李华洲

（南宁职业技术学院，广西 南宁 530008）

基于Arduino的高职物联网相关课程改革设计

李华洲

（南宁职业技术学院，广西 南宁 530008）

为高职学校能更好的培养应用型人才，提出将Arduino开发平台引入物联网应用技术专业相关课程教学。通过教学改革可以降低实训室设备建设的投入成本，降低学生学习相关课程的入门门槛，同时激发学生的学习兴趣，让学生能够在课后积极参与到实际项目中。

物联网；Arduino；高职；课程改革

1 引言

高职物联网应用技术专业教学课程体系中，《RFID技术原理与应用》、《单片机原理与应用》、《无线传感技术应用》都与单片机相关，单片机相关课程对学生的前期理论知识和理解能力都有很高的要求[1]。采用传统的实验设备、教学方法对于高职教学来说，存在学生入门门槛高，实训室建设成本投入高，二次开发不便等问题，这些问题即使项目式教学也不能很好的解决。随着Arduino生态环境的不断发展，许多与之相关的教学教材和应用创新的不断出现，对于侧重于培养应用型人才的高职教育来说，无论是教学、技能比赛，还是实际项目开发，都有很高的利用价值[2]。

2 单片机相关课程教学现状

对于基础相对较差的高职学生来说，物联网应用技术专业开展单片机课程教学是相对吃力的。主要原因是学生计算机理论基础知识不足，计算机导论、计算机系统结构、电路等相关课程在大多高职物联网专业都没有开设[3]，导致学习过程中学生不能较好的理解单片机原理的相关概念，很难入门，进而学习兴趣不高，教师也难以实现教学目标。实践没有一定的理论作为基础，项目式教学在学生没有完全吃透理论知识的情况下开展，项目教学任务难以完成，学生很难参与到实际的比赛和项目中。

同时物联网实训室建设过程中，由于市面上的物联网实训设备价格昂贵，实训室建设成本居高不下，更重要的是实训设备大多更新的速度非常快，大批量的购买实训实验箱会导致教学经费的浪费，而且不利于用于项目的二次开发[4]。

3 引入Zigduino

Zigduino是兼容Arduino的装配Atmega128rfa1核心的单片机软硬件平台，Atmega128rfa1是一款RISC架构的8位集成RFIC的SOC(片上系统)，Flash容量128KB，RAM为16KB。具备2.4G 短距离无线通讯能力。Zigduino可以说是能实现无线传感器网络通信应用的Arduino开发平台的升级版。在教学中引入Zigduino这套便捷灵活、方便上手的开源电子原型平台，可以很好的符合高职项目教学的特点，使得物联网专业《RFID技术原理与应用》、《单片机原理与应用》、《无线传感技术应用》课程的学习门槛得到降低，便于学生学以致用。

3.1 Zigduino 硬件介绍

Zigduino 开发板主要可以分成处理器、微波信号处理电路、电源管理、USB接口信号转换、IO保护和接口扩展口几大部分。

处理器芯片64个pin脚，体积仅为9mm×9mm，非常适合无线传感网络应用开发。微波处理采用2.4G的BALUN方案，转出单极性波导接至SMA同轴接头。电源部分支持USB供电、12V电源适配器供电和扩展接口5V直接供电三种方式，并且通过比较器实现了USB供电和电源适配器供电的二选一。USB转串口使用的是FT232RL的方案。开发板出厂时完成了Atmega128rfa1的BOOTLOADER程序的下载，开发过程中可以通过USB直接给Zigduino下载程序，十分方便。

3.2 Zigduino开发环境

由于Zigduino兼容Arduino，所以可以使用Arduino的开发环境在Zigduino平台进行应用开发。Arduino使用的是Arduino IDE软件。它的缺点是环境的功能过于简单，只能实现编辑、编译、下载这些基本操作，连查看库函数等功能都不能实现，对于开发人员来说不方便。

