物聯(lián)網(wǎng)與移動(dòng)通信平臺(tái)在電信實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

引 言

隨著信息產(chǎn)業(yè)第三次浪潮的來臨，世界信息技術(shù)飛速發(fā)展，各種新的應(yīng)用層出不窮，對電信類專業(yè)的人才市場需求也在不斷擴(kuò)大。與之相對應(yīng)，目前國內(nèi)工科類高校普遍都開設(shè)了電子信息工程和通信工程專業(yè)，以培養(yǎng)合格的電信專業(yè)人才， 滿足社會(huì)和企業(yè)的需要。大多數(shù)情況下，電信專業(yè)學(xué)生畢業(yè)后， 主要從事電子產(chǎn)品的開發(fā)與設(shè)計(jì)，或者在生產(chǎn)第一線參與電器設(shè)備的制造、維護(hù)等。無論作為管理者還是在生產(chǎn)車間，考慮到電子技術(shù)發(fā)展的特點(diǎn)，強(qiáng)化對電信類專業(yè)在校大學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，有著更特殊的意義。

1 當(dāng)前電信方向?qū)嶒?yàn)的普遍性問題

電信專業(yè)的特點(diǎn)之一就是電子技術(shù)和電子產(chǎn)品更新速度很快，在工作過程中對學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力及創(chuàng)新能力要求較高。如何培養(yǎng)學(xué)生的工程意識(shí)，提高學(xué)生的工程實(shí)踐能力在電信專業(yè)大學(xué)生的培養(yǎng)過程中，顯得尤為重要。電路、電工電子技術(shù)、模擬電子技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù)等電信專業(yè)的基本課程中， 都包含理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)兩部分內(nèi)容，而實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)對于培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐意識(shí)起著非常關(guān)鍵的作用。但是，無須諱言的是，在當(dāng)前高等院校電信類專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，普遍存在著一些共性問題，比如很多高校的信息處理類實(shí)驗(yàn)設(shè)備陳舊，不能體現(xiàn)電信技術(shù)的發(fā)展趨勢，或者是設(shè)備分散，各自獨(dú)立， 不能開設(shè)信息處理全流程的系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，與實(shí)際應(yīng)用脫節(jié)。移動(dòng)通信類實(shí)驗(yàn)則往往缺乏相關(guān)的能反映學(xué)科方向較新成果的教學(xué)設(shè)備，許多系統(tǒng)性實(shí)驗(yàn)和新技術(shù)實(shí)驗(yàn)都無法開設(shè)。此外最能鍛煉學(xué)生動(dòng)手能力的綜合性、開放性和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)設(shè)備也相當(dāng)匱乏。凡此種種，都不利于電信類學(xué)生專業(yè)綜合素質(zhì)和工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)。為了解決電信類專業(yè)學(xué)生實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的這些問題，很多高校都做了大量積極的有益探索。其中，把當(dāng)今電子網(wǎng)絡(luò)的最新成就——物聯(lián)網(wǎng)與移動(dòng)通信平臺(tái)相結(jié)合，應(yīng)用于電信專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，可以取得很好的效果。

2 物聯(lián)網(wǎng)的特點(diǎn)

當(dāng)今網(wǎng)絡(luò)技術(shù)迅猛發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)作為下一代通信網(wǎng)的發(fā)展主流，近年來已成為當(dāng)前各界關(guān)注的焦點(diǎn)。國際電信聯(lián)盟在2005物聯(lián)網(wǎng)報(bào)告中正式提出了物聯(lián)網(wǎng)的概念，同時(shí)對物聯(lián)網(wǎng)的概念進(jìn)行了擴(kuò)展，提出了任何時(shí)刻、任何地點(diǎn)、任何物體之間的互聯(lián)，及無所不在的網(wǎng)絡(luò)和無所不在的計(jì)算發(fā)展愿景[1]。物聯(lián)網(wǎng)可以解決三種對象之間的互連，包括物與物，人與物， 以及人與人之間的互連。物聯(lián)網(wǎng)具備三個(gè)特征，一是全面感知，即利用RFID、傳感器、二維碼等隨時(shí)隨地獲取物體的信息；二是可靠傳遞，通過各種承載網(wǎng)將物體的信息實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地傳遞出去 ；三是智能處理，利用云計(jì)算、模糊識(shí)別等各種智能計(jì)算技術(shù)，對海量數(shù)據(jù)和信息進(jìn)行分析和處理，對物體實(shí)施智能化的控制[2]。

