“无线传感网络”课程教学研究

潘 勇 熊 江 陈晓峰

（重庆三峡学院计算机科学与工程学院，重庆万州 404100）

物联网（Internet of things，IOT）的概念是在1999年提出的，根据2005年国际电信联盟（ITU）的定义，物联网主要解决物与物（Thing to Thing，T2T）、人与物（Human to Thing，H2T）、人与人（Human to Human，H2H）在任何时间、任何地点之间的互联[1].这一高度交叉的新兴前沿领域在国际国内均备受关注.2010年，教育部公布了通过审批的140个高等学校战略性新兴产业相关本科新专业，当年即有50多所本专科院校开设了物联网工程或相关专业.随着2014年国务院提出引导一批普通本科类院校向应用技术型转型的指导思想，本科院校特别是地方本科院校培养应用型人才的目标将更加清晰，紧密结合当地经济社会发展，加大前沿性交叉性专业学科建设，办出特色，培养出具备综合素质的跨学科人才成为当务之急.建设一个具备自身办学特色的物联网工程专业应符合以上要求.那么如何培养出满足社会需求、适应经济发展，应用型高素质物联网技术人才已成为教学研究的重要课题.通过几年来对物联网工程类课程，特别是其核心课程“无线传感网络”的教学与研究，笔者认为应该从课程设置、教学方法、综合素质培养三个方面进行研究与探索.

1 课程设置

信息采集、信息处理和信息传输，这三个部分构成了信息产业的三大支柱，也正是物联网产业的三个组成部分.电子信息科学与技术、计算机科学技术和通信工程这三个专业正好对应了物联网三大支柱领域[2].根据无线传感网络的定义，无线传感器网络负责实现数据采集、处理和传输三种功能，而这正对应着现代信息技术的三大基础技术，即传感器技术、计算机技术和通信技术，它们分别构成了信息系统的感官、大脑、和神经三个部分.无线传感器网络正是这三种技术的结合，可以构成一个独立的现代信息系统[3].

目前大多数高等院校的物联网工程专业都开设了“传感器技术与应用”、“单片机原理与应用”及“通信原理”三门课程，“传感器技术与应用”集中在信息采集、“单片机原理与应用”讲解信息处理与系统控制，而“通信原理”则讲授的是信息传输.如上所示，这三门课程正好又构成了“无线传感网络”这门课的基础.所以要讲授无线传感网络课程，必须对“传感器技术与应用”、“单片机原理与应用”及“通信原理”这三门课程都有比较深入的把握，在此基础上才能讲好“无线传感网络”这门课程.

大多数高等院校的物联网工程专业都依托的是计算机科学与技术学科，针对计算机学科特点，“传感器技术与应用”应该更侧重于技术应用部分，讲授此课程时应该着重给计算机的学生讲解传感器的技术性能指标与选用原则，特别是集成化智能传感器的功能与特点及其和单片机的接口与编程，而不必过于关注传感器的内部结构设计.“单片机原理与应用”则要重点讲授，因为单片机是无线传感节点的控制核心，信息的采集、处理还有传输均在其控制下完成.当前可作为无线传感网络节点控制核心的单片机，已主要形成了8051系列、AVR系列、PIC系列与MSP430系列四大类，ARM系列由于能耗的问题，目前大多数用来制作网关.笔者多年的授课均选用了经典的8051内核单片机进行讲解，一来该机型使用历史悠久，很多国内高校依然选择其作为单片机讲授的主流机型；二来该机型的资料最为丰富，入门也简单，学生掌握以后可以触类旁通，举一反三，遇到设计难题也容易利用网络资源去解决；三是目前的无线单片机的发展，很多均采用8051内核，比如TI生产的最新的运行Zigbee协议栈的CC2530单片机系列即是8051内核，所以该单片机并未退出历史舞台，在现实中也有大量使用的范例.在讲解该课程的时候要结合工程应用实际，比如讲解定时计数器部分，重点讲解工程设计常用的定时方式1（16位定时）和方式2（8位自动重装定时），而很少用到的方式0和方式3则简单介绍，从而使学生迅速把握课程重点.单片机程序设计语言方面一开始就以讲授C程序设计语言为主.因为C语言已经是目前嵌入式开发的主流.在课程讲授的过程中，除了对 8051系列的传统资源进行讲授外，对新的增强性能也要进行介绍，如I2C、SPI、集成模数转换器、多串口的概念和用法，这样可以迅速的过渡到最新的机型，有利于学生实验和设计开发.《通信原理》要重点突出数字通信，其中数字载波通信是重点，因为当前工程应用的无线通信芯片如Nordic公司生产的NRF905、NRF24L01均采用的是 GFSK调制，TI生产的 CC1101、CC2530分别支持 OOK、ASK、FSK调制，学生有了以上的知识储备，就对芯片的使用和设计有了进一步的认识，从而能在使用相应芯片进行设计的时候，充分发挥芯片的特点和学生自己的创造性.另外在通信原理讲授中，对于FDMA、TDMA和CDMA的思想也要讲解透彻，这是网络通信防冲突的一些基本解决手段.

