基于物聯網技術的單片機教學改革

陳曉靜

10.3969/j.issn.1671-489X.2020.21.087

摘? 要 在物聯網技術快速發展和建設新工科背景下，探討單片機原理及應用課程融合物聯網技術的方法，針對單片機實踐性強的特點，探討將物聯網技術融入單片機原理及應用課程的教學改革方法。該方法不僅能有效促進學生對單片機基礎知識的理解，而且能引導學生關注科技前沿，是培養學生學以致用意識和提高學生探索創新能力的有效手段。

關鍵詞 單片機;物聯網技術;新工科;單片機原理及應用;創新能力

中圖分類號：G642.0? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2020）21-0087-03

1 前言

為應對新一輪科技革命和產業變革，教育部對高等工程教育提出發展新工科的要求。新工科的內涵是以立德樹人為引領，以應對變化、塑造未來為建設理念，以繼承與創新、交叉與融合、協調與共享為主要途徑，培養多元化、創新型卓越工程人才[1]。與傳統教育不同的是，新工科更注重培養學生對前沿科技知識的學習能力以及運用所學知識進行創新的能力，這為電子類專業課程的教學改革提供了明確的方向。

隨著5G的發展，物聯網、大數據、云計算、人工智能將引領新的技術潮流。如果把這些技術引入課堂，將充實傳統的教學內容，激發學生學習的熱情和內在的創新動力，同時也體現了新工科人才培養的內在要求。本文將探討如何將物聯網技術融入單片機原理及應用課程，以達到拓寬學生視野、提高學生動手能力和創新能力的目的。

2 單片機技術和物聯網技術的關系

單片機即單片微型計算機，是采用超大規模集成電路技術把計算機的主要組成部件集成在一塊硅片上構成的一個小而完善的微型計算機系統，在工業控制、智能儀表、醫用設備、民用設備等領域得到廣泛應用。單片機原理及應用課程是電類專業的專業基礎課程，以8051單片機為講授對象，主要內容包括單片機結構、指令系統和匯編語言設計、并行I/O口、中斷、定時器、串口、總線擴展和外圍芯片接口技術等。學生通過課程的學習，能夠初步設計簡單的電子應用系統，如溫度測量、電壓表、交通燈、密碼鎖等。

物聯網即萬物相連的互聯網，是指將各種信息傳感設備與互聯網相結合形成的一個巨大網絡，能夠實現在任何時間、任何地點，人和物或物和物之間進行信息交換和通信。目前，物聯網的應用包括智慧油田、智能電網、智慧城市、智能農業、數字化醫療等眾多領域。物聯網的結構分為三

層：感知層、網絡層和應用層。其中感知層的核心就是單片機或者其他的微控制器[2]。

由以上分析可知，單片機是物聯網的終端節點控制單元，而物聯網是單片機的重要應用領域，二者密不可分。傳統單片機課程僅側重于本地數據采集和存儲，通信只采用串口通信。而物聯網要求單片機與互聯網相連，實現不受地域限制的遠程數據傳輸和控制。因此，為順應物聯網技術發展的要求，傳統的單片機教學內容和教學方法亟待改革。

3 單片機教學內容改革

單片機課程本質上屬于計算機類課程，包括原理介紹、指令編程和接口硬件設計，是一個獨立完整的應用型課程。而物聯網是非常寬泛的一個概念，其關鍵技術涉及無線網絡、大數據、云計算、人工智能等比較復雜的知識。由于課程目標和課時的限制，在單片機課程中不可能詳細地對物聯網技術進行理論介紹。結合單片機實踐性強的特點，筆者提出一種切實可行的將物聯網技術融入單片機課程的方法。該方法的主要思路是把物聯網應用實例引入單片機實驗教學中，讓學生通過動手實踐來加深對物聯網的認識，使學生感覺到物聯網是看得見、摸得著且與自己密切相關的技術。

本文將介紹一個借助于現有51單片機實驗板就能實現的簡單物聯網應用實例——遠程溫度監控系統。利用51單片機通過Wi-Fi模塊連接互聯網云平臺，并通過云平臺和手機APP進行通信，實現單片機向手機傳送溫度數據并在手機APP上實時顯示溫度，同時利用手機APP也可以對單片機板上的LED燈進行亮滅控制。下面對實驗硬件和軟件分別加以介紹。

硬件電路設計? 設計需要的器材與條件包括ESP-01S模塊、電腦一臺（電腦安裝CH340驅動程序）、普中51單片機板（帶USB轉TTL模塊一個）、Wi-Fi網絡。ESP-01S模塊是一款低功耗、高性價比的串口轉Wi-Fi透傳模塊[3]，被廣泛應用于智能電網、智能交通、智能家居、工業控制等領域，尺寸大約為2.4 cm×1.4 cm，可以通過杜邦線與單片機實驗板連接。以普中51單核A2單片機實驗板為例，最終實驗硬件平臺的搭建如圖1所示。

