串口和USB口傳送給微機(jī)。由此看來，該學(xué)生所學(xué)的知識(shí)可以應(yīng)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用項(xiàng)目開發(fā)。
專業(yè)基礎(chǔ)課：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)導(dǎo)論、計(jì)算機(jī)科學(xué)導(dǎo)論、程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)（C語言）、離散數(shù)學(xué)、數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)、電路分析基礎(chǔ)、模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)、數(shù)值分析。
專業(yè)必修課：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法設(shè)計(jì)、面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)、計(jì)算理論與算法分析設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)庫(kù)原理與設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)組成原理、匯編語言程序設(shè)計(jì)、操作系統(tǒng)、編譯原理與設(shè)計(jì)、軟件工程基礎(chǔ)、計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、微機(jī)接口技術(shù)、信號(hào)與系統(tǒng)、自動(dòng)控制原理。
專業(yè)選修課：微控制器接口技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、人工智能基礎(chǔ)、嵌入式系統(tǒng)、多媒體技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)信息安全、軟件體系結(jié)構(gòu)、分布式計(jì)算原理與應(yīng)用、Web軟件技術(shù)、硬件描述語言與計(jì)算機(jī)硬件模塊設(shè)計(jì)。
專業(yè)實(shí)踐課：數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)、模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)、操作系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)、程序設(shè)計(jì)方法與實(shí)踐、Web開發(fā)基礎(chǔ)、軟件基礎(chǔ)實(shí)習(xí)、數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)開發(fā)、匯編與接口課程設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)組成原理硬件實(shí)驗(yàn)、軟件工程綜合訓(xùn)練、Visual C++數(shù)據(jù)通信編程實(shí)踐。
學(xué)院的老師還打算開設(shè)微電子與傳感器技術(shù)、無線自組網(wǎng)理論及應(yīng)用、無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及應(yīng)用、普適計(jì)算、服務(wù)計(jì)算與云計(jì)算、異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)技術(shù)、傳感器網(wǎng)數(shù)據(jù)融合技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)信息處理技術(shù)和海量信息處理。
2.3 專業(yè)及特色課程
按物聯(lián)網(wǎng)層次：
① 感知層——射頻識(shí)別技術(shù)、傳感器技術(shù)基礎(chǔ)、嵌入式系統(tǒng)接口技術(shù)。最好在電路分析基礎(chǔ)、模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)、數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)等課程基礎(chǔ)上開設(shè)。
② 網(wǎng)絡(luò)層——計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、通信原理。
其他基本上是應(yīng)用層的課，可多可少，看學(xué)校偏重哪方面應(yīng)用。專業(yè)入門課物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)導(dǎo)論是必需的，而想開設(shè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用或物聯(lián)網(wǎng)原理與應(yīng)用這樣廣而全的課，在有限的學(xué)時(shí)內(nèi)是不太現(xiàn)實(shí)的。
其他學(xué)校、學(xué)院不同于計(jì)算機(jī)學(xué)院的專業(yè)課及特色課有：密碼學(xué)基礎(chǔ)、信號(hào)處理基礎(chǔ)、圖像處理技術(shù)、射頻識(shí)別技術(shù)、傳感器技術(shù)基礎(chǔ)、Linux操作系統(tǒng)編程、Android操作系統(tǒng)編程、無線傳感網(wǎng)與自組織網(wǎng)絡(luò)、電子商務(wù)、數(shù)據(jù)挖掘、移動(dòng)通信、傳感器與檢測(cè)技術(shù)、Web系統(tǒng)開發(fā)與集成、下一代互聯(lián)網(wǎng)、模式識(shí)別、網(wǎng)絡(luò)管理、物流管理概論、智能交通概論和環(huán)境工程概論。
