摘　要：分析了2021年物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)人才需求、培養(yǎng)及其存在的問題，提出了培養(yǎng)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)技能型人才實(shí)訓(xùn)裝置設(shè)計(jì)的四條基本原則。介紹唯眾實(shí)訓(xùn)裝置系統(tǒng)架構(gòu)，網(wǎng)關(guān)、感知層模塊化設(shè)備硬件設(shè)計(jì)，軟件設(shè)計(jì)以及紅外通信、４３３ＭＨｚ、Ｚｉｇｂｅｅ 等通信技術(shù)轉(zhuǎn)換為 ＴＣＰ／ ＩＰ、ＧＰＲＳ網(wǎng)絡(luò)技術(shù)原理。構(gòu)建集基礎(chǔ)性、驗(yàn)證性、設(shè)計(jì)性、綜合性和創(chuàng)新性開發(fā)五位一體綜合實(shí)訓(xùn)裝置，教學(xué)實(shí)踐證明實(shí)訓(xùn)裝置對提高學(xué)生工程實(shí)踐能力和科技創(chuàng)新能力具有重要意義。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；人才培養(yǎng)；模塊化；實(shí)訓(xùn)裝置

１　物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)人才需求、培養(yǎng)及存在問題

1.1國內(nèi)物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)人才需求與培養(yǎng)現(xiàn)狀

目前，我國物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)進(jìn)入了高速發(fā)展階段，已形成上、中、下游全產(chǎn)業(yè)鏈且?guī)?dòng)多個(gè)行業(yè)協(xié)同發(fā)展的產(chǎn)業(yè)布局，產(chǎn)業(yè)規(guī)模比互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)大20倍以上。2009年，物聯(lián)網(wǎng)的產(chǎn)業(yè)規(guī)模只有1700多億元；2013年，產(chǎn)業(yè)規(guī)模突破6000億元，年復(fù)合增長率超30%；2015年產(chǎn)業(yè)規(guī)模猛增至近萬億元。 未來五年，物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)人才缺乏預(yù)測:智能交通,車聯(lián)網(wǎng)市場人才需求約有20萬;智能物流,物流與智能倉儲(chǔ)方市場人才需求約20萬;智能電網(wǎng),智能電網(wǎng)與新能源店里產(chǎn)業(yè)人才需求將達(dá)百萬;智能醫(yī)療,智能醫(yī)療設(shè)備支持與技術(shù)服務(wù)、智能醫(yī)護(hù)管理等人才需求將超百萬;智能工業(yè),過程管理與自動(dòng)化控制的崗位專業(yè)人才需求約50萬;智能農(nóng)業(yè),智能農(nóng)業(yè)各類專業(yè)人才在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)“一二五”當(dāng)中缺口1000萬人以上;智能家居市場人才需求近百萬。物聯(lián)網(wǎng)按人才層次分為研究型人才、工程應(yīng)用型人才及技術(shù)技能型人才；按照崗位需求分為電子設(shè)備技術(shù)人員、芯片設(shè)計(jì)和制造人員、通訊和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)人員、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)應(yīng)用和系統(tǒng)管理人員。為進(jìn)一步促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，2015年，教育部印發(fā)教職成［２０１５］１０ 號(hào)文件，《普通高等學(xué)校高等職業(yè)教育（?？疲I(yè)設(shè)置管理辦法》和《普通高等學(xué)校高等職業(yè)教育（?？疲I(yè)目錄（２０１５ 年）》正式實(shí)施，本次專業(yè)設(shè)置對高等職業(yè)教育（?？疲I(yè)名稱、對應(yīng)職業(yè)、相銜接中職專業(yè)、接續(xù)本科專業(yè)均進(jìn)行明確說明，完善中職－高職－本科的職業(yè)教育人才培養(yǎng)體系，從根本上滿足物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)技術(shù)技能型人才的需求，促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)有序健康發(fā)展。 依據(jù)該文件，高等職業(yè)教育（?？疲I(yè)設(shè)置中涉及物聯(lián)網(wǎng)的相關(guān)專業(yè)包括設(shè)施農(nóng)業(yè)與裝備、智能交通技術(shù)運(yùn)用、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)工程技術(shù)、物流信息技術(shù)等專業(yè)，培養(yǎng)學(xué)生主要從事職業(yè)包括農(nóng)業(yè)、交通運(yùn)輸、信息和通信、管理工程、工業(yè)工程等領(lǐng)域的業(yè)務(wù)銷售、生產(chǎn)管理、產(chǎn)品開發(fā)、產(chǎn)品運(yùn)營、測試實(shí)施和系統(tǒng)維護(hù)等環(huán)節(jié)工程技術(shù)（管理）人才。 同時(shí)將原有智能電網(wǎng)技術(shù)、傳感網(wǎng)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)三個(gè)專業(yè)合并為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)，新增物聯(lián)網(wǎng)工程技術(shù)專業(yè)。

