新工科背景下基于項(xiàng)目驅(qū)動的Zigbee技術(shù)及應(yīng)用課程改革

侯艷艷 張偉 王海峰 呂新杰

摘要：Zigbee技術(shù)及應(yīng)用課程是物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的必修課程，主要講授物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用開發(fā)的短距離傳輸技術(shù)。課程貫徹“學(xué)生中心、產(chǎn)出導(dǎo)向、持續(xù)改進(jìn)”三大教學(xué)理念，將智能停車系統(tǒng)應(yīng)用項(xiàng)目與教學(xué)內(nèi)容相結(jié)合，完成課程教學(xué)改革。通過課程教學(xué)改革，將傳統(tǒng)的以知識點(diǎn)為主線的轉(zhuǎn)化為以項(xiàng)目實(shí)踐為主線的教學(xué)內(nèi)容組織模式，提高了學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力，對于新工科背景下物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的其他課程的教學(xué)設(shè)計(jì)與改革也具有重要的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：Zigbee技術(shù);智慧停車系統(tǒng);物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng);模塊化;Zstack協(xié)議棧

中圖分類號： G642.0? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? 文章編號：1009-3044（2019）02-0131-02

1 課程概述

Zigbee技術(shù)及應(yīng)用課程是一門技術(shù)性、實(shí)踐性很強(qiáng)的專業(yè)課程，主要講授基于Zigbee協(xié)議的物聯(lián)網(wǎng)工程中的短距離無線組網(wǎng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握物聯(lián)網(wǎng)工程相關(guān)崗位所需的Zigbee技術(shù)，掌握 Zigbee協(xié)議的體系結(jié)構(gòu)及應(yīng)用原理，并能夠根據(jù)Zigbee技術(shù)設(shè)計(jì)和組建無線傳感網(wǎng)，提高學(xué)生運(yùn)用工程原理分析解決復(fù)雜工程問題的能力，為學(xué)生以后從事物聯(lián)網(wǎng)工程領(lǐng)域相關(guān)工作打下堅(jiān)實(shí)工程技術(shù)基礎(chǔ)。

Zigbee技術(shù)及應(yīng)用課程的總體設(shè)計(jì)思想是以應(yīng)用實(shí)踐能力培養(yǎng)為本位，以項(xiàng)目開發(fā)為導(dǎo)向，以校企共建為途徑，采用智慧停車系統(tǒng)為應(yīng)用案例，將課程的知識點(diǎn)分解到項(xiàng)目案例中，采用理論與實(shí)踐結(jié)合的教學(xué)方式，培養(yǎng)學(xué)生的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用開發(fā)和實(shí)踐能力。

2? 教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)

通過分析當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)需求及ZigBee 技術(shù)所涵蓋的崗位群的職業(yè)能力需求，重新組織課程教學(xué)內(nèi)容。教學(xué)內(nèi)容的組織上摒棄傳統(tǒng)的以學(xué)科體系為主線的章節(jié)安排方式，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)工程應(yīng)用案例，將工程實(shí)踐應(yīng)用需求融入教學(xué)過程中，將課程知識點(diǎn)融入物聯(lián)網(wǎng)工程應(yīng)用案例中，將物聯(lián)網(wǎng)工程開發(fā)方法融入實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)中，形成“三融入一結(jié)合”的教學(xué)特色。按照“分組化”“模塊化”“項(xiàng)目化”及“ 綜合化”方式，課程內(nèi)容分四個階段展開：

第一階段，熟悉Zibgee相關(guān)技術(shù)。教師發(fā)布智能停車系統(tǒng)的設(shè)計(jì)任務(wù);學(xué)生自主組件課程項(xiàng)目工作小組，以項(xiàng)目組為單位查閱Zibgee相關(guān)技術(shù)資料，分析智慧停車系統(tǒng)的功能需求，討論并形成智能停車系統(tǒng)初步設(shè)計(jì)方案。教師通過智慧停車系統(tǒng)項(xiàng)目引入Zibgee技術(shù)的基本概念，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)的組成、相關(guān)技術(shù)及設(shè)計(jì)方法，幫助學(xué)生建立物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的短距離無線組網(wǎng)的概念。第一階段主要完成如下實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：

