物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)課程教學(xué)改革與實(shí)踐
——以淮南師范學(xué)院為例

吳琰

（淮南師范學(xué)院　電子工程學(xué)院，安徽　淮南　232038）

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)課程教學(xué)改革與實(shí)踐
——以淮南師范學(xué)院為例

吳琰

（淮南師范學(xué)院電子工程學(xué)院，安徽淮南232038）

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是電子通信專業(yè)的重要專業(yè)方向課。針對物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)教學(xué)特點(diǎn)指出該課程理論與實(shí)踐教學(xué)中存在的問題，提出與該課程理論與實(shí)踐相適應(yīng)的具體改革方案，將理論教學(xué)與實(shí)踐相聯(lián)系，促進(jìn)學(xué)生對該課程原理的深刻理解，提高學(xué)生的實(shí)踐能力。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)；教學(xué)特點(diǎn)；改革方案

“物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)”是通信工程、電子信息和物聯(lián)網(wǎng)等理工科專業(yè)的一門重要專業(yè)課程。通過本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生可以初步了解物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，具備從事傳感、通信和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等相關(guān)技術(shù)開發(fā)所需要的基本能力。

無線傳感網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分，因此將無線傳感網(wǎng)的一些相關(guān)知識引入“物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)”課程，對學(xué)生而言具有十分重要的意義。本文針對該課程的實(shí)際教學(xué)情況，分析存在的問題，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)的最新技術(shù)，探討教學(xué)改革意見。

一、無線傳感網(wǎng)絡(luò)與物聯(lián)網(wǎng)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WirelessSensorNetwork，WSN）是一種全新的信息獲取平臺，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測和采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)各種檢測對象的信息，并將這些信息發(fā)送到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的指定范圍內(nèi)目標(biāo)的檢測與跟蹤，具有快速展開、抗毀性強(qiáng)等特點(diǎn)，有著廣闊的應(yīng)用前景。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)包含了硬件平臺與軟件系統(tǒng)。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步與更新，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的硬件平臺與軟件系統(tǒng)也呈現(xiàn)出百花齊放的局面。無線傳感網(wǎng)絡(luò)的硬件平臺中控制芯片涉及從8位到32位各種類型的單片機(jī)與處理器，以及無線芯片涉及從TR系列到CC系列以及目前廣泛使用的帶ZigBee協(xié)議棧的射頻芯片。無線傳感網(wǎng)絡(luò)的軟件系統(tǒng)包括了硬件驅(qū)動(dòng)程序、無線傳感網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議棧、以及無線傳感網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)等。硬件驅(qū)動(dòng)程序是由硬件平臺所決定的，是無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的功能擴(kuò)展；無線傳感網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議通常采用的是最廣泛使用的802.15.4協(xié)議（ZigBee協(xié)議棧）；無線傳感網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)作為嵌入式操作系統(tǒng)的一個(gè)分支，研發(fā)人員針對了不同平臺不同應(yīng)用開發(fā)出了多種多樣的無線傳感網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)，比如：TinyOS、MantisOS、MagnetOS、SOS以及Contiki等。

物聯(lián)網(wǎng)未來的市場前景巨大，其發(fā)展方向包括了M2M（MachinetoMachine/Man）的應(yīng)用，視頻監(jiān)控應(yīng)用，RFID技術(shù)與應(yīng)用，無線傳感網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用以及移動(dòng)互聯(lián)技術(shù)的應(yīng)用等。由于物聯(lián)網(wǎng)未來的應(yīng)用及發(fā)展方向多種多樣，而傳感網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用是未來感知層的主要形式，因此物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的基礎(chǔ)仍然是無線傳感網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用。物聯(lián)網(wǎng)理論與實(shí)踐課程的主體應(yīng)是無線傳感網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用，只有如此才能使得課程設(shè)置能夠迎合未來物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的各種變化，使得該課程所培養(yǎng)的人才適應(yīng)于社會上各種物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)職位。

二、“物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)”課程教學(xué)現(xiàn)狀與問題

淮南師范學(xué)院電子工程學(xué)院自2009年起電子信息工程、電子科學(xué)與技術(shù)以及通信工程等專業(yè)均開設(shè)物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)課程，采用“購買實(shí)驗(yàn)箱+物聯(lián)網(wǎng)教材”的模式。采用這種模式能夠快速建立起物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)或物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)課程，然而其弊端也是顯而易見的，下面對“物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)”課程所存在的問題進(jìn)行具體分析：

（一）“物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)”理論教學(xué)存在的問題

“物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)”課程缺乏整體規(guī)劃，與其他專業(yè)課程相對獨(dú)立。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)包含了各類已有技術(shù)，并朝著不同的應(yīng)用方向發(fā)展?！拔锫?lián)網(wǎng)技術(shù)”課程設(shè)置缺乏整體規(guī)劃，在沒有相應(yīng)的先導(dǎo)課程作為鋪墊以及后續(xù)課程的跟進(jìn)的情況下，教學(xué)效果不理想。

