以工程教育認(rèn)證為導(dǎo)向的“無線通信綜合實踐”課程方案設(shè)計

李學(xué)華，王亞飛，楊尚文，耿賽猛，劉 磊

（1. 北京信息科技大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院，北京 100101；2. 航天創(chuàng)客（北京）科技有限公司，北京 100124；3. 悅成移動互聯(lián)網(wǎng)孵化基地，北京 100124）

通信系統(tǒng)是通信原理系列課程教學(xué)中的基本概念和基本內(nèi)容，許多高校在通信原理系列課程中設(shè)計了大量通信系統(tǒng)實驗項目[1-7]，在培養(yǎng)信息通信類人才中發(fā)揮了重要作用。但這些實驗項目多集中于軟件仿真，理論性過強，實踐性稍弱，也沒有強調(diào)工程教育認(rèn)證的目標(biāo)導(dǎo)向，對專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)的實現(xiàn)支撐較弱。

通信工程專業(yè)人才的培養(yǎng)目標(biāo)是：具有良好的人文社會科學(xué)素養(yǎng)和社會責(zé)任感；具有自主學(xué)習(xí)和終身學(xué)習(xí)的意識，有不斷學(xué)習(xí)和適應(yīng)發(fā)展的能力；具備在通信領(lǐng)域以及其他國民經(jīng)濟(jì)部門從事信息通信系統(tǒng)的集成、制造、應(yīng)用開發(fā)以及管理等方面工作的能力。基于“以學(xué)生為中心、成果導(dǎo)向和持續(xù)改進(jìn)”的工程教育認(rèn)證理念，本文圍繞我校高素質(zhì)應(yīng)用型人才的培養(yǎng)目標(biāo)，以及通信工程專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)、畢業(yè)要求和課程大綱，設(shè)計了“無線通信綜合實踐”課程方案。該課程方案以畢業(yè)要求與指標(biāo)點為出發(fā)點，在對“通信系統(tǒng)課程設(shè)計”[8]持續(xù)改進(jìn)的基礎(chǔ)上，兼顧學(xué)生和教師的需求，設(shè)計了一個小型衛(wèi)星通信系統(tǒng)實驗項目。該實驗項目是與我校市級校外人才培養(yǎng)基地悅成移動互聯(lián)網(wǎng)孵化基地和航天創(chuàng)客（北京）科技有限公司共同設(shè)計的。以中國航天事業(yè)快速發(fā)展為背景，借鑒衛(wèi)星通信模式，通過軟硬件結(jié)合而設(shè)計的該實驗項目，能夠使學(xué)生有興趣、有能力掌握一般無線通信系統(tǒng)的組成和設(shè)計原理以及衛(wèi)星通信特點。本實驗項目通過對具體通信系統(tǒng)的設(shè)計、電路調(diào)試和軟件編程，能夠使學(xué)生進(jìn)一步加深對實際通信系統(tǒng)及所學(xué)的專業(yè)知識的理解，提高解決復(fù)雜工程問題的能力和社會責(zé)任感。

1 設(shè)計思路

北京郵電大學(xué)編著的《通信原理》第一版序的第一句話是“通信乃是互通信息”[9]，本文設(shè)計的“無線通信綜合實踐”方案就是圍繞“如何互通信息”這個任務(wù)展開的。圍繞此中心任務(wù)，并結(jié)合課程所支撐的畢業(yè)要求與指標(biāo)點設(shè)計的小型衛(wèi)星通信系統(tǒng)實驗項目的設(shè)計思路如圖1所示。

本課程所支撐的畢業(yè)要求與指標(biāo)點是基礎(chǔ)，所設(shè)計的實驗項目內(nèi)容必須滿足畢業(yè)要求，在此基礎(chǔ)上，要從教師視角和學(xué)生視角兩個方面去考慮實驗內(nèi)容。首先，從教師視角要考慮實驗內(nèi)容是否能夠培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力，考核方式是否能夠體現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)，是否能讓所有學(xué)生在實驗課上都能體驗到成功。從學(xué)生視角要考慮實驗項目的趣味性，興趣是最好的老師，要以精彩的實驗內(nèi)容來激發(fā)學(xué)生的興趣。當(dāng)然，在從教師視角和學(xué)生視角考慮方案設(shè)計時，一定要基于“以學(xué)生為中心，以成果為導(dǎo)向”這個工程教育認(rèn)證理念，并籍此指導(dǎo)設(shè)計實踐的全過程。

