物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)組建課程中實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)探討

李水明　陳鑫洋

【摘 要】本文探討在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)組建課程中設(shè)計(jì)一種項(xiàng)目化實(shí)訓(xùn)，以物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)組建為主線，對智能溫度檢測實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目進(jìn)行總體設(shè)計(jì)、硬件電路設(shè)計(jì)、軟件程序編寫及功能調(diào)試等。

【關(guān)鍵詞】物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)組建課程 溫度檢測 實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)

【中圖分類號】G 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A

【文章編號】0450-9889（2016）11C-0189-03

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)組建課程作為物聯(lián)網(wǎng)知識學(xué)習(xí)的重要課程，是一門以動手實(shí)踐為主的實(shí)訓(xùn)課。在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)組建課程中引入項(xiàng)目化實(shí)訓(xùn)教學(xué)，既能做到將涉及面廣的零散知識點(diǎn)綜合學(xué)習(xí)，又能將理論聯(lián)系實(shí)際發(fā)揮學(xué)生的主動性，通過不同的方法實(shí)現(xiàn)實(shí)訓(xùn)的要求。項(xiàng)目化教學(xué)既能夠讓學(xué)生系統(tǒng)學(xué)習(xí)物聯(lián)網(wǎng)知識，又讓學(xué)生成為項(xiàng)目設(shè)計(jì)的主角，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。為此，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)“智能溫度檢測系統(tǒng)”項(xiàng)目作為物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)組建課程的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目。本物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)組建實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目要求為：模擬智能工廠的溫度檢測系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)顯示工廠里的溫度值，并能設(shè)定溫度的上限閾值和下限閾值，當(dāng)溫度值超過設(shè)定的閾值時(shí)發(fā)出警報(bào)，要求學(xué)生按照項(xiàng)目開發(fā)流程、設(shè)計(jì)思路，完成系統(tǒng)項(xiàng)目總體設(shè)計(jì)、硬件電路設(shè)計(jì)、軟件程序設(shè)計(jì)、綜合調(diào)試等工作。

一、智能溫度檢測系統(tǒng)項(xiàng)目的總體設(shè)計(jì)

在下達(dá)項(xiàng)目任務(wù)后，讓學(xué)生收集相關(guān)的溫度檢測系統(tǒng)資料及發(fā)展現(xiàn)狀，綜合設(shè)計(jì)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖。為實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目系統(tǒng)的功能，本溫度檢測系統(tǒng)由上位機(jī)和下位機(jī)兩部分組成。上位機(jī)由ZigBee接收模塊、電源模塊和PC顯示終端組成。下位機(jī)由ZigBee控制核心模塊、電源模和DS18B20溫度傳感器組成。上位機(jī)與下位機(jī)通過無線方式傳輸數(shù)據(jù)。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

二、智能溫度檢測系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)

（一）ZigBee控制核心模塊設(shè)計(jì)。根據(jù)本項(xiàng)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(shù)據(jù)等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)的無線通信領(lǐng)域。在上位機(jī)部分中ZigBee控制核心模塊與PC機(jī)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(xiàng)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(shù)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(zhuǎn)換，增加了成本和設(shè)計(jì)難度。數(shù)字式傳感器直接輸出數(shù)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(shù)字式溫度傳感器。DS18B20采用單總線通信方式，只需要占用一個(gè)I/O口即可完成數(shù)據(jù)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(xiàng)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(shè)計(jì)。本項(xiàng)目考慮到溫度檢測采集點(diǎn)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(zhuǎn)換電路將直流6V轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)

溫度檢測系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)是項(xiàng)目開發(fā)過程中重要環(huán)節(jié)。

（一）軟件編程設(shè)計(jì)思路。溫度檢測系統(tǒng)上位機(jī)與下位機(jī)的通信方式通過無線通信方式實(shí)現(xiàn)。上位機(jī)的ZigBee控制核心模塊接收到溫度數(shù)據(jù)后將數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送到PC機(jī)顯示。在PC機(jī)Windows系統(tǒng)平臺編寫應(yīng)用程序?qū)崟r(shí)接收數(shù)據(jù)顯示并同時(shí)檢測是否超過設(shè)定的閾值，若超過閾值則發(fā)出警報(bào)。

（二）軟件設(shè)計(jì)流程圖。本項(xiàng)目的軟件設(shè)計(jì)按組成部分劃分為上位機(jī)和下位機(jī)兩部分，其中上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)分為ZigBee接收模塊程序設(shè)計(jì)和PC機(jī)顯示端程序設(shè)計(jì)。系統(tǒng)的上位機(jī)與下位機(jī)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(diǎn)對點(diǎn)通信等特點(diǎn)。上位機(jī)與下位機(jī)程序設(shè)計(jì)流程圖如圖5所示。

