物聯(lián)網(wǎng)感知層綜合實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺(tái)搭建及教學(xué)過(guò)程設(shè)計(jì)

楊欣

【摘要】本文設(shè)計(jì)了一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)感知層綜合實(shí)訓(xùn)的教學(xué)案例，文章內(nèi)容包括：物聯(lián)網(wǎng)感知層構(gòu)成和工作原理;綜合實(shí)訓(xùn)教學(xué)設(shè)計(jì)思路;物聯(lián)網(wǎng)感知層實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目教學(xué)過(guò)程設(shè)計(jì);旨在提高學(xué)生綜合應(yīng)用知識(shí)和動(dòng)手的能力的學(xué)習(xí)拓展部分。

【關(guān)鍵詞】物聯(lián)網(wǎng);感知層;綜合實(shí)訓(xùn);教學(xué)設(shè)計(jì)

1概述

1.1物聯(lián)網(wǎng)感知層概述

物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)由感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層組成。感知層通過(guò)各類(lèi)傳感器、射頻識(shí)別（RFID）、二維碼掃描和智能裝置等感知設(shè)備獲得現(xiàn)場(chǎng)各類(lèi)信息，這些信息由網(wǎng)絡(luò)層的相應(yīng)傳輸網(wǎng)傳送給遠(yuǎn)端應(yīng)用層的對(duì)應(yīng)應(yīng)用處理系統(tǒng)進(jìn)行信息分析和處理，得到處理結(jié)果在應(yīng)用端顯示，若應(yīng)用系統(tǒng)分析收到的信息得出需要進(jìn)行某種操作的結(jié)果，則發(fā)出操作指令，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)層相應(yīng)傳輸網(wǎng)把操作命令送達(dá)感知層的對(duì)應(yīng)執(zhí)行器，執(zhí)行器依據(jù)命令驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)設(shè)備做指定操作。例如，溫度傳感器把現(xiàn)場(chǎng)溫度數(shù)據(jù)傳給應(yīng)用系統(tǒng)，應(yīng)用系統(tǒng)分析溫度數(shù)據(jù)得出溫度高于設(shè)定值，需要啟動(dòng)降溫操作的結(jié)論，即根據(jù)預(yù)定降溫策略，發(fā)送指令給對(duì)應(yīng)的執(zhí)行器，執(zhí)行器依據(jù)命令啟動(dòng)對(duì)應(yīng)設(shè)備降溫。當(dāng)收到溫度傳感器不斷傳來(lái)的新數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)溫度值已進(jìn)入預(yù)設(shè)的正常區(qū)間，即發(fā)送停止命令，對(duì)應(yīng)設(shè)備停止降溫操作。

可見(jiàn)，物聯(lián)網(wǎng)感知層由采集數(shù)據(jù)的各類(lèi)傳感器、驅(qū)動(dòng)完成某種操作的執(zhí)行器和實(shí)現(xiàn)本區(qū)域各設(shè)備互連的通信設(shè)備組成。物聯(lián)網(wǎng)感知層就像人的眼耳鼻和手。

1.2設(shè)計(jì)概述

物聯(lián)網(wǎng)的迅猛發(fā)展和廣泛應(yīng)用，勢(shì)必對(duì)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)人才有極大的需求，為此很多學(xué)校開(kāi)設(shè)了物聯(lián)網(wǎng)專(zhuān)業(yè)。從我們職業(yè)技術(shù)學(xué)院的層次和培養(yǎng)目標(biāo)來(lái)看，我們的學(xué)生將來(lái)從事物聯(lián)網(wǎng)方面工作的工作場(chǎng)景通常是在物聯(lián)網(wǎng)感知層。所以學(xué)生們熟練的掌握各類(lèi)傳感器、數(shù)據(jù)采集器、執(zhí)行器和物聯(lián)網(wǎng)感知層通信設(shè)備的安裝調(diào)試及故障分析判斷排除的技能非常重要。通過(guò)全面且有效的練習(xí)是實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)的主要途徑。為此，希望通過(guò)這個(gè)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)以下目的：