1.2物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)現(xiàn)狀及存在問題

我國物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)專業(yè)開設(shè)于 ２０１０ 年，而且大部分專業(yè)設(shè)置初期都是在計(jì)算機(jī)、電子信息等專業(yè)基礎(chǔ)上新開設(shè)的專業(yè)，學(xué)校專業(yè)實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)室、師資隊(duì)伍等也都是在以上專業(yè)的教學(xué)資源基礎(chǔ)上加以整合、改造或轉(zhuǎn)型形成的，因此，實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)環(huán)境以及裝置設(shè)備難以跟上物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)發(fā)展最新趨勢。同時(shí)，現(xiàn)階段各學(xué)校在使用的物聯(lián)網(wǎng)綜合實(shí)訓(xùn)裝置都存在以下幾個(gè)問題：第一，設(shè)備實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目僅停留在驗(yàn)證性或簡單設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)；第二，實(shí)訓(xùn)教學(xué)資源配套不受重視尤其是創(chuàng)新性、綜合性實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目缺乏必要的實(shí)訓(xùn)教學(xué)資源；第三，開設(shè)實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目難以與現(xiàn)實(shí)生活有機(jī)銜接，人才培養(yǎng)未能滿足崗位需求；第四，物聯(lián)網(wǎng)通用技能尤其是硬件設(shè)計(jì)開發(fā)技能未能得到訓(xùn)練；第五，綜合實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目應(yīng)用情境過于單一；第六，重視開發(fā)，輕集成。

２　實(shí)訓(xùn)裝置設(shè)計(jì)原則

2.1模塊化組合式設(shè)計(jì)

隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，分布式、自組網(wǎng)大規(guī)模數(shù)據(jù)采集已成為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)特點(diǎn)，同時(shí)由于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的廣泛性，采用模塊化組合式設(shè)計(jì)實(shí)訓(xùn)裝置符合數(shù)據(jù)采集終端分布式特點(diǎn)，且可以按照物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)架構(gòu)將數(shù)據(jù)采集感知層設(shè)備與采集終端處理單元相分離，增強(qiáng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的靈活性，從而拓寬系統(tǒng)應(yīng)用情境。

2.2兼顧開發(fā)和系統(tǒng)集成能力訓(xùn)練

依據(jù)物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)技術(shù)人才培養(yǎng)層次劃分，高職專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)定位于工程應(yīng)用型和技術(shù)技能型人才，因此，實(shí)訓(xùn)裝置的開發(fā)應(yīng)同時(shí)兼顧開發(fā)能力和系統(tǒng)集成能力的培養(yǎng)。 在系統(tǒng)軟硬件組成設(shè)計(jì)、實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)、實(shí)訓(xùn)教學(xué)資源制作等方面應(yīng)重點(diǎn)突出物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)通用技能，包括系統(tǒng)開發(fā)與系統(tǒng)集成能力，并在不同的項(xiàng)目實(shí)施情境或載體中相融合。

