“物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)”課程實驗教學(xué)探究

呂興鳳　陸軍　徐輝

摘 要：物聯(lián)網(wǎng)工程作為高校的新興專業(yè)，如何提高學(xué)生實踐能力，培養(yǎng)社會所需的專業(yè)人才已成為首要問題。文章從物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)課程實驗教學(xué)現(xiàn)狀與問題出發(fā)，提出了創(chuàng)新物聯(lián)網(wǎng)通通信技術(shù)實驗教學(xué)的策略。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)；實驗教學(xué)；教改方法

中圖分類號：G642.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1002-4107（2016）05-0032-02

一、物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)課程的特點

物聯(lián)網(wǎng)是智能感知與識別技術(shù)、普適計算、云計算、泛在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的融合應(yīng)用，被稱為是繼計算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)之后世界信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的第三次浪潮[1]。物聯(lián)網(wǎng)在智慧交通管理、智慧城市、國防軍事、環(huán)境監(jiān)測和醫(yī)療衛(wèi)生等諸多領(lǐng)域具有十分廣闊的應(yīng)用前景。2011年，物聯(lián)網(wǎng)工程作為專業(yè)正式進(jìn)駐高校，目前已有百余所高校開設(shè)了物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)，如何培養(yǎng)社會所需的物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)人才是至關(guān)重要的問題。物聯(lián)網(wǎng)本身并非僅是一門單純的技術(shù)，而是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，涵蓋了多領(lǐng)域的技術(shù)與知識，融合多種異構(gòu)通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)平臺，所涉及的通信技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)眾多，包括屬于WPAN的藍(lán)牙和IEEE 802.15.4、屬于WLAN的wifi、屬于蜂窩通信的GSM、GPRS和CDMA等技術(shù)，以及如何在這些技術(shù)的基礎(chǔ)上構(gòu)造網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與現(xiàn)有的因特網(wǎng)集成[2]。

物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)與傳統(tǒng)專業(yè)不同之處即在于物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)更注重學(xué)生的創(chuàng)新、實踐與協(xié)作能力的培養(yǎng)。物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的性質(zhì)也決定了實踐教學(xué)成為該專業(yè)教學(xué)體系中不可或缺的重要環(huán)節(jié)。物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)作為物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，為后期的傳感器網(wǎng)絡(luò)和硬件課程設(shè)計等課程奠定了基礎(chǔ)，物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)實驗直接影響后續(xù)課程的開展，為此實驗教學(xué)的研究和探討十分重要。

二、物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)實驗教學(xué)現(xiàn)狀

（一）師資力量薄弱

物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)課程以互聯(lián)技術(shù)為主線，融合現(xiàn)有無線通信、移動網(wǎng)絡(luò)等課程的相關(guān)內(nèi)容和最新的前沿技術(shù)。因而，不僅需要實驗教師具備扎實的理論基礎(chǔ)，而且還要有較強(qiáng)的實踐動手能力。而物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)作為新興專業(yè)，全面掌握物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的人員又非常少，再加上對實驗教師的培養(yǎng)又不夠，缺少參加培訓(xùn)和深造訪學(xué)的機(jī)會，因而，實驗教師師資力量薄弱嚴(yán)重影響了實驗教學(xué)的開展。

（二）實驗教學(xué)內(nèi)容不一致

由于物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)包括的教學(xué)內(nèi)容很多，如：各種短距離無線通信（藍(lán)牙、Zigbee等技術(shù)）、蜂窩通信以及如何在這些技術(shù)的基礎(chǔ)上構(gòu)造統(tǒng)一開放的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)并與現(xiàn)有的因特網(wǎng)無縫集成[3]。如果將所有內(nèi)容都泛泛地講，學(xué)生很難真正地掌握每項技術(shù)，所以必須要有所側(cè)重，各高校講授內(nèi)容的側(cè)重點不同，實驗教學(xué)內(nèi)容也不一致。這里我們將重點放在無線通信原理和短距離通信技術(shù)上，需要在IEEE 802.15.4/Zigee的基礎(chǔ)上設(shè)置相應(yīng)的實驗內(nèi)容，使學(xué)生能夠結(jié)合之前的課程，利用無線通信技術(shù)完成相應(yīng)的功能，提高實踐動手能力。

