基于4G移动通信的综合性实验平台建设.pdf

ISSN1672-4305CN12-1352/N实 验 室 科 学LABORATORY SCIENCE第 26 卷 第 3 期 2023 年 6 月Vol.26 No.3 Jun.2023 基于 4G 移动通信的综合性实验平台建设郑 云,徐哲鑫,吴 怡,杨 正(福建师范大学 光电与信息工程学院;福建省光电传感应用工程技术研究中心,福建 福州350117)摘 要:就新工科要求下对高校的工程实践教学进行深入研究探讨,引入新型的科研技术与仪器设备,提出并完成了基于 4G 移动通信的综合性实验平台的建设。设计了基于该实验平台的开放探索型教学实践课程,具有综合性、应用性以及前沿性,符合高等教育发展、改革的趋势和走向。将人才培养制度、课程体系、师资队伍建设和实践教学体系相互融合,更有助于创新性应用型人才的培养,对实践教学改革和相关专业建设具有较好的借鉴和推广意义。关键词:新工科;综合性平台;实践教学中图分类号:G482 文献标识码:B doi:10.3969/j.issn.1672-4305.2023.03.032Construction of comprehensive experimental platform based on 4G mobile communicationZHENG Yun,XU Zhexin,WU Yi,YANG Zheng(College of Photonic and Electronic Engineering;Fujian Provincial Engineering Technology Research Center of Photoelectric Sensing Application,Fujian Normal University,Fuzhou 350117,China)Abstract:University engineering practice was explored deeply under the new engineering require-ment.With the latest scientific research technology and equipment,a comprehensive experimental platform based on 4G mobile communication was proposed and completed.The open exploration teach-ing practice course based on the experimental platform was designed,which was comprehensive,appli-cable and cutting-edge,in line with the trend and trend of higher education development and reform.Integrating talent training with teacher construction,curriculum system and practical teaching system was conducive to cultivating innovative applied talents,and had good reference and promotion signifi-cance for practical teaching reform and related professional constructions.Key words:new engineering;comprehensive experimental platform;practical teaching 收稿日期:2021-06-02 修改日期:2021-06-22作者简介:郑云,硕士,实验师,从事通信电子实验教学和管理工作。E-mail:zhengyun 通讯作者:杨正,博士,副教授,研究方向通信电子专业理论和实验教学。E-mail:zhengyang 基金项目:2020 年福建师范大学教学改革研究资助项目(项目编号:I202002064;I202002034;I202003008)。