解决的办法是使用Eclipse开发环境代替Arduino IDE。Eclipse众所周知是一款功能强大的软件开发架构，添加Arduino for Eclipse插件后，可以使得Arduino应用开发人员事半功倍。

3.3 Arduino系统库

Arduino强大优秀的不仅仅是它的软硬件开源和硬件生态环境，而且开发者面向的Arduino系统库也是一大特色（C++开发）[5]。它的系统库实现了基本的：串口操作、定时器、IO口控制、I2C通信、SPI通信、单总线通信、字符串处理、中断控制、无线收发(Zigduino)等功能。这些库函数可以在学生给Zigduino添加传感器等外设的时候方便的调用，便于快速的进行外设驱动编程开发。

表 1 不同接口类型的单片机外设型号

由于Zigduino开发板和Arduino开发板一样，除了单片机没有外部设备了。但是随着Arduino开发的生态系统越来越好，使用它的人越来越多，兼容Arduino的传感外设模块也越来越多。

表1列举了常用的市面上Arduino相关的不同类型的外部设备，关于它们的资料、驱动都可以在开源官方网站和一些论坛找到，同时大多都可以方便的在市场上买到，适合通过配备模块的方式学习课程和进行项目开发。

4 基于Zigduino的教学设计(以《无线传感技术应用》为例)

4.1 教学设备的组成

Zigduino实训设备的低成本可以使一个班的同学可以每人人手配备两套Zigduino设备，在一台电脑上写程序。一套Zigduino开发套件只有一个Zigduino开发板，一根USB数据线，一块面包板，其他配件根据上课内容配备。

4.2 教学内容设置

表2 《无线传感技术应用》课程内容、教学实训设备和课时分配

以《无线传感技术应用》课程为例，传统的课程内容多为学习Zigbee标准通信协议和应用[6]。Zigduino利用其代码简介的特点，可以使得学生在掌握基本网络通信常识的基础上，快速的通过Zigduino完成无线广播通信、点对点通信等单跳应用，并且可以使用以太网模块实现更广泛的网络覆盖和应用于不同的应用场景，还可以结合Android公开的ADK项目，开设基于Arduino与Android手机USB口通信的应用案例设计项目等等。经改革后的课程相比传统CC2530模块为主要内容的《无线传感技术应用》课程，具有简单易学，容易上手，可以快速让学生参与项目开发的特点。具体课程内容和使用到的模块如表2所示。

5 总结

使用基于Arduino环境的物联网相关课程教学，对教学过程中的内容可以灵活的根据需求而变化，使得设备的选配更有针对性，选择内容更加接近行业实际应用。以开发板加模块的方式进行教学，使得教学可以跟学生参加专业竞赛和项目设计开发更加紧密的结合起来。

[1] 孙利民.无线传感器网络(第1版)[M].北京:清华大学出版社,2005.

[2] 武玉升.基于Arduino的高职单片机课程教学改革[J].交通职业技术,2014(01);21-23.

[3] 王保云.物联网技术研究综述[J].电子测量与仪器学报, 2009,(12):22-23.

[4] 方武.高职物联网应用技术专业建设探讨[J].现代计算机, 2012,(08):30-33.

[5] Kimmo Karvinen,Tero Karvinen,庞明珠译.Arduino与电子制作[J].制作项目,2012,(8): 68-73.

[6] 罗剑.高职院校《无线传感网应用与实践》课程建设的探索[J].科技信息,2012,(2):282.

The teaching reform design of relevant lessons for Internet of things in vocational college based on Arduino

In order to cultivate more practical talent for vocational college, this article introduce Arduino platform into relevant lessons .Through this method of reform in education, the cost of training equipment can be decline, the learning threshold of relevant lessons can be lower, the interest of study can be provoke, making students more easier to get involved in actual projects after class.

Internet of things; Arduino; higher vocational; education reform

G714

A

1008-1151(2015)01-0164-02

2014-12-12

李华洲（1983－），男，南宁职业技术学院助教，研究方向为嵌入式与无线传感器网络。