基于云實(shí)驗(yàn)平臺的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索

崔 勇，張 茜，富 立

基于云實(shí)驗(yàn)平臺的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索

崔 勇1,2，張 茜1，富 立1,2

（1. 北京航空航天大學(xué) 自動化科學(xué)與電氣工程學(xué)院，北京 100191；2. 北京航空航天大學(xué) 機(jī)械與控制工程國家級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，北京 100191）

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有廣闊的發(fā)展前景和重要的實(shí)用價值。為了培養(yǎng)符合技術(shù)發(fā)展需求的工程技術(shù)人才，改善傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中實(shí)驗(yàn)資源利用率低、維護(hù)成本高、受時空限制等問題，本文基于我校云實(shí)驗(yàn)平臺設(shè)計了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)課程。該課程的內(nèi)容設(shè)計及創(chuàng)新性的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，在激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)積極性、提高學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力、提升實(shí)驗(yàn)課程質(zhì)量等方面取得了良好的效果。

云平臺；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)層的關(guān)鍵技術(shù)之一[1-2]。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)融合了傳感器技術(shù)、嵌入式計算機(jī)技術(shù)、無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及分布式信息處理技術(shù)[3]，能夠通過各種微型集成化傳感器的協(xié)同配合，對監(jiān)測對象或環(huán)境進(jìn)行實(shí)時檢測、感知和信息采集，從而實(shí)現(xiàn)物理、計算以及人類三元世界的聯(lián)通[4]。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在軍事國防、工農(nóng)業(yè)監(jiān)測、智能交通、環(huán)境檢測、健康醫(yī)療等領(lǐng)域都有重要實(shí)用價值。

長期以來，我校無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)遵循傳統(tǒng)的教學(xué)模式，按照實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)、實(shí)驗(yàn)實(shí)施、實(shí)驗(yàn)報告方式進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)過程缺少明確的環(huán)節(jié)管理，以現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)為主，實(shí)驗(yàn)資源利用率低、維護(hù)成本高，更新?lián)Q代難以與技術(shù)發(fā)展同步。因此迫切需要利用新的信息技術(shù)，改變傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理模式和實(shí)驗(yàn)課堂模式，研究新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段。我校于2016年建立了面向全校實(shí)驗(yàn)課程的云實(shí)驗(yàn)中心平臺（http://e-cloud.buaa. edu.cn），旨在全面提升我校實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理水平，創(chuàng)新云端網(wǎng)絡(luò)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，建立開放共享實(shí)驗(yàn)平臺。

依托這一云實(shí)驗(yàn)中心，本文對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)課程建設(shè)及其教學(xué)模式進(jìn)行了探索，開發(fā)了基于云實(shí)驗(yàn)平臺的無線片上系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)、無線傳感器實(shí)驗(yàn)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)綜合實(shí)驗(yàn)等一系列創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)，旨在使學(xué)生能夠靈活地按需調(diào)用實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，充分發(fā)揮自主學(xué)習(xí)的積極性，提高實(shí)踐創(chuàng)新能力。

1 云實(shí)驗(yàn)平臺架構(gòu)

利用云計算和虛擬化技術(shù)，建造了云平臺實(shí)驗(yàn)環(huán)境，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 云實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

云實(shí)驗(yàn)平臺資源基于VMware桌面虛擬化系統(tǒng)，省去復(fù)雜的底層操作，通過接口集成方式對平臺資源進(jìn)行集中管理[5]。云實(shí)驗(yàn)平臺創(chuàng)建在Internet上，便于用戶隨時隨地通過廣域網(wǎng)由一個簡單的Web界面接口進(jìn)行訪問[6]。通過將業(yè)務(wù)功能模塊化，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)單元的相互獨(dú)立，使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為松耦合、可擴(kuò)展。針對課前預(yù)習(xí)、課堂教學(xué)和課后作業(yè)等環(huán)節(jié)，云實(shí)驗(yàn)平臺提供了相應(yīng)的業(yè)務(wù)功能組件，如課堂信息管理、實(shí)驗(yàn)設(shè)計管理、虛擬資源管理、實(shí)驗(yàn)課堂管理、實(shí)驗(yàn)報告管理、課程質(zhì)量分析等。