2017 年教育部高等教育司关于开展新工科研究与实践的通知中提出要进一步推动开放式办学,创新大学组织模式,推进科教结合、产学融合、校企合作的协同育人体制机制改革,构建优势互补、项目共建、成果共享、利益共赢的人才培养共同体。新一轮的产业科技革命已然开始,大数据、人工智能等引起新的潮流 1-2,一系列国家战略对新世纪的工科人才培养提出了新的要求3,如“中国创造2025”、工程教育认证、创新驱动发展等。在新工科建设的过程中,工科专业更加注重对学生工程实践意识的培养,所培养出的学生不仅需要掌握坚实的理论基础,而且要能胜任解决复杂工程问题的相关工作,具备发现问题和解决问题的能力。实验课程对于培养学生动手能力和创新能力起到至关重要的作用,充分发挥和建设好校内的实验教学平台,保证理论、实践、再理论、再实践的不断融合施教4,对大学的工程教育极为重要。1 建设综合性实验平台的背景和意义目前我国高校工程实践教学在很大程度上依托于工程训练中心和实验示范中心5-7,地方本科高校实验教学的建设内容主要为培养一支专业化实践水平高的教师队伍,满足学校人才培养应具备的工程实践教学硬件条件,提供比较完善的实践教学体系、科学的教学方法、信息化的教学手段和配套的教学保障措施。新工科对工程教育提出了新的要求,基于已有的工程训练中心和实验示范中心的前提下,建设综合性实验平台,全面培养学生成为行业需求的创新创业型工程人才是工程实践教学的重要内容之一。1.1 背景分析随着国家信息化进程的加快推进,4G 网络的建设部署、5G 网络的规划实施 8-10等都需要大量的高水平通信设备开发人才、通信系统工程建设人才以及通信系统运营维护人才。因此,需要坚持深度融合地方经济建设,主动为地方经济建设与社会服务发展,把培养“德智体美全面发展、诚信实干、基础扎实、实践能力强、综合素质高、具有创新精神的应用型高级专门人才”作为目标,在教学过程中积极引导学生进行研究性学习和创新性实验,组织学生全方位开展课外学术科技活动,指导学生多领域申报科研课题、积极参加各类国家级、省级学科竞赛,提高学生发现、分析和解决问题的工程实践能力。福建师范大学通信工程专业是福建省服务行业省级特色专业,培养了大批具备通信基础理论和专业知识、系统掌握现代通信技术,能在信息通信领域从事科学研究、工程技术、设备制造、网络运营、技术管理的工程科技人才。在研究基础、环境条件、学校地位等方面都有着较大的优势,通信与信息系统成为福建师范大学的传统优势学科。基于 4G 移动通信的综合性实验平台的建设依托于通信与信息系统省级重点学科,有着一支优秀的学术技术队伍和专业实践教学队伍,拥有教育部创新团队和福建省教育厅信息技术实验教学团队。积极不断地推进教学体系机制改革,推进工程教育改革,以培养应用型人才,解决复杂工程问题为己任,多方面培养学生的工程实践能力,为全面实施基于 4G 移动通信的综合性实验平台建设奠定良好的前期工作基础。1.2 综合性实验的意义现代人们的日常生活已经离不开通信和网络,进一步拓展多媒体通信和计算机网络实验课程的受众面很有必要。为了培养学生引领信息时代发展的步伐,提升电子信息工程、通信工程和网络相关专业的本科生及研究生专业的实验教学水平显得十分紧迫。因此,面向电子信息类的通信工程专业实验课程和基础实验平台建设刻不容缓。(1)理论教学中,理论知识的传授与掌握是解决复杂工程问题能力培养的基础。离开理论知识谈问题解决是无本之木、无源之水,因此对于理论教学必须加以重视,并且改变现有的传统单一课程知识的简单灌输模式,在课程中应该增加多门课程知识融会的案例、布置多门专业技术知识,乃至于跨学科知识(涵盖人文、经济、法律、环境、伦理等)综合运用才能解决的课程设计或小项目,从而提高学生对专业知识的深入掌握和灵活运用。(2)解决复杂工程问题归根结底还是在基础知识的基础上,获得的一种实践动手能力,在实践活动中才能得到更好的锻炼和培养。因此对实践教学的改革将对该项能力的培养起到决定性的作用。目前实践教学中存在理论教学中相类似的问题,单一课程,甚至单一知识点的验证性实验偏多,即使是通信工程专业来说,也存在类似问题。虽然光电与信息工程学院已经拥有省级实验教学示范中心,在学生全程全网能力培养方面具有了较好的硬件基础,但是局限于原有的教学模式和设备条件,所开设的实验依然也是以验证性、操作性实验为主,而对于需要多门课程知识,乃至于跨学科知识融会贯通从而解决复杂工程问题的能力的培养方面依然有较大差距。