孔全存 劉桂禮 梁 帆 郎曉萍

1.北京信息科技大學儀器科學與光電工程學院 北京 100192

2.天津職業(yè)技術師范大學天津市信息傳感與智能控制重點實驗室 天津 300222

現代教育技術與裝備

基于Android手機的新型物聯網教學儀器設計探索

孔全存1劉桂禮1梁 帆2郎曉萍1

1.北京信息科技大學儀器科學與光電工程學院 北京 100192

2.天津職業(yè)技術師范大學天津市信息傳感與智能控制重點實驗室 天津 300222

近年來，隨著開源Android智能手機的快速發(fā)展，傳統(tǒng)物聯網教學儀器成本高、更新淘汰率快、效能利用率低等問題愈加凸顯，造成物聯網教學儀器與實際應用相脫節(jié)等現象。通過對傳統(tǒng)物聯網教學儀器中存在問題的分析，結合未來發(fā)展趨勢，對其進行結構優(yōu)化，設計了一種基于Android手機的新型物聯網教學儀器，并在物聯網環(huán)境溫度監(jiān)測系統(tǒng)上開展了有效的探索與實踐。初步測試實驗表明，新型物聯網教學儀器具有結構簡單、通用性、可擴展性以及開放性好等優(yōu)點，具有較高的實用價值。

教學儀器；物聯網；Android手機；結構優(yōu)化；測試實驗

近年來，隨著信息技術的快速發(fā)展，基于PC的物聯網技術在教育行業(yè)得到廣泛應用[1]。物聯網技術中基于應用軟件和嵌入式系統(tǒng)的現代化設備打破了高校教學方式的原有格局[2]。隨著高校教學改革的不斷深入，教學方式逐漸向現代化、信息化、多元化方向發(fā)展，物聯網教學儀器在教學實踐中的地位也越來越凸顯[3,4]。而隨著物聯網技術的不斷發(fā)展，當前基于PC機的物聯網終端逐漸被移動設備所替代，尤其是近年來開源Android系統(tǒng)的發(fā)展更加速了這一進程，Android智能手機逐漸轉變成物聯網終端設備，成為物聯網教學儀器中不可或缺的重要組成部分[5]。

當前，物聯網教學儀器已呈現出與時俱進的多功能態(tài)勢，雖然教學輔助手段得到較大滿足與優(yōu)化，但采用被廣泛應用的Android智能手機，作為物聯網教學儀器的設計甚少，且開設的與之相關實驗也較少，造成物聯網教學儀器與實際應用不一致等問題[6]。同時，傳統(tǒng)物聯網教學儀器成本較高、更新速度較快，造成很多教學設備還未充分利用，就將面臨被淘汰的局面，效能利用率較低[7]。本文通過對傳統(tǒng)物聯網教學儀器存在問題的分析，在思考如何利用好現代化、信息化的物聯網教學儀器裝備輔助教學，提升教學質量的同時，探討如何利用現代科技手段對傳統(tǒng)的教學儀器進行結構上的設計優(yōu)化，為解決基于Android手機的物聯網教學儀器不足和大批教學儀器集體淘汰的問題，設計了一種新型的物聯網教學儀器，并開展了有效的探索與實踐。

1 傳統(tǒng)物聯網教學儀器設計中存在的問題

(1)物聯網教學儀器是融合傳感器技術、嵌入式系統(tǒng)、分布式信息處理技術、無線通信技術和智能控制等先進技術的物聯網產品[8]，它具有較多外圍設備，如Wi-Fi模塊、ZigBee模塊、射頻模塊、攝像頭和藍牙等模塊。廠商為了實現多功能和縮短開發(fā)周期，通常將具有不同功能的外圍設備集中設計在同一電路板上，這樣造成了電路板體積大，攜帶不便，操作不靈活，且成本高，硬件可配置性較低等問題。

(2)物聯網教學儀器具有眾多的外圍設備，開發(fā)人員在進行設計時，都為其留下了獨有的接口，這些接口固定在實驗板上，出廠時布線都已經確定，難以進行二次更改[9]。如果某個器件出現問題，整個模塊功能就無法實現，影響實驗效果。此外，器件更換也很麻煩，甚至一些根本無法更換，造成維修困難的局面，無形之中增加成本并影響儀器使用壽命。