（三）實驗室建設(shè)不完善

實驗室作為物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)學(xué)生的實踐平臺，其實驗設(shè)備和實驗管理手段都具備一定的先進(jìn)性和科學(xué)性，要充分發(fā)揮實驗平臺的功能。開設(shè)物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)實驗，對實驗環(huán)境要求較高，需要在各個傳感器節(jié)點上做軟件開發(fā)，而各硬件節(jié)點又極易出現(xiàn)各種問題，使得許多時間浪費在硬件檢測上，為此需要加強(qiáng)對實驗室的管理，確保每個硬件都正常運行。

三、物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)實驗教學(xué)的改革與創(chuàng)新

為了進(jìn)一步提高學(xué)生實踐動手能力，培養(yǎng)出社會所需要的物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)人才，需要在實驗教學(xué)中不斷的探索與創(chuàng)新，下面從以下幾個方面進(jìn)行探討。

（一）優(yōu)化實驗教學(xué)內(nèi)容

從這幾年的實驗教學(xué)來看，這里采用總—分—總的方式來進(jìn)行實驗教學(xué)，具體各類型實驗的內(nèi)容如圖1所示，將實驗類型分為綜合演示實驗、基礎(chǔ)實驗和綜合設(shè)計實驗。為了激起學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，首先向?qū)W生演示一個物聯(lián)網(wǎng)綜合系統(tǒng)，讓學(xué)生對整個實驗效果有個整體的把握；其次再對系統(tǒng)中的各個實驗進(jìn)行操作，由于學(xué)生剛接觸傳感器節(jié)點，入手比較困難，這里采用先講解主要接口函數(shù)和方法，在此基礎(chǔ)上對其進(jìn)行更改并完成相應(yīng)的功能；最后，要求學(xué)生將所學(xué)到的知識綜合到一起，完成一個綜合型實驗，通過zigbee無線通信完成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞睦L制以及對各個傳感器節(jié)點信息顯示。

1.綜合演示實驗。作為物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)課程的第一個實驗，主要目的讓學(xué)生對本課程有個整體的了解，激起學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，因此在這個實驗中，首先需要向?qū)W生介紹各個傳感器節(jié)點的組成和作用，以及軟件開發(fā)環(huán)境IAR，使學(xué)生對實驗開發(fā)環(huán)境有所了解，在此基礎(chǔ)上演示“物聯(lián)網(wǎng)綜合演示系統(tǒng)”，此演示系統(tǒng)可在PC機(jī)上通過zigbee技術(shù)對傳感器節(jié)點進(jìn)行管理和維護(hù)，通過數(shù)字和圖表的方式，可多方位顯示無線傳感網(wǎng)的狀態(tài)及控制傳感網(wǎng)上的設(shè)備。

2.基礎(chǔ)實驗。對于物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)的實驗需要在實驗箱上完成，各高校配備的實驗箱不同，每種實驗箱都有不同的核心板、不同的程序，但是基本原理是一致的。這里我們在硬件上使用CC2530作為實現(xiàn)嵌入式Zigbee應(yīng)用的片上系統(tǒng)，學(xué)生需要在掌握CC2530工作原理的基礎(chǔ)上，完成前兩個基礎(chǔ)實驗，實現(xiàn)節(jié)點的串口通信和無線通信。首先利用CC2530實現(xiàn)串口通信，由于許多實驗的結(jié)果需要在PC機(jī)上顯示，需要通過串口線將數(shù)據(jù)從傳感器節(jié)點傳到PC機(jī)串口，在這個實驗中學(xué)生通過按傳感器節(jié)點上不同的按鍵向PC機(jī)傳送不同數(shù)據(jù)，同樣，PC機(jī)也可通過串口線向傳感器節(jié)點傳送不同命令；其次利用CC2530的無線通信功能，完成兩個或者多個傳感器節(jié)點互傳數(shù)據(jù)的功能，可令一個傳感器節(jié)點作為發(fā)送端，發(fā)送操作命令，另一個傳感器節(jié)點作為接收端接收命令完成相應(yīng)功能。

由于物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)主要以講解短距離、低成本、低功耗的zigbee無線通信技術(shù)為主，這里利用TI公司提供的Z-Stack協(xié)議棧完成相應(yīng)無線通信實驗。學(xué)生在掌握了Z-Stack協(xié)議棧的體系結(jié)構(gòu)后，利用協(xié)議棧中提供的各種接口函數(shù)，完成相應(yīng)的功能。首先利用Z-Stack完成傳感器節(jié)點間的通信以及串口通信，由于有CC2530做基礎(chǔ)，這個實驗掌握起來要容易些；另外利用Z-Stack實現(xiàn)星狀網(wǎng)絡(luò)，獲取節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)地址形成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，為后續(xù)實驗做好鋪墊。

