“無線傳感網(wǎng)絡(luò)”課程教學(xué)研究

潘 勇 熊 江 陳曉峰

（重慶三峽學(xué)院計算機科學(xué)與工程學(xué)院，重慶萬州 404100）

物聯(lián)網(wǎng)（Internet of things，IOT）的概念是在1999年提出的，根據(jù)2005年國際電信聯(lián)盟（ITU）的定義，物聯(lián)網(wǎng)主要解決物與物（Thing to Thing，T2T）、人與物（Human to Thing，H2T）、人與人（Human to Human，H2H）在任何時間、任何地點之間的互聯(lián)[1].這一高度交叉的新興前沿領(lǐng)域在國際國內(nèi)均備受關(guān)注.2010年，教育部公布了通過審批的140個高等學(xué)校戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)相關(guān)本科新專業(yè)，當(dāng)年即有50多所本?？圃盒ｉ_設(shè)了物聯(lián)網(wǎng)工程或相關(guān)專業(yè).隨著2014年國務(wù)院提出引導(dǎo)一批普通本科類院校向應(yīng)用技術(shù)型轉(zhuǎn)型的指導(dǎo)思想，本科院校特別是地方本科院校培養(yǎng)應(yīng)用型人才的目標(biāo)將更加清晰，緊密結(jié)合當(dāng)?shù)亟?jīng)濟社會發(fā)展，加大前沿性交叉性專業(yè)學(xué)科建設(shè)，辦出特色，培養(yǎng)出具備綜合素質(zhì)的跨學(xué)科人才成為當(dāng)務(wù)之急.建設(shè)一個具備自身辦學(xué)特色的物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)應(yīng)符合以上要求.那么如何培養(yǎng)出滿足社會需求、適應(yīng)經(jīng)濟發(fā)展，應(yīng)用型高素質(zhì)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)人才已成為教學(xué)研究的重要課題.通過幾年來對物聯(lián)網(wǎng)工程類課程，特別是其核心課程“無線傳感網(wǎng)絡(luò)”的教學(xué)與研究，筆者認(rèn)為應(yīng)該從課程設(shè)置、教學(xué)方法、綜合素質(zhì)培養(yǎng)三個方面進行研究與探索.

1 課程設(shè)置

信息采集、信息處理和信息傳輸，這三個部分構(gòu)成了信息產(chǎn)業(yè)的三大支柱，也正是物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的三個組成部分.電子信息科學(xué)與技術(shù)、計算機科學(xué)技術(shù)和通信工程這三個專業(yè)正好對應(yīng)了物聯(lián)網(wǎng)三大支柱領(lǐng)域[2].根據(jù)無線傳感網(wǎng)絡(luò)的定義，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、處理和傳輸三種功能，而這正對應(yīng)著現(xiàn)代信息技術(shù)的三大基礎(chǔ)技術(shù)，即傳感器技術(shù)、計算機技術(shù)和通信技術(shù)，它們分別構(gòu)成了信息系統(tǒng)的感官、大腦、和神經(jīng)三個部分.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)正是這三種技術(shù)的結(jié)合，可以構(gòu)成一個獨立的現(xiàn)代信息系統(tǒng)[3].

目前大多數(shù)高等院校的物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)都開設(shè)了“傳感器技術(shù)與應(yīng)用”、“單片機原理與應(yīng)用”及“通信原理”三門課程，“傳感器技術(shù)與應(yīng)用”集中在信息采集、“單片機原理與應(yīng)用”講解信息處理與系統(tǒng)控制，而“通信原理”則講授的是信息傳輸.如上所示，這三門課程正好又構(gòu)成了“無線傳感網(wǎng)絡(luò)”這門課的基礎(chǔ).所以要講授無線傳感網(wǎng)絡(luò)課程，必須對“傳感器技術(shù)與應(yīng)用”、“單片機原理與應(yīng)用”及“通信原理”這三門課程都有比較深入的把握，在此基礎(chǔ)上才能講好“無線傳感網(wǎng)絡(luò)”這門課程.

