從物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成看物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的知識體系

引言

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)目前成為全球各行業(yè)各領(lǐng)域研究和應(yīng)用的熱 點(diǎn)，它能給我們的經(jīng)濟(jì)、生活帶來巨大的變革。隨著物聯(lián)網(wǎng) 的興起，對人才的需求必然會有一個飛躍性的增長。專家預(yù)測 10年內(nèi)就可能會大規(guī)模普及，產(chǎn)生一個上萬億元規(guī)模的高科 技市場，因此社會對物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)方面的人才需求巨大。國家 教育部從2010年3月，發(fā)布了《關(guān)于戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)相關(guān)專業(yè) 申報和審批工作的通知》，隨后我國有數(shù)百所大學(xué)申報和準(zhǔn)備 申報物聯(lián)網(wǎng)或傳感網(wǎng)專業(yè)。

信息獲取、信息傳輸和信息處理，這三個部分構(gòu)成了信 息產(chǎn)業(yè)的三大支柱，他們也是物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的三個組成部分。電 子、通信、計(jì)算機(jī)是物聯(lián)網(wǎng)三大支柱中的必備學(xué)科。其中每 一個學(xué)科都有一套人才培養(yǎng)的知識體系，而每一個學(xué)科又有 多個方向。而物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)需要這三個學(xué)科知識的支撐，所 以物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)可選擇的基礎(chǔ)、專業(yè)課程眾多，所涉及的應(yīng) 用更是無處不在，在教學(xué)上往往會希望面面俱到但是又無所 適從。如何根據(jù)具體情況做出取舍是一個值得探討的課題。

各院校物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的課程體系設(shè)計(jì)不盡相同，有的 甚至差異很大。絕大部分院校的物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)課課程體 系只是對物聯(lián)網(wǎng)工程涉及的多學(xué)科領(lǐng)域現(xiàn)有課程進(jìn)修簡單的 裁剪和疊加，再增加物聯(lián)網(wǎng)導(dǎo)論等專業(yè)核心課程，這類課程 體系沒有體現(xiàn)出物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的特色。因此有必要從物聯(lián)網(wǎng) 技術(shù)自身發(fā)展、物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)企業(yè)人才需求和學(xué)生自身素質(zhì)全面 發(fā)展三個角度，對物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)人才培養(yǎng)方案進(jìn)行分析探 討。

許昌學(xué)院2013年通過國家教育部審批通過，開始招收物 聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的學(xué)生，在探索物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)培養(yǎng)方案的過 程中，我們也借鑒了許多高校的經(jīng)驗(yàn)和做法，也尋求了多家企業(yè)的合作，目前對該專業(yè)的課程設(shè)置也有了自己的看法和思考。 我們可以從物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)體系架構(gòu)和人才就業(yè)方向入手，探究不 同人才培養(yǎng)就業(yè)方向在體系架構(gòu)中所需要的核心技術(shù)和課程, 從而理清思路，為物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)培養(yǎng)方案和課程體系的設(shè) 置提供參考。

1物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)體系框架

圖1物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)體系框圖

物聯(lián)網(wǎng)的整體架構(gòu)如圖1所示，從圖中可以看出，物聯(lián)網(wǎng) 按照網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)可以分為應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層和感知層。圍繞著這三 層，可以探討其中所需要的核心知識，從而得出物聯(lián)網(wǎng)工程專 業(yè)學(xué)生所需的知識體系。

2.1感知層

感知層的主要作用是信息的感知和采集，主要由感知器 件來實(shí)現(xiàn)各類信息的采集，如各種傳感器、RFID,各種二維碼、 紅外和智能裝置等。

在這一層中，需要具備的知識主要包括：

各種傳感器的功能、性能、結(jié)構(gòu)、特性和工作原理等內(nèi)容；

RFID、條形碼等的相關(guān)知識；

各種智能終端的特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)、工作原理等。

根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的特點(diǎn)，不需要對傳感器的具體細(xì) 節(jié)做過多的認(rèn)識和學(xué)習(xí)，只需要簡單了解和使用即可，所以不 需要開始相關(guān)的傳感器原理等課程。但是傳感器所采集到的 信息需要有相應(yīng)的硬件進(jìn)行收集處理并上傳至網(wǎng)絡(luò)層進(jìn)行發(fā) 送，可以說嵌入式是整個物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)部分，所以有必要開 設(shè)嵌入式相關(guān)的課程。

與嵌入式相關(guān)的硬件主要包括：單片機(jī)、ARM和FPGA 三種。

2.1.1單片機(jī)

