基于工作過程的無線傳感器網絡課程建設研究

張曉東++李想

摘要：闡述了無線傳感器網絡課程在物聯網應用技術專業的重要性，提出了以工作項目為引領，實際任務為驅動的課程建設思路，從基于ZIGBEE的智能家居無線傳感網絡系統出發，構建了三位一體的課程標準，此標準的建設，解決了無線傳感器網絡教學理論與實踐、教學過程與應用開發脫節的問題，增強了學生實際動手能力。

關鍵詞：無線傳感器 網絡課程 建設研究

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）12-0105-01

無線傳感器網絡作為一個交叉學科，融合了傳感器、嵌入式計算、現代網絡及無線通信等技術，同時作為物聯網應用技術專業的專業核心課，在人才培養體系中起到承上啟下作用。傳統無線傳感網絡教學是在講授理論知識后進行實驗教學，這種教學方法對于高職學生存在的問題比較突出，理論理解不透徹，只能進行驗證性實驗。缺少實際項目，而不能進行綜合應用。以工作項目為引領，實際任務為驅動，課堂教學項目化、實習實訓生產化，學生一邊上理論，一邊進行實踐技能訓練，然后直接接觸到無線傳感器網絡系統集成，真正實現了“教、學、做”一體化。

1 基于Zigbee搭建無線傳感器網絡智能家居系統的工作過程

搭建無線傳感器網絡智能家居工作過程為：需求分析，設備選型，線路施工，節點和協調器編程和燒寫，物聯網中間件軟件實現，系統軟硬連接，系統集成，系統測試。

1.1 需求分析

在遠程主機或智能手機上能對室內空調無線啟動關閉，遠程調節溫度，能對室內照明燈遠程啟動關閉。

1.2 系統總體結構

綜合考察智能家居市場，選擇了功能完善，易于安裝和實現的奧爾斯智能紅外（IR）學習傳感器節點、智能輸入輸出（GPIO）傳感器節點和MTP3730的Zigbee協調器。紅外傳感器節點通過紅外探頭與空調紅外接收器連接，而紅外傳感器節點主要負責無線傳感器網絡采集空調狀態信息和接收Niagara服務器發送的控制指令。普通輸入輸出傳感器通過四通道繼電器與照明電燈進行連接，將采集到照明電燈狀態信息利用Zigbee無線通信方式發送給Zigbee協調器。Zigbee協調器是整個網絡的中心節點，負責網絡的建立和維護外，還對Zigbee無線網絡與IP網絡進行轉換，接受傳感器采集的數據通過IP網絡傳給Niagara服務器，同時發送Niagara服務器的控制指令給無線傳感器節點。Niagara服務器是一臺安裝了Niagara平臺的高性能計算機，負責上位機數據采集圖形化以及控制界面應用化。

1.3 節點和協調器軟件設計

無線傳感器節點和協調器軟件設計采用TI公司的Zigbee協議棧Z-Stack。 Z-Stack協議棧全面支持Zigbee、Zigbee PRO和Zigbee2007等協議，是一種基于輪轉查詢式的操作系統，它一共做兩個工作，一個是系統初始化，即由啟動代碼來初始化硬件系統和軟件構架需要的各個模塊。微操作系統的運行做好準備工作，主要分為初始化系統時鐘、檢測芯片工作電壓、初始化堆棧、初始化各個硬件模塊、初始化FLASH存儲、形成芯片MAC地址、初始化非易失變量、初始化MAC層協議、初始化應用幀層協議等十余部分。另一個就是開始執行操作系統實體。啟動代碼為操作系統的執行做好準備工作以后，就開始執行操作系統入口程序，并由此徹底將控制權交給操作系統，完成新老更替，自己則光榮地退出舞臺。節點和協調器程序采用C語言編寫。

1.4 Niagara平臺系統集成

Niagara 是Tridium公司所研發的設計用于解決設備連接應用的軟件框架平臺技術。它是一種應用框架，用于各種智能設備到上位機應用的連接。Niagara創造了一個通用的環境，幾乎可以連接任何智能嵌入式設備或系統，而不用考慮設備制造廠商的各種通信協議，它將不同的通信協議轉換成統一的標準軟件組件，通過軟件組件和IP協議結合，實現智能設備和Internet之間的雙向通信，從而形成智能設備企業級的應用開發。首先在Niagara中創建一個station站點，其次在config配置界面下設計空調和照明電燈的圖形UI界面，在空調和照明電燈的UI界面上做邏輯變量，一共設計了五個邏輯變量分別對應一個空調和四個照明電燈，然后，將邏輯變量與圖形UI界面進行link鏈接，這就是輸出設備的建立過程。下面就是要建立輸入設備的過程，因為輸入設備與Zigbee協議器建立連接，需要將奧爾斯為連接協調器而開發的Niagara中間組件IOTP加載到Niagara的station中，在IOTP文件夾下雙擊Host查找一個空調和四個照明電燈這些終端傳感器節點。在每個設備上建立與輸出圖形界面的連接，決定數據發送端和數據接受端。最后在協調器上設備IP地址和與五個終端傳感器一致的PID。

1.5 系統軟硬連接和測試

首先將終端傳感器節點通電，并通過奧爾斯集成工具CAL進行節點PID的燒寫和測試，主要目的是驗證設備是否正常工作，是否與無線傳感器網絡協調器進行通信。其次，將無線網絡協議器一端通過有線網絡與無線路由器相連，另一端通過zigbee通信方式無線與終端設備相連，無線路由器與Niagara服務器進行連接，要保障Niagara服務器、無線路由器、無線網絡協議器在同一網絡。最后打開Niagara服務器的IE瀏覽器輸入Niagara的station站點的IP地址，進行功能性測試。在測試過程中，要保障通信的雙向性，一是空調和照明電燈的狀態能通過zigbee無線網絡采集到Niagara的UI界面上。二是Niagara能對終端采集設備發命令，控制空調和照明電燈的開或關。

2 結語

無線傳感器網絡課程教學內容跨度大、難度高，要激發學生的學習慣興趣，必須在真實的教學環境下進行基于工作過程的教學，從終端設備的安裝、調試到zigbee編程以及Niagara中間件的連接，這種基于工作過程的實訓教學環境的提出，能夠調動學生的積極和主動性，能夠很好地將理論和實踐相結合。

參考文獻

[1]楊璽.基于項目驅動的無線傳感器網絡教學模式探索[J].考試周刊，2013（61）：111-112.

[2]李小龍.無線傳感器網絡實驗教學研究[J].電腦知識與技術，2014，10（33）：7964-7965.