基于云實(shí)驗(yàn)平臺的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)，即瀏覽器和服務(wù)器架構(gòu)[7]，主要由用戶、云實(shí)驗(yàn)平臺、實(shí)驗(yàn)室及實(shí)驗(yàn)裝置等3部分構(gòu)成。

（1）用戶。即使用云實(shí)驗(yàn)平臺的教師、學(xué)生與管理員。用戶通過簡單的Web頁面提交申請，經(jīng)身份驗(yàn)證或用戶管理認(rèn)證后可遠(yuǎn)程登錄云實(shí)驗(yàn)平臺[8]。與傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ较啾?，用戶自身計算機(jī)資源幾乎不被占用，而且可通過廣域網(wǎng)在任意時間、地點(diǎn)訪問云實(shí)驗(yàn)平臺，操作靈活、簡便。

（2）云實(shí)驗(yàn)平臺。云實(shí)驗(yàn)平臺可為用戶遠(yuǎn)程桌面連接到實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)提供虛擬機(jī)創(chuàng)建服務(wù)[9]，分別設(shè)置了教學(xué)平臺、使用平臺與管理平臺。教學(xué)平臺可支持教師用戶進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)０逯谱?、資料發(fā)布、在線答疑、實(shí)驗(yàn)考評、成績管理等操作；使用平臺可為學(xué)生提供實(shí)驗(yàn)預(yù)約、在線實(shí)驗(yàn)、交流共享、提交報告、成績查詢的入口；管理平臺則用于管理員維護(hù)實(shí)驗(yàn)環(huán)境和管理實(shí)驗(yàn)資源，其功能包括系統(tǒng)配置、權(quán)限管理、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、分配預(yù)約、實(shí)驗(yàn)監(jiān)控等。不同用戶的實(shí)驗(yàn)環(huán)境相互隔離，互不影響。

（3）實(shí)驗(yàn)室及實(shí)驗(yàn)裝置。將實(shí)體化的實(shí)驗(yàn)室及實(shí)驗(yàn)裝置作為云實(shí)驗(yàn)操作的物理載體[10]。在用戶登錄云實(shí)驗(yàn)中心后，可通過Teamviewer遠(yuǎn)程訪問實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的計算機(jī)，而實(shí)驗(yàn)室內(nèi)計算機(jī)與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)裝置通過線纜連接，可實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的全天24 h不間斷運(yùn)行。有效提高了實(shí)驗(yàn)裝置的利用率，使得實(shí)驗(yàn)的開展更具靈活性和可擴(kuò)展性。

2 云實(shí)驗(yàn)操作模式

云實(shí)驗(yàn)平臺通過圖2所示的功能組件為課程實(shí)驗(yàn)提供服務(wù)。

圖2 云實(shí)驗(yàn)平臺功能組件

實(shí)驗(yàn)前，課程管理員對系統(tǒng)用戶中的教師和學(xué)生用戶進(jìn)行角色配置，并分別設(shè)置訪問權(quán)限。教師創(chuàng)建教學(xué)用虛擬機(jī)，制作教學(xué)模板，以課程站點(diǎn)為單位，建立實(shí)驗(yàn)項目，并為其綁定實(shí)驗(yàn)環(huán)境模板。后臺任務(wù)根據(jù)模板和上課時間自動創(chuàng)建學(xué)生桌面。學(xué)生可不受時空限制，通過廣域網(wǎng)登錄云實(shí)驗(yàn)平臺，查看教師的實(shí)驗(yàn)課程安排，下載實(shí)驗(yàn)資料進(jìn)行預(yù)習(xí)。由于同一時間內(nèi)可供學(xué)生控制的實(shí)驗(yàn)硬件設(shè)備有限，所以系統(tǒng)會預(yù)先限定預(yù)約人數(shù)，學(xué)生可根據(jù)預(yù)約情況靈活選擇預(yù)約時間。當(dāng)學(xué)生在用戶端啟動Teamviewer遠(yuǎn)程訪問實(shí)驗(yàn)室后，可看到配置好相應(yīng)實(shí)驗(yàn)環(huán)境的虛擬桌面。由于實(shí)驗(yàn)室的計算機(jī)與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)箱已連接完成，學(xué)生可在虛擬桌面上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并通過編譯結(jié)果和串口調(diào)試助手反饋實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

