智能沙盘在物联网专业教学中的应用研究

王鸿彬

摘要：该文将物联网技术在车辆管理和智能农业实际应用中的工作过程，运用传感器技术、RFID技术、无线网络通信技术、单片机开发技术、数据库开发技术、以及目前专业领域较为前沿的ARDUINO、CC2430 SoC开发平台等技术将实际应用中的工作过程进行微缩，设计制作了智能化的沙盘并将该沙盘移植到物联网应用技术实训室，用以辅助物联网应用技术专业的专业核心课程教学，用看得见，摸得着的实物充分激发学生的学习兴趣，调动学生的积极性，进而促进学生对专业课程体系内知识的理解与应用，在以体验为基础的教学过程中，对沙盘功能进行分解、学习、吸收与创新，实现“学中做、做中学”。

关键词：RFID；智能沙盘；物联网；物联网教学

中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）30-0267-02

1 概述

本文着重的研究如何设计并实现符合真实情况的物联网沙盘，并根据研究内容完成基于ZigBee技术以及基于Arduino/RFID技术的两套沙盘系统。系统具有代表性的开发环节，可以以此模拟真实工作环境，明确学生的学习目标、提高学生的学习兴趣以及自主学习的动力。

怎样使学生能够掌握复杂具难度的物联网技术，如何使用综合案例让学生学习物联网相关的组网、开发过程是在教学过程中每一位物联网专业教师必须要思考的首要问题。对此，我们开发2套基于工作过程的智能沙盘：智能温室控制系统与智能车辆控制系统，作为专业核心课教学实训工具，在学生已经掌握的知识体系上，将实训内容改编为以工作工程为主导，训练学生无线网络组网调试能力，以及智能设备应用开发能力为主的两类项目化教学模块，符合本专业培养物联网组网技术工程师、物联网设备开发工程师这两大类岗位的市场需要。

2 基于教学应用的沙盘设计

智能温室控制系统与智能车辆管理系统是我们基于“教、学、做”一体化的高职教育特点，结合专业人才培养方案而设计的两个智能沙盘，拟用于《物联网组网综合实训》、《RFID应用综合实训》两门课程的主要教学环节中，以整个沙盘的应用场景为教学引例，以沙盘的运行过程为教学演示、以系统的实现过程为教学内容，形成一套基于工作过程的教学方式与手段。

沙盘在教学过程中着重考虑物联网应用专业人才培养的主要两类工作岗位：无线组网与网络调试、终端设备程序开发（嵌入式）。两个沙盘制作与设计中都具有组网、终端开发（C语言）、上位机应用开发（C#、C++、Java）的特征。

2.1智能温室控制系统沙盘

智能温室控制系统是在充分调研的基础上按照智能农业的现实需求，制作出的一个仿照温室所采用的有机玻璃罩体将花卉、职务等需要监测的生长环境固定下来，并在其中布设用于监测光照度、温湿度等传感器以及相应加温、加湿、灌溉等调节功能设备，同时根据应用逻辑设计出它们之间相应的事件响应和业务逻辑，进而形成一个针对于某种或几种花卉、植物的自动化控制系统。

在“农作物管家”的设计中，一个具备自动调节功能的智能化传感网的设计是核心内容。其支撑为无线传感网络及相关的控制技术。在作物生长环境中设置大量各类传感器（温湿度、土壤湿度、二氧化碳浓度、氧气浓度等），采集环境数据并向相关设备房控制指令。在目前的无线传感网络的组网方案中，ZigBee无疑是最为符合物联网组网需求的方案。ZigBee具备功耗低、成本低、网络协议简单、支持多种组网方式等特点，是目前应用比较成熟的一种方案。目前主流芯片厂商均有成熟的ZigBee产品。ZigBee方案的选择也符合物联网教学体系中关于无线组网与传感网络的教学要求。

智能温室控制系统沙盘的智能控制部分实现了以下功能：温湿度传感器配合加温加湿设备实现作物生长环境温湿度的自动调节。光照传感器、二氧化碳穿弹起配合电动窗帘和换气装置实现光照与空气调节。另外红外传感器、扬声器提供报警和作物介绍功能。

传感设备采用TI公司提供的CC2530開发板搭载模块化传感器实现ZigBee无线传感网络，下位机（CC2530）在Ztack协议栈基础上进行二次开发，实现作物环境数据的监测与采集。上位机（CC2530）使用一块带液晶显示屏的网关板实现信息的采集，最终完成环境数据采集后的流程控制、指令的发送、逻辑判断、无线数据的交互。

