一种紧耦合的物联网教育实训系统及其实训方法

摘要

本发明一种紧耦合的物联网教育实训系统及其实训方法涉及一种物联网产品开发与综合培训的实践系统，特别适用于企业、科研院所和高校使用。包括目标对象模块、感知控制模块、服务提供模块、运维管控模块、资源交换模块和用户模块；所述服务提供模块分别与感知控制模块、运维管控模块、资源交换模块和用户模块相联；感知控制模块分别与运维管控模块以及资源交换模块相联；服务提供模块通过感知控制模块采集目标对象模块的信息；用户模块分别与资源交换模块、运维管控模块以及目标对象模块相联；资源交换模块与运维管控模块相联。从实战角度训练学生实际开发能力，也可作为物联网从业人员技能培训教学工具和物联网小微企业产品原型快速开发测试工具。

说明书

技术领域

本发明一种紧耦合的物联网教育实训系统及其实训方法涉及一种物联网产品开发与综合培训的实践系统，特别适用于企业、科研院所和高校使用。

背景技术

目前市场上存在很多基于物联网的研发培训工具，但大多是实训台硬件设备的形式，缺乏行业和产品标准，只能实训单一的技能，无法在统一系统上进行跨学科、多行业的综合集成，且主要都还是以技能知识点训练为主，忽略对综合技术能力的培养，“重建设，轻应用”、“重硬件、轻软件”、“重知识，轻实践”，导致实训课程缺乏吸引力，学生学习缺乏积极性、主动性，毕业生实操能力弱，不能适应岗位要求，现有人才培养模式与企业岗位实际要求之间相去甚远。

发明内容

本发明的目的是针对上述不足之处提供一种紧耦合的物联网教育实训系统及其实训方法，由目标对象、感知控制、服务提供、运维管控、资源交换和用户六大模块构成，在教学实训或产品开发过程中，按照工程项目实施方法，进行该系统的需求分析、方案设计、技术选型、产品集成、抗干扰设计、布局设计，然后由培训对象或开发人员自主进行功能模块的选择、安装、布线、接线，进而进行功能编程、整机调试等工作。通过该过程，培训对象能够经历一次实际的物联网应用系统产品的集成、安装和调试过程，企业也可以快速搭建产品原型，进行技术功能验证。系统将各种开发培训项目相关资源有机结合，有效提高实训用户的专业能力、方法能力和社会能力。

本发明是采取以下技术方案实现的：

紧耦合的物联网教育实训系统包括目标对象模块、感知控制模块、服务提供模块、运维管控模块、资源交换模块和用户模块；

所述服务提供模块分别与感知控制模块、运维管控模块、资源交换模块和用户模块相联；感知控制模块分别与运维管控模块以及资源交换模块相联；服务提供模块通过感知控制模块采集目标对象模块的信息；用户模块分别与资源交换模块、运维管控模块以及目标对象模块相联；资源交换模块与运维管控模块相联。

目标对象模块包括感知对象和控制对象，所述感知对象是具有感知互动能力的传感器和执行器，所述控制对象是没有感知互动能力的对象；

感知控制模块包括物联网网关、传感器网络、电子标签、智能设备采集器、音视频采集器和位置信息采集器，所述感知控制模块是附着在目标对象模块中实际物体上的虚拟物体；

服务提供模块是紧耦合的物联网教育实训系统的核心部件；服务提供模块包括业务服务部分和基础服务部分，服务提供模块采用硬件集成化，具有可扩展接口和外设；

服务提供模块具有虚拟仿真环境，支持多种数据可视化技术，能够直接与物联网开放平台和第三方软件对接，教学和开发应用人员能够利用软件开发环境进行各种嵌入式及应用层软件开发；

服务提供模块内还具有知识库，知识库中具有知识、样本和案例；

资源交换模块包括信息资源交换部分和市场资源交换部分；资源交换模块具有与其他物联网线上线下资源的交互接口，所述物联网上线下资源包括线下的高校培训资源、企业职位需求、行业协会发布的行业动态和政府部门的行业政策；资源交换模块还具有与线上的各种物联网开放平台、以及互联网上众多的第三方软件工具的交互接口；

