_无线传感器网络_课程实验教学探讨

1、实 践 实 验 教 学中国电力教育2010年第31期 总第182期 物联网是通过传感器、射频识别、全球定位系统等技术, 实时采集任何需要监控、 连接、 互动的物体或过程, 采集其声、 光、 热、电、力学、化学、生物、位置等各种需要的信息,通过各 类可能的网络接入,实现物与物、物与人的泛在链接,实现对 物品和过程的智能化感知、识别和管理。物联网是现代信息技 术发展到一定阶段后出现的一种聚合性应用与技术提升 ,因此 被称为信息技术的第三次革命性创新。自 2009年 8月温总理提 出 “感知中国”以来,物联网被正式列为国家五大新兴战略性 产业之一,写入 “政府工作报告” ,物联网在我国受到了全社会

2、极大的关注。无线传感器网络作为物联网领域中的关键技术,21世纪初 以来一直是各国研究机构的热点研究领域。 国家中长期科学与 技术发展规划 (2006-2020年 和 “新一代宽带移动无线通 信网”重大专项中均将传感网列入重点研究领域。为了培养学 生的国际化视野,为我国在新技术领域储备人才 ,我国各著名 大学纷纷开展 “无线传感器网络”的研究和教学,因此,对 “无 线传感器网络”课程如何进行实验教学的探讨具有重要的意义。一、 “无线传感器网络”课程的特点无线传感器网络是当前备受国内外关注、由多学科高度交 叉的新兴前沿研究热点领域。无线传感器网络综合了传感器技 术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通

3、信技术、分布式信息 处理技术等,能够通过各类集成化的微型传感器协作地实时监 测、感知和采集各种环境或监测对象的信息,通过嵌入式系统 对信息进行处理,并通过随机自组织无线通信网络以多跳中继方式将所感知信息传送到用户终端,在军事国防、工农业控制、 城市管理、卫生医疗 、环境监测、抢险救灾、反恐、危险区域 远程控制等领域有潜在的应用前景,能够真正实现 “无处不在 的计算”理念。美国 商业周刊将无线传感器网络列为 21世 纪最有影响的 21项技术之一, MIT 技术评论将其列于十种 改变未来世界的新兴技术之首。近年来随着社会的进步和生活 条件的提高,市场对于无线传感器网络应用的需求也与日俱增。 但是,

4、目前无线传感器网络方面的人才还很少 。据美国权威杂 志预测,无线传感器网络将在 2012年正式大规模应用。因此, 无线传感器网络这一未来热门学科的兴起对于高校来说是机遇 也是挑战。“无线传感器网络”课程内容十分广泛,是计算机网络、无 线通讯、传感器应用和嵌入式设备等诸多课程综合在一起的交叉性学科。1作为工程性、实践性很强的课程,单纯的课堂教学 远远不能达到教学目的。要达到传授活知识、活技能、活思想 的教学目标,需要依托优良的实验环境,通过完善的实验体系 设计 , 使学生掌握和理解无线传感器网络原理、 协议等理论知识,并能够进行无线传感器网络的应用、管理、设计和开发。2-4同 时,作为一门新兴的

5、热门学科, “无线传感器网络”的实验教学 必须与课堂教学一样能够得到较快更新、与国际上最新成果同 步,因此在实验体系上必须有足够的开放性和灵活性。经过良 好设计的 “无线传感器网络”实验体系,可以培养出该方向合 格的专业技术人才 ,另一方面对有志于研究该领域的学生,能够奠定深入研究的基本方法论和学术素养及创新能力。5-7“无线传感器网络”课程实验教学探讨胡四 泉 王志 良摘要 :无线传感器网络是一种新兴的物联网技术。 “无线传感器网络”课程由于涉 及多 学科高度交叉,其实验体系的设计面临较大 的挑战。本文从 “无线传感器网络”实验教学的硬件平台 、教学内容和实验教学方法等方面进行 了 探讨 ,

6、培养学生在 多学科交叉的新技 术领域的动手能力 ,以期通过生动的实验过程实现较好的教学效果。关键词 :无线传感器网络 ; 实验教学 ; 教学设计 ; 物联网作者简介 :胡四泉 (1973- ,男 ,湖北鄂州人,北京科技大学信息工程学院,讲师 ,工学博士 ,主要研究方向 :无线传感器网络、 分布 式系统 ; 王志 良 (1956- ,男 ,河南项城人,北京科技大学信 息工程学院,教授,工学博士 ,主要研究方向 :物联网、机器人、控 制工程。 (北京 100083基金项目 :本文系北京科技大学 第六批青年教师教改项 目 的研究成果。参考文献 :1李泽,等.电气工程类大学生创新教育基地建设的研究与实

