ZigBee實驗開發(fā)裝置在中職實訓(xùn)教學(xué)中的技術(shù)處理

鄭群

目前國內(nèi)基于ZigBee的實驗開發(fā)裝置及其配套的實驗資料基本上都是單個傳感器加入ZigBee網(wǎng)的功能驗證實驗，讓中職學(xué)生自行編寫多個傳感的程序代碼是不現(xiàn)實的。筆者針對中職學(xué)校的培養(yǎng)目標和中職學(xué)生的特點，進行了技術(shù)的改進和處理，對項目工程里用到的多個傳感器部分的代碼采用了模塊化編寫和數(shù)據(jù)處理，成功應(yīng)用于實訓(xùn)教學(xué)，大大簡便了學(xué)生組建無線智能監(jiān)控系統(tǒng)的過程，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和成就感，并大大提升了無線傳感器的組網(wǎng)效率。

一、基于ZigBee的實驗開發(fā)裝置應(yīng)用背景

1.ZigBee技術(shù)簡介

ZigBee技術(shù)的設(shè)計目標是保證在低電耗的前提下，開發(fā)一種易部署、低復(fù)雜度、低成本、短距離、低速率的自組織無線網(wǎng)絡(luò)，在工業(yè)控制、家庭智能化、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。簡而言之，ZigBee是一種便宜的低功耗的近距離無線組網(wǎng)技術(shù)。

2.ZigBee實驗開發(fā)裝置及開發(fā)環(huán)境

ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的開發(fā)環(huán)境需要有三要素：一是要有支持ZigBee協(xié)議棧的硬件；二是要有支持ZigBee協(xié)議的軟件協(xié)議棧；三是要有下載器將程序下載到相應(yīng)的硬件。

我校實訓(xùn)教學(xué)設(shè)備采用飛比科技公司的實驗開發(fā)裝置，包括FB2530EB板搭載CC2530射頻核心模塊、液晶顯示屏做協(xié)調(diào)器；FB2530BB板搭載CC2530射頻核心模塊、傳感模塊做終端節(jié)點；以及20多種各式傳感模塊。整個實驗開發(fā)裝置組成的工作系統(tǒng)如下圖所示，軟件部分采用的是IAR EW開發(fā)軟件，通過CC Debugger下載器進行調(diào)試和編程，并可在PC機上用飛比瀏覽器進行系統(tǒng)監(jiān)控。

3.ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)過程

ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)過程包括兩個步驟：網(wǎng)絡(luò)初始化和節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)。

網(wǎng)絡(luò)初始化的過程包括：確定網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器、進行信道掃描、設(shè)置網(wǎng)絡(luò)ID，成功初始化了ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)，之后就等待其他節(jié)點的加入。

節(jié)點通過協(xié)調(diào)器加入網(wǎng)絡(luò)的過程包括：查找網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器、發(fā)送關(guān)聯(lián)請求命令、等待協(xié)調(diào)器處理、發(fā)送數(shù)據(jù)請求命令、確認回復(fù)。

4.實驗開發(fā)裝置的應(yīng)用現(xiàn)狀

筆者在ZigBee行業(yè)里面做了一些咨詢和調(diào)查，目前國內(nèi)可用于教學(xué)的ZigBee實驗開發(fā)裝置品牌為數(shù)不多，其中做得比較好的有飛比科技公司、佳杰科技公司等。其實驗開發(fā)裝置大部分應(yīng)用于高校物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)，以培養(yǎng)學(xué)生程序開發(fā)為主要目標，配套的實驗資料基本上都是單個傳感器加入ZigBee網(wǎng)的功能驗證實驗。對于高校或高職院校來說，學(xué)生在掌握了功能驗證實驗的原理后可自行編寫程序開發(fā)新的應(yīng)用，可以說目前的實驗開發(fā)裝置及其配套資源是能夠適合高校教學(xué)的需求的。

二、中職實訓(xùn)教學(xué)的技術(shù)現(xiàn)狀

中職教學(xué)現(xiàn)狀：《無線數(shù)據(jù)傳輸》課程是我校物聯(lián)網(wǎng)通信應(yīng)用專業(yè)的核心課程，中職學(xué)校教學(xué)的培養(yǎng)目標主要是讓學(xué)生具備ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的搭建、使用和維護的職業(yè)能力，重點是對技術(shù)的了解和模塊的應(yīng)用上，而不是程序的開發(fā)能力。該課程的實訓(xùn)教學(xué)時間為一周。

學(xué)生狀況：學(xué)生在課程前期對ZigBee技術(shù)有了一定的了解，學(xué)會了使用CC2530實驗開發(fā)裝置進行無線網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)，初步懂得了單個無線傳感器的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收流程，并能在電腦終端的瀏覽器上實現(xiàn)遠程監(jiān)控。

