物联网技术在嵌入式课程体系中的建设与研究

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  摘要:从物联网的基本概念出发,介绍了物联网组成、特点及发展前景。根据物联网系统环境,对物联网相关课程依附于嵌入式课程体系进行了课程设计,涉及了专业基础课、专业课、专业任选课及课程设计中应该包含的相关课程及在物联网中处于的位置。
  关键词:物联网;嵌入式系统;课程设计
  作者简介:王小妮(1977-),女,山东威海人,北京信息科技大学理学院,讲师。(北京 100192)
  基金项目:本文系2011年北京市教委科技发展计划面上项目(项目编号:KM201110772018)的研究成果。
  中图分类号:G642 文献标识码:A 文章编号:1007-0079(2013)10-0105-02
  2010-2012年教育部先后审批通过了138所高等院系开设了物联网相关专业,各高校也相继开始招生,但物联网专业体系建设和专业人才培养仍缺乏统一的标准。物联网中基于Zigbee技术的网络是一种新兴的短距离、低速率的无线网络,其以传感器、嵌入式系统为核心,构建了一个覆盖日常生活中万物的网络系统,被许多业内专家称为下一代的网络。[1]奥巴马就任美国总统后与美国工商业领袖举行的“圆桌会议”上,IBM首席执行官彭明盛首次提出“智慧的地球”这一概念,得到了奥巴马的积极回应,“智慧的地球”已经上升至美国的国家战略。温家宝同志在中科院无锡高新微纳传感网工程技术研发中心考察时,提出“感知中国”概念。温家宝同志说,“当计算机和互联网产业大规模发展时,我们因为没有掌握核心技术而走过一些弯路”。在传感网发展中,要早一点谋划未来,早一点攻破核心技术。“感知中国”概念就是通过“物联网”让所有的物品都与网络连接在一起,方便识别和管理。物联网目前大家普遍认同的也是百度百科上的定义是“通过射频识别(RFID)、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,把任何物品与互联网相连接,进行信息交换和通信,以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络概念”。
  物联网(The Internet of Things)即“物物互联”,是近年来出现的一种新型计算模式,建立在嵌入式系统、无线传感器网络、分布式计算、通信网络、移动计算等技术的飞速发展和日益成熟的基础上,将各种物体充分联接,通过无线网络将采集到的实时动态信息传送到中央服务处理中心,进行汇总、分析、处理、显示和控制。[2]嵌入式系统在物联网中扮演了尤其重要的角色。嵌入式系统作为目前支撑物联网主要服务提供者已经成为现实。北京航空航天大学何立民教授提出了关于物联网的十点看法——从嵌入式系统看物联网,他提出物联网不是互联网的延伸,嵌入式系统应有自己的语言与话语权,并分析了物联网与云计算的关系。广东电子工业研究院季统凯院长提出云计算产业化的思考,讲述了云计算的概念、技术特点及其在中国的产业化机遇,云计算的嵌入式系统前景。
  一、物联网技术概述
  无线通讯网络按其组网控制方式可分为集中式控制和分布式控制。[3]集中式控制系统如蜂窝移动通信系统,其依靠基站和移动交换为中心。分布式控制系统如Ad hoc网络,其能临时快速自动将分布式节点组网。无线分布式网络主要分三类:Ad Hoc网络、无线传感器网络及无线Mesh网络。Ad Hoc为无线自动自组织网络,其不需要基站或交换机为中心,而是在移动环境中由移动节点组成的一种临时多跳无线移动通信网络。无线传感器网络是Ad Hoc网络的一个特例,由大量低功耗、具备信息采集、处理和传输功能的传感器节点组成对设备进行实时监控的网络。无线Mesh网络是在Ad Hoc网络基础上解决无线接入发展起来的,具有更高的网络容量和故障自恢复性的多跳网络。现在人们关注比较多的物联网属于无线分布式网络系统,物联网示意图如图1所示。
  物联网系统可以通过远端的声音、图像、压力、温度、烟雾等信号的采集或通过RFID、指纹、声纹、条码等身份识别,将信息通过物联网络传送到中央服务器进行分析。当信息量比较大时,这种物联网传送信息的速度会降低,满足不了如实时系统对速度和可靠性有高需求的系统。实时系统在数据传送过程中,对物联网络的传送速度及带宽有很高要求,需要快速、可靠地将远端有效信息传送到中央服务器,对远端情况能及时掌握,如果出现异常现象能及时报警并处理。
  1.物联网组成