“物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)”課程理論與實(shí)驗(yàn)嚴(yán)重脫節(jié)。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)更新過快與教材理論滯后之間的矛盾，導(dǎo)致現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與教材內(nèi)容不相適應(yīng)，使得理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)無法銜接，增大了授課難度并嚴(yán)重影響學(xué)習(xí)效果。

（二）“物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)”實(shí)踐教學(xué)存在的問題

淮南師范學(xué)院電子工程學(xué)院物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室目前使用韓柏電子公司提供的Zigbex實(shí)驗(yàn)箱。盡管該實(shí)驗(yàn)箱提供了一套完整的物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)解決方案，但從表1“物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室軟硬件平臺資源”可以看出目前物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)仍存在以下問題：

表1　物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室軟硬件平臺資源及其特點(diǎn)

實(shí)驗(yàn)軟件平臺TinyOS操作系統(tǒng)從1.x版本升級為2.x版本后，編程風(fēng)格有著極大的改變，接口函數(shù)名發(fā)生變化，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)箱原有的配套教材已經(jīng)不適用于教學(xué)。并且原實(shí)驗(yàn)配套教材操作步驟不詳細(xì)，學(xué)生按照該教程無法操作。

實(shí)驗(yàn)室軟硬件平臺所需的技術(shù)背景知識沒有相關(guān)課程提供支持。相關(guān)專業(yè)所開設(shè)的課程并不涉及 ATmega128L控制芯片、CC2420射頻芯片、TinyOS操作系統(tǒng)以及NesC編程語言基礎(chǔ)，因此學(xué)生通過本實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)并不能了解底層硬件的工作原理，而且還需要花費(fèi)大量的時(shí)間精力在熟悉TinyOS操作系統(tǒng)和NesC編程語言上。

4.3.1 有機(jī)井管理房 將管控器保護(hù)柜通過￠12膨脹螺栓錨固在管理房內(nèi)墻面，輸電線采用25 m2的銅芯線，將電線接入直徑為75 mm的pvc管內(nèi)進(jìn)行保護(hù)。

目前物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室的軟硬件平臺陳舊，不能滿足當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展需求。物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室的zigbexMote采用 ATmega128L控制芯片以及CC2420射頻芯片的無線解決方案，而該方案最早由CrossBow公司在2003年提出，目前各公司均不采用此方案。

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)沒有提供集成開發(fā)環(huán)境，使得實(shí)驗(yàn)操作過程復(fù)雜。Zigbex實(shí)驗(yàn)箱在集成了TinyOS2.x操作系統(tǒng)的虛擬Linux平臺Cygwin下，對開發(fā)程序進(jìn)行交叉編譯生成硬件可執(zhí)行的文件，再使用AT－mega下載軟件通過ISP下載器將可執(zhí)行文件下載到目標(biāo)板中，整個(gè)實(shí)驗(yàn)操作過于復(fù)雜，不利于學(xué)生學(xué)習(xí)。

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的軟硬件不透明，離開了該平臺無法進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用開發(fā)。韓柏公司不提供實(shí)驗(yàn)箱的硬件原理圖，以及相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序封裝到TinyOS操作系統(tǒng)中，使得無法移植其他的無線傳感網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)且在該平臺上開發(fā)的應(yīng)用程序也無法移植到其他的軟硬件平臺上。

三、“物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)”課程改革的措施與具體實(shí)施方案

（一）“物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)”課程理論改革的主要措施

針對“物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)”課程中存在的問題以及現(xiàn)有的課程體系，提出將“物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)”與“ARM嵌入式系統(tǒng)”課程理論與實(shí)踐結(jié)合起來，以“ARM嵌入式系統(tǒng)”（該課程的主要內(nèi)容包括了基于Cortex-M3內(nèi)核的STM32芯片的應(yīng)用與uCOSII嵌入式操作系統(tǒng)的應(yīng)用）作為“物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)”的先導(dǎo)課程，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的實(shí)驗(yàn)平臺應(yīng)采用Cortex-M3內(nèi)核的控制器為主控芯片且uCOSII嵌入式操作系統(tǒng)為無線傳感網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)。該解決方案將兩門相對獨(dú)立的實(shí)踐課程建立起聯(lián)系，不僅能讓學(xué)生深入理解和熟練應(yīng)用Cortex-M3內(nèi)核控制器以及uCOSII嵌入式操作系統(tǒng)，而且還能緊跟最近的技術(shù)應(yīng)用前沿，更好的迎合社會對人才的需求。

1.選擇合適的傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)（實(shí)驗(yàn)開發(fā)平臺）

為了緊跟物聯(lián)網(wǎng)最新技術(shù)并且與“ARM嵌入式系統(tǒng)”等課程相結(jié)合，采用了大連飛翔科技有限公司提供的基于STM32W108的ZigBee節(jié)點(diǎn)。該傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)采用ARM-CortexM3技術(shù)制造，符合ZigBee/IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，能夠滿足用戶對于低成本、低功耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的需求。易于使用、節(jié)省空間并且能夠提供設(shè)備間的可靠數(shù)據(jù)傳輸。提供與傳感器相連的接口（超聲波、光敏、溫度、濕度、聲音、煙霧等），內(nèi)置DS18B20溫度傳感器。

