新工科背景下建筑能源物联网课程建设探索与实践

摘  要：培养既具有建筑环境与能源应用工程专业知识又具有物联网技术的复合型人才是新时代行业发展的需要。建筑能源物联网技术课程是在建筑环境与能源应用工程专业新工科建设中开设的一门新课。在该课程建设中，以Niagara物联网技术为抓手，优化建筑能源物联网课程知识体系，教学内容涵盖知识、能力和素质的全方位培养;强化工程实践能力，提出理论教学、实操训练、项目设计与开发、Tridium资格认证“四位一体”的教学过程设计方案;建立集过程性评价、表现性评价和总结性评价的多元化课程评价体系。课程运行结果表明，提出的方法可有效激发学生的学习兴趣，提高学生创新能力、实践能力和解决复杂工程问题的能力。

关键词：建筑环境与能源应用工程专业;新工科;建筑能源物联网;课程建设

中图分类号：G642 文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2022）08-0005-06

Abstract： It is the need of the industry development in the new era to cultivate interdisciplinary talents with professional knowledge of building environment and energy application engineering as well as Internet of things technology. Internet of Things technology in Building Energy is a new course offered in the construction of new engineering major of building environment and energy application engineering.In the course construction， Niagara Internet of Things technology is taken as the starting point to optimize the knowledge system of the course of Internet of Things technology in Building Energy， and the teaching" content covers all-round cultivation of knowledge ability and quality. To strengthen engineering practice ability， a "four-in-one" teaching process design scheme for theoretical teaching practice training project design and development of Tridium qualification is proposed. A diversified curriculum evaluation system integrating process evaluation， performance evaluation and summative evaluation is established. The results of course operation show that the proposed method can effectively stimulate students' interest in learning， improve their ability of innovation， practice and solving complex engineering problems

Keywords： building environment and energy application engineering; new engineering; Internet of Things in Building Energy; course construction

2017年2月以来，教育部积极推进新工科建设，按照新工科的建设需求，传统的工科专业亟待改革[1]。建筑环境与能源应用工程专业涉及建筑环境、制冷、供热、控制、信息和节能等多个领域，尤其在“双碳”目标下，该专业的新工科建设变得尤为重要。随着互联网+、信息技术和物联网技术的快速发展，中国建筑节能协会成立了“建筑调适与运维专业委员会”。将建筑调适与数字运维广泛应用于建筑的全寿命周期，促进建筑行业低碳、可持续发展[2]。要实现数字运维，其最根本的技术为物联网技术。因此，迫切需要将物联网技术融入到建筑环境与能源应用工程专业新工科建设中，培养既具有建筑环境与能源应用工程专业知识又具有物联网技术的复合型人才。

2018年，山东建筑大学在建筑环境与能源应用工程专业新的培养方案中增加了建筑能源物联网技术课程。目前该课程教材已完成初稿，并已荣获住建部“十四五”规划教材新工科教材立项。课程是专业培养的基本单元，新工科建设对高校新工科课程提出了新的挑战，相比于过去传统的人才培养，更加注重学生创新意识与实践动手能力的提高[3]。目前课程教学普遍存在教学内容陈旧、实践教学薄弱、创新能力不足和知识贯通欠缺等问题[4]。针对建筑环境与能源应用工程专业的特点，聚焦新工科对建筑能源物联网人才培养的需求，在建筑能源物联网课程建设时需要解决以下问题：

（1）建筑能源物联网课程涉及传感技术、控制技术、计算机技术和网络通信技术等及其在建筑能源系统中的应用，如何将多项技术融合在一起服务于建筑能源系统是亟待解决的关键问题。

（2）物联网技术很多，很多高校针对物联网人才培养进行了相关教学研究[5-8]，但主要是针对物联网工程专业或电类专业。如何根据物联网新技术的发展及专业的特点选取某一项具体技术为抓手，以工程应用为突破口，是克服当前课程重理论，缺应用的有效途径。

（3）如何让建筑能源物联网技术落地，组织好实践教学环节，将理论与实践深度融合，提高学生的创新性和实践性。

（4）如何进行产教融合，避免和产业脱轨，以产业发展为先导，系统培养技术技能为基础。

针对上述问题，教学团队经过几年的探索与实践，以Niagara物联网技术为抓手，优化建筑能源物联网教学知识体系，内容涵盖知识、能力和素质的全方位培养。与霍尼韦尔Tridium物联网公司建立了密切产学合作，进行了深度产教融合，打造了理论教学、Niagara实操训练、项目设计与开发和Tridium资格认证“四位一体”的教学过程，建立包含过程性评价、表现性评价和总结性评价的多元化课程评价体系。

