基于Arduino的高職物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)課程改革設(shè)計(jì)

李華洲

（南寧職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530008）

基于Arduino的高職物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)課程改革設(shè)計(jì)

李華洲

（南寧職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530008）

為高職學(xué)校能更好的培養(yǎng)應(yīng)用型人才，提出將Arduino開發(fā)平臺引入物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)相關(guān)課程教學(xué)。通過教學(xué)改革可以降低實(shí)訓(xùn)室設(shè)備建設(shè)的投入成本，降低學(xué)生學(xué)習(xí)相關(guān)課程的入門門檻，同時(shí)激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，讓學(xué)生能夠在課后積極參與到實(shí)際項(xiàng)目中。

物聯(lián)網(wǎng)；Arduino；高職；課程改革

1 引言

高職物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)教學(xué)課程體系中，《RFID技術(shù)原理與應(yīng)用》、《單片機(jī)原理與應(yīng)用》、《無線傳感技術(shù)應(yīng)用》都與單片機(jī)相關(guān)，單片機(jī)相關(guān)課程對學(xué)生的前期理論知識和理解能力都有很高的要求[1]。采用傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備、教學(xué)方法對于高職教學(xué)來說，存在學(xué)生入門門檻高，實(shí)訓(xùn)室建設(shè)成本投入高，二次開發(fā)不便等問題，這些問題即使項(xiàng)目式教學(xué)也不能很好的解決。隨著Arduino生態(tài)環(huán)境的不斷發(fā)展，許多與之相關(guān)的教學(xué)教材和應(yīng)用創(chuàng)新的不斷出現(xiàn)，對于側(cè)重于培養(yǎng)應(yīng)用型人才的高職教育來說，無論是教學(xué)、技能比賽，還是實(shí)際項(xiàng)目開發(fā)，都有很高的利用價(jià)值[2]。

2 單片機(jī)相關(guān)課程教學(xué)現(xiàn)狀

對于基礎(chǔ)相對較差的高職學(xué)生來說，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)開展單片機(jī)課程教學(xué)是相對吃力的。主要原因是學(xué)生計(jì)算機(jī)理論基礎(chǔ)知識不足，計(jì)算機(jī)導(dǎo)論、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、電路等相關(guān)課程在大多高職物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)都沒有開設(shè)[3]，導(dǎo)致學(xué)習(xí)過程中學(xué)生不能較好的理解單片機(jī)原理的相關(guān)概念，很難入門，進(jìn)而學(xué)習(xí)興趣不高，教師也難以實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)。實(shí)踐沒有一定的理論作為基礎(chǔ)，項(xiàng)目式教學(xué)在學(xué)生沒有完全吃透理論知識的情況下開展，項(xiàng)目教學(xué)任務(wù)難以完成，學(xué)生很難參與到實(shí)際的比賽和項(xiàng)目中。

同時(shí)物聯(lián)網(wǎng)實(shí)訓(xùn)室建設(shè)過程中，由于市面上的物聯(lián)網(wǎng)實(shí)訓(xùn)設(shè)備價(jià)格昂貴，實(shí)訓(xùn)室建設(shè)成本居高不下，更重要的是實(shí)訓(xùn)設(shè)備大多更新的速度非?？欤笈康馁徺I實(shí)訓(xùn)實(shí)驗(yàn)箱會導(dǎo)致教學(xué)經(jīng)費(fèi)的浪費(fèi)，而且不利于用于項(xiàng)目的二次開發(fā)[4]。

