从物联网构成看物联网工程专业的知识体系

引言

物联网技术目前成为全球各行业各领域研究和应用的热 点，它能给我们的经济、生活带来巨大的变革。随着物联网 的兴起，对人才的需求必然会有一个飞跃性的增长。专家预测 10年内就可能会大规模普及，产生一个上万亿元规模的高科 技市场，因此社会对物联网技术方面的人才需求巨大。国家 教育部从2010年3月，发布了《关于战略性新兴产业相关专业 申报和审批工作的通知》，随后我国有数百所大学申报和准备 申报物联网或传感网专业。

信息获取、信息传输和信息处理，这三个部分构成了信 息产业的三大支柱，他们也是物联网产业的三个组成部分。电 子、通信、计算机是物联网三大支柱中的必备学科。其中每 一个学科都有一套人才培养的知识体系，而每一个学科又有 多个方向。而物联网工程专业需要这三个学科知识的支撑，所 以物联网工程专业可选择的基础、专业课程众多，所涉及的应 用更是无处不在，在教学上往往会希望面面俱到但是又无所 适从。如何根据具体情况做出取舍是一个值得探讨的课题。

各院校物联网工程专业的课程体系设计不尽相同，有的 甚至差异很大。绝大部分院校的物联网工程专业课课程体 系只是对物联网工程涉及的多学科领域现有课程进修简单的 裁剪和叠加，再增加物联网导论等专业核心课程，这类课程 体系没有体现出物联网工程专业的特色。因此有必要从物联网 技术自身发展、物联网相关企业人才需求和学生自身素质全面 发展三个角度，对物联网工程专业人才培养方案进行分析探 讨。

许昌学院2013年通过国家教育部审批通过，开始招收物 联网工程专业的学生，在探索物联网工程专业培养方案的过 程中，我们也借鉴了许多高校的经验和做法，也寻求了多家企业的合作，目前对该专业的课程设置也有了自己的看法和思考。 我们可以从物联网技术体系架构和人才就业方向入手，探究不 同人才培养就业方向在体系架构中所需要的核心技术和课程, 从而理清思路，为物联网工程专业培养方案和课程体系的设 置提供参考。

1物联网技术体系框架

图1物联网技术体系框图

物联网的整体架构如图1所示，从图中可以看出，物联网 按照网络架构可以分为应用层、网络层和感知层。围绕着这三 层，可以探讨其中所需要的核心知识，从而得出物联网工程专 业学生所需的知识体系。

2.1感知层

感知层的主要作用是信息的感知和采集，主要由感知器 件来实现各类信息的采集，如各种传感器、RFID,各种二维码、 红外和智能装置等。

在这一层中，需要具备的知识主要包括：

各种传感器的功能、性能、结构、特性和工作原理等内容；

RFID、条形码等的相关知识；

各种智能终端的特点、结构、工作原理等。

根据物联网工程专业的特点，不需要对传感器的具体细 节做过多的认识和学习，只需要简单了解和使用即可，所以不 需要开始相关的传感器原理等课程。但是传感器所采集到的 信息需要有相应的硬件进行收集处理并上传至网络层进行发 送，可以说嵌入式是整个物联网的基础部分，所以有必要开 设嵌入式相关的课程。

与嵌入式相关的硬件主要包括：单片机、ARM和FPGA 三种。

2.1.1单片机

单片机的使用非常广泛，而且在后续网络层中所使用的 CC2530 ZigBee模块中也包括单片机模块，因此，单片机课程 应成为物联网工程专业所必开的课程。与之相配套的课程包 括：C语言程序设计、电路和电子学和数字电路。有些学校 还开设有计算机组成原理和微机原理与接口技术，笔者认为, 这两门课程可以选择一门进行开设。

计算机组成原理主要面向计算机专业的学生进行考取研 究生需要，并且它可以让学生从计算机整体的结构、功能和 组成角度认识和理解整个处理器、存储器和输入输出系统之 间是如何协同工作的。微机原理与接口技术主要面向接口，但 是其中接口的内容可以放到单片机课程中进行讲解和实践，而 汇编语言的相关内容在计算机组成原理课程中也可以进行补 充和加强，所以笔者建议只需选用计算机组成原理课程进行 开设即可。

