基于工作過程的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)課程建設(shè)研究

張曉東++李想

摘要：闡述了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)課程在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)的重要性，提出了以工作項目為引領(lǐng)，實際任務(wù)為驅(qū)動的課程建設(shè)思路，從基于ZIGBEE的智能家居無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)出發(fā)，構(gòu)建了三位一體的課程標(biāo)準(zhǔn)，此標(biāo)準(zhǔn)的建設(shè)，解決了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)教學(xué)理論與實踐、教學(xué)過程與應(yīng)用開發(fā)脫節(jié)的問題，增強(qiáng)了學(xué)生實際動手能力。

關(guān)鍵詞：無線傳感器 網(wǎng)絡(luò)課程 建設(shè)研究

中圖分類號：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）12-0105-01

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為一個交叉學(xué)科，融合了傳感器、嵌入式計算、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無線通信等技術(shù)，同時作為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)的專業(yè)核心課，在人才培養(yǎng)體系中起到承上啟下作用。傳統(tǒng)無線傳感網(wǎng)絡(luò)教學(xué)是在講授理論知識后進(jìn)行實驗教學(xué)，這種教學(xué)方法對于高職學(xué)生存在的問題比較突出，理論理解不透徹，只能進(jìn)行驗證性實驗。缺少實際項目，而不能進(jìn)行綜合應(yīng)用。以工作項目為引領(lǐng)，實際任務(wù)為驅(qū)動，課堂教學(xué)項目化、實習(xí)實訓(xùn)生產(chǎn)化，學(xué)生一邊上理論，一邊進(jìn)行實踐技能訓(xùn)練，然后直接接觸到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)集成，真正實現(xiàn)了“教、學(xué)、做”一體化。

1 基于Zigbee搭建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)智能家居系統(tǒng)的工作過程

搭建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)智能家居工作過程為：需求分析，設(shè)備選型，線路施工，節(jié)點和協(xié)調(diào)器編程和燒寫，物聯(lián)網(wǎng)中間件軟件實現(xiàn)，系統(tǒng)軟硬連接，系統(tǒng)集成，系統(tǒng)測試。

1.1 需求分析

在遠(yuǎn)程主機(jī)或智能手機(jī)上能對室內(nèi)空調(diào)無線啟動關(guān)閉，遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)溫度，能對室內(nèi)照明燈遠(yuǎn)程啟動關(guān)閉。

1.2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

綜合考察智能家居市場，選擇了功能完善，易于安裝和實現(xiàn)的奧爾斯智能紅外（IR）學(xué)習(xí)傳感器節(jié)點、智能輸入輸出（GPIO）傳感器節(jié)點和MTP3730的Zigbee協(xié)調(diào)器。紅外傳感器節(jié)點通過紅外探頭與空調(diào)紅外接收器連接，而紅外傳感器節(jié)點主要負(fù)責(zé)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采集空調(diào)狀態(tài)信息和接收Niagara服務(wù)器發(fā)送的控制指令。普通輸入輸出傳感器通過四通道繼電器與照明電燈進(jìn)行連接，將采集到照明電燈狀態(tài)信息利用Zigbee無線通信方式發(fā)送給Zigbee協(xié)調(diào)器。Zigbee協(xié)調(diào)器是整個網(wǎng)絡(luò)的中心節(jié)點，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的建立和維護(hù)外，還對Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)與IP網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，接受傳感器采集的數(shù)據(jù)通過IP網(wǎng)絡(luò)傳給Niagara服務(wù)器，同時發(fā)送Niagara服務(wù)器的控制指令給無線傳感器節(jié)點。Niagara服務(wù)器是一臺安裝了Niagara平臺的高性能計算機(jī)，負(fù)責(zé)上位機(jī)數(shù)據(jù)采集圖形化以及控制界面應(yīng)用化。

