物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)論文
物聯(lián)網(wǎng)工程作為高校的新興專業(yè)，如何提高學生實踐能力，培養(yǎng)社會所需的專業(yè)人才已成為首要問題。文章從物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)課程實驗教學現(xiàn)狀與問題出發(fā)，提出了創(chuàng)新物聯(lián)網(wǎng)通通信技術(shù)實驗教學的策略。
一、物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)課程的特點
物聯(lián)網(wǎng)是智能感知與識別技術(shù)、普適計算、云計算、泛在網(wǎng)絡系統(tǒng)的融合應用，被稱為是繼計算機、互聯(lián)網(wǎng)之后世界信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的第三次浪潮[1]。物聯(lián)網(wǎng)在智慧交通管理、智慧城市、國防軍事、環(huán)境監(jiān)測和醫(yī)療衛(wèi)生等諸多領(lǐng)域具有十分廣闊的應用前景。2011年，物聯(lián)網(wǎng)工程作為專業(yè)正式進駐高校，目前已有百余所高校開設了物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)，如何培養(yǎng)社會所需的物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)人才是至關(guān)重要的問題。
物聯(lián)網(wǎng)本身并非僅是一門單純的技術(shù)，而是一個復雜的系統(tǒng)，涵蓋了多領(lǐng)域的技術(shù)與知識，融合多種異構(gòu)通信技術(shù)和網(wǎng)絡平臺，所涉及的通信技術(shù)和標準眾多，包括屬于WPAN的藍牙和IEEE 802.15.4、屬于WLAN的wifi、屬于蜂窩通信的GSM、GPRS和CDMA等技術(shù)，以及如何在這些技術(shù)的基礎上構(gòu)造網(wǎng)絡架構(gòu)與現(xiàn)有的因特網(wǎng)集成[2]。
物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)與傳統(tǒng)專業(yè)不同之處即在于物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)更注重學生的創(chuàng)新、實踐與協(xié)作能力的培養(yǎng)。物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的性質(zhì)也決定了實踐教學成為該專業(yè)教學體系中不可或缺的重要環(huán)節(jié)。物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)作為物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的專業(yè)基礎課，為后期的傳感器網(wǎng)絡和硬件課程設計等課程奠定了基礎，物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)實驗直接影響后續(xù)課程的開展，為此實驗教學的研究和探討十分重要。
二、物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)實驗教學現(xiàn)狀
(一)師資力量薄弱
物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)課程以互聯(lián)技術(shù)為主線，融合現(xiàn)有無線通信、移動網(wǎng)絡等課程的相關(guān)內(nèi)容和最新的前沿技術(shù)。因而，不僅需要實驗教師具備扎實的理論基礎，而且還要有較強的實踐動手能力。而物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)作為新興專業(yè)，全面掌握物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的人員又非常少，再加上對實驗教師的培養(yǎng)又不夠，缺少參加培訓和深造訪學的機會，因而，實驗教師師資力量薄弱嚴重影響了實驗教學的開展。
(二)實驗教學內(nèi)容不一致