运维管控模块提供保障整个系统正常运转的功能实体，所述功能实体包括包括运行维护系统和法规监管系统；所述运行维护系统包括系统安全管理、设备故障报警、设备维修流程、接入权限管理和用户信息管理；所述法规监管系统是应用实训和产品开发所需遵循的法规监管系统，是物联网系统售后服务应用实训的重点环节。

用户模块是紧耦合的物联网教育实训系统的针对用户对象，用户对象包括政府用户、企业用户和公众用户三类，不同用户的需求分析是这一模块的重点。

所述控制对象包括物体或化学反应。

所述感知控制模块包括硬件节点、嵌入式软件、固件、功能和应用程序。

服务提供模块通过传感模块、传感执行设备、3.3V电压模块、隔离继电器模块和PWM调压模块等来实现对现场环境的感知及操作；通过以太网模块、RS232模块、RS485模块、Modbus模块、Zigbee无线模块、WiFi无线模块、蓝牙无线模块、GPRS无线模块和LoRa无线模块等来实现对感知数据和操作指令的双向传输；通过网关和上位机来实现信息的分析和处理。

所述外设包括温湿度传感器、步进电机、电吹风、轴流风机、加湿器、可调光LED灯、电控锁、报警器、模拟卷帘门、红外、烟感和震动传感器等；所述接口包括RS232、TTL和RJ45等，为不同的实训项目提供丰富的功能基础。

服务提供模块能以知识、样本、案例的建设为主，贯穿于教育实训或产品开发过程中，按照工程项目实施方法，进行该系统的需求分析、方案设计、技术选型、产品集成、抗干扰设计、布局设计，然后由培训对象或开发人员自主进行功能模块的选择、安装、布线、接线，进而进行功能编程、整机调试等工作。

紧耦合的物联网教育实训系统的实训方法包括如下步骤：

1）按照目标对象模块中的实际场景以及用户模块的实际需求确定所需要感知控制的信息；

2）设置感知控制模块，确定采用的传感器和执行器类型，通过有线和无线的接口将采集数据上传到网关设备，并接收网关下发的控制指令；以TCP/IP统一协议将步骤2）中所述采集数据和控制指令输出给用户模块、服务提供模块、资源交换模块和运维管控模块；

所述采集数据包括温度、湿度、形变、光照和移动量；

所述控制指令包括开启、关闭和调整工作参数；

3）用户模块通过TCP/IP查询调用步骤2）中感知控制模块的采集数据，直接操作设备；服务提供模块通过网关调用步骤2）中感知控制模块的采集数据，向执行器发送操作指令；资源交换模块通过webservice调用步骤2）中感知控制模块的采集数据，并将该数据发送给第三方软件系统；运维管控模块调用传感器、执行器和网关的工作参数，并进行设备维护；

4）服务提供模块对步骤2）中感知控制模块的采集数据进行统计分析，向用户模块提供针对性的服务；资源交换模块通过webservice调用所述服务提供模块统计分析后的数据给第三方软件系统，运维管控模块调用服务提供模块的系统工作参数，并进行软件维护；用户模块通过屏幕、鼠标键盘、语音等人机接口与服务提供模块进行数据交互，通过资源交换模块了解第三方软件系统的数据信息，通过运维管控模块了解物联网系统运行状态。

本发明按照目标对象、感知控制、服务提供、运维管控、资源交换和用户这六大模块来搭建物联网教育实训系统，提供了一种紧耦合的系统设计方法，为物联网系统的设计开发提供一种可用标准；采用硬件+软件+知识库紧耦合的系统参考架构，包含了物联网应用技术的所有专业层面，实现学业与就业岗位零距离对接的培训模式；摒弃了以知识点教学为主的传统实训模式，以物联网应用需求出发，不仅适用于高校物联网专业学生的实训教学，同时也提供和相关商用系统的接口，为物联网小微企业和创业者的产品原型开发和功能测试供高效工具，服务于物联网的创新创业。克服了传统实训系统单纯技术演示的缺点，从实战的角度来训练物联网专业学生的实际开发能力，同时也可作为物联网从业人员的技能培训教学工具，以及物联网小微企业的产品原型快速开发测试工具。

