“無線傳感網絡”課程教學研究

潘 勇 熊 江 陳曉峰

（重慶三峽學院計算機科學與工程學院，重慶萬州 404100）

物聯網（Internet of things，IOT）的概念是在1999年提出的，根據2005年國際電信聯盟（ITU）的定義，物聯網主要解決物與物（Thing to Thing，T2T）、人與物（Human to Thing，H2T）、人與人（Human to Human，H2H）在任何時間、任何地點之間的互聯[1].這一高度交叉的新興前沿領域在國際國內均備受關注.2010年，教育部公布了通過審批的140個高等學校戰略性新興產業相關本科新專業，當年即有50多所本專科院校開設了物聯網工程或相關專業.隨著2014年國務院提出引導一批普通本科類院校向應用技術型轉型的指導思想，本科院校特別是地方本科院校培養應用型人才的目標將更加清晰，緊密結合當地經濟社會發展，加大前沿性交叉性專業學科建設，辦出特色，培養出具備綜合素質的跨學科人才成為當務之急.建設一個具備自身辦學特色的物聯網工程專業應符合以上要求.那么如何培養出滿足社會需求、適應經濟發展，應用型高素質物聯網技術人才已成為教學研究的重要課題.通過幾年來對物聯網工程類課程，特別是其核心課程“無線傳感網絡”的教學與研究，筆者認為應該從課程設置、教學方法、綜合素質培養三個方面進行研究與探索.

1 課程設置

信息采集、信息處理和信息傳輸，這三個部分構成了信息產業的三大支柱，也正是物聯網產業的三個組成部分.電子信息科學與技術、計算機科學技術和通信工程這三個專業正好對應了物聯網三大支柱領域[2].根據無線傳感網絡的定義，無線傳感器網絡負責實現數據采集、處理和傳輸三種功能，而這正對應著現代信息技術的三大基礎技術，即傳感器技術、計算機技術和通信技術，它們分別構成了信息系統的感官、大腦、和神經三個部分.無線傳感器網絡正是這三種技術的結合，可以構成一個獨立的現代信息系統[3].

目前大多數高等院校的物聯網工程專業都開設了“傳感器技術與應用”、“單片機原理與應用”及“通信原理”三門課程，“傳感器技術與應用”集中在信息采集、“單片機原理與應用”講解信息處理與系統控制，而“通信原理”則講授的是信息傳輸.如上所示，這三門課程正好又構成了“無線傳感網絡”這門課的基礎.所以要講授無線傳感網絡課程，必須對“傳感器技術與應用”、“單片機原理與應用”及“通信原理”這三門課程都有比較深入的把握，在此基礎上才能講好“無線傳感網絡”這門課程.

大多數高等院校的物聯網工程專業都依托的是計算機科學與技術學科，針對計算機學科特點，“傳感器技術與應用”應該更側重于技術應用部分，講授此課程時應該著重給計算機的學生講解傳感器的技術性能指標與選用原則，特別是集成化智能傳感器的功能與特點及其和單片機的接口與編程，而不必過于關注傳感器的內部結構設計.“單片機原理與應用”則要重點講授，因為單片機是無線傳感節點的控制核心，信息的采集、處理還有傳輸均在其控制下完成.當前可作為無線傳感網絡節點控制核心的單片機，已主要形成了8051系列、AVR系列、PIC系列與MSP430系列四大類，ARM系列由于能耗的問題，目前大多數用來制作網關.筆者多年的授課均選用了經典的8051內核單片機進行講解，一來該機型使用歷史悠久，很多國內高校依然選擇其作為單片機講授的主流機型；二來該機型的資料最為豐富，入門也簡單，學生掌握以后可以觸類旁通，舉一反三，遇到設計難題也容易利用網絡資源去解決；三是目前的無線單片機的發展，很多均采用8051內核，比如TI生產的最新的運行Zigbee協議棧的CC2530單片機系列即是8051內核，所以該單片機并未退出歷史舞臺，在現實中也有大量使用的范例.在講解該課程的時候要結合工程應用實際，比如講解定時計數器部分，重點講解工程設計常用的定時方式1（16位定時）和方式2（8位自動重裝定時），而很少用到的方式0和方式3則簡單介紹，從而使學生迅速把握課程重點.單片機程序設計語言方面一開始就以講授C程序設計語言為主.因為C語言已經是目前嵌入式開發的主流.在課程講授的過程中，除了對 8051系列的傳統資源進行講授外，對新的增強性能也要進行介紹，如I2C、SPI、集成模數轉換器、多串口的概念和用法，這樣可以迅速的過渡到最新的機型，有利于學生實驗和設計開發.《通信原理》要重點突出數字通信，其中數字載波通信是重點，因為當前工程應用的無線通信芯片如Nordic公司生產的NRF905、NRF24L01均采用的是 GFSK調制，TI生產的 CC1101、CC2530分別支持 OOK、ASK、FSK調制，學生有了以上的知識儲備，就對芯片的使用和設計有了進一步的認識，從而能在使用相應芯片進行設計的時候，充分發揮芯片的特點和學生自己的創造性.另外在通信原理講授中，對于FDMA、TDMA和CDMA的思想也要講解透徹，這是網絡通信防沖突的一些基本解決手段.

