“RFID 技術(shù)與應(yīng)用”模塊化教學(xué)實(shí)踐

曲愛玲，黃 平，馬長(zhǎng)路

（北京農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院，北京 102442）

0 引言

目前，物聯(lián)網(wǎng)在各行各業(yè)的應(yīng)用越來越廣泛，技術(shù)日趨成熟與穩(wěn)定。物聯(lián)網(wǎng)主要由感知層、傳輸層與應(yīng)用層3 個(gè)部分組成，要實(shí)現(xiàn)真正的物物相連，3 個(gè)部分缺一不可[1]。RFID（Radio Frequency Identification） 是物聯(lián)網(wǎng)感知層技術(shù)核心，獲取物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息主要由RFID 電子標(biāo)簽和各類傳感器實(shí)現(xiàn)，RFID 在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用[2]。高職院校物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)，主要是為社會(huì)培養(yǎng)物聯(lián)網(wǎng)方向應(yīng)用型人才，為使高職院校物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)學(xué)生能夠具備物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)RFID 技術(shù)人才需求條件，將“RFID 技術(shù)與應(yīng)用”課程進(jìn)行創(chuàng)新改革，采用模塊化教學(xué)，使學(xué)生掌握“RFID 技術(shù)與應(yīng)用”課程的關(guān)鍵技術(shù)，為項(xiàng)目實(shí)施積累經(jīng)驗(yàn)。

1 RFID

RFID（射頻識(shí)別） 系統(tǒng)信息交互通過空間耦合的非接觸方式實(shí)現(xiàn)，完成對(duì)識(shí)別目標(biāo)信息的讀寫操作。在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，就是利用射頻識(shí)別技術(shù)對(duì)目標(biāo)物品進(jìn)行有效的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)交互。讀寫器、電子標(biāo)簽、系統(tǒng)高層是RFID 系統(tǒng)的3 個(gè)主要組成部分。

RFID 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖見圖1。

圖1 RFID 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.1 讀寫器

讀寫器是射頻識(shí)別系統(tǒng)中非常重要的組成部分。讀寫器的作用是和電子標(biāo)簽建立通信關(guān)系，完成對(duì)電子標(biāo)簽信息的讀寫操作。讀寫器的功能如下：

（1） 為電子標(biāo)簽提供能量。讀寫器可以為無源或半有源的電子標(biāo)簽提供足夠的能量用來激活電子標(biāo)簽。

（2） 與電子標(biāo)簽進(jìn)行通信。讀寫器可以與電子標(biāo)簽間建立通信方式，訪問電子標(biāo)簽的數(shù)據(jù)信息或?qū)?shù)據(jù)信息按要求進(jìn)行改寫。

（3） 與計(jì)算機(jī)通信。讀寫器可以利用RS232 接口、USB 接口、網(wǎng)口、WIFI 等接口方式與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信，將電子標(biāo)簽的信息傳輸至計(jì)算機(jī)，用于系統(tǒng)終端與系統(tǒng)高層的數(shù)據(jù)信息交互。

（4） 多電子標(biāo)簽識(shí)別。讀寫器具有防碰撞功能，可以同時(shí)正確識(shí)別工作范圍內(nèi)多個(gè)靜止或移動(dòng)的電子標(biāo)簽，并完成數(shù)據(jù)交互。

1.2 電子標(biāo)簽

射頻卡、射頻標(biāo)簽和應(yīng)答器是對(duì)電子標(biāo)簽的其他叫法，三者可統(tǒng)稱為電子標(biāo)簽（Tag）。在RFID 系統(tǒng)中，電子標(biāo)簽是存儲(chǔ)目標(biāo)物品有效數(shù)據(jù)的載體，每個(gè)電子標(biāo)簽都是由天線和芯片組成的一個(gè)微型的硬件系統(tǒng)，目標(biāo)物品數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在電子標(biāo)簽的芯片中，收發(fā)無線電波主要由電子標(biāo)簽的天線完成。RFID 電子標(biāo)簽的電子編碼具有全球唯一性，每個(gè)電子標(biāo)簽可標(biāo)識(shí)不同的目標(biāo)物品，電子編碼具有不重復(fù)性。RFID 技術(shù)被廣泛應(yīng)用，在于RFID 技術(shù)可以通過電子標(biāo)簽對(duì)物品進(jìn)行非接觸式的自動(dòng)識(shí)別。