ARM

ARM是一个总称，其中也包含系列产品，对于物联网工 程专业的学生来说，ARM也是其知识体系中必备的一项内容。 单片机无法运行操作系统，因此在有些情况下需要用到更高级 的处理器。物联网网关和许多高级的电子产品都需要用到它。 开设与嵌入式相关的课程还需要开设Linux操作系统，有必 要对Linux的使用和主要组成有一个清晰的认识和掌握。另 夕卜还有嵌入式应用层开发的高级语言，如C++等。

FPGA

FPGA是一个提高性的内容，如果偏电子设计与开发的 学校可以考虑开设，或者可以为学生开设相关的选修课程, 增加学生的知识面和视野。但是由于这门课程的难度要高于 前两部分，所以笔者认为可以根据学校的特点和学生接受能 力进行取舍，它可以不算作物联网工程专业学生所必备的知识 体系成员。

RFID技术和条形码技术

对于RFID而言,是目前应用最为普遍的物联网应用技术， 所以它理所当然成为物联网学生知识体系中不可或缺的部分, 因此建议开设RFID技术与应用课程，除了讲解RFID原理之 夕卜，还要针对RFID的应用进行相应的开发和实践。

2.2网络层

网络层主要负责将感知层采集到的信息进行传输。目前 常用的网络协议包括：ZigBee、蓝牙、Wi-Fi和433等，所使 用的通信网络主要有2G/3G/4G电信网和传统互联网。所以在 这一层次上，需要学习的内容主要包括ZigBee技术、无线传 感器网络技术、通信原理、计算机网络等内容。

针对无线网络，除了 ZigBee之外，还有Wi-Fi、蓝牙和 其他无线传输技术，如300 MHz、433 MHz、915 MHz无线 通信技术，对它们的特点和应用也应当给予适当的讲解。尤 其目前蓝牙4.0技术已经得到了比较大的改进，苹果新推广的 ibeacon技术有可能会对蓝牙技术起到大力推广的作用，所以 对这几种技术应当让学生都有所接触和认识。在课程中可以体 现在物联网导论、无线传感器网络中进行讲解。另外在课程 设计和实践活动中，可以对这些技术予以应用加深学生的理 解和掌握。

2.3应用层

物联网目前的应用非常广泛，但是就应用层技术而言主 要是应用层软件的开发，所以物联网工程学生应该掌握的主要 技术应该包括Java技术和移动平台应用程序开发技术，但是 偏硬件和体系构成的学生可以淡化这两个内容的学习，偏软件 的学生应该加强这两项技术的训练。

另外，目前提得比较多的云计算和大数据的内容，也应 体现在物联网工程专业学生的知识体系之中。云计算其实应 该是云服务，它主要包括三个方面的内容，即laaS、PaaS和 SaaS。在这三个内容中,PaaS是目前云服务所用到最多的技术， 所以要让物联网工程专业的学生对这项技术有所了解，从而为 后续物联网应用服务开发开拓更宽广的思路。

就目前物联网的主要应用案例来看，每个案例往往是这 三层的综合，所以物联网工程的学生的知识体系在这三层中离 开了哪一层都不完整。我们从这三层出发，梳理出了大致的脉 络，有了比较清晰的思路，再根据所定位的学生的就业方向予 以加入相关的专业知识或者根据学生的培养定位增删一些相 关的内容，即可确定相应的培养方案。

3物联网工程专业人才就业方向分析

在人才需求方面，各地政府纷纷上马物联网项目，急需 大量的物联网人才。由于物联网专业的一些课程涵盖了电子、 通信和计算机三个学科领域，所以学生的就业范围比较广泛, 但是也有有人提出质疑，认为物联网三个学科都有所涉及但 是哪一个学科都没有学精，所以就给物联网专业学生的就业 规划提出了问题。

