無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗課程改革淺析

戴慶天 張旭

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是高校物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的一門專業(yè)必修課。這門課程復(fù)合性強(qiáng)，融合了電路原理、單片機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等先修專業(yè)課程，具有較深的專業(yè)難度和較廣的專業(yè)維度。因此，相對應(yīng)的實(shí)驗課程，就要求實(shí)驗教師能夠在實(shí)驗課上，使學(xué)生對所學(xué)的理論知識具有更進(jìn)一步的直觀了解。本文選取具有無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)模塊的CC2530作為研究對象，通過一定數(shù)量工程的練習(xí)，使學(xué)生更好地掌握無線傳感器網(wǎng)絡(luò)課程較為抽象的理論內(nèi)容。

一、引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的必修課，是集傳感器技術(shù)、微電機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)和無線通信技術(shù)于一體的綜合信息處理平臺。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有廣泛的應(yīng)用前景，是信息領(lǐng)域最活躍的研究熱點(diǎn)之一。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一門綜合性較高的專業(yè)課程，融合了計算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和一定的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用技術(shù)。通過這門課程，主要是使得學(xué)生掌握無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)、通信協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)管理流程，了解無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)定位、目標(biāo)跟蹤和時間同步等幾大支撐技術(shù)，為在基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)開發(fā)和應(yīng)用中，深入利用關(guān)鍵技術(shù)，設(shè)計優(yōu)質(zhì)的應(yīng)用系統(tǒng)打下良好的基礎(chǔ)。

二、實(shí)驗內(nèi)容簡析

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)總共有48個學(xué)時，其中理論課時40學(xué)時，實(shí)驗課程8學(xué)時，是一門總課時和實(shí)驗課時較多的專業(yè)課程。這門課程融合度高，抽象的概念較多，因此具有一定的理解難度。很多學(xué)生在理論課學(xué)習(xí)中，并沒有一個對于所學(xué)知識的系統(tǒng)化認(rèn)識，不清楚所學(xué)的內(nèi)容如何在實(shí)踐中去應(yīng)用。因此，本課程的配套實(shí)驗課程，主要目的是要學(xué)生對所學(xué)內(nèi)容具有直觀認(rèn)識，了解每個章節(jié)的內(nèi)容是如何應(yīng)用于實(shí)際中的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中。通過8個課時的實(shí)驗課程，使學(xué)生能夠初步綜合應(yīng)用所學(xué)的相關(guān)理論知識，搭建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的系統(tǒng)。

本實(shí)驗課程總共8學(xué)時，實(shí)驗內(nèi)容的設(shè)計采用難度和綜合度漸進(jìn)的方式，分為四個主要部分，依次為接口控制實(shí)驗、中斷和內(nèi)部模塊應(yīng)用、通信和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用和綜合應(yīng)用實(shí)驗。這種設(shè)計方式的目的，是為了逐步提升學(xué)生應(yīng)用所學(xué)理論知識和解決實(shí)際問題的能力。這四個部分均為綜合性的課程。使學(xué)生既能通過驗證性實(shí)驗，進(jìn)一步理解所學(xué)相關(guān)理論知識內(nèi)容，又能通過設(shè)計性試驗，搭建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的簡單系統(tǒng)。實(shí)驗教師根據(jù)學(xué)生課上的實(shí)際教學(xué)情況，動態(tài)地調(diào)整實(shí)驗進(jìn)度，更好地使學(xué)生了解整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的知識系統(tǒng)。

三、實(shí)驗平臺與實(shí)驗內(nèi)容設(shè)計

結(jié)合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)這門課程的相關(guān)特點(diǎn)，其配套實(shí)驗課程采用的是硬件平臺和軟件平臺交互的方式。實(shí)驗課程的硬件平臺是采用北京奧爾斯公司開發(fā)的物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新實(shí)驗系統(tǒng)IOV-T-2530。這個硬件實(shí)驗平臺提供了網(wǎng)絡(luò)模塊、通信模塊、基本的傳感器及控制器模塊和嵌入式網(wǎng)關(guān)等模塊，這些模塊相對獨(dú)立，易于組裝和拆卸。軟件模塊采用的是IAR Embedded Workbench嵌入式開發(fā)軟件。IAR的編譯器優(yōu)化較好，兼容性強(qiáng)，操作簡便，適用于學(xué)生進(jìn)行系統(tǒng)的二次開發(fā)。

