基于CDIO理念的给排水监测实训平台设计.pdf

2023年/第11期 物联网技术人才培养Vocational Education1390 引 言随着第四次产业革命的到来，美、德、法、日等世界强国均在智能制造、人工智能、物联网等领域投入重资，力图成为工业 4.0 时代全球工业竞争力的第一梯队，我国更加坚定了从制造业大国向智能制造强国转型的战略。与产业革命相适应，各国纷纷启动了高等工程教育的改革，以应对高等工程技术人才短缺的形势1。始于 20 世纪 80 年代的国际工程教育认证体系，旨在提高和强化高等工程教育水平，提供专业化、系统化、标准化的国际认证机制，通过认证的各国高校工程专业，可为毕业生提供国内外认可的工程专业学历，是工程教育改革的主流体系之一2。CDIO 模式亦是为强化工程实践教育所提出的基于工程项目的全过程化管理与教学模式，指导思想是将项目分解为构思、设计、实现、运行（Conceive,Design,Implement,Operate）四个模块，旨在为工程类专业学生提供近似真实项目情景的教育模式。CDIO 模式以实践为核心，提供了系统化、科学化的工程专业人才培养纲要，代表了目前工程教育的发展趋势，是工程教育改革的另一主流体系3。两种体系的目标从根本上是一致的，均以提升工程教育水平为宗旨，均包括成果导向、持续改进和以学生为中心的教学理念。由于 CDIO 模式可实施操作的层级更为具体，更接近实际企业的工程项目运作与管理，更适合教师在教学实践中的细节设计与把握。我国城市供水资源浪费情况较为严重，据住建部 2020年统计，全国全年漏损水量达到 785 408.11 万吨，漏损率高达 13.4%4。近年来，随着国家发改委、水利部、教育部等部委陆续出台了国家节水行动方案 关于深入推进高校节约用水工作的通知等文件纲领，高校作为密集型用水单位，节水治水工作的开展迫在眉睫。本文基于以上背景，通过物联网技术，开发一套基于 CDIO 理念的给排水监测实训平台，不仅可以增强工程类本科学生融合多学科背景的项目实践能力，也为节水型高校建设提供了良好范例。1 平台建设背景与需求1.1 建设背景高校是用水消费密集型单位，具有用水规模大、用水集中的特点。近年来，随着在校学生不断增加，水资源消耗也随之增长。据统计，2018 年全国高校用水占城市生活用水的 10%5。高校建筑的漏损因素主要包括给水水压、管材材料、管网管龄和节水器具使用率等方面6。在此背景下，国内外高校开展了关于节水技术的研究，如哥伦比亚大学、密执安州立大学、宾州州立大学等美国高校通过采用新型节水器具和漏水修复等方式节约用水7；除这些措施外，很多国外高校也采用了基于物联网的信息化技术监测校园能耗使用状况，从而实现节能管理8。我国为推动节水型高校建设，于 2019 年 8 月发布了节水型高校评价标准9，目前全国已有百余所高校通过了评估，如河北工程大学在国内率先实行合同节水模式，通过引进专业技术力量进行水平衡监测、基于 CDIO 理念的给排水监测实训平台设计周 城1,2，徐 冉1，熊承义1,2，刘仁峰3（1.中南民族大学 电子信息工程学院，湖北 武汉 430074；2.中南民族大学 智能无线通信湖北省重点实验室，湖北 武汉 430074；3.武汉轻工大学 数学与计算机学院，湖北 武汉 430072）摘 要：城市给排水监测一直是城市节水治水工作领域的重要课题，物联网技术在该领域有着广阔的应用前景。高校作为密集型用水单位不但承担了节水治水的重要任务，而且肩负着面向广大师生的节水教育重任。为此，设计并实现了基于 CDIO 理念的给排水监测实训平台，搭建了各类无线传感节点、网关和管理平台，指导学生设计各类型给排水监测传感器并投入实用，为相关专业学生创造了节水实训条件。实训平台通过工程项目实践激发了学生的学习积极性，提升了物联网相关学科的教学效果，同时也解决了学校给排水监测的难题，促进了节水型高校建设。