（1）設(shè)計(jì)并搭建物聯(lián)網(wǎng)感知層綜合實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺(tái)

根據(jù)教學(xué)需求設(shè)計(jì)使用哪些傳感器、數(shù)據(jù)采集器、執(zhí)行器和物聯(lián)網(wǎng)感知層通信設(shè)備，設(shè)計(jì)各器件的安裝布局，以搭建物聯(lián)網(wǎng)感知層綜合實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺(tái)。

（2）教學(xué)實(shí)施過(guò)程設(shè)計(jì)

根據(jù)本實(shí)訓(xùn)課程的目的、要求和內(nèi)容，確定實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目。

（3）制作課件

制作各類(lèi)設(shè)備的原理結(jié)構(gòu)、安裝調(diào)試及故障分析排除的教學(xué)視頻、PPT等教學(xué)課件，這樣，每個(gè)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目有恰當(dāng)?shù)慕虒W(xué)實(shí)施過(guò)程設(shè)計(jì)和相應(yīng)教學(xué)課件，利于學(xué)生得到更好的訓(xùn)練。

（4）建立教學(xué)資源庫(kù)

建立教學(xué)資源庫(kù)，庫(kù)里包含：實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目計(jì)劃（在清單中指明每項(xiàng)實(shí)訓(xùn)用到的資料名稱(chēng)和代碼）;用資料名稱(chēng)和代碼命名的課件。這樣，教師可方便的利用教學(xué)資源庫(kù)進(jìn)行教學(xué)，學(xué)生可借助教學(xué)資源庫(kù)自學(xué)、復(fù)習(xí)和實(shí)操，從而緩解因?yàn)閷?shí)訓(xùn)學(xué)生和實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目較多，指導(dǎo)教師難以充分指導(dǎo)的困難，同時(shí)促進(jìn)學(xué)生自主學(xué)習(xí)并提高實(shí)訓(xùn)效益。

2.感知層設(shè)備和實(shí)訓(xùn)布局

感知層設(shè)備和實(shí)訓(xùn)布局如圖1所示，通過(guò)這個(gè)圖，可知道實(shí)訓(xùn)操作需要哪些器件，有哪些操作項(xiàng)目，同時(shí)按照這個(gè)圖來(lái)進(jìn)行安裝調(diào)試，可保證實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目不會(huì)漏和重。

圖1 設(shè)備布局圖

3.物聯(lián)網(wǎng)感知層實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目教學(xué)過(guò)程設(shè)計(jì)

我曾經(jīng)負(fù)責(zé)過(guò)物聯(lián)網(wǎng)感知層實(shí)訓(xùn)課程的教學(xué)，觀察到因?qū)嵱?xùn)項(xiàng)目較多，用到的知識(shí)和資料多而繁雜，學(xué)生時(shí)常會(huì)碰到已練過(guò)的操作記不起來(lái)如何操作了，又不知道該看哪個(gè)資料來(lái)復(fù)習(xí)，或者進(jìn)入新項(xiàng)目卻不知道該看哪個(gè)資料來(lái)學(xué)習(xí)。學(xué)生多、項(xiàng)目多，老師難以做到給予碰到問(wèn)題的學(xué)生及時(shí)指導(dǎo)。鑒于這種情況，經(jīng)過(guò)對(duì)前面經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)、反思和分析，在此提出用實(shí)訓(xùn)課程計(jì)劃表和和教學(xué)資源庫(kù)相配合的方法來(lái)教學(xué)。

3.1實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目教學(xué)過(guò)程設(shè)計(jì)