3 物聯(lián)網(wǎng)與移動(dòng)通信平臺(tái)的框架結(jié)構(gòu)

近年來，很多高等院校及各類職業(yè)培訓(xùn)學(xué)校在電信和通信類專業(yè)開設(shè)了網(wǎng)絡(luò)通信和物聯(lián)網(wǎng)的相關(guān)課程，同時(shí)建設(shè)與課程教學(xué)相配套的物聯(lián)網(wǎng)通信平臺(tái)實(shí)驗(yàn)室。物聯(lián)網(wǎng)通信平臺(tái)實(shí)驗(yàn)室主要面向電信、通信及相關(guān)電類專業(yè)學(xué)生，可以為通信原理、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)、嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)等相關(guān)課程提供科研、教學(xué)及實(shí)踐功能。

物聯(lián)網(wǎng)與移動(dòng)通信平臺(tái)同時(shí)將光載無線通信、WiFi無線局域網(wǎng)、3G移動(dòng)通信、嵌入式設(shè)備服務(wù)器和射頻識(shí)別幾種前沿技術(shù)融為一體，構(gòu)建基于 3G移動(dòng)通信的無線信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。該系統(tǒng)由 3G移動(dòng)通信系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和軟件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)兩部分組成，包括系統(tǒng)單元、終端單元、物聯(lián)網(wǎng)單元、測試單元和軟件單元 5個(gè)部分 [3]，其中，3G移動(dòng)通信系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)建了一個(gè)真實(shí)的 3G（TD-SCDMA）移動(dòng)通信網(wǎng)，由系統(tǒng)部分（可以稱之為基站）和終端部分（手機(jī)、無線數(shù)據(jù)卡、實(shí)驗(yàn)箱都是其表現(xiàn)形式）組成。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要構(gòu)成是 2 臺(tái) 3G 基站和多個(gè)移動(dòng)終端，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖 1 所示。其中，3G 基站是一個(gè)工程應(yīng)用的微型基站，主要包括 Node B、RNC、MSC 等功能， 可以在脫離公網(wǎng)的情況下完成入網(wǎng)呼叫的全流程，可以實(shí)現(xiàn)視頻通話、高速數(shù)據(jù)下載等功能。在這個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，任何 TD- SCDMA 制式的手機(jī)都能使用專用的 USIM 實(shí)現(xiàn)撥打電話、短信收發(fā) 、視頻通話等功能，并同時(shí)用專業(yè)的分析軟件抓取基站和移動(dòng)臺(tái)之間的通信信令（ Uu 口信令 ）并支持回放，另外還能實(shí)現(xiàn) 3G 移動(dòng)終端的原理分析，以及終端的各種應(yīng)用，能夠完成物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、組網(wǎng)實(shí)驗(yàn)等。為了配合教學(xué)，還增加了通過軟件進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)參數(shù)配置等功能。

4 物聯(lián)網(wǎng)與移動(dòng)通信平臺(tái)設(shè)備主要構(gòu)成

物聯(lián)網(wǎng)與移動(dòng)通信平臺(tái)設(shè)備主要構(gòu)成如下系統(tǒng)：

(1) 前端信息采集網(wǎng)絡(luò)，包括 ：溫濕度傳感器等各類傳感器件，通信接口包括WiFi無線、ZigBee無線、2G、3G或工業(yè)串口等多種格式，可用于構(gòu)建傳感器網(wǎng)絡(luò)；RFID設(shè)備（帶 RS232接口），可用于構(gòu)建倉儲(chǔ)、物流及人員管理的實(shí)驗(yàn)場景；無線通信格式轉(zhuǎn)換器件（如工業(yè)串口 RS232或RS485轉(zhuǎn)WiFi 格式），可用于構(gòu)建大型且復(fù)雜通信模式下的物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)場景 ；PLC（帶 RS232或RS485接口）及其控制的設(shè)備，可用于模擬工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場控制與通信的實(shí)驗(yàn)場景 ；視頻采集設(shè)備，可用于模擬現(xiàn)場人員及場景監(jiān)控的實(shí)驗(yàn)場景；

