新工科背景下基于項目驅動的Zigbee技術及應用課程改革

侯艷艷 張偉 王海峰 呂新杰

摘要：Zigbee技術及應用課程是物聯網工程專業的必修課程，主要講授物聯網應用開發的短距離傳輸技術。課程貫徹“學生中心、產出導向、持續改進”三大教學理念，將智能停車系統應用項目與教學內容相結合，完成課程教學改革。通過課程教學改革，將傳統的以知識點為主線的轉化為以項目實踐為主線的教學內容組織模式，提高了學生解決復雜工程問題的能力，對于新工科背景下物聯網工程專業的其他課程的教學設計與改革也具有重要的指導意義。

關鍵詞：Zigbee技術;智慧停車系統;物聯網系統;模塊化;Zstack協議棧

中圖分類號： G642.0? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? 文章編號：1009-3044（2019）02-0131-02

1 課程概述

Zigbee技術及應用課程是一門技術性、實踐性很強的專業課程，主要講授基于Zigbee協議的物聯網工程中的短距離無線組網的設計與實現。通過本課程的學習，使學生掌握物聯網工程相關崗位所需的Zigbee技術，掌握 Zigbee協議的體系結構及應用原理，并能夠根據Zigbee技術設計和組建無線傳感網，提高學生運用工程原理分析解決復雜工程問題的能力，為學生以后從事物聯網工程領域相關工作打下堅實工程技術基礎。

Zigbee技術及應用課程的總體設計思想是以應用實踐能力培養為本位，以項目開發為導向，以校企共建為途徑，采用智慧停車系統為應用案例，將課程的知識點分解到項目案例中，采用理論與實踐結合的教學方式，培養學生的物聯網應用開發和實踐能力。

2? 教學內容設計

通過分析當前物聯網行業需求及ZigBee 技術所涵蓋的崗位群的職業能力需求，重新組織課程教學內容。教學內容的組織上摒棄傳統的以學科體系為主線的章節安排方式，結合物聯網工程應用案例，將工程實踐應用需求融入教學過程中，將課程知識點融入物聯網工程應用案例中，將物聯網工程開發方法融入實踐教學環節中，形成“三融入一結合”的教學特色。按照“分組化”“模塊化”“項目化”及“ 綜合化”方式，課程內容分四個階段展開：

第一階段，熟悉Zibgee相關技術。教師發布智能停車系統的設計任務;學生自主組件課程項目工作小組，以項目組為單位查閱Zibgee相關技術資料，分析智慧停車系統的功能需求，討論并形成智能停車系統初步設計方案。教師通過智慧停車系統項目引入Zibgee技術的基本概念，物聯網應用系統的組成、相關技術及設計方法，幫助學生建立物聯網系統的短距離無線組網的概念。第一階段主要完成如下實驗內容：

（1） 智慧停車系統工程環境熟悉，通過IAR軟件的使用使學生了解zigbee技術的軟件設計方法， 通過Zigbee網絡組網實驗使學生掌握Zigbee網絡的組網方法。開展項目組討論，分析智慧停車系統項目的功能需求。

（2） Zigbee網絡數據分析，通過Zigbee Sniffer嗅探器抓取zigbee網絡數據包，通過MAC層和網絡層的數據幀使學生立即Zigbee網絡的特點。開展項目組討論，分析不同層次Zigbee網絡數據包的特點。

第二階段，智慧停車系統的節點功能開發。從智慧停車系統應用需求出發，引入Zigbee網絡節點芯片CC2530的開發技術，將系統設計分解為溫濕度傳感器、紅外傳感器，光照，控制器等模塊的設計相結合，完成智慧停車系統的終端節點設計。

（1）智慧停車系統I/O口實驗，從智慧停車系統按鍵功能設計需求出發，引入通用I/O口設計按鍵的基本方法，設計按鍵控制停車系統指示燈閃爍，蜂鳴器響等功能，實現按鍵在智慧停車系統中設備控制的功能。

（2）智慧停車系統中斷實驗，分組討論智慧停車系統I/O口實驗中按鍵查詢方式的缺點，引導學生采用中斷控制方式實現按鍵控制功能，實現智慧停車系統控制功能。

（3）智慧停車系統傳感器實驗，從智慧停車系統環境信息采集需求出發，實現溫濕度、光照度、人體紅外信息采集，結合CC2530系統時鐘和振蕩器的原理，分組討論并實現傳感器信息采集、串行數據的傳輸及控制端實現各類設備控制。

第三階段，智慧停車系統的無線組網實驗。分組討論智慧停車系統有線信息傳輸方式的缺點，引入Zigbee技術無線傳輸方案，分組討論并實現基于IEEE802.15.4標準的智慧停車系統的無線組網及數據收發。

（1）無線射頻與MAC層實驗，分組討論無線射頻通信的基本原理，引導學生通過無線信道實現智慧停車系統點對點數據收發。

（2）智慧停車系統無線網絡實驗，通過Zstack協議棧組建智慧停車系統無線網絡，實現協調器的廣播發送，協調器、路由器及終端節點之間點對點通信，設計智慧停車系統設計無線傳感網絡方案。

第四階段，智慧停車系統綜合設計。基于Zstack協議棧，結合紅外傳感節點、光照節點，溫濕度傳感器節點、執行器節點，啟發學生構建智慧停車系統綜合設計方案，完成智慧停車系統的信息采集、網絡傳輸、設備控制。

（1） 智慧停車系統硬件驅動實驗，小組討論并實現基于TI的Zstack協議棧、實現開關、按鍵相關的驅動代碼的設計，完成溫度傳感器、光照度傳感器、等傳感器信息的移植，為智慧停車系統的設計做準備。

（2）智慧停車系統應用程序實驗，設計實現智慧停車系統的應用程序，實現溫濕度，光照度等環境信息的采集，并根據環境信息自動控制停車系統設備的開關，實現智慧停車系統的自動化和智能化管理。

3 課程考核方式

為了保證基于項目驅動的Zigbee課程教學改革效果，提高學生工程實踐能力，課程考核摒棄了傳統的單一的試卷考核方式，而是采用考試與項目答辯相結合的過程考核方式，課程考核通過三個階段的考核實現：

（1）隨堂考核

第1-14教學周，課程采用項目組模式、任務分解的方式開展教學，每周設立答辯時間，檢查每組項目的完成進展情況，項目組成員基于項目的完成情況及相關技術進行展示及答辯，根據項目完成情況，創新度，及項目組成員的貢獻度形成隨堂考核成績。

（2）課程設計

第15-16教學周，集中實踐教學環節，根據智慧停車系統的設計過程及方法，布置課程設計，要求學生根據物聯網系統在智能家居、環境監控、智慧農業的應用，完成其他物聯網應用系統的設計。

（3）綜合考核

第18-19教學周，組織學生考試，考試采用機考形式（閉卷考試），主要考查學生的物聯網程序分析設計能力。通過小組答辯與項目內容演示的考核方式，考查學生的物聯網技術綜合實踐與應用能力。

4結論

新工科背景下，為了提高學生的工程實踐能力，我們應該改變傳統的教學模式和教學內容組成形式，基于項目驅動的Zigbee課程教學改革能夠從提高學生的問題解決能力及復雜工程解決能力出發，將課程內容與工程案例無縫對接，采用工程化教學方法，引導學生設計出滿足工程需求的物聯網應用系統。通過Zigbee技術及應用課程教學改革，培養學生的創新思維，提高學生的物聯網應用系統的開發能力、激發學生的創新能力。

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