面向工程应用的无线传感器网络综合实验设计

徐毅 秦宁宁

[摘 要] 无线传感器网络课程的知识点包括了从感知层的硬件构成到应用层的安全设置。分析了目前无线传感器网络实验教学过程中存在的问题，提出了面向工程应用的无线传感器网络实验教学的必要性，详细设计了一个以“基于物联网的水产养殖监控系统开发”为工程应用背景的无线传感器网络的综合实验方案，给出了实验成绩的考核方法，取得了很好的实验效果。

[关键词] 无线传感器网络;实验设计;工程应用;项目驱动

[基金项目] 2018年度国家自然科学基金“随机异质传感器网络覆盖性能的系统级评估与优化”（61702228）

[作者简介] 徐 毅（1972—），男，四川仪陇人，工学硕士，江南大学物联网工程学院实验室讲师，主要从事物联网技术应用研究;秦宁宁（1980—），女，黑龙江虎林人，工学博士，江南大学物联网工程学院信息技术系教授，主要从事无线传感器网络理论及应用研究。

[中图分类号] G642.423    [文献标识码] A    [文章编号] 1674-9324（2021）08-0145-04    [收稿日期] 2020-08-16

一、背景

无线传感器网络（Wireless Sensor Network，以下简称WSN）是物联网工程专业的一门专业核心课程，其知识点包括了从感知层的硬件构成到应用层的安全设置，内容难度和跨度都很大，这也体现了物联网学科的前沿性和交叉性。通过综合实验整合优化应用课堂教学内容，培养学生的工程意识和综合素质，以及学生的创新实践能力，这是传统的WSN实验教学所无法比拟的[1]。

二、存在问题

目前WSN课程缺少有效的与课程内容设置相适应的实验体系，也很难与课堂教学内容和课时设置相对应。这主要体现在：第一，选择合适的内容难，课堂教学内容既独立又前后关联;第二，现有的实验内容大多由学校通过集中采购的实验箱提供，实验箱都是以功能模块为基础，以实验内容作为区分，缺少综合性[2];第三，实验箱中的功能模块都是以黑盒封装在一起，模块之间的物理连接都隐藏在实验箱内部，学生无法深入了解，影响了学生的直观认识以及对实验原理的深入了解、熟悉和掌握;第四，实验箱价格昂贵，受条件限制，很难做到每个学生一个实验箱，影响学生独立实验能力的培养;第五，实验箱的实验内容已经固化，和实际的工程应用之间还有很大差距，实验内容无法拓展，无法发挥学生的能动性、课程教学内容的连贯性以及与其他课程之间的高度相关性[3];第六，实验内容、时间和地点相对固定，实验考核方式简单，都是在指定时间、指定地点，对指定实验以验证性实验的结果作为实验考核依据，无法体现学生个体之间的能力差异。

通过对上述现行WSN课程实验教学内容存在的不足进行总结，设计以项目为驱动，以实际工程应用为目的的WSN综合实验，可以围绕一个需要研究解决的特定项目系统展开，重构实验教学方法。以解决实际问题为导向，贯穿整个WSN的教学内容体系，关联其他学科，包括数据库、信号处理、EDA、控制理论等课程内容。培养学生使用现代工具解决实际工程项目问题的能力，让学生在寻找解决问题的方法中进行知识的学习与应用，而不是知识的简单套用[4]。强调以团队合作为基础，以项目任务为驱动，以实际应用为导向，注重实验设计的逻辑性和综合性，引导学生将子实验组合成为最终可以面向实际应用的综合性实验，让学生从解决实际工程项目问题的实验中获得很好的体验感[5]。

三、实验方案设计

本文设计的以项目应用为驱动的综合实验主要以水产养殖过程中“基于物联网的水产养殖监控系统开发”为项目背景进行。项目开发内容的核心是运用传感器技术、ZigBee技术、信号处理、数据库等技术，以Stm32开发板或已有的实验箱为开发平台，开发出一个基于WSN的水产养殖监控系统。监控系统由三部分构成：一是监控数据采集部分，由传感器采集读取的数据通过单口线传递给主芯片;二是数据处理及控制部分，数据在此部分利用ZigBee上位机通信，同时通过继电器根据预设值以及接收的数据控制水阀以及水温控制装备的开关;三是上位机界面部分，用户可以通过上位机界面来进行实时监控和阈值的修改。

（一）综合实验设计的需求分析

基于WSN技术的水产养殖监控系统，主要是实现养殖水体的水温、溶解氧、PH值等一系列的对于水产品生长至关重要的环境参数的实时测量和控制，真正实现养殖全过程的智能化、自动化。

（二）综合实验设计的原则

WSN系统要求结构简单、低成本、高效，既要实现所要求的水质监控、数据存储和远程调控功能，同时又要合理利用、规划资源，避免高额的设计开发成本，且要具有一定的拓展空间，以便可以进行以后的系统功能拓展。

（三）综合实验设计的目标

第一，建立上位机的监控界面，通过LCD显示屏，设置控制参数，查看实时水质参数，如温度、PH值等。第二，利用ZigBee技术实现中远距离的无线传输，布局方便，也方便实时监控。第三，以Stm32开发板或已有的实验箱为硬件开发平台。