关键词：CDIO 工程教育；给排水监测；物联网技术；项目教学；实训平台；节水中图分类号：TP399；G642.0 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2023）11-0139-04DOI：10.16667/j.issn.2095-1302.2023.11.039收稿日期：2022-11-02 修回日期：2022-12-01基金项目：教育部产学合作协同育人项目（201902035050，2019 02257013）；中南民族大学教研项目（JYWT18008）物联网技术 2023年/第11期 人才培养Vocational Education140节水器具改造、管网改造和监管平台建设，节水效果明显提 升10。华中农业大学通过对供水管网、计量设备、用水器具等一系列改造，以及创新节水管理模式和加强节水教育等措施，取得了明显的节水效益11。目前各高校的主要手段为采用合同节水模式，在节水教育和实训方面的研究较少。1.2 建设需求中南民族大学地处武汉南湖之滨，水文环境较为复杂，连年受到南湖湖水倒灌、路面渍水的直接影响。学校地下供水管线总长约 27 413 m。按照年份划分，1980 年建造的管网仍有 3 380 m，占管网总长度的 12.3%。由于地下供水管网建设时间已超 40 年，因老化引起的跑冒滴漏现象较为严重，水资源浪费也较为严重，这也是很多高校的通病。上述这些问题对学校的节能环保型校园建设，包括楼宇水资源能耗监测、水资源节能管理、环境污染监测和灾害防御等方面提出了更高要求。实训平台建设之初，针对学校水文环境方面较为突出的问题进行了调研，主要需求如下：（1）学校需要建设物联网的基础网络设施，如物联网基站、网关等设备，从而提高无线物联网数据传输能力；（2）供水管网、水计量器具的测漏工作还需进一步加强，需要定期校验各级水表，保证统计绩效；消防管网也需要单独安装水表计量和测漏传感器来实现对管道泄漏情况的 监测；（3）学校因毗邻南湖，经常出现返水、渍水现象，无法及时发现，同时也面临着水质污染的威胁，缺乏有效的预警系统；（4）学校针对在校学生开展了形式多样的节能节水宣传教育，但手段较为单一，缺乏能够让学生进行节水实践的 平台。针对这些亟待解决的问题，本文设计并实现了基于CDIO 理念的给排水监测实训平台，应用物联网技术搭建各类无线传感节点、网关和管理平台，在重点监测区域安装各类传感设备，通过对水能耗信息和水环境监测数据的精确采集，可指导学校进行水资源管理，同时为相关专业学生创造节水实训条件。2 实训平台组成2.1 系统构架通过对校园给排水监测需求的分析，最终选取如图 1 所示的总体架构来满足监测系统需求。给排水监测系统以监测平台为核心，提供渍水预警、水位监测和供水管网漏点精确定位三大功能。在梅雨季节，当地势低洼处如地下停车场、配电房、泵房等重要区域发生淹水、渍水等险情时，给排水监测平台可以根据实际情况进行部署，实时监测水位情况，一旦出现异常将会通过短信通知相应管理人员，从而减少不必要的财产损失以及安全隐患。此外，通过在供水管网上安装自研的漏点定位传感器，可以准确定位漏水位置，满足管网测漏和修复需求，从而能够减少开挖范围，提升修补效 率12。所有数据信息、报警信息、设备管理均可以在云平台进行查看和管理，从而大大减少人力巡检和资金成本，提高工作效率。图 1 系统总体架构本系统采用了物联网架构，系统层级架构主要分为六层：物理层利用各传感器进行数据采集；网络层将采集的数据上传；数据层对各项数据进行存储；支撑层一方面支撑和承载智慧应用层中的相关应用，另一方面为各应用提供所需的各种共享资源与服务；应用层对上传的数据进行存储和处理；决策层将用户最关注的信息进行数字化展示。具体层次划分如图 2 所示。图 2 系统层级架构2.2 系统工作原理本系统基于阿里云进行开发，分为前端和后端两个部分。前端采用 B/S 框架设计，与 C/S 框架相比，采用 B/S 架构只需借助浏览器就可以实现前端功能，不需要安装客户端13。此外，前端主要负责数据信息显示，系统门户以可视化形式2023年/第11期 物联网技术人才培养Vocational Education141对监测结果进行展示，同时用户在前端可以对地图、监测区域、用户信息、管材和资源信息进行管理。后端利用 Django框架编写，并使用 MySQL 作为系统平台数据库。后端的主要功能包括异常报警服务、日志服务、物联队列服务以及操作平台数据库等。采用 Django 框架进行设计，可以快速实现平台搭建，减少开发成本。