探讨基于工作室的物联网实训平台——以树莓派、IoT和App Inventor物联网技术为研究

探讨基于工作室的物联网实训平台——以树莓派、IoT和
App Inventor物联网技术为研究
曾尧
【期刊名称】《广东教育（职教版）》
【年(卷),期】2019(000)006
【总页数】2页(P31-32)
【作者】曾尧
【作者单位】中山市第一中等职业技术学校
【正文语种】中文
一、中职学校物联网教学存在的问题
目前，物联网技术作为一个新兴技术，许多职业院校专门开设了物联网技术专业，中职学校也积极加强了物联网技术专业规则和课程设置，中山市具备条件的中职学校已开设物联网专业，其他中职学校也准备创建条件开设物联网专业，据我所知职业院校的物联网课程开展普遍还不具备丰富的实验课程和实验环境，物联网实训设备昂贵且行业标准不统一，许多专业老师受制于实训设备的限制，难以在专业班级几十名学生中开展实训操作，使得实训课程只能通过模拟软件进行教学，或者以理论讲解为主，培养出来的学生仅仅停留在理论上的认知，达不到真正地物联网人才培养目标。

二、设计基于工作室制物联网实训平台
各职业院校争相使用一种全新的教学模式—工作室制人才培养模式，不仅可以改善学习环境及气氛，而且还可增强课程的实践性和创新性，设计好工作室制物联网实验实训平台，对于开展基于工作室制物联网人才培养至关重要。

对于中职学生而言，物联网技术的应用应注重项目实践性，根据物联网项目的工作过程搭建实践体系，搭建“理实一体化”物联网项目实训环境，从理论知识学习、讲解到示范、基本技能培训、工程项目实训等多层次项目教学实践。

物联网从技术架构上来分，可分为三层：感知层、网络层和应用层。

不同企业有不同的应用规范和设计方案，在搭建物联网实验环境中，不能只偏重某一领域的某一款技术开展实训，应以典型的应用系统综合项目实训，不仅能使学生掌握物联网各个层次的基本使用，从整体着眼物联网的运作流程，使学生毕业从事物联网相关工作时，即使对面不同类型的项目或不同的规范标准，都可以在完整的物联网知识体系下，灵活变通工作方式，提高解决实际问题能力。

根据以上分析，结合本校实际情况，我们采用以下实训平台开展物联网技术教学。

(一)感知层——树莓派
物联网的最底层是感知层，主要通过传感器实现环境信息的采集，依靠执行器与环境或人进行互动，感知层需要用到的设备较多且复杂，也是物联网实验环境搭建投入最多的一部分。

树莓派是一款基于Linux操作系统的卡片式计算机，大小跟银行卡一样大。

最初研发树莓派，是因为其低价硬件和自由软件，这样更好推动学校的基础计算机学科教育。

由于其开源特性，很容易得到各种配套的硬件模块和多种开发工具，适合学生操作使用，也容易让学生理解感知层的运作过程。

(二)网络层——IoT平台
网络层的主要任务是传感器和数据的存储和管理，要求起到中间件的作用，即对下层感知层不同类别的传感器数据统一管理，对上层应用层提供统一调用的接口。

在物联网的概念提出来之后，涌现出大量的物联网云平台，即IoT平台。

IoT平台能
使用统一数据标准，降低物联网信息存储和管理，屏蔽复杂的技术细节，方便用户查看和控制。

当前国内做得比较好的IoT平台有中国移动OneNet平台、百度
IoT平台、阿里智能云等，这些IoT平台有竞争中不断完善，功能也越显多样化。

本文后面的教学实例将采用中国移动OneNet平台进行演示。

(三)应用层——App Inventor
应用层作为与用户直接交互的接口层，所有的信息都通过应用层展示给用户，而用户的各种反馈操作都是由应用层告诉系统，也是整个物联网实验环境搭建中花费最小的部分。

很多职业学校会将应用层的教学直接做成软件开发课，但对于中职学生来说，软件开发对于他们来说还是有一定难度，过于深究也会让学生顾此失彼，忽略物联网其他层次的认识。

因此，我们将采用App Inventor，以图形化、拼接式的方式开发物联网应用程序，一定程度上规避复杂的程序语言学习。

三、温度监控教学实例
在学校现有的设备和创客教育环境下，将树莓派、中国移动OneNet平台和App Inventor结合搭建成一套实用可靠的物联网实验环境如图1所示。

图1 物联网层次结构图(树莓派、中国移动OneNet平台和App Inventor)
下面以温度监控课例对该实验实训平台进行介绍。

(一)树莓派传感器的搭建
树莓派可以接入温湿传感器、烟雾传感器、陀螺仪和磁力传感器等识别或获取信息，在本实例中采用热敏电阻作为温度传感器，热敏电阻是一种阻值会随着温度而变化的电阻，以阶跃响应方法测量出热敏电阻的阻值，从而计算出温度。

