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

引言

物聯(lián)網(wǎng)技術目前成為全球各行業(yè)各領域研究和應用的熱 點，它能給我們的經(jīng)濟、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)技術方面的人才需求巨大。國家 教育部從2010年3月，發(fā)布了《關于戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)相關專業(yè) 申報和審批工作的通知》，隨后我國有數(shù)百所大學申報和準備 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、計算機是物聯(lián)網(wǎng)三大支柱中的必備學科。其中每 一個學科都有一套人才培養(yǎng)的知識體系，而每一個學科又有 多個方向。而物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)需要這三個學科知識的支撐，所 以物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)可選擇的基礎、專業(yè)課程眾多，所涉及的應 用更是無處不在，在教學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)的課程體系設計不盡相同，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)工程涉及的多學科領域現(xiàn)有課程進修簡單的 裁剪和疊加，再增加物聯(lián)網(wǎng)導論等專業(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) 技術自身發(fā)展、物聯(lián)網(wǎng)相關企業(yè)人才需求和學生自身素質(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)方案進行分析探 討。

許昌學院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)的課程設置也有了自己的看法和思考。 我們可以從物聯(lián)網(wǎng)技術體系架構和人才就業(yè)方向入手，探究不 同人才培養(yǎng)就業(yè)方向在體系架構中所需要的核心技術和課程, 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 置提供參考。

1物聯(lián)網(wǎng)技術體系框架

圖1物聯(lián)網(wǎng)技術體系框圖

物聯(lián)網(wǎng)的整體架構如圖1所示，從圖中可以看出，物聯(lián)網(wǎng) 按照網(wǎng)絡架構可以分為應用層、網(wǎng)絡層和感知層。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、結構、特性和工作原理等內(nèi)容；

RFID、條形碼等的相關知識；

各種智能終端的特點、結構、工作原理等。

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

與嵌入式相關的硬件主要包括：單片機、ARM和FPGA 三種。

2.1.1單片機

單片機的使用非常廣泛，而且在后續(xù)網(wǎng)絡層中所使用的 CC2530 ZigBee模塊中也包括單片機模塊，因此，單片機課程 應成為物聯(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語言程序設計、電路和電子學和數(shù)字電路。有些學校 還開設有計算機組成原理和微機原理與接口技術，筆者認為, 這兩門課程可以選擇一門進行開設。

計算機組成原理主要面向計算機專業(yè)的學生進行考取研 究生需要，并且它可以讓學生從計算機整體的結構、功能和 組成角度認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。微機原理與接口技術主要面向接口，但 是其中接口的內(nèi)容可以放到單片機課程中進行講解和實踐，而 匯編語言的相關內(nèi)容在計算機組成原理課程中也可以進行補 充和加強，所以筆者建議只需選用計算機組成原理課程進行 開設即可。

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)的學生來說，ARM也是其知識體系中必備的一項內(nèi)容。 單片機無法運行操作系統(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)關和許多高級的電子產(chǎn)品都需要用到它。 開設與嵌入式相關的課程還需要開設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識和掌握。另 夕卜還有嵌入式應用層開發(fā)的高級語言，如C++等。

FPGA

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

RFID技術和條形碼技術

對于RFID而言,是目前應用最為普遍的物聯(lián)網(wǎng)應用技術， 所以它理所當然成為物聯(lián)網(wǎng)學生知識體系中不可或缺的部分, 因此建議開設RFID技術與應用課程，除了講解RFID原理之 夕卜，還要針對RFID的應用進行相應的開發(fā)和實踐。

2.2網(wǎng)絡層

網(wǎng)絡層主要負責將感知層采集到的信息進行傳輸。目前 常用的網(wǎng)絡協(xié)議包括：ZigBee、藍牙、Wi-Fi和433等，所使 用的通信網(wǎng)絡主要有2G/3G/4G電信網(wǎng)和傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)。所以在 這一層次上，需要學習的內(nèi)容主要包括ZigBee技術、無線傳 感器網(wǎng)絡技術、通信原理、計算機網(wǎng)絡等內(nèi)容。

針對無線網(wǎng)絡，除了 ZigBee之外，還有Wi-Fi、藍牙和 其他無線傳輸技術，如300 MHz、433 MHz、915 MHz無線 通信技術，對它們的特點和應用也應當給予適當?shù)闹v解。尤 其目前藍牙4.0技術已經(jīng)得到了比較大的改進，蘋果新推廣的 ibeacon技術有可能會對藍牙技術起到大力推廣的作用，所以 對這幾種技術應當讓學生都有所接觸和認識。在課程中可以體 現(xiàn)在物聯(lián)網(wǎng)導論、無線傳感器網(wǎng)絡中進行講解。另外在課程 設計和實踐活動中，可以對這些技術予以應用加深學生的理 解和掌握。

2.3應用層

物聯(lián)網(wǎng)目前的應用非常廣泛，但是就應用層技術而言主 要是應用層軟件的開發(fā)，所以物聯(lián)網(wǎng)工程學生應該掌握的主要 技術應該包括Java技術和移動平臺應用程序開發(fā)技術，但是 偏硬件和體系構成的學生可以淡化這兩個內(nèi)容的學習，偏軟件 的學生應該加強這兩項技術的訓練。

