面向工程應用的無線傳感器網(wǎng)絡綜合實驗設計

徐毅 秦寧寧

[摘 要] 無線傳感器網(wǎng)絡課程的知識點包括了從感知層的硬件構(gòu)成到應用層的安全設置。分析了目前無線傳感器網(wǎng)絡實驗教學過程中存在的問題，提出了面向工程應用的無線傳感器網(wǎng)絡實驗教學的必要性，詳細設計了一個以“基于物聯(lián)網(wǎng)的水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)”為工程應用背景的無線傳感器網(wǎng)絡的綜合實驗方案，給出了實驗成績的考核方法，取得了很好的實驗效果。

[關(guān)鍵詞] 無線傳感器網(wǎng)絡;實驗設計;工程應用;項目驅(qū)動

[基金項目] 2018年度國家自然科學基金“隨機異質(zhì)傳感器網(wǎng)絡覆蓋性能的系統(tǒng)級評估與優(yōu)化”（61702228）

[作者簡介] 徐 毅（1972—），男，四川儀隴人，工學碩士，江南大學物聯(lián)網(wǎng)工程學院實驗室講師，主要從事物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應用研究;秦寧寧（1980—），女，黑龍江虎林人，工學博士，江南大學物聯(lián)網(wǎng)工程學院信息技術(shù)系教授，主要從事無線傳感器網(wǎng)絡理論及應用研究。

[中圖分類號] G642.423? ? [文獻標識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2021）08-0145-04? ? [收稿日期] 2020-08-16

一、背景

無線傳感器網(wǎng)絡（Wireless Sensor Network，以下簡稱WSN）是物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的一門專業(yè)核心課程，其知識點包括了從感知層的硬件構(gòu)成到應用層的安全設置，內(nèi)容難度和跨度都很大，這也體現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)學科的前沿性和交叉性。通過綜合實驗整合優(yōu)化應用課堂教學內(nèi)容，培養(yǎng)學生的工程意識和綜合素質(zhì)，以及學生的創(chuàng)新實踐能力，這是傳統(tǒng)的WSN實驗教學所無法比擬的[1]。

二、存在問題

目前WSN課程缺少有效的與課程內(nèi)容設置相適應的實驗體系，也很難與課堂教學內(nèi)容和課時設置相對應。這主要體現(xiàn)在：第一，選擇合適的內(nèi)容難，課堂教學內(nèi)容既獨立又前后關(guān)聯(lián);第二，現(xiàn)有的實驗內(nèi)容大多由學校通過集中采購的實驗箱提供，實驗箱都是以功能模塊為基礎，以實驗內(nèi)容作為區(qū)分，缺少綜合性[2];第三，實驗箱中的功能模塊都是以黑盒封裝在一起，模塊之間的物理連接都隱藏在實驗箱內(nèi)部，學生無法深入了解，影響了學生的直觀認識以及對實驗原理的深入了解、熟悉和掌握;第四，實驗箱價格昂貴，受條件限制，很難做到每個學生一個實驗箱，影響學生獨立實驗能力的培養(yǎng);第五，實驗箱的實驗內(nèi)容已經(jīng)固化，和實際的工程應用之間還有很大差距，實驗內(nèi)容無法拓展，無法發(fā)揮學生的能動性、課程教學內(nèi)容的連貫性以及與其他課程之間的高度相關(guān)性[3];第六，實驗內(nèi)容、時間和地點相對固定，實驗考核方式簡單，都是在指定時間、指定地點，對指定實驗以驗證性實驗的結(jié)果作為實驗考核依據(jù)，無法體現(xiàn)學生個體之間的能力差異。

通過對上述現(xiàn)行WSN課程實驗教學內(nèi)容存在的不足進行總結(jié)，設計以項目為驅(qū)動，以實際工程應用為目的的WSN綜合實驗，可以圍繞一個需要研究解決的特定項目系統(tǒng)展開，重構(gòu)實驗教學方法。以解決實際問題為導向，貫穿整個WSN的教學內(nèi)容體系，關(guān)聯(lián)其他學科，包括數(shù)據(jù)庫、信號處理、EDA、控制理論等課程內(nèi)容。培養(yǎng)學生使用現(xiàn)代工具解決實際工程項目問題的能力，讓學生在尋找解決問題的方法中進行知識的學習與應用，而不是知識的簡單套用[4]。強調(diào)以團隊合作為基礎，以項目任務為驅(qū)動，以實際應用為導向，注重實驗設計的邏輯性和綜合性，引導學生將子實驗組合成為最終可以面向?qū)嶋H應用的綜合性實驗，讓學生從解決實際工程項目問題的實驗中獲得很好的體驗感[5]。