  身份识别部分,包括软件ID、条码、Mac地址、RFID、生物识别技术等;监测与控制部分,包括传感器、执行机构等;数据传输部分,包括总线方式、ZigBee网络、GSM/3G网络、Wifi网络等;信息采集部分,包括单片机系统、嵌入式系统、X86系统、Gpio/串口/总线/USB接口系统等;数据中心部分,包括数据库、网络服务器等;数据访问部分,包括B/S模式、浏览器、短信/电话/邮件、个人PC/专用手持设备/手机等访问终端;移动设备部分,包括物流车辆、工程车辆、包裹、私人轿车等。
  2.物联网系统
  (1)物联网计算设备。各种移动设备或嵌入式设备,如PDA、汽车导航系统、智能卡、智能手机、POS销售机等。
  (2)传感设备及其互联。适合普适计算的新型网络、传感、设备、终端等,及其互联互通问题,包括位置、温度、压力、生化等传感器,和传感器网络的自组织、低能耗、通信等支撑技术;嵌入式、便携式、可穿戴、专用化等新型用户终端设备和交互设备,设备间的信息互换方式和标准化。[3]
  (3)物联网计算的软件技术。在操作系统和中间件上支持在异构动态多样的计算环境中有效完成用户任务的支撑技术,包括软件平台的体系结构、构建模式、开发与编程模式等;资源和服务的发现、重组,运行现场的重构,安全保障。
  (4)物联网计算应用。智能空间如智能家庭、智能汽车、智能交通、智能会议室等;老年人智能家居及其他物联网计算应用系统。[4]   3.物联网特点
  物联网主要特点:
  (1)分布式。分布式网络由分布在不同地点的多个终端节点互连组成,数据可以选择多条路径传输。分布式网络没有中心,不会因为中心被破坏造成整体崩溃。
  (2)自组织。节点能够随时加入和离开网络,节点的变化或故障不会影响网络的运行。
  (3)多跳路由。无线分布式网络中的终端节点信息需要通过大量节点多跳多次传输才能到达目的节点,因此需要设计一个好的路由算法加快数据传输,并保证网络的健壮性。
  (4)节点移动和动态拓扑。由于节点的移动,无线射频信号的有效范围也在发生改变,当节点移动到另一个节点传输范围时,这两个节点间通讯的无线链路就形成了;当节点超出另一个节点的传输范围,这两个节点间通讯的无线链路就断开,这样就形成了动态的拓扑网络。
  (5)终端资源受限。移动节点一般由MCU、FLASH和电池组成。与PC机比较,PC机采用性能高的CPU,主频速度、计算能力比MCU微控制器都要高出上百倍。PC机采用硬盘来存放数据,而移动节点由于造价和空间的限制一般采用FLASH备份数据,FLASH存储容量比硬盘少的多。PC一般使用不间断电源供电,而移动节点一般都使用电池供电,电池资源有限,一旦电池能源耗尽,该节点就失去作用,并且有些节点会处于不太容易更换电池的偏远地方,因此无线分布式网络设计时要考虑电能问题。
  (6)安全性差。无线网络的信号散布在不可靠的物理通信媒体中,其广播式传播存在着安全隐患。因此在设计无线分布式网络时要考虑安全性问题。
  对于图2中物联网网络,实现虚线表示移动节点无线发送有效范围,实线表现实现无线链路节点间连接。[5]
  4.物联网前景
  基于ZigBee技术的物联网的出现极大地方便了人们的工作和生活,以其低速率、低成本、低功耗的等特点,一般应用在以下几种领域中:
  (1)家庭自动化。空调控制、照明开关等家居设备的远程控制以使其更加节能、便利,烟尘、有毒气体探测器等可自动监测异常事件以提高安全性。
  (2)医疗领域。通过物联网可以将采集到的病人数据实时的传输到病人的监控数据库中,此外还可以制成医疗传感器、病人的紧急呼叫按钮等。
  (3)工业自动化。利用传感器和物联网使数据的自动采集、分析和处理变得更加容易。
  (4)此外,ZigBee技术还有更加广泛地应用在智能建筑、现代农业以及环境检测上。
  二、物联网课程设计
  物联网包括三大部:底层硬件采集部分即感知层、无线网络通讯部分即网络层、终端应用部分即应用层。
  1.专业基础课
  专业基础课是为物联网中底层硬件采集部分设计做准备的。感知层是物联网的皮肤和五官,主要功能是信息感知与采集,主要包括二维码标签和识读器、RFID标签和读写器、摄像头、各种传感器(如温度感应器、声音感应器、震动感应器、压力感应器)等。
