智能沙盤在物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用研究

王鴻彬

摘要：該文將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在車輛管理和智能農(nóng)業(yè)實(shí)際應(yīng)用中的工作過程，運(yùn)用傳感器技術(shù)、RFID技術(shù)、無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、單片機(jī)開發(fā)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫開發(fā)技術(shù)、以及目前專業(yè)領(lǐng)域較為前沿的ARDUINO、CC2430 SoC開發(fā)平臺(tái)等技術(shù)將實(shí)際應(yīng)用中的工作過程進(jìn)行微縮，設(shè)計(jì)制作了智能化的沙盤并將該沙盤移植到物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)實(shí)訓(xùn)室，用以輔助物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)的專業(yè)核心課程教學(xué)，用看得見，摸得著的實(shí)物充分激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，進(jìn)而促進(jìn)學(xué)生對(duì)專業(yè)課程體系內(nèi)知識(shí)的理解與應(yīng)用，在以體驗(yàn)為基礎(chǔ)的教學(xué)過程中，對(duì)沙盤功能進(jìn)行分解、學(xué)習(xí)、吸收與創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)“學(xué)中做、做中學(xué)”。

關(guān)鍵詞：RFID；智能沙盤；物聯(lián)網(wǎng)；物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2018）30-0267-02

1 概述

本文著重的研究如何設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)符合真實(shí)情況的物聯(lián)網(wǎng)沙盤，并根據(jù)研究?jī)?nèi)容完成基于ZigBee技術(shù)以及基于Arduino/RFID技術(shù)的兩套沙盤系統(tǒng)。系統(tǒng)具有代表性的開發(fā)環(huán)節(jié)，可以以此模擬真實(shí)工作環(huán)境，明確學(xué)生的學(xué)習(xí)目標(biāo)、提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣以及自主學(xué)習(xí)的動(dòng)力。

怎樣使學(xué)生能夠掌握復(fù)雜具難度的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，如何使用綜合案例讓學(xué)生學(xué)習(xí)物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的組網(wǎng)、開發(fā)過程是在教學(xué)過程中每一位物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)教師必須要思考的首要問題。對(duì)此，我們開發(fā)2套基于工作過程的智能沙盤：智能溫室控制系統(tǒng)與智能車輛控制系統(tǒng)，作為專業(yè)核心課教學(xué)實(shí)訓(xùn)工具，在學(xué)生已經(jīng)掌握的知識(shí)體系上，將實(shí)訓(xùn)內(nèi)容改編為以工作工程為主導(dǎo)，訓(xùn)練學(xué)生無線網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)調(diào)試能力，以及智能設(shè)備應(yīng)用開發(fā)能力為主的兩類項(xiàng)目化教學(xué)模塊，符合本專業(yè)培養(yǎng)物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)工程師、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備開發(fā)工程師這兩大類崗位的市場(chǎng)需要。

2 基于教學(xué)應(yīng)用的沙盤設(shè)計(jì)

智能溫室控制系統(tǒng)與智能車輛管理系統(tǒng)是我們基于“教、學(xué)、做”一體化的高職教育特點(diǎn)，結(jié)合專業(yè)人才培養(yǎng)方案而設(shè)計(jì)的兩個(gè)智能沙盤，擬用于《物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)綜合實(shí)訓(xùn)》、《RFID應(yīng)用綜合實(shí)訓(xùn)》兩門課程的主要教學(xué)環(huán)節(jié)中，以整個(gè)沙盤的應(yīng)用場(chǎng)景為教學(xué)引例，以沙盤的運(yùn)行過程為教學(xué)演示、以系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過程為教學(xué)內(nèi)容，形成一套基于工作過程的教學(xué)方式與手段。

沙盤在教學(xué)過程中著重考慮物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用專業(yè)人才培養(yǎng)的主要兩類工作崗位：無線組網(wǎng)與網(wǎng)絡(luò)調(diào)試、終端設(shè)備程序開發(fā)（嵌入式）。兩個(gè)沙盤制作與設(shè)計(jì)中都具有組網(wǎng)、終端開發(fā)（C語言）、上位機(jī)應(yīng)用開發(fā)（C#、C++、Java）的特征。

2.1智能溫室控制系統(tǒng)沙盤

智能溫室控制系統(tǒng)是在充分調(diào)研的基礎(chǔ)上按照智能農(nóng)業(yè)的現(xiàn)實(shí)需求，制作出的一個(gè)仿照溫室所采用的有機(jī)玻璃罩體將花卉、職務(wù)等需要監(jiān)測(cè)的生長(zhǎng)環(huán)境固定下來，并在其中布設(shè)用于監(jiān)測(cè)光照度、溫濕度等傳感器以及相應(yīng)加溫、加濕、灌溉等調(diào)節(jié)功能設(shè)備，同時(shí)根據(jù)應(yīng)用邏輯設(shè)計(jì)出它們之間相應(yīng)的事件響應(yīng)和業(yè)務(wù)邏輯，進(jìn)而形成一個(gè)針對(duì)于某種或幾種花卉、植物的自動(dòng)化控制系統(tǒng)。

