物联网感知层模块实践教学研究

1、物联网感知层模块实践教学研究 DOIDO：I 10.11907/rjdk.162176 引言 物联网可分为感知层、网络层、数据处理层和应用层。感知 层位于系统的最底层， 完成对现实世界信息的采集与汇聚， 是物 联网系统的核心 1 。目前，大部分高校针对感知层模块开设的 课程多、 时间跨度大， 学生在学习这些课程时， 困难多、兴趣低、 动手能力和设计能力差。 为了改变这种教学现状， 对物联网工程 专业实践教学体系进行模块化分解， 将实践教学体系分为： 认知 实践教学模块、 程序设计与算法分析实践教学模块、 感知层实践 教学模块、 网络层实践教学模块、 数据处理层实践教学模块和应 用层实践教学模块

2、。 根据各模块的教学目的， 有针对性地开展实 践教学，强化学生的知识综合运用能力、动手能力和设计能力。 本文主要介绍感知层实践教学模块。 1 感知层主要技术 感知层一般包括数据采集和数据短距离传输两部分。 感知层 首先通过传感器、 RFID 等设备采集外部世界的数据，然后通过 ZigBee、WIFI、现场总线等技术将数据传输给网关设备。感知层 主要技术包括：传感器技术、RFID技术、嵌入式技术、ZigBee 技术等 2 。传感器是一种检测装置，通过敏感元件将检测的信 息按照一定规律变换成电信号输出。RFID是一种自动识别技术， 它利用射频信号通过空间电磁耦合实现无接触信息传递并通过 所传递的信

3、息识别物体。 嵌入式技术是让物体具有“智慧”的一 种关键技术， 是将计算机直接嵌入到应用系统中， 融合了计算机 硬件技术、软件技术、微电子技术和通信技术等。 ZigBee 是一 种短距离无线通信技术，具有功耗低、网络容量大、网络自组织 能力强等特点 3 ，在物联网中发挥着重要作用。 2 感知层实践教学目的及内容 感知层实践教学的目的是能够根据实际需要， 设计出科学合 理的数据采集系统。 一个完整的数据采集系统一般分为数据采集 节点和嵌入式网关。 数据采集节点负责数据采集， 一般由传感器、 单片机和无线通信接口组成。 嵌入式网关是数据采集网络与外部 网络的桥梁，负责数据的汇聚、处理和远程通信。从

4、学生学习角 度来看， 主要掌握硬件开发技术和数据采集技术。 信阳师范学院 针对感知层开设的课程有：电子线路、数字逻辑、计算机组成原 理、微机原理与接口、嵌入式系统、信号系统、传感器技术、无 线传感网络、数据采集技术、 射频识别技术、 ZigBee 技术等课 程。依据课程间的相互关系和实践教学目的， 该模块实践教学可 以细分为硬件课程群和数据采集课程群。 3 硬件课程群实践教学实施方案 该课程群包括电子线路、数字逻辑、计算机组成原理、微机 原理与接口和嵌入式系统 5 门课程，主要使学生掌握计算机硬件 系统的结构和工作原理， 使学生具有计算机系统硬件开发能力和 针对具体硬件进行软件开发的能力。 从

5、知识体系结构上来看， 电 子线路和数字逻辑是基础知识层， 让学生系统学习各类半导体器 件、门电路、组合逻辑电路、 集成元器件的基本原理和使用方法， 使学生具备设计基本的放大电路、 脉冲数字电路和运用现代电子 技术设计数字电路的能力。 计算机组成原理和微机原理与接口是 基本原理层，主要让学生掌握计算机的组成原理、体系架构、指 令系统、 编程方法和接口技术， 其中计算机组成原理侧重各个部 件工作原理， 微机原理与接口侧重于各个部件的应用。 嵌入式系 统是应用层，主要让学生掌握 C51单片机、ARM微控制器的工作 原理及使用，能够根据实际需要，设计出硬件电路，并针对硬件 进行软件开发 4 。在以往的

6、教学中，教师只注重本门课程知识 的讲解， 忽视了各门课程间的相互联系， 以致于学生在学习基础 知识课程时， 不知道该门课程到底有何用处， 在学习基本原理课 程时，觉得上课内容枯燥乏味，以致学生基础不扎实，等到上应 用课程时， 又觉困难重重， 教师不得不复习以前的基础知识和基 本原理，导致课堂效率低、教学质量不高。为了改变这种现状， 将这些课程作为一个系统并划分知识点， 重新修改各门课程的教 学大纲和实验大纲，对相互联系、交叉、重迭的教学内容进行优 化整理，实现了课程间的无缝衔接，形成了一套前后衔接合理、 重点突出、 层次分明的课程体系。 实践教学即要体现本门课程的 教学重点， 又要体现出该门课