目前许多高校往往会结合自身的原有学科特点，对某一 方面有所侧重，关键是看学生的培养目标，并且要和当地的 经济特点相结合，有所侧重，也就是要瞄准行业应用而开展， 这样才能做到有的放矢。

也有专家提出来了相应的物联网专业学生就业可从事的行 业主要有[8]:

物联网系统设计架构师、物联网系统管理员、网络应用 系统管理员等核心职业岗位以及物联网设备技术支持与营销等 相关职业岗位；

物联网终端系统的设计与开发;

物联网应用系统开发工程师，进行物联网相关软件系统 的设计与开发;

无线传感网络系统的设计和管理；

物联网在智能系统、普适计算、工业控制、信息处理、 通讯和管理等领域的应用开发和工程实现；

高等院校和科研院所与物联网相关的教学科研工作。

从以上专家所列出的就业方向来看，可以将就业方向也 归纳为硬件、网络和应用三个大类，这和以上根据物联网基 本架构所描述的知识体系基本吻合。

物联网工程专业的人才有自身特有的素质构成，与计算 机、通信和自动化专业的学生比较起来，主要有以下特点図:

计算机专业的学生要么侧重于计算机软硬件技术的研究 与应用，要么侧重于计算机网络系统的组网、管理或者开发, 但缺少物联网工程应用中所必须的传感、控制、通信等领域的 知识。

通信专业侧重于使学生掌握基本的通信原理，但对物联 网中所涉及的传感、嵌入式和应用开发涉及较少。

自动化专业虽然对物联网中必须的传感和控制技术等有 所侧重，但是对于计算机应用开发领域涉及较少。

由此可见，对物联网工程专业的人才而言，是适应物联 网行业的特点而具备更综合的专业素质。

4知识体系基本构成

通过以上的分析，综合物联网体系架构和人才就业方向 的定位，另外与二本层次学生的特点相结合，可以归纳出物联 网工程专业学生的知识架构，归纳总结如下：

基础知识相关课程：数学(高等数学、线性代数、概率 论与数理统计)、英语、电工与电子学(在这门课中包含有电 路分析和模拟电路)、数字电路、C语言、数据结构、计算机 网络、计算机组成原理。

专业必备知识：物联网导论、Linux操作系统、Java语 言程序设计、RFID技术与应用、传感器原理与应用、单片机、 嵌入式技术、通信原理、无线传感网络、云计算和移动互联 网开发。

专业实训课程：安卓系统开发、ZigBee课程设计、RFID 课程设计、无线传感网课程设计。

另外可增加：印制电路板设计、数字信号处理、EDA等 相关课程，以扩展学生的学习视野和基本技能。

5实践教学的开展

实践教学模块有基础实践教学部分和专业实践教学部分。 基础实践教学部分由“基础实验一综合设计一应用创新”三个 层次组成。第一层主要培养学生的基本技能，以电子技术学 习为主。通过电子技术的学习使学生掌握元器件的辨别和使用， 结合专业课程的教学，进行课程实验，掌握基本知识和基本 技能等；第二层主要包括各门课程的课程设计、电子综合设 计以及先进设计工具EDA技术，旨在培养学生的综合设计能 力、团队合作能力以及创新意识；第三层是应用创新层，引导 学生参加大学生电子设计竞赛、挑战杯作品大赛和科研项目等。

专业实践教学部分注重物联网的核心技术一一嵌入式系 统技术。通过开设硬件设计一条线课程(单片机、嵌入式、 RFID技术、传感器网络)和软件设计一条线课程(C语言、 面向对象程序设计、嵌入式操作系统、移动互联网开发)，使 学生系统掌握嵌入式系统的硬件和软件设计技术，掌握物联 网网络协议栈和实现物联网通信。

6结语

物联网工程专业由于涵盖的学科范围广，在学生知识体系 构建方面需要花费较大力气进行研究，从物联网自身的体系架 构来探讨物联网工程专业人才所必须的知识体系，在满足基础 知识体系的前提下，结合相应的就业方向，增加适当的特色课 程，构建出适应各个学校特色的培养方案，从而培养出适应 行业需求的物联网工程专业人才。

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