3 引入Zigduino

Zigduino是兼容Arduino的裝配Atmega128rfa1核心的單片機(jī)軟硬件平臺，Atmega128rfa1是一款RISC架構(gòu)的8位集成RFIC的SOC(片上系統(tǒng))，F(xiàn)lash容量128KB，RAM為16KB。具備2.4G 短距離無線通訊能力。Zigduino可以說是能實(shí)現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信應(yīng)用的Arduino開發(fā)平臺的升級版。在教學(xué)中引入Zigduino這套便捷靈活、方便上手的開源電子原型平臺，可以很好的符合高職項(xiàng)目教學(xué)的特點(diǎn)，使得物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)《RFID技術(shù)原理與應(yīng)用》、《單片機(jī)原理與應(yīng)用》、《無線傳感技術(shù)應(yīng)用》課程的學(xué)習(xí)門檻得到降低，便于學(xué)生學(xué)以致用。

3.1 Zigduino 硬件介紹

Zigduino 開發(fā)板主要可以分成處理器、微波信號處理電路、電源管理、USB接口信號轉(zhuǎn)換、IO保護(hù)和接口擴(kuò)展口幾大部分。

處理器芯片64個(gè)pin腳，體積僅為9mm×9mm，非常適合無線傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用開發(fā)。微波處理采用2.4G的BALUN方案，轉(zhuǎn)出單極性波導(dǎo)接至SMA同軸接頭。電源部分支持USB供電、12V電源適配器供電和擴(kuò)展接口5V直接供電三種方式，并且通過比較器實(shí)現(xiàn)了USB供電和電源適配器供電的二選一。USB轉(zhuǎn)串口使用的是FT232RL的方案。開發(fā)板出廠時(shí)完成了Atmega128rfa1的BOOTLOADER程序的下載，開發(fā)過程中可以通過USB直接給Zigduino下載程序，十分方便。

3.2 Zigduino開發(fā)環(huán)境

由于Zigduino兼容Arduino，所以可以使用Arduino的開發(fā)環(huán)境在Zigduino平臺進(jìn)行應(yīng)用開發(fā)。Arduino使用的是Arduino IDE軟件。它的缺點(diǎn)是環(huán)境的功能過于簡單，只能實(shí)現(xiàn)編輯、編譯、下載這些基本操作，連查看庫函數(shù)等功能都不能實(shí)現(xiàn)，對于開發(fā)人員來說不方便。

解決的辦法是使用Eclipse開發(fā)環(huán)境代替Arduino IDE。Eclipse眾所周知是一款功能強(qiáng)大的軟件開發(fā)架構(gòu)，添加Arduino for Eclipse插件后，可以使得Arduino應(yīng)用開發(fā)人員事半功倍。

3.3 Arduino系統(tǒng)庫

Arduino強(qiáng)大優(yōu)秀的不僅僅是它的軟硬件開源和硬件生態(tài)環(huán)境，而且開發(fā)者面向的Arduino系統(tǒng)庫也是一大特色（C++開發(fā)）[5]。它的系統(tǒng)庫實(shí)現(xiàn)了基本的：串口操作、定時(shí)器、IO口控制、I2C通信、SPI通信、單總線通信、字符串處理、中斷控制、無線收發(fā)(Zigduino)等功能。這些庫函數(shù)可以在學(xué)生給Zigduino添加傳感器等外設(shè)的時(shí)候方便的調(diào)用，便于快速的進(jìn)行外設(shè)驅(qū)動編程開發(fā)。

表 1 不同接口類型的單片機(jī)外設(shè)型號

由于Zigduino開發(fā)板和Arduino開發(fā)板一樣，除了單片機(jī)沒有外部設(shè)備了。但是隨著Arduino開發(fā)的生態(tài)系統(tǒng)越來越好，使用它的人越來越多，兼容Arduino的傳感外設(shè)模塊也越來越多。

表1列舉了常用的市面上Arduino相關(guān)的不同類型的外部設(shè)備，關(guān)于它們的資料、驅(qū)動都可以在開源官方網(wǎng)站和一些論壇找到，同時(shí)大多都可以方便的在市場上買到，適合通過配備模塊的方式學(xué)習(xí)課程和進(jìn)行項(xiàng)目開發(fā)。

4 基于Zigduino的教學(xué)設(shè)計(jì)(以《無線傳感技術(shù)應(yīng)用》為例)