由于物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)包括的教學內(nèi)容很多，如：各種短距離無線通信(藍牙、Zigbee等技術(shù))、蜂窩通信以及如何在這些技術(shù)的基礎上構(gòu)造統(tǒng)一開放的網(wǎng)絡架構(gòu)并與現(xiàn)有的因特網(wǎng)無縫集成[3]。如果將所有內(nèi)容都泛泛地講，學生很難真正地掌握每項技術(shù)，所以必須要有所側(cè)重，各高校講授內(nèi)容的側(cè)重點不同，實驗教學內(nèi)容也不一致。這里我們將重點放在無線通信原理和短距離通信技術(shù)上，需要在IEEE 802.15.4/Zigee的基礎上設置相應的實驗內(nèi)容，使學生能夠結(jié)合之前的課程，利用無線通信技術(shù)完成相應的功能，提高實踐動手能力。
(三)實驗室建設不完善
實驗室作為物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)學生的實踐平臺，其實驗設備和實驗管理手段都具備一定的先進性和科學性，要充分發(fā)揮實驗平臺的功能。開設物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)實驗，對實驗環(huán)境要求較高，需要在各個傳感器節(jié)點上做軟件開發(fā)，而各硬件節(jié)點又極易出現(xiàn)各種問題，使得許多時間浪費在硬件檢測上，為此需要加強對實驗室的管理，確保每個硬件都正常運行。
三、物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)實驗教學的改革與創(chuàng)新
為了進一步提高學生實踐動手能力，培養(yǎng)出社會所需要的物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)人才，需要在實驗教學中不斷的探索與創(chuàng)新，下面從以下幾個方面進行探討。
(一)優(yōu)化實驗教學內(nèi)容
從這幾年的實驗教學來看，這里采用總—分—總的方式來進行實驗教學，具體各類型實驗的內(nèi)容如圖1所示，將實驗類型分為綜合演示實驗、基礎實驗和綜合設計實驗。為了激起學生學習興趣，首先向?qū)W生演示一個物聯(lián)網(wǎng)綜合系統(tǒng)，讓學生對整個實驗效果有個整體的把握;其次再對系統(tǒng)中的各個實驗進行操作，由于學生剛接觸傳感器節(jié)點，入手比較困難，這里采用先講解主要接口函數(shù)和方法，在此基礎上對其進行更改并完成相應的功能;最后，要求學生將所學到的知識綜合到一起，完成一個綜合型實驗，通過zigbee無線通信完成網(wǎng)絡拓撲的繪制以及對各個傳感器節(jié)點信息顯示。
1.綜合演示實驗。作為物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)課程的第一個實驗，主要目的讓學生對本課程有個整體的了解，激起學生學習的興趣，因此在這個實驗中，首先需要向?qū)W生介紹各個傳感器節(jié)點的組成和作用，以及軟件開發(fā)環(huán)境IAR，使學生對實驗開發(fā)環(huán)境有所了解，在此基礎上演示“物聯(lián)網(wǎng)綜合演示系統(tǒng)”，此演示系統(tǒng)可在PC機上通過zigbee技術(shù)對傳感器節(jié)點進行管理和維護，通過數(shù)字和圖表的方式，可多方位顯示無線傳感網(wǎng)的狀態(tài)及控制傳感網(wǎng)上的設備。
2.基礎實驗。對于物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)的實驗需要在實驗箱上完成，各高校配備的實驗箱不同，每種實驗箱都有不同的核心板、不同的程序，但是基本原理是一致的。這里我們在硬件上使用CC2530作為實現(xiàn)嵌入式Zigbee應用的片上系統(tǒng)，學生需要在掌握CC2530工作原理的基礎上，完成前兩個基礎實驗，實現(xiàn)節(jié)點的串口通信和無線通信。
首先利用CC2530實現(xiàn)串口通信，由于許多實驗的結(jié)果需要在PC機上顯示，需要通過串口線將數(shù)據(jù)從傳感器節(jié)點傳到PC機串口，在這個實驗中學生通過按傳感器節(jié)點上不同的按鍵向PC機傳送不同數(shù)據(jù)，同樣，PC機也可通過串口線向傳感器節(jié)點傳送不同命令;其次利用CC2530的無線通信功能，完成兩個或者多個傳感器節(jié)點互傳數(shù)據(jù)的功能，可令一個傳感器節(jié)點作為發(fā)送端，發(fā)送操作命令，另一個傳感器節(jié)點作為接收端接收命令完成相應功能。
由于物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)主要以講解短距離、低成本、低功耗的zigbee無線通信技術(shù)為主，這里利用TI公司提供的Z-Stack協(xié)議棧完成相應無線通信實驗。學生在掌握了Z-Stack協(xié)議棧的體系結(jié)構(gòu)后，利用協(xié)議棧中提供的各種接口函數(shù)，完成相應的功能。首先利用Z-Stack完成傳感器節(jié)點間的通信以及串口通信，由于有CC2530做基礎，這個實驗掌握起來要容易些;另外利用Z-Stack實現(xiàn)星狀網(wǎng)絡，獲取節(jié)點的網(wǎng)絡地址形成網(wǎng)絡拓撲，為后續(xù)實驗做好鋪墊。
