“物聯網通信技術”課程實驗教學探究

呂興鳳　陸軍　徐輝

摘 要：物聯網工程作為高校的新興專業，如何提高學生實踐能力，培養社會所需的專業人才已成為首要問題。文章從物聯網通信技術課程實驗教學現狀與問題出發，提出了創新物聯網通通信技術實驗教學的策略。

關鍵詞：物聯網通信技術；實驗教學；教改方法

中圖分類號：G642.3 文獻標識碼：A 文章編號：1002-4107（2016）05-0032-02

一、物聯網通信技術課程的特點

物聯網是智能感知與識別技術、普適計算、云計算、泛在網絡系統的融合應用，被稱為是繼計算機、互聯網之后世界信息產業發展的第三次浪潮[1]。物聯網在智慧交通管理、智慧城市、國防軍事、環境監測和醫療衛生等諸多領域具有十分廣闊的應用前景。2011年，物聯網工程作為專業正式進駐高校，目前已有百余所高校開設了物聯網工程專業，如何培養社會所需的物聯網專業人才是至關重要的問題。物聯網本身并非僅是一門單純的技術，而是一個復雜的系統，涵蓋了多領域的技術與知識，融合多種異構通信技術和網絡平臺，所涉及的通信技術和標準眾多，包括屬于WPAN的藍牙和IEEE 802.15.4、屬于WLAN的wifi、屬于蜂窩通信的GSM、GPRS和CDMA等技術，以及如何在這些技術的基礎上構造網絡架構與現有的因特網集成[2]。

物聯網工程專業與傳統專業不同之處即在于物聯網專業更注重學生的創新、實踐與協作能力的培養。物聯網工程專業的性質也決定了實踐教學成為該專業教學體系中不可或缺的重要環節。物聯網通信技術作為物聯網專業的專業基礎課，為后期的傳感器網絡和硬件課程設計等課程奠定了基礎，物聯網通信技術實驗直接影響后續課程的開展，為此實驗教學的研究和探討十分重要。

二、物聯網通信技術實驗教學現狀

（一）師資力量薄弱

物聯網通信技術課程以互聯技術為主線，融合現有無線通信、移動網絡等課程的相關內容和最新的前沿技術。因而，不僅需要實驗教師具備扎實的理論基礎，而且還要有較強的實踐動手能力。而物聯網工程專業作為新興專業，全面掌握物聯網技術的人員又非常少，再加上對實驗教師的培養又不夠，缺少參加培訓和深造訪學的機會，因而，實驗教師師資力量薄弱嚴重影響了實驗教學的開展。

（二）實驗教學內容不一致

由于物聯網通信技術包括的教學內容很多，如：各種短距離無線通信（藍牙、Zigbee等技術）、蜂窩通信以及如何在這些技術的基礎上構造統一開放的網絡架構并與現有的因特網無縫集成[3]。如果將所有內容都泛泛地講，學生很難真正地掌握每項技術，所以必須要有所側重，各高校講授內容的側重點不同，實驗教學內容也不一致。這里我們將重點放在無線通信原理和短距離通信技術上，需要在IEEE 802.15.4/Zigee的基礎上設置相應的實驗內容，使學生能夠結合之前的課程，利用無線通信技術完成相應的功能，提高實踐動手能力。

（三）實驗室建設不完善

實驗室作為物聯網專業學生的實踐平臺，其實驗設備和實驗管理手段都具備一定的先進性和科學性，要充分發揮實驗平臺的功能。開設物聯網通信技術實驗，對實驗環境要求較高，需要在各個傳感器節點上做軟件開發，而各硬件節點又極易出現各種問題，使得許多時間浪費在硬件檢測上，為此需要加強對實驗室的管理，確保每個硬件都正常運行。

三、物聯網通信技術實驗教學的改革與創新

為了進一步提高學生實踐動手能力，培養出社會所需要的物聯網專業人才，需要在實驗教學中不斷的探索與創新，下面從以下幾個方面進行探討。

（一）優化實驗教學內容

從這幾年的實驗教學來看，這里采用總—分—總的方式來進行實驗教學，具體各類型實驗的內容如圖1所示，將實驗類型分為綜合演示實驗、基礎實驗和綜合設計實驗。為了激起學生學習興趣，首先向學生演示一個物聯網綜合系統，讓學生對整個實驗效果有個整體的把握；其次再對系統中的各個實驗進行操作，由于學生剛接觸傳感器節點，入手比較困難，這里采用先講解主要接口函數和方法，在此基礎上對其進行更改并完成相應的功能；最后，要求學生將所學到的知識綜合到一起，完成一個綜合型實驗，通過zigbee無線通信完成網絡拓撲的繪制以及對各個傳感器節點信息顯示。

1.綜合演示實驗。作為物聯網通信技術課程的第一個實驗，主要目的讓學生對本課程有個整體的了解，激起學生學習的興趣，因此在這個實驗中，首先需要向學生介紹各個傳感器節點的組成和作用，以及軟件開發環境IAR，使學生對實驗開發環境有所了解，在此基礎上演示“物聯網綜合演示系統”，此演示系統可在PC機上通過zigbee技術對傳感器節點進行管理和維護，通過數字和圖表的方式，可多方位顯示無線傳感網的狀態及控制傳感網上的設備。

