一個物聯(lián)網(wǎng)應用實訓案例設計

何文德 楊鳳年

摘要：針對目前國內(nèi)物聯(lián)網(wǎng)應用實踐教學存在不足，設計了一個面向物聯(lián)網(wǎng)應用的工程實訓案例。該案例基于STC單片機開發(fā)板和臺式機，從環(huán)境溫度和光照的感知、A/D轉換、串口通信、Python編程、MySQL數(shù)據(jù)庫應用等知識點出發(fā)，用于物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)學生的工程實訓教學，并提出了教學效果的評價和考核方案。

關鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);案例教學;實訓案例設計

中圖分類號：TP311? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）16-0147-02

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

物聯(lián)網(wǎng)技術是在計算機技術的基礎上，融合了智能感知、云計算與普適計算等技術而形成和發(fā)展起來的綜合性技術。物聯(lián)網(wǎng)應用涵蓋了智能電力、智能交通、智能家居、智能物流、智能工業(yè)、智慧城市、智慧農(nóng)業(yè)和智慧醫(yī)療等領域，市場前景廣闊。因此，國內(nèi)高校十分重視物聯(lián)網(wǎng)人才的培養(yǎng)，物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)自2010年被教育部批準設立以來，已有四百多所高校開設，長沙學院已于2016年開設此專業(yè)，目標是培養(yǎng)能夠系統(tǒng)地掌握物聯(lián)網(wǎng)的相關理論、方法和技能，具備通信技術、網(wǎng)絡技術、傳感技術等信息領域寬廣的專業(yè)知識的高級工程技術人才。

1 實訓案例教學的必要性

由于物聯(lián)網(wǎng)技術涵蓋的知識面廣，企業(yè)對此類人才的知識結構和工程實踐能力往往有更高要求。而傳統(tǒng)教學過程往往更注重知識點的講授，教師與學生的教與學的效果很難滿足上述要求，尤其是學生的工程實踐能力有一定欠缺。案例教學模式可以適應物聯(lián)網(wǎng)工程相關課程的特點，能夠激發(fā)學生的學習積極性和創(chuàng)造性，取得更好的教學效果，提高學生的工程實踐能力和就業(yè)競爭力[1]。目前已有部分高校開展了物聯(lián)網(wǎng)實踐教學方面的探索與實踐，文獻[1]提出了在物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的教學活動中采用項目小組驅動的教學模式，文獻[2]提出了軟硬件結合的實驗教學模式。然而，設計出知識結構分布合理，難易程度和工作量適合授課對象、能有效激發(fā)學生自主學習熱情的物聯(lián)網(wǎng)應用教學案例，是值得探討的課題。

物聯(lián)網(wǎng)應用工程實訓案例教學具有非常重要的意義。首先，將抽象的物聯(lián)網(wǎng)相關理論知識與實際應用結合，加深學生對書本知識的理解。實訓課程將智能感知、嵌入式系統(tǒng)、網(wǎng)絡通信和數(shù)據(jù)庫技術等綜合應用于智慧農(nóng)業(yè)等領域，并在真實的硬件平臺上實現(xiàn)，學生不再被動地接受知識的灌輸，而是通過自主實踐，將所學知識融會貫通應用到實際課題中。同時，在實訓過程中會遇到各種軟硬件問題，往往要通過團隊協(xié)作才能解決，這樣既提高了學生解決實際問題能力，又強化了學生的團隊合作意識。其次，實訓內(nèi)容包括最新科技成果和業(yè)界主流技術如新的傳感器、深度學習+物聯(lián)網(wǎng)、編程框架、編程語言等的應用，新知識和新技術的融入，能讓學生能及時了解物聯(lián)網(wǎng)前沿技術，從而有效激發(fā)他們的研究和開發(fā)興趣。

2 案例教學過程

2.1 教學案例設計思路

本實訓教學案例利用臺式計算機、STC單片機、溫度傳感器、光照傳感器等硬件，結合A/D轉換、串口通信、WiFi、MySQL數(shù)據(jù)庫、Python、C51等技術，啟發(fā)學生根據(jù)智慧農(nóng)業(yè)需求，設計開發(fā)智慧農(nóng)場環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)。

功能要求如下：

系統(tǒng)包含上位機和下位機兩部分，系統(tǒng)架構如圖1所示。下位機是基于智慧農(nóng)場應用的監(jiān)控終端模塊，以STC15F2K60S2單片機作為MCU，實時采集現(xiàn)場的光照強度和溫度值，并將溫度和光照強度顯示在LED屏幕上。若光線強度低于某閾值，蜂鳴器發(fā)出報警聲，光線警示燈閃爍，開啟照明系統(tǒng);若光線強度高于設定閾值打開遮光裝置，蜂鳴器發(fā)出報警聲，光線警示燈閃爍。若溫度低于某閾值，蜂鳴器發(fā)出報警聲，溫度警示燈閃爍，開啟加熱裝置，若溫度高于設定閾值，則蜂鳴器發(fā)出報警聲，溫度警示燈閃爍，開啟通風裝置。每指定的時間間隔，監(jiān)控終端通過WiFi向上位機發(fā)送光照強度和溫度值等信息。采用臺式計算機作上位機，當收到下位機發(fā)送過來的溫度和光照強度值等信息加上時間戳和終端編號后，將其保存到MySQL數(shù)據(jù)庫中，實現(xiàn)效果如圖2所示。