需要用到的器材包括：面包板和跳线、1kΩ热敏电阻、2个1kΩ电阻、330nF电容器，在编辑器中添加代码，获取热敏电阻的读数并转化为温度读数。

将阻值转换成温度(以摄
氏度为单位)，通过热敏电阻的阻值计算温度时，需要利用Steinhart-Hart方程进行一些复杂的数学运算。

(二)在树莓派上安装MQTT协议的Python扩展库
MQTT(消息队列遥测传输)是一种轻量级消息传递协议，提供的消息发布和订阅机制，可以实现设备之间(一对多)的消息交互，适用于物联网连接设备的通信，把传感器的数据通过MQTT协议上传到服务器，在树莓派中编辑代码并保存为MQTT.py文件，同时增加可执行权限，然后以超级用户身份执行MQTT.py文件。

(三)中国移动OneNet平台
OneNet平台由中国移动公司打造的PaaS物联网开放平台，提供“云-管-端”一体化的智能管道和支撑系统，从数据采集、传输、计算、存储、展现到分析，都提供了全面的基础产品和服务。

OneNet平台通过主流的物联网协议(如HTTP、EDP、MQTT、Modbus、JT/T808等)帮助设备与云端之间建立安全可靠的双向
连接，还支撑海量设备的数据收集、监控、故障等各种物联网场景，其完善的协议封装，简化的开发流程，适合中职学生水平应用。

1.创建产品
进入OneNet平台的开发者中心，创建一个公开协议产品，接入协议为MQTT。

2.新建设备
在OneNet平台上创建设备，通过调用创建设备API 来创建设备，输入设备名、
接入协议、鉴权信息以及MasterKey等信息。

创建消息发布与订阅，输入主题topic，选择该身份拥有的权限，发布消息(publish)、订阅消息(subscribe)，成功创建消息发布者和订阅者身份。

3.配置MQTT客户端
在MQTT客户端填写连接参数相数信息：profile name(配置文件名称)、Broker Address(地址域名)、Broker Port(端口)、Client ID(自动生成ID号)，成功连接后，即可开始订阅消息。

打开Subscribe标签，配置主题topic，选择默认的QoS 0，完成进行订阅操作。

打开Publish标签，配置主题topic，选择默认的QoS 0，完成进行发布操作。

打开树莓派开发板，在开发者中心测试消息订阅和发布效果。

(四)App Inventor应用开发
在中国移动OneNet平台开发者中心配置第三方应用开发，调用API数据，以JSON数据交换格式将数据传送到应用层，在应用层上使用App Inventor与网络服务进行数据交互。

App Inventor可以让使用者在不懂编程语言情况下，以可视化的拖放、拼接模块，将解释的JSON数据结果分项显示在手机应用上。

通过运用App Inventor完成物联网应用层的开发，学生不用纠缠编程的细节，也能训练计算思维，理解应用层实现过程。

测试完成好的物联网系统，将安装好热敏传感器的树莓派放置在不同的环境下，在手机应用程序中点击“获取温度”按钮，能够实时反馈温度信息。

四、不同类型物联网实训平台的对比
在实践中，结合树莓派、中国移动OneNet平台和App Inventor搭建适合中职学生的物联网技术实验环境，符合学生的认知规律，满足物联网教学需求，使学生能够随时将自己的创意开发成为现实。

与市场上一些教育厂商的物联网设备对比情况如表1所示：
表1 不同实验平台对比表实验平台对比项目树莓派、中国移动OneNet平台和App Inventor搭建的物联网技术实验环境某物联网实训平台(以中山某高校正在使用的实验环境为例)价格树莓派:100到300元不等,条件好的同学可自行购买,方便学习中国移动OneNet平台:按通信量收费App Inventor:免费一套设备十几万,建成一个实验室需要几百万可扩展性感知层、网络层、应用层都可更换其他通用设备只能使用指定接口设备,不能随便扩展与真实项目的差距(1)与CC2530和ZigBee 协议原理相通(2)App Inventor弱化了编程过程,水平较好的学生可用Java完成模拟环境下的实训平台,封闭了各层次的实现过程学生能力的训练可实现一人一套设
备开展实训(1)主流IoT平台的操作使用(2)创客思维的开发(3)传感器的使用(4)基本程序编程能力五人为一组使用一套设备开展实训(1)设备组装拼接的能力(2)传感器的使用(3)简单物联网应用程序的使用
依据物联网层次结构，以树莓派、中国移动OneNet平台和App Inventor物联网技术搭建的物联网实验实训平台，是集教学和应用于一体的物联网解决方案，每个层次的实现方法并不是唯一，可以依据具体情况进行替换，如感知层使用arduino，网络层使用阿里智能云，应用层使用中国移动OneNet平台的图形化应用开发工具或微信小程序等都可以完成物联网项目的实施。

中山当前中职物联网技术教学受学制和学生学习能力、学校资金投入、实训条件、师资等因素限制，大部分学校不能建设完整的物联网实验环境。

本文研究的是基于工作室环境下的物联网实训平台，采用树莓派、中国移动OneNet平台和App Inventor的物联网技术，完善了物联网技术的知识教学与实训，以典型的应用系统综合实训，能有效达到中职物联网人才培养目标。