有了以上三門課程的基礎，“無線傳感網絡”課程講授便會變得事半功倍.當前使用的無線傳感網絡的很多本科教材，有的涵蓋深奧的算法或涉及多個專業的內容，碩士和博士研究生都未必能看懂.教學的目的應是授之以漁，而不是授之以魚，廣而全反而會把初學的學生嚇跑，關鍵是培養學生興趣[4].因此，選擇一本適宜普通高等院校本科生學習無線傳感網絡的教材，從應用角度出發，以實踐為主，提高動手能力，才能滿足網絡軟硬件開發的要求.

2 教學方法

物聯網工程作為工程類專業，“無線傳感網絡”課程是一門應用性很強的課程，要想學好，需要緊緊抓住一點，就是理論與實踐相結合.所以要擯棄傳統的只注重知識灌輸，照本宣科似的教學方法，教學要緊扣應用這一大前提.實驗課絕不能是理論課的附庸，而是和理論課互相支持，互相促進的重要課程[5].

以“無線傳感網絡”為例，在學生具備了傳感器、單片機和通信技術的基礎后，可隨著無線傳感網絡理論課程的進度，指導學生根據學到的知識，自行設計制作一個小的無線傳感節點，包括選擇一款經典的智能傳感器實現傳感功能，一款增強型8051單片機作為處理器，一款無線通信芯片實現聯網.筆者在教學中為學生選擇的是智能溫度傳感器DS18B20、STC12單片機和NRF24L01通信芯片這一節點組合.以上三款芯片都是目前工程應用的主流，同時使用方便，資料豐富.筆者為學生提供一塊筆者本人測試通過的電路板.在理論章節講解完后，則突出講解一款與之配套的實用的芯片原理與使用方法.

學生從第一次實驗開始，嘗試自行焊接和組裝自己的節點.然后在該節點基礎上完成點對點通信實驗，傳感器數據采集實驗，通信組網實驗.兩個學生一組可進行點對點實驗，多個學生一組又可以進行組網實驗，在底層驅動程序實現無誤的情況下，可以嘗試較大型的通信協議軟件開發，比如移植成熟的Modbus協議.通過這個過程，可以培養學生對無線傳感網絡從硬件到軟件整套的開發經驗.由于課時和條件限制，雖然實驗課程引入的只是簡單的采集，處理與通信組網，但卻能讓學生對無線傳感網絡有一種直觀而感性的認識，有利于激發學習興趣和積極性.同時也有利于學生綜合使用以前學習的課程知識，對培養學生的動手能力，編程能力，靈活運用知識的能力有很好的效果.而這正是應用技術型本科培養的目標.

理論課講授要緊扣應用，著眼于學生創造性思維和工程素質的培養.及時的理論闡述和剖析，反過來又會對學生在實驗結果的理性認識方面給予指導.理論課講授要充分的利用現代化信息手段，將最前沿的知識帶入課堂[5].當前物聯網技術日新月異，新的芯片、產品以及應用層出不窮，所以作為教師要主動跟蹤發展形勢，也要及時向學生傳播最新知識.同時不忘發動學生的主觀能動性，讓學生也主動去搜集，去學習.這樣教學相長，才能使課程始終處于應用的前沿而不至于老化.

3 物聯網工程需要的綜合素質

作為工程類專業，在教學過程中，教師應該以培養合格的物聯網工程師作為學生綜合素質培養的目標.按照“知、情、意、行”四方面的全面素質要求[6]，培養學生對于成為合格工程師所需要的對工程方案技術上能否實現，法規是否允許，環保是否達標，是否具備經濟價值的認知能力，培養學生對工程設計的事業心和責任感，培養學生對質量、安全、協作的工程意識，培養學生溝通交流、獲取信息及分析、判斷和解決問題的行為能力.當然，學生的個人發展需求千差萬別，因此，教師在教學過程中也要注意因材施教.

4 結 語

物聯網工程專業不是以理論為主導，其重點在于工程應用.作為物聯網技術重要支撐的無線傳感網絡課程的教學要以應用為驅動，不斷調整課程內容，形成自己的特色.教學實踐證明，以應用為主旨的教學，有利于激發學生的興趣，有利于培養學生的動手能力，編程能力，靈活運用知識的能力，而且收到了很好的效果.因此，需要在此基礎上繼續探索，結合國務院引導普通本科向應用技術型轉型的要求，把學生培養成為基礎知識扎實，動手能力強，工程素質高的應用型復合型人才.

[1]朱金秀，韓光潔，朱川，等.物聯網工程專業課程體系的研究與探索[J].中國電力教育，2012（16）：67-68.

[2]葉苗.高校物聯網工程專業設置的思考[J].電腦知識與技術，2011（28）：7046-7048.

[3]吳功宜.對物聯網工程專業教學體系建設的思考[J].計算機教育，2010（21）：26-29.

[4]馬忠梅，孫娟，李奇.物聯網工程專業課程體系與實踐探討[J].單片機與嵌入式系統應用，2011（10）：1-4.

[5]孫開暢.就業能力與創新精神的融合——“水利工程施工”課程教學改革研究[J].三峽大學學報：人文社會科學版，2013（S1）:170-172.

[6]宋娟.地方院校建筑結構類課程教學研究[J].重慶三峽學院學報，2013（3）：131-133.