基于物联网技术的单片机教学改革

陈晓静

10.3969/j.issn.1671-489X.2020.21.087

摘  要 在物联网技术快速发展和建设新工科背景下，探讨单片机原理及应用课程融合物联网技术的方法，针对单片机实践性强的特点，探讨将物联网技术融入单片机原理及应用课程的教学改革方法。该方法不仅能有效促进学生对单片机基础知识的理解，而且能引导学生关注科技前沿，是培养学生学以致用意识和提高学生探索创新能力的有效手段。

关键词 单片机;物联网技术;新工科;单片机原理及应用;创新能力

中图分类号：G642.0    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2020）21-0087-03

1 前言

为应对新一轮科技革命和产业变革，教育部对高等工程教育提出发展新工科的要求。新工科的内涵是以立德树人为引领，以应对变化、塑造未来为建设理念，以继承与创新、交叉与融合、协调与共享为主要途径，培养多元化、创新型卓越工程人才[1]。与传统教育不同的是，新工科更注重培养学生对前沿科技知识的学习能力以及运用所学知识进行创新的能力，这为电子类专业课程的教学改革提供了明确的方向。

随著5G的发展，物联网、大数据、云计算、人工智能将引领新的技术潮流。如果把这些技术引入课堂，将充实传统的教学内容，激发学生学习的热情和内在的创新动力，同时也体现了新工科人才培养的内在要求。本文将探讨如何将物联网技术融入单片机原理及应用课程，以达到拓宽学生视野、提高学生动手能力和创新能力的目的。

2 单片机技术和物联网技术的关系

单片机即单片微型计算机，是采用超大规模集成电路技术把计算机的主要组成部件集成在一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统，在工业控制、智能仪表、医用设备、民用设备等领域得到广泛应用。单片机原理及应用课程是电类专业的专业基础课程，以8051单片机为讲授对象，主要内容包括单片机结构、指令系统和汇编语言设计、并行I/O口、中断、定时器、串口、总线扩展和外围芯片接口技术等。学生通过课程的学习，能够初步设计简单的电子应用系统，如温度测量、电压表、交通灯、密码锁等。

物联网即万物相连的互联网，是指将各种信息传感设备与互联网相结合形成的一个巨大网络，能够实现在任何时间、任何地点，人和物或物和物之间进行信息交换和通信。目前，物联网的应用包括智慧油田、智能电网、智慧城市、智能农业、数字化医疗等众多领域。物联网的结构分为三

层：感知层、网络层和应用层。其中感知层的核心就是单片机或者其他的微控制器[2]。

由以上分析可知，单片机是物联网的终端节点控制单元，而物联网是单片机的重要应用领域，二者密不可分。传统单片机课程仅侧重于本地数据采集和存储，通信只采用串口通信。而物联网要求单片机与互联网相连，实现不受地域限制的远程数据传输和控制。因此，为顺应物联网技术发展的要求，传统的单片机教学内容和教学方法亟待改革。

3 单片机教学内容改革

单片机课程本质上属于计算机类课程，包括原理介绍、指令编程和接口硬件设计，是一个独立完整的应用型课程。而物联网是非常宽泛的一个概念，其关键技术涉及无线网络、大数据、云计算、人工智能等比较复杂的知识。由于课程目标和课时的限制，在单片机课程中不可能详细地对物联网技术进行理论介绍。结合单片机实践性强的特点，笔者提出一种切实可行的将物联网技术融入单片机课程的方法。该方法的主要思路是把物联网应用实例引入单片机实验教学中，让学生通过动手实践来加深对物联网的认识，使学生感觉到物联网是看得见、摸得着且与自己密切相关的技术。

本文将介绍一个借助于现有51单片机实验板就能实现的简单物联网应用实例——远程温度监控系统。利用51单片机通过Wi-Fi模块连接互联网云平台，并通过云平台和手机APP进行通信，实现单片机向手机传送温度数据并在手机APP上实时显示温度，同时利用手机APP也可以对单片机板上的LED灯进行亮灭控制。下面对实验硬件和软件分别加以介绍。

硬件电路设计  设计需要的器材与条件包括ESP-01S模块、电脑一台（电脑安装CH340驱动程序）、普中51单片机板（带USB转TTL模块一个）、Wi-Fi网络。ESP-01S模块是一款低功耗、高性价比的串口转Wi-Fi透传模块[3]，被广泛应用于智能电网、智能交通、智能家居、工业控制等领域，尺寸大约为2.4 cm×1.4 cm，可以通过杜邦线与单片机实验板连接。以普中51单核A2单片机实验板为例，最终实验硬件平台的搭建如图1所示。

