物联网实验教学方法实践与探讨

李智陈志鹏黎云

摘要：物联网是新一代信息技术的重要组成部分，也是“信息化”时代的重要发展阶段。高校物联网课程由于涉及多学科的高度交叉，其实验体系的设计面临较大的挑战。本文提出软硬件结合的实验教学模式，从物联网实验教学的硬件平台、软件分析、互联组网、师生探讨等方面进行了教学改革，培养学生在多学科交叉的新技术领域分析问题和解决问题的能力，提高学生对物联网学习的兴趣，使教学效果得到显著提升。

关键词：物联网；实验教学；软硬件结合；互联组网

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2018）03-0183-02

一、引言

物联网英文名为The Internet of things，物联网的核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础上的延伸和扩展的网络，其用户端延伸和扩展到了物品与物品之间，进行信息交换和通信。物联网是继计算机、互联网与移动通信网之后的又一次信息产业浪潮，它实现了信息世界与物理世界的紧密融合。

二、物联网实验课程的特点及改革

物联网技术由感知层、传输层、处理层和应用层4个层次构成，物联网技术涵盖了计算机、通讯、网络、控制等众多专业课程。同时，国内大部分高校都存在“重理论、轻实践”的错误认识，这样就形成了物联网专业知识繁杂课程枯燥的特点。培养学生实践能力，锻造工程型、复合型的物联网人是该门学科改革的必由之路，所以我校要进一步深化物联网的实验教学改革，充分发挥和体现实验教学的重要作用，具体内容如下。

1.无线传感器网络作为物联网领域中的关键技术，向学生们介绍无线传感器网络的基本概念、拓扑结构、组网方式、特点及优势以及目前在物联网中的一些具体应用等，让学生对无线物联网有个初步的认识。

2.实验采用基于MC13213芯片的开发套件，要求学生以小组为单位首先完成基本的实验。通过了解ZigBee协议和Keil软件，完成点对点的通信，并用Sniffer进行节点之间通信数据包的抓取及分析。

3.在完成基本的点对点通信的基础上，增加路由节点，建立多跳传感器网络，同时进行节点的组网，并用网络仿真软件NS2进行动态仿真，并对采样数据进行收集比对，比较组网通信与点对点通信的区别。

4.支持学生完成开放性实验，即可以选择温度传感器、加速度传感器等进行数据的采集，同时为传感器节点增加动态变量，在动态的环境下对数据进行传输及采集，并将数据传到主节点，实现物联网应用。

三、实验硬件平台及软件应用

本实验中，无线传感器节点采取模块化设计，底板采用Cortex M3主芯片，能够同时外接多个具有通用接口的传感器和执行器，ZigBee无线通信模块与传感器采集模块可分离并任意组合使用，极大地增强了开发的灵活度。ZigBee通信模块的芯片为Freescale MC13213，支持IEEE802.15.4和ZigBee-2007/Pro/RF4CE标准，提供BDM接口或者标准串口，可以烧录程序并调试。工作频率在2.4G频段，拥有16个信道；发射功率可配置，范围为-30dBm—2.5dBm；接收机灵敏度可达-88dBm；最大传输距离为220米。传感器节点支持电源供电与电池供电两种供电方式，支持大容量锂电池供电，并可以通过电源实现对锂电池的充电，而无需拆电池单独充电。实验时，每组学生配置一套开发套件，包括4—5个无线传感器节点、烧录器以及锂电池等。无线通信网络软件以Zstack作为ZigBee的协议栈。在实验中，学生需要熟悉并安装Keil MDK-ARM开发环境，该环境提供了C语言的程序编写、编译连接、程序下载以及仿真调试等全部功能。熟悉网络模拟软件NS2和linux的基本指令。

NS2是一种面向对象的网络仿真器，使用C++和Otcl作為开发语言，NS可以说是Otcl的脚本解释器，当仿真完成以后，NS将会产生一个或多个基于文本的跟踪文件。只要在Tcl脚本中加入一些简单的语句，这些文件中就会包含详细的跟踪信息Trace文件，这些数据可以用于下一步的分析处理，也可以使用NAM将整个仿真过程展示出来。同时，在实验中学生还需要掌握利用仿真器进行仿真、调试，学会进行RF测试以及采用Packet Sniffer进行探测和分析。Sniffer可以显示当前环境下Zigbee的节点信息，监测2.4GHz频段各Channel的信号状况，包括信号强度、当前Channel占用率以及不同速率报文在该Channel的分布状况等信息。监听当前环境下的ZigBee数据包，提供了Channel过滤、MAC地址过滤和IP过滤等组合过滤的方式读取数据，支持IEEE 802.15.4标准协议解析数据包，还具有多种报文统计分析功能。

四、组网实验内容

学生在熟悉硬件平台、软件开发环境及程序烧录方式等基本工具和方法之后，需要了解并修改Zstack协议栈程序，烧录一个协调器节点和一个终端节点对协调器节点和终端节点先后上电，通过串口助手工具，观察是否收到数据，判断点到点通信是否成功。接着烧录另外的嗅探节点，利用Sniffer软件对上述两点之间通信的过程进行抓包分析。学生对抓取的数据包进行分析，了解数据包的协议通信格式，如广播帧、探询帧、确认帧、地址分配等，并熟悉ZigBee协议的基本组网流程。对实验中出现的问题，如两节点无法通信传输，也可利用嗅探器的抓包来分析原因。通过该实验，学生了解了无线传感器网络中从协调器节点建立网络到终端节点加入网络开始传输数据的过程，同时可以掌握如何修改传感器网络的一些常用参数。在第一个实验点对点通信的基础上，加入路由节点，设置多跳网络，使终端节点可以通过路由节点连接到协调器。在ZigBee网络中存在三种逻辑设备类型：Coordinator（协调器）、Router（路由器）和End-Device（终端设备）。协调器负责启动整个网络，它也是网络的第一个设备。协调器选择一个信道和一个网络ID，随后启动整个网络。路由器的功能主要是允许其他设备加入网络，多条路由和协助终端设备的通讯。通过降低发射功率或延长点对点的通信距离，使协调器节点与终端节点无法进行通信。接着，在网络中加入路由节点，并使路由节点与上述两个节点进行可靠的无线传输。这时，终端节点将会通过入网的路由节点和协调器节点进行通信。同样，利用另外一个节点作为包嗅探器节点，将网络中传输数据的过程进行抓包记录，分析传输中的数据包帧格式并画出信令流程图。最后，学生可以通过开发套件中预留的接口，连接温度传感器、湿度传感器或光感传感器等，修改Z-Stack协议栈应用层程序，完成一个基本的物联网工程应用。

五、结语

为了充分调动学生学习物联网的积极性和主动性，激发学生的创新思维，增强学生的专业技能，我们需要积极地思考，勤奋地探索，及时地总结经验教训。同时，物联网专业的特性和需求要求我们进行必要且适合该课程的教学改革与创新，建立起一套真正适合于学生培养的实验教学模式。

参考文献：

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