2.基礎實驗。對于物聯網通信技術的實驗需要在實驗箱上完成，各高校配備的實驗箱不同，每種實驗箱都有不同的核心板、不同的程序，但是基本原理是一致的。這里我們在硬件上使用CC2530作為實現嵌入式Zigbee應用的片上系統，學生需要在掌握CC2530工作原理的基礎上，完成前兩個基礎實驗，實現節點的串口通信和無線通信。首先利用CC2530實現串口通信，由于許多實驗的結果需要在PC機上顯示，需要通過串口線將數據從傳感器節點傳到PC機串口，在這個實驗中學生通過按傳感器節點上不同的按鍵向PC機傳送不同數據，同樣，PC機也可通過串口線向傳感器節點傳送不同命令；其次利用CC2530的無線通信功能，完成兩個或者多個傳感器節點互傳數據的功能，可令一個傳感器節點作為發送端，發送操作命令，另一個傳感器節點作為接收端接收命令完成相應功能。

由于物聯網通信技術主要以講解短距離、低成本、低功耗的zigbee無線通信技術為主，這里利用TI公司提供的Z-Stack協議棧完成相應無線通信實驗。學生在掌握了Z-Stack協議棧的體系結構后，利用協議棧中提供的各種接口函數，完成相應的功能。首先利用Z-Stack完成傳感器節點間的通信以及串口通信，由于有CC2530做基礎，這個實驗掌握起來要容易些；另外利用Z-Stack實現星狀網絡，獲取節點的網絡地址形成網絡拓撲，為后續實驗做好鋪墊。

3.綜合設計實驗。為了是實驗內容更豐富，這里首先引用一個或多個傳感器模塊，進行數據采集，可將此部分的功能直接提供給學生，因為在后續的傳感器原理課程中還要詳細講解數據采集的原理。有了這些基礎實驗，學生可完成一個綜合性實驗，可利用Z-Stack無線通信，將各個傳感器節點采集到的數據以無線方式發送到協調器，協調器通過串口通信傳到主機，在主機上對相應信息進行顯示以及繪制網絡拓撲，與此同時，主機可通過串口向傳感器節點發送各種命令，完成控制功能。

（二）加強實驗教學師資隊伍建設

物聯網工程專業作為新興專業，很多都是新技術，物聯網通信技術涵蓋的內容又很廣泛，需要教師不斷地學習和探討，為此可定期組織教師集體備課，討論理論課和實驗課的主要教學內容以及之間銜接問題。另外也可聘請有實際經驗、有一定教學能力的企業技術人員對學生和教師進行實驗培訓，激發學生學習興趣，提高教師業務水平。

（三）完善實驗室建設

物聯網通信技術實驗課所需的實驗設備主要包括各種傳感器節點，這些部件具有體積小、易攜帶、易損壞等特性。因此，要對這些節點進行很好的管理，每位學生固定使用某些部件，可把這些部件貼上相應的標簽，另外，需要配備額外的節點供學生使用，一是為了及時更換損壞的節點，二是供學生課后使用。也可設置開放實驗室的時間，增加學生實踐動手的時間和機會，充分發揮學生主觀能動性和創新性，實現理論與實踐的有機結合。

（四）創新實驗教學模式與考核制度

物聯網通信技術實驗涉及的內容比較多，對學生的要求也很高，考慮到每個學生的基礎不同，這里采用以小組為單位的實驗教學。在一個小組中可能有的同學理論基礎很扎實，有的同學編程能力比較強，這樣他們可以互相學習，盡快地掌握相應技術，即培養了學生的合作能力，又提高了實驗教學的效果。

對于成績分布方面，物聯網通信技術課程的總成績應由理論成績和實驗成績兩部分組成，這里需要增加實驗成績的比例，提高學生對實驗的重視程度，實驗成績至少需要站總成績的30%。對于實驗項目的考核，應更加注重學生的實際動手和研發能力，要杜絕拷貝抄襲的現象，為此不能采用傳統的考核方式，需要制定新的考核方法。對于學生的每個實驗項目，應該從各個方面進行評價，包括實驗課的課前預習情況、實驗項目的運行情況和學生實際解決能力，對于在實驗過程中勇于創新的學生，可將其實驗項目作為范本進行演示，這樣既給優秀學生提供了展示自己的機會，又大大激勵了其他學生學習的興趣。

物聯網通信技術課程作為物聯網工程專業主干課程，物聯網通信技術實驗課程作為硬件綜合設計實驗的基礎，其實驗效果直接影響后續課程的開展，為了進一步提高學生實踐動手能力，我們需要在實踐中不斷探索、總結經驗，建立起一套完善的實驗教學體系。本文針對物聯網通信技術實驗教學環節中存在的不足，從實驗教學內容、實驗師資建設、實驗室建設、實驗教學模式和考核方面進行了分析，希望能為各高校物聯網通信技術課程提供一些參考。

參考文獻：

[1]安健，桂小林，楊麥順.物聯網工程專業實驗教學初探

[J].實驗室研究與探索，2014，（33）.

[2]桂小林.物聯網技術專業課程體系探索[J].計算機教

育，2010，（16）.

[3]余琍，趙健，黃傳河等.物聯網工程專業建設與實踐教學

研究[J].計算機教育，2013，（15）.