無線傳感器網絡實驗課程改革淺析

戴慶天 張旭

無線傳感器網絡是高校物聯網工程專業的一門專業必修課。這門課程復合性強，融合了電路原理、單片機技術、傳感器技術、計算機網絡等先修專業課程，具有較深的專業難度和較廣的專業維度。因此，相對應的實驗課程，就要求實驗教師能夠在實驗課上，使學生對所學的理論知識具有更進一步的直觀了解。本文選取具有無線傳感網絡節點模塊的CC2530作為研究對象，通過一定數量工程的練習，使學生更好地掌握無線傳感器網絡課程較為抽象的理論內容。

一、引言

無線傳感器網絡是物聯網工程專業的必修課，是集傳感器技術、微電機技術、現代網絡和無線通信技術于一體的綜合信息處理平臺。無線傳感器網絡具有廣泛的應用前景，是信息領域最活躍的研究熱點之一。

無線傳感器網絡是一門綜合性較高的專業課程，融合了計算機技術、通信技術和一定的網絡應用技術。通過這門課程，主要是使得學生掌握無線傳感器網絡的體系結構、通信協議和網絡管理流程，了解無線傳感器網絡的節點定位、目標跟蹤和時間同步等幾大支撐技術，為在基于無線傳感器網絡的系統開發和應用中，深入利用關鍵技術，設計優質的應用系統打下良好的基礎。

二、實驗內容簡析

無線傳感器網絡總共有48個學時，其中理論課時40學時，實驗課程8學時，是一門總課時和實驗課時較多的專業課程。這門課程融合度高，抽象的概念較多，因此具有一定的理解難度。很多學生在理論課學習中，并沒有一個對于所學知識的系統化認識，不清楚所學的內容如何在實踐中去應用。因此，本課程的配套實驗課程，主要目的是要學生對所學內容具有直觀認識，了解每個章節的內容是如何應用于實際中的無線傳感器網絡系統中。通過8個課時的實驗課程，使學生能夠初步綜合應用所學的相關理論知識，搭建無線傳感器網絡應用的系統。

本實驗課程總共8學時，實驗內容的設計采用難度和綜合度漸進的方式，分為四個主要部分，依次為接口控制實驗、中斷和內部模塊應用、通信和網絡應用和綜合應用實驗。這種設計方式的目的，是為了逐步提升學生應用所學理論知識和解決實際問題的能力。這四個部分均為綜合性的課程。使學生既能通過驗證性實驗，進一步理解所學相關理論知識內容，又能通過設計性試驗，搭建無線傳感器網絡應用的簡單系統。實驗教師根據學生課上的實際教學情況，動態地調整實驗進度，更好地使學生了解整個無線傳感器網絡的知識系統。

三、實驗平臺與實驗內容設計

結合無線傳感器網絡這門課程的相關特點，其配套實驗課程采用的是硬件平臺和軟件平臺交互的方式。實驗課程的硬件平臺是采用北京奧爾斯公司開發的物聯網創新實驗系統IOV-T-2530。這個硬件實驗平臺提供了網絡模塊、通信模塊、基本的傳感器及控制器模塊和嵌入式網關等模塊，這些模塊相對獨立，易于組裝和拆卸。軟件模塊采用的是IAR Embedded Workbench嵌入式開發軟件。IAR的編譯器優化較好，兼容性強，操作簡便，適用于學生進行系統的二次開發。

由IOV-T-2530實驗系統和IAR開發軟件組成的軟硬件交互實驗系統，能夠使學生在掌握相關理論的同時，利用計算機編程的方法結合實際的硬件模塊解決實際問題，便于學生熟悉和掌握物聯網的構成及實際應用，掌握物聯網開發要領，為物聯網工程應用打下堅實的基礎。通過不同傳感器的特性，不同網絡的組成形式，學生可以在二次開發出更多實用性強的物聯網應用模式。

本課程所使用的物聯網創新實驗系統IOV-T-2530，其核心芯片是CC2530。所有的傳感器及控制器模塊在2530模塊的控制下統一運行，擁有相同的控制接口。根據所學理論課程的內容與實驗室所提供的實驗系統模塊，無線傳感器網絡實驗課程的主要內容有LCD接口實驗、CC2530中斷實驗、CC2530模式實驗、串口通信以及溫濕度采集實驗。每個實驗都有具體的操作步驟和一個參考范例，學生可以根據實驗步驟搭建起來實驗的平臺，然后根據參考范例寫出相應的程序，編譯下載運行調試之后，就會得出相應的結果。

本實驗課程中，每個參考范例只是一個將所學理論內容與實際操作結合的一個簡單實例。學生可以通過此實驗驗證所學的理論，然后以此為基礎，進行自主開發。比如在LCD顯示實驗中，例程只是一個顯示了三角形和正方形的簡單程序。學生在掌握了接口實驗的實驗步驟后，可以自主實現顯示的內容和循環延時的設置，也可以對其它接口內容部分的理論進行驗證。做到靈活運用。最后一個實驗，是綜合性較強的溫濕度測試。這個實驗，綜合了之前所做的典型的幾個實驗內容，包括通信、能耗、中斷、基本接口等內容。對于這樣綜合性強的實驗，可以將它進行拆解，分為多個實驗模塊。然后進行有機組合，最終設計出綜合的實驗系統，完成相關的實驗內容。

四、結語

無線傳感器網絡綜合了傳感器、嵌入式計算、現代網絡及無線通信和分布式信息處理等技術，是當今國內外前沿熱點研究領域。無線傳感器網絡課程理論性較強，因此需要通過實驗課程使學生直觀地了解所學的相關理論知識。通過實驗課程相關反饋，學生普遍能夠對所學內容有立體認識，實驗課程初步取得了良好的效果。

（作者單位：東北大學秦皇島分校）