大多數(shù)高等院校的物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)都依托的是計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)科，針對計算機學(xué)科特點，“傳感器技術(shù)與應(yīng)用”應(yīng)該更側(cè)重于技術(shù)應(yīng)用部分，講授此課程時應(yīng)該著重給計算機的學(xué)生講解傳感器的技術(shù)性能指標(biāo)與選用原則，特別是集成化智能傳感器的功能與特點及其和單片機的接口與編程，而不必過于關(guān)注傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計.“單片機原理與應(yīng)用”則要重點講授，因為單片機是無線傳感節(jié)點的控制核心，信息的采集、處理還有傳輸均在其控制下完成.當(dāng)前可作為無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點控制核心的單片機，已主要形成了8051系列、AVR系列、PIC系列與MSP430系列四大類，ARM系列由于能耗的問題，目前大多數(shù)用來制作網(wǎng)關(guān).筆者多年的授課均選用了經(jīng)典的8051內(nèi)核單片機進行講解，一來該機型使用歷史悠久，很多國內(nèi)高校依然選擇其作為單片機講授的主流機型；二來該機型的資料最為豐富，入門也簡單，學(xué)生掌握以后可以觸類旁通，舉一反三，遇到設(shè)計難題也容易利用網(wǎng)絡(luò)資源去解決；三是目前的無線單片機的發(fā)展，很多均采用8051內(nèi)核，比如TI生產(chǎn)的最新的運行Zigbee協(xié)議棧的CC2530單片機系列即是8051內(nèi)核，所以該單片機并未退出歷史舞臺，在現(xiàn)實中也有大量使用的范例.在講解該課程的時候要結(jié)合工程應(yīng)用實際，比如講解定時計數(shù)器部分，重點講解工程設(shè)計常用的定時方式1（16位定時）和方式2（8位自動重裝定時），而很少用到的方式0和方式3則簡單介紹，從而使學(xué)生迅速把握課程重點.單片機程序設(shè)計語言方面一開始就以講授C程序設(shè)計語言為主.因為C語言已經(jīng)是目前嵌入式開發(fā)的主流.在課程講授的過程中，除了對 8051系列的傳統(tǒng)資源進行講授外，對新的增強性能也要進行介紹，如I2C、SPI、集成模數(shù)轉(zhuǎn)換器、多串口的概念和用法，這樣可以迅速的過渡到最新的機型，有利于學(xué)生實驗和設(shè)計開發(fā).《通信原理》要重點突出數(shù)字通信，其中數(shù)字載波通信是重點，因為當(dāng)前工程應(yīng)用的無線通信芯片如Nordic公司生產(chǎn)的NRF905、NRF24L01均采用的是 GFSK調(diào)制，TI生產(chǎn)的 CC1101、CC2530分別支持 OOK、ASK、FSK調(diào)制，學(xué)生有了以上的知識儲備，就對芯片的使用和設(shè)計有了進一步的認(rèn)識，從而能在使用相應(yīng)芯片進行設(shè)計的時候，充分發(fā)揮芯片的特點和學(xué)生自己的創(chuàng)造性.另外在通信原理講授中，對于FDMA、TDMA和CDMA的思想也要講解透徹，這是網(wǎng)絡(luò)通信防沖突的一些基本解決手段.

有了以上三門課程的基礎(chǔ)，“無線傳感網(wǎng)絡(luò)”課程講授便會變得事半功倍.當(dāng)前使用的無線傳感網(wǎng)絡(luò)的很多本科教材，有的涵蓋深奧的算法或涉及多個專業(yè)的內(nèi)容，碩士和博士研究生都未必能看懂.教學(xué)的目的應(yīng)是授之以漁，而不是授之以魚，廣而全反而會把初學(xué)的學(xué)生嚇跑，關(guān)鍵是培養(yǎng)學(xué)生興趣[4].因此，選擇一本適宜普通高等院校本科生學(xué)習(xí)無線傳感網(wǎng)絡(luò)的教材，從應(yīng)用角度出發(fā)，以實踐為主，提高動手能力，才能滿足網(wǎng)絡(luò)軟硬件開發(fā)的要求.

2 教學(xué)方法

物聯(lián)網(wǎng)工程作為工程類專業(yè)，“無線傳感網(wǎng)絡(luò)”課程是一門應(yīng)用性很強的課程，要想學(xué)好，需要緊緊抓住一點，就是理論與實踐相結(jié)合.所以要擯棄傳統(tǒng)的只注重知識灌輸，照本宣科似的教學(xué)方法，教學(xué)要緊扣應(yīng)用這一大前提.實驗課絕不能是理論課的附庸，而是和理論課互相支持，互相促進的重要課程[5].

以“無線傳感網(wǎng)絡(luò)”為例，在學(xué)生具備了傳感器、單片機和通信技術(shù)的基礎(chǔ)后，可隨著無線傳感網(wǎng)絡(luò)理論課程的進度，指導(dǎo)學(xué)生根據(jù)學(xué)到的知識，自行設(shè)計制作一個小的無線傳感節(jié)點，包括選擇一款經(jīng)典的智能傳感器實現(xiàn)傳感功能，一款增強型8051單片機作為處理器，一款無線通信芯片實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng).筆者在教學(xué)中為學(xué)生選擇的是智能溫度傳感器DS18B20、STC12單片機和NRF24L01通信芯片這一節(jié)點組合.以上三款芯片都是目前工程應(yīng)用的主流，同時使用方便，資料豐富.筆者為學(xué)生提供一塊筆者本人測試通過的電路板.在理論章節(jié)講解完后，則突出講解一款與之配套的實用的芯片原理與使用方法.

