基于Arduino的高職物聯網相關課程改革設計

李華洲

（南寧職業技術學院，廣西 南寧 530008）

基于Arduino的高職物聯網相關課程改革設計

李華洲

（南寧職業技術學院，廣西 南寧 530008）

為高職學校能更好的培養應用型人才，提出將Arduino開發平臺引入物聯網應用技術專業相關課程教學。通過教學改革可以降低實訓室設備建設的投入成本，降低學生學習相關課程的入門門檻，同時激發學生的學習興趣，讓學生能夠在課后積極參與到實際項目中。

物聯網；Arduino；高職；課程改革

1 引言

高職物聯網應用技術專業教學課程體系中，《RFID技術原理與應用》、《單片機原理與應用》、《無線傳感技術應用》都與單片機相關，單片機相關課程對學生的前期理論知識和理解能力都有很高的要求[1]。采用傳統的實驗設備、教學方法對于高職教學來說，存在學生入門門檻高，實訓室建設成本投入高，二次開發不便等問題，這些問題即使項目式教學也不能很好的解決。隨著Arduino生態環境的不斷發展，許多與之相關的教學教材和應用創新的不斷出現，對于側重于培養應用型人才的高職教育來說，無論是教學、技能比賽，還是實際項目開發，都有很高的利用價值[2]。

2 單片機相關課程教學現狀

對于基礎相對較差的高職學生來說，物聯網應用技術專業開展單片機課程教學是相對吃力的。主要原因是學生計算機理論基礎知識不足，計算機導論、計算機系統結構、電路等相關課程在大多高職物聯網專業都沒有開設[3]，導致學習過程中學生不能較好的理解單片機原理的相關概念，很難入門，進而學習興趣不高，教師也難以實現教學目標。實踐沒有一定的理論作為基礎，項目式教學在學生沒有完全吃透理論知識的情況下開展，項目教學任務難以完成，學生很難參與到實際的比賽和項目中。

同時物聯網實訓室建設過程中，由于市面上的物聯網實訓設備價格昂貴，實訓室建設成本居高不下，更重要的是實訓設備大多更新的速度非常快，大批量的購買實訓實驗箱會導致教學經費的浪費，而且不利于用于項目的二次開發[4]。

3 引入Zigduino

Zigduino是兼容Arduino的裝配Atmega128rfa1核心的單片機軟硬件平臺，Atmega128rfa1是一款RISC架構的8位集成RFIC的SOC(片上系統)，Flash容量128KB，RAM為16KB。具備2.4G 短距離無線通訊能力。Zigduino可以說是能實現無線傳感器網絡通信應用的Arduino開發平臺的升級版。在教學中引入Zigduino這套便捷靈活、方便上手的開源電子原型平臺，可以很好的符合高職項目教學的特點，使得物聯網專業《RFID技術原理與應用》、《單片機原理與應用》、《無線傳感技術應用》課程的學習門檻得到降低，便于學生學以致用。

3.1 Zigduino 硬件介紹

Zigduino 開發板主要可以分成處理器、微波信號處理電路、電源管理、USB接口信號轉換、IO保護和接口擴展口幾大部分。

處理器芯片64個pin腳，體積僅為9mm×9mm，非常適合無線傳感網絡應用開發。微波處理采用2.4G的BALUN方案，轉出單極性波導接至SMA同軸接頭。電源部分支持USB供電、12V電源適配器供電和擴展接口5V直接供電三種方式，并且通過比較器實現了USB供電和電源適配器供電的二選一。USB轉串口使用的是FT232RL的方案。開發板出廠時完成了Atmega128rfa1的BOOTLOADER程序的下載，開發過程中可以通過USB直接給Zigduino下載程序，十分方便。

3.2 Zigduino開發環境

由于Zigduino兼容Arduino，所以可以使用Arduino的開發環境在Zigduino平臺進行應用開發。Arduino使用的是Arduino IDE軟件。它的缺點是環境的功能過于簡單，只能實現編輯、編譯、下載這些基本操作，連查看庫函數等功能都不能實現，對于開發人員來說不方便。

