物联网感知层模块实践教学研究

姚建峰+郭旭展+孙艳歌

摘要摘要：感知层是物联网的基础和核心，知识面广、课程难度大。为了提高感知层实践教学效果，提出了以系统设计能力为主线的实践教学系统，给出了核心课程的实践教学内容、要求和特色。经过多年的教学实践表明，该实践教学体系科学合理，有助于提高学生动手能力和创新能力。

关键词关键词：物联网；感知层；实践教学体系；课程群

DOIDOI：10.11907/rjdk.162176

中图分类号：G436文献标识码：A文章编号文章编号：16727800（2017）001019703

引言

物联网可分为感知层、网络层、数据处理层和应用层。感知层位于系统的最底层，完成对现实世界信息的采集与汇聚，是物联网系统的核心[1]。目前，大部分高校针对感知层模块开设的课程多、时间跨度大，学生在学习这些课程时，困难多、兴趣低、动手能力和设计能力差。为了改变这种教学现状，对物联网工程专业实践教学体系进行模块化分解，将实践教学体系分为：认知实践教学模块、程序设计与算法分析实践教学模块、感知层实践教学模块、网络层实践教学模块、数据处理层实践教学模块和应用层实践教学模块。根据各模块的教学目的，有针对性地开展实践教学，强化学生的知识综合运用能力、动手能力和设计能力。本文主要介绍感知层实践教学模块。

1感知层主要技术

感知层一般包括数据采集和数据短距离传输两部分。感知层首先通过传感器、RFID等设备采集外部世界的数据，然后通过ZigBee、WIFI、现场总线等技术将数据传输给网关设备。感知层主要技术包括：传感器技术、RFID技术、嵌入式技术、ZigBee技术等[2]。传感器是一种检测装置，通过敏感元件将检测的信息按照一定规律变换成电信号输出。RFID是一种自动识别技术，它利用射频信号通过空间电磁耦合实现无接触信息传递并通过所传递的信息识别物体。嵌入式技术是让物体具有“智慧”的一种关键技术，是将计算机直接嵌入到应用系统中，融合了计算机硬件技术、软件技术、微电子技术和通信技术等。ZigBee是一种短距离无线通信技术，具有功耗低、网络容量大、网络自组织能力强等特点[3]，在物联网中发挥着重要作用。

2感知层实践教学目的及内容

感知层实践教学的目的是能够根据实际需要，设计出科学合理的数据采集系统。一个完整的数据采集系统一般分为数据采集节点和嵌入式网关。数据采集节点负责数据采集，一般由传感器、单片机和无线通信接口组成。嵌入式网关是数据采集网络与外部网络的桥梁，负责数据的汇聚、处理和远程通信。从学生学习角度来看，主要掌握硬件开发技术和数据采集技术。信阳师范学院针对感知层开设的课程有：电子线路、数字逻辑、计算机组成原理、微机原理与接口、嵌入式系统、信号系统、传感器技术、无线传感网络、数据采集技术、 射频识别技术、ZigBee技术等课程。依据课程间的相互关系和实践教学目的，该模块实践教学可以细分为硬件课程群和数据采集课程群。

3硬件课程群实践教学实施方案

该课程群包括电子线路、数字逻辑、计算机组成原理、微机原理与接口和嵌入式系统5门课程，主要使学生掌握计算机硬件系统的结构和工作原理，使学生具有计算机系统硬件开发能力和针对具体硬件进行软件开发的能力。从知识体系结构上来看，电子线路和数字逻辑是基础知识层，让学生系统学习各类半导体器件、门电路、组合逻辑电路、集成元器件的基本原理和使用方法，使学生具备设计基本的放大电路、脉冲数字电路和运用现代电子技术设计数字电路的能力。计算机组成原理和微机原理与接口是基本原理层，主要让学生掌握计算机的组成原理、体系架构、指令系统、编程方法和接口技术，其中计算机组成原理侧重各个部件工作原理，微机原理与接口侧重于各个部件的应用。嵌入式系统是应用层，主要让学生掌握C51单片机、ARM微控制器的工作原理及使用，能够根据实际需要，设计出硬件电路，并针对硬件进行软件开发[4]。在以往的教学中，教师只注重本门课程知识的讲解，忽视了各门课程间的相互联系，以致于学生在学习基础知识课程时，不知道该门课程到底有何用处，在学习基本原理课程时，觉得上课内容枯燥乏味，以致学生基础不扎实，等到上应用课程时，又觉困难重重，教师不得不复习以前的基础知识和基本原理，导致课堂效率低、教学质量不高。为了改变这种现状，将这些课程作为一个系统并划分知识点，重新修改各门课程的教学大纲和实验大纲，对相互联系、交叉、重迭的教学内容进行优化整理，实现了课程间的无缝衔接，形成了一套前后衔接合理、重点突出、层次分明的课程体系。实践教学即要体现本门课程的教学重点，又要体现出该门课程在硬件课程群中的作用。为了培养学生的创新能力，每门课还增加了设计型和综合型实验。硬件课程群实践教学如表1所示。