在“農(nóng)作物管家”的設(shè)計(jì)中，一個(gè)具備自動(dòng)調(diào)節(jié)功能的智能化傳感網(wǎng)的設(shè)計(jì)是核心內(nèi)容。其支撐為無線傳感網(wǎng)絡(luò)及相關(guān)的控制技術(shù)。在作物生長(zhǎng)環(huán)境中設(shè)置大量各類傳感器（溫濕度、土壤濕度、二氧化碳濃度、氧氣濃度等），采集環(huán)境數(shù)據(jù)并向相關(guān)設(shè)備房控制指令。在目前的無線傳感網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)方案中，ZigBee無疑是最為符合物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)需求的方案。ZigBee具備功耗低、成本低、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議簡(jiǎn)單、支持多種組網(wǎng)方式等特點(diǎn)，是目前應(yīng)用比較成熟的一種方案。目前主流芯片廠商均有成熟的ZigBee產(chǎn)品。ZigBee方案的選擇也符合物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)體系中關(guān)于無線組網(wǎng)與傳感網(wǎng)絡(luò)的教學(xué)要求。

智能溫室控制系統(tǒng)沙盤的智能控制部分實(shí)現(xiàn)了以下功能：溫濕度傳感器配合加溫加濕設(shè)備實(shí)現(xiàn)作物生長(zhǎng)環(huán)境溫濕度的自動(dòng)調(diào)節(jié)。光照傳感器、二氧化碳穿彈起配合電動(dòng)窗簾和換氣裝置實(shí)現(xiàn)光照與空氣調(diào)節(jié)。另外紅外傳感器、揚(yáng)聲器提供報(bào)警和作物介紹功能。

傳感設(shè)備采用TI公司提供的CC2530開發(fā)板搭載模塊化傳感器實(shí)現(xiàn)ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)，下位機(jī)（CC2530）在Ztack協(xié)議?；A(chǔ)上進(jìn)行二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)作物環(huán)境數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)與采集。上位機(jī)（CC2530）使用一塊帶液晶顯示屏的網(wǎng)關(guān)板實(shí)現(xiàn)信息的采集，最終完成環(huán)境數(shù)據(jù)采集后的流程控制、指令的發(fā)送、邏輯判斷、無線數(shù)據(jù)的交互。

教學(xué)環(huán)節(jié)中，無線傳感網(wǎng)的組網(wǎng)與調(diào)試可設(shè)計(jì)為無線組網(wǎng)項(xiàng)目教學(xué)單元，上位機(jī)、下位機(jī)開發(fā)可設(shè)計(jì)成為軟件開發(fā)教學(xué)單元。最終以單元模塊或系統(tǒng)整體功能的實(shí)現(xiàn)為考核目標(biāo)。

2.2智能車輛管理系統(tǒng)沙盤

智能車輛管理系統(tǒng)以天津?yàn)I海學(xué)院規(guī)劃布局為藍(lán)本，提供車輛信息記錄、門禁、位置感應(yīng)、照明管理、語音提示等功能。

整個(gè)系統(tǒng)的智能控制實(shí)現(xiàn)以下功能：學(xué)院全體信息記錄在上位機(jī)（Windows APP）管理系統(tǒng)中，車輛駛至學(xué)院正門門禁前將被閱讀器自動(dòng)收集由車載標(biāo)簽發(fā)出的Response數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)中包括車輛校驗(yàn)、車牌、車主及工作部門等信息，校驗(yàn)成功后門禁桿自動(dòng)抬起，并由語音系統(tǒng)播放歡迎信息；在車輛駛?cè)雽W(xué)院主路后行駛側(cè)所有路燈開啟，作為夜間照明、引路指示；車輛停入學(xué)院規(guī)定的停車位后觸發(fā)在停車位兩側(cè)的對(duì)射位置感應(yīng)器，感應(yīng)器通知上位機(jī)控制軟件車位已被占用，上位機(jī)車位數(shù)量減一，相應(yīng)車位在地圖上顯示不可用紅色狀態(tài)。

利用RFID技術(shù)完成車輛信息的讀取，下位機(jī)采用開源Arduino平臺(tái)實(shí)現(xiàn)RFID閱讀器信息的上傳，同時(shí)由下位機(jī)控制燈光、對(duì)射開關(guān)狀態(tài)的監(jiān)測(cè)與修改；上位機(jī)采用Windows操作系統(tǒng)桌面程序，記錄學(xué)院車輛數(shù)據(jù)，并負(fù)責(zé)對(duì)射、燈光、語音系統(tǒng)的指令下達(dá)。

