基于ZigBee技术中职无线传感器网络技术的课程设计

庄进样

无线传感器网络技术是当前热点研究领域，ZigBee技术则为其关键技术之一，具有广泛的应用前景。目前无线传感器网络技术普遍作为高职院校物联网应用技术专业的核心课程之一，但它在中职物联网专业开课率却不高。

本文结合高职院校以及我校实际情况论述了基于CC2530的ZigBee技术在中职学校开设课程的必要性以及存在的问题，进而提出该课程教学目标的设定、对前导课的处理、教学内容和教学模式选择的方案。

一、ZigBee无线通信技术概述

无线传感器网络技术是当前在国际上备受关注的、涉及多学科高度交叉、知识高度集成的前沿热点研究领域。

ZigBee技术是典型的短距离、低功耗、低速率、低成本、自我修复、网状网络的通信或无线网络技术，是无线传感器网络技术的关键技术之一。ZigBee技术结合无线网络的特点，与OSI参考模型相类似，也采用了分层的设计思想，其中IEEE 80.2.15.4标准定义了物理层和介质访问控制层，ZigBee协议定义了网络层、应用层。

ZigBee技术具有广泛的应用前景，包括家庭和楼宇网络、工业控制、智慧城市、农业控制、医疗、商业等领域。

二、无线传感器网络课程在中职学校教学的现状

目前，基于CC2530的ZigBee技术课程普遍作为高职院校物联网应用技术专业的核心课程之一。笔者查阅了广东省6所开设了物联网专业的高职院校开设无线传感器网络技术课程的情况，如表1所示。

从以上表中可以发现，物联网专业无论开设在信息技术院系还是通信或者自动化院系，作为实现物联网广泛应用的重要底层无线传感器网络技术，无一例外被作为核心课程之一，可见它在物联网专业课程中的重要地位。正是基于这种原因，甚至有人把无线传感器网络技术与物联网技术混为一谈。

目前，无线传感器网络技术课程在高职院校物联网专业开课很普遍，但笔者查阅了珠三角开设了物联网专业或方向的部分中职学校课程设置中，却没有发现有学校开设该课（只有一个通信类“智能化控制技术”专业开设了《通信技术》，该课程涉及无线传感器网络技术）。这里论述高职院校开设了无线传感器网络技术，并不等同说中职学校就非开不可。事實上，开设了物联网专业的中职学校无非是把无线传感器网络技术的课程通过嵌入到其他课程中进行教学，该课程并没有独立成课而已，这一点可以从这些学校对物联网专业或方向培养目标的描述中分析得到。另外，从市级、省级、国级物联网技术应用、智能家居安装技能竞赛也可以窥见对无线传感器网络技术的知识要求。

作为中职学校近几年热门的申报的新专业之一，导致无线传感器网络技术开课少或无法独立成课的原因更可能是：一是师资跟不上，新开设物联网专业的多数学校的教师是由原计算机应用专业或计算机网络技术专业教师直接转入的，对硬件、通信技术不熟悉;二是适合中职的教材、课程标准、实验指导方案几乎处于空白状态，个别开设该课程的学校多数是参考或直接使用高职、本科院校的教材学材，造成教学目标不明确、内容选择碎片化、重点难点把握不准确、实训实验欠系统指导。

最近，人社部、市场监管总局、统计局联合发布了新职业，物联网安装调试员、物联网工程技术人员两种新职业赫然其中，可以预测物联网专业的开设和课程的开发将会暴发。综上因素，毫无疑问无线传感器网络技术课程在教学实践过程中面临的问题和挑战，急需解决。

三、中职无线传感器网络技术的课程设计

本文所指的课程设计是主要指对基于CC2530的ZigBee技术的课程目标、课程内容的设计。笔者综合广东省多所高职院校物联网专业人才培养方案，得出了典型培养目标为：具有物联网应用系统、无线传感器网络应用系统、嵌入式应用系统等项目设计、实施、开发与项目管理能力的复合型人才。显然，这个目标对于中职学生来说难以企及。中职学校以我校物联网专业为例，其人才培训目标为：物联网设备安装、调试、维护技术技能人才;物联网相关产品的应用推广技术技能人才;面向对象的物联网系统开发发展型技术技能人才。中职物联网专业与高职物联网专业人才培养目标的差异，必然导致课程教学目标的差异。高职院校把系统的“设计”与“开发”作为重要的培养目标，而中职学校把“开发”对应到发展型人才的培养，即兼顾到学有余力的、选择升学的学生的培养目标。相应地，教学内容的选择等也应该依照人才培养目标的要求而定。

（一）教学目标的设定

结合我校物联网专业的实际，无线传感器网络技术的课程定位是使学生了解无线传感器网络技术的前沿以及发展趋势，初步掌握CC2530单片机基本组件的应用，搭建、调试、维护ZigBee无线传感器网络。

依照课程定位，课程的教学目标设定包括：了解无线传感器网络技术、初步掌握CC2530基本组件的应用、初步掌握常用传感器的应用、初步掌握基于BasicRF的无线通信应用、掌握停车引导系统的安装和调试。

（二）对前导课的处理

德州仪器公司推出的CC2530芯片的内核集成了增强型的C8051单片机，使得掌握CC2530的硬件功能转化对单片机的学习，而学习单片机则需要编写C语言程序。

目前普遍的观点认为中职学生学习C语言存在较大困难，教学效果不佳，主要原因是C语言本身难度大以及中职学生基础薄弱，因此，近几年来，很多中职学校纷纷砍掉C语言课程的教学。中职学生基础薄弱的问题，或者是存在的事实，但C语言本身的难度并不大。对于教学对象是中职生很多的教学设计中，问题之一是C语言的难度在某种程度上是被“放大”了，即把学习C语言本身变身学习难度很大的“算法”;问题之二是学习C语言太强调学科体系下知识点掌握的完整性，但却忽视应用化、项目化、任务驱动化的教学模式，导致教学效果不佳甚至枯燥乏味。笔者认为基础较薄弱的中职生，如果能直观看到所编写C语言驱动硬件的活生生的例子，课堂教学效果就立刻改观，因此我提出作为前导课C语言的学习尝试使用软硬件相结合的方式进行。