VGA接口實验通过采用CPLD芯片EPM240T100进行Verilog设计使学生熟悉Verilog设计、掌握各种接口的特性，弥补传统实验中设计能力锻炼不足的缺点嵌入式

系统验证型嵌入式软件开发基础实验、I/O接口实验、串口通信实验、看门狗实验、I2C实验、Nand Flash实验采用实际硬件电路，熟悉和掌握以S3C2410为代表的ARM基本编程和实际功能验证使学生了解ARM体系结构和工作原理，提升编程能力，熟悉嵌入式系统的工作方式和特性综合型

设计型逻辑分析仪设计

数码相框设计通过FPGA芯片EP1C3T144初步掌握嵌入式系统的设计方法和实际项目经验通过数据采集、VGA显示、SD卡读写、图片解码、SDRAM控制等实际应用场景，使学生对电路设计和Verilog的掌握更加深入，涉及的嵌入式知识更加全面4数据采集课程群实践教学实施方案

该课程群包括传感器技术、信号与系统、RFID技术、ZigBee技术、无线传感网络技术、数据采集与处理技术等课程，主要让学生掌握传感器的基本原理、信号处理、数据采集技术、Zigbee技术等，使学生具有设计和开发数据采集系统的能力。由于数据采集技术主要介绍数据采集与处理系统的原理、设计方法、分析方法，使学生掌握基本的专业思想，为学生将来设计、开发、维护、使用数据采集系统打好基础，所以教学模式以课堂讲授为主，没有单独开设实验课。无线传感网络技术是以Zigbee技术、传感器技术和数据采集技术为基础，所以主要开设的是综合型设计型实验。数据采集课程群实践教学内容如表2所示。

综合型温度、压力、流速等传感器的选择和使用根据实际要求，选择合适的传感器，并设计相应的电路，并用单片机测量、显示不仅让学生掌握传感器的选择和方法，而且能够结合数据采集技术、单片机技术，提高学生综合知识运用能力Zigbee

技术设计型Zigbee无线單片机硬件实验根据实验目的和开发版硬件原理图，查阅无线单片机使用手册，编写程序并调试提高学生自学能力、针对硬件的编程能力和综合知识运用能力验证型Zigbee协议栈和组网实验结合Z-Stack程序流程图，读懂与实验内容相关的程序代码，并调试提高学生程序阅读能力和动手能力无线传感

器网络综合型

设计型针对智能家居、智慧农业、智慧仓储等领域，开发数据采集系统针对自选的应用领域，设计出数据采集系统的结构，并完成数据采集节点的软、硬件开发。提高学生的动手能力、综合知识运用能力和创新能力RFID技术验证型高频、超高频、低频数据标签的读写对高频、超高频、低频数据标签的进行读写、设置密码、更改密码等操作掌握RFID数据标签的基本操作设计型设计一个RFID读写器任选一个频段，设计一个RFID读卡器，给出详细的硬件、软件设计方案提高学生的动手能力和综合知识运用能力

5感知层综合实践教学

感知层综合实践教学模块是在感知层所有相关课程学习完后开展的综合性实践教学活动，一般在第7学期开展。学生根据自己兴趣和就业方向，选择不同的模块开展实训。学生可以选择在校外实习实训基地完成，也可以在校内实训室完成。如果选择在校外，学生在校外实习基地的兼职教师指导下完成项目实训任务，如果选择在校内，则由专业教师指导完成实训任务。信阳师范学院在感知层方面提供智能家居、智能农业、智能水利等项目供学生选择，学生也可以根据自己的兴趣自选项目。

6结语

物联网感知层涉及电子技术、嵌入式技术、传感器技术、短距离通信技术等，知识面广、难度大，因此，大部分院校开设了大量与感知层相关的课程。为了提高教学效果，提高学生的动手能力和创新能力，信阳师范学院针对物联网工程专业开展了模块化实践教学体系研究，针对该模块开展有针对性的实践教学活动，增加了大量综合型设计型实验教学内容，着重培养学生的设计能力和创新能力，取得了良好效果，值得借鉴。

参考文献：

[1]王晓晔，温显斌，肖迎元.物联网专业感知层课程群的建设[J].中国轻工教育，2015（3）：9092.

[2]王晓喃，钟珊，严海英.物联网工程专业人才培养的思考与探讨[J].常熟理工学院学报：教育科学，2011（12）：1618.

[3]姚建峰，柳春华.基于Zigbee技术的智能家居系统设计[J].信阳师范学院学报：自然科学版，2014（27）：299302.

[4]惠丽，吴玲，于丽萍.计算机专业硬件课程体系建设的优化与改进[J].黑龙江教育：高教研究与评估，2013（4）：4556.责任编辑（责任编辑：孙娟）