物联网技术课程教学改革与实践——以淮南师范学院为例

吴琰

（淮南师范学院　电子工程学院，安徽　淮南　232038）

物联网技术课程教学改革与实践
——以淮南师范学院为例

吴琰

（淮南师范学院电子工程学院，安徽淮南232038）

物联网技术是电子通信专业的重要专业方向课。针对物联网技术教学特点指出该课程理论与实践教学中存在的问题，提出与该课程理论与实践相适应的具体改革方案，将理论教学与实践相联系，促进学生对该课程原理的深刻理解，提高学生的实践能力。

物联网技术；教学特点；改革方案

“物联网技术”是通信工程、电子信息和物联网等理工科专业的一门重要专业课程。通过本课程的学习，学生可以初步了解物联网技术，具备从事传感、通信和网络技术等相关技术开发所需要的基本能力。

无线传感网是物联网的重要组成部分，因此将无线传感网的一些相关知识引入“物联网技术”课程，对学生而言具有十分重要的意义。本文针对该课程的实际教学情况，分析存在的问题，结合物联网的最新技术，探讨教学改革意见。

一、无线传感网络与物联网

无线传感器网络（WirelessSensorNetwork，WSN）是一种全新的信息获取平台，能够实时监测和采集网络分布区域内各种检测对象的信息，并将这些信息发送到网关节点，以实现复杂的指定范围内目标的检测与跟踪，具有快速展开、抗毁性强等特点，有着广阔的应用前景。

无线传感器网络的节点包含了硬件平台与软件系统。随着技术的不断进步与更新，无线传感器网络节点的硬件平台与软件系统也呈现出百花齐放的局面。无线传感网络的硬件平台中控制芯片涉及从8位到32位各种类型的单片机与处理器，以及无线芯片涉及从TR系列到CC系列以及目前广泛使用的带ZigBee协议栈的射频芯片。无线传感网络的软件系统包括了硬件驱动程序、无线传感网络的通信协议栈、以及无线传感网络操作系统等。硬件驱动程序是由硬件平台所决定的，是无线传感网络节点的功能扩展；无线传感网络的通信协议通常采用的是最广泛使用的802.15.4协议（ZigBee协议栈）；无线传感网络操作系统作为嵌入式操作系统的一个分支，研发人员针对了不同平台不同应用开发出了多种多样的无线传感网络操作系统，比如：TinyOS、MantisOS、MagnetOS、SOS以及Contiki等。

物联网未来的市场前景巨大，其发展方向包括了M2M（MachinetoMachine/Man）的应用，视频监控应用，RFID技术与应用，无线传感网络的应用以及移动互联技术的应用等。由于物联网未来的应用及发展方向多种多样，而传感网络的应用是未来感知层的主要形式，因此物联网技术的基础仍然是无线传感网络的应用。物联网理论与实践课程的主体应是无线传感网络的应用，只有如此才能使得课程设置能够迎合未来物联网发展的各种变化，使得该课程所培养的人才适应于社会上各种物联网开发职位。

二、“物联网技术”课程教学现状与问题

淮南师范学院电子工程学院自2009年起电子信息工程、电子科学与技术以及通信工程等专业均开设物联网相关课程，采用“购买实验箱+物联网教材”的模式。采用这种模式能够快速建立起物联网专业或物联网相关课程，然而其弊端也是显而易见的，下面对“物联网技术”课程所存在的问题进行具体分析：

（一）“物联网技术”理论教学存在的问题

“物联网技术”课程缺乏整体规划，与其他专业课程相对独立。物联网技术包含了各类已有技术，并朝着不同的应用方向发展。“物联网技术”课程设置缺乏整体规划，在没有相应的先导课程作为铺垫以及后续课程的跟进的情况下，教学效果不理想。

“物联网技术”课程理论与实验严重脱节。物联网技术更新过快与教材理论滞后之间的矛盾，导致现有实验系统与教材内容不相适应，使得理论教学与实验教学无法衔接，增大了授课难度并严重影响学习效果。

（二）“物联网技术”实践教学存在的问题

淮南师范学院电子工程学院物联网实验室目前使用韩柏电子公司提供的Zigbex实验箱。尽管该实验箱提供了一套完整的物联网实验解决方案，但从表1“物联网实验室软硬件平台资源”可以看出目前物联网实验教学仍存在以下问题：

表1　物联网实验室软硬件平台资源及其特点

实验软件平台TinyOS操作系统从1.x版本升级为2.x版本后，编程风格有着极大的改变，接口函数名发生变化，导致实验箱原有的配套教材已经不适用于教学。并且原实验配套教材操作步骤不详细，学生按照该教程无法操作。

实验室软硬件平台所需的技术背景知识没有相关课程提供支持。相关专业所开设的课程并不涉及 ATmega128L控制芯片、CC2420射频芯片、TinyOS操作系统以及NesC编程语言基础，因此学生通过本实验的学习并不能了解底层硬件的工作原理，而且还需要花费大量的时间精力在熟悉TinyOS操作系统和NesC编程语言上。

4.3.1 有机井管理房 将管控器保护柜通过￠12膨胀螺栓锚固在管理房内墙面，输电线采用25 m2的铜芯线，将电线接入直径为75 mm的pvc管内进行保护。

目前物联网实验室的软硬件平台陈旧，不能满足当前物联网技术的发展需求。物联网实验室的zigbexMote采用 ATmega128L控制芯片以及CC2420射频芯片的无线解决方案，而该方案最早由CrossBow公司在2003年提出，目前各公司均不采用此方案。