三、實驗方案設計

本文設計的以項目應用為驅(qū)動的綜合實驗主要以水產(chǎn)養(yǎng)殖過程中“基于物聯(lián)網(wǎng)的水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)”為項目背景進行。項目開發(fā)內(nèi)容的核心是運用傳感器技術(shù)、ZigBee技術(shù)、信號處理、數(shù)據(jù)庫等技術(shù)，以Stm32開發(fā)板或已有的實驗箱為開發(fā)平臺，開發(fā)出一個基于WSN的水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng)。監(jiān)控系統(tǒng)由三部分構(gòu)成：一是監(jiān)控數(shù)據(jù)采集部分，由傳感器采集讀取的數(shù)據(jù)通過單口線傳遞給主芯片;二是數(shù)據(jù)處理及控制部分，數(shù)據(jù)在此部分利用ZigBee上位機通信，同時通過繼電器根據(jù)預設值以及接收的數(shù)據(jù)控制水閥以及水溫控制裝備的開關(guān);三是上位機界面部分，用戶可以通過上位機界面來進行實時監(jiān)控和閾值的修改。

（一）綜合實驗設計的需求分析

基于WSN技術(shù)的水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng)，主要是實現(xiàn)養(yǎng)殖水體的水溫、溶解氧、PH值等一系列的對于水產(chǎn)品生長至關(guān)重要的環(huán)境參數(shù)的實時測量和控制，真正實現(xiàn)養(yǎng)殖全過程的智能化、自動化。

（二）綜合實驗設計的原則

WSN系統(tǒng)要求結(jié)構(gòu)簡單、低成本、高效，既要實現(xiàn)所要求的水質(zhì)監(jiān)控、數(shù)據(jù)存儲和遠程調(diào)控功能，同時又要合理利用、規(guī)劃資源，避免高額的設計開發(fā)成本，且要具有一定的拓展空間，以便可以進行以后的系統(tǒng)功能拓展。

（三）綜合實驗設計的目標

第一，建立上位機的監(jiān)控界面，通過LCD顯示屏，設置控制參數(shù)，查看實時水質(zhì)參數(shù)，如溫度、PH值等。第二，利用ZigBee技術(shù)實現(xiàn)中遠距離的無線傳輸，布局方便，也方便實時監(jiān)控。第三，以Stm32開發(fā)板或已有的實驗箱為硬件開發(fā)平臺。

（四）綜合實驗設計的系統(tǒng)架構(gòu)

整個系統(tǒng)包括：傳感器的數(shù)據(jù)采集、處理和傳輸;水質(zhì)參數(shù)調(diào)節(jié)設備的實時運行控制;上位機的監(jiān)控平臺用戶界面部分，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

傳感器的數(shù)據(jù)采集、處理和傳輸包括：傳感器模塊、ZigBee模塊、電源模塊、顯示模塊及控制模塊，完成水質(zhì)參數(shù)（溫度、PH值等）的實時檢測、短暫存儲與傳輸，利用ZigBee網(wǎng)絡傳遞給上位機，同時接收上位機控制參數(shù)，通過繼電器控制增氧泵等設備的啟停。

上位機監(jiān)控平臺借助于LCD顯示屏，將匯聚節(jié)點從傳感器模塊接收到的數(shù)據(jù)實時顯示，以便實時了解水質(zhì)情況。

本綜合實驗設計旨在進行水質(zhì)的參數(shù)采集與實時監(jiān)控，考慮到ZigBee網(wǎng)絡的良好拓展能力，可以先設置1～2種水質(zhì)參數(shù)的檢測，后續(xù)可以根據(jù)需要對系統(tǒng)進行拓展，以適應更加真實的水質(zhì)參數(shù)的實時監(jiān)控。

（五）綜合實驗設計的數(shù)據(jù)處理層硬件

圖2是系統(tǒng)的硬件設計，硬件部分要滿足：一是成本低廉，由于系統(tǒng)面向中小型農(nóng)村養(yǎng)殖戶，高額的硬件設備不可取;二是實現(xiàn)養(yǎng)殖水域—養(yǎng)殖戶（上位機）中遠距離的無線數(shù)據(jù)傳輸，節(jié)約成本，也方便布局;三是方便拓展。本系統(tǒng)旨在針對某一水池環(huán)境，較為簡單，養(yǎng)殖戶有多個池塘時，應能夠?qū)Υ讼到y(tǒng)進行拓展，從而同時取得多個水環(huán)境的參數(shù)，并能夠采取控制。