4.1 教學(xué)設(shè)備的組成

Zigduino實(shí)訓(xùn)設(shè)備的低成本可以使一個(gè)班的同學(xué)可以每人人手配備兩套Zigduino設(shè)備，在一臺電腦上寫程序。一套Zigduino開發(fā)套件只有一個(gè)Zigduino開發(fā)板，一根USB數(shù)據(jù)線，一塊面包板，其他配件根據(jù)上課內(nèi)容配備。

4.2 教學(xué)內(nèi)容設(shè)置

表2 《無線傳感技術(shù)應(yīng)用》課程內(nèi)容、教學(xué)實(shí)訓(xùn)設(shè)備和課時(shí)分配

以《無線傳感技術(shù)應(yīng)用》課程為例，傳統(tǒng)的課程內(nèi)容多為學(xué)習(xí)Zigbee標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議和應(yīng)用[6]。Zigduino利用其代碼簡介的特點(diǎn)，可以使得學(xué)生在掌握基本網(wǎng)絡(luò)通信常識的基礎(chǔ)上，快速的通過Zigduino完成無線廣播通信、點(diǎn)對點(diǎn)通信等單跳應(yīng)用，并且可以使用以太網(wǎng)模塊實(shí)現(xiàn)更廣泛的網(wǎng)絡(luò)覆蓋和應(yīng)用于不同的應(yīng)用場景，還可以結(jié)合Android公開的ADK項(xiàng)目，開設(shè)基于Arduino與Android手機(jī)USB口通信的應(yīng)用案例設(shè)計(jì)項(xiàng)目等等。經(jīng)改革后的課程相比傳統(tǒng)CC2530模塊為主要內(nèi)容的《無線傳感技術(shù)應(yīng)用》課程，具有簡單易學(xué)，容易上手，可以快速讓學(xué)生參與項(xiàng)目開發(fā)的特點(diǎn)。具體課程內(nèi)容和使用到的模塊如表2所示。

5 總結(jié)

使用基于Arduino環(huán)境的物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)課程教學(xué)，對教學(xué)過程中的內(nèi)容可以靈活的根據(jù)需求而變化，使得設(shè)備的選配更有針對性，選擇內(nèi)容更加接近行業(yè)實(shí)際應(yīng)用。以開發(fā)板加模塊的方式進(jìn)行教學(xué)，使得教學(xué)可以跟學(xué)生參加專業(yè)競賽和項(xiàng)目設(shè)計(jì)開發(fā)更加緊密的結(jié)合起來。

[1] 孫利民.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(第1版)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2005.

[2] 武玉升.基于Arduino的高職單片機(jī)課程教學(xué)改革[J].交通職業(yè)技術(shù),2014(01);21-23.

[3] 王保云.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究綜述[J].電子測量與儀器學(xué)報(bào), 2009,(12):22-23.

[4] 方武.高職物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)建設(shè)探討[J].現(xiàn)代計(jì)算機(jī), 2012,(08):30-33.

[5] Kimmo Karvinen,Tero Karvinen,龐明珠譯.Arduino與電子制作[J].制作項(xiàng)目,2012,(8): 68-73.

[6] 羅劍.高職院校《無線傳感網(wǎng)應(yīng)用與實(shí)踐》課程建設(shè)的探索[J].科技信息,2012,(2):282.

The teaching reform design of relevant lessons for Internet of things in vocational college based on Arduino

In order to cultivate more practical talent for vocational college, this article introduce Arduino platform into relevant lessons .Through this method of reform in education, the cost of training equipment can be decline, the learning threshold of relevant lessons can be lower, the interest of study can be provoke, making students more easier to get involved in actual projects after class.

Internet of things; Arduino; higher vocational; education reform

G714

A

1008-1151(2015)01-0164-02

2014-12-12

李華洲（1983－），男，南寧職業(yè)技術(shù)學(xué)院助教，研究方向?yàn)榍度胧脚c無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。