1.3 系統(tǒng)高層

RFID 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳輸和通信管理等工作均由系統(tǒng)高層完成。在RFID 系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)是構(gòu)成RFID 系統(tǒng)高層的核心技術(shù)。RFID 系統(tǒng)分為簡(jiǎn)單的RFID 系統(tǒng)和復(fù)雜的RFID 系統(tǒng)。由單個(gè)讀寫器構(gòu)成的RFID 系統(tǒng)稱為簡(jiǎn)單的RFID 系統(tǒng)，由多個(gè)讀寫器構(gòu)成的RFID 系統(tǒng)稱為復(fù)雜的RFID 系統(tǒng)。在簡(jiǎn)單的RFID 系統(tǒng)中，讀寫器每次只負(fù)責(zé)對(duì)一個(gè)電子標(biāo)簽進(jìn)行讀操作或?qū)懖僮?，在?fù)雜的RFID 系統(tǒng)中，每個(gè)讀寫器每次需完成對(duì)多個(gè)電子標(biāo)簽的讀操作或?qū)懖僮?，在?fù)雜的RFID 系統(tǒng)中，系統(tǒng)高層必須要參與RFID 系統(tǒng)信息數(shù)據(jù)的分析及處理工作。

2 課程規(guī)劃

高等職業(yè)教育在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)過程、教學(xué)手段、教學(xué)方式上凸顯教學(xué)的實(shí)踐性，在教育教學(xué)中以崗位需要、實(shí)踐操作為目的，使學(xué)生能夠具備過硬的專業(yè)技術(shù)技能和較強(qiáng)的動(dòng)手能力?！癛FID 技術(shù)與應(yīng)用”是高等職業(yè)院校物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的核心課程，其課程規(guī)劃以高職物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)人才培養(yǎng)的目標(biāo)要求為基礎(chǔ)，堅(jiān)持以就業(yè)為導(dǎo)向，以實(shí)用性為特征，在課程規(guī)劃上除舊創(chuàng)新，在課程設(shè)置上實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐的有效結(jié)合。以北京農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)方向，計(jì)1711 班為授課對(duì)象，對(duì)“RFID 技術(shù)與應(yīng)用”課程進(jìn)行了具體的教學(xué)創(chuàng)新實(shí)踐[3]。

2.1 課程目標(biāo)

高等職業(yè)教育培養(yǎng)方案的設(shè)計(jì)以社會(huì)需求為目標(biāo)，以培養(yǎng)技術(shù)應(yīng)用能力為主線，以專項(xiàng)技術(shù)領(lǐng)域或特定崗位群為職位培養(yǎng)目標(biāo)。高等職業(yè)教育培養(yǎng)的是能夠在生產(chǎn)、建設(shè)、管理、服務(wù)第一線工作的具有綜合職業(yè)能力、勝任某一具體崗位的高級(jí)技術(shù)應(yīng)用型人才，具備從事本專業(yè)實(shí)際工作的全面素質(zhì)和綜合職業(yè)能力。結(jié)合高等職業(yè)教育的培養(yǎng)目標(biāo)和輕理論、重實(shí)踐的高職教育特點(diǎn)，制定了“RFID 技術(shù)與應(yīng)用”課程教學(xué)目標(biāo)，具體教學(xué)目標(biāo)是，使學(xué)生掌握RFID 相關(guān)的理論知識(shí)，具備基于RFID 項(xiàng)目開發(fā)、技術(shù)測(cè)試、產(chǎn)品維護(hù)等方面的基本技能。

2.2 課程學(xué)時(shí)

“RFID 技術(shù)與應(yīng)用”課程共106 學(xué)時(shí)，其中教學(xué)學(xué)時(shí)為70 學(xué)時(shí)，綜合技能提升學(xué)時(shí)為36 學(xué)時(shí)。課程教學(xué)按模塊化環(huán)節(jié)進(jìn)行改革，綜合技能提升采用分小組、不同項(xiàng)目開發(fā)進(jìn)行改革。