(3)現有物聯網教學儀器的設計仍未擺脫傳統(tǒng)教學儀器的設計思想，在功能、結構等方面過分強調“與教材一致”[10]。教學儀器中的各部分功能是由廠家先行設計并出廠封裝好的，學生在潛意識中會認為某一接口為特定外設設計；同時缺乏對學生自主實驗設計支持的多樣性和靈活性，致使“學”與“做”不能盡快融會貫通，導致教學效果大打折扣。

2 未來物聯網教學儀器的發(fā)展趨勢

(1)儀器模塊通用性強。未來物聯網教學儀器的外設選用元件作為基本單元，主控單元采用獨立核心板的設計思路。獨立核心板通過與不同元件進行各種組合，拼搭成各種實驗設備，以完成不同的實驗任務；且當實驗儀器中某個部件或元件出現故障的情況下，能夠相互替換。

(2)實踐形式的擴展性和開放性好，物聯網教學儀器的內容不僅局限于課本范圍內。教學儀器可扮演學生依據個人興趣、愛好，在課外自主發(fā)展、學習過程中重要工具的角色。物聯網教學儀器為物聯網教學提供硬件支持，在基礎實驗之后，學生可根據自身條件或學習興趣，購買一些特殊的外圍設備，根據自己的想法組合需要的系統(tǒng)，開展創(chuàng)新實踐的不斷探索[11]。

(3)物聯網教學儀器應增強直觀性，并盡可能地體現實驗中的基本操作及其探索過程。提供不同的實驗方案，并充分運用信息技術，避免使用暗箱操作的器材，增加教學儀器的“透明度”[12]。

3 新型物聯網教學儀器的模塊化設計

當前的物聯網教學儀器大都采用傳統(tǒng)設計思想，外圍設備和核心芯片設計在一塊電路板上，實驗板體積大，實驗操作不便，而且接口不可擴展。此外，大部分物聯網教學儀器并不是將正被廣泛使用的智能手機作為實驗終端而進行專門設計的，它帶有較多不必要的硬件，增加了設備成本，浪費了有效資源。結合未來物聯網教學儀器通用性和擴展性好、教學過程直觀性強的發(fā)展趨勢，對傳統(tǒng)教學儀器進行結構優(yōu)化設計，提出了一種物聯網教學儀器模塊化設計思想，并根據該思想設計了一種基于Android智能手機的新型物聯網教學儀器，其總體結構如圖1(a)所示，新型物聯網教學儀器主要由Android智能手機(12)和獨立核心板(1)等模塊構成。

圖1 新型物聯網教學儀器的結構示意

圖1(b)為結構優(yōu)化設計的獨立核心板。(1)結構示意圖，其主要包括電源接口；(2)Micro USB接頭；(3)電源開關；(4)仿真器下載口；(5)PL2303HXD芯片；(6)STM32f103zet6芯片；(7)仿真器下載口開關；(8)復位按鈕；(9)I/O口引腳接口；(10)LCD模塊接口等。

基于Android手機的新型物聯網教學儀器的功能在于，通過對STM32核心芯片進行編程實現不同外圍設備的控制，并采用USB轉串口和OTG (On-The-Go)技術將指令實時傳送到手機端，在手機上進行軟件設計，實現二者的雙向通信，進而完成不同的物聯網教學實驗與創(chuàng)新項目探索。該物聯網教學儀器經特殊結構和電路設計實現手機與嵌入式設備的通信，接口設計成標準的Micro USB接口，與手機數據線接口一致，保證與Android智能手機的物理接口兼容。在該模塊上設計有仿真器下載口，可使用計算機完成STM32軟件設計，并通過該口下載到核心芯片中，進行實驗調試。為達到實驗操作的靈活性、節(jié)省成本和提高物聯網教學儀器利用率的目的，該模塊提供外圍設備的接口，所有外圍設備都是可選的，通過對不同外圍設備進行組合，并接插在接口引腳上，就可完成物聯網實驗的硬件搭建，打破了原有物聯網教學儀器的設計格局，使得設計出的新型物聯網教學儀器具有模塊通用性好、實踐形式擴展性好和教學過程直觀性強等特征。