为此,建设好基于 4G 移动通信的综合性实验平台,培养和训练通信工程类专业学生的动手能力、创新能力、二次开发能力,以期能提供解决通信领域复杂工程问题和前沿问题的能力,力求能达到国际工程教育专业认证的标准和要求,其具有重要的实际意义。2 综合性实验平台的建设目的通过基于 4G 移动通信的综合性实验平台建设,推进通信工程专业的教育教学综合改革,创新固有的教学管理和人才培养模式,优化教学培养方案,推进课程改革与教学资源建设,更新教育教学内容,使之形成具有鲜明特色的专业核心课程群;加强教学团队建设,建成省内一流教学团队,全面提高教育421 郑云,等:基于 4G 移动通信的综合性实验平台建设教学质量,打造福建师范大学通信工程专业特色;强化多样式的实践教学,使培养的学生更具创新精神和实践能力,适应国家经济社会发展的需要;将项目实施过程中取得的成果逐步推广,引领示范校内其他专业或同类型高校相关专业的改革建设,促进高素质应用型人才培养水平的整体提升。完善现有的移动通信创新能力实践平台,探索并形成工程教育中复杂工程问题解决能力培养的实践教学体系,为通信信息类复杂工程问题解决能力培养起到示范作用。通过构建一个真实的 4G 移动通信网络体系,可完成通信工程专业本科生“数字通信”、“无线通信”、“移动通信”、“数据通信”、“程控交换”、“通信系统”等主干课程的课程实验,同时还可供学有余力的学生的创新型、研究型实验以及学生课外科技活动提供支撑。3 综合性实验平台的建设内容为了让学生更深刻地了解 4G 通信和相关的嵌入式技术开发,本实验平台设计了两个基于 4G 网络的物联网平台项目:水质监测系统和环境监测系统。采用 4G 模块作为主要通信模块,搭配温湿度传感器、光照传感器,烟雾传感器,pH 传感器、浑浊度传感器,溶解氧传感器和水温传感器等,采用Modbus,ADC 和 IIC 等硬件通信协议来完成数据采集,并将采集到的数据通过移动 OneNet 物联网平台呈现出来。从而利用 4G 网络构建起一个物联网架构的动手实践课程,让学生在这套课程体系中,掌握4G 通信技术,也提升了嵌入式开发的能力。此外,实验平台建造一个开放探索型自由设计模式,让学生根据自己的需求自由搭配传感器和设备,构建起完整的物联网开发框架,极大地调动了学生的自主创新性。3.1 基于 4G 移动网络的水质监测系统水质监测系统采用 STM32F103 为 MCU 主控芯片,含有 4 个传感器模块,pH 传感器和水温传感器的数据采集使用 IIC 通信协议,溶解氧传感数据采集使用 modbus 协议,浑浊度传感器是通过 ADC 接口获取浊度数据。它利用光学二极管和晶体二极管对特定波长的折射作用,来测量脏水的不透光度或者其他物质的浓度。将发光二极管 D1 作为光源,光敏二极管 D2 作为光接收器,测量从 D1 到 D2 的光强 变 化 量,从 而 计 算 出 水 的 浊 度。通 过 与STM32F103 的 ADC 口连接进行数据采集。首先,进行系统初始化及浊度采集模块初始化。然后指定ADC10 为浊度值的数据传输通道,随之开始浊度值采集,设置指定 ADC1 的规则组通道,采样时间为239.5 周期,使能指定的 ADC1 的软件转换启动功能,等待转换结束后,返回最近一次 ADC1 规则组的转换结果即采集得到的浊度值。最后进行数据处理工作,将每采集 10 次的数据取平均值,通过 ADC10输出,再通过转换公式,从而得到将最清澈到最浑浊用 0%到 100%表示的浊度值。待所有的数据采集完成后,进行相应数据转化,并通过 4G 模块,将采集到的水质数据打包上传至 OneNet 平台,LED 灯模块用来指示当前的网络状态,SIM 卡实现数据入网登记,RF 射频模块保证通信质量。最终实现基于4G 网络模块的水质监测系统,其系统结构图如图 1 所示。图 1 水质监测系统系统结构图3.2 基于 4G 移动网络的环境监测系统环境监测系统硬件主要部分由 4G 模块、传感器模块和控制模块组成。其中传感器模块由烟雾传感器、温湿度传感器以及光照传感器构成。温湿度传感器为 DHT11,主控芯片与 DHT11 通过 DQ 引脚进行通信,其通信格式采用单总线数据格式,一次数据交互时间约 4ms 左右,驱动电路中 R39 电阻作为限流电阻使用,起到限流作用,防止烧坏芯片。