存在問題：由于實驗開發(fā)裝置現(xiàn)有配套的實驗都是單個傳感模塊的功能驗證，每換一個傳感模塊就需要換一個新的程序進行燒寫和調(diào)試，只能同一時間實現(xiàn)單個傳感網(wǎng)絡(luò)的功能；而我們實訓(xùn)教學(xué)是要求在某一個具體的生活或工作情境中去實現(xiàn)整個無線智能監(jiān)控系統(tǒng)的搭建，這需要多個傳感模塊同時加入網(wǎng)絡(luò)并協(xié)調(diào)工作，中職學(xué)生無法直接動手搭建并調(diào)試系統(tǒng)，因此，目前國內(nèi)現(xiàn)有的實驗技術(shù)與配套資源不能滿足中等職業(yè)學(xué)校教學(xué)的需求，急需教師在實訓(xùn)教學(xué)前做好技術(shù)上的改進和處理。

三、技術(shù)的改進思路和方法

思路一是在原來單個傳感模塊的程序上增加編寫與新傳感器相關(guān)的代碼，重新編譯調(diào)試。

思路二是采用模塊化編程思維，事先把每個傳感器相關(guān)的代碼編寫成獨立的程序模塊，全部放在同一個項目工程里面，需要的時候直接調(diào)用。

以上兩種思路都可以實現(xiàn)多個傳感模塊同時加入ZigBee網(wǎng)絡(luò)并協(xié)調(diào)工作，但是第一種思路需要學(xué)生對ZigBee技術(shù)有深入的了解，并且有較高的編程技巧，中職學(xué)生普遍缺乏編程思維，編寫新代碼對他們來說難度相當(dāng)?shù)母撸也环现新殞W(xué)校教學(xué)的培養(yǎng)目標；而第二種思路可以讓中職學(xué)生在需要用到某個傳感器的時候，簡便地選擇和調(diào)用相關(guān)的程序代碼，從而快速地搭建系統(tǒng)實現(xiàn)功能，因此筆者決定采用第二種思路。

筆者在實訓(xùn)之前先做好了技術(shù)上的改進和處理，對項目工程里用到的與傳感器相關(guān)的代碼采用了模塊化編寫，并做好相關(guān)的數(shù)據(jù)處理。編寫和處理的方法如下：

（1）為每個傳感器模塊單獨編寫驅(qū)動文件；

（2）在發(fā)送端進行傳感數(shù)據(jù)的匯集和區(qū)分；

（3）在接收端進行傳感數(shù)據(jù)的讀取和識別。

四、具體的技術(shù)處理過程

下面以在原有的基礎(chǔ)上添加溫濕度傳感模塊、3D加速度傳感模塊、RFID讀卡器傳感模塊為例，詳細介紹技術(shù)處理的過程。

ZigBee實驗開發(fā)裝置在中職實訓(xùn)教學(xué)中的技術(shù)處理

1.編寫驅(qū)動文件以備使用

①在hal_sensor.h中定義傳感器模塊驅(qū)動接口，每次只允許選擇一個傳感模塊，如下：

溫濕度傳感模塊： #define SENSOR_SHT1X

3D加速度傳感模塊： #define SENSOR_ADXL3D

RFID讀卡器傳感模塊：#define SENSOR_RC632

……

② 每個傳感器模塊單獨編寫驅(qū)動文件，并配備相應(yīng)的頭文件以供調(diào)用，如下：

halSHT1X.c——halSHT1X.h

halADXL3D.c——halADXL3D.h

hal RC632.c——hal RC632.h

……

2.發(fā)送端數(shù)據(jù)的匯集和區(qū)分

在hal_sensor.c中編寫sendReportRB函數(shù)代碼，進行傳感數(shù)據(jù)的匯集和區(qū)分，比如溫度的數(shù)據(jù)用0x56區(qū)分、濕度的數(shù)據(jù)用0x17區(qū)分、3D加速度的數(shù)據(jù)用0x1a區(qū)分、RFID的數(shù)據(jù)用0x31區(qū)分，其具體代碼如下：

//溫濕度傳感模塊

#ifdefSENSORSHT1X

pData[（*index）++]=SNRDATATYPE2BSIGND|SENSORUSERINDEXTEMP； //0x56

……

pData[（*index）++]=SNRDATATYPE1BUNSIGN|SENSORUSERINDEXHUMI； //0x17

……

#endif

//3D加速度傳感模塊

#ifdefSENSORADXL3D

halUpdateADXL3D（）；

pData[（*index）++]=SNRDATATYPE1BUNSIGN|SENSORUSERINDEX3DY；

//0x1a；

……

#endif

//RFID讀卡器傳感模塊

#ifdefSENSORRC632

pData[（*index）++]=SNRDATATYPE2BUNSIGN|1；//0x31

osalmemcpy（pData+（*index），RFID_IEEEAddr，2）； //RFID

……

#endif

3.接收端數(shù)據(jù)的讀取和識別

在DemoCollector.c中編寫ShowSensorData函數(shù)代碼，對接收到的數(shù)據(jù)進行讀取和識別，具體代碼如下：（為節(jié)省篇幅，讀取識別后的數(shù)據(jù)處理和顯示部分的代碼用省略號……代替）

else if（pData[addr]==0x56）{

//溫濕度傳感模塊

……

}

else if（pData[addr]==0x1a）{

//3D加速度傳感模塊

……

}

else if（pData[addr]==0x31）{

//RFID讀卡器傳感模塊

……

}

五、實訓(xùn)教學(xué)中的技術(shù)實現(xiàn)

