智能沙盤在物聯網專業教學中的應用研究

王鴻彬

摘要：該文將物聯網技術在車輛管理和智能農業實際應用中的工作過程，運用傳感器技術、RFID技術、無線網絡通信技術、單片機開發技術、數據庫開發技術、以及目前專業領域較為前沿的ARDUINO、CC2430 SoC開發平臺等技術將實際應用中的工作過程進行微縮，設計制作了智能化的沙盤并將該沙盤移植到物聯網應用技術實訓室，用以輔助物聯網應用技術專業的專業核心課程教學，用看得見，摸得著的實物充分激發學生的學習興趣，調動學生的積極性，進而促進學生對專業課程體系內知識的理解與應用，在以體驗為基礎的教學過程中，對沙盤功能進行分解、學習、吸收與創新，實現“學中做、做中學”。

關鍵詞：RFID；智能沙盤；物聯網；物聯網教學

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）30-0267-02

1 概述

本文著重的研究如何設計并實現符合真實情況的物聯網沙盤，并根據研究內容完成基于ZigBee技術以及基于Arduino/RFID技術的兩套沙盤系統。系統具有代表性的開發環節，可以以此模擬真實工作環境，明確學生的學習目標、提高學生的學習興趣以及自主學習的動力。

怎樣使學生能夠掌握復雜具難度的物聯網技術，如何使用綜合案例讓學生學習物聯網相關的組網、開發過程是在教學過程中每一位物聯網專業教師必須要思考的首要問題。對此，我們開發2套基于工作過程的智能沙盤：智能溫室控制系統與智能車輛控制系統，作為專業核心課教學實訓工具，在學生已經掌握的知識體系上，將實訓內容改編為以工作工程為主導，訓練學生無線網絡組網調試能力，以及智能設備應用開發能力為主的兩類項目化教學模塊，符合本專業培養物聯網組網技術工程師、物聯網設備開發工程師這兩大類崗位的市場需要。

2 基于教學應用的沙盤設計

智能溫室控制系統與智能車輛管理系統是我們基于“教、學、做”一體化的高職教育特點，結合專業人才培養方案而設計的兩個智能沙盤，擬用于《物聯網組網綜合實訓》、《RFID應用綜合實訓》兩門課程的主要教學環節中，以整個沙盤的應用場景為教學引例，以沙盤的運行過程為教學演示、以系統的實現過程為教學內容，形成一套基于工作過程的教學方式與手段。

沙盤在教學過程中著重考慮物聯網應用專業人才培養的主要兩類工作崗位：無線組網與網絡調試、終端設備程序開發（嵌入式）。兩個沙盤制作與設計中都具有組網、終端開發（C語言）、上位機應用開發（C#、C++、Java）的特征。

2.1智能溫室控制系統沙盤

智能溫室控制系統是在充分調研的基礎上按照智能農業的現實需求，制作出的一個仿照溫室所采用的有機玻璃罩體將花卉、職務等需要監測的生長環境固定下來，并在其中布設用于監測光照度、溫濕度等傳感器以及相應加溫、加濕、灌溉等調節功能設備，同時根據應用邏輯設計出它們之間相應的事件響應和業務邏輯，進而形成一個針對于某種或幾種花卉、植物的自動化控制系統。

在“農作物管家”的設計中，一個具備自動調節功能的智能化傳感網的設計是核心內容。其支撐為無線傳感網絡及相關的控制技術。在作物生長環境中設置大量各類傳感器（溫濕度、土壤濕度、二氧化碳濃度、氧氣濃度等），采集環境數據并向相關設備房控制指令。在目前的無線傳感網絡的組網方案中，ZigBee無疑是最為符合物聯網組網需求的方案。ZigBee具備功耗低、成本低、網絡協議簡單、支持多種組網方式等特點，是目前應用比較成熟的一種方案。目前主流芯片廠商均有成熟的ZigBee產品。ZigBee方案的選擇也符合物聯網教學體系中關于無線組網與傳感網絡的教學要求。

智能溫室控制系統沙盤的智能控制部分實現了以下功能：溫濕度傳感器配合加溫加濕設備實現作物生長環境溫濕度的自動調節。光照傳感器、二氧化碳穿彈起配合電動窗簾和換氣裝置實現光照與空氣調節。另外紅外傳感器、揚聲器提供報警和作物介紹功能。

