物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)組建課程中實訓項目設計探討

李水明　陳鑫洋

【摘 要】本文探討在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)組建課程中設計一種項目化實訓，以物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)組建為主線，對智能溫度檢測實訓項目進行總體設計、硬件電路設計、軟件程序編寫及功能調(diào)試等。

【關鍵詞】物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)組建課程 溫度檢測 實訓項目設計

【中圖分類號】G 【文獻標識碼】A

【文章編號】0450-9889（2016）11C-0189-03

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)組建課程作為物聯(lián)網(wǎng)知識學習的重要課程，是一門以動手實踐為主的實訓課。在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)組建課程中引入項目化實訓教學，既能做到將涉及面廣的零散知識點綜合學習，又能將理論聯(lián)系實際發(fā)揮學生的主動性，通過不同的方法實現(xiàn)實訓的要求。項目化教學既能夠讓學生系統(tǒng)學習物聯(lián)網(wǎng)知識，又讓學生成為項目設計的主角，激發(fā)學生的學習興趣。為此，本文設計了一個“智能溫度檢測系統(tǒng)”項目作為物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)組建課程的實訓項目。本物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)組建實訓項目要求為：模擬智能工廠的溫度檢測系統(tǒng)，能夠?qū)崟r顯示工廠里的溫度值，并能設定溫度的上限閾值和下限閾值，當溫度值超過設定的閾值時發(fā)出警報，要求學生按照項目開發(fā)流程、設計思路，完成系統(tǒng)項目總體設計、硬件電路設計、軟件程序設計、綜合調(diào)試等工作。

一、智能溫度檢測系統(tǒng)項目的總體設計

在下達項目任務后，讓學生收集相關的溫度檢測系統(tǒng)資料及發(fā)展現(xiàn)狀，綜合設計系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖。為實現(xiàn)項目系統(tǒng)的功能，本溫度檢測系統(tǒng)由上位機和下位機兩部分組成。上位機由ZigBee接收模塊、電源模塊和PC顯示終端組成。下位機由ZigBee控制核心模塊、電源模和DS18B20溫度傳感器組成。上位機與下位機通過無線方式傳輸數(shù)據(jù)。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

二、智能溫度檢測系統(tǒng)的硬件電路設計

（一）ZigBee控制核心模塊設計。根據(jù)本項目的需求選擇CC2530微處理器作為控制核心。CC2530包含32KB的ROM和8KB的RAM，集成高效的2.4-GHz IEEE 802.15.4無線射頻收發(fā)器，具有低功耗、無線傳輸溫度數(shù)據(jù)等優(yōu)點，被廣泛應用于物聯(lián)網(wǎng)的無線通信領域。在上位機部分中ZigBee控制核心模塊與PC機通信采用UART串口方式通信。ZigBee核心控制模塊部分電路如圖2所示。

（二）溫度傳感器模塊。本項目的溫度值通過讀取傳感器輸出信號獲得。溫度傳感器輸出信號可分為模擬信號和數(shù)字信號兩種。模擬式傳感器輸出信號需要添加放大電路和A/D轉(zhuǎn)換，增加了成本和設計難度。數(shù)字式傳感器直接輸出數(shù)字信號，ZigBee核心模塊可以通過I/O口直接讀取。溫度采集傳感器使用Maxim公司的DS18B20數(shù)字式溫度傳感器。DS18B20采用單總線通信方式，只需要占用一個I/O口即可完成數(shù)據(jù)通信；溫度測量范圍為-55°C至+125°C；測量精度為±0.5°C。溫度檢測系統(tǒng)項目中采用DS18B20作為溫度傳感器。DS18B20傳感器模塊電路如圖3所示。

（三）電源模塊設計。本項目考慮到溫度檢測采集點減少受地理環(huán)境因素影響，采用電池包作為電源。由于ZigBee控制核心模塊的供電電壓為3.3V，采用DC-DC轉(zhuǎn)換電路將直流6V轉(zhuǎn)換為3.3V。電源模塊電路如圖4所示。

三、智能溫度檢測系統(tǒng)的軟件設計

溫度檢測系統(tǒng)的軟件設計是項目開發(fā)過程中重要環(huán)節(jié)。

（一）軟件編程設計思路。溫度檢測系統(tǒng)上位機與下位機的通信方式通過無線通信方式實現(xiàn)。上位機的ZigBee控制核心模塊接收到溫度數(shù)據(jù)后將數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送到PC機顯示。在PC機Windows系統(tǒng)平臺編寫應用程序?qū)崟r接收數(shù)據(jù)顯示并同時檢測是否超過設定的閾值，若超過閾值則發(fā)出警報。

（二）軟件設計流程圖。本項目的軟件設計按組成部分劃分為上位機和下位機兩部分，其中上位機軟件設計分為ZigBee接收模塊程序設計和PC機顯示端程序設計。系統(tǒng)的上位機與下位機的無線通信采用Basic RF無線通信協(xié)議，該協(xié)議具有配置簡單、點對點通信等特點。上位機與下位機程序設計流程圖如圖5所示。

