基于ZigBee技術(shù)中職無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的課程設(shè)計(jì)

莊進(jìn)樣

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是當(dāng)前熱點(diǎn)研究領(lǐng)域，ZigBee技術(shù)則為其關(guān)鍵技術(shù)之一，具有廣泛的應(yīng)用前景。目前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)普遍作為高職院校物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)的核心課程之一，但它在中職物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)開課率卻不高。

本文結(jié)合高職院校以及我校實(shí)際情況論述了基于CC2530的ZigBee技術(shù)在中職學(xué)校開設(shè)課程的必要性以及存在的問題，進(jìn)而提出該課程教學(xué)目標(biāo)的設(shè)定、對前導(dǎo)課的處理、教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)模式選擇的方案。

一、ZigBee無線通信技術(shù)概述

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是當(dāng)前在國際上備受關(guān)注的、涉及多學(xué)科高度交叉、知識高度集成的前沿?zé)狳c(diǎn)研究領(lǐng)域。

ZigBee技術(shù)是典型的短距離、低功耗、低速率、低成本、自我修復(fù)、網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的通信或無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)之一。ZigBee技術(shù)結(jié)合無線網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，與OSI參考模型相類似，也采用了分層的設(shè)計(jì)思想，其中IEEE 80.2.15.4標(biāo)準(zhǔn)定義了物理層和介質(zhì)訪問控制層，ZigBee協(xié)議定義了網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層。

ZigBee技術(shù)具有廣泛的應(yīng)用前景，包括家庭和樓宇網(wǎng)絡(luò)、工業(yè)控制、智慧城市、農(nóng)業(yè)控制、醫(yī)療、商業(yè)等領(lǐng)域。

二、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)課程在中職學(xué)校教學(xué)的現(xiàn)狀

目前，基于CC2530的ZigBee技術(shù)課程普遍作為高職院校物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)的核心課程之一。筆者查閱了廣東省6所開設(shè)了物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的高職院校開設(shè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)課程的情況，如表1所示。

從以上表中可以發(fā)現(xiàn)，物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)無論開設(shè)在信息技術(shù)院系還是通信或者自動化院系，作為實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)廣泛應(yīng)用的重要底層無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，無一例外被作為核心課程之一，可見它在物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)課程中的重要地位。正是基于這種原因，甚至有人把無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)混為一談。

目前，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)課程在高職院校物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)開課很普遍，但筆者查閱了珠三角開設(shè)了物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)或方向的部分中職學(xué)校課程設(shè)置中，卻沒有發(fā)現(xiàn)有學(xué)校開設(shè)該課（只有一個通信類“智能化控制技術(shù)”專業(yè)開設(shè)了《通信技術(shù)》，該課程涉及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)）。這里論述高職院校開設(shè)了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，并不等同說中職學(xué)校就非開不可。事實(shí)上，開設(shè)了物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的中職學(xué)校無非是把無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的課程通過嵌入到其他課程中進(jìn)行教學(xué)，該課程并沒有獨(dú)立成課而已，這一點(diǎn)可以從這些學(xué)校對物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)或方向培養(yǎng)目標(biāo)的描述中分析得到。另外，從市級、省級、國級物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用、智能家居安裝技能競賽也可以窺見對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的知識要求。

作為中職學(xué)校近幾年熱門的申報(bào)的新專業(yè)之一，導(dǎo)致無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)開課少或無法獨(dú)立成課的原因更可能是：一是師資跟不上，新開設(shè)物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的多數(shù)學(xué)校的教師是由原計(jì)算機(jī)應(yīng)用專業(yè)或計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)專業(yè)教師直接轉(zhuǎn)入的，對硬件、通信技術(shù)不熟悉;二是適合中職的教材、課程標(biāo)準(zhǔn)、實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)方案幾乎處于空白狀態(tài)，個別開設(shè)該課程的學(xué)校多數(shù)是參考或直接使用高職、本科院校的教材學(xué)材，造成教學(xué)目標(biāo)不明確、內(nèi)容選擇碎片化、重點(diǎn)難點(diǎn)把握不準(zhǔn)確、實(shí)訓(xùn)實(shí)驗(yàn)欠系統(tǒng)指導(dǎo)。

