基于ZigBee技術中職無線傳感器網絡技術的課程設計

莊進樣

文/廣州市番禺區職業技術學校

無線傳感器網絡技術是當前熱點研究領域，ZigBee技術則為其關鍵技術之一，具有廣泛的應用前景。目前無線傳感器網絡技術普遍作為高職院校物聯網應用技術專業的核心課程之一，但它在中職物聯網專業開課率卻不高。

本文結合高職院校以及我校實際情況論述了基于CC2530的ZigBee技術在中職學校開設課程的必要性以及存在的問題，進而提出該課程教學目標的設定、對前導課的處理、教學內容和教學模式選擇的方案。

一、ZigBee無線通信技術概述

無線傳感器網絡技術是當前在國際上備受關注的、涉及多學科高度交叉、知識高度集成的前沿熱點研究領域。

ZigBee技術是典型的短距離、低功耗、低速率、低成本、自我修復、網狀網絡的通信或無線網絡技術，是無線傳感器網絡技術的關鍵技術之一。ZigBee技術結合無線網絡的特點，與OSI參考模型相類似，也采用了分層的設計思想，其中IEEE 80.2.15.4標準定義了物理層和介質訪問控制層，ZigBee協議定義了網絡層、應用層。

ZigBee技術具有廣泛的應用前景，包括家庭和樓宇網絡、工業控制、智慧城市、農業控制、醫療、商業等領域。

二、無線傳感器網絡課程在中職學校教學的現狀

目前，基于CC2530的ZigBee技術課程普遍作為高職院校物聯網應用技術專業的核心課程之一。筆者查閱了廣東省6所開設了物聯網專業的高職院校開設無線傳感器網絡技術課程的情況，如表1所示。

表1

從以上表中可以發現，物聯網專業無論開設在信息技術院系還是通信或者自動化院系，作為實現物聯網廣泛應用的重要底層無線傳感器網絡技術，無一例外被作為核心課程之一，可見它在物聯網專業課程中的重要地位。正是基于這種原因，甚至有人把無線傳感器網絡技術與物聯網技術混為一談。

目前,無線傳感器網絡技術課程在高職院校物聯網專業開課很普遍，但筆者查閱了珠三角開設了物聯網專業或方向的部分中職學校課程設置中，卻沒有發現有學校開設該課(只有一個通信類“智能化控制技術”專業開設了《通信技術》，該課程涉及無線傳感器網絡技術)。這里論述高職院校開設了無線傳感器網絡技術，并不等同說中職學校就非開不可。事實上，開設了物聯網專業的中職學校無非是把無線傳感器網絡技術的課程通過嵌入到其他課程中進行教學，該課程并沒有獨立成課而已，這一點可以從這些學校對物聯網專業或方向培養目標的描述中分析得到。另外，從市級、省級、國級物聯網技術應用、智能家居安裝技能競賽也可以窺見對無線傳感器網絡技術的知識要求。

作為中職學校近幾年熱門的申報的新專業之一，導致無線傳感器網絡技術開課少或無法獨立成課的原因更可能是：一是師資跟不上，新開設物聯網專業的多數學校的教師是由原計算機應用專業或計算機網絡技術專業教師直接轉入的，對硬件、通信技術不熟悉；二是適合中職的教材、課程標準、實驗指導方案幾乎處于空白狀態，個別開設該課程的學校多數是參考或直接使用高職、本科院校的教材學材，造成教學目標不明確、內容選擇碎片化、重點難點把握不準確、實訓實驗欠系統指導。

最近，人社部、市場監管總局、統計局聯合發布了新職業，物聯網安裝調試員、物聯網工程技術人員兩種新職業赫然其中，可以預測物聯網專業的開設和課程的開發將會暴發。綜上因素，毫無疑問無線傳感器網絡技術課程在教學實踐過程中面臨的問題和挑戰，急需解決。