下位機系統(tǒng)上電后ZigBee模塊進行初始化，對Basic RF無線通信協(xié)議進行配置和對溫度傳感器DS18B20進行初始化設置。下位機完成初始化后等待上位機溫度采集指令，當接收到指令后讀取DS18B20溫度值，將溫度數(shù)據(jù)通過無線通信方式發(fā)送到上位機ZigBee接收端。上位機ZigBee接收端收到數(shù)據(jù)后通過UART串口發(fā)送到PC機顯示。

（三）子程序分析。下位機ZigBee無線通信采用Basic RF構(gòu)建，項目任務主要是通過調(diào)用子函數(shù)來實現(xiàn)。

函數(shù)：void basic_configRF_Init（void）

功能：ZigBee模塊Basic RF無線配置初始化，包括ID、通信頻道、本機地址等。

函數(shù)：void DS18B20_Init（void）

功能：該函數(shù)主要負責對DS18B20溫度傳感器進行初始配置。

函數(shù)：unsigned float Read_Temp（void）

功能：讀取DS18B20溫度值，返回無符號浮點型。

函數(shù)：basicRfSendPacket（uint16 destAddr，uint8* pPayload，uint8 length）

功能：實現(xiàn)ZigBee無線數(shù)據(jù)的發(fā)送。destAddr為點對點目標地址；pPayload溫度值數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)地址；length溫度數(shù)據(jù)的長度。

函數(shù)：basicRfReceive（uint8* pRxData，uint8 len，int16* pRssi）

功能：接收數(shù)據(jù)無線ZigBee數(shù)據(jù)，pRxData接收到數(shù)據(jù)的緩沖數(shù)據(jù)地址；len接收到的數(shù)據(jù)長度；pRssi信號強度。

在項目實現(xiàn)過程中，教師提供關鍵的子函數(shù)及相關說明文檔，學生根據(jù)說明文檔搭建ZigBee無線Basic RF通信系統(tǒng)。

（四）上位機應用程序構(gòu)建。本項目上位機應用程序采用WPF技術構(gòu)建，開發(fā)平臺采用Visual Studio 2012編寫應用程序在Windows系統(tǒng)運行。WPF基于用戶界面框架，使用WPF構(gòu)建溫度檢測系統(tǒng)能夠快速實現(xiàn)相應的功能。上位機應用程序中使用定時器計算時間每隔200ms讀取一次溫度值。在項目實現(xiàn)過程中為學生提供定時器類的使用方法：

Timer timer_read = new Timer（）；

timer_read.Interval = 1000；

timer_read.Enabled = true；

timer_read.Elapsed += timer_read_Elapsed；

void timer_read_Elapsed（object sender，ElapsedEventArgs e）；

四、智能溫度檢測系統(tǒng)的實物制作及調(diào)試

在學習了相關知識和繪制完成硬件電路后，開始溫度檢測系統(tǒng)的實物電路制作，根據(jù)前面繪制的PCB電氣原理圖進行制版和焊接。在完成硬件電路后開始編寫程序和調(diào)試。實訓室管理員根據(jù)項目元件清單為學生提供相應的電子元器件。

學生也可以根據(jù)項目內(nèi)容要求，發(fā)揮主動性自行設計相應的電路，然后根據(jù)電路選擇相應的電子元器件。

（一）焊接。在實訓室完成硬件電路板的制作后，進行元器件的焊接，在焊接過程中需要提醒學生有極性的電容方向及CC2530芯片的引腳。

（二）調(diào)試。在完成實物制作后，根據(jù)項目要求調(diào)試電路。教師參與學生實物系統(tǒng)的調(diào)試，對遇到的問題進行及時糾正。上位機顯示應用程序如圖6所示。

（三）評分驗收。教師根據(jù)項目評分標準進行考評，在考評過程中對做得好的地方進行表揚，同時指出不足的地方。

圖6 上位機顯示應用程序

綜上，在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)組建課程中采用項目化實訓，改變傳統(tǒng)課程的教學模式，讓學生作為主體，發(fā)揮學生的主動性。在智能溫度檢測系統(tǒng)設計項目中，讓學生在項目設計過程中掌握物聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)設計思路、組成、硬件電路設計、軟件程序設計和系統(tǒng)調(diào)試等知識，將分散的物聯(lián)網(wǎng)知識綜合應用，使學生在不僅學習了理論知識，還掌握了如何設計物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的技能。

【參考文獻】

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[5]曲廣強，關曉輝.基于WPF技術的教學信息查詢系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[J].東北電力大學學報，2014（6）

【基金項目】2016年度廣西高校中青年教師基礎能力提升項目（KY2016YB760）；2015年柳州鐵道職業(yè)技術學院校級科研立項項目（2015-C21）

【作者簡介】李水明（1983— ），男，碩士，柳州鐵道職業(yè)技術學院電子技術學院講師，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)技術應用、機器人；陳鑫洋，柳州鐵道職業(yè)技術學院教師。

（責編 黎 原）