本課程擬按64個(gè)課時(shí)計(jì)做計(jì)劃，實(shí)訓(xùn)課程計(jì)劃見(jiàn)表1，在表中列出本課程需要完成的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目及每個(gè)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的教學(xué)內(nèi)容、所用學(xué)時(shí)、涉及的資料編號(hào)和學(xué)習(xí)時(shí)間。每個(gè)項(xiàng)目都指示出其所用到的在“教學(xué)資源庫(kù)”里的資料代碼，學(xué)習(xí)該項(xiàng)目時(shí)，按照課程計(jì)劃表給出的資料代碼即可找到本項(xiàng)目的學(xué)習(xí)資料。這樣，教師可方便的利用教學(xué)資源庫(kù)進(jìn)行教學(xué)，學(xué)生可借助教學(xué)資源庫(kù)自學(xué)、復(fù)習(xí)和實(shí)操，從而緩解因?yàn)閷?shí)訓(xùn)工位和實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目較多，指導(dǎo)教師難以充分指導(dǎo)的困難，同時(shí)促進(jìn)學(xué)生自主學(xué)習(xí)并提高實(shí)訓(xùn)效益。

3.2建立教學(xué)資源庫(kù)

依據(jù)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目所要完成的內(nèi)容，對(duì)每個(gè)項(xiàng)目收集、制作和整理該項(xiàng)目操作所用到的知識(shí)，形成對(duì)應(yīng)的文檔、視頻和PPT等教學(xué)課件。我已完成了教學(xué)計(jì)劃中所有項(xiàng)目的課件，但在此無(wú)法提交課件。這里給出我制作的教學(xué)資源庫(kù)目錄，和其中02部分的子目錄，供讀者參考。教學(xué)資源庫(kù)目錄見(jiàn)圖2，02部分的子目錄見(jiàn)圖3。

4、學(xué)習(xí)拓展

可通過(guò)完成一個(gè)大作業(yè)的形式來(lái)拓展學(xué)生的學(xué)習(xí)，并把這個(gè)作業(yè)作為本課程考核的一個(gè)部分，以期提高學(xué)生綜合應(yīng)用知識(shí)和動(dòng)手的能力。下面是我設(shè)計(jì)的一個(gè)大作業(yè)和評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)的例子。

大作業(yè)題目及評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)：（共完成4個(gè)項(xiàng)目，總分100分。）

1、簡(jiǎn)述物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)。（10分）

2、分別選取本課程介紹的傳感器、執(zhí)行器和通信設(shè)備各一件說(shuō)明其安裝調(diào)試方法或過(guò)程（共15分）

傳感器---------5分執(zhí)行器-----------5分通信設(shè)備--------------5分

3、說(shuō)明使用串口工具來(lái)驗(yàn)證底層連接是否正確的原理和方法（共10分）

驗(yàn)證底層連接是否正確的原理-------------5分驗(yàn)證底層連接是否正確的方法----------------5分

4、應(yīng)用本課程介紹的傳感器、執(zhí)行器和通信設(shè)備，設(shè)計(jì)一個(gè)綜合應(yīng)用，給出系統(tǒng)框圖和連線(xiàn)圖并說(shuō)明系統(tǒng)功能和實(shí)現(xiàn)原理（提示：例如設(shè)想一個(gè)智能家居的應(yīng)用：溫濕度控制、光照控制、煤氣泄露報(bào)警、空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)報(bào)警、防盜報(bào)警等;本題應(yīng)有以下部分：應(yīng)用場(chǎng)景、系統(tǒng)功能描述、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)框圖、連線(xiàn)圖、器件選用、功能實(shí)現(xiàn)原理說(shuō)明、系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)總述）。（共65分）

應(yīng)用場(chǎng)景合適-------------------5分系統(tǒng)功能描述準(zhǔn)確完整-------5分系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)框圖合理---------10分

連線(xiàn)圖正確合理可行--------10分器件選用恰當(dāng)-------------------20分功能實(shí)現(xiàn)原理說(shuō)明---------10分

系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)總述------------5分

參考文獻(xiàn)：

[1]林若波.傳感器技術(shù)與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社.

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[4]熊保松，李雪峰，魏彪.物聯(lián)網(wǎng)NB-IOT開(kāi)發(fā)與實(shí)踐.北京：人民郵電出版社.