新工科背景下基于项目驱动的Zigbee技术及应用课程改革

侯艳艳 张伟 王海峰 吕新杰

摘要：Zigbee技术及应用课程是物联网工程专业的必修课程，主要讲授物联网应用开发的短距离传输技术。课程贯彻“学生中心、产出导向、持续改进”三大教学理念，将智能停车系统应用项目与教学内容相结合，完成课程教学改革。通过课程教学改革，将传统的以知识点为主线的转化为以项目实践为主线的教学内容组织模式，提高了学生解决复杂工程问题的能力，对于新工科背景下物联网工程专业的其他课程的教学设计与改革也具有重要的指导意义。

关键词：Zigbee技术;智慧停车系统;物联网系统;模块化;Zstack协议栈

中图分类号： G642.0        文献标识码：A        文章编号：1009-3044（2019）02-0131-02

1 课程概述

Zigbee技术及应用课程是一门技术性、实践性很强的专业课程，主要讲授基于Zigbee协议的物联网工程中的短距离无线组网的设计与实现。通过本课程的学习，使学生掌握物联网工程相关岗位所需的Zigbee技术，掌握 Zigbee协议的体系结构及应用原理，并能夠根据Zigbee技术设计和组建无线传感网，提高学生运用工程原理分析解决复杂工程问题的能力，为学生以后从事物联网工程领域相关工作打下坚实工程技术基础。

Zigbee技术及应用课程的总体设计思想是以应用实践能力培养为本位，以项目开发为导向，以校企共建为途径，采用智慧停车系统为应用案例，将课程的知识点分解到项目案例中，采用理论与实践结合的教学方式，培养学生的物联网应用开发和实践能力。

2  教学内容设计

通过分析当前物联网行业需求及ZigBee 技术所涵盖的岗位群的职业能力需求，重新组织课程教学内容。教学内容的组织上摒弃传统的以学科体系为主线的章节安排方式，结合物联网工程应用案例，将工程实践应用需求融入教学过程中，将课程知识点融入物联网工程应用案例中，将物联网工程开发方法融入实践教学环节中，形成“三融入一结合”的教学特色。按照“分组化”“模块化”“项目化”及“ 综合化”方式，课程内容分四个阶段展开：

第一阶段，熟悉Zibgee相关技术。教师发布智能停车系统的设计任务;学生自主组件课程项目工作小组，以项目组为单位查阅Zibgee相关技术资料，分析智慧停车系统的功能需求，讨论并形成智能停车系统初步设计方案。教师通过智慧停车系统项目引入Zibgee技术的基本概念，物联网应用系统的组成、相关技术及设计方法，帮助学生建立物联网系统的短距离无线组网的概念。第一阶段主要完成如下实验内容：

（1） 智慧停车系统工程环境熟悉，通过IAR软件的使用使学生了解zigbee技术的软件设计方法， 通过Zigbee网络组网实验使学生掌握Zigbee网络的组网方法。开展项目组讨论，分析智慧停车系统项目的功能需求。

（2） Zigbee网络数据分析，通过Zigbee Sniffer嗅探器抓取zigbee网络数据包，通过MAC层和网络层的数据帧使学生立即Zigbee网络的特点。开展项目组讨论，分析不同层次Zigbee网络数据包的特点。

第二阶段，智慧停车系统的节点功能开发。从智慧停车系统应用需求出发，引入Zigbee网络节点芯片CC2530的开发技术，将系统设计分解为温湿度传感器、红外传感器，光照，控制器等模块的设计相结合，完成智慧停车系统的终端节点设计。

（1）智慧停车系统I/O口实验，从智慧停车系统按键功能设计需求出发，引入通用I/O口设计按键的基本方法，设计按键控制停车系统指示灯闪烁，蜂鸣器响等功能，实现按键在智慧停车系统中设备控制的功能。

（2）智慧停车系统中断实验，分组讨论智慧停车系统I/O口实验中按键查询方式的缺点，引导学生采用中断控制方式实现按键控制功能，实现智慧停车系统控制功能。

（3）智慧停车系统传感器实验，从智慧停车系统环境信息采集需求出发，实现温湿度、光照度、人体红外信息采集，结合CC2530系统时钟和振荡器的原理，分组讨论并实现传感器信息采集、串行数据的传输及控制端实现各类设备控制。

第三阶段，智慧停车系统的无线组网实验。分组讨论智慧停车系统有线信息传输方式的缺点，引入Zigbee技术无线传输方案，分组讨论并实现基于IEEE802.15.4标准的智慧停车系统的无线组网及数据收发。

（1）无线射频与MAC层实验，分组讨论无线射频通信的基本原理，引导学生通过无线信道实现智慧停车系统点对点数据收发。

（2）智慧停车系统无线网络实验，通过Zstack协议栈组建智慧停车系统无线网络，实现协调器的广播发送，协调器、路由器及终端节点之间点对点通信，设计智慧停车系统设计无线传感网络方案。

第四阶段，智慧停车系统综合设计。基于Zstack协议栈，结合红外传感节点、光照节点，温湿度传感器节点、执行器节点，启发学生构建智慧停车系统综合设计方案，完成智慧停车系统的信息采集、网络传输、设备控制。

（1） 智慧停车系统硬件驱动实验，小组讨论并实现基于TI的Zstack协议栈、实现开关、按键相关的驱动代码的设计，完成温度传感器、光照度传感器、等传感器信息的移植，为智慧停车系统的设计做准备。

（2）智慧停车系统应用程序实验，设计实现智慧停车系统的应用程序，实现温湿度，光照度等环境信息的采集，并根据环境信息自动控制停车系统设备的开关，实现智慧停车系统的自动化和智能化管理。

3 课程考核方式

为了保证基于项目驱动的Zigbee课程教学改革效果，提高学生工程实践能力，课程考核摒弃了传统的单一的试卷考核方式，而是采用考试与项目答辩相结合的过程考核方式，课程考核通过三个阶段的考核实现：

（1）随堂考核

第1-14教学周，课程采用项目组模式、任务分解的方式开展教学，每周设立答辩时间，检查每组项目的完成进展情况，项目组成员基于项目的完成情况及相关技术进行展示及答辩，根据项目完成情况，创新度，及项目组成员的贡献度形成随堂考核成绩。

（2）课程设计

第15-16教学周，集中实践教学环节，根据智慧停车系统的设计过程及方法，布置课程设计，要求学生根据物联网系统在智能家居、环境监控、智慧农业的应用，完成其他物联网应用系统的設计。

（3）综合考核

第18-19教学周，组织学生考试，考试采用机考形式（闭卷考试），主要考查学生的物联网程序分析设计能力。通过小组答辩与项目内容演示的考核方式，考查学生的物联网技术综合实践与应用能力。

4结论

新工科背景下，为了提高学生的工程实践能力，我们应该改变传统的教学模式和教学内容组成形式，基于项目驱动的Zigbee课程教学改革能够从提高学生的问题解决能力及复杂工程解决能力出发，将课程内容与工程案例无缝对接，采用工程化教学方法，引导学生设计出满足工程需求的物联网应用系统。通过Zigbee技术及应用课程教学改革，培养学生的创新思维，提高学生的物联网应用系统的开发能力、激发学生的创新能力。

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