教学环节中，无线传感网的组网与调试可设计为无线组网项目教学单元，上位机、下位机开发可设计成为软件开发教学单元。最终以单元模块或系统整体功能的实现为考核目标。

2.2智能车辆管理系统沙盘

智能车辆管理系统以天津滨海学院规划布局为蓝本，提供车辆信息记录、门禁、位置感应、照明管理、语音提示等功能。

整个系统的智能控制实现以下功能：学院全体信息记录在上位机（Windows APP）管理系统中，车辆驶至学院正门门禁前将被阅读器自动收集由车载标签发出的Response数据，数据中包括车辆校验、车牌、车主及工作部门等信息，校验成功后门禁杆自动抬起，并由语音系统播放欢迎信息；在车辆驶入学院主路后行驶侧所有路灯开启，作为夜间照明、引路指示；车辆停入学院规定的停车位后触发在停车位两侧的对射位置感应器，感应器通知上位机控制软件车位已被占用，上位机车位数量减一，相应车位在地图上显示不可用红色状态。

利用RFID技术完成车辆信息的读取，下位机采用开源Arduino平台实现RFID阅读器信息的上传，同时由下位机控制灯光、对射开关状态的监测与修改；上位机采用Windows操作系统桌面程序，记录学院车辆数据，并负责对射、灯光、语音系统的指令下达。

Arduino与RFID系统的连接设计成为组网教学环节，上位机、下位机开发设计成为开发教学环节。以系统功能实现为最终的考核目标。

3 结论

本文通过使用教学沙盘来模拟物联网相关行业的应用，在项目化教学的过程中通过实物让学生在学习中真实感受到技术的应用，而且通过沙盘训练对学生的动手实践能力的锻炼也较课堂的实训效果更佳，但沙盘实训也存在一定的缺陷，主要表现在技术涵盖面较窄且扩展性较差。

在进一步的研究中，实训沙盘应向通用模块化方向发展，在物联网的不同领域、不同层次间找到共通的部分进行模块化，如：无线组网部分，传感器采集部分，自动控制部分等等。另外一方面应该提高沙盘业务逻辑适应能力，使学生能够充分发挥想象，自主创新利用现有设备开发出新型的物联网应用。在软件层面应将通用功能高度模块化，进而降低学生开发的难度和工作量。

这样将沙盘模块化通用化就能够有效利用现有资源形成更加复杂的应用场景，满足更多的教学单元，通过动手搭建不同的应用场景是学生能够了解到物联网应用的各层的技术特点与细节，能够帮助学生建立一个较为完整的知识体系。激发学生自主研究自主求知的动力，真正地将能力、技能作为教学评价手段。

本文利用较为前沿的Arduino、ZigBee、RFID等技术，认真仔细分析真实环境下的系统应用过程，通过系统规划、系统分析、系统设计、系统实现的严格系统开发流程，完成了用于物联网核心专业课的两套智能沙盘——智能温室控制系统与智能车辆管理系统。智能温室控制系统模拟真实作物生长需求环境，借助传感器技术采集温室中温度、湿度、光照度、土壤水分等数据，利用ZigBee技术组建无线传感网将实时数据统一收集到上位机中，由上位机根据预设环境要求启动加热管、灌溉器、供氧风扇等设备进行调节，保证作物的生长各项环境参数的要求。另外，智能车辆管理系统则以学院为蓝本，模拟了学院教职员工车辆进入学院时的门禁自动控制，车辆信息校验、夜间引路指示，车位占用信息统计等功能。两套沙盘的完成可以有力地支持物联网技术专业如《物联网组网组合实训》、《RFID应用技术》等多门核心课程。通过将真实的工作过程虚拟化、微縮化，将真实项目环节作为学生研究学习的中心，活跃课堂氛围，充分调动学生自主思考、求知的主动性。同时，系统在开发时充分考虑了专业市场岗位的需求，将沙盘分成组网技术与开发设计两类不同方向的内容，可以由学生自主根据兴趣与专长考虑选择不同的工作内容，以学生为本、以能力为先，体现了高职教育的“教、学、做”一体化的特点。

参考文献：

[1] ZigBee Wireless Networking[M].ZigBee Alliance，2006.

[2] 施智雄.Arduino在大学工科教学中应用探索[J].西昌学院学报，2012（3）.

[3] Christian Nagel，Jay Glynn，Morgan Skinner.C#高级编程[M].清华大学出版社，2013.

【通联编辑：光文玲】