三、中職無線傳感器網絡技術的課程設計

本文所指的課程設計是主要指對基于CC2530的ZigBee技術的課程目標、課程內容的設計。筆者綜合廣東省多所高職院校物聯網專業人才培養方案，得出了典型培養目標為：具有物聯網應用系統、無線傳感器網絡應用系統、嵌入式應用系統等項目設計、實施、開發與項目管理能力的復合型人才。顯然，這個目標對于中職學生來說難以企及。中職學校以我校物聯網專業為例，其人才培訓目標為：物聯網設備安裝、調試、維護技術技能人才；物聯網相關產品的應用推廣技術技能人才；面向對象的物聯網系統開發發展型技術技能人才。中職物聯網專業與高職物聯網專業人才培養目標的差異，必然導致課程教學目標的差異。高職院校把系統的“設計”與“開發”作為重要的培養目標，而中職學校把“開發”對應到發展型人才的培養，即兼顧到學有余力的、選擇升學的學生的培養目標。相應地，教學內容的選擇等也應該依照人才培養目標的要求而定。

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圖1

表2

(一)教學目標的設定

結合我校物聯網專業的實際，無線傳感器網絡技術的課程定位是使學生了解無線傳感器網絡技術的前沿以及發展趨勢，初步掌握CC2530單片機基本組件的應用，搭建、調試、維護ZigBee無線傳感器網絡。

依照課程定位，課程的教學目標設定包括：了解無線傳感器網絡技術、初步掌握CC2530基本組件的應用、初步掌握常用傳感器的應用、初步掌握基于BasicRF的無線通信應用、掌握停車引導系統的安裝和調試。

(二)對前導課的處理

德州儀器公司推出的CC2530芯片的內核集成了增強型的C8051單片機，使得掌握CC2530的硬件功能轉化對單片機的學習，而學習單片機則需要編寫C語言程序。

目前普遍的觀點認為中職學生學習C語言存在較大困難，教學效果不佳，主要原因是C語言本身難度大以及中職學生基礎薄弱，因此，近幾年來，很多中職學校紛紛砍掉C語言課程的教學。中職學生基礎薄弱的問題，或者是存在的事實，但C語言本身的難度并不大。對于教學對象是中職生很多的教學設計中，問題之一是C語言的難度在某種程度上是被“放大”了，即把學習C語言本身變身學習難度很大的“算法”；問題之二是學習C語言太強調學科體系下知識點掌握的完整性，但卻忽視應用化、項目化、任務驅動化的教學模式，導致教學效果不佳甚至枯燥乏味。筆者認為基礎較薄弱的中職生，如果能直觀看到所編寫C語言驅動硬件的活生生的例子，課堂教學效果就立刻改觀，因此我提出作為前導課C語言的學習嘗試使用軟硬件相結合的方式進行。

綜上所述，筆者對前導課C語言的處理方式是先學習總共6個課時的基礎知識，內容包括程序的main主函數、基本語法規范、定義變量、數據類型、基本輸入輸出，接著在學習CC2530的基礎知識的過程中，同時不斷擴充C語言的學習。下面以筆者教學設計中一個例子中代碼片段來說明(部分代碼省略)，見圖1。

其實，以上學習C語言的過程更加自然，因為學生可以通過修改程序并與CC2530硬件的呈現效果結合起來思考更多的為什么。

(三)教學內容的選擇

課程的教學內容的選擇受到多種因素影響，但主要依據是教學目標的設定。無線傳感器網絡技術這門課設定七大內容，并分別細分為若干個知識點，并根據內容的數量和難易程度安排若干課時，總課時為98課時，如表2所示。

(四)教學模式的選擇

選擇使用什么教學模式或教學方法，主要取決于教學目標、教學內容和特點、教學對象的特點等。在中職物聯網專業中教學基于CC2530的ZigBee技術的課程，具有理論和實踐性強、教學難度較高的特點，學生普遍缺乏學習興趣，學習積極性不高，選擇適合的教學模式顯得尤為重要。

1.任務驅動理實一體化的教學模式

筆者在教學實踐過程中，以學習通用I/O端口這個知識點為例，運用任務驅動教學法、理實一體的教學模式，收到良好的效果。教學設計概述如下：

本章節的課題為智能開關的程序設計，課型為理實一體化，教學方法包括演示、任務驅動、小組探究等，重點是與I/0相關的寄存器的學習，難點是I/0端口的輸入方式的學習。教學基本過程和說明如圖2所示：