單片機(jī)的使用非常廣泛，而且在后續(xù)網(wǎng)絡(luò)層中所使用的 CC2530 ZigBee模塊中也包括單片機(jī)模塊，因此，單片機(jī)課程 應(yīng)成為物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)所必開的課程。與之相配套的課程包 括：C語言程序設(shè)計(jì)、電路和電子學(xué)和數(shù)字電路。有些學(xué)校 還開設(shè)有計(jì)算機(jī)組成原理和微機(jī)原理與接口技術(shù)，筆者認(rèn)為, 這兩門課程可以選擇一門進(jìn)行開設(shè)。

計(jì)算機(jī)組成原理主要面向計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生進(jìn)行考取研 究生需要，并且它可以讓學(xué)生從計(jì)算機(jī)整體的結(jié)構(gòu)、功能和 組成角度認(rèn)識和理解整個處理器、存儲器和輸入輸出系統(tǒng)之 間是如何協(xié)同工作的。微機(jī)原理與接口技術(shù)主要面向接口，但 是其中接口的內(nèi)容可以放到單片機(jī)課程中進(jìn)行講解和實(shí)踐，而 匯編語言的相關(guān)內(nèi)容在計(jì)算機(jī)組成原理課程中也可以進(jìn)行補(bǔ) 充和加強(qiáng)，所以筆者建議只需選用計(jì)算機(jī)組成原理課程進(jìn)行 開設(shè)即可。

ARM

ARM是一個總稱，其中也包含系列產(chǎn)品，對于物聯(lián)網(wǎng)工 程專業(yè)的學(xué)生來說，ARM也是其知識體系中必備的一項(xiàng)內(nèi)容。 單片機(jī)無法運(yùn)行操作系統(tǒng)，因此在有些情況下需要用到更高級 的處理器。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)和許多高級的電子產(chǎn)品都需要用到它。 開設(shè)與嵌入式相關(guān)的課程還需要開設(shè)Linux操作系統(tǒng)，有必 要對Linux的使用和主要組成有一個清晰的認(rèn)識和掌握。另 夕卜還有嵌入式應(yīng)用層開發(fā)的高級語言，如C++等。

FPGA

FPGA是一個提高性的內(nèi)容，如果偏電子設(shè)計(jì)與開發(fā)的 學(xué)?？梢钥紤]開設(shè)，或者可以為學(xué)生開設(shè)相關(guān)的選修課程, 增加學(xué)生的知識面和視野。但是由于這門課程的難度要高于 前兩部分，所以筆者認(rèn)為可以根據(jù)學(xué)校的特點(diǎn)和學(xué)生接受能 力進(jìn)行取舍，它可以不算作物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)學(xué)生所必備的知識 體系成員。

RFID技術(shù)和條形碼技術(shù)

對于RFID而言,是目前應(yīng)用最為普遍的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)， 所以它理所當(dāng)然成為物聯(lián)網(wǎng)學(xué)生知識體系中不可或缺的部分, 因此建議開設(shè)RFID技術(shù)與應(yīng)用課程，除了講解RFID原理之 夕卜，還要針對RFID的應(yīng)用進(jìn)行相應(yīng)的開發(fā)和實(shí)踐。

2.2網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層主要負(fù)責(zé)將感知層采集到的信息進(jìn)行傳輸。目前 常用的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議包括：ZigBee、藍(lán)牙、Wi-Fi和433等，所使 用的通信網(wǎng)絡(luò)主要有2G/3G/4G電信網(wǎng)和傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)。所以在 這一層次上，需要學(xué)習(xí)的內(nèi)容主要包括ZigBee技術(shù)、無線傳 感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信原理、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等內(nèi)容。

針對無線網(wǎng)絡(luò)，除了 ZigBee之外，還有Wi-Fi、藍(lán)牙和 其他無線傳輸技術(shù)，如300 MHz、433 MHz、915 MHz無線 通信技術(shù)，對它們的特點(diǎn)和應(yīng)用也應(yīng)當(dāng)給予適當(dāng)?shù)闹v解。尤 其目前藍(lán)牙4.0技術(shù)已經(jīng)得到了比較大的改進(jìn)，蘋果新推廣的 ibeacon技術(shù)有可能會對藍(lán)牙技術(shù)起到大力推廣的作用，所以 對這幾種技術(shù)應(yīng)當(dāng)讓學(xué)生都有所接觸和認(rèn)識。在課程中可以體 現(xiàn)在物聯(lián)網(wǎng)導(dǎo)論、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行講解。另外在課程 設(shè)計(jì)和實(shí)踐活動中，可以對這些技術(shù)予以應(yīng)用加深學(xué)生的理 解和掌握。

