物聯(lián)網(wǎng)實驗教學(xué)方法實踐與探討

李智陳志鵬黎云

摘要：物聯(lián)網(wǎng)是新一代信息技術(shù)的重要組成部分，也是“信息化”時代的重要發(fā)展階段。高校物聯(lián)網(wǎng)課程由于涉及多學(xué)科的高度交叉，其實驗體系的設(shè)計面臨較大的挑戰(zhàn)。本文提出軟硬件結(jié)合的實驗教學(xué)模式，從物聯(lián)網(wǎng)實驗教學(xué)的硬件平臺、軟件分析、互聯(lián)組網(wǎng)、師生探討等方面進行了教學(xué)改革，培養(yǎng)學(xué)生在多學(xué)科交叉的新技術(shù)領(lǐng)域分析問題和解決問題的能力，提高學(xué)生對物聯(lián)網(wǎng)學(xué)習(xí)的興趣，使教學(xué)效果得到顯著提升。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；實驗教學(xué)；軟硬件結(jié)合；互聯(lián)組網(wǎng)

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）03-0183-02

一、引言

物聯(lián)網(wǎng)英文名為The Internet of things，物聯(lián)網(wǎng)的核心和基礎(chǔ)仍然是互聯(lián)網(wǎng)，是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上的延伸和擴展的網(wǎng)絡(luò)，其用戶端延伸和擴展到了物品與物品之間，進行信息交換和通信。物聯(lián)網(wǎng)是繼計算機、互聯(lián)網(wǎng)與移動通信網(wǎng)之后的又一次信息產(chǎn)業(yè)浪潮，它實現(xiàn)了信息世界與物理世界的緊密融合。

二、物聯(lián)網(wǎng)實驗課程的特點及改革

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)由感知層、傳輸層、處理層和應(yīng)用層4個層次構(gòu)成，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)涵蓋了計算機、通訊、網(wǎng)絡(luò)、控制等眾多專業(yè)課程。同時，國內(nèi)大部分高校都存在“重理論、輕實踐”的錯誤認識，這樣就形成了物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)知識繁雜課程枯燥的特點。培養(yǎng)學(xué)生實踐能力，鍛造工程型、復(fù)合型的物聯(lián)網(wǎng)人是該門學(xué)科改革的必由之路，所以我校要進一步深化物聯(lián)網(wǎng)的實驗教學(xué)改革，充分發(fā)揮和體現(xiàn)實驗教學(xué)的重要作用，具體內(nèi)容如下。

1.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域中的關(guān)鍵技術(shù)，向?qū)W生們介紹無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本概念、拓撲結(jié)構(gòu)、組網(wǎng)方式、特點及優(yōu)勢以及目前在物聯(lián)網(wǎng)中的一些具體應(yīng)用等，讓學(xué)生對無線物聯(lián)網(wǎng)有個初步的認識。

2.實驗采用基于MC13213芯片的開發(fā)套件，要求學(xué)生以小組為單位首先完成基本的實驗。通過了解ZigBee協(xié)議和Keil軟件，完成點對點的通信，并用Sniffer進行節(jié)點之間通信數(shù)據(jù)包的抓取及分析。

3.在完成基本的點對點通信的基礎(chǔ)上，增加路由節(jié)點，建立多跳傳感器網(wǎng)絡(luò)，同時進行節(jié)點的組網(wǎng)，并用網(wǎng)絡(luò)仿真軟件NS2進行動態(tài)仿真，并對采樣數(shù)據(jù)進行收集比對，比較組網(wǎng)通信與點對點通信的區(qū)別。

4.支持學(xué)生完成開放性實驗，即可以選擇溫度傳感器、加速度傳感器等進行數(shù)據(jù)的采集，同時為傳感器節(jié)點增加動態(tài)變量，在動態(tài)的環(huán)境下對數(shù)據(jù)進行傳輸及采集，并將數(shù)據(jù)傳到主節(jié)點，實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。

三、實驗硬件平臺及軟件應(yīng)用

本實驗中，無線傳感器節(jié)點采取模塊化設(shè)計，底板采用Cortex M3主芯片，能夠同時外接多個具有通用接口的傳感器和執(zhí)行器，ZigBee無線通信模塊與傳感器采集模塊可分離并任意組合使用，極大地增強了開發(fā)的靈活度。ZigBee通信模塊的芯片為Freescale MC13213，支持IEEE802.15.4和ZigBee-2007/Pro/RF4CE標準，提供BDM接口或者標準串口，可以燒錄程序并調(diào)試。工作頻率在2.4G頻段，擁有16個信道；發(fā)射功率可配置，范圍為-30dBm—2.5dBm；接收機靈敏度可達-88dBm；最大傳輸距離為220米。傳感器節(jié)點支持電源供電與電池供電兩種供電方式，支持大容量鋰電池供電，并可以通過電源實現(xiàn)對鋰電池的充電，而無需拆電池單獨充電。實驗時，每組學(xué)生配置一套開發(fā)套件，包括4—5個無線傳感器節(jié)點、燒錄器以及鋰電池等。無線通信網(wǎng)絡(luò)軟件以Zstack作為ZigBee的協(xié)議棧。在實驗中，學(xué)生需要熟悉并安裝Keil MDK-ARM開發(fā)環(huán)境，該環(huán)境提供了C語言的程序編寫、編譯連接、程序下載以及仿真調(diào)試等全部功能。熟悉網(wǎng)絡(luò)模擬軟件NS2和linux的基本指令。

