项目教学法在物联网技术与应用课程中的应用实践探析

摘要：物联网技术与应用课程是唐山学院通信专业开设的专业应用型课程，为理实一体化课程，主要介绍物联网的基本概念、核心技术及应用前景。课程教学设计以职业岗位需求为导向，以综合能力提升为目标，以项目实训为课程实践的主要形式，采用工学结合模式，理论与实践一体化的教学理念。文章以具体实践项目教学为例，阐述项目的具体实践内容、教学实施过程与效果，以论证项目教学法在课程教学及人才培养过程中的积极作用。

关键词：项目教学法；物联网技术及应用；教学实践；ZigBee技术；智慧校园

中图分类号：G642 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2024）04-0167-04

0 引言

物联网应用作为国家倡导的新兴战略产业，近年来高速发展，其相关技术已经融入智能工业、智能农业、智能医疗等各行各业[1]。唐山学院通信专业于2017年开设物联网技术与应用课程，该课程的学习可使学生初步了解物联网技术的相关概念、支撑物联网发展的核心技术，以及物联网与各行各业跨界融合的应用前景，掌握物联网的知识结构和关键技术，培养信息安全意识，增强职业综合素养，开阔学术视野，为学生日后从事相关职业奠定坚实的基础。课程注重培养岗位需求的新型人才所需具有的特定素质、知识、技能及能力要求，并将这些要求贯穿于各章的内容讲授中，用具体的技能训练和实训来促使学生进一步加深理解和掌握所学的知识。

物联网技术与应用课程的传统实践环节主要是基于物联网技术实验箱进行实验操作，学生通过实验原理的学习及实验操作，加深对理论知识的理解，一定程度上提高了学生的实践能力。但是课内实验存在几方面的局限：1） 课内实验多为验证性实验，操作互动性不强，不利于学生动手实践能力的培养；2） 实验箱内模块集成度较高，可拓展性差，二次开发利用率较低，不利于学生创新性思维的开发；3） 依托实验箱的可选实验数量有限，通常以教师给定实验内容为主，可选范围小，而且实验内容与工程实践相差甚远，不利于学生工程实践能力及解决复杂问题能力的培养。

项目教学法尤其针对应用型课程具有事半功倍的效果，目前在许多高校得到广泛的试验和应用。项目式教学法区别于传统的课堂授课模式，将项目任务及要求分配给学生，在教师的指导下，由学生组队协作完成，在项目成果实现过程中，学生能够深入学习专业理论知识、掌握相关实践的技能，以达到良好教学效果[2-3]。

1 教学设计思路

在学院“岗位主导·项目带动”人才培养模式的基础上，本课程以结合生产生活实际的真实项目为载体，激发学生学习积极性、自主性和创造性，在教学实施过程中更注重实际动手能力和知识应用能力的培养，培养具有复合型能力或技能的人才[4]。本文以ZigBee技术为核心的“基于云平台的智慧校园监控系统”项目为例，以方案讨论、原理图设计、系统制作和项目总结为主的实践流程，详细阐述项目式教学法在物联网技术课程中的具体实践及教学效果。

ZigBee无线通信协议支持低成本、低功耗、低数据速率的无线传输，具有广泛的应用场景，如家庭自动化、智能电网、医疗卫生、物流管理等领域[5]。Zig⁃Bee无线通信模块通过与其他ZigBee兼容的设备互相连接，可以实现无线传感器节点之间的数据收集和控制命令传递，从而实现物联网设备的智能化控制和管理。ZigBee无线通信具有灵活、可靠、安全和低功耗等特点。由实验室提供系统组成所需的硬件及Z-stack协议栈源码，在老师的指导下，学生通过查阅资料、组内互助、导师咨询等方式独立地完成项目任务。通过项目实训，掌握物联网系统开发设计的基本流程，并激发学生的学习动机及潜能，培养学生独立思考和创新的能力，提高学生的综合实践能力。

2 教学设计过程

2.1 界定问题，提出方案

随着校园对外开放，人员密集、建筑数量增多，安全隐患增大。火灾、空气环境和外来人员闯入等各种因素都可能威胁到师生的人身和财产安全。对校园中这些建筑和外来人员的监控消耗资源大，为了应对未来出现的隐患，催生了智慧校园监控系统解决方案的需求[6]。

智慧校园监控系统的基本功能要求涵盖环境监控和安防监测两方面，以确保校园环境的安全和稳定。监测范围可包括对环境温湿度和可燃气体的监测，以及对非法入侵人员进行红外感应的安防监测。基于ZigBee的无线传感器网络并结合窄带物联网技术（Narrowband Internet of Things，NB-IoT） 可为智慧校园系统提供有效、可行的解决方案。