有了以上三门课程的基础，“无线传感网络”课程讲授便会变得事半功倍.当前使用的无线传感网络的很多本科教材，有的涵盖深奥的算法或涉及多个专业的内容，硕士和博士研究生都未必能看懂.教学的目的应是授之以渔，而不是授之以鱼，广而全反而会把初学的学生吓跑，关键是培养学生兴趣[4].因此，选择一本适宜普通高等院校本科生学习无线传感网络的教材，从应用角度出发，以实践为主，提高动手能力，才能满足网络软硬件开发的要求.

2 教学方法

物联网工程作为工程类专业，“无线传感网络”课程是一门应用性很强的课程，要想学好，需要紧紧抓住一点，就是理论与实践相结合.所以要摈弃传统的只注重知识灌输，照本宣科似的教学方法，教学要紧扣应用这一大前提.实验课绝不能是理论课的附庸，而是和理论课互相支持，互相促进的重要课程[5].

以“无线传感网络”为例，在学生具备了传感器、单片机和通信技术的基础后，可随着无线传感网络理论课程的进度，指导学生根据学到的知识，自行设计制作一个小的无线传感节点，包括选择一款经典的智能传感器实现传感功能，一款增强型8051单片机作为处理器，一款无线通信芯片实现联网.笔者在教学中为学生选择的是智能温度传感器DS18B20、STC12单片机和NRF24L01通信芯片这一节点组合.以上三款芯片都是目前工程应用的主流，同时使用方便，资料丰富.笔者为学生提供一块笔者本人测试通过的电路板.在理论章节讲解完后，则突出讲解一款与之配套的实用的芯片原理与使用方法.

学生从第一次实验开始，尝试自行焊接和组装自己的节点.然后在该节点基础上完成点对点通信实验，传感器数据采集实验，通信组网实验.两个学生一组可进行点对点实验，多个学生一组又可以进行组网实验，在底层驱动程序实现无误的情况下，可以尝试较大型的通信协议软件开发，比如移植成熟的Modbus协议.通过这个过程，可以培养学生对无线传感网络从硬件到软件整套的开发经验.由于课时和条件限制，虽然实验课程引入的只是简单的采集，处理与通信组网，但却能让学生对无线传感网络有一种直观而感性的认识，有利于激发学习兴趣和积极性.同时也有利于学生综合使用以前学习的课程知识，对培养学生的动手能力，编程能力，灵活运用知识的能力有很好的效果.而这正是应用技术型本科培养的目标.

理论课讲授要紧扣应用，着眼于学生创造性思维和工程素质的培养.及时的理论阐述和剖析，反过来又会对学生在实验结果的理性认识方面给予指导.理论课讲授要充分的利用现代化信息手段，将最前沿的知识带入课堂[5].当前物联网技术日新月异，新的芯片、产品以及应用层出不穷，所以作为教师要主动跟踪发展形势，也要及时向学生传播最新知识.同时不忘发动学生的主观能动性，让学生也主动去搜集，去学习.这样教学相长，才能使课程始终处于应用的前沿而不至于老化.

3 物联网工程需要的综合素质

作为工程类专业，在教学过程中，教师应该以培养合格的物联网工程师作为学生综合素质培养的目标.按照“知、情、意、行”四方面的全面素质要求[6]，培养学生对于成为合格工程师所需要的对工程方案技术上能否实现，法规是否允许，环保是否达标，是否具备经济价值的认知能力，培养学生对工程设计的事业心和责任感，培养学生对质量、安全、协作的工程意识，培养学生沟通交流、获取信息及分析、判断和解决问题的行为能力.当然，学生的个人发展需求千差万别，因此，教师在教学过程中也要注意因材施教.

4 结 语

物联网工程专业不是以理论为主导，其重点在于工程应用.作为物联网技术重要支撑的无线传感网络课程的教学要以应用为驱动，不断调整课程内容，形成自己的特色.教学实践证明，以应用为主旨的教学，有利于激发学生的兴趣，有利于培养学生的动手能力，编程能力，灵活运用知识的能力，而且收到了很好的效果.因此，需要在此基础上继续探索，结合国务院引导普通本科向应用技术型转型的要求，把学生培养成为基础知识扎实，动手能力强，工程素质高的应用型复合型人才.

[1]朱金秀，韩光洁，朱川，等.物联网工程专业课程体系的研究与探索[J].中国电力教育，2012（16）：67-68.

[2]叶苗.高校物联网工程专业设置的思考[J].电脑知识与技术，2011（28）：7046-7048.

[3]吴功宜.对物联网工程专业教学体系建设的思考[J].计算机教育，2010（21）：26-29.

[4]马忠梅，孙娟，李奇.物联网工程专业课程体系与实践探讨[J].单片机与嵌入式系统应用，2011（10）：1-4.

[5]孙开畅.就业能力与创新精神的融合——“水利工程施工”课程教学改革研究[J].三峡大学学报：人文社会科学版，2013（S1）:170-172.

[6]宋娟.地方院校建筑结构类课程教学研究[J].重庆三峡学院学报，2013（3）：131-133.