面向工程應用的無線傳感器網絡綜合實驗設計

徐毅 秦寧寧

[摘 要] 無線傳感器網絡課程的知識點包括了從感知層的硬件構成到應用層的安全設置。分析了目前無線傳感器網絡實驗教學過程中存在的問題，提出了面向工程應用的無線傳感器網絡實驗教學的必要性，詳細設計了一個以“基于物聯(lián)網的水產養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)”為工程應用背景的無線傳感器網絡的綜合實驗方案，給出了實驗成績的考核方法，取得了很好的實驗效果。

[關鍵詞] 無線傳感器網絡;實驗設計;工程應用;項目驅動

[基金項目] 2018年度國家自然科學基金“隨機異質傳感器網絡覆蓋性能的系統(tǒng)級評估與優(yōu)化”（61702228）

[作者簡介] 徐 毅（1972—），男，四川儀隴人，工學碩士，江南大學物聯(lián)網工程學院實驗室講師，主要從事物聯(lián)網技術應用研究;秦寧寧（1980—），女，黑龍江虎林人，工學博士，江南大學物聯(lián)網工程學院信息技術系教授，主要從事無線傳感器網絡理論及應用研究。

[中圖分類號] G642.423? ? [文獻標識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2021）08-0145-04? ? [收稿日期] 2020-08-16

一、背景

無線傳感器網絡（Wireless Sensor Network，以下簡稱WSN）是物聯(lián)網工程專業(yè)的一門專業(yè)核心課程，其知識點包括了從感知層的硬件構成到應用層的安全設置，內容難度和跨度都很大，這也體現(xiàn)了物聯(lián)網學科的前沿性和交叉性。通過綜合實驗整合優(yōu)化應用課堂教學內容，培養(yǎng)學生的工程意識和綜合素質，以及學生的創(chuàng)新實踐能力，這是傳統(tǒng)的WSN實驗教學所無法比擬的[1]。

二、存在問題

目前WSN課程缺少有效的與課程內容設置相適應的實驗體系，也很難與課堂教學內容和課時設置相對應。這主要體現(xiàn)在：第一，選擇合適的內容難，課堂教學內容既獨立又前后關聯(lián);第二，現(xiàn)有的實驗內容大多由學校通過集中采購的實驗箱提供，實驗箱都是以功能模塊為基礎，以實驗內容作為區(qū)分，缺少綜合性[2];第三，實驗箱中的功能模塊都是以黑盒封裝在一起，模塊之間的物理連接都隱藏在實驗箱內部，學生無法深入了解，影響了學生的直觀認識以及對實驗原理的深入了解、熟悉和掌握;第四，實驗箱價格昂貴，受條件限制，很難做到每個學生一個實驗箱，影響學生獨立實驗能力的培養(yǎng);第五，實驗箱的實驗內容已經固化，和實際的工程應用之間還有很大差距，實驗內容無法拓展，無法發(fā)揮學生的能動性、課程教學內容的連貫性以及與其他課程之間的高度相關性[3];第六，實驗內容、時間和地點相對固定，實驗考核方式簡單，都是在指定時間、指定地點，對指定實驗以驗證性實驗的結果作為實驗考核依據，無法體現(xiàn)學生個體之間的能力差異。

通過對上述現(xiàn)行WSN課程實驗教學內容存在的不足進行總結，設計以項目為驅動，以實際工程應用為目的的WSN綜合實驗，可以圍繞一個需要研究解決的特定項目系統(tǒng)展開，重構實驗教學方法。以解決實際問題為導向，貫穿整個WSN的教學內容體系，關聯(lián)其他學科，包括數據庫、信號處理、EDA、控制理論等課程內容。培養(yǎng)學生使用現(xiàn)代工具解決實際工程項目問題的能力，讓學生在尋找解決問題的方法中進行知識的學習與應用，而不是知識的簡單套用[4]。強調以團隊合作為基礎，以項目任務為驅動，以實際應用為導向，注重實驗設計的邏輯性和綜合性，引導學生將子實驗組合成為最終可以面向實際應用的綜合性實驗，讓學生從解決實際工程項目問題的實驗中獲得很好的體驗感[5]。