综上所述，笔者对前导课C语言的处理方式是先学习总共6个课时的基础知识，内容包括程序的main主函数、基本语法规范、定义变量、数据类型、基本输入输出，接着在学习CC2530的基础知识的过程中，同时不断扩充C语言的学习。下面以笔者教学设计中一个例子中代码片段来说明（部分代码省略），见图1。

其实，以上学习C语言的过程更加自然，因为学生可以通过修改程序并与CC2530硬件的呈现效果结合起来思考更多的为什么。

（三）教学内容的选择

课程的教学内容的选择受到多种因素影响，但主要依据是教学目标的设定。无线传感器网络技术这门课设定七大内容，并分别细分为若干个知识点，并根据内容的数量和难易程度安排若干课时，总课时为98课时，如表2所示。

（四）教学模式的选择

选择使用什么教学模式或教学方法，主要取决于教学目标、教学内容和特点、教学对象的特点等。在中职物联网专业中教学基于CC2530的ZigBee技术的课程，具有理论和实践性强、教学难度较高的特点，学生普遍缺乏学习兴趣，学习积极性不高，选择适合的教学模式显得尤为重要。

1.任务驱动理实一体化的教学模式

笔者在教学实践过程中，以学习通用I/O端口这个知识点为例，运用任务驱动教学法、理实一体的教学模式，收到良好的效果。教学设计概述如下：

本章节的课题为智能开关的程序设计，课型为理实一体化，教学方法包括演示、任务驱动、小组探究等，重点是与I/0相关的寄存器的学习，难点是I/0端口的输入方式的学习。教学基本过程和说明如图2所示：

复习旧知中，回顾两个知识：（1）对寄存器的某些位清0而不影响其他位;（2）对寄存器的某些位置1而不影响其他位。这是非常重要的知识，是基础中的基础。同时这里回顾C语言的“与”操作和“或”操作，课件设计运用动画技术，一目了然如何“清0”和“置1”操作。

講授新知中，展示本课程最终任务的效果，更能引起学生的注意和兴趣。重点内容为三种寄存器的讲授，难点为输入方式的“上拉/下拉”模式，通过举最简单例子来帮助理解其中“上拉”的情况。这个例子以引脚外接一个开关为例子，非常巧妙地处理了最难理解的内容。

对以上三种寄存器小结，采用示意图的方式，并把该示意图设置为学生电脑桌面，加强理解和记忆，以图解决教学重点难点的问题。示意图如图3所示。

实训是对新授知识的应用。首先下发实训指导书，明确实训目的和任务要求。

（1）实训目的：掌握设置通用I/0端口的输入输出方式。

（2）任务要求：任务尽量简单，为学生理解如何设置相应寄存器服务。

本课程的任务是：在CC2530模块上，实现1个按键控制2个LED灯交替点亮的功能。即SW2按下后松开，LED1灭，LED2亮;SW2再次按下后松开，LED1亮，LED2灭。

（3）核心代码填写完整并调试：对核心代码留空，以小组探究方式补充完整并调试程序，整个过程由教师巡堂指导并给每个小组评分，同时小组内需要自评。

小结的内容包括：与I/O相关的三种寄存器的设置、用I/O端口寄存器设置的基本思路。最后通过作业布置，培养学生查阅资料、学会学习的本领，同时锻炼学生举一反三的能力。

2.开展生产性实训的教学模式

我校信息技术专业坚持成果导向的教育理念，教学以学生为中心，以成果为导向，并努力提升学生综合技术水平并促进专业建设。为实现学生掌握搭建、调试、维护ZigBee无线传感器网络的教学目标，本课程开展生产性实训。实训内容以智能停车引导系统的安装和调试为例，让学生参与其中，学中做、做中学，既能加深、消化课堂内容，又能对课堂内容的深化和拓展，提高学生的动手能力、团队协作能力。

智能停车引导系统一般由车位探测器、节点控制器、场内外显示屏等组成，其中车位探测器集成了超声波传感器和ZigBee组网模块，实现车位是否被占用的检测以及多个探测器之间的无线组网。驾驶员通过显示屏显示的剩余车位的实时信息，从而快速找到空车位，图4为智能停车引导系统示意图。

该生产性实训实施方案分为前期和后期。前期的内容包括、讲解ZigBee自组网的方式、计算机数制（二进制、十进制、十六进制及其之间转换）、计算机网络TCP/IP协议（IP地址、同一网段、局域网网段概念）、停车引导系统的组成、拓扑结构、相应软件的使用。后期的内容包括电工布线（强电）、探测器、节点控制器安装、电工布线（弱电）、系统调试。

四、结语

基于ZigBee的无线传感器网络技术课程是众多高职院校物联网专业和我校物联网专业的核心课程之一。本文论述了该课程在中职开课少以及存在问题的原因，进而结合我校实际，设定了课程的教学目标，即了解无线传感器网络技术、初步掌握CC2530基本组件的应用、初步掌握常用传感器的应用、初步掌握基于BasicRF的无线通信应用、掌握停车引导系统的安装和调试，同时尝试使用软硬件相结合、同时进行教学的前导课处理方式，最后论述了七大块的教学内容的选择以及任务驱动理实一体化、开展生产性实训的教学模式在该课的实际运用。

责任编辑何丽华