實(shí)驗(yàn)過程中，教師可進(jìn)行實(shí)驗(yàn)演示，并可調(diào)用實(shí)驗(yàn)監(jiān)控查看學(xué)生的實(shí)驗(yàn)進(jìn)展并給予指導(dǎo)。同時，學(xué)生可將實(shí)驗(yàn)中遇到的疑問或?qū)嶒?yàn)心得等上傳至系統(tǒng)，與教師、學(xué)生和管理員進(jìn)行實(shí)時交流或論壇討論[11]，以達(dá)到及時解決問題的目的。

實(shí)驗(yàn)完成后，學(xué)生可登錄云實(shí)驗(yàn)平臺進(jìn)行課后復(fù)習(xí)、提交實(shí)驗(yàn)報告等操作，教師可根據(jù)實(shí)驗(yàn)監(jiān)控、實(shí)驗(yàn)結(jié)果、實(shí)驗(yàn)報告多維度衡量學(xué)生的實(shí)驗(yàn)成績。

3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)是我校自動化科學(xué)與電氣工程學(xué)院必修實(shí)驗(yàn)課程，其任務(wù)是通過該課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生進(jìn)一步加深對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的認(rèn)識。實(shí)驗(yàn)的硬件設(shè)備由一套無線片上系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)箱和計算機(jī)組成。無線片上系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)箱由7個無線數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，無線數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)由數(shù)據(jù)采集底板和ZigBee傳輸模塊組成。實(shí)驗(yàn)中采用嵌入式軟件集成開發(fā)環(huán)境IAR Embedded Workbench提供底層程序的編輯、編譯、下載和調(diào)試。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容如圖3所示，包括無線片上實(shí)驗(yàn)、傳感器實(shí)驗(yàn)、無線傳感器組網(wǎng)實(shí)驗(yàn)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)4部分。

圖3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

3.1 無線片上實(shí)驗(yàn)

無線片上實(shí)驗(yàn)包括建立在基于CC2530無線片上系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境的數(shù)字I/O實(shí)驗(yàn)、定時器實(shí)驗(yàn)、外部中斷實(shí)驗(yàn)、串口通信實(shí)驗(yàn)、A/D轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)。學(xué)生可通過登錄云實(shí)驗(yàn)中心遠(yuǎn)程操作實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的計算機(jī)，通過程序編譯結(jié)果和串口調(diào)試助手查看實(shí)驗(yàn)結(jié)果。目的是讓學(xué)生熟悉CC2350無線片上系統(tǒng)的基本功能，掌握通用輸入/輸出接口、定時器、外部中斷、串口通信、A/D轉(zhuǎn)換的操作方法，進(jìn)一步為后續(xù)實(shí)驗(yàn)打下堅實(shí)的基礎(chǔ)。

3.2 傳感器實(shí)驗(yàn)

傳感器實(shí)驗(yàn)包括光強(qiáng)、溫度、煙霧、壓力等傳感器實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)控制軟件將編譯結(jié)果和采集到的數(shù)據(jù)通過Web反饋給云中心，進(jìn)而反饋到廣域網(wǎng)上的用戶[12]。通過該系列實(shí)驗(yàn)，學(xué)生能夠更透徹地理解各種類型傳感器的原理，掌握傳感器動靜態(tài)標(biāo)定的用法，學(xué)會利用所學(xué)知識分析傳感器信號及處理數(shù)據(jù)，能夠結(jié)合“無線片上實(shí)驗(yàn)”所學(xué)知識實(shí)現(xiàn)特定的傳感器功能，從而全面提升學(xué)生測試測量能力。