ZigBee技术作为一种近距离无线通信技术，被广泛应用于各种电子设备之间数据传输的场景。Zig⁃Bee网络有星状、网状、树状三种拓扑结构。本项目拟采用的星状网包含两种ZigBee的设备：终端节点和协调器。协调器是ZigBee网络中的核心节点，负责组建和管理网络、维护网络拓扑结构、协调节点活动等。其还具有与外界通信的功能，如转发Internet数据、接入家庭网关等。终端节点通过ZigBee协议栈中的应用层接口和网络层接口实现与其他传感器件的数据交互。终端节点具有较低的处理能力和通信能力，但能够通过低功耗的方式长时间运行。

NB-IoT是一种低功耗、低速率、广覆盖的无线通信技术。它是LTE技术的一种演进形式，可以利用现有的LTE网络建立专门的物联网通信网络，以实现设备之间的互联互通和数据传输。与通常使用的Wi-Fi 技术相比，Wi-Fi技术的信号距离较短，适用于一些小场景的数据传输，如家庭、办公室之类。NB-IoT技术传输距离远，覆盖范围广，适用于大范围场景。基于此，选用NB-IoT技术用于高校校园环境下的远程数据传输。

基于以上两种物联网通信技术，提出智慧校园监控系统设计方案：搭载各类传感器的ZigBee模组通过ZigBee协议实现无线传感器网络组网，网络监测到的各类环境数据和安防数据通过无线方式汇集至协调节点处。窄带物联网NB-IoT模块通过串口与协调节点连接，其将所收集的传感器数据发送给阿里云物联网平台，用户可通过PC端或移动端远程访问云平台以查看、监测数据。该系统能够实时监测环境和安防数据，在超过设定的阈值或检测到非法人员入侵时进行报警并采取控制措施。

系统包括ZigBee无线组网、NB-IoT无线传输、云平台及用户端四部分，所含模块较多，学生需按照模块化设计思路，对各个模块进行清晰的功能划分、实物制作和功能测试。系统原理如图1所示。

2.2 系统软硬件设计

2.2.1 硬件设计

ZigBee模块由CC2530核心板和带有CH340转串口芯片的底板组成。根据实际需求进行分层和模块化处理，实现对网络节点的数据采集、数据处理、网络通信等功能的控制及管理。底板上设置两排扩展槽，用于引出CC2530核心板上的接口，以便连接各种传感器和其他外围设备。注意，协调节点和终端节点硬件核心模块相同，仅外围模块和搭载程序不同。

窄带物联网NB-IoT是基于蜂窝网络的无线通信方式，其采用窄带通信技术能够以低功耗、低速率进行远距离通信。目前国内NB-IoT 主要工作频段为B8、B5，本系统使用中国移动的B8频段，中心频率为900MHz。NB-IoT模块选用BC26模组，其四个引脚分别为VCC、GND、RX、TX，RX引脚连接协调器底板的TX接口，TX引脚连接协调器底板的RX接口。

ZigBee终端节点上各传感器选型分别为MQ-2烟雾传感器、DHT11数字温湿度传感器、HC-SR602红外人体传感器。MQ-2传感器能够通过感知多种易燃气体浓度的变化来调节其电导率，从而实现对气体的监测，共有VCC、GND、DOUT、AOUT四个引脚，其AOUT 口输出携带可燃气体浓度的模拟信号，其与CC2530 底板的P0_5连接，DOUT悬空；DHT11传感器的数据输出口DATA连接在CC2530底板的P0_7口上；HCSR602传感器三个引脚分别为VCC、GND、OUT，OUT 连接CC2530底板的P0_4口，信号电平输出：H=3.3V （周围有人），L=0V（周围无人）。另外，在采集终端节点上还搭载继电器和风扇，用于调节环境变化，继电器的IN1口接ZigBee 终端节点的P_10口，常开端接GND，公共端接风扇，由继电器控制风扇的启停。异常情况发生时，则蜂鸣器报警。蜂鸣器接在协调器底板的P1_1口。当引脚低电平时，蜂鸣器发出声音。

2.2.2 软件设计

系统软件基于Z-Stack协议栈在IAR嵌入式开发平台进行编写及编译，Z-Stack协议栈为多层次协议结构，包含物理层、MAC层、网络层、应用层和安全层等多个层面。Z-Stack协议栈提供了一套API，使得无线传感器网络中的设备和网关的创建和控制变得轻而易举，为开发人员提供便利。在此过程中，用户只需简单设置参数即可完成对传感器节点的初始化配置。此外，该系统还支持自组织网络功能。在平台的应用层进行程序改写即可实现系统所需功能。