2.3 課程規(guī)劃

“RFID 技術(shù)與應(yīng)用”課程規(guī)劃以教學(xué)內(nèi)容突出理論知識(shí)應(yīng)用和學(xué)生綜合實(shí)踐能力的培養(yǎng)為目的，以增強(qiáng)學(xué)生的職業(yè)適應(yīng)能力和應(yīng)變能力為目標(biāo)，以RFID 技術(shù)職業(yè)崗位和就業(yè)方向?yàn)樽谥?，在“RFID技術(shù)與應(yīng)用”課程規(guī)劃中注重理論為實(shí)踐服務(wù)，突出應(yīng)用性、實(shí)踐性的原則組織課程結(jié)構(gòu)、更新教學(xué)內(nèi)容?！癛FID 技術(shù)與應(yīng)用”課程的教學(xué)規(guī)劃分為教學(xué)環(huán)節(jié)和綜合技能提升環(huán)節(jié)，以北京農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)實(shí)訓(xùn)室現(xiàn)有的RFID 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為教學(xué)環(huán)節(jié)的硬件資源，課程規(guī)劃購(gòu)買的實(shí)驗(yàn)耗材為綜合技能提升環(huán)節(jié)的硬件資源。教學(xué)環(huán)節(jié)主要?jiǎng)澐譃镽FID 理論知識(shí)模塊、條碼技術(shù)應(yīng)用模塊、處理器應(yīng)用模塊和RFID 實(shí)驗(yàn)開發(fā)模塊，綜合技能提升環(huán)節(jié)為RFID 項(xiàng)目開發(fā)模塊，課程共5 個(gè)模塊部分。

RFID 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖見圖2。

3 模塊化教學(xué)設(shè)計(jì)

課程內(nèi)容是實(shí)現(xiàn)課程目標(biāo)的重要載體，“RFID技術(shù)與應(yīng)用”課程教學(xué)設(shè)計(jì)以職業(yè)需求為主線，以培養(yǎng)高素質(zhì)應(yīng)用型人才為目標(biāo)，進(jìn)一步深化教育教學(xué)改革，將課程體系進(jìn)行模塊化劃分，教學(xué)環(huán)節(jié)主要培養(yǎng)學(xué)生具備獲取RFID 理論知識(shí)的能力、運(yùn)用RFID 理論知識(shí)解決RFID 系統(tǒng)具體問題的能力及利用RFID 理論知識(shí)進(jìn)行RFID 技術(shù)應(yīng)用項(xiàng)目創(chuàng)新的能力[3]，綜合技能提升環(huán)節(jié)能夠使學(xué)生具備項(xiàng)目開發(fā)與實(shí)踐的能力。

圖2 RFID 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

表1 “RFID 技術(shù)與應(yīng)用”模塊化教學(xué)設(shè)計(jì)

“RFID 技術(shù)與應(yīng)用”模塊化教學(xué)設(shè)計(jì)見表1。

由表1 可以看出，“RFID 技術(shù)與應(yīng)用”課程在模塊化教學(xué)設(shè)計(jì)中加入了條碼技術(shù)應(yīng)用模塊[4-5]，主要考慮到RFID 電子標(biāo)簽有一定的造價(jià)，若大規(guī)模使用RFID 電子標(biāo)簽，無形中增加產(chǎn)品前期經(jīng)濟(jì)投入，且RFID 電子標(biāo)簽在通信過程中還存在傳輸距離、數(shù)據(jù)穩(wěn)定及保密等一系列問題，上述因素也是RFID 技術(shù)普及與推廣存在的主要問題，一維條形碼、二維條形碼和RFID 電子標(biāo)簽的混合使用，是RFID 管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)的首選，這樣可以節(jié)省RFID 管理系統(tǒng)開發(fā)的經(jīng)濟(jì)投入，大大提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益?！癛FID 技術(shù)與應(yīng)用”課程在模塊化教學(xué)設(shè)計(jì)中加入了處理器應(yīng)用模塊，主要考慮到北京農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院物聯(lián)網(wǎng)實(shí)訓(xùn)室RFID 技術(shù)實(shí)驗(yàn)箱基于Cortex M3 處理器開發(fā)，Cortex M3 處理器比學(xué)生學(xué)習(xí)的先導(dǎo)課程單片機(jī)C51要復(fù)雜得多，外設(shè)豐富，功能強(qiáng)大，在課程模塊化設(shè)計(jì)中加入了Cortex M3 處理器主要外設(shè)GPIO、UART、I2C 模塊的學(xué)習(xí)，主要教授學(xué)生學(xué)習(xí)和使用處理器外設(shè)的方法，要求學(xué)生能夠做到舉一反三，利用Cortex M3 處理器設(shè)計(jì)和控制RFID 讀寫器及其外圍電路[6]。