圖2

圖3

圖4

復習舊知中，回顧兩個知識：(1)對寄存器的某些位清0而不影響其他位；(2)對寄存器的某些位置1而不影響其他位。這是非常重要的知識，是基礎中的基礎。同時這里回顧C語言的“與”操作和“或”操作，課件設計運用動畫技術，一目了然如何“清0”和“置1”操作。

講授新知中，展示本課程最終任務的效果，更能引起學生的注意和興趣。重點內容為三種寄存器的講授，難點為輸入方式的“上拉/下拉”模式，通過舉最簡單例子來幫助理解其中“上拉”的情況。這個例子以引腳外接一個開關為例子，非常巧妙地處理了最難理解的內容。

對以上三種寄存器小結，采用示意圖的方式，并把該示意圖設置為學生電腦桌面，加強理解和記憶，以圖解決教學重點難點的問題。示意圖如圖3所示。

實訓是對新授知識的應用。首先下發實訓指導書，明確實訓目的和任務要求。

(1)實訓目的：掌握設置通用I/0端口的輸入輸出方式。

(2)任務要求：任務盡量簡單，為學生理解如何設置相應寄存器服務。

本課程的任務是：在CC2530模塊上，實現1個按鍵控制2個LED燈交替點亮的功能。即SW2按下后松開，LED1滅，LED2亮；SW2再次按下后松開，LED1亮，LED2滅。

(3)核心代碼填寫完整并調試：對核心代碼留空，以小組探究方式補充完整并調試程序，整個過程由教師巡堂指導并給每個小組評分，同時小組內需要自評。

小結的內容包括：與I/O相關的三種寄存器的設置、用I/O端口寄存器設置的基本思路。最后通過作業布置，培養學生查閱資料、學會學習的本領，同時鍛煉學生舉一反三的能力。

2.開展生產性實訓的教學模式

我校信息技術專業堅持成果導向的教育理念，教學以學生為中心，以成果為導向，并努力提升學生綜合技術水平并促進專業建設。為實現學生掌握搭建、調試、維護ZigBee無線傳感器網絡的教學目標，本課程開展生產性實訓。實訓內容以智能停車引導系統的安裝和調試為例，讓學生參與其中，學中做、做中學，既能加深、消化課堂內容，又能對課堂內容的深化和拓展，提高學生的動手能力、團隊協作能力。

智能停車引導系統一般由車位探測器、節點控制器、場內外顯示屏等組成，其中車位探測器集成了超聲波傳感器和ZigBee組網模塊，實現車位是否被占用的檢測以及多個探測器之間的無線組網。駕駛員通過顯示屏顯示的剩余車位的實時信息，從而快速找到空車位，圖4為智能停車引導系統示意圖。

該生產性實訓實施方案分為前期和后期。前期的內容包括、講解ZigBee自組網的方式、計算機數制(二進制、十進制、十六進制及其之間轉換)、計算機網絡TCP/IP協議(IP地址、同一網段、局域網網段概念)、停車引導系統的組成、拓撲結構、相應軟件的使用。后期的內容包括電工布線(強電)、探測器、節點控制器安裝、電工布線(弱電)、系統調試。

四、結語

基于ZigBee的無線傳感器網絡技術課程是眾多高職院校物聯網專業和我校物聯網專業的核心課程之一。本文論述了該課程在中職開課少以及存在問題的原因，進而結合我校實際，設定了課程的教學目標，即了解無線傳感器網絡技術、初步掌握CC2530基本組件的應用、初步掌握常用傳感器的應用、初步掌握基于BasicRF的無線通信應用、掌握停車引導系統的安裝和調試，同時嘗試使用軟硬件相結合、同時進行教學的前導課處理方式，最后論述了七大塊的教學內容的選擇以及任務驅動理實一體化、開展生產性實訓的教學模式在該課的實際運用。