開發(fā)與運行環(huán)境要求：

下位機：STC單片機開發(fā)板，含光照傳感器模塊、溫度傳感器、WiFi模塊、繼電器模塊等。

上位機：臺式計算機，Windows 7操作系統(tǒng)、IDLE （Python 3.7）、Keil uVision4、MySQL 8.0。

技術要點：利用A/D轉換技術，獲取光照強度和溫度值。采用C51編程對單片機IO口、PWM的控制，實現(xiàn)警示燈閃爍、蜂鳴器報警、照明設施、加熱設備和通風設備的開關，利用串口通信技術控制WiFi模塊，實現(xiàn)下位機與上位機的信息傳送。上位機采用Python編程技術，將環(huán)境監(jiān)測信息接收、處理并存儲到MySQL數(shù)據(jù)庫中。

2.2 教學安排

教師提前4周布置實訓任務，以便學生有較充裕的時間提前進行知識和技能的儲備。實訓為時間4周，第一周是教師講授和歸納項目所需的知識點、學生進行需求分析和方案設計時間，之后的兩周是學生的設計和實現(xiàn)時間，教師負責解答學生的技術問題。長沙學院物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)學生之前沒學過Python語言，因此需要花費時間自學，如果學生已熟悉Python，該案例的實訓時長可以縮減到三周。

為了培養(yǎng)學生的獨立工作能力，要求每個學生獨立完成該項目，同時學生在學習過程中能互幫互助、互相督促，由4～5個學生組成一個項目學習小組。項目小組根據(jù)各成員根據(jù)開發(fā)能力、溝通管理能力互補搭配而成，團隊成員劃分成不同的角色，組織溝通能力較強者任組長，負責團隊開發(fā)進度等過程管理，開發(fā)能力較強中任技術負責人，負責技術幫扶，實訓期間教師可重點培訓幾位技術負責人，即可發(fā)揮以點帶面的作用。

3 教學效果的評價和考核

科學的教學效果評價和考核體系決定了學生的培養(yǎng)質量。CDIO（conceive、design、implement、operate，即構思、設計、實現(xiàn)、運作）是由美國麻省理工學院和瑞典皇家工學院等4所大學共同倡導的國際高等工程教育的一種新的人才培養(yǎng)模式，該模式特別注重扎實的工程基礎理論和專業(yè)知識的培養(yǎng)，將產(chǎn)業(yè)對人才能力的各項具體要求，逐一落實到相應教學環(huán)節(jié)，來滿足產(chǎn)業(yè)對工程技術人才質量的總體要求。本課題綜合CDIO工程教育人才培養(yǎng)考核標準和我校傳統(tǒng)實踐教學環(huán)節(jié)的考核方法，建立了以個人項目開發(fā)能力、團隊協(xié)作能力、文檔編寫能力、技術創(chuàng)新能力等為培養(yǎng)目標，以需求分析、項目構思、項目設計、代碼實現(xiàn)為主線的過程考核，加上學生自評、項目組互評、項目答辯等考核方式結合，實現(xiàn)教學效果的全方位精準考核?；贑DIO的項目考核體系能更有效地激勵學生自主學習，合理準確地評價教師的教學和學生的學習效果，督促教師不斷地完善實踐教學內(nèi)容，進一步提高教師的實踐教學能力[3]。

4 結語

物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的工程實訓是實踐教學中的一個重要環(huán)節(jié)，智慧農(nóng)場環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)項目通過傳感器獲取環(huán)境信息，借助STC單片機將這些信息通過其內(nèi)嵌的A/D轉換單元轉換成數(shù)字信號，然后根據(jù)事先設置的閾值，采取判斷是否采取補救措施和發(fā)出聲光報警信號;且通過WiFi將環(huán)境監(jiān)測信息發(fā)送到上位機并存儲到數(shù)據(jù)庫中。學生通過本實驗案例的學習和實踐，可將單片機開發(fā)與Windows應用程序開發(fā)相結合，實現(xiàn)一個完整的應用系統(tǒng)，掌握整個開發(fā)流程，形成對物聯(lián)網(wǎng)應用系統(tǒng)開發(fā)的認知，為以后的物聯(lián)網(wǎng)應用系統(tǒng)開發(fā)打下良好基礎。教學實踐證明，該實訓教學案例方案可行，教學效果較好，在后續(xù)的教學實踐中我們將會對其做進一步改進，適度融入物聯(lián)網(wǎng)相關的前沿技術，力求取得更好的教學效果。

參考文獻：

[1] 曹領，劉海.項目小組驅動教學模式在物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)中的應用[J].計算機教育，2018（5）：136-139.

[2] 李智，陳志鵬，黎云.物聯(lián)網(wǎng)實驗教學方法實踐與探討[J].教育教學論壇，2018（3）：183-184.

[3] 王曉娟，韋韞韜，富春巖，等.基于CDIO理念的應用型計算機人才培養(yǎng)模式研究[J].計算機時代，2015（12）：79-81，84.

【通聯(lián)編輯：朱寶貴】