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戴俨炯
(长沙航空职业技术学院，湖南 长沙 410124)
国家对高素质技术技能型人才的需求不断扩大，对职业教育的专业适应性也提出了更高的要求。高素质技术技能人才的培养，需要以实践教学为基础，而实践教学条件是开展实践教学的重要基础[1]。近年来，高职院校的实训室规模、设备数量不断扩大，实训室管理人员的需求也随之增加。高素质技术技能人才培养对实训室开放、共享的需求与实训室的规范、安全管理之间的矛盾日益明显。
目前，对实训室开放、共享式管理方式，主要为实训室管理员管理或门禁系统授权管理。人力管理的方式成本过高，并很难做到“开放期全程监控”“课余学习时间全程开放”，另外，不可避免地包含一些有风险的人为因素；
门禁系统授权方式，管理的最小单元是实训室，很难估量一间实训室同一时段合适的授权量，也无法监控和管理前一时段和后一时段不同申请者的设备使用权，无法保证实训室有序开放。
本系统基于华为的OceanConnect物联网平台，针对实训室的特点和智能化需求，定制综合型的智慧实训室解决方案。OceanConnect平台拥有接入无关、高可靠性、高安全性、弹性伸缩、能力开放等特点，可以大大节约项目开放的周期，节约项目成本，适合特殊功能定制。通过OceanConnect平台的赋能，智慧实训室可以实现安全、高效的开放与共享，让实训室利用最大化；
让实训室设备资产管理更智能；
经后期开发，可以利用OceanConnect平台的数据分析与挖掘功能，为改善实训教学效果提供数据支撑。
基于OceanConnect平台的智慧实训室，可以通过分级授权门禁系统，实时监控，Openov视频识别，保障开放有序。通过感知层的烟雾传感器、红外传感器、温湿度传感器等采集设备，进行全天候采集数据，并上传至平台层完成数据的分析，对异常情况在管理员终端进行远程报警，保障智慧实训室安全的开放与共享。由于OceanConnect平台接入无关的高兼容性，可确保感知层的设备接入种类和数量，让智慧实训室无数据盲区和死角。OceanConnect平台接入方式多样，如重要参数设备可以直连场景接入OceanConnect，数据简单设备可以用智能网关的方式接入OceanConnect，普通实训设备可以通过间接方式接入OceanConnect。智慧实训室接入OceanConnect平台的最小单元是仪器设备，使用者可以通过应用层在终端平台随时查看、随时预约，确保智慧实训室高效的开放与共享。通过RFID电子标签的方式，为实训室的设备建立电子台账。通过非直连的方式数据接入OceanConnect平台。每个设备都有唯一的ID，可以实现设备的定位空间，标记资产，高速盘点。智慧实训室利用感知层充分采集学习者及设备的各项数据，在OceanConnect平台层对数据进行分析、挖掘，再通过应用层反馈、推送给教学者和学习者，为教学者提供有利于改善实训教学的学情分析。为学习者建立并提供实训档案，提供与其他学习者的横向比较数据，激励学习者的学习动力。智慧实训室网络拓扑图如图1所示。
图1 智慧实训室网络拓扑
2.1 系统感知层
系统感知层主要进行实训室的各种数据的采集，将物理信息转换为电信号。数据采集设备包括各种传感器、摄像头、RFID标签、门禁系统、电源系统等。上述设备组成了一个感知网络，如果是多个实训室，就有多个感知网络。在感知网络里面，采取WIFI、ZigBee、RS485等通信方式，实现区域内的短距离通信。
2.2 系统传输层
系统传输层是将感知层的数据，通过远距离传输到物联网云平台，常用的通信方式有Internet、2G、3G、NB-IoT等，为了提高传输效率和处理实效，系统利用物联网网关对实时数据进行预处理，从而实现感知层和应用层数据高效对接。
2.3 系统应用层
本系统利用物联网应用构建器OceanBooster，进行系统应用层的开发。OceanBooster是华为物联网针对物联网应用提供的应用开发平台，可涵盖物联网行业的核心应用场景，集成了Web在线开发、微服务开发等便利物联网开发工具，可以快速构建应用，大大加快开发进程。
