一種緊耦合的物聯網教育實訓系統及其實訓方法
【技術領域】
[0001]本發明一種緊耦合的物聯網教育實訓系統及其實訓方法涉及一種物聯網產品開發與綜合培訓的實踐系統，特別適用于企業、科研院所和高校使用。
【背景技術】
[0002]目前市場上存在很多基于物聯網的研發培訓工具，但大多是實訓臺硬件設備的形式，缺乏行業和產品標準，只能實訓單一的技能，無法在統一系統上進行跨學科、多行業的綜合集成，且主要都還是以技能知識點訓練為主，忽略對綜合技術能力的培養，“重建設，輕應用”、“重硬件、輕軟件”、“重知識，輕實踐”，導致實訓課程缺乏吸引力，學生學習缺乏積極性、主動性，畢業生實操能力弱，不能適應崗位要求，現有人才培養模式與企業崗位實際要求之間相去甚遠。
【發明內容】
[0003]本發明的目的是針對上述不足之處提供一種緊耦合的物聯網教育實訓系統及其實訓方法，由目標對象、感知控制、服務提供、運維管控、資源交換和用戶六大模塊構成，在教學實訓或產品開發過程中，按照工程項目實施方法，進行該系統的需求分析、方案設計、技術選型、產品集成、抗干擾設計、布局設計，然后由培訓對象或開發人員自主進行功能模塊的選擇、安裝、布線、接線，進而進行功能編程、整機調試等工作。通過該過程，培訓對象能夠經歷一次實際的物聯網應用系統產品的集成、安裝和調試過程，企業也可以快速搭建產品原型，進行技術功能驗證。系統將各種開發培訓項目相關資源有機結合，有效提高實訓用戶的專業能力、方法能力和社會能力。
[0004]本發明是采取以下技術方案實現的:
緊耦合的物聯網教育實訓系統包括目標對象模塊、感知控制模塊、服務提供模塊、運維管控模塊、資源交換模塊和用戶模塊；
所述服務提供模塊分別與感知控制模塊、運維管控模塊、資源交換模塊和用戶模塊相聯;感知控制模塊分別與運維管控模塊以及資源交換模塊相聯;服務提供模塊通過感知控制模塊采集目標對象模塊的信息；用戶模塊分別與資源交換模塊、運維管控模塊以及目標對象模塊相聯;資源交換模塊與運維管控模塊相聯。
[0005]目標對象模塊包括感知對象和控制對象，所述感知對象是具有感知互動能力的傳感器和執行器，所述控制對象是沒有感知互動能力的對象；
感知控制模塊包括物聯網網關、傳感器網絡、電子標簽、智能設備采集器、音視頻采集器和位置信息采集器，所述感知控制模塊是附著在目標對象模塊中實際物體上的虛擬物體；
服務提供模塊是緊耦合的物聯網教育實訓系統的核心部件;服務提供模塊包括業務服務部分和基礎服務部分，服務提供模塊采用硬件集成化，具有可擴展接口和外設；
服務提供模塊具有虛擬仿真環境，支持多種數據可視化技術，能夠直接與物聯網開放平臺和第三方軟件對接，教學和開發應用人員能夠利用軟件開發環境進行各種嵌入式及應用層軟件開發；
服務提供模塊內還具有知識庫，知識庫中具有知識、樣本和案例；
資源交換模塊包括信息資源交換部分和市場資源交換部分;資源交換模塊具有與其他物聯網線上線下資源的交互接口，所述物聯網上線下資源包括線下的高校培訓資源、企業職位需求、行業協會發布的行業動態和政府部門的行業政策;資源交換模塊還具有與線上的各種物聯網開放平臺、以及互聯網上眾多的第三方軟件工具的交互接口；
運維管控模塊提供保障整個系統正常運轉的功能實體，所述功能實體包括包括運行維護系統和法規監管系統;所述運行維護系統包括系統安全管理、設備故障報警、設備維修流程、接入權限管理和用戶信息管理;所述法規監管系統是應用實訓和產品開發所需遵循的法規監管系統，是物聯網系統售后服務應用實訓的重點環節。