下面以圖書館無線智能監(jiān)控系統(tǒng)為例，介紹在實訓(xùn)教學(xué)中添加溫濕度傳感模塊、3D加速度傳感模塊、RFID讀卡器等傳感模塊的操作步驟。

1.搭建傳感器的硬件連接

采用一個FB2530BB板，按電路要求連接溫濕度傳感模塊。

2.添加傳感器的程序并燒寫

①選擇溫濕度傳感器模塊宏定義；

②添加溫濕度傳感驅(qū)動文件hal_SHT1X.c；

③修改溫濕度傳感器的userID的值為01；

④燒寫程序進FB2530BB板；

⑤與FB2530EB板聯(lián)網(wǎng)并調(diào)試數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。

3.修改瀏覽器的節(jié)點配置

FB2530EB板通過串口連接電腦，在電腦上打開飛比瀏覽器，能夠成功連接，并出現(xiàn)新節(jié)點，此時通過修改節(jié)點的配置，就能夠成功在圖書館的場景圖上實現(xiàn)該節(jié)點的遠程監(jiān)控。

4.重復(fù)以上步驟添加3D加速度傳感模塊、RFID讀卡器等其他傳感模塊

六、技術(shù)處理后的實訓(xùn)教學(xué)效果

筆者在2016學(xué)年的《無線數(shù)據(jù)傳輸》課程實訓(xùn)中采用了上述的技術(shù)處理方法，并在實訓(xùn)過程中指導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用的步驟，學(xué)生們按上述方法步驟，在實訓(xùn)中調(diào)試成功的圖書館無線智能監(jiān)控系統(tǒng)如下圖所示，該系統(tǒng)已成功匯集了溫濕度傳感模塊、3D加速度傳感模塊、RFID讀卡器傳感模塊、人體紅外傳感模塊、車位傳感模塊、火焰?zhèn)鞲心K等多種傳感模塊，其各自傳感器的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收互不影響，并最終在系統(tǒng)中整體協(xié)調(diào)工作。

以下三方面體現(xiàn)了該技術(shù)處理的優(yōu)勢：

1.簡便直觀地進行傳感器的搭建和調(diào)試

當(dāng)需要添加一種新的傳感器進入系統(tǒng)的時候，學(xué)生只需要按操作指引選擇傳感器的宏定義、選擇添加傳感器的驅(qū)動文件、修改傳感器userID等幾個步驟，就能夠做好新傳感器的程序編譯和燒寫工作，問卷調(diào)查結(jié)果顯示：88%的學(xué)生都覺得非常簡便直觀。

2.激發(fā)對高新技術(shù)的學(xué)習(xí)興趣

高新技術(shù)往往意味著學(xué)習(xí)難度大，需要具備的知識技能要深厚，大多數(shù)中職學(xué)生由于畏難情緒，對高新技術(shù)的相關(guān)知識點學(xué)習(xí)興趣不大。現(xiàn)在采用了技術(shù)處理之后，學(xué)生把重點放在傳感器的搭建、調(diào)試和控制上，而不用太關(guān)注代碼的編寫方法，當(dāng)多個傳感器組網(wǎng)成功并協(xié)調(diào)工作的時候，學(xué)生的成就感便由此得到大幅提升。問卷調(diào)查結(jié)果顯示：實訓(xùn)前大部分學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣一般，而實訓(xùn)后學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣大增。具體數(shù)據(jù)如下：

學(xué)習(xí)興趣非常大比較大一般幾乎無

實訓(xùn)前6%26%48%20%

實訓(xùn)后34%56%10%0

3.快速高效地實現(xiàn)不同情境下的系統(tǒng)組網(wǎng)

不同情境下的無線傳感系統(tǒng)需要連接多種不同的傳感器，據(jù)15屆畢業(yè)考入高職院校的學(xué)生黃某反饋，高職院校采用自行修改程序代碼的方法，搭建和調(diào)試8種以上傳感器的組網(wǎng)，學(xué)生通常要花三、四周的時間才能完成，且成功率不高。而我校學(xué)生在采用了技術(shù)處理之后，不管何種應(yīng)用情境，不論需要多少種傳感器組網(wǎng)，都能快速地選擇和搭建，花費的時間和成功率具體數(shù)據(jù)如下：

組網(wǎng)時間

班別情景1∶4種

傳感器系統(tǒng)情景2∶8種

傳感器系統(tǒng)成功率

14級2班平均10個課時平均17個課時96%

14級3班平均12個課時平均20個課時93%

綜上所述，筆者針對中職學(xué)校的培養(yǎng)目標和中職學(xué)生的特點，進行了基于CC2530的實驗開發(fā)裝置編程技術(shù)的改進和處理，對項目工程里用到的多個傳感器部分的代碼采用了模塊化編寫，并成功應(yīng)用于實訓(xùn)教學(xué)，大大簡便了學(xué)生組建無線智能監(jiān)控系統(tǒng)的過程，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和成就感，并大大提升了無線傳感器的組網(wǎng)效率。

責(zé)任編輯何麗華