物聯網感知層模塊實踐教學研究

姚建峰+郭旭展+孫艷歌

摘要摘要：感知層是物聯網的基礎和核心，知識面廣、課程難度大。為了提高感知層實踐教學效果，提出了以系統設計能力為主線的實踐教學系統，給出了核心課程的實踐教學內容、要求和特色。經過多年的教學實踐表明，該實踐教學體系科學合理，有助于提高學生動手能力和創新能力。

關鍵詞關鍵詞：物聯網；感知層；實踐教學體系；課程群

DOIDOI：10.11907/rjdk.162176

中圖分類號：G436文獻標識碼：A文章編號文章編號：16727800（2017）001019703

引言

物聯網可分為感知層、網絡層、數據處理層和應用層。感知層位于系統的最底層，完成對現實世界信息的采集與匯聚，是物聯網系統的核心[1]。目前，大部分高校針對感知層模塊開設的課程多、時間跨度大，學生在學習這些課程時，困難多、興趣低、動手能力和設計能力差。為了改變這種教學現狀，對物聯網工程專業實踐教學體系進行模塊化分解，將實踐教學體系分為：認知實踐教學模塊、程序設計與算法分析實踐教學模塊、感知層實踐教學模塊、網絡層實踐教學模塊、數據處理層實踐教學模塊和應用層實踐教學模塊。根據各模塊的教學目的，有針對性地開展實踐教學，強化學生的知識綜合運用能力、動手能力和設計能力。本文主要介紹感知層實踐教學模塊。

1感知層主要技術

感知層一般包括數據采集和數據短距離傳輸兩部分。感知層首先通過傳感器、RFID等設備采集外部世界的數據，然后通過ZigBee、WIFI、現場總線等技術將數據傳輸給網關設備。感知層主要技術包括：傳感器技術、RFID技術、嵌入式技術、ZigBee技術等[2]。傳感器是一種檢測裝置，通過敏感元件將檢測的信息按照一定規律變換成電信號輸出。RFID是一種自動識別技術，它利用射頻信號通過空間電磁耦合實現無接觸信息傳遞并通過所傳遞的信息識別物體。嵌入式技術是讓物體具有“智慧”的一種關鍵技術，是將計算機直接嵌入到應用系統中，融合了計算機硬件技術、軟件技術、微電子技術和通信技術等。ZigBee是一種短距離無線通信技術，具有功耗低、網絡容量大、網絡自組織能力強等特點[3]，在物聯網中發揮著重要作用。

2感知層實踐教學目的及內容

感知層實踐教學的目的是能夠根據實際需要，設計出科學合理的數據采集系統。一個完整的數據采集系統一般分為數據采集節點和嵌入式網關。數據采集節點負責數據采集，一般由傳感器、單片機和無線通信接口組成。嵌入式網關是數據采集網絡與外部網絡的橋梁，負責數據的匯聚、處理和遠程通信。從學生學習角度來看，主要掌握硬件開發技術和數據采集技術。信陽師范學院針對感知層開設的課程有：電子線路、數字邏輯、計算機組成原理、微機原理與接口、嵌入式系統、信號系統、傳感器技術、無線傳感網絡、數據采集技術、 射頻識別技術、ZigBee技術等課程。依據課程間的相互關系和實踐教學目的，該模塊實踐教學可以細分為硬件課程群和數據采集課程群。

3硬件課程群實踐教學實施方案

該課程群包括電子線路、數字邏輯、計算機組成原理、微機原理與接口和嵌入式系統5門課程，主要使學生掌握計算機硬件系統的結構和工作原理，使學生具有計算機系統硬件開發能力和針對具體硬件進行軟件開發的能力。從知識體系結構上來看，電子線路和數字邏輯是基礎知識層，讓學生系統學習各類半導體器件、門電路、組合邏輯電路、集成元器件的基本原理和使用方法，使學生具備設計基本的放大電路、脈沖數字電路和運用現代電子技術設計數字電路的能力。計算機組成原理和微機原理與接口是基本原理層，主要讓學生掌握計算機的組成原理、體系架構、指令系統、編程方法和接口技術，其中計算機組成原理側重各個部件工作原理，微機原理與接口側重于各個部件的應用。嵌入式系統是應用層，主要讓學生掌握C51單片機、ARM微控制器的工作原理及使用，能夠根據實際需要，設計出硬件電路，并針對硬件進行軟件開發[4]。在以往的教學中，教師只注重本門課程知識的講解，忽視了各門課程間的相互聯系，以致于學生在學習基礎知識課程時，不知道該門課程到底有何用處，在學習基本原理課程時，覺得上課內容枯燥乏味，以致學生基礎不扎實，等到上應用課程時，又覺困難重重，教師不得不復習以前的基礎知識和基本原理，導致課堂效率低、教學質量不高。為了改變這種現狀，將這些課程作為一個系統并劃分知識點，重新修改各門課程的教學大綱和實驗大綱，對相互聯系、交叉、重迭的教學內容進行優化整理，實現了課程間的無縫銜接，形成了一套前后銜接合理、重點突出、層次分明的課程體系。實踐教學即要體現本門課程的教學重點，又要體現出該門課程在硬件課程群中的作用。為了培養學生的創新能力，每門課還增加了設計型和綜合型實驗。硬件課程群實踐教學如表1所示。

