基于云實驗平臺的無線傳感器網絡實驗教學探索

崔 勇，張 茜，富 立

基于云實驗平臺的無線傳感器網絡實驗教學探索

崔 勇1,2，張 茜1，富 立1,2

（1. 北京航空航天大學 自動化科學與電氣工程學院，北京 100191；2. 北京航空航天大學 機械與控制工程國家級虛擬仿真實驗教學中心，北京 100191）

無線傳感器網絡具有廣闊的發展前景和重要的實用價值。為了培養符合技術發展需求的工程技術人才，改善傳統實驗教學中實驗資源利用率低、維護成本高、受時空限制等問題，本文基于我校云實驗平臺設計了無線傳感器網絡實驗課程。該課程的內容設計及創新性的實驗教學模式，在激發學生自主學習積極性、提高學生實踐創新能力、提升實驗課程質量等方面取得了良好的效果。

云平臺；無線傳感器網絡；實驗教學

無線傳感器網絡是物聯網基礎層的關鍵技術之一[1-2]。無線傳感器網絡融合了傳感器技術、嵌入式計算機技術、無線通信網絡技術以及分布式信息處理技術[3]，能夠通過各種微型集成化傳感器的協同配合，對監測對象或環境進行實時檢測、感知和信息采集，從而實現物理、計算以及人類三元世界的聯通[4]。無線傳感器網絡在軍事國防、工農業監測、智能交通、環境檢測、健康醫療等領域都有重要實用價值。

長期以來，我校無線傳感器網絡實驗課程教學遵循傳統的教學模式，按照實驗預習、實驗實施、實驗報告方式進行。實驗過程缺少明確的環節管理，以現場實驗為主，實驗資源利用率低、維護成本高，更新換代難以與技術發展同步。因此迫切需要利用新的信息技術，改變傳統實驗教學管理模式和實驗課堂模式，研究新的實驗教學手段。我校于2016年建立了面向全校實驗課程的云實驗中心平臺（http://e-cloud.buaa. edu.cn），旨在全面提升我校實驗教學管理水平，創新云端網絡化實驗教學模式，建立開放共享實驗平臺。

依托這一云實驗中心，本文對無線傳感器網絡實驗課程建設及其教學模式進行了探索，開發了基于云實驗平臺的無線片上系統實驗、無線傳感器實驗和無線傳感器網絡綜合實驗等一系列創新型實驗，旨在使學生能夠靈活地按需調用實驗教學資源，充分發揮自主學習的積極性，提高實踐創新能力。

1 云實驗平臺架構

利用云計算和虛擬化技術，建造了云平臺實驗環境，實驗系統結構如圖1所示。

圖1 云實驗系統結構圖

云實驗平臺資源基于VMware桌面虛擬化系統，省去復雜的底層操作，通過接口集成方式對平臺資源進行集中管理[5]。云實驗平臺創建在Internet上，便于用戶隨時隨地通過廣域網由一個簡單的Web界面接口進行訪問[6]。通過將業務功能模塊化，實現業務單元的相互獨立，使得系統結構為松耦合、可擴展。針對課前預習、課堂教學和課后作業等環節，云實驗平臺提供了相應的業務功能組件，如課堂信息管理、實驗設計管理、虛擬資源管理、實驗課堂管理、實驗報告管理、課程質量分析等。

基于云實驗平臺的無線傳感器網絡實驗系統采用B/S架構，即瀏覽器和服務器架構[7]，主要由用戶、云實驗平臺、實驗室及實驗裝置等3部分構成。

（1）用戶。即使用云實驗平臺的教師、學生與管理員。用戶通過簡單的Web頁面提交申請，經身份驗證或用戶管理認證后可遠程登錄云實驗平臺[8]。與傳統的實驗模式相比，用戶自身計算機資源幾乎不被占用，而且可通過廣域網在任意時間、地點訪問云實驗平臺，操作靈活、簡便。

（2）云實驗平臺。云實驗平臺可為用戶遠程桌面連接到實驗環境和實驗系統提供虛擬機創建服務[9]，分別設置了教學平臺、使用平臺與管理平臺。教學平臺可支持教師用戶進行實驗模板制作、資料發布、在線答疑、實驗考評、成績管理等操作；使用平臺可為學生提供實驗預約、在線實驗、交流共享、提交報告、成績查詢的入口；管理平臺則用于管理員維護實驗環境和管理實驗資源，其功能包括系統配置、權限管理、基礎數據、分配預約、實驗監控等。不同用戶的實驗環境相互隔離，互不影響。

（3）實驗室及實驗裝置。將實體化的實驗室及實驗裝置作為云實驗操作的物理載體[10]。在用戶登錄云實驗中心后，可通過Teamviewer遠程訪問實驗室內的計算機，而實驗室內計算機與無線傳感器網絡實驗裝置通過線纜連接，可實現實驗的全天24 h不間斷運行。有效提高了實驗裝置的利用率，使得實驗的開展更具靈活性和可擴展性。

2 云實驗操作模式

云實驗平臺通過圖2所示的功能組件為課程實驗提供服務。

圖2 云實驗平臺功能組件

實驗前，課程管理員對系統用戶中的教師和學生用戶進行角色配置，并分別設置訪問權限。教師創建教學用虛擬機，制作教學模板，以課程站點為單位，建立實驗項目，并為其綁定實驗環境模板。后臺任務根據模板和上課時間自動創建學生桌面。學生可不受時空限制，通過廣域網登錄云實驗平臺，查看教師的實驗課程安排，下載實驗資料進行預習。由于同一時間內可供學生控制的實驗硬件設備有限，所以系統會預先限定預約人數，學生可根據預約情況靈活選擇預約時間。當學生在用戶端啟動Teamviewer遠程訪問實驗室后，可看到配置好相應實驗環境的虛擬桌面。由于實驗室的計算機與無線傳感器網絡實驗箱已連接完成，學生可在虛擬桌面上進行實驗，并通過編譯結果和串口調試助手反饋實驗結果。