前端与后端通过信息交互、协同运作来实现系统平台的功能。硬件模块主要作为系统的物理层和网络层发挥作用，负责整个系统的数据采集以及数据传输。各个传感器负责采集数据信息，然后将采集完成的数据信息传输至 4G-DTU 设备。该设备对数据信息进行 A/D 转换后，通过 4G 无线通信模块把监测到的数据传输至数据中心。系统后台服务器对数据进行计算和分析，从而确定监测地状况。系统硬件模块结构如图 3 所示。图 3 系统硬件模块结构3 平台实训设计3.1 实训培养目标给排水监测实训平台可进行的实训类别较多，每类实训均按照 CDIO 教育理念设计，分为构思、设计、实现和运行四个模块，帮助学生通过实际工程项目式的教学实训，掌握扎实的工程理论和专业知识14。两类实训各环节所支撑的培养目标依据我校电信学院制定的工程认证培养方案相关指标点设计，见表 1 所列。通过表 1 可以看出，实训平台项目的设置是在 CDIO 教育理念的基础上，结合工程技术相关专业认证的具体指标支撑点，最终落脚在项目实施的各个环节上。在具体的项目实践中，构思、设计、实施和运行四个环节环环相扣，首先按专业工程认证毕业要求设置实训平台的培养目标；然后，将培养目标映射到实训中涉及到的各类教学要求上；最终在各个环节上促成了工程人才培养规格的实现15。3.2 实训教学设计给排水监测实训平台的实训课题从校园水文环境监测的实际需求而来，通过指导学生设计实现漏水、渍水、水位等物联网传感器并投入使用，让学生深刻体会到利用物联网技术监测城市给水、排水、渍水等水文状况的重要性，从而理解相关技术对社会和环境产生的影响。基于 CDIO 理念的各环节实训教学设计和考核内容见表 2 所列。表 1 基于 CDIO 理念的教学实训培养目标环 节毕业要求培养目标构思能够基于工程科学的基本原理，识别工程领域需要解决的问题并正确表达，认识到解决问题方案的多样性针对开放式工程课题，培养学生综合运用专业知识和技术的能力；能够识别课题关键问题，通过论证，给出满足特定功能要求的设计方案；培养创新意识设计掌握工程系统设计和产品开发的基本方法和技术，了解影响设计目标和技术方案的社会、安全以及环境等 因素 在课题设计过程中，通过综合考虑方案的社会、安全及环境等各方面的因素，应用现代软硬件设计工具，培养学生能够选择恰当的技术和开发工具，对复杂工程问题进行分析、模拟的能力实现能针对问题制定工作计划，掌握相关软硬件工具的实施技能；具备一定的组织管理能力在课题实施过程中，在掌握基本软硬件实施工具的基础上，能制订有效的工作计划，并根据团队成员能力与特长合理地分配工作，协调进度，完成任务；培养学生基本的工程项目交流和沟通能力运行能够理解复杂工程问题在运行中对生态环境的影响；能够运用系统工程的观点、理论和方法，在多学科环境中对项目进行管理并解决问题在课题运行实践过程中，培养学生对工程项目进行过程管理、经济效益计算、环境效益评估的能力；培养学生根据项目实施的反馈意见进行市场分析和运营计划的创新创业素质通过以上实训教学设计，学生在校园给排水的实践操作中解决了真正的实际问题，学习积极性明显提高，逐步适应了在工程项目实践中锻炼各种能力。图 4 和图 5 分别为实训设计的传输模块范例和系统的物联网主界面。图 4 数据传输模块设计范例图 5 给排水监测系统主界面物联网技术 2023年/第11期 人才培养Vocational Education1424 结 语本文设计并实现了基于 CDIO 理念的给排水监测实训平台，为相关专业学生创造了水文环境监测和供水管网节水的实训条件，明显提升了物联网相关学科的教学效果，同时也解决了学校给排水监测的难题，主要成效包括：学生积极参与实训项目，在对校园环境监测的实践中完成了理论知识渗透，工程项目应用的综合能力明显提升；学生通过实训项目的实际运维，对社会、经济和环境因素有了全面认识，通过总结提高后积极参与“互联网+”、挑战杯等创新创业大赛，近两年已获相关省级奖励 3 项，激发了学生的创新创业热情；教学团队通过给排水监测系统的建设，协助学校开展了节水治水工作，学校近两年连续获得了“节水型高校”和“节约型公共机构示范单位”称号。通过近两年的实践表明，采用该平台的成效显著，提供了新型的节水教育和实训方式，可供相关专业研究参考。