VGA接口實驗通過采用CPLD芯片EPM240T100進行Verilog設計使學生熟悉Verilog設計、掌握各種接口的特性，彌補傳統實驗中設計能力鍛煉不足的缺點嵌入式

系統驗證型嵌入式軟件開發基礎實驗、I/O接口實驗、串口通信實驗、看門狗實驗、I2C實驗、Nand Flash實驗采用實際硬件電路，熟悉和掌握以S3C2410為代表的ARM基本編程和實際功能驗證使學生了解ARM體系結構和工作原理，提升編程能力，熟悉嵌入式系統的工作方式和特性綜合型

設計型邏輯分析儀設計

數碼相框設計通過FPGA芯片EP1C3T144初步掌握嵌入式系統的設計方法和實際項目經驗通過數據采集、VGA顯示、SD卡讀寫、圖片解碼、SDRAM控制等實際應用場景，使學生對電路設計和Verilog的掌握更加深入，涉及的嵌入式知識更加全面4數據采集課程群實踐教學實施方案

該課程群包括傳感器技術、信號與系統、RFID技術、ZigBee技術、無線傳感網絡技術、數據采集與處理技術等課程，主要讓學生掌握傳感器的基本原理、信號處理、數據采集技術、Zigbee技術等，使學生具有設計和開發數據采集系統的能力。由于數據采集技術主要介紹數據采集與處理系統的原理、設計方法、分析方法，使學生掌握基本的專業思想，為學生將來設計、開發、維護、使用數據采集系統打好基礎，所以教學模式以課堂講授為主，沒有單獨開設實驗課。無線傳感網絡技術是以Zigbee技術、傳感器技術和數據采集技術為基礎，所以主要開設的是綜合型設計型實驗。數據采集課程群實踐教學內容如表2所示。

綜合型溫度、壓力、流速等傳感器的選擇和使用根據實際要求，選擇合適的傳感器，并設計相應的電路，并用單片機測量、顯示不僅讓學生掌握傳感器的選擇和方法，而且能夠結合數據采集技術、單片機技術，提高學生綜合知識運用能力Zigbee

技術設計型Zigbee無線單片機硬件實驗根據實驗目的和開發版硬件原理圖，查閱無線單片機使用手冊，編寫程序并調試提高學生自學能力、針對硬件的編程能力和綜合知識運用能力驗證型Zigbee協議棧和組網實驗結合Z-Stack程序流程圖，讀懂與實驗內容相關的程序代碼，并調試提高學生程序閱讀能力和動手能力無線傳感

器網絡綜合型

設計型針對智能家居、智慧農業、智慧倉儲等領域，開發數據采集系統針對自選的應用領域，設計出數據采集系統的結構，并完成數據采集節點的軟、硬件開發。提高學生的動手能力、綜合知識運用能力和創新能力RFID技術驗證型高頻、超高頻、低頻數據標簽的讀寫對高頻、超高頻、低頻數據標簽的進行讀寫、設置密碼、更改密碼等操作掌握RFID數據標簽的基本操作設計型設計一個RFID讀寫器任選一個頻段，設計一個RFID讀卡器，給出詳細的硬件、軟件設計方案提高學生的動手能力和綜合知識運用能力

5感知層綜合實踐教學

感知層綜合實踐教學模塊是在感知層所有相關課程學習完后開展的綜合性實踐教學活動，一般在第7學期開展。學生根據自己興趣和就業方向，選擇不同的模塊開展實訓。學生可以選擇在校外實習實訓基地完成，也可以在校內實訓室完成。如果選擇在校外，學生在校外實習基地的兼職教師指導下完成項目實訓任務，如果選擇在校內，則由專業教師指導完成實訓任務。信陽師范學院在感知層方面提供智能家居、智能農業、智能水利等項目供學生選擇，學生也可以根據自己的興趣自選項目。

6結語

物聯網感知層涉及電子技術、嵌入式技術、傳感器技術、短距離通信技術等，知識面廣、難度大，因此，大部分院校開設了大量與感知層相關的課程。為了提高教學效果，提高學生的動手能力和創新能力，信陽師范學院針對物聯網工程專業開展了模塊化實踐教學體系研究，針對該模塊開展有針對性的實踐教學活動，增加了大量綜合型設計型實驗教學內容，著重培養學生的設計能力和創新能力，取得了良好效果，值得借鑒。

參考文獻：

[1]王曉曄，溫顯斌，肖迎元.物聯網專業感知層課程群的建設[J].中國輕工教育，2015（3）：9092.

[2]王曉喃，鐘珊，嚴海英.物聯網工程專業人才培養的思考與探討[J].常熟理工學院學報：教育科學，2011（12）：1618.

[3]姚建峰，柳春華.基于Zigbee技術的智能家居系統設計[J].信陽師范學院學報：自然科學版，2014（27）：299302.

[4]惠麗，吳玲，于麗萍.計算機專業硬件課程體系建設的優化與改進[J].黑龍江教育：高教研究與評估，2013（4）：4556.責任編輯（責任編輯：孫娟）