ESP32在物聯網通信課程教學中的應用

王 忠，孫 艷，吳蘭芳

（1.山東建筑大學，山東 濟南 250101；2.濟南第六十八中學，山東 濟南 250004；3.平邑街道第一初級中學，山東 平邑 276699）

0 引 言

物聯網被稱為繼計算機、互聯網之后，世界信息產業的第三次科技浪潮。它是將各種信息傳感設備和互聯網連接而形成的統一網絡系統。物聯網發展的核心是應用的創新，在我國，物聯網的發展走的是以應用為引導、技術與應用相互促進，從而推動產業發展的道路。因此，我國物聯網產業的發展需要大批高素質、創新型人才，而人才的培養，關鍵是建立適合本學校的教學體系。

物聯網工程作為山東建筑大學計算機學院的新興學科，在專業課設置、實驗教學方面深受計算機專業的影響，而物聯網的本質是在互聯網基礎上應用和業務的擴展，屬于計算機應用開發類，因此在物聯網的課程設置以及教學模式方面，應該充分發揮計算機專業的學科優勢及特點，即軟件開發的優勢。但也要充分認識到計算機學院在電子、通信方面的理論支持不足等問題。在物聯網感知層補齊傳感器技術、無線網絡傳輸方面的短板，充分發揮傳輸層、應用層方面的知識結構優勢，再結合學校在土木建筑方面的專業特長，形成具有建筑特色的物聯網人才培養體系。

1 物聯網專業課設置

1.1 物聯網工程課程設置思路

課程的體系結構是提高教學質量的核心。因此，計算機學院對物聯網的課程設置需以物聯網體系架構為核心，構建物聯網專業課程體系結構。

針對物聯網的感知層、傳輸層、應用層體系架構，構建對應的課程體系。感知層主要由傳感器和無線網絡組成，用于物品標識及信息的采集，是物聯網的基礎層。對應的專業課程為電路電子學、數字邏輯、傳感器技術、單片機等。

傳輸層的理解和運用倚仗于以計算機網絡、無線網絡技術為基礎的專業課程，和以嵌入式系統開發、射頻識別技術RFID、物聯網通信等為主的核心專業課程。其中，物聯網通信課程是區別于計算機其他專業的核心課程。

應用層的理解和應用倚仗于以程序編程C/C++ /Java、數據庫原理為基礎的專業課程，和以計算機操作系統、網絡編程等的核心專業課程。

1.2 物聯網通信課程設置

物聯網通信作為核心課程，涉及物聯網傳感層、傳輸層、應用層的所有知識點，具有串聯基礎課程與專業課程的作用。課程總課時為64課時，其中理論授課48課時，實驗實踐16課時。物聯網通信課程的主要內容安排見表1所列。從表1可看出，物聯網通信課程的知識跨度從單片機開發到傳感器技術應用，再到網絡傳輸技術即上層應用。計算機學院學生對無線接入技術了解甚少，急需在理論、實驗層面補齊WiFi、藍牙、ZigBee、NB-IoT等物聯網短距離、遠距離通信方面的短板。

表1 物聯網通信課程的主要內容安排

市場需求是最大的推動力，當前已有多種新型32位微控制器支持無線連接和互聯網協議通信。三款片上處理器的對比見表2所列。對三種常用片上處理器進行橫向對比，決定使用ESP32作為實驗核心處理器。該處理器能提供完整、豐富的軟件解決方案，使用難度小，具有開源開發框架與ESP32 Core For Arduino，支持Arduino開發，適合使用Arduino語言；該模塊市場供應充足并且價格低廉，比較適合作為學生的“口袋”實驗室模塊。

表2 三款片上處理器對比

圖1所示為DFRobot FireBeetle開發板，其尺寸為29.00 mm×58.00 mm，具有小尺寸、開源等優點。小型化使“口袋”實驗室能打破時空限制，學生不必前往實驗室就能編程，特別在疫情期間，更可減少人員聚集。“口袋”實驗室與物聯網公共云服務配合，如阿里云、OneNET等，還可實現設備信息上云。

圖1 DFRobot FireBeelte模塊

1.3 ESP32處理器簡介

在嵌入式系統中，傳感器及其他設備接入互聯網，誕生了許多新的32位MCU設計，可支持無線連接和互聯網協議。從單片機和無線通信兩方面進行拓展，實現“處理”+“連接”的目標，完成傳感器讀取、子系統模塊控制、設備聯網等功能。該電路結構簡單，集成度高。

ESP32單片機擁有448 KB的ROM存儲器，520 KB的SRAM存儲器，共34個GPlO口，多達18個通道的12位ADC接口，并支持802.11 b/g/n WiFi協議和Bluetooth v4.2標準協議，專為移動裝置、可穿戴電子設備而設計，是一款應用廣泛的片上處理系統SoC。

ESP32除提供高性能的硬件外，其生產商樂鑫科技公司還提供完整的軟件解決方案，能快速實現產品智能化目標，縮短開發周期。樂鑫以開源的方式建立了開放、活躍的生態系統，自主研發了一系列開源的軟件開發框架，如操作系統ESP-IDF、自組網 Mesh開發框架ESP-MDF等，還支持Arduino開發，構建了完整的物聯網應用開發平臺。綜上原因，本課程實驗環節選擇ESP32作為物聯網通信課程用實驗平臺。

2 CDIO工程教育理念

CDIO是一種全新的工程教育理念和實施體系，倡導學生在掌握扎實理論和專業知識的基礎上，將教學融入具體的工程應用中。CDIO理念將構思（Conceive）、設計（Design）、實施（Implement）、運行（Operate）貫穿于課程的教學實踐。在具體實施中，按照由淺入深、由簡到繁的思路，實行分層次教學。在教學過程中，設計分層次的教學內容，主要有基礎教學與創新教學。由于計算機專業師資和配套與物聯網教學存在差異，欠缺電子電路設計方面的綜合學習和訓練，因此在學習傳感層相關內容時，需注重方式方法的常識性、概念性學習，著重在傳輸層和應用層上充分發揮計算機專業的優勢，注重學生編程開發能力的培養。

3 結 語

在物聯網課程教學過程中，通過ESP32口袋實驗室的使用和CDIO工程教育的教學思路，培養了學生的實踐能力和創新能力，學生的好奇心、學習熱情明顯提高，主體作用充分發揮。我校計算機學院從2011年開始在計算機專業下開設物聯網工程方向課程，培養出了被市場認可的物聯網專業人才。