下位機(jī)系統(tǒng)上電后ZigBee模塊進(jìn)行初始化，對Basic RF無線通信協(xié)議進(jìn)行配置和對溫度傳感器DS18B20進(jìn)行初始化設(shè)置。下位機(jī)完成初始化后等待上位機(jī)溫度采集指令，當(dāng)接收到指令后讀取DS18B20溫度值，將溫度數(shù)據(jù)通過無線通信方式發(fā)送到上位機(jī)ZigBee接收端。上位機(jī)ZigBee接收端收到數(shù)據(jù)后通過UART串口發(fā)送到PC機(jī)顯示。

（三）子程序分析。下位機(jī)ZigBee無線通信采用Basic RF構(gòu)建，項(xiàng)目任務(wù)主要是通過調(diào)用子函數(shù)來實(shí)現(xiàn)。

函數(shù)：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(jī)地址等。

函數(shù)：void DS18B20_Init（void）

功能：該函數(shù)主要負(fù)責(zé)對DS18B20溫度傳感器進(jìn)行初始配置。

函數(shù)：unsigned float Read_Temp（void）

功能：讀取DS18B20溫度值，返回?zé)o符號浮點(diǎn)型。

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

功能：實(shí)現(xiàn)ZigBee無線數(shù)據(jù)的發(fā)送。destAddr為點(diǎn)對點(diǎn)目標(biāo)地址；pPayload溫度值數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)地址；length溫度數(shù)據(jù)的長度。

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

功能：接收數(shù)據(jù)無線ZigBee數(shù)據(jù)，pRxData接收到數(shù)據(jù)的緩沖數(shù)據(jù)地址；len接收到的數(shù)據(jù)長度；pRssi信號強(qiáng)度。

在項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)過程中，教師提供關(guān)鍵的子函數(shù)及相關(guān)說明文檔，學(xué)生根據(jù)說明文檔搭建ZigBee無線Basic RF通信系統(tǒng)。

（四）上位機(jī)應(yīng)用程序構(gòu)建。本項(xiàng)目上位機(jī)應(yīng)用程序采用WPF技術(shù)構(gòu)建，開發(fā)平臺采用Visual Studio 2012編寫應(yīng)用程序在Windows系統(tǒng)運(yùn)行。WPF基于用戶界面框架，使用WPF構(gòu)建溫度檢測系統(tǒng)能夠快速實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。上位機(jī)應(yīng)用程序中使用定時(shí)器計(jì)算時(shí)間每隔200ms讀取一次溫度值。在項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)過程中為學(xué)生提供定時(shí)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(shí)物制作及調(diào)試

在學(xué)習(xí)了相關(guān)知識和繪制完成硬件電路后，開始溫度檢測系統(tǒng)的實(shí)物電路制作，根據(jù)前面繪制的PCB電氣原理圖進(jìn)行制版和焊接。在完成硬件電路后開始編寫程序和調(diào)試。實(shí)訓(xùn)室管理員根據(jù)項(xiàng)目元件清單為學(xué)生提供相應(yīng)的電子元器件。

學(xué)生也可以根據(jù)項(xiàng)目內(nèi)容要求，發(fā)揮主動性自行設(shè)計(jì)相應(yīng)的電路，然后根據(jù)電路選擇相應(yīng)的電子元器件。

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

（二）調(diào)試。在完成實(shí)物制作后，根據(jù)項(xiàng)目要求調(diào)試電路。教師參與學(xué)生實(shí)物系統(tǒng)的調(diào)試，對遇到的問題進(jìn)行及時(shí)糾正。上位機(jī)顯示應(yīng)用程序如圖6所示。

（三）評分驗(yàn)收。教師根據(jù)項(xiàng)目評分標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行考評，在考評過程中對做得好的地方進(jìn)行表揚(yáng)，同時(shí)指出不足的地方。

圖6 上位機(jī)顯示應(yīng)用程序

綜上，在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)組建課程中采用項(xiàng)目化實(shí)訓(xùn)，改變傳統(tǒng)課程的教學(xué)模式，讓學(xué)生作為主體，發(fā)揮學(xué)生的主動性。在智能溫度檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)項(xiàng)目中，讓學(xué)生在項(xiàng)目設(shè)計(jì)過程中掌握物聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路、組成、硬件電路設(shè)計(jì)、軟件程序設(shè)計(jì)和系統(tǒng)調(diào)試等知識，將分散的物聯(lián)網(wǎng)知識綜合應(yīng)用，使學(xué)生在不僅學(xué)習(xí)了理論知識，還掌握了如何設(shè)計(jì)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的技能。

【參考文獻(xiàn)】

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【基金項(xiàng)目】2016年度廣西高校中青年教師基礎(chǔ)能力提升項(xiàng)目（KY2016YB760）；2015年柳州鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院校級科研立項(xiàng)項(xiàng)目（2015-C21）

【作者簡介】李水明（1983— ），男，碩士，柳州鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子技術(shù)學(xué)院講師，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用、機(jī)器人；陳鑫洋，柳州鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院教師。

（責(zé)編 黎 原）