本系統(tǒng)的傳感器模塊包含溫度傳感器、PH傳感器，控制模塊包含三個繼電器，用來控制進水/出水泵以及水溫鍋爐的開關(guān)。

（六）綜合實驗設計的上位機監(jiān)控平臺總體結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)要求利用Labview軟件完成上位機監(jiān)控平臺的開發(fā)工作，監(jiān)控平臺需要實現(xiàn)的功能有如下幾個：一是傳感器模塊采集到的數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r顯示在監(jiān)控平臺上，其中，溫度傳感器輸出的為溫度。PH傳感器輸出的為電壓值，需要根據(jù)電壓PH特性曲線對得到的電壓值進行處理，即可得到實時的水體PH值。二是數(shù)據(jù)存儲界面。采集到的水環(huán)境數(shù)據(jù)會保存進文檔中，以便查閱歷史數(shù)據(jù)。三是曲線顯示界面。本界面根據(jù)得到的數(shù)據(jù)實時將數(shù)據(jù)繪制成為曲線顯示出來，更加直觀地看出水體環(huán)境的波動，并且也便于PH的計算。四是閾值調(diào)控界面。該界面用于人工輸入適合水產(chǎn)品養(yǎng)殖的溫度、PH的閾值，監(jiān)控系統(tǒng)接收到從傳感器上傳的數(shù)據(jù)后，會判斷溫度和PH是否在合適的區(qū)間內(nèi)。如果高于或低于這個區(qū)間，Stm32就會控制繼電器打開進水/出水泵，做到實時改善水體質(zhì)量。

上位機監(jiān)控流程如圖3所示。

通過上述系統(tǒng)的詳細設計，既可以使學生掌握一般工程項目實現(xiàn)的基本過程，也能夠熟悉物聯(lián)網(wǎng)工程項目的基本構(gòu)成。圖4為學生完成實驗后所展示的上位機界面。

四、實驗方案的實現(xiàn)與實驗成績的考核

以上述所設計的實驗方案，學生以2～3人為一個團隊，分別完成系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析以及上位機的平臺展示等功能。系統(tǒng)實現(xiàn)所需要的硬件資源可以利用實驗室已有的實驗箱資源，也可以由學生自行采購，學院的教學實踐經(jīng)費承擔。學生既可以在實驗室完成實驗，也可以利用課余時間來完成。

實驗結(jié)束后，學生將提交實驗樣品和實驗報告，并要回答實驗老師的現(xiàn)場提問。實驗成績考核由以下幾個部分綜合評價后構(gòu)成：第一，有類似于科技小論文形式的實驗報告;第二，可以實際運行且運行效果良好的實驗樣品;第三，現(xiàn)場的實際操作動手能力和相互協(xié)作能力;第四，實驗內(nèi)容設計的創(chuàng)新性或研究性以及實驗內(nèi)容的實用性、指導性和科學性;第五，實驗數(shù)據(jù)處理的規(guī)范性;第六，實驗結(jié)論的明確性、實驗結(jié)果表達的完整性以及實驗結(jié)論的直觀性。

通過上述實驗成績考評，既體現(xiàn)了實驗內(nèi)容的可拓展性，使每個學生的能力都能得到充分展示，又加強了團隊之間的合作。

五、實踐所取得的成果

經(jīng)過兩屆物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的實驗教改探索，教學團隊克服了學時受限且沒有可參考的成熟教學方案的不利條件，創(chuàng)造性地提出了以項目為驅(qū)動的綜合實驗教學體系。最大限度地調(diào)動本科生的自主學習能力，激發(fā)了他們探索和克服困難的精神;使學生具備軟件、硬件開發(fā)的雙能力以及整體方案設計的能力。在項目管理模式下，鍛煉了學生的團隊協(xié)作與領(lǐng)導能力。通過綜合工程的鍛煉和實踐，進一步強化了學生利用現(xiàn)代工具解決實際物聯(lián)網(wǎng)工程項目的能力。

參考文獻

[1]陳海生，郭曉云，王峰，等.“無線傳感器網(wǎng)絡技術(shù)”課程實驗教學探索[J].河北農(nóng)業(yè)大學學報（農(nóng)林教育版），2017，19（5）：64-67.

[2]何冀軍，衛(wèi)兵，潘潔珠.項目驅(qū)動的物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)課程教學改革與實踐[J].合肥師范學院學報，2015，33（11）：86-88.

[3]寧卓，李牧陽，梅新志.無線傳感器網(wǎng)絡課程實驗教材建設[J].電腦知識與技術(shù)2017，13（30）：49-50.

[4]陳彥彬，林燕雄，黃佳旭，等.模塊化物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)綜合實訓裝置設計與實現(xiàn)[J].實驗室科學，2018，21（4）：57-61.

[5]鄭來芳.無線傳感器網(wǎng)絡實驗教學方法研究[J].軟件導刊-教育技術(shù)，2018，17（11）：67-68.