Arduino與RFID系統(tǒng)的連接設(shè)計(jì)成為組網(wǎng)教學(xué)環(huán)節(jié)，上位機(jī)、下位機(jī)開發(fā)設(shè)計(jì)成為開發(fā)教學(xué)環(huán)節(jié)。以系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)為最終的考核目標(biāo)。

3 結(jié)論

本文通過使用教學(xué)沙盤來模擬物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)行業(yè)的應(yīng)用，在項(xiàng)目化教學(xué)的過程中通過實(shí)物讓學(xué)生在學(xué)習(xí)中真實(shí)感受到技術(shù)的應(yīng)用，而且通過沙盤訓(xùn)練對(duì)學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力的鍛煉也較課堂的實(shí)訓(xùn)效果更佳，但沙盤實(shí)訓(xùn)也存在一定的缺陷，主要表現(xiàn)在技術(shù)涵蓋面較窄且擴(kuò)展性較差。

在進(jìn)一步的研究中，實(shí)訓(xùn)沙盤應(yīng)向通用模塊化方向發(fā)展，在物聯(lián)網(wǎng)的不同領(lǐng)域、不同層次間找到共通的部分進(jìn)行模塊化，如：無線組網(wǎng)部分，傳感器采集部分，自動(dòng)控制部分等等。另外一方面應(yīng)該提高沙盤業(yè)務(wù)邏輯適應(yīng)能力，使學(xué)生能夠充分發(fā)揮想象，自主創(chuàng)新利用現(xiàn)有設(shè)備開發(fā)出新型的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。在軟件層面應(yīng)將通用功能高度模塊化，進(jìn)而降低學(xué)生開發(fā)的難度和工作量。

這樣將沙盤模塊化通用化就能夠有效利用現(xiàn)有資源形成更加復(fù)雜的應(yīng)用場(chǎng)景，滿足更多的教學(xué)單元，通過動(dòng)手搭建不同的應(yīng)用場(chǎng)景是學(xué)生能夠了解到物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的各層的技術(shù)特點(diǎn)與細(xì)節(jié)，能夠幫助學(xué)生建立一個(gè)較為完整的知識(shí)體系。激發(fā)學(xué)生自主研究自主求知的動(dòng)力，真正地將能力、技能作為教學(xué)評(píng)價(jià)手段。

本文利用較為前沿的Arduino、ZigBee、RFID等技術(shù)，認(rèn)真仔細(xì)分析真實(shí)環(huán)境下的系統(tǒng)應(yīng)用過程，通過系統(tǒng)規(guī)劃、系統(tǒng)分析、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的嚴(yán)格系統(tǒng)開發(fā)流程，完成了用于物聯(lián)網(wǎng)核心專業(yè)課的兩套智能沙盤——智能溫室控制系統(tǒng)與智能車輛管理系統(tǒng)。智能溫室控制系統(tǒng)模擬真實(shí)作物生長(zhǎng)需求環(huán)境，借助傳感器技術(shù)采集溫室中溫度、濕度、光照度、土壤水分等數(shù)據(jù)，利用ZigBee技術(shù)組建無線傳感網(wǎng)將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)統(tǒng)一收集到上位機(jī)中，由上位機(jī)根據(jù)預(yù)設(shè)環(huán)境要求啟動(dòng)加熱管、灌溉器、供氧風(fēng)扇等設(shè)備進(jìn)行調(diào)節(jié)，保證作物的生長(zhǎng)各項(xiàng)環(huán)境參數(shù)的要求。另外，智能車輛管理系統(tǒng)則以學(xué)院為藍(lán)本，模擬了學(xué)院教職員工車輛進(jìn)入學(xué)院時(shí)的門禁自動(dòng)控制，車輛信息校驗(yàn)、夜間引路指示，車位占用信息統(tǒng)計(jì)等功能。兩套沙盤的完成可以有力地支持物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)專業(yè)如《物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)組合實(shí)訓(xùn)》、《RFID應(yīng)用技術(shù)》等多門核心課程。通過將真實(shí)的工作過程虛擬化、微縮化，將真實(shí)項(xiàng)目環(huán)節(jié)作為學(xué)生研究學(xué)習(xí)的中心，活躍課堂氛圍，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生自主思考、求知的主動(dòng)性。同時(shí)，系統(tǒng)在開發(fā)時(shí)充分考慮了專業(yè)市場(chǎng)崗位的需求，將沙盤分成組網(wǎng)技術(shù)與開發(fā)設(shè)計(jì)兩類不同方向的內(nèi)容，可以由學(xué)生自主根據(jù)興趣與專長(zhǎng)考慮選擇不同的工作內(nèi)容，以學(xué)生為本、以能力為先，體現(xiàn)了高職教育的“教、學(xué)、做”一體化的特點(diǎn)。

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【通聯(lián)編輯：光文玲】