由IOV-T-2530實(shí)驗系統(tǒng)和IAR開發(fā)軟件組成的軟硬件交互實(shí)驗系統(tǒng)，能夠使學(xué)生在掌握相關(guān)理論的同時，利用計算機(jī)編程的方法結(jié)合實(shí)際的硬件模塊解決實(shí)際問題，便于學(xué)生熟悉和掌握物聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)成及實(shí)際應(yīng)用，掌握物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)要領(lǐng)，為物聯(lián)網(wǎng)工程應(yīng)用打下堅實(shí)的基礎(chǔ)。通過不同傳感器的特性，不同網(wǎng)絡(luò)的組成形式，學(xué)生可以在二次開發(fā)出更多實(shí)用性強(qiáng)的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用模式。

本課程所使用的物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新實(shí)驗系統(tǒng)IOV-T-2530，其核心芯片是CC2530。所有的傳感器及控制器模塊在2530模塊的控制下統(tǒng)一運(yùn)行，擁有相同的控制接口。根據(jù)所學(xué)理論課程的內(nèi)容與實(shí)驗室所提供的實(shí)驗系統(tǒng)模塊，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗課程的主要內(nèi)容有LCD接口實(shí)驗、CC2530中斷實(shí)驗、CC2530模式實(shí)驗、串口通信以及溫濕度采集實(shí)驗。每個實(shí)驗都有具體的操作步驟和一個參考范例，學(xué)生可以根據(jù)實(shí)驗步驟搭建起來實(shí)驗的平臺，然后根據(jù)參考范例寫出相應(yīng)的程序，編譯下載運(yùn)行調(diào)試之后，就會得出相應(yīng)的結(jié)果。

本實(shí)驗課程中，每個參考范例只是一個將所學(xué)理論內(nèi)容與實(shí)際操作結(jié)合的一個簡單實(shí)例。學(xué)生可以通過此實(shí)驗驗證所學(xué)的理論，然后以此為基礎(chǔ)，進(jìn)行自主開發(fā)。比如在LCD顯示實(shí)驗中，例程只是一個顯示了三角形和正方形的簡單程序。學(xué)生在掌握了接口實(shí)驗的實(shí)驗步驟后，可以自主實(shí)現(xiàn)顯示的內(nèi)容和循環(huán)延時的設(shè)置，也可以對其它接口內(nèi)容部分的理論進(jìn)行驗證。做到靈活運(yùn)用。最后一個實(shí)驗，是綜合性較強(qiáng)的溫濕度測試。這個實(shí)驗，綜合了之前所做的典型的幾個實(shí)驗內(nèi)容，包括通信、能耗、中斷、基本接口等內(nèi)容。對于這樣綜合性強(qiáng)的實(shí)驗，可以將它進(jìn)行拆解，分為多個實(shí)驗?zāi)K。然后進(jìn)行有機(jī)組合，最終設(shè)計出綜合的實(shí)驗系統(tǒng)，完成相關(guān)的實(shí)驗內(nèi)容。

四、結(jié)語

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)綜合了傳感器、嵌入式計算、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無線通信和分布式信息處理等技術(shù)，是當(dāng)今國內(nèi)外前沿?zé)狳c(diǎn)研究領(lǐng)域。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)課程理論性較強(qiáng)，因此需要通過實(shí)驗課程使學(xué)生直觀地了解所學(xué)的相關(guān)理論知識。通過實(shí)驗課程相關(guān)反饋，學(xué)生普遍能夠?qū)λ鶎W(xué)內(nèi)容有立體認(rèn)識，實(shí)驗課程初步取得了良好的效果。

（作者單位：東北大學(xué)秦皇島分校）