(2) 無線與移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)，包括：“光載無線交換機(jī)”將WiFi信號(hào)的產(chǎn)生、處理集中于內(nèi)部（中央機(jī)房），以光纖實(shí)現(xiàn)大范圍（200 ～5000m）分布，通過遠(yuǎn)端天線完成信號(hào)傳輸?？苫旌蟼鬏擶iFi 與 2G、3G、4G以及其他無線信號(hào)。

物聯(lián)網(wǎng)與移動(dòng)通信平臺(tái)能夠模擬真實(shí)的應(yīng)用環(huán)境，不僅可以培養(yǎng)學(xué)生對前沿知識(shí)的學(xué)習(xí)興趣，掌握物聯(lián)網(wǎng)的基本概念、工作原理、系統(tǒng)組成等基本知識(shí)，還可以培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐操作能力和編程能力。該平臺(tái)不同于簡單的操作類實(shí)驗(yàn)， 通過配套模版，學(xué)生還可以進(jìn)行硬件接口設(shè)計(jì)、軟件編程設(shè)計(jì)和實(shí)際的物聯(lián)網(wǎng)與移動(dòng)通信應(yīng)用設(shè)計(jì)等，所設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容豐富，包括驗(yàn)證性、設(shè)計(jì)性和開放創(chuàng)新性等多種實(shí)驗(yàn)。

5 物聯(lián)網(wǎng)與移動(dòng)通信平臺(tái)在電信實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用舉例

在物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)方面可以開設(shè)的實(shí)驗(yàn)有：局域網(wǎng)組網(wǎng)及混合組網(wǎng)實(shí)驗(yàn)、WiFi 接入點(diǎn)（AP）管理與配置實(shí)驗(yàn)、光載無線交換機(jī)組裝和測試實(shí)驗(yàn)、ARM11 開發(fā)板系列實(shí)驗(yàn)、短距離無線 /WiFi 數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)、WiFi 溫濕度傳感器設(shè)計(jì)、WiFi 無線射頻識(shí)別讀卡器的開發(fā)、視頻監(jiān)控實(shí)驗(yàn)平臺(tái)等實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。在移動(dòng)通信實(shí)驗(yàn)方面可以開設(shè)的實(shí)驗(yàn)有：嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)、移動(dòng)通信鏈路協(xié)議追蹤與分析、移動(dòng)終端工程參數(shù)分析、3G 手機(jī)組成與工作原理、3G 終端綜合測試、Android 下視頻電話實(shí)驗(yàn)、WiFi、GPS、藍(lán)牙和 CMMB 工作原理及應(yīng)用等實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

下面以該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中的視頻通話流程實(shí)驗(yàn)為例，說明本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在教學(xué)實(shí)踐中的使用效果。該實(shí)驗(yàn)是通信專業(yè)三年級(jí)學(xué)生課程設(shè)計(jì)內(nèi)容的一部分，在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，需提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告并進(jìn)行答辯。

可視電話業(yè)務(wù)在 TD-SCDMA 網(wǎng)絡(luò)中的電路域技術(shù)實(shí)現(xiàn)過程是，當(dāng)可視電話發(fā)起時(shí)，首先雙方通過呼叫建立協(xié)議接通物理通道，然后是控制信號(hào)（H.245）的交互，發(fā)送信號(hào)經(jīng)過切割（CCSR L）、分序（NSRP）后，通過復(fù)用（H.223）／物理層傳送給對方，對方進(jìn)行按序收集（NSRP）、組合（CCSRL）。經(jīng)過控制信號(hào)的交互，雙方已經(jīng)建立起可視通話的通道，這時(shí)雙方的視頻信號(hào)就可經(jīng)過媒體編解碼器和復(fù)用（H.223）／ 物理層與對方進(jìn)行可視交互了[4,5]。