4 模塊化教學(xué)實(shí)施

“RFID 技術(shù)與應(yīng)用”課程模塊化教學(xué)實(shí)施共分為5 個(gè)模塊。

4.1 RFID 理論知識(shí)模塊

RFID 理論知識(shí)是RFID 技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)，理論知識(shí)以普及、夠用、實(shí)用的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)與實(shí)施。RFID 理論知識(shí)模塊主要采用云班課+課堂教學(xué)方式進(jìn)行，云班課主要完成線上預(yù)習(xí)、線下復(fù)習(xí)、課堂活動(dòng)和課后作業(yè)[7-8]；課堂教學(xué)采用多元化方法，主要包括PPT 主要理論講解、RFID 電子標(biāo)簽實(shí)物體驗(yàn)、RFID 讀寫器實(shí)物認(rèn)識(shí)、RFID 天線實(shí)物認(rèn)知、RFID 應(yīng)用演示視頻、RFID 天線高頻仿真等方式進(jìn)行。RFID 理論知識(shí)模塊是RFID 實(shí)驗(yàn)開發(fā)模塊和綜合技能提升模塊的理論基礎(chǔ)與項(xiàng)目實(shí)施的重要依據(jù)。

4.2 條碼技術(shù)應(yīng)用模塊

目前，流通的商品主要由一維條碼進(jìn)行標(biāo)識(shí)商品種類。計(jì)算機(jī)對(duì)流通的商品信息進(jìn)行管理與數(shù)據(jù)交換，主要由前端集采技術(shù)條碼技術(shù)實(shí)現(xiàn)。條碼是目前商品流通的主要數(shù)據(jù)載體，主要分一維條碼和二維條碼。條碼技術(shù)應(yīng)用模塊主要采用云班課+項(xiàng)目制作方式進(jìn)行，云班課主要完成線上預(yù)習(xí)、線下復(fù)習(xí)、課堂活動(dòng)和課后作業(yè)[9]；項(xiàng)目制作需要學(xué)生按項(xiàng)目要求利用條碼制作軟件設(shè)計(jì)一維或二維條碼，利用手機(jī)可進(jìn)行掃描識(shí)別制作的一維或二維條碼信息，在條碼技術(shù)應(yīng)用模塊中引入C#控制臺(tái)編程控制部分，實(shí)現(xiàn)C#程序?qū)l碼程序的調(diào)用，使條碼信息設(shè)計(jì)種類多樣化和靈活化，并可將相應(yīng)的條碼信息進(jìn)行打印輸出。條碼技術(shù)應(yīng)用模塊是綜合技能提升模塊項(xiàng)目開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)支撐。

4.3 處理器應(yīng)用模塊

處理器是RFID 讀寫器的主控器件，在RFID 系統(tǒng)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，其負(fù)責(zé)系統(tǒng)處理命令的發(fā)送、接收、數(shù)據(jù)處理、通信等工作。處理器應(yīng)用模塊主要采用云班課+項(xiàng)目制作方式進(jìn)行，云班課主要完成線上預(yù)習(xí)、線下復(fù)習(xí)、課堂活動(dòng)和課后作業(yè)[4]；項(xiàng)目制作需要學(xué)生先掌握主要外設(shè)工作原理及驅(qū)動(dòng)程序編寫，后續(xù)學(xué)習(xí)利用該外設(shè)控制具有該接口的硬件，實(shí)現(xiàn)硬件電路原理設(shè)計(jì)，并進(jìn)行硬件電路搭建，最后實(shí)現(xiàn)該硬件模塊驅(qū)動(dòng)程序編寫。處理器應(yīng)用模塊是RFID 實(shí)驗(yàn)開發(fā)模塊和綜合技能提升模塊的硬件核心。

4.4 RFID 實(shí)驗(yàn)開發(fā)模塊

RFID 實(shí)驗(yàn)開發(fā)模塊是RFID 理論知識(shí)模塊、處理器應(yīng)用模塊學(xué)習(xí)的階段檢驗(yàn)與綜合應(yīng)用，是提高學(xué)生動(dòng)手能力和知識(shí)應(yīng)用的重要階段。RFID 實(shí)驗(yàn)開發(fā)模塊主要采用云班課+項(xiàng)目制作方式進(jìn)行，云班課主要完成線上預(yù)習(xí)、線下復(fù)習(xí)、課堂活動(dòng)和課后作業(yè)[10-11]；項(xiàng)目制作需要學(xué)生先掌握RFID 讀寫器芯片的工作原理，掌握RFID 讀寫器模塊的電路原理圖設(shè)計(jì)方法，完成RFID 讀寫器驅(qū)動(dòng)程序編寫，之后按RFID 項(xiàng)目要求進(jìn)行程序完善及軟硬件聯(lián)調(diào)。RFID實(shí)驗(yàn)開發(fā)模塊是學(xué)生學(xué)習(xí)RFID 理論知識(shí)模塊和處理器應(yīng)用模塊的綜合應(yīng)用與階段學(xué)習(xí)成果驗(yàn)收的重要階段。