云平台账号注册  目前常见的云平台有阿里云、中国移动oneNET、机智云、巴法云等。考虑到巴法云的简单易用性，本文以巴法云为例进行实验。首先在巴法云主页点击注册，采用邮箱或者微信扫码方式均可;注册完成后点击登录，即可在控制台看到自己的私钥UID;用户使用这个私钥可以接入自己的设备，如单片机或手机等。另外，需要在控制台上新建主题，主题名由数字、字母或数字和字母组合而成，每个主题代表一个应用场景，用户可以新建不同主题来满足不同项目的需求。

单片机程序设计  单片机程序的主要功能是配置Wi-Fi模块以及和云服务器通信。配置Wi-Fi模块包括启动模块、设置Wi-Fi工作模式、连接Wi-Fi路由器、设置透传模式、连接云服务器、开启透传。这些功能分别由表1所示的AT指令来完成。单片机和云服务器通信过程主要由发送POST报文和GET报文所组成，报文具体内容如表2所示。

POST报文的功能是设备向云服务器推送数据，必须遵循一定的格式：第一行以POST开头，中间是云平台HTTP API写接入地址，最后以协议名称HTTP/1.1结尾;第二行以Host：开头之后是服务器主机域名api.bemfa.com和端口号8344;第三行是Content-Type： application/x-www-form-urlencoded，表示表单数据以键值对方式编码;第四行connection：close表示关闭TCP连接;第五行是Content-

Length，表示消息主体长度66字节（包括回车换行）;第六行是空行;第七行是消息主体。

GET报文的功能是设备从服务器获取数据，其格式与POST类似：第一行以GET开头，中间是云平台HTTP API读接入地址、用户私钥uid以及type字段，以协议名称HTTP/

1.1为结尾，表示单片机请求读云服务器所有主题的消息内容。

手机APP设计  手机APP采用App Inventor2（简称AI2）[4]设计。AI2是一种基于Web浏览器的Android应用开发工具，该软件的主要特点是不需要寫程序代码，用户只需要进行代码拼装即可，其过程类似于拼图游戏，既具有趣味性，又具有实用性。本文中设计的手机APP如图2所示。

由物联网实例可知，物联网实验比一般单片机实验综合性强、耗时长。硬件配置比较简单，只需要在传统单片机实验板上增加一个WiFi模块即可完成。实验工作量主要在软件编程方面，包括单片机联网和手机APP的设计。

4 单片机教学学时分配

基于上述介绍，对物联网技术学时进行分配。单片机原理及应用课程共64学时，包括48个理论学时和16个实验学时，此外还有课程设计环节。为了引入物联网技术，需要对原有教学内容进行改革，减少实用价值偏低的章节，如汇编语言以及8255芯片，将其改为物联网理论介绍（占4个学时）。手机APP设计采取自学方式，在课程结束后上交APP设计文档并记入课程平时分。在实验学时安排上，考虑到物联网实验需要设计单片机程序和手机APP，综合性强，工作量大，不适合作为随课实验，更适合在课设环节完成。课设的选题也不局限于远程温度监控，将物联网和其他类型传感器结合，就可以扩展成新的实验课题。表3给出部分基于物联网的单片机课程设计名称和内容介绍，课设学时大约为20学时。

5 结语

提出一种将物联网技术融入单片机原理及应用课程的方法。首先，在分析一个具体物联网实例的基础上，提出对已有的实用价值偏低的教学内容进行删减，增加与物联网相关的课时，并引导学生对部分内容进行自学。其次，在课设中设置与物联网相关的课题。该方法通过实践加深学生对单片机基础知识的理解，提高学生的单片机运用能力;且与热门技术联系紧密，能够有效激发学生的学习兴趣和创新意识。

参考文献

[1]钟登华.新工科建设的内涵与行动[J].高等工程教育研究，2017（3）：1-6.

[2]解永军，胡晓毅.物联网技术在微控制器实验教学中的应用[J].电子制作，2017（14）：33-34，24.

[3]ESP8266-01 WiFi模块用户手册V1.0[EB/OL].[2015-01-

27].https：//wenku.baidu.com/view/1dd4347df12d2af902

42e69b.html.

[4]尹孟征.浅析几种APP开发平台[J].通信电源技术，

2016（4）：158-163.