基于ZigBee技術的物聯網類課程實踐教學互動平臺設計

郭繼峰 馬志強

【摘要】結合物聯網類課程實踐教學，基于ZigBee技術開發一種實踐課程互動教學平臺，提出一種實踐教學環節和互動教學技術相融合的創新教學模式，為高校物聯網類課程實踐教學質量的提高提供創新思路。

【關鍵詞】物聯網技術 互動教學 ZigBee

【基金項目】東北林業大學教育教學研究立項課題DGY2014-40。

【中圖分類號】G64 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2014）10-0221-02

1.問題的提出

日益豐富的社會娛樂環境正以前所未有的程度影響著高校課堂教學。如何提高課程的吸引力，提高學生對教學內容的關注度是關系到教學質量的關鍵[1-2]。設計互動教學法在實踐教學中應用的具體案例，探討在保證教學質量的前提下多方位改善教學形式，提高課堂的吸引力是當前實踐教學的研究熱點[3-6]。

2.互動教學平臺設計

2.1實踐教學互動平臺系統硬件設計

互動平臺系統由教師上位機、含通訊轉換器的終端測控單元、ZigBee網絡，學生上位機等部分組成，系統結構如圖 1 所示。

圖1 實踐教學互動平臺系統硬件系統結構

終端測控單元主要由 ARM9 嵌入式系統、數據采集及控制子系統、無線傳感器網絡通信子系統三部分組成。

數據采集及控制子系統功能是通過外接各種傳感器及信號調理電路部分可采集現場的各種數據和參數，通過外接驅動電路接口連接信號變換器等驅動裝置可自動控制現場的各種運行狀態及數據值。終端測控單元通過 ZigBee 無線通信協議及模塊與上位機進行無線通信，實時傳送或接收各種數據或指令。

ARM9 嵌入式系統是現場控制單元的核心部分，它負責協調、調度各個任務的運行從而實現各種控制功能； TI公司的CC2530 F256作為無線通信主控制器，具有 USB 轉 UART功能的 PL-2303HX 芯片作為教師/學生上位機與終端測控單元通訊的轉換接口。數據采集終端連接溫度、濕度、氣壓等探測傳感器采集環境周圍參數，用于實驗中對各類物理參數的觀察、分析和傳輸提供實驗數據。

上位機是測控系統的系統管理中心、控制中心以及用戶窗口，主要有以下功能及作用：

（1）通過 USB接收由終端測控單元轉發的現場端各種數據，進行處理、整理、保存在數據庫，并在屏幕上顯示最新信息，可查詢歷史記錄。

（2）實時監測現場端的信號、狀態，根據系統控制程序的要求，輸出指令通過USB發送到終端測控單元進行現場端的信號、狀態自動調節及控制，實現自動測控功能。

（3）根據工作條件的變化，教師可通過主控軟件提供的控制命令，向學生發出指令或接受學生發回的返回信息，實現課堂教學內容的實時互動傳輸。教師機同時連接數據庫服務器，負責全部系統用戶數據的管理、存儲和歷史數據查詢及打印等工作。

（4）教師PC機連接投影儀，用于展示教師的示教過程，并實時向所用同學顯示互動實驗的中間結果，提高學生對教學的關注度及參與興趣；

2.2實驗系統軟件配置

（1）終端測控單元軟件：采用 C 語言編寫 ARM9 嵌入式系統應用軟件，包括對內部寄存器的初始化、參數設置、以及串口通信等。完成對采集的數據進行模數轉換、輸出控制指令變換成模擬信號進行自動調節及控制、數字信號的采集及控制、實現串口通信、LCD 顯示異常報警等功能。

（2）ZigBee 無線通信模塊軟件：

根據 TI 自帶 Z-Stack2007 協議棧 SerialApp 項目基礎上進行 CC2530 模塊之間的 ZigBee 無線通信編程即可，從而實現 ARM9 嵌入式系統與上位機的數據及指令實時相互交換，保障系統正常通信。

（3）上位機軟件：

上位機的操作系統采用微軟 WindowsXP，采用 Visual C++及 SQL Server2008設計其它應用程序。實現數據的存儲、計算、監控和生成動態曲線圖及表格等操作。

3.互動實驗教學實例設計

在上述硬件平臺上，設計互動性強，能夠充分激發學生參與興趣的實驗是更為重要的任務。

互動教學平臺的教學過程為：

（1）教師指導學生采用所具備的軟件開發工具基于硬件平臺編寫終端測控單元的測控程序、編制串口通訊程序及通訊信息載體程序，編制上位機人機交互界面計控制軟件實現對終端測控單元的控制，采集數據到上位機的數據庫中。

（2）教師通過無線通訊平臺布置實驗任務，并通過總線通訊平臺收集學生的實驗結果并實時顯示在投影儀上，獲得學生的關注。

（3）學生進一步編制無線數據傳輸程序實現與教師機的無線通信，接收教師的指令，完成教師的任務，向教師機發送信息，實現教師與學生的教學互動。

在實驗教學中除傳統的反復進行上述過程可以獲得與學生的良好互動。

3.1隨機點名實驗設計

實驗目的：獲取學生出席信息，訓練學生基本通信功能設計能力。

實驗過程：

（1）教師先公布點名通訊協議，然后向各終端群發點包含各終端隨機ID碼的點名信息。

（2）學生編寫接收信息程序，接收自己的點名ID碼，經過處理后顯示到自己的上位機上，并編寫返回信息程序向教師上位機發送登記請求以及表示自己的點名ID碼。

（3）教師機接收學生的登記請求，并將成功登記的請求顯示到投影上，使學生可以確認自己的登記有效。

涉及的知識點：編碼、解碼、通訊協議、人機交互工具的顯示設計、排序等。

3.2快速搶答實驗實驗設計

實驗目的：訓練學生編程速度，提高實驗趣味性。

實驗過程：

（1）教師先公布題目；

（2）學生編寫解題程序并發送結果信息給教師機；

（3）教師機接收學生的結果信息，并根據實際在投影上顯示提交時間先后排名；

（4）在教師機上實施運行解題程序，查看結果信息。

涉及的知識點：通訊協議、人機交互工具的顯示設計，以及題目中蘊含的所有計算機控制知識點如交通燈時序控制程序、搬運機機械手運動時序等。

4.結語

開發一種適用于物聯網類課程實驗教學行為的互動交流平臺。通信功能的實現基于ZigBee技術，終端數據采集基于嵌入式技術，結合上位機人機交互和數據庫的操作完成整套的系統平臺設計與開發。其特點是上一次實驗結果是下次實驗的物理載體，實驗項目層次清晰，環環緊扣，體系完整，方便互動，有利于激發興趣使學生通過增加參與度提升體驗感。

參考文獻：

[1]王明華，鮑長生.“雙聯互動”實踐教學模式探討[J].教育理論與實踐，2014（9） .

[2]趙立偉.高校古代漢語課堂互動教學模式探究[J].大學教育，2014（3）.

[3]楊征，魏迎梅，蔣杰.面向應用能力培養的實踐教學模式，2013（1）.

[4]姚蓉.談如何搞好大學教學中的課堂互動[J].中國大學，2008（7）.

[5]張鳳林.高校大班課實施參與式教學的疑難與策略探討[J].大學教育，2012（4）.

[6]岑道權，黃運兵.淺析我國網絡教育環境的應用.滄桑，2009（5）.