烟雾传感器使用 SnO2半导体作为气敏材料的烟雾传感器其型号为 MQ-2,工作原理为传感器的气敏材料的电导率会根据空气中的可燃性气体含量的浓度的变化而变化。根据这个特性,使用驱动电路便可将烟雾浓度的信息转换成模拟信号,烟雾的浓度越大,电导率就越大,则输出的模拟信号就越大。光照传感器采用 LSENS 光敏二极管,其内部管芯的 PN 结具有光敏感特性,由于其具有单向导通性,可通过串联电阻方式,实现输入电压信号随着光照强度的变521化而变化,利用主控芯片通过 ADC 方式读取电压信号值,并转成可读的光照数据来判断光线强弱。系统将三个传感器所采集到的数据进行数据转换,并通过由步进电机、蜂鸣器、和电位器开关等模块组成的控制模块,利用 4G 模块将转换后的数据上传至OneNet 平台,平台层接收到数据并根据采集到的环境状态下发控制命令,4G 模块接收到命令后,通过串口将下发指令告知 MCU,然后主控芯片根据对应的指令完成对应的操作。最终实现基于 4G 移动的环境监测系统,其系统结构如图 2 所示。图 2 环境监测系统结构图3.3 开放探索型自由设计模式在实际的生产生活当中,4G 通信的技术应用广泛,远程视频监控、智慧农业、自动售货机等项目都是在 4G 通信技术之上逐渐发展起来的。而这些创意的源头正是学生通过这些开放探索型的项目与实际生产相结合的产物,从而推动了物联网的发展。本次的设计开发探索模式,可以让学生根据自己的需求自由搭配传感器和设备,通过 4G 通信模块开发板(随着 5G 的发展,可利用 5G 通信模块)实现数据的上传,通过 OneNet 平台(云平台等)实现数据对接,从而构建起一个完整的物联网开发框架。学生可以在这个物联网框架上实现自己的创意,如智慧城市系统、定位器系统、垃圾监测系统、智慧消防等,真正做到产学研三者结合。其开发框架如图 3 所示。图 3 自由探索模式设计框图通过该物联网系统框架的开发项目,构建完善4G 移动通信网络平台,能够培养学生对嵌入式编程的兴趣,提高自己的实际动手能力,对 4G 通信技术有切身的体会,全面提高学生的专业综合能力。4 综合性实验平台的应用效果实践教学是高等学校人才培养的重要组成部分 11,是全部教学过程中以实验论证理论并丰富创新理论的重要环节,是激发学生探索欲望,培养学生实践能力、科学思维和创新精神的必要途径。移动通信领域是当今信息产业中的重点及热点研究与应用领域,通信技术的发展日新月异,移动通信系统已从第一代移动通信发展到第四代移动通信,2019年第五代移动通信系统也已经开始逐渐商用11-12。因此,重构通信工程专业课程体系和教学内容,健全通信专业高素质应用型人才培养的规范制度和培养质量监控、评价体系,强化现有实践教学环节和实践教学共享平台建设。该实践平台建设完成后,相关专业的本科生都可以在该平台进行基础理论方面的更深入的实验探索,如通信原理基础实验、移动通信基础实验、(移动)通信关键技术实验、(移动)通信系统实验等。针对通信工程领域复杂工程问题的特点,对当前课程体系进行改进和优化。抓住基本原理,基本工程技术方法,通过创新平台融合各课程进行综合实践,促进人才多方面培养,提升学生的工程意识、实践能力、创新精神和工匠精神,将这种实施路径称之为递进式实验实践步骤。此外,建立完善高校与行业企业之间的协同育人机制,形成教育与行业产业良性发展、共同提升水平的良好局面。以产业需求和技术发展的需求为导向设置专业培养方向,以市场需求和提高国际竞争能力为导向制定人才培养方案,探索以学生为中心的培养模式。注重产学合作,校企联合培养,全力建设课程与开发教程,通过共建实验室、实训实习基地等多方式,优化师资队伍,合作发展。培养学生既具备科学与基础理论修养,形成学生对复杂多样工程问题的系统视野,又能从多学科的视角中兼怀人文情怀和专业素养。设计多层次、多阶段的实践环节,建立从理论学习、动手实践再到探究学习的教学模式,实现理论与实践交叉螺旋进行,加强实践能力培养。将科学观、社会观与工程观有机结合,培养新工科理念下的具有创新能力和社会担当的工程科技人才。部分实验设备展示如图 4、图 5 所示。