實驗過程中，教師可進行實驗演示，并可調用實驗監控查看學生的實驗進展并給予指導。同時，學生可將實驗中遇到的疑問或實驗心得等上傳至系統，與教師、學生和管理員進行實時交流或論壇討論[11]，以達到及時解決問題的目的。

實驗完成后，學生可登錄云實驗平臺進行課后復習、提交實驗報告等操作，教師可根據實驗監控、實驗結果、實驗報告多維度衡量學生的實驗成績。

3 實驗內容

無線傳感器網絡實驗是我校自動化科學與電氣工程學院必修實驗課程，其任務是通過該課程的學習，使學生進一步加深對無線傳感器網絡的認識。實驗的硬件設備由一套無線片上系統實驗箱和計算機組成。無線片上系統實驗箱由7個無線數據采集節點構成，無線數據采集節點由數據采集底板和ZigBee傳輸模塊組成。實驗中采用嵌入式軟件集成開發環境IAR Embedded Workbench提供底層程序的編輯、編譯、下載和調試。實驗內容如圖3所示，包括無線片上實驗、傳感器實驗、無線傳感器組網實驗、無線傳感器網絡實驗4部分。

圖3 實驗內容

3.1 無線片上實驗

無線片上實驗包括建立在基于CC2530無線片上系統開發環境的數字I/O實驗、定時器實驗、外部中斷實驗、串口通信實驗、A/D轉換實驗。學生可通過登錄云實驗中心遠程操作實驗室內的計算機，通過程序編譯結果和串口調試助手查看實驗結果。目的是讓學生熟悉CC2350無線片上系統的基本功能，掌握通用輸入/輸出接口、定時器、外部中斷、串口通信、A/D轉換的操作方法，進一步為后續實驗打下堅實的基礎。

3.2 傳感器實驗

傳感器實驗包括光強、溫度、煙霧、壓力等傳感器實驗。實驗控制軟件將編譯結果和采集到的數據通過Web反饋給云中心，進而反饋到廣域網上的用戶[12]。通過該系列實驗，學生能夠更透徹地理解各種類型傳感器的原理，掌握傳感器動靜態標定的用法，學會利用所學知識分析傳感器信號及處理數據，能夠結合“無線片上實驗”所學知識實現特定的傳感器功能，從而全面提升學生測試測量能力。

3.3 無線傳感器組網實驗

無線傳感器網絡綜合實驗是對學生自主學習、自主探索的升華和對其工程能力的強化，包括基于ZigBee的星形、樹形和MESH無線傳感器網絡綜合實驗[13]。通過3種組網方式對比，能夠幫助學生更直觀地了解3種網絡拓撲的優缺點及其適用場合。

3.4 無線傳感器網絡實驗

無線傳感器網絡實驗為分布式溫濕度無線測量實驗，是對先前的無線片上實驗、傳感器實驗和無線傳感器組網實驗的融合和提升，充滿了趣味性和挑戰性，對培養學生的發散性思維及綜合運用知識與技術的能力有積極的促進作用。

4 實驗效果

基于云實驗平臺的無線傳感器網絡實驗教學模式，大大提高了實驗資源的利用率，同時為教師、學生充分利用碎片化時間進行工作和學習創造了便利。為教師提供了從發布實驗內容到評閱實驗報告等一系列流程的綜合一體化平臺，為學生提供了隨時隨地靈活自主學習的平臺。免去了繁瑣的軟件安裝過程和復雜的前期準備，使學生有更多時間和精力鉆研實驗內容和理論知識。實驗內容安排由易到難，由基礎到綜合，充分激發了學生的學習積極性，培養了學生的工程實踐能力和工程創新能力，取得了良好的效果。

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Exploration of wireless sensor network experimental teaching based on cloud experimental platform

CUI Yong1,2, ZHANG Qian1, FU Li1,2

(1. School of Automation Science and Electrical Engineering, Beihang University, Beijing 100191, China; 2. National Virtual Simulation Experimental Teaching Center of Mechanical and Control Engineering, Beihang University, Beijing 100191, China)

Wireless sensor network has broad prospects for development and important practical value. In order to train engineers and technicians who meet the needs of technological development and to improve the low utilization rate of experimental resources, high maintenance cost and space-time constraints in traditional experimental teaching, this paper designs an experimental course of wireless sensor network based on the cloud experimental platform of the university. The content design and innovative experimental teaching mode of this course have achieved good results in stimulating students’ initiative in independent learning, enhancing their practical and innovative ability, and improving the quality of experimental courses.

cloud platform; wireless sensor network; experimental teaching

TM93；G642.423

A

1002-4956(2019)09-0161-03

2019-03-04

國家自然科學基金項目(51707006)；北京航空航天大學2019—2022年教育教學改革培育項目（ZQ211J1947）

崔勇（1982—），男，河南漯河，博士，講師，自動化與電氣教學研究實驗中心副主任，主要研究方向為微納傳感技術。

E-mail: cuiyong@buaa.edu.cn

富立（1969—），女，陜西西安，博士，教授，主要從事自動化技術研究。

E-mail: fuli@buaa.edu.cn

10.16791/j.cnki.sjg.2019.09.041