2.3應(yīng)用層

物聯(lián)網(wǎng)目前的應(yīng)用非常廣泛，但是就應(yīng)用層技術(shù)而言主 要是應(yīng)用層軟件的開發(fā)，所以物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)生應(yīng)該掌握的主要 技術(shù)應(yīng)該包括Java技術(shù)和移動平臺應(yīng)用程序開發(fā)技術(shù)，但是 偏硬件和體系構(gòu)成的學(xué)生可以淡化這兩個內(nèi)容的學(xué)習(xí)，偏軟件 的學(xué)生應(yīng)該加強(qiáng)這兩項(xiàng)技術(shù)的訓(xùn)練。

另外，目前提得比較多的云計(jì)算和大數(shù)據(jù)的內(nèi)容，也應(yīng) 體現(xiàn)在物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)學(xué)生的知識體系之中。云計(jì)算其實(shí)應(yīng) 該是云服務(wù)，它主要包括三個方面的內(nèi)容，即laaS、PaaS和 SaaS。在這三個內(nèi)容中,PaaS是目前云服務(wù)所用到最多的技術(shù)， 所以要讓物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的學(xué)生對這項(xiàng)技術(shù)有所了解，從而為 后續(xù)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用服務(wù)開發(fā)開拓更寬廣的思路。

就目前物聯(lián)網(wǎng)的主要應(yīng)用案例來看，每個案例往往是這 三層的綜合，所以物聯(lián)網(wǎng)工程的學(xué)生的知識體系在這三層中離 開了哪一層都不完整。我們從這三層出發(fā)，梳理出了大致的脈 絡(luò)，有了比較清晰的思路，再根據(jù)所定位的學(xué)生的就業(yè)方向予 以加入相關(guān)的專業(yè)知識或者根據(jù)學(xué)生的培養(yǎng)定位增刪一些相 關(guān)的內(nèi)容，即可確定相應(yīng)的培養(yǎng)方案。

3物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)人才就業(yè)方向分析

在人才需求方面，各地政府紛紛上馬物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目，急需 大量的物聯(lián)網(wǎng)人才。由于物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的一些課程涵蓋了電子、 通信和計(jì)算機(jī)三個學(xué)科領(lǐng)域，所以學(xué)生的就業(yè)范圍比較廣泛, 但是也有有人提出質(zhì)疑，認(rèn)為物聯(lián)網(wǎng)三個學(xué)科都有所涉及但 是哪一個學(xué)科都沒有學(xué)精，所以就給物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)學(xué)生的就業(yè) 規(guī)劃提出了問題。

目前許多高校往往會結(jié)合自身的原有學(xué)科特點(diǎn)，對某一 方面有所側(cè)重，關(guān)鍵是看學(xué)生的培養(yǎng)目標(biāo)，并且要和當(dāng)?shù)氐?經(jīng)濟(jì)特點(diǎn)相結(jié)合，有所側(cè)重，也就是要瞄準(zhǔn)行業(yè)應(yīng)用而開展， 這樣才能做到有的放矢。

也有專家提出來了相應(yīng)的物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)學(xué)生就業(yè)可從事的行 業(yè)主要有[8]:

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)架構(gòu)師、物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)管理員、網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用 系統(tǒng)管理員等核心職業(yè)崗位以及物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備技術(shù)支持與營銷等 相關(guān)職業(yè)崗位；

物聯(lián)網(wǎng)終端系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā);

物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)工程師，進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)軟件系統(tǒng) 的設(shè)計(jì)與開發(fā);

無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和管理；

物聯(lián)網(wǎng)在智能系統(tǒng)、普適計(jì)算、工業(yè)控制、信息處理、 通訊和管理等領(lǐng)域的應(yīng)用開發(fā)和工程實(shí)現(xiàn)；

高等院校和科研院所與物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的教學(xué)科研工作。

從以上專家所列出的就業(yè)方向來看，可以將就業(yè)方向也 歸納為硬件、網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用三個大類，這和以上根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)基 本架構(gòu)所描述的知識體系基本吻合。

物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的人才有自身特有的素質(zhì)構(gòu)成，與計(jì)算 機(jī)、通信和自動化專業(yè)的學(xué)生比較起來，主要有以下特點(diǎn)図:

計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生要么側(cè)重于計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的研究 與應(yīng)用，要么側(cè)重于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的組網(wǎng)、管理或者開發(fā), 但缺少物聯(lián)網(wǎng)工程應(yīng)用中所必須的傳感、控制、通信等領(lǐng)域的 知識。

通信專業(yè)側(cè)重于使學(xué)生掌握基本的通信原理，但對物聯(lián) 網(wǎng)中所涉及的傳感、嵌入式和應(yīng)用開發(fā)涉及較少。

