面向物聯網的本科實驗教學改革探討

高芹

（湖北理工學院計算機學院，湖北黃石 435003）

面向物聯網的本科實驗教學改革探討

高芹

（湖北理工學院計算機學院，湖北黃石 435003）

目前的物聯網教學存在一定的理論脫離實踐情況，本文提出利用ZigBee無線通信功能基礎，把局域網技術和無線傳感器相互結合，設計智能家居實驗教學系統，特別適合面向物聯網的本科實驗教學。為實現家居智能，通過移動終端等設備遠程方式，或是局域控制房間中部署的傳感器進行，通過此系統，使學生學習物聯網興趣大大增加。

物聯網；智能家居；實驗教學系

本文在結合物聯網教學特點的基礎上，通過智能家居實驗教學系統來對物聯網教學改革進行一定的探索。物聯網教學設備的基本功能是通過基于ZigBee-1通信的嵌入式系統而進行開發，目的就是能夠讓學生了解身邊的物聯網。

1 研究目標與問題

1.1 研究目標

在本物聯網設備系統中，采用WINCE操作系統（嵌入式），此軟硬件結合設備能夠包括傳感器節點狀態、無線傳感器網絡通信技術、數據分析等功能。整個系統網絡的構成，充分體現出無線傳感器技術和局域網技術相結合的特點，利用了ZigBee無線通信功能。在此套教學設備的幫助下，能夠更好幫助學生了解ARM網關的應用程序、ZigBee無線通信協議以及無線傳感器節點的系統等方面內容，研究相關的傳感器節點所使用的嵌入式操作系統相關內容，還包括其中的通信模塊、傳感器模塊等。

在此物聯網教學設備系統中傳感器節點主要包括霍爾、雨量、煙霧和紅外為開關型；光照、濕度、溫度為數據型；晾衣桿、電動窗簾、電燈為電氣型等。其中一些典型的操作包括，ZigBee無線通信協議的實現過程的研究，ARM網關的應用程序探討，煙霧與紅外線傳感器的中斷響應操作，溫度和濕度傳感器的數據采集工作等。另外，在研究ARM網關的應用程序方面，應該判斷傳感器節點接收無線網絡傳送的數據并存儲的有效性，掌握所提供的下行控制接口的作用；及如何處理接收到的節點數據等，以及傳感器的歷史數據的現實問題，通過曲線圖、工作表等，以及傳感器節點的網絡拓撲結構的顯示問題。最后，電器節點的開關狀態能否被ARM網關的應用程序所有效進行控制的問題等。

1.2 解決問題分析

通過這次物聯網實驗教學設備，讓學生認識到，物聯網概念不僅僅是泛泛而談的理論研究，而是看得見摸得到的實際技能。

首先，在了解物聯網概念的基礎上，相關的基礎物聯網試驗在本實驗平臺上能夠獨立完成，還能在此基礎上，進行關于物聯網設備的進一步開發工作；其次，不同種類的數據能夠通過各種傳感器的節點進行采集后獲得，學習這種軟硬件相互結合的模式特點；最后，利用設計好的良好的GUI進行顯示所采集到不同數據。

在此綜合性實驗過程中，學生能有效地掌握相關的數據庫技術、嵌入式系統以及計算機操作系統，還包括涉及到的軟件開發等計算機技術。

2 智能家居實驗教學系統關鍵技術分析

2.1 硬件設計部分

在此系統中，系統是由1個Sink節點、1個監控終端以及多個WSN節點組成。其中，對于WSN節點和Sink節點來說，都是按照CC2430芯片為核心的嵌入式的模塊。

對于Sink節點上運行的軟件來說，其主要是由通信模塊和串口模塊所組成的，操作系統為嵌入式，能夠完成中斷響應以及任務的調度等功能，Sink節點和其他節點之間的無線通信主要是通信模塊實現的，Sink節點與上位機的串口通信也是通過串口模塊來實現的。對于WSN節點上運行的軟件來說，其主要是由通信模塊和傳感器模塊構成，操作系統為嵌入式操作系統。能夠完成中斷響應以及任務調度等功能；溫度和濕度傳感器數據相關采集工作則是由傳感器模塊完成，還包括相應的煙霧與紅外線傳感器的中斷響應操作；WSN節點和其他WSN節點之間的無線通信則是通過通信模塊得以實現。

2.2 軟件設計部分

對于直接影響到用戶體驗的軟件部分來說，軟件功能主要是完成分析數據、處理數據的功能，主要對于底層的傳感器所采集的數據，根據用戶需要進行相關處理。軟件部分的系統構架主要包括以下幾個部分，服務器應用程序開發、客戶端開發和ARM網關應用程序開發。基于嵌入式的Wince 6.0操作系統，C#為采用的程序設計語言，數據庫位SQLCE。訪問本SQLCE數據庫服務器和訪問本地數據庫服務器，這是程序模塊訪問數據庫的兩種方式。這里區分用戶選擇數據庫的方式，是為了更好保證程序的可行性，再根據用戶需求，進行訪問數據庫的選擇，其中，c#中控件庫中的諸多控件會用在程序布局和功能設計中。

在一個功能界面上，所有功能程序能夠完成所有操作。從軟件的功能上區分，一般有以下三種方式：一是數據解析，包括解析采集到的原始數據，同時，通信的編解碼操作則在服務器與客戶端之間進行；二是通信傳遞，在有線網絡或是無線網絡的環境下，客戶端與服務器能有多種方式的通信；三是控制與查看，保證多客戶端上的同步性，控制電器節點等，并進行拓撲結構圖、曲線圖以及歷史數據統計等。

3 結束語

智能家居實驗教學系統體現了物聯網教學中的實用性，是對物聯網教學的一種探索和改革，對于物聯網教學的方式起到一定積極作用。

[1]黃丹丹.中職物聯網教學實踐體系研究[J].商情，2012(28).

G642

A

1003-5168(2014)03-0249-01

高芹（1980—），女，湖北荊州人，講師，碩士，研究方向：計算機嵌入式。

湖北理工學院校級科研項目（項目編號：12xjz41Q）。