基于ZigBee技术的物联网类课程实践教学互动平台设计

郭继峰 马志强

【摘要】结合物联网类课程实践教学，基于ZigBee技术开发一种实践课程互动教学平台，提出一种实践教学环节和互动教学技术相融合的创新教学模式，为高校物联网类课程实践教学质量的提高提供创新思路。

【关键词】物联网技术 互动教学 ZigBee

【基金项目】东北林业大学教育教学研究立项课题DGY2014-40。

【中图分类号】G64 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2014）10-0221-02

1.问题的提出

日益丰富的社会娱乐环境正以前所未有的程度影响着高校课堂教学。如何提高课程的吸引力，提高学生对教学内容的关注度是关系到教学质量的关键[1-2]。设计互动教学法在实践教学中应用的具体案例，探讨在保证教学质量的前提下多方位改善教学形式，提高课堂的吸引力是当前实践教学的研究热点[3-6]。

2.互動教学平台设计

2.1实践教学互动平台系统硬件设计

互动平台系统由教师上位机、含通讯转换器的终端测控单元、ZigBee网络，学生上位机等部分组成，系统结构如图 1 所示。

图1 实践教学互动平台系统硬件系统结构

终端测控单元主要由 ARM9 嵌入式系统、数据采集及控制子系统、无线传感器网络通信子系统三部分组成。

数据采集及控制子系统功能是通过外接各种传感器及信号调理电路部分可采集现场的各种数据和参数，通过外接驱动电路接口连接信号变换器等驱动装置可自动控制现场的各种运行状态及数据值。终端测控单元通过 ZigBee 无线通信协议及模块与上位机进行无线通信，实时传送或接收各种数据或指令。

ARM9 嵌入式系统是现场控制单元的核心部分，它负责协调、调度各个任务的运行从而实现各种控制功能； TI公司的CC2530 F256作为无线通信主控制器，具有 USB 转 UART功能的 PL-2303HX 芯片作为教师/学生上位机与终端测控单元通讯的转换接口。数据采集终端连接温度、湿度、气压等探测传感器采集环境周围参数，用于实验中对各类物理参数的观察、分析和传输提供实验数据。

上位机是测控系统的系统管理中心、控制中心以及用户窗口，主要有以下功能及作用：

（1）通过 USB接收由终端测控单元转发的现场端各种数据，进行处理、整理、保存在数据库，并在屏幕上显示最新信息，可查询历史记录。

（2）实时监测现场端的信号、状态，根据系统控制程序的要求，输出指令通过USB发送到终端测控单元进行现场端的信号、状态自动调节及控制，实现自动测控功能。

（3）根据工作条件的变化，教师可通过主控软件提供的控制命令，向学生发出指令或接受学生发回的返回信息，实现课堂教学内容的实时互动传输。教师机同时连接数据库服务器，负责全部系统用户数据的管理、存储和历史数据查询及打印等工作。

（4）教师PC机连接投影仪，用于展示教师的示教过程，并实时向所用同学显示互动实验的中间结果，提高学生对教学的关注度及参与兴趣；

2.2实验系统软件配置

（1）终端测控单元软件：采用 C 语言编写 ARM9 嵌入式系统应用软件，包括对内部寄存器的初始化、参数设置、以及串口通信等。完成对采集的数据进行模数转换、输出控制指令变换成模拟信号进行自动调节及控制、数字信号的采集及控制、实现串口通信、LCD 显示异常报警等功能。

（2）ZigBee 无线通信模块软件：

根据 TI 自带 Z-Stack2007 协议栈 SerialApp 项目基础上进行 CC2530 模块之间的 ZigBee 无线通信编程即可，从而实现 ARM9 嵌入式系统与上位机的数据及指令实时相互交换，保障系统正常通信。

（3）上位机软件：

上位机的操作系统采用微软 WindowsXP，采用 Visual C++及 SQL Server2008设计其它应用程序。实现数据的存储、计算、监控和生成动态曲线图及表格等操作。

3.互动实验教学实例设计

在上述硬件平台上，设计互动性强，能够充分激发学生参与兴趣的实验是更为重要的任务。

互动教学平台的教学过程为：

（1）教师指导学生采用所具备的软件开发工具基于硬件平台编写终端测控单元的测控程序、编制串口通讯程序及通讯信息载体程序，编制上位机人机交互界面计控制软件实现对终端测控单元的控制，采集数据到上位机的数据库中。

（2）教师通过无线通讯平台布置实验任务，并通过总线通讯平台收集学生的实验结果并实时显示在投影仪上，获得学生的关注。

（3）学生进一步编制无线数据传输程序实现与教师机的无线通信，接收教师的指令，完成教师的任务，向教师机发送信息，实现教师与学生的教学互动。

在实验教学中除传统的反复进行上述过程可以获得与学生的良好互动。

3.1随机点名实验设计

实验目的：获取学生出席信息，训练学生基本通信功能设计能力。

实验过程：

（1）教师先公布点名通讯协议，然后向各终端群发点包含各终端随机ID码的点名信息。

（2）学生编写接收信息程序，接收自己的点名ID码，经过处理后显示到自己的上位机上，并编写返回信息程序向教师上位机发送登记请求以及表示自己的点名ID码。

（3）教师机接收学生的登记请求，并将成功登记的请求显示到投影上，使学生可以确认自己的登记有效。

涉及的知识点：编码、解码、通讯协议、人机交互工具的显示设计、排序等。

3.2快速抢答实验实验设计

实验目的：训练学生编程速度，提高实验趣味性。

实验过程：

（1）教师先公布题目；

（2）学生编写解题程序并发送结果信息给教师机；

（3）教师机接收学生的结果信息，并根据实际在投影上显示提交时间先后排名；

（4）在教师机上实施运行解题程序，查看结果信息。

涉及的知识点：通讯协议、人机交互工具的显示设计，以及题目中蕴含的所有计算机控制知识点如交通灯时序控制程序、搬运机机械手运动时序等。

4.结语

开发一种适用于物联网类课程实验教学行为的互动交流平台。通信功能的实现基于ZigBee技术，终端数据采集基于嵌入式技术，结合上位机人机交互和数据库的操作完成整套的系统平台设计与开发。其特点是上一次实验结果是下次实验的物理载体，实验项目层次清晰，环环紧扣，体系完整，方便互动，有利于激发兴趣使学生通过增加参与度提升体验感。

参考文献：

[1]王明华，鲍长生.“双联互动”实践教学模式探讨[J].教育理论与实践，2014（9） .

[2]赵立伟.高校古代汉语课堂互动教学模式探究[J].大学教育，2014（3）.

[3]杨征，魏迎梅，蒋杰.面向应用能力培养的实践教学模式，2013（1）.

[4]姚蓉.谈如何搞好大学教学中的课堂互动[J].中国大学，2008（7）.

[5]张凤林.高校大班课实施参与式教学的疑难与策略探讨[J].大学教育，2012（4）.

[6]岑道权，黄运兵.浅析我国网络教育环境的应用.沧桑，2009（5）.