基于云实验平台的无线传感器网络实验教学探索

崔 勇，张 茜，富 立

基于云实验平台的无线传感器网络实验教学探索

崔 勇1,2，张 茜1，富 立1,2

（1. 北京航空航天大学 自动化科学与电气工程学院，北京 100191；2. 北京航空航天大学 机械与控制工程国家级虚拟仿真实验教学中心，北京 100191）

无线传感器网络具有广阔的发展前景和重要的实用价值。为了培养符合技术发展需求的工程技术人才，改善传统实验教学中实验资源利用率低、维护成本高、受时空限制等问题，本文基于我校云实验平台设计了无线传感器网络实验课程。该课程的内容设计及创新性的实验教学模式，在激发学生自主学习积极性、提高学生实践创新能力、提升实验课程质量等方面取得了良好的效果。

云平台；无线传感器网络；实验教学

无线传感器网络是物联网基础层的关键技术之一[1-2]。无线传感器网络融合了传感器技术、嵌入式计算机技术、无线通信网络技术以及分布式信息处理技术[3]，能够通过各种微型集成化传感器的协同配合，对监测对象或环境进行实时检测、感知和信息采集，从而实现物理、计算以及人类三元世界的联通[4]。无线传感器网络在军事国防、工农业监测、智能交通、环境检测、健康医疗等领域都有重要实用价值。

长期以来，我校无线传感器网络实验课程教学遵循传统的教学模式，按照实验预习、实验实施、实验报告方式进行。实验过程缺少明确的环节管理，以现场实验为主，实验资源利用率低、维护成本高，更新换代难以与技术发展同步。因此迫切需要利用新的信息技术，改变传统实验教学管理模式和实验课堂模式，研究新的实验教学手段。我校于2016年建立了面向全校实验课程的云实验中心平台（http://e-cloud.buaa. edu.cn），旨在全面提升我校实验教学管理水平，创新云端网络化实验教学模式，建立开放共享实验平台。

依托这一云实验中心，本文对无线传感器网络实验课程建设及其教学模式进行了探索，开发了基于云实验平台的无线片上系统实验、无线传感器实验和无线传感器网络综合实验等一系列创新型实验，旨在使学生能够灵活地按需调用实验教学资源，充分发挥自主学习的积极性，提高实践创新能力。

1 云实验平台架构

利用云计算和虚拟化技术，建造了云平台实验环境，实验系统结构如图1所示。

图1 云实验系统结构图

云实验平台资源基于VMware桌面虚拟化系统，省去复杂的底层操作，通过接口集成方式对平台资源进行集中管理[5]。云实验平台创建在Internet上，便于用户随时随地通过广域网由一个简单的Web界面接口进行访问[6]。通过将业务功能模块化，实现业务单元的相互独立，使得系统结构为松耦合、可扩展。针对课前预习、课堂教学和课后作业等环节，云实验平台提供了相应的业务功能组件，如课堂信息管理、实验设计管理、虚拟资源管理、实验课堂管理、实验报告管理、课程质量分析等。

基于云实验平台的无线传感器网络实验系统采用B/S架构，即浏览器和服务器架构[7]，主要由用户、云实验平台、实验室及实验装置等3部分构成。

（1）用户。即使用云实验平台的教师、学生与管理员。用户通过简单的Web页面提交申请，经身份验证或用户管理认证后可远程登录云实验平台[8]。与传统的实验模式相比，用户自身计算机资源几乎不被占用，而且可通过广域网在任意时间、地点访问云实验平台，操作灵活、简便。

（2）云实验平台。云实验平台可为用户远程桌面连接到实验环境和实验系统提供虚拟机创建服务[9]，分别设置了教学平台、使用平台与管理平台。教学平台可支持教师用户进行实验模板制作、资料发布、在线答疑、实验考评、成绩管理等操作；使用平台可为学生提供实验预约、在线实验、交流共享、提交报告、成绩查询的入口；管理平台则用于管理员维护实验环境和管理实验资源，其功能包括系统配置、权限管理、基础数据、分配预约、实验监控等。不同用户的实验环境相互隔离，互不影响。

（3）实验室及实验装置。将实体化的实验室及实验装置作为云实验操作的物理载体[10]。在用户登录云实验中心后，可通过Teamviewer远程访问实验室内的计算机，而实验室内计算机与无线传感器网络实验装置通过线缆连接，可实现实验的全天24 h不间断运行。有效提高了实验装置的利用率，使得实验的开展更具灵活性和可扩展性。

2 云实验操作模式

云实验平台通过图2所示的功能组件为课程实验提供服务。

图2 云实验平台功能组件

实验前，课程管理员对系统用户中的教师和学生用户进行角色配置，并分别设置访问权限。教师创建教学用虚拟机，制作教学模板，以课程站点为单位，建立实验项目，并为其绑定实验环境模板。后台任务根据模板和上课时间自动创建学生桌面。学生可不受时空限制，通过广域网登录云实验平台，查看教师的实验课程安排，下载实验资料进行预习。由于同一时间内可供学生控制的实验硬件设备有限，所以系统会预先限定预约人数，学生可根据预约情况灵活选择预约时间。当学生在用户端启动Teamviewer远程访问实验室后，可看到配置好相应实验环境的虚拟桌面。由于实验室的计算机与无线传感器网络实验箱已连接完成，学生可在虚拟桌面上进行实验，并通过编译结果和串口调试助手反馈实验结果。

