ESP32在物联网通信课程教学中的应用

2022-04-25吴兰芳

物联网技术 2022年4期

王忠，孙艳，吴兰芳

（1.山东建筑大学，山东济南 250101；2.济南第六十八中学，山东济南 250004；3.平邑街道第一初级中学，山东平邑 276699）

0 引言

物联网被称为继计算机、互联网之后，世界信息产业的第三次科技浪潮。它是将各种信息传感设备和互联网连接而形成的统一网络系统。物联网发展的核心是应用的创新，在我国，物联网的发展走的是以应用为引导、技术与应用相互促进，从而推动产业发展的道路。因此，我国物联网产业的发展需要大批高素质、创新型人才，而人才的培养，关键是建立适合本学校的教学体系。

物联网工程作为山东建筑大学计算机学院的新兴学科，在专业课设置、实验教学方面深受计算机专业的影响，而物联网的本质是在互联网基础上应用和业务的扩展，属于计算机应用开发类，因此在物联网的课程设置以及教学模式方面，应该充分发挥计算机专业的学科优势及特点，即软件开发的优势。但也要充分认识到计算机学院在电子、通信方面的理论支持不足等问题。在物联网感知层补齐传感器技术、无线网络传输方面的短板，充分发挥传输层、应用层方面的知识结构优势，再结合学校在土木建筑方面的专业特长，形成具有建筑特色的物联网人才培养体系。

1 物联网专业课设置

1.1 物联网工程课程设置思路

课程的体系结构是提高教学质量的核心。因此，计算机学院对物联网的课程设置需以物联网体系架构为核心，构建物联网专业课程体系结构。

针对物联网的感知层、传输层、应用层体系架构，构建对应的课程体系。感知层主要由传感器和无线网络组成，用于物品标识及信息的采集，是物联网的基础层。对应的专业课程为电路电子学、数字逻辑、传感器技术、单片机等。

传输层的理解和运用倚仗于以计算机网络、无线网络技术为基础的专业课程，和以嵌入式系统开发、射频识别技术RFID、物联网通信等为主的核心专业课程。其中，物联网通信课程是区别于计算机其他专业的核心课程。

应用层的理解和应用倚仗于以程序编程C/C++ /Java、数据库原理为基础的专业课程，和以计算机操作系统、网络编程等的核心专业课程。

1.2 物联网通信课程设置

物联网通信作为核心课程，涉及物联网传感层、传输层、应用层的所有知识点，具有串联基础课程与专业课程的作用。课程总课时为64课时，其中理论授课48课时，实验实践16课时。物联网通信课程的主要内容安排见表1所列。从表1可看出，物联网通信课程的知识跨度从单片机开发到传感器技术应用，再到网络传输技术即上层应用。计算机学院学生对无线接入技术了解甚少，急需在理论、实验层面补齐WiFi、蓝牙、ZigBee、NB-IoT等物联网短距离、远距离通信方面的短板。

表1 物联网通信课程的主要内容安排

市场需求是最大的推动力，当前已有多种新型32位微控制器支持无线连接和互联网协议通信。三款片上处理器的对比见表2所列。对三种常用片上处理器进行横向对比，决定使用ESP32作为实验核心处理器。该处理器能提供完整、丰富的软件解决方案，使用难度小，具有开源开发框架与ESP32 Core For Arduino，支持Arduino开发，适合使用Arduino语言；该模块市场供应充足并且价格低廉，比较适合作为学生的“口袋”实验室模块。

表2 三款片上处理器对比

图1所示为DFRobot FireBeetle开发板，其尺寸为29.00 mm×58.00 mm，具有小尺寸、开源等优点。小型化使“口袋”实验室能打破时空限制，学生不必前往实验室就能编程，特别在疫情期间，更可减少人员聚集。“口袋”实验室与物联网公共云服务配合，如阿里云、OneNET等，还可实现设备信息上云。

图1 DFRobot FireBeelte模块

1.3 ESP32处理器简介

在嵌入式系统中，传感器及其他设备接入互联网，诞生了许多新的32位MCU设计，可支持无线连接和互联网协议。从单片机和无线通信两方面进行拓展，实现“处理”+“连接”的目标，完成传感器读取、子系统模块控制、设备联网等功能。该电路结构简单，集成度高。

ESP32单片机拥有448 KB的ROM存储器，520 KB的SRAM存储器，共34个GPlO口，多达18个通道的12位ADC接口，并支持802.11 b/g/n WiFi协议和Bluetooth v4.2标准协议，专为移动装置、可穿戴电子设备而设计，是一款应用广泛的片上处理系统SoC。

ESP32除提供高性能的硬件外，其生产商乐鑫科技公司还提供完整的软件解决方案，能快速实现产品智能化目标，缩短开发周期。乐鑫以开源的方式建立了开放、活跃的生态系统，自主研发了一系列开源的软件开发框架，如操作系统ESP-IDF、自组网 Mesh开发框架ESP-MDF等，还支持Arduino开发，构建了完整的物联网应用开发平台。综上原因，本课程实验环节选择ESP32作为物联网通信课程用实验平台。

2 CDIO工程教育理念

CDIO是一种全新的工程教育理念和实施体系，倡导学生在掌握扎实理论和专业知识的基础上，将教学融入具体的工程应用中。CDIO理念将构思（Conceive）、设计（Design）、实施（Implement）、运行（Operate）贯穿于课程的教学实践。在具体实施中，按照由浅入深、由简到繁的思路，实行分层次教学。在教学过程中，设计分层次的教学内容，主要有基础教学与创新教学。由于计算机专业师资和配套与物联网教学存在差异，欠缺电子电路设计方面的综合学习和训练，因此在学习传感层相关内容时，需注重方式方法的常识性、概念性学习，着重在传输层和应用层上充分发挥计算机专业的优势，注重学生编程开发能力的培养。