621 郑云,等:基于 4G 移动通信的综合性实验平台建设图4 移动终端口袋实验室盒子 图5 NB-IoT 应用口袋实验盒子5 综合性平台创新与特色5.1 优化人才培养方案,改革人才培养模式制定具体的教学计划,逐步落实人才培养目标,选取可实现课程目标的课程内容,建立相应的通信专业课程体系,突出工程实践特点,将培养过程与生产过程对接的一种应用型人才的模式作为培养模式,使得通信专业的学生具备扎实的理论功底,熟练的工程实践能力和独特的创新精神,在丰富专业知识前提下,掌握更多的工程实践能力。5.2 加强教师队伍建设,促进各类教师成长 建设工科专业师资队伍,需具备丰富的工程经历和良好的教学水平。每位教师在学科建设、专业发展、人才培养和学术研究上有明确的任务要求外,还需制定职业发展规划。根据各自的学科专业特点,发布新型教师评价标准和激励政策,立足于教师的长远发展。5.3 加强实验室建设,强化实践教学环节进一步加大理论与实践教学的投资力度,完善共建实验室与实践基地,提升学生的实践能力与创新创业能力。鼓励学生在校期间,参与社会实习实践,优化实习基地,强化工程实践能力训练,提高毕业设计要求,积极探索与企业共建校内校外的生产实习基地,为培养通信工程专业高素质应用型人才创造优良的条件和环境。5.4 强化教学方式方法改革,全面提升教学质量鼓励教师积极探索启发式、探究式、谈论式、参与式教学,注意培养学生发现问题、分析问题、解决问题的能力,提高学生的认知应会能力、创新创造能力、工程实践能力和终身学习能力。平台还可提供学生完成毕业设计、创新创业训练项目以及各项科技创新竞赛等。5.5 充分利用闽台、中外发展优势,实施工程实践能力培养利用地域优势,即与中国台湾省开展闽台合作办学的优势,利用中国台湾省的在线教育资源、企业资源以及电子信息产业优势,拓展学生的工程实践能力。借鉴中国台湾省 Capstone 课程的优势以及中国台湾省 IEET 工程教育认证的经验,挖掘学生潜在的工程实践潜力。同时,与英国哈德斯菲尔德大学开展合作办学期间,也可发挥双方的教学优势,促进资源共享合作,构建学生科研训练与自主创新实践的长效机制,培养通信与信息工程领域创新和领军人才。6 结语该综合性平台能够为相关课程提供支撑条件,建设完成后,具有一定的可拓展性,对相关专业进行实验平台建设具有借鉴意义。基于 4G 移动通信的综合性实验平台建设,可以有效地促进实践教学改革,培养学生的工程实践能力,优化现有的人才培养方案,更有利于培养具有创新能力和社会担当的工程科技人才。平台通过设计多层次、多阶段的实践环节,实现理论与实践交叉螺旋进行,形成从理论学习、动手实践再到探究学习的教学模式,加强实践能力培养,为社会不断输送符合新时代的工科人才奠定坚实基础,培养行业创新应用型人才,助推新工科的快速建设。参考文献(References):1 陈明艳,潘赛瑶,谢子静.“新工科”理念的服装工科类产教研融合实践探索J.实验技术与管理,2018,35(10):150-153,157.2 教育部高等教育司.关于开展新工科研究与实践的通知:教高司函20176 号Z.2017.3 章大海,周昌静,蒋文春,等.新工科背景下离心泵串并联实验“点火启发式”教学方法探索J.实验技术与管理,2018,35(10):162-165.4 朱民.新工科要求下的地方本科高校工程训练建设研究J.实验技术与管理,2018,35(10):152-155.5 郑云,吴怡.TD-LTE 基站安装虚拟仿真实验设计与管理J.实验技术与管理,2018,35(10):125-128,155.6 郑云,吴怡.移动通信虚拟仿真实验教学中心的建设与管理J.实验室研究与探索,2019,38(3):127-131.7 郑云,吴怡,林潇,等.基于无线网络技术课程创新创业教育改革的探究J.实验室科学,2020,23(3):216-219.8 胡亚霖.5G 移动通信关键技术J.电子技术与软件工程,2019(3):24.9 陈冠臻.浅析大数据与 5G 通信J.通讯世界,2019,26(2):67-68.10 肖辉杰,曹琪琪.校企合作开展实践教学的探讨J.中国林业教育,2017,35(5):12-14.11 陈建华.基于 SDN 的 5G 移动通信网络架构研究J.中国新通信,2019,21(3):21.12 汤杰.关于 5G 技术前移提升 4G 网络性能的探讨J.电子测试,2019(10):85-86.721