  构成物联网课程的前序基础课程包括“电路”、“数字电子”、“模拟电子”、“计算机组成原理与接口”、“通信电路”和“C语言程序设计”,这些课程是电子类、信息类及计算机类专业共同的专业基础课,是学习电子类产品设计的基础课程。随着物联网中各种各样信息的需求,大量的传感器应用在工业生产中,它们传达着温度、湿度、压力、角度、位移、气体浓度等不同的物理量信息。在大型的复杂系统中,传感器发挥着非常重要的作用,所蕴含的信息量极为丰富,具有数据容量大、测试对象较多、层次多等特点。针对物联网采集终端获得信息的特性,在专业基础课中加入了“传感器技术”课程,介绍各种传感器的软硬件功能及使用方法,包括电阻应变式传感器、电感式传感器、电容式传感器、压电式传感器、磁敏式传感器、光电式传感器、热电式传感器。
  2.专业课
  专业课是为物联网无线网络通讯部分做准备的。网络层是物联网的神经中枢和大脑—用于传递信息和处理信息。网络层解决的是传输和预处理感知层所获得数据的问题,这些数据可以通过移动通信网、互联网、企业内部网、各类专网、小型局域网等进行传输。
  构成物联网课程的专业课包括“嵌入式操作系统”、“嵌入式系统及应用”、“计算机网络”、“嵌入式软件设计”和“嵌入式系统安全”。网络层中的感知数据管理与处理技术是实现以数据为中心的物联网的核心技术,包括传感网数据的存储、查询、分析、挖掘和理解,以及基于感知数据决策的理论与技术。由于物联网必须兼容和继承现有的TCP/IP网络、无线移动网络等,因此现有网络安全体系中的大部分机制仍然可以适用于物联网,并能够提供一定的安全性,如认证机制、加密机制等,但是还需要根据物联网的特征对安全机制进行调整和补充。
  3.专业任选课
  专业任选课是为终端应用部分设计的。应用层是物联网与行业专业技术的深度融合,结合行业需求实现行业智能化。
  构成物联网课程的专业任选课包括“DSP技术及应用”、“无线传感器网络技术”和“物联网技术”。物联网应用层利用经过分析处理的感知数据,为用户提供丰富的特定服务。实现物联网的关键技术主要包括:射频识别技术与无线传感器网络技术、通信和网络技术、软件技术、硬件技术、数据处理技术和安全保护。应用层是物联网发展的体现,软件开发、智能控制技术将会为用户提供丰富多彩的物联网应用。
  4.课程设计
  支撑物联网课程的相关课程设计有:“电工电子实习”2周,主要训练电子仪器使用如万用表、示波器、电路板焊接等基本技能;“电子电路课程设计”2周,训练学生掌握电子电路设计中的理论设计、查阅资料、选择元器件、计算机辅助设计、实际动手安装、调试等全过程,培养电子线路设计基本能力,强化学生的数字电子技术和模拟电子技术的综合应用应用,支撑学生参加电子竞赛;“硬件电路综合设计”3周,训练设计实现一个硬件系统(比如设计实现一个模拟数字混合系统、单片机控制等,包括电路设计、仿真、组装、调试、测试等全套流程),主要训练Protel使用的单片机应用;“传感器技术课程设计”1周,培养学生综合运用各种传感器元器件进行传感器系统设计的能力;“物联网综合性课程设计”3周,学生在前述实践能力基础上,面向物联网领域的应用,设计实现相应功能系统。
  三、结束语
  物联网作为一个新兴产业,目前还处在起步阶段。发展物联网突出的障碍,包括技术标准还在制定之中、商业模式不够成熟、产业链尚未形成、配套的法律法规及政策亟待出台。所以在制定物联网相关专业课程设置时,可依靠嵌入式课程体系设置情况,根据各个学校专业发展特点,设置适合本专业发展的物联网课程体系。
  参考文献:
  [1]Xiaoni Wang.Resource-aware clustering based routing protocol in the Internet of Things[C]. Proceedings of The 4th International Conference on Awareness Science and Technology (iCAST2012) Seoul, Korea. 21-24, August 2012:20-25.
  [2]朱近之.智慧的云计算——物联网的平台[M].北京:电子工业出版社,2011.
  [3]王海涛,郑少仁.Ad Hoc传感网络的体系结构及其相关问题[J].解放军理工大学学报(自然科学版),2003,4(1):1-6.
  [4]王小妮,郝媛.物联网技术在现代远程教育领域的应用[J].中国电力教育,2012,(6):113-114.
  [5]安辉耀,王新安,李挥,等.移动自组网中的先进路由算法与路由协议[M].北京:科学出版社,2009.
  (责任编辑:宋秀丽)
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