在視頻通話流程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，安排一組兩名學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，按照如下步驟執(zhí)行操作：

(1) 兩部手機(jī)裝入專用 USIM卡，然后手機(jī)開機(jī)，進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。同時(shí)設(shè)置好TT軟件，確保與手機(jī)能連接正確，且能夠觀測到原語序列圖上的信令跟蹤；

(2) 假設(shè)一部手機(jī)裝入6074的USIM卡，另一部手機(jī)裝入6075的USIM卡。在 6074手機(jī)中撥號(hào) 6075，選擇“可視呼叫”，等待 6075接聽，之后接聽、通話，然后任意一部手機(jī)掛機(jī)，完成一個(gè)完整的通話流程。此時(shí)在與兩部手機(jī)相連的TT軟件就實(shí)時(shí)顯示可視主叫（對 6074而言是主叫）或被叫（對6075而言是被叫）的流程；

(3) 一次可視呼叫流程完成后，TT 軟件選擇“斷開連接”，“保存工程”，就可以使用回放的方式來觀看流程和信令了；

(4) 將撥打的順序進(jìn)行調(diào)換（6075主叫，6074被叫），使用同樣的步驟觀測流程，這樣確保每個(gè)人都能觀測到可視呼叫主叫和被叫的全流程；

(5) 完成實(shí)驗(yàn)并整理實(shí)驗(yàn)記錄，撰寫報(bào)告。

通過該實(shí)驗(yàn)的操作，讓學(xué)生掌握TD-SCDMA 系統(tǒng)可視通話的工作原理、可視通話的全流程及關(guān)鍵信令、掌握通過TT 軟件觀測手機(jī)可視通話的方法、觀測手機(jī)與手機(jī)之間可視通話的信令流程并進(jìn)行分析。

通過上面的示例可以說明，物聯(lián)網(wǎng)與移動(dòng)通信平臺(tái)符合實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的要求，能緊密結(jié)合電信與通信專業(yè)的特點(diǎn)，在硬件和軟件平臺(tái)上真正培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力，讓學(xué)生掌握從基本原理實(shí)驗(yàn)到系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，再到構(gòu)建一個(gè)復(fù)雜的信息處理系統(tǒng)的相關(guān)知識(shí)和方法。它不僅可用于日常教學(xué)，還可為學(xué)生第二課堂活動(dòng)、課程設(shè)計(jì)、生產(chǎn)實(shí)習(xí)和畢業(yè)設(shè)計(jì)等提供研究型設(shè)計(jì)課題，還能夠?yàn)槿珖髮W(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽提供培訓(xùn)。該平臺(tái)能夠滿足設(shè)立創(chuàng)新項(xiàng)目的要求，使學(xué)生完成從思路構(gòu)思、方案設(shè)計(jì)到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證等全過程，培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力和創(chuàng)新能力，為學(xué)生提供了一個(gè)完整的實(shí)踐訓(xùn)練環(huán)境。物聯(lián)網(wǎng)與移動(dòng)通信平臺(tái)可以對學(xué)生進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)與移動(dòng)通信的工程綜合實(shí)訓(xùn)， 特別有利于學(xué)生工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，比較全面地滿足了學(xué)生或教師在實(shí)踐學(xué)習(xí)和科研技術(shù)方面的需求，對加強(qiáng)實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)和提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量都具有重要意義。

6 結(jié) 語

隨著通信技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)日新月異的飛速發(fā)展，在不久的將來，物聯(lián)網(wǎng)將在智能電網(wǎng)、智能交通、智能物流、智能家居、醫(yī)療健康、國防軍事等多項(xiàng)領(lǐng)域發(fā)揮重要作用[6]，物聯(lián)網(wǎng)將給我們的生活帶來革命性的變化。高校教學(xué)必然也要順應(yīng)這個(gè)發(fā)展趨勢，改變教學(xué)方法，跟上時(shí)代的步伐，提高教學(xué)科研水平，培養(yǎng)出能充分滿足市場需求的物聯(lián)網(wǎng)與移動(dòng)通信人才。