最近，人社部、市場監(jiān)管總局、統(tǒng)計(jì)局聯(lián)合發(fā)布了新職業(yè)，物聯(lián)網(wǎng)安裝調(diào)試員、物聯(lián)網(wǎng)工程技術(shù)人員兩種新職業(yè)赫然其中，可以預(yù)測物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的開設(shè)和課程的開發(fā)將會暴發(fā)。綜上因素，毫無疑問無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)課程在教學(xué)實(shí)踐過程中面臨的問題和挑戰(zhàn)，急需解決。

三、中職無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的課程設(shè)計(jì)

本文所指的課程設(shè)計(jì)是主要指對基于CC2530的ZigBee技術(shù)的課程目標(biāo)、課程內(nèi)容的設(shè)計(jì)。筆者綜合廣東省多所高職院校物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)人才培養(yǎng)方案，得出了典型培養(yǎng)目標(biāo)為：具有物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)、嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)等項(xiàng)目設(shè)計(jì)、實(shí)施、開發(fā)與項(xiàng)目管理能力的復(fù)合型人才。顯然，這個目標(biāo)對于中職學(xué)生來說難以企及。中職學(xué)校以我校物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)為例，其人才培訓(xùn)目標(biāo)為：物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備安裝、調(diào)試、維護(hù)技術(shù)技能人才;物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)產(chǎn)品的應(yīng)用推廣技術(shù)技能人才;面向?qū)ο蟮奈锫?lián)網(wǎng)系統(tǒng)開發(fā)發(fā)展型技術(shù)技能人才。中職物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)與高職物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)的差異，必然導(dǎo)致課程教學(xué)目標(biāo)的差異。高職院校把系統(tǒng)的“設(shè)計(jì)”與“開發(fā)”作為重要的培養(yǎng)目標(biāo)，而中職學(xué)校把“開發(fā)”對應(yīng)到發(fā)展型人才的培養(yǎng)，即兼顧到學(xué)有余力的、選擇升學(xué)的學(xué)生的培養(yǎng)目標(biāo)。相應(yīng)地，教學(xué)內(nèi)容的選擇等也應(yīng)該依照人才培養(yǎng)目標(biāo)的要求而定。

（一）教學(xué)目標(biāo)的設(shè)定

結(jié)合我校物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的實(shí)際，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的課程定位是使學(xué)生了解無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的前沿以及發(fā)展趨勢，初步掌握CC2530單片機(jī)基本組件的應(yīng)用，搭建、調(diào)試、維護(hù)ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

依照課程定位，課程的教學(xué)目標(biāo)設(shè)定包括：了解無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、初步掌握CC2530基本組件的應(yīng)用、初步掌握常用傳感器的應(yīng)用、初步掌握基于BasicRF的無線通信應(yīng)用、掌握停車引導(dǎo)系統(tǒng)的安裝和調(diào)試。

（二）對前導(dǎo)課的處理

德州儀器公司推出的CC2530芯片的內(nèi)核集成了增強(qiáng)型的C8051單片機(jī)，使得掌握CC2530的硬件功能轉(zhuǎn)化對單片機(jī)的學(xué)習(xí)，而學(xué)習(xí)單片機(jī)則需要編寫C語言程序。

目前普遍的觀點(diǎn)認(rèn)為中職學(xué)生學(xué)習(xí)C語言存在較大困難，教學(xué)效果不佳，主要原因是C語言本身難度大以及中職學(xué)生基礎(chǔ)薄弱，因此，近幾年來，很多中職學(xué)校紛紛砍掉C語言課程的教學(xué)。中職學(xué)生基礎(chǔ)薄弱的問題，或者是存在的事實(shí)，但C語言本身的難度并不大。對于教學(xué)對象是中職生很多的教學(xué)設(shè)計(jì)中，問題之一是C語言的難度在某種程度上是被“放大”了，即把學(xué)習(xí)C語言本身變身學(xué)習(xí)難度很大的“算法”;問題之二是學(xué)習(xí)C語言太強(qiáng)調(diào)學(xué)科體系下知識點(diǎn)掌握的完整性，但卻忽視應(yīng)用化、項(xiàng)目化、任務(wù)驅(qū)動化的教學(xué)模式，導(dǎo)致教學(xué)效果不佳甚至枯燥乏味。筆者認(rèn)為基礎(chǔ)較薄弱的中職生，如果能直觀看到所編寫C語言驅(qū)動硬件的活生生的例子，課堂教學(xué)效果就立刻改觀，因此我提出作為前導(dǎo)課C語言的學(xué)習(xí)嘗試使用軟硬件相結(jié)合的方式進(jìn)行。

