基于树莓派、IoT平台和AppInventor构建职业院校物联网技术实验教学环境研究

来源:用户上传      作者:侯敬熙

　　摘   要：物联网技术快速发展的今天，市场上对物联网专业人才的需求也逐渐增大，职业学校计算机专业改革也在向物联网技术方向转变。不过，职业学校在实施物联网技术教学实验环境过程中，遇到了一些困难。文章将结合树莓派、IoT平台和AppInventor等技术，探索适合职校学生特点的物联网实验教学环境，培养厚基础、宽口径、强能力的综合性人才。
　　关键词：职业院校;物联网;实验环境
　　1    职业学校物联网教学困境
　　当前，物联网技术受到各职业院校的重视，职业学校也积极加强了物联网专业规则和课程设置，在中山市全职业学校当中，有已开设物联网专业的，也有有意开设物联网专业或已开展物联网课程探究的。物联网目前教学在仍处于探索与实践的阶段，人才培养的数量和质量与市场的实际需求有较大的差距。导致物联网教学困境的有如下因素。
　　1.1  物联网实践教学不科学
　　物联网是多个学科技术交叉融合的新兴发展技术，主要涉及网络、软件开发和电子等综合的学科应用。大多数职业学校学科体系不能与市场接轨，使实训课程只能通过模拟软件进行教学，或者以理论讲解为主、实践教学活动并没有真正达到预期中的教学效果。
　　1.2  物联网教学设备价格不菲
　　物联网作为一个新开设的专业，意味着需要投入资源，然而，物联網当前没有统一的应用规范和标准，很多厂商面向职业院校提供价格不菲的物联网实训室的解决方案，而且这些解决方案标准不一致、灵活性差，使得学校付出高成本，学生却达不到实际工程的应用技能标准。
　　1.3  校企合作程度低
　　职业院校物联网专业课程的重点是培养学生从事物联网系统建设中工程施工与管理和设备的安装、调试、维护、运行管理等一线工作。由于现在不同企业应用场景和标准不一致，没有企业参与教学过程，培养出来的学生大多都不能做到对口就业，更不用谈高质量就业。
　　2    物联网实验环境的设计方案
　　构建“理实一体化”物联网实验环境为：感知层、网络层和应用层。所构建的实验环境，不能只偏重某一技术开展，应以典型的综合项目开展实训。
　　2.1  感知层—树莓派
　　感知层主要通过传感器实现环境信息的采集，需要用到的设备较多且复杂。树莓派是一款基于Linux系统的卡片式计算机，很容易得到各种配套的硬件模块和多种开发工具[1]。
　　2.2  网络层—IoT平台
　　网络层的主要任务是传感器和数据的存储和管理，当前国内做得比较好物联网云平台（IoT平台）有中国移动OneNet平台、百度IoT平台等，文章后面的教学实例将采用中国移动OneNet平台进行演示。
　　2.3  应用层—AppInventor
　　应用层作为与用户直接交互的接口层，将用户的各种反馈操作由应用层告诉系统，采用AppInventor，以图形化、拼接式的方式开发物联网应用程序，能在一定程度上规避复杂的程序语言学习[2]。
　　3    温度监控教学实例
　　结合以上设备建成一套实用可靠的物联网实验环境，以温度监控课例进行介绍。
　　3.1  树莓派传感器的搭建
　　在本实例中采用热敏电阻作为温度传感器，需要用到的器材包括：面包板和跳线、1 kΩ热敏电阻、2个1 kΩ电阻、330 nF电容器，在树莓派编辑器中定义GPIO接口，获取热敏电阻的读数并转化为温度读数，将阻值转换为以摄氏度为单位的温度，通过热敏电阻的阻值计算温度的时候，需要利用Steinhart-Hart方程进行一些复杂的数学运算。
　　3.2  在树莓派上安装MQTT协议的Python扩展库
　　消息队列遥测传输（Message Queueing Telemetry Transport ，MQTT）是一种轻量级消息传递协议，提供的消息发布和订阅机制，可以实现设备之间（一对多）的消息交互，适用于物联网连接设备的通信，把传感器的数据通过MQTT协议上传到服务器，在树莓派中编写代码，传入通信地址、端口和超时时间。
　　3.3  中国移动OneNet平台
　　OneNet平台是由中国移动打造的PaaS物联网开放平台，从端到云，从数据采集、传输、计算、存储、展现到分析，都提供了全面的基础产品和服务。OneNet平台通过主流的物联网协议（如HTTP，EDP，MQTT，Modbus，JT/T808等）帮助设备与云端之间建立安全可靠的双向连接，还支撑海量设备的数据收集、监控、故障等各种物联网场景，其完善的协议封装、简化的开发流程，适合职校学生水平应用。
　　（1）创建产品：进入OneNet平台的开发者中心，创建一个公开协议产品，接入协议为MQTT。
　　（2）新建设备：在OneNet平台上创建设备，通过调用创建设备API实现设备的创建，输入设备的设备名、接入协议、鉴权信息以及MasterKey等信息。创建消息发布与订阅，输入主题topic，选择该身份拥有的权限，发布消息（Publish）、订阅消息（Subscribe），成功创建消息发布者和订阅者身份。
　　（3）配置MQTT客户端：在MQTT客户端填写连接参数相数信息，配置文件名称（Profile Name）、地址域名（Broker Address）、端口（Broker Port）、自动生成ID号（Client ID），成功连接后，即可开始订阅消息。打开Subscribe标签，配置主题topic，选择默认的QoS 0，完成进行订阅操作。