[0006]用戶模塊是緊耦合的物聯網教育實訓系統的針對用戶對象，用戶對象包括政府用戶、企業用戶和公眾用戶三類，不同用戶的需求分析是這一模塊的重點。
[0007]所述控制對象包括物體或化學反應。
[0008]所述感知控制模塊包括硬件節點、嵌入式軟件、固件、功能和應用程序。
[0009]服務提供模塊通過傳感模塊、傳感執行設備、3.3V電壓模塊、隔離繼電器模塊和PffM調壓模塊等來實現對現場環境的感知及操作;通過以太網模塊、RS232模塊、RS485模塊、Modbus模塊、Zigbee無線模塊、WiFi無線模塊、藍牙無線模塊、GPRS無線模塊和LoRa無線模塊等來實現對感知數據和操作指令的雙向傳輸;通過網關和上位機來實現信息的分析和處理。
[0010]所述外設包括溫濕度傳感器、步進電機、電吹風、軸流風機、加濕器、可調光LED燈、電控鎖、報警器、模擬卷簾門、紅外、煙感和震動傳感器等;所述接口包括RS232、TTL和RJ45等，為不同的實訓項目提供豐富的功能基礎。
[0011]服務提供模塊能以知識、樣本、案例的建設為主，貫穿于教育實訓或產品開發過程中，按照工程項目實施方法，進行該系統的需求分析、方案設計、技術選型、產品集成、抗干擾設計、布局設計，然后由培訓對象或開發人員自主進行功能模塊的選擇、安裝、布線、接線，進而進行功能編程、整機調試等工作。
[0012]緊耦合的物聯網教育實訓系統的實訓方法包括如下步驟:
1)按照目標對象模塊中的實際場景以及用戶模塊的實際需求確定所需要感知控制的信息；
2)設置感知控制模塊，確定采用的傳感器和執行器類型，通過有線和無線的接口將采集數據上傳到網關設備，并接收網關下發的控制指令；以TCP/IP統一協議將步驟2)中所述采集數據和控制指令輸出給用戶模塊、服務提供模塊、資源交換模塊和運維管控模塊；
所述采集數據包括溫度、濕度、形變、光照和移動量；
所述控制指令包括開啟、關閉和調整工作參數；
3)用戶模塊通過TCP/IP查詢調用步驟2)中感知控制模塊的采集數據，直接操作設備；服務提供模塊通過網關調用步驟2)中感知控制模塊的采集數據，向執行器發送操作指令；資源交換模塊通過webservice調用步驟2)中感知控制模塊的采集數據，并將該數據發送給第三方軟件系統;運維管控模塊調用傳感器、執行器和網關的工作參數，并進行設備維護； 4)服務提供模塊對步驟2)中感知控制模塊的采集數據進行統計分析，向用戶模塊提供針對性的服務;資源交換模塊通過webservice調用所述服務提供模塊統計分析后的數據給第三方軟件系統，運維管控模塊調用服務提供模塊的系統工作參數，并進行軟件維護;用戶模塊通過屏幕、鼠標鍵盤、語音等人機接口與服務提供模塊進行數據交互，通過資源交換模塊了解第三方軟件系統的數據信息，通過運維管控模塊了解物聯網系統運行狀態。
[0013]本發明按照目標對象、感知控制、服務提供、運維管控、資源交換和用戶這六大模塊來搭建物聯網教育實訓系統，提供了一種緊耦合的系統設計方法，為物聯網系統的設計開發提供一種可用標準;采用硬件+軟件+知識庫緊耦合的系統參考架構，包含了物聯網應用技術的所有專業層面，實現學業與就業崗位零距離對接的培訓模式;摒棄了以知識點教學為主的傳統實訓模式，以物聯網應用需求出發，不僅適用于高校物聯網專業學生的實訓教學，同