新型物聯網教學儀器結構優(yōu)化的設計思路具有如下特點。第一，在結構設計上，采用“通用手機設備+定制核心板+自構外設元件”的模塊化設計，將正被廣泛使用的開源Android智能手機作為通用終端，定制的獨立核心板為中間件，與外設功能元件共同構成實驗平臺。將手機終端、核心板與外圍設備相互分離，降低了電路板復雜性和制造成本，使儀器各部件功能明確、結構突出、形象直觀，進而吸引學生注意力，激發(fā)學生創(chuàng)新思維， 使教學儀器充分發(fā)揮知識載體的作用，遵從教學過程中的認知規(guī)律。第二，在工藝設計中，貫徹標準化、通用化、系列化原則，使基礎元件的生產、供應納入“三化”軌道[12]，不但能提高元件質量，而且容易維修，更換方便。第三，在教學內容上，既可高效地測試硬件傳感器，傳輸模塊，更方便地實現動態(tài)組網，移動監(jiān)控等物聯網實驗。第四，該設計思想既順應了教學儀器改革的發(fā)展趨勢，又符合教學儀器設計原則，是教學儀器發(fā)展的必然要求。采用該實驗模塊進行組合教學，學生根據實驗要求搭建自己的系統(tǒng)硬件，這樣可大大提高課堂教學效率，提高學生的學習興趣，促進學生動手能力的不斷提高。另外，隨著科技發(fā)展和知識更新，教學儀器中某一模塊的淘汰替代了整個實驗箱的淘汰，而且在使用過程中不同實驗箱的相同模塊可以相互替換，在節(jié)省設備資金投入的同時，減少了資源浪費。而要真正做到“減負增效”，還需要在教學儀器的改革方面不斷完善與推廣，這也是我們接下來繼續(xù)努力的方向。

4 新型物聯網教學儀器中典型模塊的測試實驗

為了驗證基于Android手機設計的新型物聯網教學儀器的有效性，在基于ZigBee的物聯網環(huán)境溫度監(jiān)測系統(tǒng)上，開展了物聯網教學儀器典型模塊的測試實驗，實驗系統(tǒng)總體結構如圖2所示?；赯igBee的物聯網環(huán)境溫度監(jiān)測系統(tǒng)主要由溫度串感器模塊(終端節(jié)點)、協調控制器(數據匯聚模塊)、物聯網教學儀器核心板模塊、Android手機等部分構成。其中，溫度傳感器模塊實現溫度數據的采集、存儲、上傳；數據匯聚模塊負責ZigBee網絡的組建，進而實現溫度傳感器與物聯網教學儀器核心板間的數據無線傳輸；物聯網教學儀器核心板模塊通過控制指令的發(fā)送、接收及數據處理，完成對溫度監(jiān)測的編程與實現；Android手機上的物聯網教學實驗APP可以實時的監(jiān)測各節(jié)點的環(huán)境溫度，并通過折線圖動態(tài)描繪出溫度變化趨勢。

圖2 物聯網環(huán)境溫度監(jiān)測系統(tǒng)的總體結構

在測試實驗中，系統(tǒng)的硬件連接如圖3(a)所示。其中，溫度傳感器模塊包括溫度傳感器和ZigBee終端節(jié)點，溫度傳感器模塊與數據匯聚模塊以及物聯網教學儀器核心板模塊連接，完成系統(tǒng)硬件的通信。通過儀器核心板模塊上Micro USB接口連接Android手機，將采集到的溫度數據實時顯示在Android智能手機的物聯網教學實驗APP上，實現系統(tǒng)的交互。