系统各传感器模块搭载到ZigBee模组上，各模组通过ZigBee协议实现无线传感器网络组网通信，协调节点汇集数据后，通过AT指令控制NB-IoT模块将数据以远程无线通信方式传输给物联网平台，最终实现用户端对数据的远程监控。系统的软件设计总流程如图2所示。

在各模块完成初始化后，ZigBee协调器开始建立组网通道，成功组网后，ZigBee终端节点开始采集数据，并将数据发送给ZigBee协调器。协调器借助窄带物联网模块，将数据发送给物联网云平台。如果是物联网平台下发的数据，ZigBee协调器会根据收到的数据，调整与控制端的状态相对应的某些设置。

阿里云物联网平台是阿里云针对物联网领域提供的一站式服务，遵循标准化的物联网协议并提供全球覆盖的云端服务，为开发者和企业客户提供设备连接、数据存储、数据处理等多个功能。该平台提供了高效稳定的数据通信、安全可靠的物联网设备管理、多维度的数据存储和分析，从而实现物物相连、数据分析、业务处理和决策优化等功能。此外，平台还提供完整的API接口和SDK，方便开发人员进行二次开发和集成，同时支持多语言、多云和混合云场景的部署和管理，提供丰富的数据可视化和分析能力，帮助企业快速实现物联网方案[7]。

系统使用NB-IoT模块将协调器收集到的数据上传至阿里云物联网平台。在物联网平台，需要先创建产品，添加设备。在设备界面找到功能模块，挑选所需要的功能，即可让协调器收集的数据在物联网平台上显示。

在协调器上连接好NB-IoT模块，并通过串口软件调试，发送AT+CIMI命令，用于获取SIM卡号；发送AT+CSQ命令，用于查询信号值；发送AT+CGATT？命令，用于查询模块是否附着上网络。在创建好的物联网平台获取三要素“ProductKey”“DeviceName”“Devic⁃eSecret”后，即可通过AT指令连接上阿里云物联网平台获取数据。物联网平台程序设计流程如图3所示。

2.3 成果展示、项目总结

系统使用三个0.96寸OLED显示屏，将其分别置于协调器与两个终端节点，以便检查模块工作状态并呈现数据。通过对输出程序进行修改，即可在屏幕上呈现出所需的信息，而无需受限于特定的格式。根据上述设计原理，经过软硬件联合调试后，可实现智慧校园监控系统的预期功能，经过反复测试，系统运行稳定，用户可以从手机端或者PC端远程监测数据。系统实物图如图4所示。

在教师的指导下，学生通过团队合作、精心钻研实现了项目预期功能，深刻理解了Zigbee技术规范及物联网网络架构，掌握了项目开发流程，学习了如何利用物联网技术解决生活中遇到的问题。真实的项目开发体验调动了学生学习的积极性，提高了学生的综合实践能力和解决复杂工程问题的能力。

3 结束语

物联网技术及应用课程是通信专业非常重要的专业课，物联网技术应用领域广、技术复杂、设备类型繁杂，技术应用对实践能力要求高，课程教学本着“宽基础、薄理论、强技能”的教学思路，强调实际运用能力和实践创造能力的培养。本文利用一个具体的项目案例阐述了项目式教学法在物联网技术与应用课程中的应用实践。项目式教学弥补了传统实验教学的内容固化、应用性和可操作性不强的缺点，学生通过参与整个项目开发流程、解决项目中遇到的实际问题，获得学习知识的乐趣和解决实际问题的成就感，有效提高实践能力和综合素质。同时，项目式教学与课程建设相融合，带来了课程内容、教学方法和人才培养的新变革，将推动整个专业课程建设与改革的良性发展。

参考文献：

[1] 黄丽霞.应用型本科院校的物联网工程专业创客教育实践研究：以湖南应用技术学院为例[J].科技创新导报，2020，17（27）：177-179.

[2] 许国超.大学教育与产业的融合：应用型课程项目式教学研究[J].现代交际，2021（1）：16-18.

[3] 陈爱花.项目教学法在中等职业学校《现场导游》课程中的应用研究：以昆明市 XSQ 职业中学为例[D].昆明：云南师范大学，2021．

[4] 陈秋波.高中《中国特色社会主义》“探究与分享”教学的研究[D].浙江师范大学，2020.

[5] 何智勇，徐丽萍.基于Z-Stack的ZigBee协议栈组网过程研究[J].南京工业职业技术学院学报，2018，18（1）：1-3.

[6] 张峰，张红荣，于万清.物联网技术在职业院校智慧校园建设中的应用研究[J].工业技术与职业教育，2023，21（1）：9-13.

[7] 苏泽荫，陈源毅，王华敏.基于物联网平台的高校实验室管理系统[J].物联网技术，2022，12（11）：66-68，73.

【通联编辑：王 力】