傳感設備采用TI公司提供的CC2530開發板搭載模塊化傳感器實現ZigBee無線傳感網絡，下位機（CC2530）在Ztack協議棧基礎上進行二次開發，實現作物環境數據的監測與采集。上位機（CC2530）使用一塊帶液晶顯示屏的網關板實現信息的采集，最終完成環境數據采集后的流程控制、指令的發送、邏輯判斷、無線數據的交互。

教學環節中，無線傳感網的組網與調試可設計為無線組網項目教學單元，上位機、下位機開發可設計成為軟件開發教學單元。最終以單元模塊或系統整體功能的實現為考核目標。

2.2智能車輛管理系統沙盤

智能車輛管理系統以天津濱海學院規劃布局為藍本，提供車輛信息記錄、門禁、位置感應、照明管理、語音提示等功能。

整個系統的智能控制實現以下功能：學院全體信息記錄在上位機（Windows APP）管理系統中，車輛駛至學院正門門禁前將被閱讀器自動收集由車載標簽發出的Response數據，數據中包括車輛校驗、車牌、車主及工作部門等信息，校驗成功后門禁桿自動抬起，并由語音系統播放歡迎信息；在車輛駛入學院主路后行駛側所有路燈開啟，作為夜間照明、引路指示；車輛停入學院規定的停車位后觸發在停車位兩側的對射位置感應器，感應器通知上位機控制軟件車位已被占用，上位機車位數量減一，相應車位在地圖上顯示不可用紅色狀態。

利用RFID技術完成車輛信息的讀取，下位機采用開源Arduino平臺實現RFID閱讀器信息的上傳，同時由下位機控制燈光、對射開關狀態的監測與修改；上位機采用Windows操作系統桌面程序，記錄學院車輛數據，并負責對射、燈光、語音系統的指令下達。

Arduino與RFID系統的連接設計成為組網教學環節，上位機、下位機開發設計成為開發教學環節。以系統功能實現為最終的考核目標。

3 結論

本文通過使用教學沙盤來模擬物聯網相關行業的應用，在項目化教學的過程中通過實物讓學生在學習中真實感受到技術的應用，而且通過沙盤訓練對學生的動手實踐能力的鍛煉也較課堂的實訓效果更佳，但沙盤實訓也存在一定的缺陷，主要表現在技術涵蓋面較窄且擴展性較差。

在進一步的研究中，實訓沙盤應向通用模塊化方向發展，在物聯網的不同領域、不同層次間找到共通的部分進行模塊化，如：無線組網部分，傳感器采集部分，自動控制部分等等。另外一方面應該提高沙盤業務邏輯適應能力，使學生能夠充分發揮想象，自主創新利用現有設備開發出新型的物聯網應用。在軟件層面應將通用功能高度模塊化，進而降低學生開發的難度和工作量。

這樣將沙盤模塊化通用化就能夠有效利用現有資源形成更加復雜的應用場景，滿足更多的教學單元，通過動手搭建不同的應用場景是學生能夠了解到物聯網應用的各層的技術特點與細節，能夠幫助學生建立一個較為完整的知識體系。激發學生自主研究自主求知的動力，真正地將能力、技能作為教學評價手段。

本文利用較為前沿的Arduino、ZigBee、RFID等技術，認真仔細分析真實環境下的系統應用過程，通過系統規劃、系統分析、系統設計、系統實現的嚴格系統開發流程，完成了用于物聯網核心專業課的兩套智能沙盤——智能溫室控制系統與智能車輛管理系統。智能溫室控制系統模擬真實作物生長需求環境，借助傳感器技術采集溫室中溫度、濕度、光照度、土壤水分等數據，利用ZigBee技術組建無線傳感網將實時數據統一收集到上位機中，由上位機根據預設環境要求啟動加熱管、灌溉器、供氧風扇等設備進行調節，保證作物的生長各項環境參數的要求。另外，智能車輛管理系統則以學院為藍本，模擬了學院教職員工車輛進入學院時的門禁自動控制，車輛信息校驗、夜間引路指示，車位占用信息統計等功能。兩套沙盤的完成可以有力地支持物聯網技術專業如《物聯網組網組合實訓》、《RFID應用技術》等多門核心課程。通過將真實的工作過程虛擬化、微縮化，將真實項目環節作為學生研究學習的中心，活躍課堂氛圍，充分調動學生自主思考、求知的主動性。同時，系統在開發時充分考慮了專業市場崗位的需求，將沙盤分成組網技術與開發設計兩類不同方向的內容，可以由學生自主根據興趣與專長考慮選擇不同的工作內容，以學生為本、以能力為先，體現了高職教育的“教、學、做”一體化的特點。

參考文獻：

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【通聯編輯：光文玲】