（四）综合实验设计的系统架构

整个系统包括：传感器的数据采集、处理和传输;水质参数调节设备的实时运行控制;上位机的监控平台用户界面部分，具体结构如图1所示。

传感器的数据采集、处理和传输包括：传感器模塊、ZigBee模块、电源模块、显示模块及控制模块，完成水质参数（温度、PH值等）的实时检测、短暂存储与传输，利用ZigBee网络传递给上位机，同时接收上位机控制参数，通过继电器控制增氧泵等设备的启停。

上位机监控平台借助于LCD显示屏，将汇聚节点从传感器模块接收到的数据实时显示，以便实时了解水质情况。

本综合实验设计旨在进行水质的参数采集与实时监控，考虑到ZigBee网络的良好拓展能力，可以先设置1～2种水质参数的检测，后续可以根据需要对系统进行拓展，以适应更加真实的水质参数的实时监控。

（五）综合实验设计的数据处理层硬件

图2是系统的硬件设计，硬件部分要满足：一是成本低廉，由于系统面向中小型农村养殖户，高额的硬件设备不可取;二是实现养殖水域—养殖户（上位机）中远距离的无线数据传输，节约成本，也方便布局;三是方便拓展。本系统旨在针对某一水池环境，较为简单，养殖户有多个池塘时，应能够对此系统进行拓展，从而同时取得多个水环境的参数，并能够采取控制。

本系统的传感器模块包含温度传感器、PH传感器，控制模块包含三个继电器，用来控制进水/出水泵以及水温锅炉的开关。

（六）综合实验设计的上位机监控平台总体结构

本系统要求利用Labview软件完成上位机监控平台的开发工作，监控平台需要实现的功能有如下几个：一是传感器模块采集到的数据能够实时显示在监控平台上，其中，温度传感器输出的为温度。PH传感器输出的为电压值，需要根据电压PH特性曲线对得到的电压值进行处理，即可得到实时的水体PH值。二是数据存储界面。采集到的水环境数据会保存进文档中，以便查阅历史数据。三是曲线显示界面。本界面根据得到的数据实时将数据绘制成为曲线显示出来，更加直观地看出水体环境的波动，并且也便于PH的计算。四是阈值调控界面。该界面用于人工输入适合水产品养殖的温度、PH的阈值，监控系统接收到从传感器上传的数据后，会判断温度和PH是否在合适的区间内。如果高于或低于这个区间，Stm32就会控制继电器打开进水/出水泵，做到实时改善水体质量。

上位机监控流程如图3所示。

通过上述系统的详细设计，既可以使学生掌握一般工程项目实现的基本过程，也能够熟悉物联网工程项目的基本构成。图4为学生完成实验后所展示的上位机界面。

四、实验方案的实现与实验成绩的考核

以上述所设计的实验方案，学生以2～3人为一个团队，分别完成系统的数据采集、数据分析以及上位机的平台展示等功能。系统实现所需要的硬件资源可以利用实验室已有的实验箱资源，也可以由学生自行采购，学院的教学实践经费承担。学生既可以在实验室完成实验，也可以利用课余时间来完成。

实验结束后，学生将提交实验样品和实验报告，并要回答实验老师的现场提问。实验成绩考核由以下几个部分综合评价后构成：第一，有类似于科技小论文形式的实验报告;第二，可以实际运行且运行效果良好的实验样品;第三，现场的实际操作动手能力和相互协作能力;第四，实验内容设计的创新性或研究性以及实验内容的实用性、指导性和科学性;第五，实验数据处理的规范性;第六，实验结论的明确性、实验结果表达的完整性以及实验结论的直观性。

通过上述实验成绩考评，既体现了实验内容的可拓展性，使每个学生的能力都能得到充分展示，又加强了团队之间的合作。

五、实践所取得的成果

经过两届物联网工程专业的实验教改探索，教学团队克服了学时受限且没有可参考的成熟教学方案的不利条件，创造性地提出了以项目为驱动的综合实验教学体系。最大限度地调动本科生的自主学习能力，激发了他们探索和克服困难的精神;使学生具备软件、硬件开发的双能力以及整体方案设计的能力。在項目管理模式下，锻炼了学生的团队协作与领导能力。通过综合工程的锻炼和实践，进一步强化了学生利用现代工具解决实际物联网工程项目的能力。

参考文献

[1]陈海生，郭晓云，王峰，等.“无线传感器网络技术”课程实验教学探索[J].河北农业大学学报（农林教育版），2017，19（5）：64-67.

[2]何冀军，卫兵，潘洁珠.项目驱动的物联网专业课程教学改革与实践[J].合肥师范学院学报，2015，33（11）：86-88.

[3]宁卓，李牧阳，梅新志.无线传感器网络课程实验教材建设[J].电脑知识与技术2017，13（30）：49-50.

[4]陈彦彬，林燕雄，黄佳旭，等.模块化物联网技术综合实训装置设计与实现[J].实验室科学，2018，21（4）：57-61.

[5]郑来芳.无线传感器网络实验教学方法研究[J].软件导刊-教育技术，2018，17（11）：67-68.