实验系统没有提供集成开发环境，使得实验操作过程复杂。Zigbex实验箱在集成了TinyOS2.x操作系统的虚拟Linux平台Cygwin下，对开发程序进行交叉编译生成硬件可执行的文件，再使用AT－mega下载软件通过ISP下载器将可执行文件下载到目标板中，整个实验操作过于复杂，不利于学生学习。

实验系统的软硬件不透明，离开了该平台无法进行物联网应用开发。韩柏公司不提供实验箱的硬件原理图，以及相应的驱动程序封装到TinyOS操作系统中，使得无法移植其他的无线传感网络操作系统且在该平台上开发的应用程序也无法移植到其他的软硬件平台上。

三、“物联网技术”课程改革的措施与具体实施方案

（一）“物联网技术”课程理论改革的主要措施

针对“物联网技术”课程中存在的问题以及现有的课程体系，提出将“物联网技术”与“ARM嵌入式系统”课程理论与实践结合起来，以“ARM嵌入式系统”（该课程的主要内容包括了基于Cortex-M3内核的STM32芯片的应用与uCOSII嵌入式操作系统的应用）作为“物联网技术”的先导课程，物联网技术的实验平台应采用Cortex-M3内核的控制器为主控芯片且uCOSII嵌入式操作系统为无线传感网络操作系统。该解决方案将两门相对独立的实践课程建立起联系，不仅能让学生深入理解和熟练应用Cortex-M3内核控制器以及uCOSII嵌入式操作系统，而且还能紧跟最近的技术应用前沿，更好的迎合社会对人才的需求。

1.选择合适的传感网络节点（实验开发平台）

为了紧跟物联网最新技术并且与“ARM嵌入式系统”等课程相结合，采用了大连飞翔科技有限公司提供的基于STM32W108的ZigBee节点。该传感网络节点采用ARM-CortexM3技术制造，符合ZigBee/IEEE802.15.4标准，能够满足用户对于低成本、低功耗无线传感器网络的需求。易于使用、节省空间并且能够提供设备间的可靠数据传输。提供与传感器相连的接口（超声波、光敏、温度、湿度、声音、烟雾等），内置DS18B20温度传感器。

2.创新实验项目的开发

创新试验项目的开发应该本着让学生熟悉传感器节点硬件、熟悉ZigBee协议栈以及熟练掌握在uCOSII嵌入式操作系统上进行应用开发的技能为重点的原则，全面提升学生的对无线传感网络的实践能力，以及学生可以通过此该硬件平台轻松实现其创意创新设计。创新实验项目将具备以下十个基本实验项目：

表3　创新实验项目

四、实训项目及案例分析

随着科技的发展，社会对人的实践能力的要求越来越高，通过为“物联网技术”引入实训项目，可以进一步提高学生的动手能力。

以物联网环境参数监测实训项目为例，该项目是基于STM32W108的SimpleMac协议栈，利用无线节点完成对温度、湿度、超声波、烟雾、声音、光敏等传感器的控制及数据采集，并实时将数据发送到STM32W108开发板，完成传感器数据的汇集，并通过串口传送给PC机。

物联网环境参数监测实训项目的硬件平台主要包括了分别带有温度传感器、超声波传感器、温湿度传感器、烟雾传感器、声音传感器以及光敏传感器等传感器件的6个无线节点（PLANET），一个汇聚节点（SUN），如图1所示；软件平台主要包括了 IAREmbeddedWorkbench开发软件和 Sim－pleMac协议栈。

图1　物联网环境参数监测网络结构

SUN节点主要负责接收传感器节点发送的数据，并与PC机进行通信，PLANET节点分别连接不同的传感器，进行传感器数据采集，并将数据发送到SUN节点。

该实训项目不仅涉及到物联网课程中的组网技术，还涉及到了ARM嵌入式系统的基础知识以及传感器相关理论知识。在该实训项目中，我们还可以对该项目进行任务分解，比如温度采集、超声波信号采集、烟雾信号采集、声音信号采集、光强采集、各节点数据的传输、以及汇接节点的信号处理等任务，由不同的小组成员分工完成。这样，不仅能锻炼学生独立的动手实践能力，也能培养学生的团队协作精神。

五、小结

高校教学中要想实现“创新型”与“应用型”人才培养目标，这就要求高校结合原有相关专业课程对教学方法、教学内容及实践环节等方面进行不断调整与创新，探索新的人才培养方案，为今后从事物联网相关领域工作和研究的学生下良好的基础。本文在基于“物联网技术”课程基础上，重点从理论教学和实验教学等方面探讨了如何进行教学改革，以更好地适应物联网时代的教学要求和培养目标。

Teaching reformation and practice for Internet of things technology course

WU Yan

Internet of things technology is an important professional direct course in electronic and communication engineering.According to the characteristics of the internet of things technology teaching，the problems emerging in the course of theory and practice teaching are pointed out and the concrete reform plan is then put forward which is adapted to the theory and practice of the course.The plan links theory teaching with practice to promote students'understanding of the curriculum principle and improve students' practical ability.

Internet of things technology；teaching characteristics；reform program

G642.4

A

1009-9530（2015）06-0142-03

2015-09-22

淮南师范学院2015教学研究项目“基于应用型人才培养的‘物联网技术’教学改革研究”（2015hsjyxm34）

吴琰（1985-），男，淮南师范学院电子工程学院电子信息工程专业助教，硕士，主要研究方向：扩频编码，测控系统，无线传感网络，嵌入式系统，光片上网络。