一个物联网应用实训案例设计

何文德 杨凤年

摘要：针对目前国内物联网应用实践教学存在不足，设计了一个面向物联网应用的工程实训案例。该案例基于STC单片机开发板和台式机，从环境温度和光照的感知、A/D转换、串口通信、Python编程、MySQL数据库应用等知识点出发，用于物联网工程专业学生的工程实训教学，并提出了教学效果的评价和考核方案。

关键词：物联网;案例教学;实训案例设计

中图分类号：TP311        文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2019）16-0147-02

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

物联网技术是在计算机技术的基础上，融合了智能感知、云计算与普适计算等技术而形成和发展起来的综合性技术。物联网应用涵盖了智能电力、智能交通、智能家居、智能物流、智能工业、智慧城市、智慧农业和智慧医疗等领域，市场前景广阔。因此，国内高校十分重视物联网人才的培养，物联网工程专业自2010年被教育部批准设立以来，已有四百多所高校开设，长沙学院已于2016年开设此专业，目标是培养能够系统地掌握物联网的相关理论、方法和技能，具备通信技术、网络技术、传感技术等信息领域宽广的专业知识的高级工程技术人才。

1 实训案例教学的必要性

由于物联网技术涵盖的知识面广，企业对此类人才的知识结构和工程实践能力往往有更高要求。而传统教学过程往往更注重知识点的讲授，教师与学生的教与学的效果很难满足上述要求，尤其是学生的工程实践能力有一定欠缺。案例教学模式可以适应物联网工程相关课程的特点，能够激发学生的学习积极性和创造性，取得更好的教学效果，提高学生的工程实践能力和就业竞争力[1]。目前已有部分高校开展了物联网实践教学方面的探索与实践，文献[1]提出了在物联网工程专业的教学活动中采用项目小组驱动的教学模式，文献[2]提出了软硬件结合的实验教学模式。然而，设计出知识结构分布合理，难易程度和工作量适合授课对象、能有效激发学生自主学习热情的物联网应用教学案例，是值得探讨的课题。

物联网应用工程实训案例教学具有非常重要的意义。首先，将抽象的物联网相关理论知识与实际应用结合，加深学生对书本知识的理解。实训课程将智能感知、嵌入式系统、网络通信和数据库技术等综合应用于智慧农业等领域，并在真实的硬件平台上实现，学生不再被动地接受知识的灌输，而是通过自主实践，将所学知识融会贯通应用到实际课题中。同时，在实训过程中会遇到各种软硬件问题，往往要通过团队协作才能解决，这样既提高了学生解决实际问题能力，又强化了学生的团队合作意识。其次，实训内容包括最新科技成果和业界主流技术如新的传感器、深度学习+物联网、编程框架、编程语言等的应用，新知识和新技术的融入，能让学生能及时了解物联网前沿技术，从而有效激发他们的研究和开发兴趣。

2 案例教学过程

2.1 教学案例设计思路

本实训教学案例利用台式计算机、STC单片机、温度传感器、光照传感器等硬件，结合A/D转换、串口通信、WiFi、MySQL数据库、Python、C51等技术，启发学生根据智慧农业需求，设计开发智慧农场环境监控系统。

功能要求如下：

系统包含上位机和下位机两部分，系统架构如图1所示。下位机是基于智慧农场应用的监控终端模块，以STC15F2K60S2单片机作为MCU，实时采集现场的光照强度和温度值，并将温度和光照强度显示在LED屏幕上。若光线强度低于某阈值，蜂鸣器发出报警声，光线警示灯闪烁，开启照明系统;若光线强度高于设定阈值打开遮光装置，蜂鸣器发出报警声，光线警示灯闪烁。若温度低于某阈值，蜂鸣器发出报警声，温度警示灯闪烁，开启加热装置，若温度高于设定阈值，则蜂鸣器发出报警声，温度警示灯闪烁，开启通风装置。每指定的时间间隔，监控终端通过WiFi向上位机发送光照强度和温度值等信息。采用台式计算机作上位机，当收到下位机发送过来的温度和光照强度值等信息加上时间戳和终端编号后，将其保存到MySQL数据库中，实现效果如图2所示。

