基于工作过程的无线传感器网络课程建设研究

张晓东++李想

摘要：阐述了无线传感器网络课程在物联网应用技术专业的重要性，提出了以工作项目为引领，实际任务为驱动的课程建设思路，从基于ZIGBEE的智能家居无线传感网络系统出发，构建了三位一体的课程标准，此标准的建设，解决了无线传感器网络教学理论与实践、教学过程与应用开发脱节的问题，增强了学生实际动手能力。

关键词：无线传感器 网络课程 建设研究

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2016）12-0105-01

无线传感器网络作为一个交叉学科，融合了传感器、嵌入式计算、现代网络及无线通信等技术，同时作为物聯网应用技术专业的专业核心课，在人才培养体系中起到承上启下作用。传统无线传感网络教学是在讲授理论知识后进行实验教学，这种教学方法对于高职学生存在的问题比较突出，理论理解不透彻，只能进行验证性实验。缺少实际项目，而不能进行综合应用。以工作项目为引领，实际任务为驱动，课堂教学项目化、实习实训生产化，学生一边上理论，一边进行实践技能训练，然后直接接触到无线传感器网络系统集成，真正实现了“教、学、做”一体化。

1 基于Zigbee搭建无线传感器网络智能家居系统的工作过程

搭建无线传感器网络智能家居工作过程为：需求分析，设备选型，线路施工，节点和协调器编程和烧写，物联网中间件软件实现，系统软硬连接，系统集成，系统测试。

1.1 需求分析

在远程主机或智能手机上能对室内空调无线启动关闭，远程调节温度，能对室内照明灯远程启动关闭。

1.2 系统总体结构

综合考察智能家居市场，选择了功能完善，易于安装和实现的奥尔斯智能红外（IR）学习传感器节点、智能输入输出（GPIO）传感器节点和MTP3730的Zigbee协调器。红外传感器节点通过红外探头与空调红外接收器连接，而红外传感器节点主要负责无线传感器网络采集空调状态信息和接收Niagara服务器发送的控制指令。普通输入输出传感器通过四通道继电器与照明电灯进行连接，将采集到照明电灯状态信息利用Zigbee无线通信方式发送给Zigbee协调器。Zigbee协调器是整个网络的中心节点，负责网络的建立和维护外，还对Zigbee无线网络与IP网络进行转换，接受传感器采集的数据通过IP网络传给Niagara服务器，同时发送Niagara服务器的控制指令给无线传感器节点。Niagara服务器是一台安装了Niagara平台的高性能计算机，负责上位机数据采集图形化以及控制界面应用化。

1.3 节点和协调器软件设计

无线传感器节点和协调器软件设计采用TI公司的Zigbee协议栈Z-Stack。 Z-Stack协议栈全面支持Zigbee、Zigbee PRO和Zigbee2007等协议，是一种基于轮转查询式的操作系统，它一共做两个工作，一个是系统初始化，即由启动代码来初始化硬件系统和软件构架需要的各个模块。微操作系统的运行做好准备工作，主要分为初始化系统时钟、检测芯片工作电压、初始化堆栈、初始化各个硬件模块、初始化FLASH存储、形成芯片MAC地址、初始化非易失变量、初始化MAC层协议、初始化应用帧层协议等十余部分。另一个就是开始执行操作系统实体。启动代码为操作系统的执行做好准备工作以后，就开始执行操作系统入口程序，并由此彻底将控制权交给操作系统，完成新老更替，自己则光荣地退出舞台。节点和协调器程序采用C语言编写。

1.4 Niagara平台系统集成

Niagara 是Tridium公司所研发的设计用于解决设备连接应用的软件框架平台技术。它是一种应用框架，用于各种智能设备到上位机应用的连接。Niagara创造了一个通用的环境，几乎可以连接任何智能嵌入式设备或系统，而不用考虑设备制造厂商的各种通信协议，它将不同的通信协议转换成统一的标准软件组件，通过软件组件和IP协议结合，实现智能设备和Internet之间的双向通信，从而形成智能设备企业级的应用开发。首先在Niagara中创建一个station站点，其次在config配置界面下设计空调和照明电灯的图形UI界面，在空调和照明电灯的UI界面上做逻辑变量，一共设计了五个逻辑变量分别对应一个空调和四个照明电灯，然后，将逻辑变量与图形UI界面进行link链接，这就是输出设备的建立过程。下面就是要建立输入设备的过程，因为输入设备与Zigbee协议器建立连接，需要将奥尔斯为连接协调器而开发的Niagara中间组件IOTP加载到Niagara的station中，在IOTP文件夹下双击Host查找一个空调和四个照明电灯这些终端传感器节点。在每个设备上建立与输出图形界面的连接，决定数据发送端和数据接受端。最后在协调器上设备IP地址和与五个终端传感器一致的PID。

1.5 系统软硬连接和测试

首先将终端传感器节点通电，并通过奥尔斯集成工具CAL进行节点PID的烧写和测试，主要目的是验证设备是否正常工作，是否与无线传感器网络协调器进行通信。其次，将无线网络协议器一端通过有线网络与无线路由器相连，另一端通过zigbee通信方式无线与终端设备相连，无线路由器与Niagara服务器进行连接，要保障Niagara服务器、无线路由器、无线网络协议器在同一网络。最后打开Niagara服务器的IE浏览器输入Niagara的station站点的IP地址，进行功能性测试。在测试过程中，要保障通信的双向性，一是空调和照明电灯的状态能通过zigbee无线网络采集到Niagara的UI界面上。二是Niagara能对终端采集设备发命令，控制空调和照明电灯的开或关。

2 结语

无线传感器网络课程教学内容跨度大、难度高，要激发学生的学习惯兴趣，必须在真实的教学环境下进行基于工作过程的教学，从终端设备的安装、调试到zigbee编程以及Niagara中间件的连接，这种基于工作过程的实训教学环境的提出，能够调动学生的积极和主动性，能够很好地将理论和实践相结合。

参考文献

[1]杨玺.基于项目驱动的无线传感器网络教学模式探索[J].考试周刊，2013（61）：111-112.

[2]李小龙.无线传感器网络实验教学研究[J].电脑知识与技术，2014，10（33）：7964-7965.