三、實驗方案設計

本文設計的以項目應用為驅動的綜合實驗主要以水產養(yǎng)殖過程中“基于物聯(lián)網的水產養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)”為項目背景進行。項目開發(fā)內容的核心是運用傳感器技術、ZigBee技術、信號處理、數據庫等技術，以Stm32開發(fā)板或已有的實驗箱為開發(fā)平臺，開發(fā)出一個基于WSN的水產養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng)。監(jiān)控系統(tǒng)由三部分構成：一是監(jiān)控數據采集部分，由傳感器采集讀取的數據通過單口線傳遞給主芯片;二是數據處理及控制部分，數據在此部分利用ZigBee上位機通信，同時通過繼電器根據預設值以及接收的數據控制水閥以及水溫控制裝備的開關;三是上位機界面部分，用戶可以通過上位機界面來進行實時監(jiān)控和閾值的修改。

（一）綜合實驗設計的需求分析

基于WSN技術的水產養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng)，主要是實現(xiàn)養(yǎng)殖水體的水溫、溶解氧、PH值等一系列的對于水產品生長至關重要的環(huán)境參數的實時測量和控制，真正實現(xiàn)養(yǎng)殖全過程的智能化、自動化。

（二）綜合實驗設計的原則

WSN系統(tǒng)要求結構簡單、低成本、高效，既要實現(xiàn)所要求的水質監(jiān)控、數據存儲和遠程調控功能，同時又要合理利用、規(guī)劃資源，避免高額的設計開發(fā)成本，且要具有一定的拓展空間，以便可以進行以后的系統(tǒng)功能拓展。

（三）綜合實驗設計的目標

第一，建立上位機的監(jiān)控界面，通過LCD顯示屏，設置控制參數，查看實時水質參數，如溫度、PH值等。第二，利用ZigBee技術實現(xiàn)中遠距離的無線傳輸，布局方便，也方便實時監(jiān)控。第三，以Stm32開發(fā)板或已有的實驗箱為硬件開發(fā)平臺。

（四）綜合實驗設計的系統(tǒng)架構

整個系統(tǒng)包括：傳感器的數據采集、處理和傳輸;水質參數調節(jié)設備的實時運行控制;上位機的監(jiān)控平臺用戶界面部分，具體結構如圖1所示。

傳感器的數據采集、處理和傳輸包括：傳感器模塊、ZigBee模塊、電源模塊、顯示模塊及控制模塊，完成水質參數（溫度、PH值等）的實時檢測、短暫存儲與傳輸，利用ZigBee網絡傳遞給上位機，同時接收上位機控制參數，通過繼電器控制增氧泵等設備的啟停。

上位機監(jiān)控平臺借助于LCD顯示屏，將匯聚節(jié)點從傳感器模塊接收到的數據實時顯示，以便實時了解水質情況。

本綜合實驗設計旨在進行水質的參數采集與實時監(jiān)控，考慮到ZigBee網絡的良好拓展能力，可以先設置1～2種水質參數的檢測，后續(xù)可以根據需要對系統(tǒng)進行拓展，以適應更加真實的水質參數的實時監(jiān)控。

（五）綜合實驗設計的數據處理層硬件

圖2是系統(tǒng)的硬件設計，硬件部分要滿足：一是成本低廉，由于系統(tǒng)面向中小型農村養(yǎng)殖戶，高額的硬件設備不可取;二是實現(xiàn)養(yǎng)殖水域—養(yǎng)殖戶（上位機）中遠距離的無線數據傳輸，節(jié)約成本，也方便布局;三是方便拓展。本系統(tǒng)旨在針對某一水池環(huán)境，較為簡單，養(yǎng)殖戶有多個池塘時，應能夠對此系統(tǒng)進行拓展，從而同時取得多個水環(huán)境的參數，并能夠采取控制。