圖1 “無線通信綜合實踐”課程方案設(shè)計思路

2 實驗項目原理

本實驗項目設(shè)計的小型衛(wèi)星通信系統(tǒng)的組成原理如圖2所示。系統(tǒng)包括數(shù)字傳感器、模擬傳感器、A/D轉(zhuǎn)換、信道編碼、信道解碼、LoRa調(diào)制發(fā)射、LoRa接收解調(diào)、LCD顯示等部分。其中，數(shù)字傳感器和模擬傳感器負(fù)責(zé)采集要發(fā)送的信息，模擬傳感器在采集信息后還要經(jīng)過A/D把模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。學(xué)生可以任選傳感器進(jìn)行如下信息的采集：①溫度、氣壓和高度信息；②溫度和濕度信息；③GPS位置信息；④光強度信息。其中，光強度信息采用光敏電阻進(jìn)行測量，需要加A/D模塊。由于數(shù)字信號在無線信道傳輸過程中會受到噪聲干擾，所以還需要進(jìn)行信道編解碼，可以選用奇偶校驗碼、CRC（循環(huán)冗余校驗碼）等編碼方式，信道編解碼利用單片機實現(xiàn)。射頻調(diào)制解調(diào)采用LoRa技術(shù)，這是一種新型的基于1 GHz以下超長距離低功耗數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，使用非授權(quán)頻段，還使用了擴(kuò)頻調(diào)制解調(diào)和前向糾錯技術(shù)，可以低發(fā)射功率獲得更廣的傳輸范圍和距離[10-11]。

圖2 小型衛(wèi)星通信系統(tǒng)的組成原理

系統(tǒng)的通信過程如下：傳感器采集信息后（模擬傳感器在采集信息后還要經(jīng)過 A/D進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換），將信息送入單片機；單片機對采集到的信息進(jìn)行信道編碼，并將編碼后的信息送到 LoRa調(diào)制發(fā)射模塊；調(diào)制發(fā)射模塊在中心頻率為 433 MHz的頻點上對信息進(jìn)行調(diào)制，再通過天線發(fā)射出去；LoRa接收解調(diào)模塊對接收到的信息進(jìn)行解調(diào)；解調(diào)后的信息輸入單片機中進(jìn)行信道解碼；單片機把解碼后的信息送到LCD上顯示。在此過程中，如果多組學(xué)生同時進(jìn)行無線通信實驗，相互之間將產(chǎn)生干擾。為了避免這種情況發(fā)生，在方案設(shè)計時可以在傳感器類型、LoRa射頻工作頻點、信道編碼方式等方面進(jìn)行隔離。

為了使學(xué)生了解衛(wèi)星及衛(wèi)星通信模式，本實驗項目對硬件進(jìn)行了仿衛(wèi)星設(shè)計，即在發(fā)送部分設(shè)計了載荷板、通信板、電源板，如圖3所示。其中，載荷板承載的是各種傳感器，通信板承載的是信道編碼和射頻模塊，電源板為載荷板和通信板提供電源，與實際衛(wèi)星的構(gòu)成思路一致。

圖3 小型衛(wèi)星通信系統(tǒng)的實際組成

3 實驗過程、實驗結(jié)果及考核方式

圖4為從GPS位置信息采集、無線傳輸?shù)斤@示的通信實現(xiàn)圖，GPS模塊、載荷板、通信板和電源板構(gòu)成了衛(wèi)星系統(tǒng)，通過軟硬件設(shè)計和編程實現(xiàn)，接收部分可以準(zhǔn)確顯示衛(wèi)星的位置信息。本實驗項目要求學(xué)生先完成硬件電路的焊接、組裝和調(diào)試，然后編寫單片機程序?qū)崿F(xiàn)信道編碼和信息顯示，最后再進(jìn)行關(guān)鍵點信號的測量和聯(lián)合調(diào)試。具體說明如下：

（1）如圖4所示，給定載荷板、通信板、電源板、接收板、LCD屏及其相對應(yīng)的電路原理圖。根據(jù)實驗任務(wù)，按照原理圖焊接核心模塊及外圍電路，包括載荷板上的傳感器及其外圍電路，載荷板與通信板以及電源板的互聯(lián)電路、射頻模塊天線等。

（2）把發(fā)送的衛(wèi)星部分按照上層為載荷板、中間為通信板、底層為電源板進(jìn)行組裝，確保信號互連正確；把發(fā)送的地面站部分按照電源板在下、LCD顯示在上進(jìn)行組裝，并確認(rèn)信號互連信息。

（3）選擇設(shè)置LoRa調(diào)制發(fā)射模塊和接收模塊的工作頻率，需滿足《微功率（短距離）無線電設(shè)備管理暫行規(guī)定》《微功率（短距離）無線電設(shè)備的技術(shù)要求》等規(guī)章要求[12]。