另外，目前提得比較多的云計算和大數(shù)據(jù)的內(nèi)容，也應 體現(xiàn)在物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)學生的知識體系之中。云計算其實應 該是云服務，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是目前云服務所用到最多的技術， 所以要讓物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的學生對這項技術有所了解，從而為 后續(xù)物聯(lián)網(wǎng)應用服務開發(fā)開拓更寬廣的思路。

就目前物聯(lián)網(wǎng)的主要應用案例來看，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，有了比較清晰的思路，再根據(jù)所定位的學生的就業(yè)方向予 以加入相關的專業(yè)知識或者根據(jù)學生的培養(yǎng)定位增刪一些相 關的內(nèi)容，即可確定相應的培養(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、 通信和計算機三個學科領域，所以學生的就業(yè)范圍比較廣泛, 但是也有有人提出質(zhì)疑，認為物聯(lián)網(wǎng)三個學科都有所涉及但 是哪一個學科都沒有學精，所以就給物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)學生的就業(yè) 規(guī)劃提出了問題。

目前許多高校往往會結合自身的原有學科特點，對某一 方面有所側重，關鍵是看學生的培養(yǎng)目標，并且要和當?shù)氐?經(jīng)濟特點相結合，有所側重，也就是要瞄準行業(yè)應用而開展， 這樣才能做到有的放矢。

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

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設計架構師、物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)管理員、網(wǎng)絡應用 系統(tǒng)管理員等核心職業(yè)崗位以及物聯(lián)網(wǎng)設備技術支持與營銷等 相關職業(yè)崗位；

物聯(lián)網(wǎng)終端系統(tǒng)的設計與開發(fā);

物聯(lián)網(wǎng)應用系統(tǒng)開發(fā)工程師，進行物聯(lián)網(wǎng)相關軟件系統(tǒng) 的設計與開發(fā);

無線傳感網(wǎng)絡系統(tǒng)的設計和管理；

物聯(lián)網(wǎng)在智能系統(tǒng)、普適計算、工業(yè)控制、信息處理、 通訊和管理等領域的應用開發(fā)和工程實現(xiàn)；

高等院校和科研院所與物聯(lián)網(wǎng)相關的教學科研工作。

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)絡和應用三個大類，這和以上根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)基 本架構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)構成，與計算 機、通信和自動化專業(yè)的學生比較起來，主要有以下特點図:

計算機專業(yè)的學生要么側重于計算機軟硬件技術的研究 與應用，要么側重于計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)的組網(wǎng)、管理或者開發(fā), 但缺少物聯(lián)網(wǎng)工程應用中所必須的傳感、控制、通信等領域的 知識。

通信專業(yè)側重于使學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等有 所側重，但是對于計算機應用開發(fā)領域涉及較少。

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

4知識體系基本構成

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

基礎知識相關課程：數(shù)學(高等數(shù)學、線性代數(shù)、概率 論與數(shù)理統(tǒng)計)、英語、電工與電子學(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)結構、計算機 網(wǎng)絡、計算機組成原理。

專業(yè)必備知識：物聯(lián)網(wǎng)導論、Linux操作系統(tǒng)、Java語 言程序設計、RFID技術與應用、傳感器原理與應用、單片機、 嵌入式技術、通信原理、無線傳感網(wǎng)絡、云計算和移動互聯(lián) 網(wǎng)開發(fā)。

專業(yè)實訓課程：安卓系統(tǒng)開發(fā)、ZigBee課程設計、RFID 課程設計、無線傳感網(wǎng)課程設計。

另外可增加：印制電路板設計、數(shù)字信號處理、EDA等 相關課程，以擴展學生的學習視野和基本技能。

5實踐教學的開展

實踐教學模塊有基礎實踐教學部分和專業(yè)實踐教學部分。 基礎實踐教學部分由“基礎實驗一綜合設計一應用創(chuàng)新”三個 層次組成。第一層主要培養(yǎng)學生的基本技能，以電子技術學 習為主。通過電子技術的學習使學生掌握元器件的辨別和使用， 結合專業(yè)課程的教學，進行課程實驗，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計、電子綜合設 計以及先進設計工具EDA技術，旨在培養(yǎng)學生的綜合設計能 力、團隊合作能力以及創(chuàng)新意識；第三層是應用創(chuàng)新層，引導 學生參加大學生電子設計競賽、挑戰(zhàn)杯作品大賽和科研項目等。

專業(yè)實踐教學部分注重物聯(lián)網(wǎng)的核心技術一一嵌入式系 統(tǒng)技術。通過開設硬件設計一條線課程(單片機、嵌入式、 RFID技術、傳感器網(wǎng)絡)和軟件設計一條線課程(C語言、 面向對象程序設計、嵌入式操作系統(tǒng)、移動互聯(lián)網(wǎng)開發(fā))，使 學生系統(tǒng)掌握嵌入式系統(tǒng)的硬件和軟件設計技術，掌握物聯(lián) 網(wǎng)網(wǎng)絡協(xié)議棧和實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)通信。

6結語

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

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