7、程在硬件课程群中的作用。 为了培 养学生的创新能力， 每门课还增加了设计型和综合型实验。 硬件 课程群实践教学如表 1 所示。 VGA接 口验通过采用 CPLD芯片EPM240T10进行Verilog 设 计使学生熟悉 Verilog 设计、掌握各种接口的特性， 弥补传统实 验中设计能力锻炼不足的缺点嵌入式 系统验证型嵌入式软件开发基础实验、 I/O 接口实验、串口 通信实验、看门狗实验、 I2C 实验、 NandFlash 实验采用实际硬 件电路，熟悉和掌握以S3C2410为代表的ARM基本编程和实际功 能验证使学生了解ARM体系结构和工作原理，提升编程能力，熟 悉嵌入式系统的工作方式和特性

8、综合型 设计型逻辑分析仪设计 数码相框设计通过FPGA芯片EP1C3T144初步掌握嵌入式系 统的设计方法和实际项目经验通过数据采集、VGA显示、SD卡读 写、图片解码、SDRAI控制等实际应用场景，使学生对电路设计 和 Verilog 的掌握更加深入， 涉及的嵌入式知识更加全面 4数据 采集课程群实践教学实施方案 该课程群包括传感器技术、 信号与系统、RFID技术、ZigBee 技术、无线传感网络技术、数据采集与处理技术等课程，主要让 学生掌握传感器的基本原理、信号处理、数据采集技术、 Zigbee 技术等， 使学生具有设计和开发数据采集系统的能力。 由于数据 采集技术主要介绍数据采集与处理

9、系统的原理、 设计方法、 分析 方法，使学生掌握基本的专业思想，为学生将来设计、开发、维 护、使用数据采集系统打好基础， 所以教学模式以课堂讲授为主， 没有单独开设实验课。无线传感网络技术是以 Zigbee 技术、传 感器技术和数据采集技术为基础， 所以主要开设的是综合型设计 型实验。数据采集课程群实践教学内容如表 2 所示。 综 合型温度、压力、流速等传感器的选择和使用根据实际要求，选 择合适的传感器，并设计相应的电路，并用单片机测量、显示不 仅让学生掌握传感器的选择和方法，而且能够结合数据采集技 术、单片机技术，提高学生综合知识运用能力 Zigbee 技术设计型 Zigbee 无线 ?纹?

10、机硬件实验根据实验目的和开 发版硬件原理图， 查阅无线单片机使用手册， 编写程序并调试提 高学生自学能力、 针对硬件的编程能力和综合知识运用能力验证 型 Zigbee 协议栈和组网实验结合 Z-Stack 程序流程图，读懂与 实验内容相关的程序代码， 并调试提高学生程序阅读能力和动手 能力无线传感 器网络综合型 设计型针对智能家居、智慧农业、智慧仓储等领域，开发数 据采集系统针对自选的应用领域，设计出数据采集系统的结构， 并完成数据采集节点的软、硬件开发。提高学生的动手能力、综 合知识运用能力和创新能力 RFID 技术验证型高频、超高频、低 频数据标签的读写对高频、超高频、低频数据标签的进行读

11、写、 设置密码、更改密码等操作掌握RFID 数据标签的基本操作设计 型设计一个RFID读写器任选一个频段，设计一个RFID读卡器， 给出详细的硬件、 软件设计方案提高学生的动手能力和综合知识 运用能力 5 感知层综合实践教学 感知层综合实践教学模块是在感知层所有相关课程学习完 后开展的综合性实践教学活动， 一般在第 7学期开展。 学生根据 自己兴趣和就业方向， 选择不同的模块开展实训。 学生可以选择 在校外实习实训基地完成， 也可以在校内实训室完成。 如果选择 在校外，学生在校外实习基地的兼职教师指导下完成项目实训任 务，如果选择在校内，则由专业教师指导完成实训任务。信阳师 范学院在感知层方面提供智能家居、 智能农业、 智能水利等项目 供学生选择，学生也可以根据自己的兴趣自选项目。 6 结语 物联网感知层涉及电子技术、嵌入式技术、传