一、以Niagara物联网技术为抓手，优化课程知识体系

Niagara是美国霍尼韦尔Tridium公司基于Java 开发的一种极其开放的物联网中间件软件平台，Niagara物联网技术已经被广泛应用于智能建筑、智能电网、分布式能源、工业控制、商业连锁、智慧城市、数据中心等很多领域[9-11]。2020年Niagara物联网中间件技术被写入《高等学校物联网工程专业规范2.0》中。以霍尼韦尔Tridium公司的Niagara物联网中间件技术为抓手，优化课程知识体系，突出原理、方法和应用的有机结合，使其既具有能源物联网知识的基础性和传承性，又具有当前技术的前沿性和创新性。

知识体系包括建筑能源物联网基础知识、Niagara软件编程和建筑能源物联网典型工程应用三个模块。三个模块之间关系如图1所示。物联网基础知识为整个课程教学知识体系的基石，为Niagara软件编程模块提供基础知识，物联网基础知识模块和Niagara编程模块共同为建筑能源物联网典型工程应用提供知识和技术支持。整个教学内容涵盖知识、能力和素质的全面培养。

（一）建筑能源物联网基础知识模块

建筑能源物联网基础知识模块包括建筑能源物联网感知层知识、物联网硬件知识和物联网通信知识。为后续的软件编程、Niagara网络通信及应用奠定基础。

1. 感知层知识

包括建筑能源系统常用传感器和执行器。由于传感器和执行器相关原理部分在建筑环境测试技术和建筑设备自动化课程中包含，在此主要从应用层面展开，包括传感器和执行器设备选型、输入输出信号、接线和安装等。

2. 物联网硬件知识

为霍尼韦尔Tridium公司的硬件产品，包括JACE8000网络控制器，IO28P、IO28U、IO22U智能IO模块，IOS30P控制器等，知识点包括各硬件的性能参数、硬件接线、跳针设定等。这些硬件，学生在物联网实训平台上均可进行相关实验。

3. 物联网通信知识

包括计算机网络标准和常用的物联网通信协议。目前，物联网的通信协议有很多，在此选取ModBus协议、Bacnet协议、MQTT协议和OPC-UA协议。这几种协议是目前在建筑能源物联网中常用的协议，且Niagara软件中均包含免费驱动，后期可通过通信编程实现，以保证理论和实践的有机结合。

（二）Niagara软件编程模块

Niagara软件功能丰富，编程内容很多。软件编程模块内容的选取是从建筑能源物联网项目软件开发所需要的一般功能出发，包括Niagara 4软件简介、建筑能源控制WireSheet编程、历史数据与报警编程、Px视图编程、数据标签、网络通信和系统集成等。

1. Niagara 4 软件简介

包括Niagara Framework基本组成、Workbench开发平台、KitControl基本组件、Station建立等，让学生对Niagara软件开发有一个基本了解。

2. 建筑能源控制WireSheet编程

为软件编程的重点，囊括多种控制策略编程，包括建筑能源双位控制编程、PID控制编程、时间表控制编程、轮询控制编程、负荷预测控制编程、变设定值控制编程等。通过该部分的学习，学生在实际应用中可根据建筑能源系统不同的控制需求设计不同的控制算法程序。

3. 历史数据和报警编程

历史数据编程包括历史数据的定义、存储、展示和导出等，历史数据可用于后续能源系统大数据深度分析。报警编程包括报警数据的定义、推送和确认等，报警编程提高了系统运行的可靠性。

4. Px视图编程

主要用于可视化展示，包括Px视图基础知识、Px Widget、Px视图嵌套和导航菜单等，并以热泵机组双位控制、冷水机组水系统控制、新风机组控制为例详细阐述其Px视图编程过程。

5. 数据标签

数据标签是数据的“可标记语言”，只有给数据打标签，才能进行大规模的数据挖掘，让数据发挥更大的价值[12]。该部分内容主要包括Niagara 软件中自带的标签字典（Haystack 字典和 Niagara 字典），此外还包括根据自己开发需要自定义的标签字典。

6. 网络通信与集成

该部分内容与物联网通信知识呼应，包括Modbus通信编程、Bacnet通信编程、MQTT通信编程、OPC-UA通信编程和Niagara网络系统集成。通过通信编程可以使感知层的信息通过网络层上传到应用层，也可以将应用层的指令通过网络层传输到感知层，实现多协议网络互联互通。

（三）建筑能源物联网典型工程应用模块

目前，教学团队采用Niagara物联网技术已经建成了太阳能-空气源热泵空调系统物联网实验平台和分布式能源物联网实验平台，并在此基础上针对多能源系统进行了网络集成和一体化管理。两个实验平台如图2所示，以此两个建筑能源物联网典型工程应用案例为对象，以建筑能源物联网全流程开发过程为主线，该模块内容主要包括项目简介、系统监控方案设计、系统硬件平台搭建和软件开发等。