参考文献1 徐飞.办一流工程教育 育卓越工科人才 J.高等工程教育研究，2016，34（6）：1-6.2 曾国斌.工程教育专业认证与 CDIO 培养模式探究 J.高教学刊，2021，7（20）：77-80.3 杨毅刚，宋庆，唐浩.工程教育专业认证与 CDIO 模式异同分析与相互借鉴 J.高等工程教育研究，2018，36（5）：45-51.4 中华人民共和国住房与城乡建设部.中国城市建设统计年鉴 Z.北京：中国统计出版社，2020.5 朱爱孔，冯英杰.高校用水现状的分析研究 J.供水技术，2020，14（6）：56-59.6 陈虹宇，时文歆，林艳，等.高校典型建筑供水管网漏损影响因素研究 J.给水排水，2021，57（12）：124-128.7 SHANE J S，BOGUS S M，MOLENAAR K R.Municipal water/wastewater project delivery performance comparison J.Journal of management in engineering，2013，（29）3：251-258.8 甘容辉，袁智秦，何高大.国外智慧校园建设的最新发展及启示 J.现代教育技术，2019，29（2）：19-25.9 中国水利学会，中国教育后勤协会.节水型高校评价标准：T/CHES32-2019 T/JYHQ0004-2019 S.北京：中国水利水电出版社，2019.10 车小磊.河北工程大学：高校合同节水样板 J.中国水利，2019，70（19）：71.11 冯家锦，王景芸，吴浩，等.节水型高校建设探究：以华中农业大学为例 J.城镇供水，2021，41（3）：96-101.12 陈丹.城市供水管网实时监测定位系统研究 D.武汉：中南民族大学，2015.13 尚洁.基于 Django 的测试工具平台的设计与实现 D.北京：北京交通大学，2019.14 吕东澔，朱佰成，崔桂梅，等.基于 CDIO 理念的嵌入式系统教学探索 J.实验室研究与探索，2019，38（1）：183-185.15 余发军，王双红，林漫漫.基于 CDIO 理念的物联网课程教学改革与实践 J.实验室研究与探索，2020，39（12）：194-197.表 2 实训教学方法和考核内容实训模块教学方法考核内容方案分析发布课题目标和参考资料，通过介绍学校历年雨季遭遇内涝的情况，引导学生思考如何利用物联网、各类传感器等相关技术解决实际问题，并构思系统方案；同时要求学生完成组队（2 4 人）和制定课题计划依据学生团队制定的课题计划完成情况以及队员与教师、队员之间的交流与协作情况考核学生的项目运作与管理 能力方案设计在充分考虑社会、安全以及环境等因素的前提下，指导学生完成项目的系统方案设计、原件选型和电路原理设计 通过学生团队所设计方案的完成程度，考核学生自主学习、文献检索、专业表达等方面的能力方案验证指导学生完成传感器硬件制作、软硬件系统联调和初步性能测试；设计并实施恰当的物联网网络传输和应用通过学生团队在方案验证过程中各个环节（制作、开发、测试）的相互配合和熟练程度，考核学生使用现代工具进行软硬件开发的能力方案实施指导学生在实际应用环境中对作品进行较长时间的运行测试，综合考虑生态环保和节能减排等理念，评估运行成本，撰写设计报告根据学生团队对系统进行运行维护和撰写设计报告的情况，考察学生在解决实际工程问题的同时，将社会、经济、环境等因素纳入其中的综合能力作者简介：周 城（1979），男，湖北武汉人，博士，讲师，主要研究方向为信号处理。8 芦照烜，龙顺宇，谢鑫刚，等.基于 MQTT 协议的分布式室内空气质量监测系统 J.工业控制计算机，2022，35（9）：102-104.9 张璞，刘宁艳，金印彬.基于模块化平台的电子系统综合设计实验 J.中国现代教育装备，2019，22（19）：31-33.10 包建荣，姜斌，许晓荣.电子信息类专业协同创新实践培养模式探讨 J.实验室研究与探索，2016，35（5）：170-173.作者简介：刘静波（1969），男，江苏靖江人，南京工程学院信息与通信工程学院高级实验师，研究方向为电子技术应用。（上接第138页）