物聯(lián)網系統(tǒng)組建課程中實訓項目設計探討

李水明　陳鑫洋

【摘 要】本文探討在物聯(lián)網系統(tǒng)組建課程中設計一種項目化實訓，以物聯(lián)網系統(tǒng)組建為主線，對智能溫度檢測實訓項目進行總體設計、硬件電路設計、軟件程序編寫及功能調試等。

【關鍵詞】物聯(lián)網系統(tǒng)組建課程 溫度檢測 實訓項目設計

【中圖分類號】G 【文獻標識碼】A

【文章編號】0450-9889（2016）11C-0189-03

物聯(lián)網系統(tǒng)組建課程作為物聯(lián)網知識學習的重要課程，是一門以動手實踐為主的實訓課。在物聯(lián)網系統(tǒng)組建課程中引入項目化實訓教學，既能做到將涉及面廣的零散知識點綜合學習，又能將理論聯(lián)系實際發(fā)揮學生的主動性，通過不同的方法實現(xiàn)實訓的要求。項目化教學既能夠讓學生系統(tǒng)學習物聯(lián)網知識，又讓學生成為項目設計的主角，激發(fā)學生的學習興趣。為此，本文設計了一個“智能溫度檢測系統(tǒng)”項目作為物聯(lián)網系統(tǒng)組建課程的實訓項目。本物聯(lián)網系統(tǒng)組建實訓項目要求為：模擬智能工廠的溫度檢測系統(tǒng)，能夠實時顯示工廠里的溫度值，并能設定溫度的上限閾值和下限閾值，當溫度值超過設定的閾值時發(fā)出警報，要求學生按照項目開發(fā)流程、設計思路，完成系統(tǒng)項目總體設計、硬件電路設計、軟件程序設計、綜合調試等工作。

一、智能溫度檢測系統(tǒng)項目的總體設計

在下達項目任務后，讓學生收集相關的溫度檢測系統(tǒng)資料及發(fā)展現(xiàn)狀，綜合設計系統(tǒng)總體結構框圖。為實現(xiàn)項目系統(tǒng)的功能，本溫度檢測系統(tǒng)由上位機和下位機兩部分組成。上位機由ZigBee接收模塊、電源模塊和PC顯示終端組成。下位機由ZigBee控制核心模塊、電源模和DS18B20溫度傳感器組成。上位機與下位機通過無線方式傳輸數據。系統(tǒng)總體結構框圖如圖1所示。

二、智能溫度檢測系統(tǒng)的硬件電路設計

（一）ZigBee控制核心模塊設計。根據本項目的需求選擇CC2530微處理器作為控制核心。CC2530包含32KB的ROM和8KB的RAM，集成高效的2.4-GHz IEEE 802.15.4無線射頻收發(fā)器，具有低功耗、無線傳輸溫度數據等優(yōu)點，被廣泛應用于物聯(lián)網的無線通信領域。在上位機部分中ZigBee控制核心模塊與PC機通信采用UART串口方式通信。ZigBee核心控制模塊部分電路如圖2所示。

（二）溫度傳感器模塊。本項目的溫度值通過讀取傳感器輸出信號獲得。溫度傳感器輸出信號可分為模擬信號和數字信號兩種。模擬式傳感器輸出信號需要添加放大電路和A/D轉換，增加了成本和設計難度。數字式傳感器直接輸出數字信號，ZigBee核心模塊可以通過I/O口直接讀取。溫度采集傳感器使用Maxim公司的DS18B20數字式溫度傳感器。DS18B20采用單總線通信方式，只需要占用一個I/O口即可完成數據通信；溫度測量范圍為-55°C至+125°C；測量精度為±0.5°C。溫度檢測系統(tǒng)項目中采用DS18B20作為溫度傳感器。DS18B20傳感器模塊電路如圖3所示。

（三）電源模塊設計。本項目考慮到溫度檢測采集點減少受地理環(huán)境因素影響，采用電池包作為電源。由于ZigBee控制核心模塊的供電電壓為3.3V，采用DC-DC轉換電路將直流6V轉換為3.3V。電源模塊電路如圖4所示。

三、智能溫度檢測系統(tǒng)的軟件設計

溫度檢測系統(tǒng)的軟件設計是項目開發(fā)過程中重要環(huán)節(jié)。

（一）軟件編程設計思路。溫度檢測系統(tǒng)上位機與下位機的通信方式通過無線通信方式實現(xiàn)。上位機的ZigBee控制核心模塊接收到溫度數據后將數據通過串口發(fā)送到PC機顯示。在PC機Windows系統(tǒng)平臺編寫應用程序實時接收數據顯示并同時檢測是否超過設定的閾值，若超過閾值則發(fā)出警報。

