高芹

（湖北理工學(xué)院計算機學(xué)院，湖北黃石 435003）

面向物聯(lián)網(wǎng)的本科實驗教學(xué)改革探討

高芹

（湖北理工學(xué)院計算機學(xué)院，湖北黃石 435003）

目前的物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)存在一定的理論脫離實踐情況，本文提出利用ZigBee無線通信功能基礎(chǔ)，把局域網(wǎng)技術(shù)和無線傳感器相互結(jié)合，設(shè)計智能家居實驗教學(xué)系統(tǒng)，特別適合面向物聯(lián)網(wǎng)的本科實驗教學(xué)。為實現(xiàn)家居智能，通過移動終端等設(shè)備遠程方式，或是局域控制房間中部署的傳感器進行，通過此系統(tǒng)，使學(xué)生學(xué)習(xí)物聯(lián)網(wǎng)興趣大大增加。

物聯(lián)網(wǎng)；智能家居；實驗教學(xué)系

本文在結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)特點的基礎(chǔ)上，通過智能家居實驗教學(xué)系統(tǒng)來對物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)改革進行一定的探索。物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)設(shè)備的基本功能是通過基于ZigBee-1通信的嵌入式系統(tǒng)而進行開發(fā)，目的就是能夠讓學(xué)生了解身邊的物聯(lián)網(wǎng)。

1 研究目標與問題

1.1 研究目標

在本物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備系統(tǒng)中，采用WINCE操作系統(tǒng)（嵌入式），此軟硬件結(jié)合設(shè)備能夠包括傳感器節(jié)點狀態(tài)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、數(shù)據(jù)分析等功能。整個系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成，充分體現(xiàn)出無線傳感器技術(shù)和局域網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合的特點，利用了ZigBee無線通信功能。在此套教學(xué)設(shè)備的幫助下，能夠更好幫助學(xué)生了解ARM網(wǎng)關(guān)的應(yīng)用程序、ZigBee無線通信協(xié)議以及無線傳感器節(jié)點的系統(tǒng)等方面內(nèi)容，研究相關(guān)的傳感器節(jié)點所使用的嵌入式操作系統(tǒng)相關(guān)內(nèi)容，還包括其中的通信模塊、傳感器模塊等。

在此物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)設(shè)備系統(tǒng)中傳感器節(jié)點主要包括霍爾、雨量、煙霧和紅外為開關(guān)型；光照、濕度、溫度為數(shù)據(jù)型；晾衣桿、電動窗簾、電燈為電氣型等。其中一些典型的操作包括，ZigBee無線通信協(xié)議的實現(xiàn)過程的研究，ARM網(wǎng)關(guān)的應(yīng)用程序探討，煙霧與紅外線傳感器的中斷響應(yīng)操作，溫度和濕度傳感器的數(shù)據(jù)采集工作等。另外，在研究ARM網(wǎng)關(guān)的應(yīng)用程序方面，應(yīng)該判斷傳感器節(jié)點接收無線網(wǎng)絡(luò)傳送的數(shù)據(jù)并存儲的有效性，掌握所提供的下行控制接口的作用；及如何處理接收到的節(jié)點數(shù)據(jù)等，以及傳感器的歷史數(shù)據(jù)的現(xiàn)實問題，通過曲線圖、工作表等，以及傳感器節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的顯示問題。最后，電器節(jié)點的開關(guān)狀態(tài)能否被ARM網(wǎng)關(guān)的應(yīng)用程序所有效進行控制的問題等。

1.2 解決問題分析

通過這次物聯(lián)網(wǎng)實驗教學(xué)設(shè)備，讓學(xué)生認識到，物聯(lián)網(wǎng)概念不僅僅是泛泛而談的理論研究，而是看得見摸得到的實際技能。

首先，在了解物聯(lián)網(wǎng)概念的基礎(chǔ)上，相關(guān)的基礎(chǔ)物聯(lián)網(wǎng)試驗在本實驗平臺上能夠獨立完成，還能在此基礎(chǔ)上，進行關(guān)于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的進一步開發(fā)工作；其次，不同種類的數(shù)據(jù)能夠通過各種傳感器的節(jié)點進行采集后獲得，學(xué)習(xí)這種軟硬件相互結(jié)合的模式特點；最后，利用設(shè)計好的良好的GUI進行顯示所采集到不同數(shù)據(jù)。