1.3 節(jié)點和協(xié)調(diào)器軟件設(shè)計

無線傳感器節(jié)點和協(xié)調(diào)器軟件設(shè)計采用TI公司的Zigbee協(xié)議棧Z-Stack。 Z-Stack協(xié)議棧全面支持Zigbee、Zigbee PRO和Zigbee2007等協(xié)議，是一種基于輪轉(zhuǎn)查詢式的操作系統(tǒng)，它一共做兩個工作，一個是系統(tǒng)初始化，即由啟動代碼來初始化硬件系統(tǒng)和軟件構(gòu)架需要的各個模塊。微操作系統(tǒng)的運行做好準(zhǔn)備工作，主要分為初始化系統(tǒng)時鐘、檢測芯片工作電壓、初始化堆棧、初始化各個硬件模塊、初始化FLASH存儲、形成芯片MAC地址、初始化非易失變量、初始化MAC層協(xié)議、初始化應(yīng)用幀層協(xié)議等十余部分。另一個就是開始執(zhí)行操作系統(tǒng)實體。啟動代碼為操作系統(tǒng)的執(zhí)行做好準(zhǔn)備工作以后，就開始執(zhí)行操作系統(tǒng)入口程序，并由此徹底將控制權(quán)交給操作系統(tǒng)，完成新老更替，自己則光榮地退出舞臺。節(jié)點和協(xié)調(diào)器程序采用C語言編寫。

1.4 Niagara平臺系統(tǒng)集成

Niagara 是Tridium公司所研發(fā)的設(shè)計用于解決設(shè)備連接應(yīng)用的軟件框架平臺技術(shù)。它是一種應(yīng)用框架，用于各種智能設(shè)備到上位機(jī)應(yīng)用的連接。Niagara創(chuàng)造了一個通用的環(huán)境，幾乎可以連接任何智能嵌入式設(shè)備或系統(tǒng)，而不用考慮設(shè)備制造廠商的各種通信協(xié)議，它將不同的通信協(xié)議轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)軟件組件，通過軟件組件和IP協(xié)議結(jié)合，實現(xiàn)智能設(shè)備和Internet之間的雙向通信，從而形成智能設(shè)備企業(yè)級的應(yīng)用開發(fā)。首先在Niagara中創(chuàng)建一個station站點，其次在config配置界面下設(shè)計空調(diào)和照明電燈的圖形UI界面，在空調(diào)和照明電燈的UI界面上做邏輯變量，一共設(shè)計了五個邏輯變量分別對應(yīng)一個空調(diào)和四個照明電燈，然后，將邏輯變量與圖形UI界面進(jìn)行l(wèi)ink鏈接，這就是輸出設(shè)備的建立過程。下面就是要建立輸入設(shè)備的過程，因為輸入設(shè)備與Zigbee協(xié)議器建立連接，需要將奧爾斯為連接協(xié)調(diào)器而開發(fā)的Niagara中間組件IOTP加載到Niagara的station中，在IOTP文件夾下雙擊Host查找一個空調(diào)和四個照明電燈這些終端傳感器節(jié)點。在每個設(shè)備上建立與輸出圖形界面的連接，決定數(shù)據(jù)發(fā)送端和數(shù)據(jù)接受端。最后在協(xié)調(diào)器上設(shè)備IP地址和與五個終端傳感器一致的PID。

1.5 系統(tǒng)軟硬連接和測試

首先將終端傳感器節(jié)點通電，并通過奧爾斯集成工具CAL進(jìn)行節(jié)點PID的燒寫和測試，主要目的是驗證設(shè)備是否正常工作，是否與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器進(jìn)行通信。其次，將無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議器一端通過有線網(wǎng)絡(luò)與無線路由器相連，另一端通過zigbee通信方式無線與終端設(shè)備相連，無線路由器與Niagara服務(wù)器進(jìn)行連接，要保障Niagara服務(wù)器、無線路由器、無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議器在同一網(wǎng)絡(luò)。最后打開Niagara服務(wù)器的IE瀏覽器輸入Niagara的station站點的IP地址，進(jìn)行功能性測試。在測試過程中，要保障通信的雙向性，一是空調(diào)和照明電燈的狀態(tài)能通過zigbee無線網(wǎng)絡(luò)采集到Niagara的UI界面上。二是Niagara能對終端采集設(shè)備發(fā)命令，控制空調(diào)和照明電燈的開或關(guān)。

2 結(jié)語

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)內(nèi)容跨度大、難度高，要激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)慣興趣，必須在真實的教學(xué)環(huán)境下進(jìn)行基于工作過程的教學(xué)，從終端設(shè)備的安裝、調(diào)試到zigbee編程以及Niagara中間件的連接，這種基于工作過程的實訓(xùn)教學(xué)環(huán)境的提出，能夠調(diào)動學(xué)生的積極和主動性，能夠很好地將理論和實踐相結(jié)合。

參考文獻(xiàn)

[1]楊璽.基于項目驅(qū)動的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)教學(xué)模式探索[J].考試周刊，2013（61）：111-112.

[2]李小龍.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實驗教學(xué)研究[J].電腦知識與技術(shù)，2014，10（33）：7964-7965.