基于Android手机的新型物联网教学仪器设计探索

孔全存 刘桂礼 梁 帆 郎晓萍

1.北京信息科技大学仪器科学与光电工程学院 北京 100192

2.天津职业技术师范大学天津市信息传感与智能控制重点实验室 天津 300222

现代教育技术与装备

基于Android手机的新型物联网教学仪器设计探索

孔全存1刘桂礼1梁 帆2郎晓萍1

1.北京信息科技大学仪器科学与光电工程学院 北京 100192

2.天津职业技术师范大学天津市信息传感与智能控制重点实验室 天津 300222

近年来，随着开源Android智能手机的快速发展，传统物联网教学仪器成本高、更新淘汰率快、效能利用率低等问题愈加凸显，造成物联网教学仪器与实际应用相脱节等现象。通过对传统物联网教学仪器中存在问题的分析，结合未来发展趋势，对其进行结构优化，设计了一种基于Android手机的新型物联网教学仪器，并在物联网环境温度监测系统上开展了有效的探索与实践。初步测试实验表明，新型物联网教学仪器具有结构简单、通用性、可扩展性以及开放性好等优点，具有较高的实用价值。

教学仪器；物联网；Android手机；结构优化；测试实验

近年来，随着信息技术的快速发展，基于PC的物联网技术在教育行业得到广泛应用[1]。物联网技术中基于应用软件和嵌入式系统的现代化设备打破了高校教学方式的原有格局[2]。随着高校教学改革的不断深入，教学方式逐渐向现代化、信息化、多元化方向发展，物联网教学仪器在教学实践中的地位也越来越凸显[3,4]。而随着物联网技术的不断发展，当前基于PC机的物联网终端逐渐被移动设备所替代，尤其是近年来开源Android系统的发展更加速了这一进程，Android智能手机逐渐转变成物联网终端设备，成为物联网教学仪器中不可或缺的重要组成部分[5]。

当前，物联网教学仪器已呈现出与时俱进的多功能态势，虽然教学辅助手段得到较大满足与优化，但采用被广泛应用的Android智能手机，作为物联网教学仪器的设计甚少，且开设的与之相关实验也较少，造成物联网教学仪器与实际应用不一致等问题[6]。同时，传统物联网教学仪器成本较高、更新速度较快，造成很多教学设备还未充分利用，就将面临被淘汰的局面，效能利用率较低[7]。本文通过对传统物联网教学仪器存在问题的分析，在思考如何利用好现代化、信息化的物联网教学仪器装备辅助教学，提升教学质量的同时，探讨如何利用现代科技手段对传统的教学仪器进行结构上的设计优化，为解决基于Android手机的物联网教学仪器不足和大批教学仪器集体淘汰的问题，设计了一种新型的物联网教学仪器，并开展了有效的探索与实践。

1 传统物联网教学仪器设计中存在的问题

(1)物联网教学仪器是融合传感器技术、嵌入式系统、分布式信息处理技术、无线通信技术和智能控制等先进技术的物联网产品[8]，它具有较多外围设备，如Wi-Fi模块、ZigBee模块、射频模块、摄像头和蓝牙等模块。厂商为了实现多功能和缩短开发周期，通常将具有不同功能的外围设备集中设计在同一电路板上，这样造成了电路板体积大，携带不便，操作不灵活，且成本高，硬件可配置性较低等问题。

(2)物联网教学仪器具有众多的外围设备，开发人员在进行设计时，都为其留下了独有的接口，这些接口固定在实验板上，出厂时布线都已经确定，难以进行二次更改[9]。如果某个器件出现问题，整个模块功能就无法实现，影响实验效果。此外，器件更换也很麻烦，甚至一些根本无法更换，造成维修困难的局面，无形之中增加成本并影响仪器使用寿命。

(3)现有物联网教学仪器的设计仍未摆脱传统教学仪器的设计思想，在功能、结构等方面过分强调“与教材一致”[10]。教学仪器中的各部分功能是由厂家先行设计并出厂封装好的，学生在潜意识中会认为某一接口为特定外设设计；同时缺乏对学生自主实验设计支持的多样性和灵活性，致使“学”与“做”不能尽快融会贯通，导致教学效果大打折扣。

2 未来物联网教学仪器的发展趋势

(1)仪器模块通用性强。未来物联网教学仪器的外设选用元件作为基本单元，主控单元采用独立核心板的设计思路。独立核心板通过与不同元件进行各种组合，拼搭成各种实验设备，以完成不同的实验任务；且当实验仪器中某个部件或元件出现故障的情况下，能够相互替换。

