工程认证背景下物联网中间件课程建设研究.pdf
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1、运营维护中国宽带 2023 年 5 月-162-随着物联网技术的快速发展,物联网技术的应用领域也在不断拓展。物联网中间件作为物联网系统的核心组件,提供了连接、通信、数据管理和应用开发等关键功能,极大地简化了物联网应用系统的开发和部署过程。物联网中间件通过支持多种通信协议,如 MQTT1、CoAP2、HTTP 等,实现了物联网设备的连接和管理,提供了设备注册、身份认证、状态监测和远程控制等功能,使开发人员能够轻松管理和监控大量物联网设备。同时,物联网中间件通过消息队列、发布-订阅模式等机制,实现了可靠的消息传递和实时通信。物联网中间件还具备数据管理和存储的能力,能够接收、存储和管理从物联网设备中
2、收集到的海量数据。它提供了数据存储、查询和分析的功能,支持开发人员进行数据挖掘、可视化和决策分析。对于各种物联网应用系统开发人员来说,物联网中间件提供了丰富的开发工具和接口,使开发人员能够快速构建物联网应用系统,简化应用开发过程。同时,物联网中间件也支持与其他系统和服务的集成,如云平台、人工智能和大数据分析等,实现更复杂的物联网解决方案。可以说,物联网中间件在物联网应用系统开发中起着关键的桥梁作用。因此,各种开源或商用的物联网中间件已经被广泛应用于智能家居、智慧城市、工业自动化和智能农业等领域。典型的物联网中间件有国外开 发 的 Eclipse Mosquitto3、AWS IoT Core4
3、、Azure IoT Hub5以及国内业界开发的 EMQX6、阿里云平台7、华为云平台等。然而,目前国内物联网专业在物联网中间件技术的课程建设方面研究滞后于该技术在各大领域的应用推广速度。从文献检索结果来看,几乎没有这方面的研究,从教材建设来看,也罕有这方面的权威教材。目前仅有的教材为机械工业出版社出版的物联网中间件技术与应用(作者邓庆绪),其内容则主要介绍 Niagara物联网中间件平台的使用,缺乏系统、完整地介绍物联网中间件的基本概念、技术原理、关键技术和典型应用的课程建设研究。本文针对当前物联网中间件课程建设存在的问题,结合当前物联网中间件的发展趋势,首先分析了当前物联网中间件教学中存在
4、的问题,而后有针对性地从理论教学内容设计、实践教学内容设计、实验平台搭建等几个方面提出了新的物联网中间件课程内容建设、实践教学内容建设、实验平台建设的思路,并做了初步的教学实践探索,得到了较好的反馈结果。一、物联网中间件课程建设存在的问题通过对物联网工程专业的各项调研,可以发现当前物联网中间件课程教学及课程建设中普遍存在以下问题:(一)课程目标不够明确。很多物联网专业教师对物联网中间件的概念、定义以及物联网中间件课程目标的理解不够清晰,无法为学生确定明确的学习路径。例如,有些教师认为物联网中间件就是通用中间件,有的则认为物联网中间件就是各种物联网应用开发平台,有些老师对物联网中间件的认知还停留
5、在 Corba、EJB 中间件的阶段。(二)教学内容设计不完整。当前的物联网中间件教学内容设计中,对物联网中间件的概念、作用没有明确的定义,甚至混淆了通用中间件和物联网中间件的概念。同时,对各种物联网中间件仅止于介绍其使用方法,较少有探究其内部实现原理的课程内容。对支撑物联网中间件的几大应用层协议如 MQTT、COAP、Websocket 等几乎没有任何介绍和讲解。(三)实践教学内容不够深入。目前已有的物联网中间件实践教学内容大多为对现有的物联网中间件平台的使用案例,例如阿里云平台、Niagara平台等。但这类平台主要的缺点就是不能开放源代码,学生能在这些平台上开展的实验仅仅是在图形化的界面中
6、拖拽传感器和控制器节点、业务逻辑组件等,而无法通过实验理解 MQTT 协议、发布订阅机制、客户/服务器通信机制等等物联网中间件的内部实现机制。实践过程就是简单的可视化工具的使用,对理解本课程的核心内容意义不大。(四)缺少物联网中间件的综合实验平台。工程认证背景下物联网中间件课程建设研究 彭寒 曹国震 景月娟【摘要】随着物联网的快速发展,物联网中间件作为连接和管理物联网设备的关键技术,已经成为工程领域中不可或缺的组成部分。然而,在物联网中间件课程的教学建设方面,仍存在着一些挑战。本研究旨在探讨在工程认证背景下如何有效地开展物联网中间件课程的教学建设,以满足行业需求并提升学生的综合能力。【关键词】
7、物联网中间件;工程认证;课程建设;教学方法;学生能力运营维护中国宽带 2023 年 5 月-163-工程认证背景下物联网中间件课程建设研究 彭寒 曹国震 景月娟目前大多数物联网实验室中的实验平台仍然是类似于小米智能家居这样的“嵌入式局域网”,即仅仅实现了多个嵌入式设备之间的通信和协议转换,几乎没有体现出物联网中间件的作用,也无法体现“Internet of Thing”的特点。缺少一个以物联网中间件为核心的、包含了业务系统、网络层、感知与控制层的完整的、“小而全”的、开源的综合性的实验平台,专供学生学习和实践使用。二、物联网中间件课程建设的思路和方法针对当前物联网中间件课程建设中存在的问题。本
8、小节从明确课程目标、教学内容设计、实践教学设计以及综合实验台开发等四个方面提出了物联网中间件课程的建设思路。(一)明确课程目标通过调研与分析,将物联网中间件课程的目标定义为:培养学生对物联网中间件的全面理解和应用能力。通过本课程的学习,让学生能够根据给定的工程需求进行物联网中间件产品的选型与综合,搭建以物联网中间件为核心的设备接入平台和数据存储、业务系统接入平台;能够运用物联网中间件体系结构知识分析物联网应用系统的需求、设计物联网应用系统的基本架构和软件体系结构,能够综合运用物联网中间件知识完成物联网应用系统的设计、开发和测试、验证。(二)教学内容设计根据教学目标,对物联网中间件的课程教学内容
9、进行如下设计:1.MQTT 协议原理MQTT(Message Queuing Telemetry Transport)是一种轻量级的、基于发布/订阅模式的物联网协议。其优点是简单易用、轻量化、异步传输和跨平台,因此已被广泛应用于各种物联网中间件平台中,作为设备间通信、感知层数据上传以及控制指令下发的基本通信协议。MQTT 协议原理教学内容包括 MQTT 通信模型、协议数据包格式、Qos等级、Retain 消息、遗愿消息等基本原理,以及相关代码的编写和阅读。通过该部分内容的学习,学生能够使用发布/订阅模式来模拟传感器和控制器,定制一个基于物联网中间件的虚拟物联网应用系统。2.COAP 协议原理C
10、OAP(Constrained Application Protocol)是一种轻量级的物联网应用层协议,主要用于无线传感器网络和物联网设备之间的通信。其优点是轻量化、高效、可靠。它非常适用于感知控制层的设备接入。在教学中对 COAP 的内容安排包括:COAP协议原理、COAP 工作模式、重传机制、COAP 请求/响应、COAP 选项等核心内容,以及 COAP 资源描述和观察者模式等扩展内容。通过该部分内容的学习,学生应该能够使用客户/服务器模式来搭建一个简单的数据采集、数据传输、数据处理到前端控制的物联网应用系统。3.AMQP 协议原理AMQP(Advanced Message Queuin
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