綜上所述，筆者對前導(dǎo)課C語言的處理方式是先學(xué)習(xí)總共6個課時的基礎(chǔ)知識，內(nèi)容包括程序的main主函數(shù)、基本語法規(guī)范、定義變量、數(shù)據(jù)類型、基本輸入輸出，接著在學(xué)習(xí)CC2530的基礎(chǔ)知識的過程中，同時不斷擴(kuò)充C語言的學(xué)習(xí)。下面以筆者教學(xué)設(shè)計(jì)中一個例子中代碼片段來說明（部分代碼省略），見圖1。

其實(shí)，以上學(xué)習(xí)C語言的過程更加自然，因?yàn)閷W(xué)生可以通過修改程序并與CC2530硬件的呈現(xiàn)效果結(jié)合起來思考更多的為什么。

（三）教學(xué)內(nèi)容的選擇

課程的教學(xué)內(nèi)容的選擇受到多種因素影響，但主要依據(jù)是教學(xué)目標(biāo)的設(shè)定。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)這門課設(shè)定七大內(nèi)容，并分別細(xì)分為若干個知識點(diǎn)，并根據(jù)內(nèi)容的數(shù)量和難易程度安排若干課時，總課時為98課時，如表2所示。

（四）教學(xué)模式的選擇

選擇使用什么教學(xué)模式或教學(xué)方法，主要取決于教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容和特點(diǎn)、教學(xué)對象的特點(diǎn)等。在中職物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)中教學(xué)基于CC2530的ZigBee技術(shù)的課程，具有理論和實(shí)踐性強(qiáng)、教學(xué)難度較高的特點(diǎn)，學(xué)生普遍缺乏學(xué)習(xí)興趣，學(xué)習(xí)積極性不高，選擇適合的教學(xué)模式顯得尤為重要。

1.任務(wù)驅(qū)動理實(shí)一體化的教學(xué)模式

筆者在教學(xué)實(shí)踐過程中，以學(xué)習(xí)通用I/O端口這個知識點(diǎn)為例，運(yùn)用任務(wù)驅(qū)動教學(xué)法、理實(shí)一體的教學(xué)模式，收到良好的效果。教學(xué)設(shè)計(jì)概述如下：

本章節(jié)的課題為智能開關(guān)的程序設(shè)計(jì)，課型為理實(shí)一體化，教學(xué)方法包括演示、任務(wù)驅(qū)動、小組探究等，重點(diǎn)是與I/0相關(guān)的寄存器的學(xué)習(xí)，難點(diǎn)是I/0端口的輸入方式的學(xué)習(xí)。教學(xué)基本過程和說明如圖2所示：

復(fù)習(xí)舊知中，回顧兩個知識：（1）對寄存器的某些位清0而不影響其他位;（2）對寄存器的某些位置1而不影響其他位。這是非常重要的知識，是基礎(chǔ)中的基礎(chǔ)。同時這里回顧C(jī)語言的“與”操作和“或”操作，課件設(shè)計(jì)運(yùn)用動畫技術(shù)，一目了然如何“清0”和“置1”操作。

講授新知中，展示本課程最終任務(wù)的效果，更能引起學(xué)生的注意和興趣。重點(diǎn)內(nèi)容為三種寄存器的講授，難點(diǎn)為輸入方式的“上拉/下拉”模式，通過舉最簡單例子來幫助理解其中“上拉”的情況。這個例子以引腳外接一個開關(guān)為例子，非常巧妙地處理了最難理解的內(nèi)容。

對以上三種寄存器小結(jié)，采用示意圖的方式，并把該示意圖設(shè)置為學(xué)生電腦桌面，加強(qiáng)理解和記憶，以圖解決教學(xué)重點(diǎn)難點(diǎn)的問題。示意圖如圖3所示。

實(shí)訓(xùn)是對新授知識的應(yīng)用。首先下發(fā)實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)書，明確實(shí)訓(xùn)目的和任務(wù)要求。