NS2是一種面向?qū)ο蟮木W(wǎng)絡(luò)仿真器，使用C++和Otcl作為開發(fā)語言，NS可以說是Otcl的腳本解釋器，當(dāng)仿真完成以后，NS將會產(chǎn)生一個或多個基于文本的跟蹤文件。只要在Tcl腳本中加入一些簡單的語句，這些文件中就會包含詳細的跟蹤信息Trace文件，這些數(shù)據(jù)可以用于下一步的分析處理，也可以使用NAM將整個仿真過程展示出來。同時，在實驗中學(xué)生還需要掌握利用仿真器進行仿真、調(diào)試，學(xué)會進行RF測試以及采用Packet Sniffer進行探測和分析。Sniffer可以顯示當(dāng)前環(huán)境下Zigbee的節(jié)點信息，監(jiān)測2.4GHz頻段各Channel的信號狀況，包括信號強度、當(dāng)前Channel占用率以及不同速率報文在該Channel的分布狀況等信息。監(jiān)聽當(dāng)前環(huán)境下的ZigBee數(shù)據(jù)包，提供了Channel過濾、MAC地址過濾和IP過濾等組合過濾的方式讀取數(shù)據(jù)，支持IEEE 802.15.4標準協(xié)議解析數(shù)據(jù)包，還具有多種報文統(tǒng)計分析功能。

四、組網(wǎng)實驗內(nèi)容

學(xué)生在熟悉硬件平臺、軟件開發(fā)環(huán)境及程序燒錄方式等基本工具和方法之后，需要了解并修改Zstack協(xié)議棧程序，燒錄一個協(xié)調(diào)器節(jié)點和一個終端節(jié)點對協(xié)調(diào)器節(jié)點和終端節(jié)點先后上電，通過串口助手工具，觀察是否收到數(shù)據(jù)，判斷點到點通信是否成功。接著燒錄另外的嗅探節(jié)點，利用Sniffer軟件對上述兩點之間通信的過程進行抓包分析。學(xué)生對抓取的數(shù)據(jù)包進行分析，了解數(shù)據(jù)包的協(xié)議通信格式，如廣播幀、探詢幀、確認幀、地址分配等，并熟悉ZigBee協(xié)議的基本組網(wǎng)流程。對實驗中出現(xiàn)的問題，如兩節(jié)點無法通信傳輸，也可利用嗅探器的抓包來分析原因。通過該實驗，學(xué)生了解了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中從協(xié)調(diào)器節(jié)點建立網(wǎng)絡(luò)到終端節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)開始傳輸數(shù)據(jù)的過程，同時可以掌握如何修改傳感器網(wǎng)絡(luò)的一些常用參數(shù)。在第一個實驗點對點通信的基礎(chǔ)上，加入路由節(jié)點，設(shè)置多跳網(wǎng)絡(luò)，使終端節(jié)點可以通過路由節(jié)點連接到協(xié)調(diào)器。在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中存在三種邏輯設(shè)備類型：Coordinator（協(xié)調(diào)器）、Router（路由器）和End-Device（終端設(shè)備）。協(xié)調(diào)器負責(zé)啟動整個網(wǎng)絡(luò)，它也是網(wǎng)絡(luò)的第一個設(shè)備。協(xié)調(diào)器選擇一個信道和一個網(wǎng)絡(luò)ID，隨后啟動整個網(wǎng)絡(luò)。路由器的功能主要是允許其他設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)，多條路由和協(xié)助終端設(shè)備的通訊。通過降低發(fā)射功率或延長點對點的通信距離，使協(xié)調(diào)器節(jié)點與終端節(jié)點無法進行通信。接著，在網(wǎng)絡(luò)中加入路由節(jié)點，并使路由節(jié)點與上述兩個節(jié)點進行可靠的無線傳輸。這時，終端節(jié)點將會通過入網(wǎng)的路由節(jié)點和協(xié)調(diào)器節(jié)點進行通信。同樣，利用另外一個節(jié)點作為包嗅探器節(jié)點，將網(wǎng)絡(luò)中傳輸數(shù)據(jù)的過程進行抓包記錄，分析傳輸中的數(shù)據(jù)包幀格式并畫出信令流程圖。最后，學(xué)生可以通過開發(fā)套件中預(yù)留的接口，連接溫度傳感器、濕度傳感器或光感傳感器等，修改Z-Stack協(xié)議棧應(yīng)用層程序，完成一個基本的物聯(lián)網(wǎng)工程應(yīng)用。

五、結(jié)語

為了充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)物聯(lián)網(wǎng)的積極性和主動性，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維，增強學(xué)生的專業(yè)技能，我們需要積極地思考，勤奮地探索，及時地總結(jié)經(jīng)驗教訓(xùn)。同時，物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的特性和需求要求我們進行必要且適合該課程的教學(xué)改革與創(chuàng)新，建立起一套真正適合于學(xué)生培養(yǎng)的實驗教學(xué)模式。

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