ESP32在物聯(lián)網(wǎng)通信課程教學(xué)中的應(yīng)用

王 忠，孫 艷，吳蘭芳

（1.山東建筑大學(xué)，山東 濟(jì)南 250101；2.濟(jì)南第六十八中學(xué)，山東 濟(jì)南 250004；3.平邑街道第一初級中學(xué)，山東 平邑 276699）

0 引 言

物聯(lián)網(wǎng)被稱為繼計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)之后，世界信息產(chǎn)業(yè)的第三次科技浪潮。它是將各種信息傳感設(shè)備和互聯(lián)網(wǎng)連接而形成的統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的核心是應(yīng)用的創(chuàng)新，在我國，物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展走的是以應(yīng)用為引導(dǎo)、技術(shù)與應(yīng)用相互促進(jìn)，從而推動產(chǎn)業(yè)發(fā)展的道路。因此，我國物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展需要大批高素質(zhì)、創(chuàng)新型人才，而人才的培養(yǎng)，關(guān)鍵是建立適合本學(xué)校的教學(xué)體系。

物聯(lián)網(wǎng)工程作為山東建筑大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院的新興學(xué)科，在專業(yè)課設(shè)置、實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面深受計(jì)算機(jī)專業(yè)的影響，而物聯(lián)網(wǎng)的本質(zhì)是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上應(yīng)用和業(yè)務(wù)的擴(kuò)展，屬于計(jì)算機(jī)應(yīng)用開發(fā)類，因此在物聯(lián)網(wǎng)的課程設(shè)置以及教學(xué)模式方面，應(yīng)該充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)科優(yōu)勢及特點(diǎn)，即軟件開發(fā)的優(yōu)勢。但也要充分認(rèn)識到計(jì)算機(jī)學(xué)院在電子、通信方面的理論支持不足等問題。在物聯(lián)網(wǎng)感知層補(bǔ)齊傳感器技術(shù)、無線網(wǎng)絡(luò)傳輸方面的短板，充分發(fā)揮傳輸層、應(yīng)用層方面的知識結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，再結(jié)合學(xué)校在土木建筑方面的專業(yè)特長，形成具有建筑特色的物聯(lián)網(wǎng)人才培養(yǎng)體系。

1 物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)課設(shè)置

1.1 物聯(lián)網(wǎng)工程課程設(shè)置思路

課程的體系結(jié)構(gòu)是提高教學(xué)質(zhì)量的核心。因此，計(jì)算機(jī)學(xué)院對物聯(lián)網(wǎng)的課程設(shè)置需以物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)為核心，構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)課程體系結(jié)構(gòu)。

針對物聯(lián)網(wǎng)的感知層、傳輸層、應(yīng)用層體系架構(gòu)，構(gòu)建對應(yīng)的課程體系。感知層主要由傳感器和無線網(wǎng)絡(luò)組成，用于物品標(biāo)識及信息的采集，是物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)層。對應(yīng)的專業(yè)課程為電路電子學(xué)、數(shù)字邏輯、傳感器技術(shù)、單片機(jī)等。

傳輸層的理解和運(yùn)用倚仗于以計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為基礎(chǔ)的專業(yè)課程，和以嵌入式系統(tǒng)開發(fā)、射頻識別技術(shù)RFID、物聯(lián)網(wǎng)通信等為主的核心專業(yè)課程。其中，物聯(lián)網(wǎng)通信課程是區(qū)別于計(jì)算機(jī)其他專業(yè)的核心課程。

應(yīng)用層的理解和應(yīng)用倚仗于以程序編程C/C++ /Java、數(shù)據(jù)庫原理為基礎(chǔ)的專業(yè)課程，和以計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)編程等的核心專業(yè)課程。

1.2 物聯(lián)網(wǎng)通信課程設(shè)置

物聯(lián)網(wǎng)通信作為核心課程，涉及物聯(lián)網(wǎng)傳感層、傳輸層、應(yīng)用層的所有知識點(diǎn)，具有串聯(lián)基礎(chǔ)課程與專業(yè)課程的作用。課程總課時(shí)為64課時(shí)，其中理論授課48課時(shí)，實(shí)驗(yàn)實(shí)踐16課時(shí)。物聯(lián)網(wǎng)通信課程的主要內(nèi)容安排見表1所列。從表1可看出，物聯(lián)網(wǎng)通信課程的知識跨度從單片機(jī)開發(fā)到傳感器技術(shù)應(yīng)用，再到網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)即上層應(yīng)用。計(jì)算機(jī)學(xué)院學(xué)生對無線接入技術(shù)了解甚少，急需在理論、實(shí)驗(yàn)層面補(bǔ)齊WiFi、藍(lán)牙、ZigBee、NB-IoT等物聯(lián)網(wǎng)短距離、遠(yuǎn)距離通信方面的短板。