（1） 智慧停車系統(tǒng)工程環(huán)境熟悉，通過IAR軟件的使用使學(xué)生了解zigbee技術(shù)的軟件設(shè)計(jì)方法， 通過Zigbee網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)實(shí)驗(yàn)使學(xué)生掌握Zigbee網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)方法。開展項(xiàng)目組討論，分析智慧停車系統(tǒng)項(xiàng)目的功能需求。

（2） Zigbee網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)分析，通過Zigbee Sniffer嗅探器抓取zigbee網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包，通過MAC層和網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)幀使學(xué)生立即Zigbee網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)。開展項(xiàng)目組討論，分析不同層次Zigbee網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的特點(diǎn)。

第二階段，智慧停車系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)功能開發(fā)。從智慧停車系統(tǒng)應(yīng)用需求出發(fā)，引入Zigbee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)芯片CC2530的開發(fā)技術(shù)，將系統(tǒng)設(shè)計(jì)分解為溫濕度傳感器、紅外傳感器，光照，控制器等模塊的設(shè)計(jì)相結(jié)合，完成智慧停車系統(tǒng)的終端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)。

（1）智慧停車系統(tǒng)I/O口實(shí)驗(yàn)，從智慧停車系統(tǒng)按鍵功能設(shè)計(jì)需求出發(fā)，引入通用I/O口設(shè)計(jì)按鍵的基本方法，設(shè)計(jì)按鍵控制停車系統(tǒng)指示燈閃爍，蜂鳴器響等功能，實(shí)現(xiàn)按鍵在智慧停車系統(tǒng)中設(shè)備控制的功能。

（2）智慧停車系統(tǒng)中斷實(shí)驗(yàn)，分組討論智慧停車系統(tǒng)I/O口實(shí)驗(yàn)中按鍵查詢方式的缺點(diǎn)，引導(dǎo)學(xué)生采用中斷控制方式實(shí)現(xiàn)按鍵控制功能，實(shí)現(xiàn)智慧停車系統(tǒng)控制功能。

（3）智慧停車系統(tǒng)傳感器實(shí)驗(yàn)，從智慧停車系統(tǒng)環(huán)境信息采集需求出發(fā)，實(shí)現(xiàn)溫濕度、光照度、人體紅外信息采集，結(jié)合CC2530系統(tǒng)時鐘和振蕩器的原理，分組討論并實(shí)現(xiàn)傳感器信息采集、串行數(shù)據(jù)的傳輸及控制端實(shí)現(xiàn)各類設(shè)備控制。

第三階段，智慧停車系統(tǒng)的無線組網(wǎng)實(shí)驗(yàn)。分組討論智慧停車系統(tǒng)有線信息傳輸方式的缺點(diǎn)，引入Zigbee技術(shù)無線傳輸方案，分組討論并實(shí)現(xiàn)基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的智慧停車系統(tǒng)的無線組網(wǎng)及數(shù)據(jù)收發(fā)。

（1）無線射頻與MAC層實(shí)驗(yàn)，分組討論無線射頻通信的基本原理，引導(dǎo)學(xué)生通過無線信道實(shí)現(xiàn)智慧停車系統(tǒng)點(diǎn)對點(diǎn)數(shù)據(jù)收發(fā)。

（2）智慧停車系統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)，通過Zstack協(xié)議棧組建智慧停車系統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)器的廣播發(fā)送，協(xié)調(diào)器、路由器及終端節(jié)點(diǎn)之間點(diǎn)對點(diǎn)通信，設(shè)計(jì)智慧停車系統(tǒng)設(shè)計(jì)無線傳感網(wǎng)絡(luò)方案。

第四階段，智慧停車系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)?；赯stack協(xié)議棧，結(jié)合紅外傳感節(jié)點(diǎn)、光照節(jié)點(diǎn)，溫濕度傳感器節(jié)點(diǎn)、執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)，啟發(fā)學(xué)生構(gòu)建智慧停車系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)方案，完成智慧停車系統(tǒng)的信息采集、網(wǎng)絡(luò)傳輸、設(shè)備控制。

（1） 智慧停車系統(tǒng)硬件驅(qū)動實(shí)驗(yàn)，小組討論并實(shí)現(xiàn)基于TI的Zstack協(xié)議棧、實(shí)現(xiàn)開關(guān)、按鍵相關(guān)的驅(qū)動代碼的設(shè)計(jì)，完成溫度傳感器、光照度傳感器、等傳感器信息的移植，為智慧停車系統(tǒng)的設(shè)計(jì)做準(zhǔn)備。