自動化專業(yè)雖然對物聯(lián)網(wǎng)中必須的傳感和控制技術(shù)等有 所側(cè)重，但是對于計(jì)算機(jī)應(yīng)用開發(fā)領(lǐng)域涉及較少。

由此可見，對物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的人才而言，是適應(yīng)物聯(lián) 網(wǎng)行業(yè)的特點(diǎn)而具備更綜合的專業(yè)素質(zhì)。

4知識體系基本構(gòu)成

通過以上的分析，綜合物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)和人才就業(yè)方向 的定位，另外與二本層次學(xué)生的特點(diǎn)相結(jié)合，可以歸納出物聯(lián) 網(wǎng)工程專業(yè)學(xué)生的知識架構(gòu)，歸納總結(jié)如下：

基礎(chǔ)知識相關(guān)課程：數(shù)學(xué)(高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)、概率 論與數(shù)理統(tǒng)計(jì))、英語、電工與電子學(xué)(在這門課中包含有電 路分析和模擬電路)、數(shù)字電路、C語言、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、計(jì)算機(jī) 網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算機(jī)組成原理。

專業(yè)必備知識：物聯(lián)網(wǎng)導(dǎo)論、Linux操作系統(tǒng)、Java語 言程序設(shè)計(jì)、RFID技術(shù)與應(yīng)用、傳感器原理與應(yīng)用、單片機(jī)、 嵌入式技術(shù)、通信原理、無線傳感網(wǎng)絡(luò)、云計(jì)算和移動互聯(lián) 網(wǎng)開發(fā)。

專業(yè)實(shí)訓(xùn)課程：安卓系統(tǒng)開發(fā)、ZigBee課程設(shè)計(jì)、RFID 課程設(shè)計(jì)、無線傳感網(wǎng)課程設(shè)計(jì)。

另外可增加：印制電路板設(shè)計(jì)、數(shù)字信號處理、EDA等 相關(guān)課程，以擴(kuò)展學(xué)生的學(xué)習(xí)視野和基本技能。

5實(shí)踐教學(xué)的開展

實(shí)踐教學(xué)模塊有基礎(chǔ)實(shí)踐教學(xué)部分和專業(yè)實(shí)踐教學(xué)部分。 基礎(chǔ)實(shí)踐教學(xué)部分由“基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)一綜合設(shè)計(jì)一應(yīng)用創(chuàng)新”三個 層次組成。第一層主要培養(yǎng)學(xué)生的基本技能，以電子技術(shù)學(xué) 習(xí)為主。通過電子技術(shù)的學(xué)習(xí)使學(xué)生掌握元器件的辨別和使用， 結(jié)合專業(yè)課程的教學(xué)，進(jìn)行課程實(shí)驗(yàn)，掌握基本知識和基本 技能等；第二層主要包括各門課程的課程設(shè)計(jì)、電子綜合設(shè) 計(jì)以及先進(jìn)設(shè)計(jì)工具EDA技術(shù)，旨在培養(yǎng)學(xué)生的綜合設(shè)計(jì)能 力、團(tuán)隊(duì)合作能力以及創(chuàng)新意識；第三層是應(yīng)用創(chuàng)新層，引導(dǎo) 學(xué)生參加大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽、挑戰(zhàn)杯作品大賽和科研項(xiàng)目等。

專業(yè)實(shí)踐教學(xué)部分注重物聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)一一嵌入式系 統(tǒng)技術(shù)。通過開設(shè)硬件設(shè)計(jì)一條線課程(單片機(jī)、嵌入式、 RFID技術(shù)、傳感器網(wǎng)絡(luò))和軟件設(shè)計(jì)一條線課程(C語言、 面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)、嵌入式操作系統(tǒng)、移動互聯(lián)網(wǎng)開發(fā))，使 學(xué)生系統(tǒng)掌握嵌入式系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)技術(shù)，掌握物聯(lián) 網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧和實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)通信。

6結(jié)語

物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)由于涵蓋的學(xué)科范圍廣，在學(xué)生知識體系 構(gòu)建方面需要花費(fèi)較大力氣進(jìn)行研究，從物聯(lián)網(wǎng)自身的體系架 構(gòu)來探討物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)人才所必須的知識體系，在滿足基礎(chǔ) 知識體系的前提下，結(jié)合相應(yīng)的就業(yè)方向，增加適當(dāng)?shù)奶厣n 程，構(gòu)建出適應(yīng)各個學(xué)校特色的培養(yǎng)方案，從而培養(yǎng)出適應(yīng) 行業(yè)需求的物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)人才。

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