表1 物聯(lián)網(wǎng)通信課程的主要內(nèi)容安排

市場需求是最大的推動力，當(dāng)前已有多種新型32位微控制器支持無線連接和互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議通信。三款片上處理器的對比見表2所列。對三種常用片上處理器進(jìn)行橫向?qū)Ρ龋瑳Q定使用ESP32作為實(shí)驗(yàn)核心處理器。該處理器能提供完整、豐富的軟件解決方案，使用難度小，具有開源開發(fā)框架與ESP32 Core For Arduino，支持Arduino開發(fā)，適合使用Arduino語言；該模塊市場供應(yīng)充足并且價(jià)格低廉，比較適合作為學(xué)生的“口袋”實(shí)驗(yàn)室模塊。

表2 三款片上處理器對比

圖1所示為DFRobot FireBeetle開發(fā)板，其尺寸為29.00 mm×58.00 mm，具有小尺寸、開源等優(yōu)點(diǎn)。小型化使“口袋”實(shí)驗(yàn)室能打破時(shí)空限制，學(xué)生不必前往實(shí)驗(yàn)室就能編程，特別在疫情期間，更可減少人員聚集。“口袋”實(shí)驗(yàn)室與物聯(lián)網(wǎng)公共云服務(wù)配合，如阿里云、OneNET等，還可實(shí)現(xiàn)設(shè)備信息上云。

圖1 DFRobot FireBeelte模塊

1.3 ESP32處理器簡介

在嵌入式系統(tǒng)中，傳感器及其他設(shè)備接入互聯(lián)網(wǎng)，誕生了許多新的32位MCU設(shè)計(jì)，可支持無線連接和互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議。從單片機(jī)和無線通信兩方面進(jìn)行拓展，實(shí)現(xiàn)“處理”+“連接”的目標(biāo)，完成傳感器讀取、子系統(tǒng)模塊控制、設(shè)備聯(lián)網(wǎng)等功能。該電路結(jié)構(gòu)簡單，集成度高。

ESP32單片機(jī)擁有448 KB的ROM存儲器，520 KB的SRAM存儲器，共34個GPlO口，多達(dá)18個通道的12位ADC接口，并支持802.11 b/g/n WiFi協(xié)議和Bluetooth v4.2標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，專為移動裝置、可穿戴電子設(shè)備而設(shè)計(jì)，是一款應(yīng)用廣泛的片上處理系統(tǒng)SoC。

ESP32除提供高性能的硬件外，其生產(chǎn)商樂鑫科技公司還提供完整的軟件解決方案，能快速實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品智能化目標(biāo)，縮短開發(fā)周期。樂鑫以開源的方式建立了開放、活躍的生態(tài)系統(tǒng)，自主研發(fā)了一系列開源的軟件開發(fā)框架，如操作系統(tǒng)ESP-IDF、自組網(wǎng) Mesh開發(fā)框架ESP-MDF等，還支持Arduino開發(fā)，構(gòu)建了完整的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用開發(fā)平臺。綜上原因，本課程實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)選擇ESP32作為物聯(lián)網(wǎng)通信課程用實(shí)驗(yàn)平臺。

2 CDIO工程教育理念

CDIO是一種全新的工程教育理念和實(shí)施體系，倡導(dǎo)學(xué)生在掌握扎實(shí)理論和專業(yè)知識的基礎(chǔ)上，將教學(xué)融入具體的工程應(yīng)用中。CDIO理念將構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計(jì)（Design）、實(shí)施（Implement）、運(yùn)行（Operate）貫穿于課程的教學(xué)實(shí)踐。在具體實(shí)施中，按照由淺入深、由簡到繁的思路，實(shí)行分層次教學(xué)。在教學(xué)過程中，設(shè)計(jì)分層次的教學(xué)內(nèi)容，主要有基礎(chǔ)教學(xué)與創(chuàng)新教學(xué)。由于計(jì)算機(jī)專業(yè)師資和配套與物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)存在差異，欠缺電子電路設(shè)計(jì)方面的綜合學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，因此在學(xué)習(xí)傳感層相關(guān)內(nèi)容時(shí)，需注重方式方法的常識性、概念性學(xué)習(xí)，著重在傳輸層和應(yīng)用層上充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)專業(yè)的優(yōu)勢，注重學(xué)生編程開發(fā)能力的培養(yǎng)。

3 結(jié) 語

在物聯(lián)網(wǎng)課程教學(xué)過程中，通過ESP32口袋實(shí)驗(yàn)室的使用和CDIO工程教育的教學(xué)思路，培養(yǎng)了學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力，學(xué)生的好奇心、學(xué)習(xí)熱情明顯提高，主體作用充分發(fā)揮。我校計(jì)算機(jī)學(xué)院從2011年開始在計(jì)算機(jī)專業(yè)下開設(shè)物聯(lián)網(wǎng)工程方向課程，培養(yǎng)出了被市場認(rèn)可的物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)人才。