（二）軟件設計流程圖。本項目的軟件設計按組成部分劃分為上位機和下位機兩部分，其中上位機軟件設計分為ZigBee接收模塊程序設計和PC機顯示端程序設計。系統(tǒng)的上位機與下位機的無線通信采用Basic RF無線通信協(xié)議，該協(xié)議具有配置簡單、點對點通信等特點。上位機與下位機程序設計流程圖如圖5所示。

下位機系統(tǒng)上電后ZigBee模塊進行初始化，對Basic RF無線通信協(xié)議進行配置和對溫度傳感器DS18B20進行初始化設置。下位機完成初始化后等待上位機溫度采集指令，當接收到指令后讀取DS18B20溫度值，將溫度數據通過無線通信方式發(fā)送到上位機ZigBee接收端。上位機ZigBee接收端收到數據后通過UART串口發(fā)送到PC機顯示。

（三）子程序分析。下位機ZigBee無線通信采用Basic RF構建，項目任務主要是通過調用子函數來實現(xiàn)。

函數：void basic_configRF_Init（void）

功能：ZigBee模塊Basic RF無線配置初始化，包括ID、通信頻道、本機地址等。

函數：void DS18B20_Init（void）

功能：該函數主要負責對DS18B20溫度傳感器進行初始配置。

函數：unsigned float Read_Temp（void）

功能：讀取DS18B20溫度值，返回無符號浮點型。

函數：basicRfSendPacket（uint16 destAddr，uint8* pPayload，uint8 length）

功能：實現(xiàn)ZigBee無線數據的發(fā)送。destAddr為點對點目標地址；pPayload溫度值數據的緩沖區(qū)地址；length溫度數據的長度。

函數：basicRfReceive（uint8* pRxData，uint8 len，int16* pRssi）

功能：接收數據無線ZigBee數據，pRxData接收到數據的緩沖數據地址；len接收到的數據長度；pRssi信號強度。

在項目實現(xiàn)過程中，教師提供關鍵的子函數及相關說明文檔，學生根據說明文檔搭建ZigBee無線Basic RF通信系統(tǒng)。

（四）上位機應用程序構建。本項目上位機應用程序采用WPF技術構建，開發(fā)平臺采用Visual Studio 2012編寫應用程序在Windows系統(tǒng)運行。WPF基于用戶界面框架，使用WPF構建溫度檢測系統(tǒng)能夠快速實現(xiàn)相應的功能。上位機應用程序中使用定時器計算時間每隔200ms讀取一次溫度值。在項目實現(xiàn)過程中為學生提供定時器類的使用方法：

Timer timer_read = new Timer（）；

timer_read.Interval = 1000；

timer_read.Enabled = true；

timer_read.Elapsed += timer_read_Elapsed；

void timer_read_Elapsed（object sender，ElapsedEventArgs e）；

四、智能溫度檢測系統(tǒng)的實物制作及調試

在學習了相關知識和繪制完成硬件電路后，開始溫度檢測系統(tǒng)的實物電路制作，根據前面繪制的PCB電氣原理圖進行制版和焊接。在完成硬件電路后開始編寫程序和調試。實訓室管理員根據項目元件清單為學生提供相應的電子元器件。

學生也可以根據項目內容要求，發(fā)揮主動性自行設計相應的電路，然后根據電路選擇相應的電子元器件。

（一）焊接。在實訓室完成硬件電路板的制作后，進行元器件的焊接，在焊接過程中需要提醒學生有極性的電容方向及CC2530芯片的引腳。

（二）調試。在完成實物制作后，根據項目要求調試電路。教師參與學生實物系統(tǒng)的調試，對遇到的問題進行及時糾正。上位機顯示應用程序如圖6所示。

（三）評分驗收。教師根據項目評分標準進行考評，在考評過程中對做得好的地方進行表揚，同時指出不足的地方。

圖6 上位機顯示應用程序

綜上，在物聯(lián)網系統(tǒng)組建課程中采用項目化實訓，改變傳統(tǒng)課程的教學模式，讓學生作為主體，發(fā)揮學生的主動性。在智能溫度檢測系統(tǒng)設計項目中，讓學生在項目設計過程中掌握物聯(lián)網的系統(tǒng)設計思路、組成、硬件電路設計、軟件程序設計和系統(tǒng)調試等知識，將分散的物聯(lián)網知識綜合應用，使學生在不僅學習了理論知識，還掌握了如何設計物聯(lián)網系統(tǒng)的技能。

【參考文獻】

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[5]曲廣強，關曉輝.基于WPF技術的教學信息查詢系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[J].東北電力大學學報，2014（6）

【基金項目】2016年度廣西高校中青年教師基礎能力提升項目（KY2016YB760）；2015年柳州鐵道職業(yè)技術學院校級科研立項項目（2015-C21）

【作者簡介】李水明（1983— ），男，碩士，柳州鐵道職業(yè)技術學院電子技術學院講師，研究方向：物聯(lián)網技術應用、機器人；陳鑫洋，柳州鐵道職業(yè)技術學院教師。

（責編 黎 原）