圖3 物聯網環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)測試實驗

圖3(b)所示為物聯網教學實驗APP的用戶界面，用戶控制程序運行于Android系統(tǒng)應用層，用戶控制程序通過接收用戶的輸入操作，生成相應的控制指令然后通過串口線發(fā)送到物聯網教學儀器核心板模塊上的STM32控制器，STM32控制器完成控制指令解析，并依據解析結果實現對不同外圍設備的控制。物聯網教學實驗APP中包含多個物聯網實驗，其中基于ZigBee的物聯網環(huán)境溫度監(jiān)測系統(tǒng)實驗數據顯示界面如圖3(c)所示。

在上述實例中，基于Android手機的新型物聯網教學儀器與傳統(tǒng)實驗儀器相比，將廣泛使用的智能手機作為實驗終端，實現了實驗編程與智能手機數據監(jiān)控相結合，實驗過程靈活方便，學生通過利用此物聯網教學儀器外圍設備接口，很容易搭建適合自己的學習平臺，組合出不同的功能模塊，完成不同的實驗任務?；贏ndroid手機的新型物聯網教學儀器很好地體現了物聯網的三層特征，其中設計包含傳感層、傳輸層和應用層的典型實驗。感知層實驗，例如溫度傳感器實驗，主要讓學生了解核心板硬件結構；傳輸層實驗，例如無線信號傳輸實驗，主要是學習ZigBee網絡的組網過程；應用層實驗，例如網絡開發(fā)實驗，主要是學習軟件設計和數據庫的開發(fā)。同時，系統(tǒng)軟件具有形象簡潔的交互界面，對溫度參數進行了實時顯示，折線圖方便用戶記錄環(huán)境溫度的動態(tài)過程。在此基礎上，學生可以根據實驗需要自己搭建系統(tǒng)硬件，增加監(jiān)測的環(huán)境參數，這樣可以大大提高課堂教學效率，提高學生的學習興趣，促進學生動手能力的不斷提高。學生通過此物聯網教學儀器學習物聯網不同層次的知識，由易到難，由簡到繁，提高學生的學習興趣和創(chuàng)新能力，有利于物聯網專業(yè)人才的發(fā)掘和培養(yǎng)。

5 結束語

初步探索實踐表明，基于Android手機的新型物聯網教學儀器設計簡單合理，學生可以根據實驗需要自由選擇外圍模塊構建物聯網控制系統(tǒng)，還可以自行設計其他的擴展功能模塊，并與現有模塊一起使用構建新的物聯網控制系統(tǒng)，具有很好的靈活性、開放性、擴展性。該教學儀器的投入應用將會大大提高學生的物聯網控制系統(tǒng)的應用開發(fā)能力和創(chuàng)新能力，具有較高的實用價值。

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Exploration and Practice of a New Teaching Instrument Designed for Internet of Things Using Android Mobile Phones

Kong Quancun1,Liu Guili1,Liang Fan2,Liang Xiaoping1
1.School of Instrumentation Science and Opto-Electronics Engineering,Beijing Information Science and Technology University,Beijing,100192,China
2.Tianjin Key Lab of Information Sensing and Intelligent Control,Tianjin University of Technology and Education,Tianjin,300222,China

With the fast development of open source Android smartphone in recent years,traditional Internet of Things (IoT) teaching instruments have some disadvantages of high cost,fast update and obsolescence rate,low effective utilization ratio,which directly causes the disjunction between IoT teaching instruments and practical application,etc..In this paper,by analyzing the problems in traditional IoT teaching instruments and combining with its developing trend,a new IoT teaching instrument based on the Android mobile phones has been designed by optimizing the structure of the current one.And some effective exploration and practice are carried out in the IoT of environmental temperature monitoring system.The testing experiments show that the new IoT teaching instrument has some advantages of simple structure,good universality,expansibility and openness so on,and is of higher practical value.

teaching instrument;IoT;Android phone;structure optimization;testing experiment

孔全存，博士，副教授。

2016年北京高等學校高水平人才交叉培養(yǎng)“實培計劃”畢設(創(chuàng)業(yè)類)項目；2015年北京信息科技大學教學改革項目(編號：2015JGYB10)；2016年北京信息科技大學促進高校內涵發(fā)展-教學改革-儀器科學與光電工程學院教改項目；北京信息科技大學2017年度教學改革立項資助(編號：2017JGYB11)。