3 物聯(lián)網(wǎng)實(shí)踐
3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備
物聯(lián)網(wǎng)實(shí)踐可以采用實(shí)驗(yàn)套件、開發(fā)板等，對(duì)于電子愛好者很實(shí)用。但是，對(duì)高校來說還是實(shí)驗(yàn)箱比較實(shí)用，便于管理和保存。筆者曾跟實(shí)驗(yàn)箱設(shè)計(jì)公司探討實(shí)驗(yàn)箱的核心板插電可以獨(dú)立工作，這樣學(xué)生入門時(shí)可以拿回去自己學(xué)習(xí)做部分內(nèi)容，而實(shí)驗(yàn)箱主板上的豐富外設(shè)是為了完成綜合實(shí)驗(yàn)和系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的需要，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)收時(shí)再到實(shí)驗(yàn)室來。
物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)箱中主要的還是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)部分。實(shí)際有微控制器就夠了，現(xiàn)在的微控制器集成網(wǎng)口和USB口的很多，采集的數(shù)據(jù)很容易就傳送給微機(jī)。而現(xiàn)在有的實(shí)驗(yàn)箱廠商就是把原來的嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)箱加上無線傳感網(wǎng)絡(luò)部分，號(hào)稱帶嵌入式操作系統(tǒng)的微處理器板子是網(wǎng)關(guān)，無形中增加了實(shí)驗(yàn)箱的價(jià)格。涉及多種體系結(jié)構(gòu)的處理器，帶操作系統(tǒng)，也增加了教學(xué)的難度。
無線傳感網(wǎng)絡(luò)部分主要涉及網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，然而工程實(shí)際應(yīng)用的技術(shù)并不一定適用于教學(xué)。有的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧完全固化在無線傳感網(wǎng)絡(luò)模塊中，甚至都不知道模塊用的是何種芯片。若學(xué)校側(cè)重工程應(yīng)用，可以選擇固化協(xié)議棧教學(xué)方案。要做無線傳感網(wǎng)絡(luò)教學(xué)，又是研究型大學(xué)，當(dāng)然希望網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧開放源碼。下面介紹固化和開源兩類常用協(xié)議棧。
3.2 固化協(xié)議棧
(1) XBee系列
美國(guó)DIGI公司的ZigBee模塊XBee，是一種遠(yuǎn)距離低功耗的數(shù)據(jù)透?jìng)髂K，包含2.4 GHz、900 MHz和868 MHz 3種頻段，同時(shí)可兼容IEEE 802.15.4相關(guān)協(xié)議。每個(gè)模塊都可以作為路由節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器以及終端節(jié)點(diǎn)，可組建無線mesh網(wǎng)絡(luò)。XBee模塊是內(nèi)置協(xié)議棧，包含AP和ATI兩種配置命令，可通過XCTU以及ZigBee Operator這兩款軟件進(jìn)行調(diào)試。模塊可以通過普通串口（UART）與其他設(shè)備進(jìn)行連接，通過控制命令來進(jìn)行控制。
(2) Jennic系列
JN5121無線模塊是英國(guó)Jennic公司(現(xiàn)被NXP公司收購(gòu))的第一款ZigBee模塊（后續(xù)包括JN5139、JN5148等）。JN5121也是第一款真正意義上兼容于IEEE 802.15.4的低功耗、低成本無線模塊。該模塊內(nèi)置一款32位的RISC處理器，配置有2.4 GHz頻段的IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的無線收發(fā)器，64 KB的ROM，96 KB的RAM，21路GPIO。JN5121內(nèi)置的ROM存儲(chǔ)器，集成了點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信與網(wǎng)狀網(wǎng)通信的完整協(xié)議棧。
(3) SNAP系列
SNAP網(wǎng)絡(luò)是由CEL公司與Synapse Wireless公司合作開發(fā)的面向無線傳感網(wǎng)應(yīng)用的無線mesh協(xié)議。SNAP為復(fù)雜的ZigBee網(wǎng)絡(luò)提供一個(gè)簡(jiǎn)單、可靠、智能的完整組網(wǎng)方案，同時(shí)，因?yàn)槭褂谩皩?duì)等網(wǎng)絡(luò)”概念，功耗優(yōu)化明顯，冗余性能優(yōu)異。SNAP具有很多特點(diǎn)，包括無組網(wǎng)過程、無需預(yù)先構(gòu)架網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、?duì)等網(wǎng)絡(luò)、布網(wǎng)簡(jiǎn)單、內(nèi)置 Python虛擬機(jī)、編程以腳本方式編程、空中升級(jí)以及可在運(yùn)行時(shí)調(diào)用所有功能等。
(4) Ember系列