实验过程中，教师可进行实验演示，并可调用实验监控查看学生的实验进展并给予指导。同时，学生可将实验中遇到的疑问或实验心得等上传至系统，与教师、学生和管理员进行实时交流或论坛讨论[11]，以达到及时解决问题的目的。

实验完成后，学生可登录云实验平台进行课后复习、提交实验报告等操作，教师可根据实验监控、实验结果、实验报告多维度衡量学生的实验成绩。

3 实验内容

无线传感器网络实验是我校自动化科学与电气工程学院必修实验课程，其任务是通过该课程的学习，使学生进一步加深对无线传感器网络的认识。实验的硬件设备由一套无线片上系统实验箱和计算机组成。无线片上系统实验箱由7个无线数据采集节点构成，无线数据采集节点由数据采集底板和ZigBee传输模块组成。实验中采用嵌入式软件集成开发环境IAR Embedded Workbench提供底层程序的编辑、编译、下载和调试。实验内容如图3所示，包括无线片上实验、传感器实验、无线传感器组网实验、无线传感器网络实验4部分。

图3 实验内容

3.1 无线片上实验

无线片上实验包括建立在基于CC2530无线片上系统开发环境的数字I/O实验、定时器实验、外部中断实验、串口通信实验、A/D转换实验。学生可通过登录云实验中心远程操作实验室内的计算机，通过程序编译结果和串口调试助手查看实验结果。目的是让学生熟悉CC2350无线片上系统的基本功能，掌握通用输入/输出接口、定时器、外部中断、串口通信、A/D转换的操作方法，进一步为后续实验打下坚实的基础。

3.2 传感器实验

传感器实验包括光强、温度、烟雾、压力等传感器实验。实验控制软件将编译结果和采集到的数据通过Web反馈给云中心，进而反馈到广域网上的用户[12]。通过该系列实验，学生能够更透彻地理解各种类型传感器的原理，掌握传感器动静态标定的用法，学会利用所学知识分析传感器信号及处理数据，能够结合“无线片上实验”所学知识实现特定的传感器功能，从而全面提升学生测试测量能力。

3.3 无线传感器组网实验

无线传感器网络综合实验是对学生自主学习、自主探索的升华和对其工程能力的强化，包括基于ZigBee的星形、树形和MESH无线传感器网络综合实验[13]。通过3种组网方式对比，能够帮助学生更直观地了解3种网络拓扑的优缺点及其适用场合。

3.4 无线传感器网络实验

无线传感器网络实验为分布式温湿度无线测量实验，是对先前的无线片上实验、传感器实验和无线传感器组网实验的融合和提升，充满了趣味性和挑战性，对培养学生的发散性思维及综合运用知识与技术的能力有积极的促进作用。

4 实验效果

基于云实验平台的无线传感器网络实验教学模式，大大提高了实验资源的利用率，同时为教师、学生充分利用碎片化时间进行工作和学习创造了便利。为教师提供了从发布实验内容到评阅实验报告等一系列流程的综合一体化平台，为学生提供了随时随地灵活自主学习的平台。免去了繁琐的软件安装过程和复杂的前期准备，使学生有更多时间和精力钻研实验内容和理论知识。实验内容安排由易到难，由基础到综合，充分激发了学生的学习积极性，培养了学生的工程实践能力和工程创新能力，取得了良好的效果。

[1] MANGE W. It’s time for sensors to go wireless[J]. Sensors Magazine, 1999(4): 4–5.

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Exploration of wireless sensor network experimental teaching based on cloud experimental platform

CUI Yong1,2, ZHANG Qian1, FU Li1,2

(1. School of Automation Science and Electrical Engineering, Beihang University, Beijing 100191, China; 2. National Virtual Simulation Experimental Teaching Center of Mechanical and Control Engineering, Beihang University, Beijing 100191, China)

Wireless sensor network has broad prospects for development and important practical value. In order to train engineers and technicians who meet the needs of technological development and to improve the low utilization rate of experimental resources, high maintenance cost and space-time constraints in traditional experimental teaching, this paper designs an experimental course of wireless sensor network based on the cloud experimental platform of the university. The content design and innovative experimental teaching mode of this course have achieved good results in stimulating students’ initiative in independent learning, enhancing their practical and innovative ability, and improving the quality of experimental courses.

cloud platform; wireless sensor network; experimental teaching

TM93；G642.423

A

1002-4956(2019)09-0161-03

2019-03-04

国家自然科学基金项目(51707006)；北京航空航天大学2019—2022年教育教学改革培育项目（ZQ211J1947）

崔勇（1982—），男，河南漯河，博士，讲师，自动化与电气教学研究实验中心副主任，主要研究方向为微纳传感技术。

E-mail: cuiyong@buaa.edu.cn

富立（1969—），女，陕西西安，博士，教授，主要从事自动化技术研究。

E-mail: fuli@buaa.edu.cn

10.16791/j.cnki.sjg.2019.09.041