3.綜合設(shè)計實驗。為了是實驗內(nèi)容更豐富，這里首先引用一個或多個傳感器模塊，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，可將此部分的功能直接提供給學(xué)生，因為在后續(xù)的傳感器原理課程中還要詳細(xì)講解數(shù)據(jù)采集的原理。有了這些基礎(chǔ)實驗，學(xué)生可完成一個綜合性實驗，可利用Z-Stack無線通信，將各個傳感器節(jié)點采集到的數(shù)據(jù)以無線方式發(fā)送到協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器通過串口通信傳到主機(jī)，在主機(jī)上對相應(yīng)信息進(jìn)行顯示以及繪制網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，與此同時，主機(jī)可通過串口向傳感器節(jié)點發(fā)送各種命令，完成控制功能。

（二）加強(qiáng)實驗教學(xué)師資隊伍建設(shè)

物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)作為新興專業(yè)，很多都是新技術(shù)，物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)涵蓋的內(nèi)容又很廣泛，需要教師不斷地學(xué)習(xí)和探討，為此可定期組織教師集體備課，討論理論課和實驗課的主要教學(xué)內(nèi)容以及之間銜接問題。另外也可聘請有實際經(jīng)驗、有一定教學(xué)能力的企業(yè)技術(shù)人員對學(xué)生和教師進(jìn)行實驗培訓(xùn)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高教師業(yè)務(wù)水平。

（三）完善實驗室建設(shè)

物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)實驗課所需的實驗設(shè)備主要包括各種傳感器節(jié)點，這些部件具有體積小、易攜帶、易損壞等特性。因此，要對這些節(jié)點進(jìn)行很好的管理，每位學(xué)生固定使用某些部件，可把這些部件貼上相應(yīng)的標(biāo)簽，另外，需要配備額外的節(jié)點供學(xué)生使用，一是為了及時更換損壞的節(jié)點，二是供學(xué)生課后使用。也可設(shè)置開放實驗室的時間，增加學(xué)生實踐動手的時間和機(jī)會，充分發(fā)揮學(xué)生主觀能動性和創(chuàng)新性，實現(xiàn)理論與實踐的有機(jī)結(jié)合。

（四）創(chuàng)新實驗教學(xué)模式與考核制度

物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)實驗涉及的內(nèi)容比較多，對學(xué)生的要求也很高，考慮到每個學(xué)生的基礎(chǔ)不同，這里采用以小組為單位的實驗教學(xué)。在一個小組中可能有的同學(xué)理論基礎(chǔ)很扎實，有的同學(xué)編程能力比較強(qiáng)，這樣他們可以互相學(xué)習(xí)，盡快地掌握相應(yīng)技術(shù)，即培養(yǎng)了學(xué)生的合作能力，又提高了實驗教學(xué)的效果。

對于成績分布方面，物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)課程的總成績應(yīng)由理論成績和實驗成績兩部分組成，這里需要增加實驗成績的比例，提高學(xué)生對實驗的重視程度，實驗成績至少需要站總成績的30%。對于實驗項目的考核，應(yīng)更加注重學(xué)生的實際動手和研發(fā)能力，要杜絕拷貝抄襲的現(xiàn)象，為此不能采用傳統(tǒng)的考核方式，需要制定新的考核方法。對于學(xué)生的每個實驗項目，應(yīng)該從各個方面進(jìn)行評價，包括實驗課的課前預(yù)習(xí)情況、實驗項目的運行情況和學(xué)生實際解決能力，對于在實驗過程中勇于創(chuàng)新的學(xué)生，可將其實驗項目作為范本進(jìn)行演示，這樣既給優(yōu)秀學(xué)生提供了展示自己的機(jī)會，又大大激勵了其他學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。

物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)課程作為物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)主干課程，物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)實驗課程作為硬件綜合設(shè)計實驗的基礎(chǔ)，其實驗效果直接影響后續(xù)課程的開展，為了進(jìn)一步提高學(xué)生實踐動手能力，我們需要在實踐中不斷探索、總結(jié)經(jīng)驗，建立起一套完善的實驗教學(xué)體系。本文針對物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)實驗教學(xué)環(huán)節(jié)中存在的不足，從實驗教學(xué)內(nèi)容、實驗師資建設(shè)、實驗室建設(shè)、實驗教學(xué)模式和考核方面進(jìn)行了分析，希望能為各高校物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)課程提供一些參考。

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