Ember公司創(chuàng)立于2001年，其開發(fā)技術(shù)源自麻省理工學(xué)院。Ember公司在無線傳感網(wǎng)領(lǐng)域推出的具有代表性的EM250是單片解決方案，它集成了2.4 GHz、兼容IEEE 802.15.4的收發(fā)器以及一個(gè)16位XAP2b微處理器，同時(shí)還集成包括閃存和SRAM存儲(chǔ)器與基于ZigBee應(yīng)用的外設(shè)。EmberNet棧在系統(tǒng)模式下運(yùn)行時(shí)可以連通到芯片的任意區(qū)域；在應(yīng)用模式下，應(yīng)用代碼連通到EM250設(shè)備的通路則相對(duì)受限。
(5) STM32W系列
意法半導(dǎo)體（ST）公司于2009年底推出的STM32W系列無線傳感網(wǎng)射頻集成單片機(jī)，采用32位ARM CortexM3內(nèi)核，片上整合2.4 GHz IEEE 802.15.4收發(fā)器和低功耗MAC、AES128硬件加密引擎，STM32W108內(nèi)置128 KB Flash和8 KB SRAM，具有高性能、低功耗的特點(diǎn)。STM32W108CBU61芯片固化了由Ember公司提供的、經(jīng)過ZigBee Alliance認(rèn)證的ZigBee2007 Pro協(xié)議棧，具有優(yōu)異的性能和良好的兼容性，可以和其他經(jīng)過ZigBee Alliance認(rèn)證的第三方產(chǎn)品互聯(lián)互通。
3.3 開源協(xié)議棧
(1) XBOW及TinyOS
Crossbow(簡(jiǎn)稱XBOW，現(xiàn)被新美半導(dǎo)體收購(gòu))技術(shù)來源于UC Berkeley相關(guān)團(tuán)隊(duì)，而后者是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的開拓者和引領(lǐng)者，共同推出的TinyOS是傳感網(wǎng)領(lǐng)域研究者使用最多的平臺(tái)，其硬件節(jié)點(diǎn)包括 MICA、MICA2、MICAZ等，也是國(guó)際上最流行的硬件平臺(tái)，是研究者和學(xué)習(xí)者理想的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。MICAz產(chǎn)品能夠工作在全球2.4 GHz ISM波段上，且支持IEEE 802.15.4微型無線測(cè)量系統(tǒng)和 ZigBee協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，可以直接使用XBOW提供的成熟xmesh協(xié)議棧，搭建自己的傳感器網(wǎng)絡(luò)。它可以說是做得最正統(tǒng)的傳感器網(wǎng)絡(luò)，基于TinyOS、 nesC開發(fā)。
(2) ZStack協(xié)議棧
ZStack協(xié)議棧是由Chipcon公司（后被TI公司收購(gòu)）開發(fā)的較全面支持ZigBee協(xié)議的開源協(xié)議棧，也是業(yè)界廣泛使用的離產(chǎn)品化較近的協(xié)議棧。ZStack協(xié)議棧支持的芯片包括TI公司的8位MCU CC2530/CC2430、16位MCU MSP430、32位MCU LM3S9B96，Atmel公司的AVR系列MCU，Microchip公司的PIC系列MCU以及Freescale公司的MC1319x等。
TI公司最新提供的32位微控制器LM3S9B96+CC2520做協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，配8位8051核CC2530傳感器采集節(jié)點(diǎn)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)套件是較理想的教學(xué)平臺(tái)。LM3S9B96片內(nèi)有串口、網(wǎng)口、USB口，與主機(jī)通信也可用USB虛擬串口實(shí)現(xiàn)，根本不需要什么嵌入式網(wǎng)關(guān)。
我們與TI公司成立了“北京理工大學(xué)—美國(guó)德州儀器物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室”，TI公司提供了原廠32位MCU和8位MCU評(píng)估套件。我們期待國(guó)內(nèi)公司能夠生產(chǎn)出這種方案的實(shí)驗(yàn)箱。8051內(nèi)核的CC2530 到ARM CortexM3內(nèi)核的LM3S9B96都是MCU，這樣的實(shí)驗(yàn)方案學(xué)生更容易接受，跨度不大。TI原廠方案已評(píng)估，用在物聯(lián)網(wǎng)競(jìng)賽上，設(shè)計(jì)了“智能泊車引導(dǎo)系統(tǒng)”。在本刊發(fā)表論文“LM3S9B96與CC2520平臺(tái)上的ZigBee無線組網(wǎng)技術(shù)及應(yīng)用”。
另外，我們還得到TI公司大學(xué)計(jì)劃支持，為推廣TI公司32位微控制器，編寫了《ARM Cortex核TI微控制器教程》一書。其中“物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集與傳輸”這一章，專門針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)涉及的溫濕度、光照度、加速度傳感器和RFID，給出采集程序。還包括ZigBee點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信和32位網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)內(nèi)容。
ZStack協(xié)議棧上層網(wǎng)絡(luò)部分源碼開放，但和硬件相關(guān)的關(guān)鍵部分是封裝好的，未開放，沒有廠家的支持是沒辦法移植協(xié)議棧的。筆者的研究生曾開題設(shè)計(jì)32位微控制器的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，在移植協(xié)議棧時(shí)碰到了無法解決的問題，后轉(zhuǎn)到完全開源的MsstatePAN。
(3) MsstatePAN協(xié)議棧