2.創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的開發(fā)

創(chuàng)新試驗(yàn)項(xiàng)目的開發(fā)應(yīng)該本著讓學(xué)生熟悉傳感器節(jié)點(diǎn)硬件、熟悉ZigBee協(xié)議棧以及熟練掌握在uCOSII嵌入式操作系統(tǒng)上進(jìn)行應(yīng)用開發(fā)的技能為重點(diǎn)的原則，全面提升學(xué)生的對無線傳感網(wǎng)絡(luò)的實(shí)踐能力，以及學(xué)生可以通過此該硬件平臺輕松實(shí)現(xiàn)其創(chuàng)意創(chuàng)新設(shè)計(jì)。創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目將具備以下十個(gè)基本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目：

表3　創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

四、實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目及案例分析

隨著科技的發(fā)展，社會對人的實(shí)踐能力的要求越來越高，通過為“物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)”引入實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，可以進(jìn)一步提高學(xué)生的動(dòng)手能力。

以物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境參數(shù)監(jiān)測實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目為例，該項(xiàng)目是基于STM32W108的SimpleMac協(xié)議棧，利用無線節(jié)點(diǎn)完成對溫度、濕度、超聲波、煙霧、聲音、光敏等傳感器的控制及數(shù)據(jù)采集，并實(shí)時(shí)將數(shù)據(jù)發(fā)送到STM32W108開發(fā)板，完成傳感器數(shù)據(jù)的匯集，并通過串口傳送給PC機(jī)。

物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境參數(shù)監(jiān)測實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的硬件平臺主要包括了分別帶有溫度傳感器、超聲波傳感器、溫濕度傳感器、煙霧傳感器、聲音傳感器以及光敏傳感器等傳感器件的6個(gè)無線節(jié)點(diǎn)（PLANET），一個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)（SUN），如圖1所示；軟件平臺主要包括了 IAREmbeddedWorkbench開發(fā)軟件和 Sim－pleMac協(xié)議棧。

圖1　物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境參數(shù)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

SUN節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)接收傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)，并與PC機(jī)進(jìn)行通信，PLANET節(jié)點(diǎn)分別連接不同的傳感器，進(jìn)行傳感器數(shù)據(jù)采集，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到SUN節(jié)點(diǎn)。

該實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目不僅涉及到物聯(lián)網(wǎng)課程中的組網(wǎng)技術(shù)，還涉及到了ARM嵌入式系統(tǒng)的基礎(chǔ)知識以及傳感器相關(guān)理論知識。在該實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目中，我們還可以對該項(xiàng)目進(jìn)行任務(wù)分解，比如溫度采集、超聲波信號采集、煙霧信號采集、聲音信號采集、光強(qiáng)采集、各節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的傳輸、以及匯接節(jié)點(diǎn)的信號處理等任務(wù)，由不同的小組成員分工完成。這樣，不僅能鍛煉學(xué)生獨(dú)立的動(dòng)手實(shí)踐能力，也能培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神。

五、小結(jié)

高校教學(xué)中要想實(shí)現(xiàn)“創(chuàng)新型”與“應(yīng)用型”人才培養(yǎng)目標(biāo)，這就要求高校結(jié)合原有相關(guān)專業(yè)課程對教學(xué)方法、教學(xué)內(nèi)容及實(shí)踐環(huán)節(jié)等方面進(jìn)行不斷調(diào)整與創(chuàng)新，探索新的人才培養(yǎng)方案，為今后從事物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)領(lǐng)域工作和研究的學(xué)生下良好的基礎(chǔ)。本文在基于“物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)”課程基礎(chǔ)上，重點(diǎn)從理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)等方面探討了如何進(jìn)行教學(xué)改革，以更好地適應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的教學(xué)要求和培養(yǎng)目標(biāo)。

Teaching reformation and practice for Internet of things technology course

WU Yan

Internet of things technology is an important professional direct course in electronic and communication engineering.According to the characteristics of the internet of things technology teaching，the problems emerging in the course of theory and practice teaching are pointed out and the concrete reform plan is then put forward which is adapted to the theory and practice of the course.The plan links theory teaching with practice to promote students'understanding of the curriculum principle and improve students' practical ability.

Internet of things technology；teaching characteristics；reform program

G642.4

A

1009-9530（2015）06-0142-03

2015-09-22

淮南師范學(xué)院2015教學(xué)研究項(xiàng)目“基于應(yīng)用型人才培養(yǎng)的‘物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)’教學(xué)改革研究”（2015hsjyxm34）

吳琰（1985-），男，淮南師范學(xué)院電子工程學(xué)院電子信息工程專業(yè)助教，碩士，主要研究方向：擴(kuò)頻編碼，測控系統(tǒng)，無線傳感網(wǎng)絡(luò)，嵌入式系統(tǒng)，光片上網(wǎng)絡(luò)。