基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的單片機(jī)教學(xué)改革

陳曉靜

10.3969/j.issn.1671-489X.2020.21.087

摘? 要 在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)快速發(fā)展和建設(shè)新工科背景下，探討單片機(jī)原理及應(yīng)用課程融合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的方法，針對單片機(jī)實(shí)踐性強(qiáng)的特點(diǎn)，探討將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)融入單片機(jī)原理及應(yīng)用課程的教學(xué)改革方法。該方法不僅能有效促進(jìn)學(xué)生對單片機(jī)基礎(chǔ)知識的理解，而且能引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注科技前沿，是培養(yǎng)學(xué)生學(xué)以致用意識和提高學(xué)生探索創(chuàng)新能力的有效手段。

關(guān)鍵詞 單片機(jī);物聯(lián)網(wǎng)技術(shù);新工科;單片機(jī)原理及應(yīng)用;創(chuàng)新能力

中圖分類號：G642.0? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2020）21-0087-03

1 前言

為應(yīng)對新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革，教育部對高等工程教育提出發(fā)展新工科的要求。新工科的內(nèi)涵是以立德樹人為引領(lǐng)，以應(yīng)對變化、塑造未來為建設(shè)理念，以繼承與創(chuàng)新、交叉與融合、協(xié)調(diào)與共享為主要途徑，培養(yǎng)多元化、創(chuàng)新型卓越工程人才[1]。與傳統(tǒng)教育不同的是，新工科更注重培養(yǎng)學(xué)生對前沿科技知識的學(xué)習(xí)能力以及運(yùn)用所學(xué)知識進(jìn)行創(chuàng)新的能力，這為電子類專業(yè)課程的教學(xué)改革提供了明確的方向。

隨著5G的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能將引領(lǐng)新的技術(shù)潮流。如果把這些技術(shù)引入課堂，將充實(shí)傳統(tǒng)的教學(xué)內(nèi)容，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情和內(nèi)在的創(chuàng)新動力，同時也體現(xiàn)了新工科人才培養(yǎng)的內(nèi)在要求。本文將探討如何將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)融入單片機(jī)原理及應(yīng)用課程，以達(dá)到拓寬學(xué)生視野、提高學(xué)生動手能力和創(chuàng)新能力的目的。

2 單片機(jī)技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的關(guān)系

單片機(jī)即單片微型計算機(jī)，是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把計算機(jī)的主要組成部件集成在一塊硅片上構(gòu)成的一個小而完善的微型計算機(jī)系統(tǒng)，在工業(yè)控制、智能儀表、醫(yī)用設(shè)備、民用設(shè)備等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。單片機(jī)原理及應(yīng)用課程是電類專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課程，以8051單片機(jī)為講授對象，主要內(nèi)容包括單片機(jī)結(jié)構(gòu)、指令系統(tǒng)和匯編語言設(shè)計、并行I/O口、中斷、定時器、串口、總線擴(kuò)展和外圍芯片接口技術(shù)等。學(xué)生通過課程的學(xué)習(xí)，能夠初步設(shè)計簡單的電子應(yīng)用系統(tǒng)，如溫度測量、電壓表、交通燈、密碼鎖等。

物聯(lián)網(wǎng)即萬物相連的互聯(lián)網(wǎng)，是指將各種信息傳感設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合形成的一個巨大網(wǎng)絡(luò)，能夠?qū)崿F(xiàn)在任何時間、任何地點(diǎn)，人和物或物和物之間進(jìn)行信息交換和通信。目前，物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用包括智慧油田、智能電網(wǎng)、智慧城市、智能農(nóng)業(yè)、數(shù)字化醫(yī)療等眾多領(lǐng)域。物聯(lián)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)分為三

層：感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。其中感知層的核心就是單片機(jī)或者其他的微控制器[2]。

由以上分析可知，單片機(jī)是物聯(lián)網(wǎng)的終端節(jié)點(diǎn)控制單元，而物聯(lián)網(wǎng)是單片機(jī)的重要應(yīng)用領(lǐng)域，二者密不可分。傳統(tǒng)單片機(jī)課程僅側(cè)重于本地數(shù)據(jù)采集和存儲，通信只采用串口通信。而物聯(lián)網(wǎng)要求單片機(jī)與互聯(lián)網(wǎng)相連，實(shí)現(xiàn)不受地域限制的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸和控制。因此，為順應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的要求，傳統(tǒng)的單片機(jī)教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法亟待改革。