附图说明

以下将结合附图对本发明作进一步说明：

图1是本发明紧耦合的物联网教育实训系统的系统架构图。

具体实施方式

参照附图1，本发明紧耦合的物联网教育实训系统包括目标对象模块、感知控制模块、服务提供模块、运维管控模块、资源交换模块和用户模块；

目标对象模块包括感知对象和控制对象，所述感知对象是具有感知互动能力的传感器和执行器，所述控制对象是没有感知互动能力的对象，包括物体或化学反应；

感知控制模块包括物联网网关、传感器网络、电子标签、智能设备采集器、音视频采集器和位置信息采集器，所述感知控制模块是附着在目标对象模块中实际物体上的虚拟物体，包括了硬件节点，嵌入式软件，固件，功能和应用程序等；

服务提供模块是紧耦合的物联网教育实训系统的核心部件；服务提供模块包括业务服务部分和基础服务部分，服务提供模块采用硬件集成化，具有可扩展接口和外设；服务提供模块是一个集成化的物联网系统的感知互动、网络传输和应用服务的实现载体；

服务提供模块通过传感模块、传感执行设备、3.3V电压模块、隔离继电器模块和PWM调压模块等来实现对现场环境的感知及操作；通过以太网模块、RS232模块、RS485模块、Modbus模块、Zigbee无线模块、WiFi无线模块、蓝牙无线模块、GPRS无线模块和LoRa无线模块等来实现对感知数据和操作指令的双向传输；通过网关和上位机来实现信息的分析和处理；

所述外设包括温湿度传感器、步进电机、电吹风、轴流风机、加湿器、可调光LED灯、电控锁、报警器、模拟卷帘门、红外、烟感和震动传感器等；所述接口包括RS232、TTL和RJ45等，为不同的实训项目提供丰富的功能基础；

服务提供模块具有虚拟仿真环境，支持多种数据可视化技术，能够直接与物联网开放平台和第三方软件对接，教学和开发应用人员能够利用软件开发环境进行各种嵌入式及应用层软件开发；

服务提供模块内还具有知识库，能以知识、样本、案例的建设为主，贯穿于教育实训或产品开发过程中，按照工程项目实施方法，进行该系统的需求分析、方案设计、技术选型、产品集成、抗干扰设计、布局设计，然后由培训对象或开发人员自主进行功能模块的选择、安装、布线、接线，进而进行功能编程、整机调试等工作。

资源交换模块包括信息资源交换部分和市场资源交换部分；资源交换模块具有与其他物联网线上线下资源的交互接口，所述物联网上线下资源包括线下的高校培训资源、企业职位需求、行业协会发布的行业动态和政府部门的行业政策；资源交换模块还具有与线上的各种物联网开放平台、以及互联网上众多的第三方软件工具的交互接口。

运维管控模块提供保障整个系统正常运转的功能实体，所述功能实体包括包括运行维护系统和法规监管系统；所述运行维护系统包括系统安全管理、设备故障报警、设备维修流程、接入权限管理和用户信息管理等；所述法规监管系统是应用实训和产品开发所需遵循的法规监管系统，是物联网系统售后服务应用实训的重点环节。

用户模块是紧耦合的物联网教育实训系统的针对用户对象，用户对象包括政府用户、企业用户和公众用户三类，不同用户的需求分析是这一模块的重点。

服务提供模块分别与感知控制模块、运维管控模块、资源交换模块和用户模块相联；感知控制模块分别与运维管控模块以及资源交换模块相联；服务提供模块通过感知控制模块采集目标对象模块的信息；用户模块分别与资源交换模块、运维管控模块以及目标对象模块相联；资源交换模块与运维管控模块相联。

紧耦合的物联网教育实训系统的实训方法包括如下步骤：

1）按照目标对象模块中的实际场景以及用户模块的实际需求确定所需要感知控制的信息；

2）设置感知控制模块，确定采用的传感器和执行器类型，通过有线和无线的接口将采集数据上传到网关设备，并接收网关下发的控制指令；以TCP/IP统一协议将步骤2）中所述采集数据和控制指令输出给用户模块、服务提供模块、资源交换模块和运维管控模块；