云平臺賬號注冊? 目前常見的云平臺有阿里云、中國移動oneNET、機智云、巴法云等。考慮到巴法云的簡單易用性，本文以巴法云為例進行實驗。首先在巴法云主頁點擊注冊，采用郵箱或者微信掃碼方式均可;注冊完成后點擊登錄，即可在控制臺看到自己的私鑰UID;用戶使用這個私鑰可以接入自己的設備，如單片機或手機等。另外，需要在控制臺上新建主題，主題名由數字、字母或數字和字母組合而成，每個主題代表一個應用場景，用戶可以新建不同主題來滿足不同項目的需求。

單片機程序設計? 單片機程序的主要功能是配置Wi-Fi模塊以及和云服務器通信。配置Wi-Fi模塊包括啟動模塊、設置Wi-Fi工作模式、連接Wi-Fi路由器、設置透傳模式、連接云服務器、開啟透傳。這些功能分別由表1所示的AT指令來完成。單片機和云服務器通信過程主要由發送POST報文和GET報文所組成，報文具體內容如表2所示。

POST報文的功能是設備向云服務器推送數據，必須遵循一定的格式：第一行以POST開頭，中間是云平臺HTTP API寫接入地址，最后以協議名稱HTTP/1.1結尾;第二行以Host：開頭之后是服務器主機域名api.bemfa.com和端口號8344;第三行是Content-Type： application/x-www-form-urlencoded，表示表單數據以鍵值對方式編碼;第四行connection：close表示關閉TCP連接;第五行是Content-

Length，表示消息主體長度66字節（包括回車換行）;第六行是空行;第七行是消息主體。

GET報文的功能是設備從服務器獲取數據，其格式與POST類似：第一行以GET開頭，中間是云平臺HTTP API讀接入地址、用戶私鑰uid以及type字段，以協議名稱HTTP/

1.1為結尾，表示單片機請求讀云服務器所有主題的消息內容。

手機APP設計? 手機APP采用App Inventor2（簡稱AI2）[4]設計。AI2是一種基于Web瀏覽器的Android應用開發工具，該軟件的主要特點是不需要寫程序代碼，用戶只需要進行代碼拼裝即可，其過程類似于拼圖游戲，既具有趣味性，又具有實用性。本文中設計的手機APP如圖2所示。

由物聯網實例可知，物聯網實驗比一般單片機實驗綜合性強、耗時長。硬件配置比較簡單，只需要在傳統單片機實驗板上增加一個WiFi模塊即可完成。實驗工作量主要在軟件編程方面，包括單片機聯網和手機APP的設計。

4 單片機教學學時分配

基于上述介紹，對物聯網技術學時進行分配。單片機原理及應用課程共64學時，包括48個理論學時和16個實驗學時，此外還有課程設計環節。為了引入物聯網技術，需要對原有教學內容進行改革，減少實用價值偏低的章節，如匯編語言以及8255芯片，將其改為物聯網理論介紹（占4個學時）。手機APP設計采取自學方式，在課程結束后上交APP設計文檔并記入課程平時分。在實驗學時安排上，考慮到物聯網實驗需要設計單片機程序和手機APP，綜合性強，工作量大，不適合作為隨課實驗，更適合在課設環節完成。課設的選題也不局限于遠程溫度監控，將物聯網和其他類型傳感器結合，就可以擴展成新的實驗課題。表3給出部分基于物聯網的單片機課程設計名稱和內容介紹，課設學時大約為20學時。

5 結語

提出一種將物聯網技術融入單片機原理及應用課程的方法。首先，在分析一個具體物聯網實例的基礎上，提出對已有的實用價值偏低的教學內容進行刪減，增加與物聯網相關的課時，并引導學生對部分內容進行自學。其次，在課設中設置與物聯網相關的課題。該方法通過實踐加深學生對單片機基礎知識的理解，提高學生的單片機運用能力;且與熱門技術聯系緊密，能夠有效激發學生的學習興趣和創新意識。

參考文獻

[1]鐘登華.新工科建設的內涵與行動[J].高等工程教育研究，2017（3）：1-6.

[2]解永軍，胡曉毅.物聯網技術在微控制器實驗教學中的應用[J].電子制作，2017（14）：33-34，24.

[3]ESP8266-01 WiFi模塊用戶手冊V1.0[EB/OL].[2015-01-

27].https：//wenku.baidu.com/view/1dd4347df12d2af902

42e69b.html.

[4]尹孟征.淺析幾種APP開發平臺[J].通信電源技術，

2016（4）：158-163.