7、 践创新教育基地人才培养模式改革的 思路、 定位和 人才培养方 案J.广西大学学报(哲学社会科学版,2009,(S2:13-15.2李泽,等.电气工程类大学生创新教育基地建设的研究与实 践大学生创新能力的培养方法和创新型人才的形成条件J.广西大学学报(自 然科学版,2009,(Z1:49-56.3李泽,等.电气工程类大学生创新教育基地建设的研究与实 践创新教育基地人才模块化培养方案的设计J.中国电力教 育,2010,(10.(责任编辑:麻剑 飞 实 践 实 验 教 学中国电力教育 2010年第31期 总第182期二、实验设备和实验内容“无线传感器网络”课程是一门新兴课程,实验教学应该 采用什么

8、设备目前在开设该课程的院校之间并没有统一的意见。 在很多高校采用的方案中,要完成一个 4节点的小型传感器网 络的开发,需要 1个仿真器、1个基站、3个处理器射频板以及 3个传感器板,这种方案虽然接近于实际开发配置,但设备种 类繁杂,维护开销不小,不利于 “无线传感器网络”课程建设 的长久发展。我们采用美国加州大学伯克利分校提出的 TelosB 节点,并联合北京物联感通科技有限公司开发了本课程的实验 教学平台。为什么采用 TelosB 呢,因为 TelosB 节点综合了处理 器射频板、 传感器板、 编程器、 基站的全部功能, 设备功能全面, 维护开销降到最低,量产开销更小,使用方便,实验配置灵活

9、。 TelosB 采用 USB 接口,无须串口线就能实现编程和基站任务, 非常方便 ; 功能上,TelosB 集成了微处理器、CC2420射频芯 片 、SHT11温湿度传感器和 2个光照传感器,对于实验无线传 感器网络的传感数据采集、数据传输、多跳路由来说已经足够。 采用 TelosB 方案后,一个 4节点的小型传感器网络可以由 4个 TelosB 节点组成,教师可以根据学生人数分配实验小组 (14人 ,保证每个学生至少有一个节点,也可以根据情况增加网络 中的节点个数。“无线传感器网络”的课堂教学介绍传感器网络的基本概 念和主要技术 ; 网络通信技术如路由协议和 MAC 协议等 ; 传 感器网

10、络的支撑技术如定位技术、同步技术、拓扑控制、数据 汇聚和服务质量等。在实验中应该覆盖全部还是部分内容完全 取决于课时安排和条件限制,对于课时数较紧张的本科教学来 说我们的经验是,整个实验课程完成一个小规模的网络部署, 以加强学生对实际部署场景的全面把握 ; 在不同的课程进度中 侧重点不同,循序渐进,从最简单的程序开始,一步一步加强 该程序的功能,直到整个网络功能完善,满足低功耗、多跳路 由的特征。三、实验教学方法的探讨为了达到既掌握基础技能又培养创新能力的目的,我们将 整个实验体系分为基础部分和研究部分。基础部分帮助学生 积累开展无线传感器网络及物联网技术开发的实践经验 ; 通过 增加感性认识

11、促进对理论课中的知识体系的深入理解。在这 一部分,教师在详细介绍无线传感器理论和实验设备使用方 法之后,由学生组队完成基本传感器网络的开发、完善、部署 和测试。开发完成后,由教师、学生共同完成对项目的验收。 该部分强调学生自己的思考和动手在整个实验课程中的重要 性,并使学生通过动手实践深刻了解无线传感器网络的原理、 应用。通过在实验室内的学习,学生可以把无线传感器网络原 理与实际操作相结合,体验开放、灵活的真实实验环境,彻底 改变学生的专业知识学习常常陷于纸上谈兵的境地,明显地 提高教学成效。同时,为了让学生在实验室的教学环境中接触到世界上正 在应用的主流知识和技术,全面掌握世界领先的科学技能

12、,从 而提高学校的教学水平和科研能力,应该改变学生在实验中的 被动地位,让他们最大限度地发挥各自的主观能动性,成为学 习的主体,变被动学习为主动学习,进而培养学生的创新思维。 积极推进教学模式的改革,实行研究型教学模式。在本课程实 验的研究部分通过调整参数、改写程序及对运行结果进行统计 分析培养学生进一步学习和研究的学术素养,同时学生根据自 己的兴趣选择某一个较高级研究领域进行探讨以培养学生的科 研能力。在学生需要帮助时,教师及时指导,帮助学生找到问 题的关键, 达到教师与学生的良性互动, 提高实验课教学的效果, 激发学生对专业课的学习热情。教师也可选择科研项目中应用 性强和富有挑战性的内容作为学生可选的实验内容,引导学生 思考和利用各种学术资源,进而培养学生的创新思维和运用所 学知识去发现问题、分析问题和解决问题的创新能力。参考文献 :1张志海,等.一种基于Zigbee的无线传感器网络教学实验系统 J.电 气电 子教学学报,2006,28(5:76-80.2宋胜女 .计算机网络专业实验教学研究J.科技资讯,2009,(9: 172.3吴孙昭.基于NS-2的 网络原理 教学演示仿真平台设计J.商丘职业技术学院学报,2010,9(2:130-131.4方芸,等.计算机网络实验教学改革J.