（4）編寫傳感器對應(yīng)的單片機程序。其中，使用BMP180模塊采集溫度、氣壓和高度數(shù)據(jù)，BMP180通過 IIC串行接口與 MCU相連，MCU通過調(diào)用BMP180庫文件中的函數(shù)獲取對應(yīng)的傳感器數(shù)據(jù)；使用DHT11模塊采集溫、濕度數(shù)據(jù)，MCU可以直接讀取；使用ATGM336H-5N模塊采集GPS位置數(shù)據(jù)，再由MCU使用并解析NMEA0183協(xié)議中推薦的定位信息，可以方便地獲取相對完整的位置信息；使用光敏電阻采集光強信息，光敏電阻在電路中通過感應(yīng)光強的變化，以一個可變電阻的形態(tài)出現(xiàn)，與之串聯(lián)的電阻起到分壓作用，從而把電阻的變化反映為電壓的變化，這樣就可以通過 MCU的模擬輸入管腳，測出電壓的值，進(jìn)而測算出光照強度。

（5）編寫信道編解碼及顯示的單片機程序。按照CRC原理編寫校驗函數(shù)，實現(xiàn)編解碼。LCD顯示屏由MCU通過串口發(fā)送命令字符串，實現(xiàn)信息字符顯示。

（6）本實驗項目要求2個學(xué)生為一組，一個負(fù)責(zé)發(fā)送部分，一個負(fù)責(zé)接收部分，兩人需要合作進(jìn)行聯(lián)合設(shè)計、聯(lián)合調(diào)試等任務(wù)。

圖4 衛(wèi)星位置信息的無線傳輸實現(xiàn)圖

在小型衛(wèi)星通信系統(tǒng)的設(shè)計、組裝、編程及測試過程中，涉及數(shù)據(jù)采集、A/D轉(zhuǎn)換、編碼、解碼、調(diào)制、解調(diào)等理論概念，還要進(jìn)行方案設(shè)計、軟件編程等。在實驗全過程中，要綜合考慮安全、環(huán)境、法律等非技術(shù)因素，要求學(xué)生具備解決復(fù)雜工程問題的能力。在此過程中，實驗方案既固定了一些內(nèi)容，又留給學(xué)生一定的自主設(shè)計空間，例如傳感器的選擇、信道編碼的選擇、單片機程序設(shè)計、頻率點選擇等。給學(xué)生留有自主設(shè)計空間，就是在為他們解決復(fù)雜工程問題提供切入點，這是鍛煉他們解決復(fù)雜工程問題的最直接手段。

在系統(tǒng)測試的過程中，學(xué)生不可能一步到位地實現(xiàn)從信息采集、無線傳輸?shù)斤@示的通信任務(wù)，當(dāng)遇到問題時，就需要學(xué)生使用頻譜分析儀、示波器等測量設(shè)備進(jìn)行信號測試，以發(fā)現(xiàn)問題和解決問題，即訓(xùn)練學(xué)生使用測量儀器設(shè)備的能力。

為了讓不同基礎(chǔ)的學(xué)生在實驗課上都能體驗到成功，實驗項目設(shè)置了多種數(shù)據(jù)采集信息供學(xué)生結(jié)合自身的興趣和能力進(jìn)行選擇，相應(yīng)的成績評定方式如表 1所示，使每位學(xué)生通過自己的努力都能達(dá)到課程要求。

表1 “無線通信綜合實踐”課程成績評定項目及占比

4 課程指標(biāo)點對應(yīng)的實現(xiàn)途徑

根據(jù)課程大綱，本課程支撐畢業(yè)要求指標(biāo)點情況及其對應(yīng)的實現(xiàn)途徑如表 2所示。從表中可以看出，本課程的實驗項目完全實現(xiàn)了對畢業(yè)要求的支撐，覆蓋了技術(shù)因素、非技術(shù)因素、團(tuán)隊合作、自主學(xué)習(xí)、終身學(xué)習(xí)等方面，充分體現(xiàn)了以成果為導(dǎo)向的工程教育認(rèn)證理念。

表2 “無線通信綜合實踐”課程指標(biāo)點與對應(yīng)的實現(xiàn)途徑

5 結(jié)語

本實驗項目從工程教育認(rèn)證理念出發(fā)，綜合了“程序設(shè)計基礎(chǔ)”“單片機應(yīng)用技術(shù)”“衛(wèi)星通信”“通信原理”等課程的內(nèi)容，以衛(wèi)星通信模式實現(xiàn)了從數(shù)據(jù)采集到數(shù)據(jù)接收、顯示的全過程。在方案設(shè)計、實物制作過程中，使學(xué)生在安全用電、電磁干擾、通信頻率選擇等方面能夠考慮非技術(shù)因素，在提高解決復(fù)雜工程問題能力的同時培養(yǎng)社會責(zé)任感。