4.5 RFID 項(xiàng)目開發(fā)模塊

“RFID 技術(shù)與應(yīng)用”課程更加重視綜合技能提升實(shí)踐環(huán)節(jié)。綜合技能提升環(huán)節(jié)可以提高學(xué)生的專業(yè)技能水平，使學(xué)生能夠體驗(yàn)并適應(yīng)該課程對(duì)應(yīng)的職業(yè)崗位需求。RFID 項(xiàng)目開發(fā)模塊主要采用小組法+產(chǎn)品研發(fā)方式進(jìn)行，小組法主要采用教師指定組長(zhǎng)，組員自愿選擇組長(zhǎng)方式進(jìn)行，每組人數(shù)3 名，組長(zhǎng)均由自律、主動(dòng)、動(dòng)手能力強(qiáng)、具有創(chuàng)新想法的學(xué)生承擔(dān)，主要起到幫帶組員作用，RFID 項(xiàng)目開發(fā)環(huán)節(jié)組長(zhǎng)分配組員開發(fā)任務(wù)，進(jìn)行本組工作及時(shí)間統(tǒng)籌，教師主要進(jìn)行技術(shù)答疑、項(xiàng)目指導(dǎo)；RFID項(xiàng)目開發(fā)采用產(chǎn)品研發(fā)模式進(jìn)行[5]，此教學(xué)方法已在學(xué)?！皞鞲衅髋c檢測(cè)技術(shù)”課程教學(xué)中實(shí)踐，教學(xué)效果良好。RFID 項(xiàng)目開發(fā)模塊教學(xué)中，每組分派開發(fā)項(xiàng)目不同，避免項(xiàng)目相互借鑒，有利于學(xué)生全員參與，獨(dú)立完成本組項(xiàng)目，教師會(huì)根據(jù)授課班級(jí)人數(shù)，制定不同項(xiàng)目個(gè)數(shù)，提供不同項(xiàng)目所需硬件耗材。

5 結(jié)語(yǔ)

在“RFID 技術(shù)與應(yīng)用”課程中采用模塊化教學(xué)方式，可以使學(xué)生對(duì)RFID 系統(tǒng)知識(shí)體系理解更加透徹；“RFID 技術(shù)與應(yīng)用”課程模塊化教學(xué)設(shè)計(jì)中，知識(shí)結(jié)構(gòu)層層遞進(jìn)，要求學(xué)生掌握的RFID 專業(yè)技能水平也層層加強(qiáng)與深入；“RFID 技術(shù)與應(yīng)用”課程模塊化教學(xué)過程中，重實(shí)踐，輕理論，摒棄做實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)單看現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?，積極調(diào)動(dòng)全體學(xué)生開創(chuàng)實(shí)踐，在教學(xué)周小項(xiàng)目實(shí)踐階段，學(xué)生均能獨(dú)立完成項(xiàng)目設(shè)計(jì)，提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)成就感，建立了其學(xué)好專業(yè)技能的信心；“RFID 技術(shù)與應(yīng)用”課程模塊化教學(xué)綜合實(shí)踐周是學(xué)生學(xué)習(xí)“RFID 技術(shù)與應(yīng)用”課程模塊化知識(shí)的整體運(yùn)用、開創(chuàng)思維發(fā)揮的重要階段，RFID 綜合項(xiàng)目的實(shí)施與完成，使學(xué)生更好地掌握了RFID 技術(shù)應(yīng)用與開發(fā)的整體技能。教學(xué)實(shí)踐證明，“RFID 技術(shù)與應(yīng)用”課程基于模塊化教學(xué)改革，提升了學(xué)生基于RFID 技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)工程項(xiàng)目實(shí)施與項(xiàng)目創(chuàng)新能力，且模塊化教學(xué)實(shí)施過程中貫穿云班課、小組法、項(xiàng)目法、產(chǎn)品研發(fā)模式等多種教學(xué)手段，有效提升了教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)效果[11-12]，實(shí)現(xiàn)了教學(xué)改革目標(biāo)。