开发与运行环境要求：

下位机：STC单片机开发板，含光照传感器模块、温度传感器、WiFi模块、继电器模块等。

上位机：台式计算机，Windows 7操作系统、IDLE （Python 3.7）、Keil uVision4、MySQL 8.0。

技术要点：利用A/D转换技术，获取光照强度和温度值。采用C51编程对单片机IO口、PWM的控制，实现警示灯闪烁、蜂鸣器报警、照明设施、加热设备和通风设备的开关，利用串口通信技术控制WiFi模块，实现下位机与上位机的信息传送。上位机采用Python编程技术，将环境监测信息接收、处理并存储到MySQL数据库中。

2.2 教学安排

教师提前4周布置实训任务，以便学生有较充裕的时间提前进行知识和技能的储备。实训为时间4周，第一周是教师讲授和归纳项目所需的知识点、学生进行需求分析和方案设计时间，之后的两周是學生的设计和实现时间，教师负责解答学生的技术问题。长沙学院物联网专业学生之前没学过Python语言，因此需要花费时间自学，如果学生已熟悉Python，该案例的实训时长可以缩减到三周。

为了培养学生的独立工作能力，要求每个学生独立完成该项目，同时学生在学习过程中能互帮互助、互相督促，由4～5个学生组成一个项目学习小组。项目小组根据各成员根据开发能力、沟通管理能力互补搭配而成，团队成员划分成不同的角色，组织沟通能力较强者任组长，负责团队开发进度等过程管理，开发能力较强中任技术负责人，负责技术帮扶，实训期间教师可重点培训几位技术负责人，即可发挥以点带面的作用。

3 教学效果的评价和考核

科学的教学效果评价和考核体系决定了学生的培养质量。CDIO（conceive、design、implement、operate，即构思、设计、实现、运作）是由美国麻省理工学院和瑞典皇家工学院等4所大学共同倡导的国际高等工程教育的一种新的人才培养模式，该模式特别注重扎实的工程基础理论和专业知识的培养，将产业对人才能力的各项具体要求，逐一落实到相应教学环节，来满足产业对工程技术人才质量的总体要求。本课题综合CDIO工程教育人才培养考核标准和我校传统实践教学环节的考核方法，建立了以个人项目开发能力、团队协作能力、文档编写能力、技术创新能力等为培养目标，以需求分析、项目构思、项目设计、代码实现为主线的过程考核，加上学生自评、项目组互评、项目答辩等考核方式结合，实现教学效果的全方位精准考核。基于CDIO的项目考核体系能更有效地激励学生自主学习，合理准确地评价教师的教学和学生的学习效果，督促教师不断地完善实践教学内容，进一步提高教师的实践教学能力[3]。

4 结语

物联网工程专业的工程实训是实践教学中的一个重要环节，智慧农场环境监控系统项目通过传感器获取环境信息，借助STC单片机将这些信息通过其内嵌的A/D转换单元转换成数字信号，然后根据事先设置的阈值，采取判断是否采取补救措施和发出声光报警信号;且通过WiFi将环境监测信息发送到上位机并存储到数据库中。学生通过本实验案例的学习和实践，可将单片机开发与Windows应用程序开发相结合，实现一个完整的应用系统，掌握整个开发流程，形成对物联网应用系统开发的认知，为以后的物联网应用系统开发打下良好基础。教学实践证明，该实训教学案例方案可行，教学效果较好，在后续的教学实践中我们将会对其做进一步改进，适度融入物联网相关的前沿技术，力求取得更好的教学效果。

参考文献：

[1] 曹领，刘海.项目小组驱动教学模式在物联网工程专业中的应用[J].计算机教育，2018（5）：136-139.

[2] 李智，陈志鹏，黎云.物联网实验教学方法实践与探讨[J].教育教学论坛，2018（3）：183-184.

[3] 王晓娟，韦韫韬，富春岩，等.基于CDIO理念的应用型计算机人才培养模式研究[J].计算机时代，2015（12）：79-81，84.

【通联编辑：朱宝贵】