3 單片機(jī)教學(xué)內(nèi)容改革

單片機(jī)課程本質(zhì)上屬于計算機(jī)類課程，包括原理介紹、指令編程和接口硬件設(shè)計，是一個獨(dú)立完整的應(yīng)用型課程。而物聯(lián)網(wǎng)是非常寬泛的一個概念，其關(guān)鍵技術(shù)涉及無線網(wǎng)絡(luò)、大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能等比較復(fù)雜的知識。由于課程目標(biāo)和課時的限制，在單片機(jī)課程中不可能詳細(xì)地對物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行理論介紹。結(jié)合單片機(jī)實(shí)踐性強(qiáng)的特點(diǎn)，筆者提出一種切實(shí)可行的將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)融入單片機(jī)課程的方法。該方法的主要思路是把物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用實(shí)例引入單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，讓學(xué)生通過動手實(shí)踐來加深對物聯(lián)網(wǎng)的認(rèn)識，使學(xué)生感覺到物聯(lián)網(wǎng)是看得見、摸得著且與自己密切相關(guān)的技術(shù)。

本文將介紹一個借助于現(xiàn)有51單片機(jī)實(shí)驗(yàn)板就能實(shí)現(xiàn)的簡單物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用實(shí)例——遠(yuǎn)程溫度監(jiān)控系統(tǒng)。利用51單片機(jī)通過Wi-Fi模塊連接互聯(lián)網(wǎng)云平臺，并通過云平臺和手機(jī)APP進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)向手機(jī)傳送溫度數(shù)據(jù)并在手機(jī)APP上實(shí)時顯示溫度，同時利用手機(jī)APP也可以對單片機(jī)板上的LED燈進(jìn)行亮滅控制。下面對實(shí)驗(yàn)硬件和軟件分別加以介紹。

硬件電路設(shè)計? 設(shè)計需要的器材與條件包括ESP-01S模塊、電腦一臺（電腦安裝CH340驅(qū)動程序）、普中51單片機(jī)板（帶USB轉(zhuǎn)TTL模塊一個）、Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)。ESP-01S模塊是一款低功耗、高性價比的串口轉(zhuǎn)Wi-Fi透傳模塊[3]，被廣泛應(yīng)用于智能電網(wǎng)、智能交通、智能家居、工業(yè)控制等領(lǐng)域，尺寸大約為2.4 cm×1.4 cm，可以通過杜邦線與單片機(jī)實(shí)驗(yàn)板連接。以普中51單核A2單片機(jī)實(shí)驗(yàn)板為例，最終實(shí)驗(yàn)硬件平臺的搭建如圖1所示。

云平臺賬號注冊? 目前常見的云平臺有阿里云、中國移動oneNET、機(jī)智云、巴法云等。考慮到巴法云的簡單易用性，本文以巴法云為例進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。首先在巴法云主頁點(diǎn)擊注冊，采用郵箱或者微信掃碼方式均可;注冊完成后點(diǎn)擊登錄，即可在控制臺看到自己的私鑰UID;用戶使用這個私鑰可以接入自己的設(shè)備，如單片機(jī)或手機(jī)等。另外，需要在控制臺上新建主題，主題名由數(shù)字、字母或數(shù)字和字母組合而成，每個主題代表一個應(yīng)用場景，用戶可以新建不同主題來滿足不同項目的需求。

單片機(jī)程序設(shè)計? 單片機(jī)程序的主要功能是配置Wi-Fi模塊以及和云服務(wù)器通信。配置Wi-Fi模塊包括啟動模塊、設(shè)置Wi-Fi工作模式、連接Wi-Fi路由器、設(shè)置透傳模式、連接云服務(wù)器、開啟透傳。這些功能分別由表1所示的AT指令來完成。單片機(jī)和云服務(wù)器通信過程主要由發(fā)送POST報文和GET報文所組成，報文具體內(nèi)容如表2所示。

POST報文的功能是設(shè)備向云服務(wù)器推送數(shù)據(jù)，必須遵循一定的格式：第一行以POST開頭，中間是云平臺HTTP API寫接入地址，最后以協(xié)議名稱HTTP/1.1結(jié)尾;第二行以Host：開頭之后是服務(wù)器主機(jī)域名api.bemfa.com和端口號8344;第三行是Content-Type： application/x-www-form-urlencoded，表示表單數(shù)據(jù)以鍵值對方式編碼;第四行connection：close表示關(guān)閉TCP連接;第五行是Content-