本系統(tǒng)的傳感器模塊包含溫度傳感器、PH傳感器，控制模塊包含三個繼電器，用來控制進水/出水泵以及水溫鍋爐的開關。

（六）綜合實驗設計的上位機監(jiān)控平臺總體結構

本系統(tǒng)要求利用Labview軟件完成上位機監(jiān)控平臺的開發(fā)工作，監(jiān)控平臺需要實現(xiàn)的功能有如下幾個：一是傳感器模塊采集到的數據能夠實時顯示在監(jiān)控平臺上，其中，溫度傳感器輸出的為溫度。PH傳感器輸出的為電壓值，需要根據電壓PH特性曲線對得到的電壓值進行處理，即可得到實時的水體PH值。二是數據存儲界面。采集到的水環(huán)境數據會保存進文檔中，以便查閱歷史數據。三是曲線顯示界面。本界面根據得到的數據實時將數據繪制成為曲線顯示出來，更加直觀地看出水體環(huán)境的波動，并且也便于PH的計算。四是閾值調控界面。該界面用于人工輸入適合水產品養(yǎng)殖的溫度、PH的閾值，監(jiān)控系統(tǒng)接收到從傳感器上傳的數據后，會判斷溫度和PH是否在合適的區(qū)間內。如果高于或低于這個區(qū)間，Stm32就會控制繼電器打開進水/出水泵，做到實時改善水體質量。

上位機監(jiān)控流程如圖3所示。

通過上述系統(tǒng)的詳細設計，既可以使學生掌握一般工程項目實現(xiàn)的基本過程，也能夠熟悉物聯(lián)網工程項目的基本構成。圖4為學生完成實驗后所展示的上位機界面。

四、實驗方案的實現(xiàn)與實驗成績的考核

以上述所設計的實驗方案，學生以2～3人為一個團隊，分別完成系統(tǒng)的數據采集、數據分析以及上位機的平臺展示等功能。系統(tǒng)實現(xiàn)所需要的硬件資源可以利用實驗室已有的實驗箱資源，也可以由學生自行采購，學院的教學實踐經費承擔。學生既可以在實驗室完成實驗，也可以利用課余時間來完成。

實驗結束后，學生將提交實驗樣品和實驗報告，并要回答實驗老師的現(xiàn)場提問。實驗成績考核由以下幾個部分綜合評價后構成：第一，有類似于科技小論文形式的實驗報告;第二，可以實際運行且運行效果良好的實驗樣品;第三，現(xiàn)場的實際操作動手能力和相互協(xié)作能力;第四，實驗內容設計的創(chuàng)新性或研究性以及實驗內容的實用性、指導性和科學性;第五，實驗數據處理的規(guī)范性;第六，實驗結論的明確性、實驗結果表達的完整性以及實驗結論的直觀性。

通過上述實驗成績考評，既體現(xiàn)了實驗內容的可拓展性，使每個學生的能力都能得到充分展示，又加強了團隊之間的合作。

五、實踐所取得的成果

經過兩屆物聯(lián)網工程專業(yè)的實驗教改探索，教學團隊克服了學時受限且沒有可參考的成熟教學方案的不利條件，創(chuàng)造性地提出了以項目為驅動的綜合實驗教學體系。最大限度地調動本科生的自主學習能力，激發(fā)了他們探索和克服困難的精神;使學生具備軟件、硬件開發(fā)的雙能力以及整體方案設計的能力。在項目管理模式下，鍛煉了學生的團隊協(xié)作與領導能力。通過綜合工程的鍛煉和實踐，進一步強化了學生利用現(xiàn)代工具解決實際物聯(lián)網工程項目的能力。

參考文獻

[1]陳海生，郭曉云，王峰，等.“無線傳感器網絡技術”課程實驗教學探索[J].河北農業(yè)大學學報（農林教育版），2017，19（5）：64-67.

[2]何冀軍，衛(wèi)兵，潘潔珠.項目驅動的物聯(lián)網專業(yè)課程教學改革與實踐[J].合肥師范學院學報，2015，33（11）：86-88.

[3]寧卓，李牧陽，梅新志.無線傳感器網絡課程實驗教材建設[J].電腦知識與技術2017，13（30）：49-50.

[4]陳彥彬，林燕雄，黃佳旭，等.模塊化物聯(lián)網技術綜合實訓裝置設計與實現(xiàn)[J].實驗室科學，2018，21（4）：57-61.

[5]鄭來芳.無線傳感器網絡實驗教學方法研究[J].軟件導刊-教育技術，2018，17（11）：67-68.