　　3.4  AppInventor应用开发 　　在中国移动OneNet平台开发者中心配置第三方应用开发，调用API数据，以JSON数据交换格式将数据传送到应用层，在应用层使用AppInventor与网络服务进行数据交互。AppInventor可以让使用者在不懂编程语言情况下，以可视化的拖放、拼接模块，将解释的JSON数据结果分项显示在手机应用，通过运用AppInventor完成物联网应用层的开发，学生不用纠缠编程的细节，也能训练计算思维，理解应用层实现过程。测试完成好的物联网系统，将安装好热敏传感器的树莓派放置在不同的环境下，在手机应用程序中点击“获取温度”按钮，能够实时反馈温度信息。
　　4    不同类型物联网实验平台的对比
　　在实践中，结合树莓派、中国移动OneNet平台和AppInventor构建适合职校学生的物联网实验环境，符合学生的认知规律，满足物联网教学需求，使学生能够随时将自己的创意开发成为现实。与中山某高校正在使用的实验环境作对比，文章的实验环境可实现一人一套设备开展实训，没有封闭了各层次的实现过程与CC2530和ZigBee协议原理相通，通用性和扩展性也强，关键是价格不贵，比动辄要几十万的设备来说，可以被大部分学校接受。
　　文章的物联网实验环境是依据物联网层次结构为基础，集教学和应用与一体的物联网解决方案，每个层次的实现方法并不是唯一，可以依据具体情况进行替换，如感知层使用arduino，网络层使用阿里智能云，应用层使用Android开发或微信小程序等都可以完成物联网项目的实施[3]。
　　中山当前物联网教学受学制和学生学习能力、学校资金投入、实训条件、师资等因素限制，大部分学校不能建设完整的物联网实验环境。文章的实验环境在有限的资源条件下，完善了物联网的知识教学与实训，以典型的应用系统综合实训，能有效达到学生培养目标。
　　5    结语
　　在产教融合的大背景下，物联网岗位结构呈现层次多、知识结构跨度大的特点，加强对物联网实验环境的建设势在必行。文章在教学实践中采用树莓派、中国移动OneNet平台和AppInventor构建的物联网实验环境，实现对树莓派傳感器设备的远程控制，可以适应多种应用场景，进一步提高学生对物联网的应用能力，培养能适应社会经济转型升级的物联网人才。
　　[参考文献]
　　[1]温江涛，张煜.物联网智能家居平台DIY[M].北京：科学出版社，2014.
　　[2]谢作如，郑祥，张洁.跟我学AppInventor2[M].北京：清华大学出版社，2017.
　　[3]刘继元.基于树莓派的物联网应用[J].电子世界，2016（8）：24-25.
　　Research on experimental teaching environment of Internet of Things technology
　　in vocational college based on Raspberry Pie， IoT platform and AppInventor
　　Hou Jingxi
　　（Zhongshan No.1 Secondary Vocational and Technical School， Zhongshan 528400， China）
　　Abstract：With the rapid development of Internet of Things technology， the market demand for Internet of Things professionals is gradually increasing， and the reform direction of computer major in secondary vocational schools is also changing in the direction of Internet of Things technology. However， the vocational school encountered some difficulties in the implementation of the Internet of Things technology teaching experimental environment. This paper explored the Internet of Things experimental teaching environment suitable for secondary vocational school students by combining the technology of Raspberry Pie， IOT platform and App Inventor， and cultivated comprehensive talents with thick foundation， wide caliber and strong ability.
　　Key words：vocational college; Internet of Things; experimental environment
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