(2)实践形式的扩展性和开放性好，物联网教学仪器的内容不仅局限于课本范围内。教学仪器可扮演学生依据个人兴趣、爱好，在课外自主发展、学习过程中重要工具的角色。物联网教学仪器为物联网教学提供硬件支持，在基础实验之后，学生可根据自身条件或学习兴趣，购买一些特殊的外围设备，根据自己的想法组合需要的系统，开展创新实践的不断探索[11]。

(3)物联网教学仪器应增强直观性，并尽可能地体现实验中的基本操作及其探索过程。提供不同的实验方案，并充分运用信息技术，避免使用暗箱操作的器材，增加教学仪器的“透明度”[12]。

3 新型物联网教学仪器的模块化设计

当前的物联网教学仪器大都采用传统设计思想，外围设备和核心芯片设计在一块电路板上，实验板体积大，实验操作不便，而且接口不可扩展。此外，大部分物联网教学仪器并不是将正被广泛使用的智能手机作为实验终端而进行专门设计的，它带有较多不必要的硬件，增加了设备成本，浪费了有效资源。结合未来物联网教学仪器通用性和扩展性好、教学过程直观性强的发展趋势，对传统教学仪器进行结构优化设计，提出了一种物联网教学仪器模块化设计思想，并根据该思想设计了一种基于Android智能手机的新型物联网教学仪器，其总体结构如图1(a)所示，新型物联网教学仪器主要由Android智能手机(12)和独立核心板(1)等模块构成。

图1 新型物联网教学仪器的结构示意

图1(b)为结构优化设计的独立核心板。(1)结构示意图，其主要包括电源接口；(2)Micro USB接头；(3)电源开关；(4)仿真器下载口；(5)PL2303HXD芯片；(6)STM32f103zet6芯片；(7)仿真器下载口开关；(8)复位按钮；(9)I/O口引脚接口；(10)LCD模块接口等。

基于Android手机的新型物联网教学仪器的功能在于，通过对STM32核心芯片进行编程实现不同外围设备的控制，并采用USB转串口和OTG (On-The-Go)技术将指令实时传送到手机端，在手机上进行软件设计，实现二者的双向通信，进而完成不同的物联网教学实验与创新项目探索。该物联网教学仪器经特殊结构和电路设计实现手机与嵌入式设备的通信，接口设计成标准的Micro USB接口，与手机数据线接口一致，保证与Android智能手机的物理接口兼容。在该模块上设计有仿真器下载口，可使用计算机完成STM32软件设计，并通过该口下载到核心芯片中，进行实验调试。为达到实验操作的灵活性、节省成本和提高物联网教学仪器利用率的目的，该模块提供外围设备的接口，所有外围设备都是可选的，通过对不同外围设备进行组合，并接插在接口引脚上，就可完成物联网实验的硬件搭建，打破了原有物联网教学仪器的设计格局，使得设计出的新型物联网教学仪器具有模块通用性好、实践形式扩展性好和教学过程直观性强等特征。

新型物联网教学仪器结构优化的设计思路具有如下特点。第一，在结构设计上，采用“通用手机设备+定制核心板+自构外设元件”的模块化设计，将正被广泛使用的开源Android智能手机作为通用终端，定制的独立核心板为中间件，与外设功能元件共同构成实验平台。将手机终端、核心板与外围设备相互分离，降低了电路板复杂性和制造成本，使仪器各部件功能明确、结构突出、形象直观，进而吸引学生注意力，激发学生创新思维， 使教学仪器充分发挥知识载体的作用，遵从教学过程中的认知规律。第二，在工艺设计中，贯彻标准化、通用化、系列化原则，使基础元件的生产、供应纳入“三化”轨道[12]，不但能提高元件质量，而且容易维修，更换方便。第三，在教学内容上，既可高效地测试硬件传感器，传输模块，更方便地实现动态组网，移动监控等物联网实验。第四，该设计思想既顺应了教学仪器改革的发展趋势，又符合教学仪器设计原则，是教学仪器发展的必然要求。采用该实验模块进行组合教学，学生根据实验要求搭建自己的系统硬件，这样可大大提高课堂教学效率，提高学生的学习兴趣，促进学生动手能力的不断提高。另外，随着科技发展和知识更新，教学仪器中某一模块的淘汰替代了整个实验箱的淘汰，而且在使用过程中不同实验箱的相同模块可以相互替换，在节省设备资金投入的同时，减少了资源浪费。而要真正做到“减负增效”，还需要在教学仪器的改革方面不断完善与推广，这也是我们接下来继续努力的方向。