源代碼完全開放的MsstatePAN協(xié)議棧，是由密西西比州立大學(xué)的Robert Reese教授在參考Microchip ZigBee Stack的基礎(chǔ)上自己編寫的。該協(xié)議棧支持硬件平臺(tái)CC2430、PIC18C4620+CC2420和MSP430+CC2420。國(guó)內(nèi)一些研究機(jī)構(gòu)也在此精簡(jiǎn)協(xié)議棧上進(jìn)行擴(kuò)充，實(shí)現(xiàn)了一些其原本不具備的功能。
我們利用TI公司收購(gòu)的LM3S系列微控制器設(shè)計(jì)ZigBee硬件節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了該平臺(tái)節(jié)點(diǎn)間的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，掌握了LM3S系列微控制器對(duì)射頻模塊 CC2420的操作。在本刊發(fā)表論文“LM3S1138與CC2420的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信”。最終，我們成功將MsstatePAN協(xié)議棧移植到了 LM3S系列微控制器結(jié)合CC2420無線模塊的硬件平臺(tái)上，與TI公司第三方合作設(shè)計(jì)了物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。
物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要由LM3S811、LM3S9B96和CC2420無線傳輸模塊構(gòu)成，支持LM3S811與LM3S9B96的硬件實(shí)驗(yàn)及 ZigBee組網(wǎng)實(shí)驗(yàn)。該平臺(tái)還可與CC2430終端節(jié)點(diǎn)一起組網(wǎng)。ZigBee組網(wǎng)實(shí)驗(yàn)部分，根據(jù)需要可配置成星狀或樹狀網(wǎng)通信。同時(shí)，為直觀獲知當(dāng)前的組網(wǎng)狀況，針對(duì)此實(shí)驗(yàn)平臺(tái)專門編寫相應(yīng)的PC機(jī)監(jiān)控軟件，能實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)狀態(tài)及數(shù)據(jù)。該ZigBee網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)溫濕度、濕敏電阻、可燃?xì)怏w濃度、煙霧濃度、二氧化碳濃度、光照度、熱釋電人體紅外測(cè)溫、紅外線防盜信號(hào)、加速度、氧氣濃度等一系列傳感器的數(shù)據(jù)采集及無線傳輸。
(4) GOS協(xié)議棧
GOS是中國(guó)科學(xué)院推出的基于C語言的無線傳感網(wǎng)低功耗協(xié)議棧（目前該平臺(tái)由深聯(lián)科技進(jìn)行維護(hù)），其突出特點(diǎn)是完全使用C語言開發(fā)，簡(jiǎn)單高效，具有很好的健壯性，適合于很多工控及其他行業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用。目前GOS主要支持的硬件包括ATmega128、MSP430+CC1000或CC2420，或者其他支持相關(guān)指令集的處理器，以及具有一定開放接口的射頻芯片。
(5) ZigBee 精簡(jiǎn)協(xié)議棧
美國(guó)密西西比州立大學(xué)的Robert Reese 教授出于教學(xué)、科研目的開發(fā)出一套精簡(jiǎn)版(subset) ZigBee 協(xié)議棧。該精簡(jiǎn)協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)了ZigBee協(xié)議的主要功能。國(guó)內(nèi)一些研究機(jī)構(gòu)在此精簡(jiǎn)協(xié)議上進(jìn)行擴(kuò)充, 實(shí)現(xiàn)了一些其原本不具備的功能。
3.4 RFID讀卡器
在嵌入式系統(tǒng)聯(lián)誼會(huì)交流過程中，知曉一種RFID讀卡器模塊，可讀校園一卡通和身份證的ID碼，當(dāng)然余額和身份證信息是不允許讀的。但僅根據(jù)每個(gè)卡的唯一ID碼，也可以設(shè)計(jì)很多應(yīng)用。我們?cè)O(shè)計(jì)了“基于校園一卡通的考勤管理系統(tǒng)”，彌補(bǔ)學(xué)生考勤管理的缺陷。一卡通作為學(xué)生在校身份證明及日常消費(fèi)卡，每個(gè)學(xué)生都有，不用再買其他卡，可用其設(shè)計(jì)很好的物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)案例。
結(jié)語
本文是筆者近一年多來學(xué)習(xí)物聯(lián)網(wǎng)、參加各種會(huì)議的總結(jié)。由于個(gè)人的知識(shí)面有限，考慮問題可能片面，望和國(guó)內(nèi)業(yè)界同仁共同探討國(guó)內(nèi)的物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)，為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用推廣盡自己的微薄之力。物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)不是以理論為主導(dǎo)，重點(diǎn)是在工程應(yīng)用。教學(xué)應(yīng)該由應(yīng)用來驅(qū)動(dòng)，時(shí)刻做好準(zhǔn)備，不斷調(diào)整教學(xué)內(nèi)容。因很難有適合所有學(xué)校的通用課程體系，課程設(shè)置及內(nèi)容應(yīng)重在特色。
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