2.3配備教學(xué)資源包

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)裝置對教學(xué)資源包都不予重視，造成實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)裝置使用效益和實(shí)訓(xùn)效果低下。 實(shí)訓(xùn)裝置的開發(fā)同時(shí)配套實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)講義、各層次實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目過程中涉及的源代碼、工具軟件、開發(fā)環(huán)境、技術(shù)文檔、工程管理文件、項(xiàng)目完成的效果視頻等實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)資源包，為學(xué)生實(shí)訓(xùn)構(gòu)建起全方位的學(xué)習(xí)框架。

2.4教學(xué)、創(chuàng)新開發(fā)和技能競賽相結(jié)合

實(shí)訓(xùn)裝置的設(shè)計(jì)要考慮承擔(dān)相近專業(yè)（群）、不同課程、不同教學(xué)層次的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)任務(wù)，要求實(shí)訓(xùn)裝置必須滿足開設(shè)基礎(chǔ)性實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目、驗(yàn)證性實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目、設(shè)計(jì)性實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目等實(shí)訓(xùn)教學(xué)任務(wù)，同時(shí)還應(yīng)滿足開設(shè)創(chuàng)新開發(fā)的綜合性、創(chuàng)新性實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目等的能力，兼顧全國職業(yè)院校技能競賽、電子設(shè)計(jì)大賽、挑戰(zhàn)杯競賽等學(xué)科競賽賽前集訓(xùn)的需要，提高裝置的實(shí)用性和先進(jìn)性。

３　唯眾物聯(lián)網(wǎng)實(shí)訓(xùn)裝置的實(shí)現(xiàn)

3.1系統(tǒng)架構(gòu)

實(shí)訓(xùn)裝置的系統(tǒng)架構(gòu)如圖 １ 所示。 按照物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)架構(gòu)，實(shí)訓(xùn)裝置分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層。

感知層主要負(fù)責(zé)傳感器數(shù)據(jù)采集和處理、控制指令的執(zhí)行等任務(wù)；包括各類環(huán)境數(shù)據(jù)傳感器、ＲＦＩＤ、二維碼、圖像視頻等采集任務(wù)；同時(shí)負(fù)責(zé)對繼電器、門鎖以及各類家電進(jìn)行控制。網(wǎng)絡(luò)層主要負(fù)責(zé)對紅外通信、４３３ＭＨｚ、Ｚｉｇｂｅｅ等物理層通信方式進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議轉(zhuǎn)換、傳輸，數(shù)據(jù)最終通過 ＴＣＰ／ ＩＰ、ＧＰＲＳ 等網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)。 其中網(wǎng)關(guān)通過串口連接 Ｚｉｇｂｅｅ 網(wǎng)絡(luò)及 ＧＰＲＳ 模塊，通過ＷＩＦＩ 網(wǎng)絡(luò)連接智能中控；智能中控負(fù)責(zé) ＴＣＰ／ ＩＰ 網(wǎng)絡(luò)與 ４３３ＭＨｚ 直接通信轉(zhuǎn)換； 紅外轉(zhuǎn)發(fā) 器 負(fù) 責(zé)４３３ＭＨｚ 與紅外信號(hào)直接進(jìn)行轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)各類物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)互通互聯(lián)。系統(tǒng)應(yīng)用層主要建設(shè)各類 ＡＰＰ、ＷＥＢ 應(yīng)用程序，為用戶提供應(yīng)用程序?qū)ο到y(tǒng)實(shí)施遠(yuǎn)程監(jiān)測和實(shí)時(shí)控制。

3.2硬件設(shè)計(jì)

3.2.1網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)智能網(wǎng)關(guān)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(yùn) 行 主 頻 達(dá) １.8ＧＨｚ， 配 有內(nèi)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(yùn)算，支持TensorFlow、Pytorch、Caffe、Mxnet、Darknet、Onnx主流深度學(xué)習(xí)框架。核心板載留有1路SPI接口、4路GPIO口、1個(gè)電源指示燈、2路ADC接口、2路IIC接口、1個(gè)16G儲(chǔ)存eMMC、1路1000Mbps以太網(wǎng)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(fù)位按鍵、1路SIM卡座。