4 新型物联网教学仪器中典型模块的测试实验

为了验证基于Android手机设计的新型物联网教学仪器的有效性，在基于ZigBee的物联网环境温度监测系统上，开展了物联网教学仪器典型模块的测试实验，实验系统总体结构如图2所示。基于ZigBee的物联网环境温度监测系统主要由温度串感器模块(终端节点)、协调控制器(数据汇聚模块)、物联网教学仪器核心板模块、Android手机等部分构成。其中，温度传感器模块实现温度数据的采集、存储、上传；数据汇聚模块负责ZigBee网络的组建，进而实现温度传感器与物联网教学仪器核心板间的数据无线传输；物联网教学仪器核心板模块通过控制指令的发送、接收及数据处理，完成对温度监测的编程与实现；Android手机上的物联网教学实验APP可以实时的监测各节点的环境温度，并通过折线图动态描绘出温度变化趋势。

图2 物联网环境温度监测系统的总体结构

在测试实验中，系统的硬件连接如图3(a)所示。其中，温度传感器模块包括温度传感器和ZigBee终端节点，温度传感器模块与数据汇聚模块以及物联网教学仪器核心板模块连接，完成系统硬件的通信。通过仪器核心板模块上Micro USB接口连接Android手机，将采集到的温度数据实时显示在Android智能手机的物联网教学实验APP上，实现系统的交互。

图3 物联网环境监测系统测试实验

图3(b)所示为物联网教学实验APP的用户界面，用户控制程序运行于Android系统应用层，用户控制程序通过接收用户的输入操作，生成相应的控制指令然后通过串口线发送到物联网教学仪器核心板模块上的STM32控制器，STM32控制器完成控制指令解析，并依据解析结果实现对不同外围设备的控制。物联网教学实验APP中包含多个物联网实验，其中基于ZigBee的物联网环境温度监测系统实验数据显示界面如图3(c)所示。

在上述实例中，基于Android手机的新型物联网教学仪器与传统实验仪器相比，将广泛使用的智能手机作为实验终端，实现了实验编程与智能手机数据监控相结合，实验过程灵活方便，学生通过利用此物联网教学仪器外围设备接口，很容易搭建适合自己的学习平台，组合出不同的功能模块，完成不同的实验任务。基于Android手机的新型物联网教学仪器很好地体现了物联网的三层特征，其中设计包含传感层、传输层和应用层的典型实验。感知层实验，例如温度传感器实验，主要让学生了解核心板硬件结构；传输层实验，例如无线信号传输实验，主要是学习ZigBee网络的组网过程；应用层实验，例如网络开发实验，主要是学习软件设计和数据库的开发。同时，系统软件具有形象简洁的交互界面，对温度参数进行了实时显示，折线图方便用户记录环境温度的动态过程。在此基础上，学生可以根据实验需要自己搭建系统硬件，增加监测的环境参数，这样可以大大提高课堂教学效率，提高学生的学习兴趣，促进学生动手能力的不断提高。学生通过此物联网教学仪器学习物联网不同层次的知识，由易到难，由简到繁，提高学生的学习兴趣和创新能力，有利于物联网专业人才的发掘和培养。

5 结束语

初步探索实践表明，基于Android手机的新型物联网教学仪器设计简单合理，学生可以根据实验需要自由选择外围模块构建物联网控制系统，还可以自行设计其他的扩展功能模块，并与现有模块一起使用构建新的物联网控制系统，具有很好的灵活性、开放性、扩展性。该教学仪器的投入应用将会大大提高学生的物联网控制系统的应用开发能力和创新能力，具有较高的实用价值。

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Exploration and Practice of a New Teaching Instrument Designed for Internet of Things Using Android Mobile Phones

Kong Quancun1,Liu Guili1,Liang Fan2,Liang Xiaoping1
1.School of Instrumentation Science and Opto-Electronics Engineering,Beijing Information Science and Technology University,Beijing,100192,China
2.Tianjin Key Lab of Information Sensing and Intelligent Control,Tianjin University of Technology and Education,Tianjin,300222,China

With the fast development of open source Android smartphone in recent years,traditional Internet of Things (IoT) teaching instruments have some disadvantages of high cost,fast update and obsolescence rate,low effective utilization ratio,which directly causes the disjunction between IoT teaching instruments and practical application,etc..In this paper,by analyzing the problems in traditional IoT teaching instruments and combining with its developing trend,a new IoT teaching instrument based on the Android mobile phones has been designed by optimizing the structure of the current one.And some effective exploration and practice are carried out in the IoT of environmental temperature monitoring system.The testing experiments show that the new IoT teaching instrument has some advantages of simple structure,good universality,expansibility and openness so on,and is of higher practical value.

teaching instrument;IoT;Android phone;structure optimization;testing experiment

孔全存，博士，副教授。

2016年北京高等学校高水平人才交叉培养“实培计划”毕设(创业类)项目；2015年北京信息科技大学教学改革项目(编号：2015JGYB10)；2016年北京信息科技大学促进高校内涵发展-教学改革-仪器科学与光电工程学院教改项目；北京信息科技大学2017年度教学改革立项资助(编号：2017JGYB11)。