解決的辦法是使用Eclipse開發環境代替Arduino IDE。Eclipse眾所周知是一款功能強大的軟件開發架構，添加Arduino for Eclipse插件后，可以使得Arduino應用開發人員事半功倍。

3.3 Arduino系統庫

Arduino強大優秀的不僅僅是它的軟硬件開源和硬件生態環境，而且開發者面向的Arduino系統庫也是一大特色（C++開發）[5]。它的系統庫實現了基本的：串口操作、定時器、IO口控制、I2C通信、SPI通信、單總線通信、字符串處理、中斷控制、無線收發(Zigduino)等功能。這些庫函數可以在學生給Zigduino添加傳感器等外設的時候方便的調用，便于快速的進行外設驅動編程開發。

表 1 不同接口類型的單片機外設型號

由于Zigduino開發板和Arduino開發板一樣，除了單片機沒有外部設備了。但是隨著Arduino開發的生態系統越來越好，使用它的人越來越多，兼容Arduino的傳感外設模塊也越來越多。

表1列舉了常用的市面上Arduino相關的不同類型的外部設備，關于它們的資料、驅動都可以在開源官方網站和一些論壇找到，同時大多都可以方便的在市場上買到，適合通過配備模塊的方式學習課程和進行項目開發。

4 基于Zigduino的教學設計(以《無線傳感技術應用》為例)

4.1 教學設備的組成

Zigduino實訓設備的低成本可以使一個班的同學可以每人人手配備兩套Zigduino設備，在一臺電腦上寫程序。一套Zigduino開發套件只有一個Zigduino開發板，一根USB數據線，一塊面包板，其他配件根據上課內容配備。

4.2 教學內容設置

表2 《無線傳感技術應用》課程內容、教學實訓設備和課時分配

以《無線傳感技術應用》課程為例，傳統的課程內容多為學習Zigbee標準通信協議和應用[6]。Zigduino利用其代碼簡介的特點，可以使得學生在掌握基本網絡通信常識的基礎上，快速的通過Zigduino完成無線廣播通信、點對點通信等單跳應用，并且可以使用以太網模塊實現更廣泛的網絡覆蓋和應用于不同的應用場景，還可以結合Android公開的ADK項目，開設基于Arduino與Android手機USB口通信的應用案例設計項目等等。經改革后的課程相比傳統CC2530模塊為主要內容的《無線傳感技術應用》課程，具有簡單易學，容易上手，可以快速讓學生參與項目開發的特點。具體課程內容和使用到的模塊如表2所示。

5 總結

使用基于Arduino環境的物聯網相關課程教學，對教學過程中的內容可以靈活的根據需求而變化，使得設備的選配更有針對性，選擇內容更加接近行業實際應用。以開發板加模塊的方式進行教學，使得教學可以跟學生參加專業競賽和項目設計開發更加緊密的結合起來。

[1] 孫利民.無線傳感器網絡(第1版)[M].北京:清華大學出版社,2005.

[2] 武玉升.基于Arduino的高職單片機課程教學改革[J].交通職業技術,2014(01);21-23.

[3] 王保云.物聯網技術研究綜述[J].電子測量與儀器學報, 2009,(12):22-23.

[4] 方武.高職物聯網應用技術專業建設探討[J].現代計算機, 2012,(08):30-33.

[5] Kimmo Karvinen,Tero Karvinen,龐明珠譯.Arduino與電子制作[J].制作項目,2012,(8): 68-73.

[6] 羅劍.高職院校《無線傳感網應用與實踐》課程建設的探索[J].科技信息,2012,(2):282.

The teaching reform design of relevant lessons for Internet of things in vocational college based on Arduino

In order to cultivate more practical talent for vocational college, this article introduce Arduino platform into relevant lessons .Through this method of reform in education, the cost of training equipment can be decline, the learning threshold of relevant lessons can be lower, the interest of study can be provoke, making students more easier to get involved in actual projects after class.

Internet of things; Arduino; higher vocational; education reform

G714

A

1008-1151(2015)01-0164-02

2014-12-12

李華洲（1983－），男，南寧職業技術學院助教，研究方向為嵌入式與無線傳感器網絡。