3.綜合設計實驗。為了是實驗內(nèi)容更豐富，這里首先引用一個或多個傳感器模塊，進行數(shù)據(jù)采集，可將此部分的功能直接提供給學生，因為在后續(xù)的傳感器原理課程中還要詳細講解數(shù)據(jù)采集的原理。有了這些基礎實驗，學生可完成一個綜合性實驗，可利用Z-Stack無線通信，將各個傳感器節(jié)點采集到的數(shù)據(jù)以無線方式發(fā)送到協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器通過串口通信傳到主機，在主機上對相應信息進行顯示以及繪制網(wǎng)絡拓撲，與此同時，主機可通過串口向傳感器節(jié)點發(fā)送各種命令，完成控制功能。
(二)加強實驗教學師資隊伍建設
物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)作為新興專業(yè)，很多都是新技術(shù)，物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)涵蓋的內(nèi)容又很廣泛，需要教師不斷地學習和探討，為此可定期組織教師集體備課，討論理論課和實驗課的主要教學內(nèi)容以及之間銜接問題。另外也可聘請有實際經(jīng)驗、有一定教學能力的企業(yè)技術(shù)人員對學生和教師進行實驗培訓，激發(fā)學生學習興趣，提高教師業(yè)務水平。
(三)完善實驗室建設
物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)實驗課所需的實驗設備主要包括各種傳感器節(jié)點，這些部件具有體積小、易攜帶、易損壞等特性。因此，要對這些節(jié)點進行很好的管理，每位學生固定使用某些部件，可把這些部件貼上相應的標簽，另外，需要配備額外的節(jié)點供學生使用，一是為了及時更換損壞的節(jié)點，二是供學生課后使用。也可設置開放實驗室的時間，增加學生實踐動手的時間和機會，充分發(fā)揮學生主觀能動性和創(chuàng)新性，實現(xiàn)理論與實踐的有機結(jié)合。
(四)創(chuàng)新實驗教學模式與考核制度
物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)實驗涉及的內(nèi)容比較多，對學生的要求也很高，考慮到每個學生的基礎不同，這里采用以小組為單位的實驗教學。在一個小組中可能有的同學理論基礎很扎實，有的同學編程能力比較強，這樣他們可以互相學習，盡快地掌握相應技術(shù)，即培養(yǎng)了學生的合作能力，又提高了實驗教學的效果。
對于成績分布方面，物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)課程的總成績應由理論成績和實驗成績兩部分組成，這里需要增加實驗成績的比例，提高學生對實驗的重視程度，實驗成績至少需要站總成績的30%。對于實驗項目的考核，應更加注重學生的實際動手和研發(fā)能力，要杜絕拷貝抄襲的現(xiàn)象，為此不能采用傳統(tǒng)的考核方式，需要制定新的考核方法。
對于學生的每個實驗項目，應該從各個方面進行評價，包括實驗課的課前預習情況、實驗項目的運行情況和學生實際解決能力，對于在實驗過程中勇于創(chuàng)新的學生，可將其實驗項目作為范本進行演示，這樣既給優(yōu)秀學生提供了展示自己的機會，又大大激勵了其他學生學習的興趣。
物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)課程作為物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)主干課程，物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)實驗課程作為硬件綜合設計實驗的基礎，其實驗效果直接影響后續(xù)課程的開展，為了進一步提高學生實踐動手能力，我們需要在實踐中不斷探索、總結(jié)經(jīng)驗，建立起一套完善的實驗教學體系。本文針對物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)實驗教學環(huán)節(jié)中存在的不足，從實驗教學內(nèi)容、實驗師資建設、實驗室建設、實驗教學模式和考核方面進行了分析，希望能為各高校物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)課程提供一些參考。
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