（1）實(shí)訓(xùn)目的：掌握設(shè)置通用I/0端口的輸入輸出方式。

（2）任務(wù)要求：任務(wù)盡量簡單，為學(xué)生理解如何設(shè)置相應(yīng)寄存器服務(wù)。

本課程的任務(wù)是：在CC2530模塊上，實(shí)現(xiàn)1個按鍵控制2個LED燈交替點(diǎn)亮的功能。即SW2按下后松開，LED1滅，LED2亮;SW2再次按下后松開，LED1亮，LED2滅。

（3）核心代碼填寫完整并調(diào)試：對核心代碼留空，以小組探究方式補(bǔ)充完整并調(diào)試程序，整個過程由教師巡堂指導(dǎo)并給每個小組評分，同時小組內(nèi)需要自評。

小結(jié)的內(nèi)容包括：與I/O相關(guān)的三種寄存器的設(shè)置、用I/O端口寄存器設(shè)置的基本思路。最后通過作業(yè)布置，培養(yǎng)學(xué)生查閱資料、學(xué)會學(xué)習(xí)的本領(lǐng)，同時鍛煉學(xué)生舉一反三的能力。

2.開展生產(chǎn)性實(shí)訓(xùn)的教學(xué)模式

我校信息技術(shù)專業(yè)堅(jiān)持成果導(dǎo)向的教育理念，教學(xué)以學(xué)生為中心，以成果為導(dǎo)向，并努力提升學(xué)生綜合技術(shù)水平并促進(jìn)專業(yè)建設(shè)。為實(shí)現(xiàn)學(xué)生掌握搭建、調(diào)試、維護(hù)ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的教學(xué)目標(biāo)，本課程開展生產(chǎn)性實(shí)訓(xùn)。實(shí)訓(xùn)內(nèi)容以智能停車引導(dǎo)系統(tǒng)的安裝和調(diào)試為例，讓學(xué)生參與其中，學(xué)中做、做中學(xué)，既能加深、消化課堂內(nèi)容，又能對課堂內(nèi)容的深化和拓展，提高學(xué)生的動手能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。

智能停車引導(dǎo)系統(tǒng)一般由車位探測器、節(jié)點(diǎn)控制器、場內(nèi)外顯示屏等組成，其中車位探測器集成了超聲波傳感器和ZigBee組網(wǎng)模塊，實(shí)現(xiàn)車位是否被占用的檢測以及多個探測器之間的無線組網(wǎng)。駕駛員通過顯示屏顯示的剩余車位的實(shí)時信息，從而快速找到空車位，圖4為智能停車引導(dǎo)系統(tǒng)示意圖。

該生產(chǎn)性實(shí)訓(xùn)實(shí)施方案分為前期和后期。前期的內(nèi)容包括、講解ZigBee自組網(wǎng)的方式、計(jì)算機(jī)數(shù)制（二進(jìn)制、十進(jìn)制、十六進(jìn)制及其之間轉(zhuǎn)換）、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)TCP/IP協(xié)議（IP地址、同一網(wǎng)段、局域網(wǎng)網(wǎng)段概念）、停車引導(dǎo)系統(tǒng)的組成、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、相應(yīng)軟件的使用。后期的內(nèi)容包括電工布線（強(qiáng)電）、探測器、節(jié)點(diǎn)控制器安裝、電工布線（弱電）、系統(tǒng)調(diào)試。

四、結(jié)語

基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)課程是眾多高職院校物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)和我校物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的核心課程之一。本文論述了該課程在中職開課少以及存在問題的原因，進(jìn)而結(jié)合我校實(shí)際，設(shè)定了課程的教學(xué)目標(biāo)，即了解無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、初步掌握CC2530基本組件的應(yīng)用、初步掌握常用傳感器的應(yīng)用、初步掌握基于BasicRF的無線通信應(yīng)用、掌握停車引導(dǎo)系統(tǒng)的安裝和調(diào)試，同時嘗試使用軟硬件相結(jié)合、同時進(jìn)行教學(xué)的前導(dǎo)課處理方式，最后論述了七大塊的教學(xué)內(nèi)容的選擇以及任務(wù)驅(qū)動理實(shí)一體化、開展生產(chǎn)性實(shí)訓(xùn)的教學(xué)模式在該課的實(shí)際運(yùn)用。

責(zé)任編輯何麗華