學(xué)生從第一次實驗開始，嘗試自行焊接和組裝自己的節(jié)點.然后在該節(jié)點基礎(chǔ)上完成點對點通信實驗，傳感器數(shù)據(jù)采集實驗，通信組網(wǎng)實驗.兩個學(xué)生一組可進行點對點實驗，多個學(xué)生一組又可以進行組網(wǎng)實驗，在底層驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)無誤的情況下，可以嘗試較大型的通信協(xié)議軟件開發(fā)，比如移植成熟的Modbus協(xié)議.通過這個過程，可以培養(yǎng)學(xué)生對無線傳感網(wǎng)絡(luò)從硬件到軟件整套的開發(fā)經(jīng)驗.由于課時和條件限制，雖然實驗課程引入的只是簡單的采集，處理與通信組網(wǎng)，但卻能讓學(xué)生對無線傳感網(wǎng)絡(luò)有一種直觀而感性的認(rèn)識，有利于激發(fā)學(xué)習(xí)興趣和積極性.同時也有利于學(xué)生綜合使用以前學(xué)習(xí)的課程知識，對培養(yǎng)學(xué)生的動手能力，編程能力，靈活運用知識的能力有很好的效果.而這正是應(yīng)用技術(shù)型本科培養(yǎng)的目標(biāo).

理論課講授要緊扣應(yīng)用，著眼于學(xué)生創(chuàng)造性思維和工程素質(zhì)的培養(yǎng).及時的理論闡述和剖析，反過來又會對學(xué)生在實驗結(jié)果的理性認(rèn)識方面給予指導(dǎo).理論課講授要充分的利用現(xiàn)代化信息手段，將最前沿的知識帶入課堂[5].當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)日新月異，新的芯片、產(chǎn)品以及應(yīng)用層出不窮，所以作為教師要主動跟蹤發(fā)展形勢，也要及時向?qū)W生傳播最新知識.同時不忘發(fā)動學(xué)生的主觀能動性，讓學(xué)生也主動去搜集，去學(xué)習(xí).這樣教學(xué)相長，才能使課程始終處于應(yīng)用的前沿而不至于老化.

3 物聯(lián)網(wǎng)工程需要的綜合素質(zhì)

作為工程類專業(yè)，在教學(xué)過程中，教師應(yīng)該以培養(yǎng)合格的物聯(lián)網(wǎng)工程師作為學(xué)生綜合素質(zhì)培養(yǎng)的目標(biāo).按照“知、情、意、行”四方面的全面素質(zhì)要求[6]，培養(yǎng)學(xué)生對于成為合格工程師所需要的對工程方案技術(shù)上能否實現(xiàn)，法規(guī)是否允許，環(huán)保是否達(dá)標(biāo)，是否具備經(jīng)濟價值的認(rèn)知能力，培養(yǎng)學(xué)生對工程設(shè)計的事業(yè)心和責(zé)任感，培養(yǎng)學(xué)生對質(zhì)量、安全、協(xié)作的工程意識，培養(yǎng)學(xué)生溝通交流、獲取信息及分析、判斷和解決問題的行為能力.當(dāng)然，學(xué)生的個人發(fā)展需求千差萬別，因此，教師在教學(xué)過程中也要注意因材施教.

4 結(jié) 語

物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)不是以理論為主導(dǎo)，其重點在于工程應(yīng)用.作為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)重要支撐的無線傳感網(wǎng)絡(luò)課程的教學(xué)要以應(yīng)用為驅(qū)動，不斷調(diào)整課程內(nèi)容，形成自己的特色.教學(xué)實踐證明，以應(yīng)用為主旨的教學(xué)，有利于激發(fā)學(xué)生的興趣，有利于培養(yǎng)學(xué)生的動手能力，編程能力，靈活運用知識的能力，而且收到了很好的效果.因此，需要在此基礎(chǔ)上繼續(xù)探索，結(jié)合國務(wù)院引導(dǎo)普通本科向應(yīng)用技術(shù)型轉(zhuǎn)型的要求，把學(xué)生培養(yǎng)成為基礎(chǔ)知識扎實，動手能力強，工程素質(zhì)高的應(yīng)用型復(fù)合型人才.

[1]朱金秀，韓光潔，朱川，等.物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)課程體系的研究與探索[J].中國電力教育，2012（16）：67-68.

[2]葉苗.高校物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)設(shè)置的思考[J].電腦知識與技術(shù)，2011（28）：7046-7048.

[3]吳功宜.對物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)教學(xué)體系建設(shè)的思考[J].計算機教育，2010（21）：26-29.

[4]馬忠梅，孫娟，李奇.物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)課程體系與實踐探討[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2011（10）：1-4.

[5]孫開暢.就業(yè)能力與創(chuàng)新精神的融合——“水利工程施工”課程教學(xué)改革研究[J].三峽大學(xué)學(xué)報：人文社會科學(xué)版，2013（S1）:170-172.

[6]宋娟.地方院校建筑結(jié)構(gòu)類課程教學(xué)研究[J].重慶三峽學(xué)院學(xué)報，2013（3）：131-133.