所述采集数据包括温度、湿度、形变、光照和移动量；

所述控制指令包括开启、关闭和调整工作参数；

3）用户模块通过TCP/IP查询调用步骤2）中感知控制模块的采集数据，直接操作设备；服务提供模块通过网关调用步骤2）中感知控制模块的采集数据，向执行器发送操作指令；资源交换模块通过webservice调用步骤2）中感知控制模块的采集数据，并将该数据发送给第三方软件系统；运维管控模块调用传感器、执行器和网关的工作参数，并进行设备维护；

4）服务提供模块对步骤2）中感知控制模块的采集数据进行统计分析，向用户模块提供针对性的服务；资源交换模块通过webservice调用所述服务提供模块统计分析后的数据给第三方软件系统，运维管控模块调用服务提供模块的系统工作参数，并进行软件维护；用户模块通过屏幕、鼠标键盘、语音等人机接口与服务提供模块进行数据交互，通过资源交换模块了解第三方软件系统的数据信息，通过运维管控模块了解物联网系统运行状态。

下面结合具体操作列出其中一个具体实施例。

紧耦合的物联网教育实训系统使用时，按照下述步骤进行：第一步，引导学生和开发者分析物联网系统的实际需求。结合图1中的用户模块，分析使用系统的是政府用户、企业用户，还是公众用户，不同用户对系统的功能需求，从需求来确定系统的其它构件。

第二步，根据第一步的用户需求分析，结合图1中的目标对象模块，引导学生和开发者分析物联网系统需要感知的对象和控制的对象。实施例有物联网技术渗透最深的环境监测、工业4.0、绿色农业、智能家居、供应链管理和公共安全等领域中的目标对象可以是有感知互动能力的传感器和执行器，也可以是没有感知互动能力的房间，空气，一棵树，一片湖或某种化学反应。

第三步，根据第二步的物联网系统的目标对象特征，结合图1中的感知控制模块引导学生和开发者设计物联网网关、传感器网络、电子标签、智能设备采集、音视频采集、位置信息采集等感知控制系统，是附着在图1中目标对象模块中实际物体上的虚拟物体，包括了硬件节点，嵌入式软件，固件，功能和应用软件等。

第四步，根据第三步的感知控制软硬件系统，结合图1中服务提供模块，利用硬件+软件+知识库的一系列为满足系统用户需求的实体、资源和服务来引导学生和开发者实现产品的技术开发。硬件主要由模块化设计的实训台，以及配套的各种接插件，是一个完整物联网系统的感知互动、网络传输和应用服务的实现载体；软件承载于硬件之上，包括arm、linux、java、.net等各种开发环境和工具包，以及虚拟仿真环境，支持多种数据可视化技术，能够直接与物联网开放平台和第三方软件对接，教学和开发应用人员能够利用软件开发环境进行各种嵌入式及应用层软件开发；知识库以知识、样本、案例的建设为主，贯穿于教育实训或产品开发过程中，按照工程项目实施方法，进行该系统的需求分析、方案设计、技术选型、产品集成、抗干扰设计、布局设计，然后由培训对象或开发人员自主进行功能模块的选择、安装、布线、接线，进而进行功能编程、整机调试等工作。

第五步，根据第四步的确定的系统服务提供能力，结合图1中的资源交换模块和运维管控模块，引导学生和开发者了解整个物联网系统实际运行后需要关注的领域。一个物联网系统一般都会与其他系统有线上和线下资源交互的接口，学生和开发者也需要了解线下的高校培训资源、企业职位需求、行业协会发布的行业动态、及政府部门的行业政策，以及线上的各种物联网开放平台，以及互联网上众多的第三方软件工具。保障整个物联网系统正常运转的功能实体还包括系统安全管理，设备故障报警，设备维修流程，接入权限管理和用户信息管理等运行维护系统，这也是物联网系统售后服务应用实训的重点环节。