（2）智慧停車系統(tǒng)應(yīng)用程序?qū)嶒?yàn)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)智慧停車系統(tǒng)的應(yīng)用程序，實(shí)現(xiàn)溫濕度，光照度等環(huán)境信息的采集，并根據(jù)環(huán)境信息自動控制停車系統(tǒng)設(shè)備的開關(guān)，實(shí)現(xiàn)智慧停車系統(tǒng)的自動化和智能化管理。

3 課程考核方式

為了保證基于項(xiàng)目驅(qū)動的Zigbee課程教學(xué)改革效果，提高學(xué)生工程實(shí)踐能力，課程考核摒棄了傳統(tǒng)的單一的試卷考核方式，而是采用考試與項(xiàng)目答辯相結(jié)合的過程考核方式，課程考核通過三個階段的考核實(shí)現(xiàn)：

（1）隨堂考核

第1-14教學(xué)周，課程采用項(xiàng)目組模式、任務(wù)分解的方式開展教學(xué)，每周設(shè)立答辯時間，檢查每組項(xiàng)目的完成進(jìn)展情況，項(xiàng)目組成員基于項(xiàng)目的完成情況及相關(guān)技術(shù)進(jìn)行展示及答辯，根據(jù)項(xiàng)目完成情況，創(chuàng)新度，及項(xiàng)目組成員的貢獻(xiàn)度形成隨堂考核成績。

（2）課程設(shè)計(jì)

第15-16教學(xué)周，集中實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，根據(jù)智慧停車系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程及方法，布置課程設(shè)計(jì)，要求學(xué)生根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)在智能家居、環(huán)境監(jiān)控、智慧農(nóng)業(yè)的應(yīng)用，完成其他物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

（3）綜合考核

第18-19教學(xué)周，組織學(xué)生考試，考試采用機(jī)考形式（閉卷考試），主要考查學(xué)生的物聯(lián)網(wǎng)程序分析設(shè)計(jì)能力。通過小組答辯與項(xiàng)目內(nèi)容演示的考核方式，考查學(xué)生的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)綜合實(shí)踐與應(yīng)用能力。

4結(jié)論

新工科背景下，為了提高學(xué)生的工程實(shí)踐能力，我們應(yīng)該改變傳統(tǒng)的教學(xué)模式和教學(xué)內(nèi)容組成形式，基于項(xiàng)目驅(qū)動的Zigbee課程教學(xué)改革能夠從提高學(xué)生的問題解決能力及復(fù)雜工程解決能力出發(fā)，將課程內(nèi)容與工程案例無縫對接，采用工程化教學(xué)方法，引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)出滿足工程需求的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)。通過Zigbee技術(shù)及應(yīng)用課程教學(xué)改革，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維，提高學(xué)生的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)能力、激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

參考文獻(xiàn)：

[1] 紀(jì)延俊，杜玉杰. 基于ZigBee的宿舍安防監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]. 電子技術(shù)與軟件工程，2016（11）：149-150.

[2]王勇軍，蔡沂. ZigBee通信協(xié)議與應(yīng)用課程階段教學(xué)探索[J]. 無線互聯(lián)科技，2016（12）：3-4.

[3]龍海燕，張?zhí)祜w，丁嬌，梁美玉，張磊. 《ZigBee技術(shù)應(yīng)用及無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)》課程改革探索[J]. 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2017，7（12）：119-120.

[4]孫冠男. 基于ZigBee協(xié)議的物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺的設(shè)計(jì)與開發(fā)[D].山東師范大學(xué)，2014.

[5]王勇軍，蔡沂. ZigBee通信協(xié)議與應(yīng)用課程階段教學(xué)探索[J]. 無線互聯(lián)科技，2016（12）：3-4.

[6]王超. 物聯(lián)網(wǎng)工程“Zigbee協(xié)議與編程”教學(xué)改革探討[J]. 吉林省經(jīng)濟(jì)管理干部學(xué)院學(xué)報(bào)，2016，30（3）：62-64.

[7]吉寧虎. 基于ZigBee技術(shù)的學(xué)生評價(jià)與實(shí)時互動反饋系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[D].復(fù)旦大學(xué)，2008.

[8]龍海燕，張?zhí)祜w，丁嬌，梁美玉，張磊. 《ZigBee技術(shù)應(yīng)用及無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)》課程改革探索[J]. 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2017，7（12）：119-120.