一個物聯網應用實訓案例設計

何文德 楊鳳年

摘要：針對目前國內物聯網應用實踐教學存在不足，設計了一個面向物聯網應用的工程實訓案例。該案例基于STC單片機開發板和臺式機，從環境溫度和光照的感知、A/D轉換、串口通信、Python編程、MySQL數據庫應用等知識點出發，用于物聯網工程專業學生的工程實訓教學，并提出了教學效果的評價和考核方案。

關鍵詞：物聯網;案例教學;實訓案例設計

中圖分類號：TP311? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）16-0147-02

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

物聯網技術是在計算機技術的基礎上，融合了智能感知、云計算與普適計算等技術而形成和發展起來的綜合性技術。物聯網應用涵蓋了智能電力、智能交通、智能家居、智能物流、智能工業、智慧城市、智慧農業和智慧醫療等領域，市場前景廣闊。因此，國內高校十分重視物聯網人才的培養，物聯網工程專業自2010年被教育部批準設立以來，已有四百多所高校開設，長沙學院已于2016年開設此專業，目標是培養能夠系統地掌握物聯網的相關理論、方法和技能，具備通信技術、網絡技術、傳感技術等信息領域寬廣的專業知識的高級工程技術人才。

1 實訓案例教學的必要性

由于物聯網技術涵蓋的知識面廣，企業對此類人才的知識結構和工程實踐能力往往有更高要求。而傳統教學過程往往更注重知識點的講授，教師與學生的教與學的效果很難滿足上述要求，尤其是學生的工程實踐能力有一定欠缺。案例教學模式可以適應物聯網工程相關課程的特點，能夠激發學生的學習積極性和創造性，取得更好的教學效果，提高學生的工程實踐能力和就業競爭力[1]。目前已有部分高校開展了物聯網實踐教學方面的探索與實踐，文獻[1]提出了在物聯網工程專業的教學活動中采用項目小組驅動的教學模式，文獻[2]提出了軟硬件結合的實驗教學模式。然而，設計出知識結構分布合理，難易程度和工作量適合授課對象、能有效激發學生自主學習熱情的物聯網應用教學案例，是值得探討的課題。

物聯網應用工程實訓案例教學具有非常重要的意義。首先，將抽象的物聯網相關理論知識與實際應用結合，加深學生對書本知識的理解。實訓課程將智能感知、嵌入式系統、網絡通信和數據庫技術等綜合應用于智慧農業等領域，并在真實的硬件平臺上實現，學生不再被動地接受知識的灌輸，而是通過自主實踐，將所學知識融會貫通應用到實際課題中。同時，在實訓過程中會遇到各種軟硬件問題，往往要通過團隊協作才能解決，這樣既提高了學生解決實際問題能力，又強化了學生的團隊合作意識。其次，實訓內容包括最新科技成果和業界主流技術如新的傳感器、深度學習+物聯網、編程框架、編程語言等的應用，新知識和新技術的融入，能讓學生能及時了解物聯網前沿技術，從而有效激發他們的研究和開發興趣。

2 案例教學過程

2.1 教學案例設計思路

本實訓教學案例利用臺式計算機、STC單片機、溫度傳感器、光照傳感器等硬件，結合A/D轉換、串口通信、WiFi、MySQL數據庫、Python、C51等技術，啟發學生根據智慧農業需求，設計開發智慧農場環境監控系統。

功能要求如下：

系統包含上位機和下位機兩部分，系統架構如圖1所示。下位機是基于智慧農場應用的監控終端模塊，以STC15F2K60S2單片機作為MCU，實時采集現場的光照強度和溫度值，并將溫度和光照強度顯示在LED屏幕上。若光線強度低于某閾值，蜂鳴器發出報警聲，光線警示燈閃爍，開啟照明系統;若光線強度高于設定閾值打開遮光裝置，蜂鳴器發出報警聲，光線警示燈閃爍。若溫度低于某閾值，蜂鳴器發出報警聲，溫度警示燈閃爍，開啟加熱裝置，若溫度高于設定閾值，則蜂鳴器發出報警聲，溫度警示燈閃爍，開啟通風裝置。每指定的時間間隔，監控終端通過WiFi向上位機發送光照強度和溫度值等信息。采用臺式計算機作上位機，當收到下位機發送過來的溫度和光照強度值等信息加上時間戳和終端編號后，將其保存到MySQL數據庫中，實現效果如圖2所示。