本系统设计物联网网关，网关支持传统设备和传感器节点等大量传统设备通过WIFI、ZigBee等通信方式安全地连接互联网或云端，可以将原本独立的终端，组成感知网络，并将传统设备接入OceanConnect平台。物联网网关还能对传感器节点进行管理与控制，能够进行边缘计算，将多个服务进行集成，避免因数据传输造成的延时，也避免将大量的数据传输到云端，造成不必要的资源浪费。本系统的物联网网关系统由主控制器、ZigBee、NB-IOT模块、485接口组成，如图2所示。
图2 网关系统
3.1 STM32主控制器
本系统网关采用STM32L431RCT6为主控制芯片，该芯片为ARM Cortex-M4内核，在80MHz频率下能达到100DMIPS的性能，具备ART AcceleratorTM高效读取闪存技术，具有FlexPowerControl技术能对功耗进行灵活管理，使得其具有超低功耗、高性能，内部资源丰富的特点。
3.2 NB-IOT模块
2014年5月，华为联合沃达丰提出NB-M2M技术。2016年，第一款商用的NB-IoT芯片完成测试。全国范围内的NB-IoT网络基站将近150万个，预计2025年达到300万个，连接数达到12亿。
本系统选用NB35-A通信模块，模块为华为海思Boudica150的通信模组BC35-G，支持IPv4/IPv6/UDP/CoAP/LwM2M/Non-IP/DTLS/TCP/
MQTT等通信协议[2],具有低延时、低功率、性价比高等特点。
3.3 传感器感知网络
本系统用到的传感器种类众多，有MQ-2可燃气体传感器，当实训室有可燃气体时，传感器电导率将发生变化；
红外传感器用于检测实训室的窗户的关闭情况，通过485通信接口连接网关；
温湿度传感器、霍尔门控传感器，通过ZigBee网络将数据传递给网关。
3.4 ZigBee模块
本系统提供ZigBee通信方式。ZigBee是基于IEEE802.15.4标准的短距离、低功耗的无线通信技术[3]。在物联网网关中作为内网的通信方式的一种，实现感知层设备的短距离组网。ZigBee的网络拓扑结构可以组成极为复杂的网络，具有自组织、自愈等功能。
3.5 485通信接口
485通信接口是高可靠性、高性价比的接口方式，可以通过有线的方式实现SPI、I2C通信协议的感知层设备与网络层的连接。485通信传输速率可达10Mbps，距离可达3000m，可以满足系统的要求。
3.6 LiteOS操作系统
本系统选用LiteOS轻量级操作系统。LiteOS物联网操作系统是华为公司为IoT领域构建的操作系统，其大小为10KB。具备零配置、自组网、自发现等能力，让使用LiteOS操作系统的物联网设备能快速、自动接入网络。LiteOS系统是为物联网系统量身定做的操作系统，具有很强的实时性、稳定性、可裁剪性，主要包括任务管理、内存管理、通信机制、中断管理、队列管理、事件管理等操作系统基础组件。
本系统利用物联网电源线的方式，让需要单独授权、监控使用情况的特殊设备接入物联网。现有电源控制器不够智能和便捷，无远程控制功能。物联网电源线包括电源输入端，电源输出端、微控制器、物联网通信模板、电能检测、继电器、电源模块。市电进入输入端后供给电源模块，该模块完成降压、整流、滤波后给微处理器、物联网通信模块、电能检测模块、输入输出指示灯供电。继电器控制市电是否输出。初始状态继电器为断开即输出端无市电输出。物联网通信模块接收到指令和传递数据，指令包含供电、断电、供电时长等，数据包含设备使用时长、电流、功率等。微处理器处理物联网模块的命令与数据，控制继电器的开断，从电能检测模块采集数据，将数据发送给物联网通信模块。电能检测模块采集供电数据，包括供电时长、电流、功率数据，图3为物联网电源线的系统框图。
图3 物联网电源线系统
本文基于华为OceanConnect平台，提出了智慧实训室的设计方案。该方案可以实现实训室的智能化管理，从而实现实训室的开放与共享。投入实际使用后，可利用感知层充分采集学习者及设备的各项数据，在OceanConnect平台层对数据进行分析、挖掘，再通过应用层反馈、推送给教学者和学习者，为教学者提供有利于改善实训教学的学情分析。
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