3.2.2感知層模塊化設(shè)備

感知層終端微控制器選用 STC15W4K56S4 單片機(jī)和 ＣＣ２５３０ 微處理器。 STC15W4K56S4由中央處理器（ＣＰＵ）、程序存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、定時(shí)／ 計(jì)數(shù)器、ＵＡＲＴ 串口、Ｉ／ Ｏ 接口、高速 ＡＤ 接口、ＳＰＩ 接口、看門狗及片內(nèi)振蕩等模塊組成。 ＣＣ２５３０ 芯片內(nèi)部集成 ８０５１ 硬核、無線收發(fā)器、ＡＤＣ 模塊、６４ＫＢ 的ＦＬＡＳＨ 存儲(chǔ)器、２１ 個(gè)通用 ＧＰＩＯ 和兩個(gè) ＵＡＲＴ 接口。 其無線發(fā)射頻率為 ２．４ＧＨｚ，最大數(shù)據(jù)傳輸速率為 ２５０ｋｂｉｔ／ ｓ。感知層終端節(jié)點(diǎn)的硬件實(shí)物圖如圖 ３ 所示，硬件框架如圖 ４ 所示。 該類設(shè)備由傳感器模塊、執(zhí)行控制器模塊、ＣＰＵ 主處理模塊、通信模塊構(gòu)成，全部模塊化設(shè)計(jì)，可自由組合完成基礎(chǔ)性和創(chuàng)新性的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)任務(wù)。 其主要的模塊化設(shè)備如表 １ 所示。

表 １　實(shí)訓(xùn)裝置感知層主要模塊參數(shù)情況

3.3通信技術(shù)原理

3.3.1 433ＭＨｚ 射頻通信－ＴＣＰ／ＩＰ網(wǎng)絡(luò)通信實(shí)現(xiàn)

傳統(tǒng) ４３３ＭＨｚ 射頻通信存在成本低、實(shí)用性好等優(yōu)點(diǎn)，常見于無線數(shù)據(jù)采集等領(lǐng)域，同時(shí)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)必須能實(shí)現(xiàn)廣域網(wǎng)的互通互聯(lián)，因此，實(shí)訓(xùn)裝置必須考慮傳統(tǒng) ４３３ＭＨｚ 通信技術(shù)與國際通行 ＴＣＰ／ ＩＰ網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換，在該實(shí)訓(xùn)裝置中，選用了目前常見的傳輸模塊SI4432，設(shè)備具有 ４３３ＭＨｚ 無線收發(fā)功能，智能學(xué)習(xí)無線設(shè)備和遙控開關(guān)，對碼簡單；完全兼容 ＲＳ２３２、ＲＳ４８５ 接品規(guī)范，雙向通信；支持信號(hào)中繼，信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)，狀態(tài)實(shí)時(shí)同步更新；軟件界面完全圖形化等優(yōu)點(diǎn)。

3.3.2紅外轉(zhuǎn)發(fā)器

紅外轉(zhuǎn)發(fā)器主要完成對接收到的 ４３３ＭＨｚ 射頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的紅外信號(hào)，其電路主要原理圖如圖 ５ 所示。 ４３３ＭＨｚ 射頻信號(hào)模塊收到的信號(hào)接到ＮＥ５５５ 芯片的第四引腳，用于調(diào)制 ＮＥ５５５ 產(chǎn)生的３８ＫＨｚ 信號(hào)，最終驅(qū)動(dòng) ＶＴ９０１３ 三極管，紅外發(fā)射管即可發(fā)射相應(yīng)紅外信號(hào)，控制對應(yīng)設(shè)備。

由 ＮＥ５５５ 組成多諧振蕩器的頻率計(jì)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(diào)試測試需要以及誤差，Ｒ４ 取 １００ｋΩ 電位器。