Length，表示消息主體長度66字節(jié)（包括回車換行）;第六行是空行;第七行是消息主體。

GET報文的功能是設(shè)備從服務(wù)器獲取數(shù)據(jù)，其格式與POST類似：第一行以GET開頭，中間是云平臺HTTP API讀接入地址、用戶私鑰uid以及type字段，以協(xié)議名稱HTTP/

1.1為結(jié)尾，表示單片機(jī)請求讀云服務(wù)器所有主題的消息內(nèi)容。

手機(jī)APP設(shè)計? 手機(jī)APP采用App Inventor2（簡稱AI2）[4]設(shè)計。AI2是一種基于Web瀏覽器的Android應(yīng)用開發(fā)工具，該軟件的主要特點(diǎn)是不需要寫程序代碼，用戶只需要進(jìn)行代碼拼裝即可，其過程類似于拼圖游戲，既具有趣味性，又具有實(shí)用性。本文中設(shè)計的手機(jī)APP如圖2所示。

由物聯(lián)網(wǎng)實(shí)例可知，物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)比一般單片機(jī)實(shí)驗(yàn)綜合性強(qiáng)、耗時長。硬件配置比較簡單，只需要在傳統(tǒng)單片機(jī)實(shí)驗(yàn)板上增加一個WiFi模塊即可完成。實(shí)驗(yàn)工作量主要在軟件編程方面，包括單片機(jī)聯(lián)網(wǎng)和手機(jī)APP的設(shè)計。

4 單片機(jī)教學(xué)學(xué)時分配

基于上述介紹，對物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)學(xué)時進(jìn)行分配。單片機(jī)原理及應(yīng)用課程共64學(xué)時，包括48個理論學(xué)時和16個實(shí)驗(yàn)學(xué)時，此外還有課程設(shè)計環(huán)節(jié)。為了引入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，需要對原有教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行改革，減少實(shí)用價值偏低的章節(jié)，如匯編語言以及8255芯片，將其改為物聯(lián)網(wǎng)理論介紹（占4個學(xué)時）。手機(jī)APP設(shè)計采取自學(xué)方式，在課程結(jié)束后上交APP設(shè)計文檔并記入課程平時分。在實(shí)驗(yàn)學(xué)時安排上，考慮到物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)需要設(shè)計單片機(jī)程序和手機(jī)APP，綜合性強(qiáng)，工作量大，不適合作為隨課實(shí)驗(yàn)，更適合在課設(shè)環(huán)節(jié)完成。課設(shè)的選題也不局限于遠(yuǎn)程溫度監(jiān)控，將物聯(lián)網(wǎng)和其他類型傳感器結(jié)合，就可以擴(kuò)展成新的實(shí)驗(yàn)課題。表3給出部分基于物聯(lián)網(wǎng)的單片機(jī)課程設(shè)計名稱和內(nèi)容介紹，課設(shè)學(xué)時大約為20學(xué)時。

5 結(jié)語

提出一種將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)融入單片機(jī)原理及應(yīng)用課程的方法。首先，在分析一個具體物聯(lián)網(wǎng)實(shí)例的基礎(chǔ)上，提出對已有的實(shí)用價值偏低的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行刪減，增加與物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的課時，并引導(dǎo)學(xué)生對部分內(nèi)容進(jìn)行自學(xué)。其次，在課設(shè)中設(shè)置與物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的課題。該方法通過實(shí)踐加深學(xué)生對單片機(jī)基礎(chǔ)知識的理解，提高學(xué)生的單片機(jī)運(yùn)用能力;且與熱門技術(shù)聯(lián)系緊密，能夠有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新意識。

參考文獻(xiàn)

[1]鐘登華.新工科建設(shè)的內(nèi)涵與行動[J].高等工程教育研究，2017（3）：1-6.

[2]解永軍，胡曉毅.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在微控制器實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用[J].電子制作，2017（14）：33-34，24.

[3]ESP8266-01 WiFi模塊用戶手冊V1.0[EB/OL].[2015-01-

27].https：//wenku.baidu.com/view/1dd4347df12d2af902

42e69b.html.

[4]尹孟征.淺析幾種APP開發(fā)平臺[J].通信電源技術(shù)，

2016（4）：158-163.