在此綜合性實驗過程中，學(xué)生能有效地掌握相關(guān)的數(shù)據(jù)庫技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)以及計算機操作系統(tǒng)，還包括涉及到的軟件開發(fā)等計算機技術(shù)。

2 智能家居實驗教學(xué)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)分析

2.1 硬件設(shè)計部分

在此系統(tǒng)中，系統(tǒng)是由1個Sink節(jié)點、1個監(jiān)控終端以及多個WSN節(jié)點組成。其中，對于WSN節(jié)點和Sink節(jié)點來說，都是按照CC2430芯片為核心的嵌入式的模塊。

對于Sink節(jié)點上運行的軟件來說，其主要是由通信模塊和串口模塊所組成的，操作系統(tǒng)為嵌入式，能夠完成中斷響應(yīng)以及任務(wù)的調(diào)度等功能，Sink節(jié)點和其他節(jié)點之間的無線通信主要是通信模塊實現(xiàn)的，Sink節(jié)點與上位機的串口通信也是通過串口模塊來實現(xiàn)的。對于WSN節(jié)點上運行的軟件來說，其主要是由通信模塊和傳感器模塊構(gòu)成，操作系統(tǒng)為嵌入式操作系統(tǒng)。能夠完成中斷響應(yīng)以及任務(wù)調(diào)度等功能；溫度和濕度傳感器數(shù)據(jù)相關(guān)采集工作則是由傳感器模塊完成，還包括相應(yīng)的煙霧與紅外線傳感器的中斷響應(yīng)操作；WSN節(jié)點和其他WSN節(jié)點之間的無線通信則是通過通信模塊得以實現(xiàn)。

2.2 軟件設(shè)計部分

對于直接影響到用戶體驗的軟件部分來說，軟件功能主要是完成分析數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)的功能，主要對于底層的傳感器所采集的數(shù)據(jù)，根據(jù)用戶需要進行相關(guān)處理。軟件部分的系統(tǒng)構(gòu)架主要包括以下幾個部分，服務(wù)器應(yīng)用程序開發(fā)、客戶端開發(fā)和ARM網(wǎng)關(guān)應(yīng)用程序開發(fā)。基于嵌入式的Wince 6.0操作系統(tǒng)，C#為采用的程序設(shè)計語言，數(shù)據(jù)庫位SQLCE。訪問本SQLCE數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和訪問本地數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，這是程序模塊訪問數(shù)據(jù)庫的兩種方式。這里區(qū)分用戶選擇數(shù)據(jù)庫的方式，是為了更好保證程序的可行性，再根據(jù)用戶需求，進行訪問數(shù)據(jù)庫的選擇，其中，c#中控件庫中的諸多控件會用在程序布局和功能設(shè)計中。

在一個功能界面上，所有功能程序能夠完成所有操作。從軟件的功能上區(qū)分，一般有以下三種方式：一是數(shù)據(jù)解析，包括解析采集到的原始數(shù)據(jù)，同時，通信的編解碼操作則在服務(wù)器與客戶端之間進行；二是通信傳遞，在有線網(wǎng)絡(luò)或是無線網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境下，客戶端與服務(wù)器能有多種方式的通信；三是控制與查看，保證多客戶端上的同步性，控制電器節(jié)點等，并進行拓撲結(jié)構(gòu)圖、曲線圖以及歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計等。

3 結(jié)束語

智能家居實驗教學(xué)系統(tǒng)體現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)中的實用性，是對物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)的一種探索和改革，對于物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)的方式起到一定積極作用。

[1]黃丹丹.中職物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)實踐體系研究[J].商情，2012(28).

G642

A

1003-5168(2014)03-0249-01

高芹（1980—），女，湖北荊州人，講師，碩士，研究方向：計算機嵌入式。

湖北理工學(xué)院校級科研項目（項目編號：12xjz41Q）。