面向物联网的本科实验教学改革探讨

2014-04-04高芹

河南科技 2014年4期

关键词：网关智能家居嵌入式

高芹

（湖北理工学院计算机学院，湖北黄石 435003）

面向物联网的本科实验教学改革探讨

高芹

（湖北理工学院计算机学院，湖北黄石 435003）

目前的物联网教学存在一定的理论脱离实践情况，本文提出利用ZigBee无线通信功能基础，把局域网技术和无线传感器相互结合，设计智能家居实验教学系统，特别适合面向物联网的本科实验教学。为实现家居智能，通过移动终端等设备远程方式，或是局域控制房间中部署的传感器进行，通过此系统，使学生学习物联网兴趣大大增加。

物联网；智能家居；实验教学系

本文在结合物联网教学特点的基础上，通过智能家居实验教学系统来对物联网教学改革进行一定的探索。物联网教学设备的基本功能是通过基于ZigBee-1通信的嵌入式系统而进行开发，目的就是能够让学生了解身边的物联网。

1 研究目标与问题

1.1 研究目标

在本物联网设备系统中，采用WINCE操作系统（嵌入式），此软硬件结合设备能够包括传感器节点状态、无线传感器网络通信技术、数据分析等功能。整个系统网络的构成，充分体现出无线传感器技术和局域网技术相结合的特点，利用了ZigBee无线通信功能。在此套教学设备的帮助下，能够更好帮助学生了解ARM网关的应用程序、ZigBee无线通信协议以及无线传感器节点的系统等方面内容，研究相关的传感器节点所使用的嵌入式操作系统相关内容，还包括其中的通信模块、传感器模块等。

在此物联网教学设备系统中传感器节点主要包括霍尔、雨量、烟雾和红外为开关型；光照、湿度、温度为数据型；晾衣杆、电动窗帘、电灯为电气型等。其中一些典型的操作包括，ZigBee无线通信协议的实现过程的研究，ARM网关的应用程序探讨，烟雾与红外线传感器的中断响应操作，温度和湿度传感器的数据采集工作等。另外，在研究ARM网关的应用程序方面，应该判断传感器节点接收无线网络传送的数据并存储的有效性，掌握所提供的下行控制接口的作用；及如何处理接收到的节点数据等，以及传感器的历史数据的现实问题，通过曲线图、工作表等，以及传感器节点的网络拓扑结构的显示问题。最后，电器节点的开关状态能否被ARM网关的应用程序所有效进行控制的问题等。

1.2 解决问题分析

通过这次物联网实验教学设备，让学生认识到，物联网概念不仅仅是泛泛而谈的理论研究，而是看得见摸得到的实际技能。

首先，在了解物联网概念的基础上，相关的基础物联网试验在本实验平台上能够独立完成，还能在此基础上，进行关于物联网设备的进一步开发工作；其次，不同种类的数据能够通过各种传感器的节点进行采集后获得，学习这种软硬件相互结合的模式特点；最后，利用设计好的良好的GUI进行显示所采集到不同数据。

在此综合性实验过程中，学生能有效地掌握相关的数据库技术、嵌入式系统以及计算机操作系统，还包括涉及到的软件开发等计算机技术。

2 智能家居实验教学系统关键技术分析

2.1 硬件设计部分

在此系统中，系统是由1个Sink节点、1个监控终端以及多个WSN节点组成。其中，对于WSN节点和Sink节点来说，都是按照CC2430芯片为核心的嵌入式的模块。

对于Sink节点上运行的软件来说，其主要是由通信模块和串口模块所组成的，操作系统为嵌入式，能够完成中断响应以及任务的调度等功能，Sink节点和其他节点之间的无线通信主要是通信模块实现的，Sink节点与上位机的串口通信也是通过串口模块来实现的。对于WSN节点上运行的软件来说，其主要是由通信模块和传感器模块构成，操作系统为嵌入式操作系统。能够完成中断响应以及任务调度等功能；温度和湿度传感器数据相关采集工作则是由传感器模块完成，还包括相应的烟雾与红外线传感器的中断响应操作；WSN节点和其他WSN节点之间的无线通信则是通过通信模块得以实现。

2.2 软件设计部分

对于直接影响到用户体验的软件部分来说，软件功能主要是完成分析数据、处理数据的功能，主要对于底层的传感器所采集的数据，根据用户需要进行相关处理。软件部分的系统构架主要包括以下几个部分，服务器应用程序开发、客户端开发和ARM网关应用程序开发。基于嵌入式的Wince 6.0操作系统，C#为采用的程序设计语言，数据库位SQLCE。访问本SQLCE数据库服务器和访问本地数据库服务器，这是程序模块访问数据库的两种方式。这里区分用户选择数据库的方式，是为了更好保证程序的可行性，再根据用户需求，进行访问数据库的选择，其中，c#中控件库中的诸多控件会用在程序布局和功能设计中。

在一个功能界面上，所有功能程序能够完成所有操作。从软件的功能上区分，一般有以下三种方式：一是数据解析，包括解析采集到的原始数据，同时，通信的编解码操作则在服务器与客户端之间进行；二是通信传递，在有线网络或是无线网络的环境下，客户端与服务器能有多种方式的通信；三是控制与查看，保证多客户端上的同步性，控制电器节点等，并进行拓扑结构图、曲线图以及历史数据统计等。