3.4軟件設(shè)計(jì)

實(shí)現(xiàn)裝置開發(fā)過程軟件設(shè)計(jì)工作主要在于ＵＢｏｏｔ 移植、內(nèi)核配置和移植、根文件系統(tǒng)制作、常見應(yīng)用模塊的驅(qū)動(dòng)以及其測試程序等。 其開發(fā)的步驟及各開發(fā)階段所完成軟件工作如圖 ６ 所示，大部分提供 ＤＥＭＯ 程序供學(xué)生實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)學(xué)習(xí)用。

４　實(shí)訓(xùn)內(nèi)容

物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)主要實(shí)訓(xùn)課程包括傳感器技術(shù)應(yīng)用、單片機(jī)原理與接口技術(shù)、Ｚｉｇｂｅｅ 與 ＲＦＩＤ 技術(shù)實(shí)踐、Ｌｉｎｕｘ 操作系統(tǒng)、嵌入式技術(shù)應(yīng)用和物聯(lián)網(wǎng)綜合實(shí)訓(xùn)等課程，該實(shí)訓(xùn)裝置可以滿足以上課程實(shí)訓(xùn)需要，其開設(shè)的主要項(xiàng)目包括驗(yàn)證性、基礎(chǔ)性、設(shè)計(jì)性、綜合性和創(chuàng)新開發(fā)等五位一體實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目體系，主要實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目如表 ２ 所示。

表 ２　實(shí)訓(xùn)裝置開設(shè)主要實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目

５　結(jié)語

實(shí)訓(xùn)裝置構(gòu)建了以 Ｃｏｒｔｅｘ－Ａ72架構(gòu) RK3399pro主處理器為物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，融合了紅外通信、４３３ＭＨｚ 射頻通信、 Ｚｉｇｂｅｅ 網(wǎng)絡(luò)、 ＧＰＲＳ 網(wǎng)絡(luò)以及ＴＣＰ／ ＩＰ 網(wǎng)絡(luò)等物聯(lián)網(wǎng)常見通信技術(shù)，同時(shí)結(jié)合嵌入式技術(shù)和計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)設(shè)計(jì)開發(fā)了一套集基礎(chǔ)性、驗(yàn)證性、設(shè)計(jì)性、綜合性和創(chuàng)新開發(fā)實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目以及配套一系列實(shí)訓(xùn)教學(xué)資源系統(tǒng)。

經(jīng)過教學(xué)實(shí)踐證明，唯眾物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)綜合實(shí)訓(xùn)裝置承辦《2020促進(jìn)金磚工業(yè)創(chuàng)新合作大賽總決賽“未來技能” 賽道物聯(lián)網(wǎng)賽項(xiàng)》硬件環(huán)境搭建、《2020一帶一路暨金磚國家技能發(fā)展與技術(shù)創(chuàng)新大賽物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及其在智慧城市中的應(yīng)用賽項(xiàng)》硬件環(huán)境搭建、《2020年黑龍江省物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)職業(yè)技能大賽》硬件環(huán)境搭建、《2019年湖北省職業(yè)院校技能大賽（高職組）物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用賽項(xiàng)》硬件環(huán)境搭建及數(shù)十個(gè)中高職院校物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)實(shí)訓(xùn)室實(shí)訓(xùn)環(huán)境搭建，實(shí)訓(xùn)裝置有力地促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)教學(xué)改革，提高物聯(lián)網(wǎng)工程應(yīng)用型和技術(shù)技能型人才培養(yǎng)的可持續(xù)性，對培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐能力，提高實(shí)訓(xùn)教學(xué)有效性和針對性具有重要意義。

本文參考：模塊化物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)綜合實(shí)訓(xùn)裝置設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 陳彥彬; 林燕雄; 黃佳旭; 錢德明; 鐘小寅 實(shí)驗(yàn)室科學(xué) 2018?