3.3 無線傳感器組網(wǎng)實(shí)驗(yàn)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)綜合實(shí)驗(yàn)是對學(xué)生自主學(xué)習(xí)、自主探索的升華和對其工程能力的強(qiáng)化，包括基于ZigBee的星形、樹形和MESH無線傳感器網(wǎng)絡(luò)綜合實(shí)驗(yàn)[13]。通過3種組網(wǎng)方式對比，能夠幫助學(xué)生更直觀地了解3種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膬?yōu)缺點(diǎn)及其適用場合。

3.4 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)為分布式溫濕度無線測量實(shí)驗(yàn)，是對先前的無線片上實(shí)驗(yàn)、傳感器實(shí)驗(yàn)和無線傳感器組網(wǎng)實(shí)驗(yàn)的融合和提升，充滿了趣味性和挑戰(zhàn)性，對培養(yǎng)學(xué)生的發(fā)散性思維及綜合運(yùn)用知識與技術(shù)的能力有積極的促進(jìn)作用。

4 實(shí)驗(yàn)效果

基于云實(shí)驗(yàn)平臺的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，大大提高了實(shí)驗(yàn)資源的利用率，同時為教師、學(xué)生充分利用碎片化時間進(jìn)行工作和學(xué)習(xí)創(chuàng)造了便利。為教師提供了從發(fā)布實(shí)驗(yàn)內(nèi)容到評閱實(shí)驗(yàn)報告等一系列流程的綜合一體化平臺，為學(xué)生提供了隨時隨地靈活自主學(xué)習(xí)的平臺。免去了繁瑣的軟件安裝過程和復(fù)雜的前期準(zhǔn)備，使學(xué)生有更多時間和精力鉆研實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和理論知識。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容安排由易到難，由基礎(chǔ)到綜合，充分激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，培養(yǎng)了學(xué)生的工程實(shí)踐能力和工程創(chuàng)新能力，取得了良好的效果。

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Exploration of wireless sensor network experimental teaching based on cloud experimental platform

CUI Yong1,2, ZHANG Qian1, FU Li1,2

(1. School of Automation Science and Electrical Engineering, Beihang University, Beijing 100191, China; 2. National Virtual Simulation Experimental Teaching Center of Mechanical and Control Engineering, Beihang University, Beijing 100191, China)

Wireless sensor network has broad prospects for development and important practical value. In order to train engineers and technicians who meet the needs of technological development and to improve the low utilization rate of experimental resources, high maintenance cost and space-time constraints in traditional experimental teaching, this paper designs an experimental course of wireless sensor network based on the cloud experimental platform of the university. The content design and innovative experimental teaching mode of this course have achieved good results in stimulating students’ initiative in independent learning, enhancing their practical and innovative ability, and improving the quality of experimental courses.

cloud platform; wireless sensor network; experimental teaching

TM93；G642.423

A

1002-4956(2019)09-0161-03

2019-03-04

國家自然科學(xué)基金項目(51707006)；北京航空航天大學(xué)2019—2022年教育教學(xué)改革培育項目（ZQ211J1947）

崔勇（1982—），男，河南漯河，博士，講師，自動化與電氣教學(xué)研究實(shí)驗(yàn)中心副主任，主要研究方向?yàn)槲⒓{傳感技術(shù)。

E-mail: cuiyong@buaa.edu.cn

富立（1969—），女，陜西西安，博士，教授，主要從事自動化技術(shù)研究。

E-mail: fuli@buaa.edu.cn

10.16791/j.cnki.sjg.2019.09.041