開發與運行環境要求：

下位機：STC單片機開發板，含光照傳感器模塊、溫度傳感器、WiFi模塊、繼電器模塊等。

上位機：臺式計算機，Windows 7操作系統、IDLE （Python 3.7）、Keil uVision4、MySQL 8.0。

技術要點：利用A/D轉換技術，獲取光照強度和溫度值。采用C51編程對單片機IO口、PWM的控制，實現警示燈閃爍、蜂鳴器報警、照明設施、加熱設備和通風設備的開關，利用串口通信技術控制WiFi模塊，實現下位機與上位機的信息傳送。上位機采用Python編程技術，將環境監測信息接收、處理并存儲到MySQL數據庫中。

2.2 教學安排

教師提前4周布置實訓任務，以便學生有較充裕的時間提前進行知識和技能的儲備。實訓為時間4周，第一周是教師講授和歸納項目所需的知識點、學生進行需求分析和方案設計時間，之后的兩周是學生的設計和實現時間，教師負責解答學生的技術問題。長沙學院物聯網專業學生之前沒學過Python語言，因此需要花費時間自學，如果學生已熟悉Python，該案例的實訓時長可以縮減到三周。

為了培養學生的獨立工作能力，要求每個學生獨立完成該項目，同時學生在學習過程中能互幫互助、互相督促，由4～5個學生組成一個項目學習小組。項目小組根據各成員根據開發能力、溝通管理能力互補搭配而成，團隊成員劃分成不同的角色，組織溝通能力較強者任組長，負責團隊開發進度等過程管理，開發能力較強中任技術負責人，負責技術幫扶，實訓期間教師可重點培訓幾位技術負責人，即可發揮以點帶面的作用。

3 教學效果的評價和考核

科學的教學效果評價和考核體系決定了學生的培養質量。CDIO（conceive、design、implement、operate，即構思、設計、實現、運作）是由美國麻省理工學院和瑞典皇家工學院等4所大學共同倡導的國際高等工程教育的一種新的人才培養模式，該模式特別注重扎實的工程基礎理論和專業知識的培養，將產業對人才能力的各項具體要求，逐一落實到相應教學環節，來滿足產業對工程技術人才質量的總體要求。本課題綜合CDIO工程教育人才培養考核標準和我校傳統實踐教學環節的考核方法，建立了以個人項目開發能力、團隊協作能力、文檔編寫能力、技術創新能力等為培養目標，以需求分析、項目構思、項目設計、代碼實現為主線的過程考核，加上學生自評、項目組互評、項目答辯等考核方式結合，實現教學效果的全方位精準考核。基于CDIO的項目考核體系能更有效地激勵學生自主學習，合理準確地評價教師的教學和學生的學習效果，督促教師不斷地完善實踐教學內容，進一步提高教師的實踐教學能力[3]。

4 結語

物聯網工程專業的工程實訓是實踐教學中的一個重要環節，智慧農場環境監控系統項目通過傳感器獲取環境信息，借助STC單片機將這些信息通過其內嵌的A/D轉換單元轉換成數字信號，然后根據事先設置的閾值，采取判斷是否采取補救措施和發出聲光報警信號;且通過WiFi將環境監測信息發送到上位機并存儲到數據庫中。學生通過本實驗案例的學習和實踐，可將單片機開發與Windows應用程序開發相結合，實現一個完整的應用系統，掌握整個開發流程，形成對物聯網應用系統開發的認知，為以后的物聯網應用系統開發打下良好基礎。教學實踐證明，該實訓教學案例方案可行，教學效果較好，在后續的教學實踐中我們將會對其做進一步改進，適度融入物聯網相關的前沿技術，力求取得更好的教學效果。

參考文獻：

[1] 曹領，劉海.項目小組驅動教學模式在物聯網工程專業中的應用[J].計算機教育，2018（5）：136-139.

[2] 李智，陳志鵬，黎云.物聯網實驗教學方法實踐與探討[J].教育教學論壇，2018（3）：183-184.

[3] 王曉娟，韋韞韜，富春巖，等.基于CDIO理念的應用型計算機人才培養模式研究[J].計算機時代，2015（12）：79-81，84.

【通聯編輯：朱寶貴】