李水明　陈鑫洋

【摘 要】本文探讨在物联网系统组建课程中设计一种项目化实训，以物联网系统组建为主线，对智能温度检测实训项目进行总体设计、硬件电路设计、软件程序编写及功能调试等。

【关键词】物联网系统组建课程 温度检测 实训项目设计

【中图分类号】G 【文献标识码】A

【文章编号】0450-9889（2016）11C-0189-03

物联网系统组建课程作为物联网知识学习的重要课程，是一门以动手实践为主的实训课。在物联网系统组建课程中引入项目化实训教学，既能做到将涉及面广的零散知识点综合学习，又能将理论联系实际发挥学生的主动性，通过不同的方法实现实训的要求。项目化教学既能够让学生系统学习物联网知识，又让学生成为项目设计的主角，激发学生的学习兴趣。为此，本文设计了一个“智能温度检测系统”项目作为物联网系统组建课程的实训项目。本物联网系统组建实训项目要求为：模拟智能工厂的温度检测系统，能够实时显示工厂里的温度值，并能设定温度的上限阈值和下限阈值，当温度值超过设定的阈值时发出警报，要求学生按照项目开发流程、设计思路，完成系统项目总体设计、硬件电路设计、软件程序设计、综合调试等工作。

一、智能温度检测系统项目的总体设计

在下达项目任务后，让学生收集相关的温度检测系统资料及发展现状，综合设计系统总体结构框图。为实现项目系统的功能，本温度检测系统由上位机和下位机两部分组成。上位机由ZigBee接收模块、电源模块和PC显示终端组成。下位机由ZigBee控制核心模块、电源模和DS18B20温度传感器组成。上位机与下位机通过无线方式传输数据。系统总体结构框图如图1所示。

二、智能温度检测系统的硬件电路设计

（一）ZigBee控制核心模块设计。根据本项目的需求选择CC2530微处理器作为控制核心。CC2530包含32KB的ROM和8KB的RAM，集成高效的2.4-GHz IEEE 802.15.4无线射频收发器，具有低功耗、无线传输温度数据等优点，被广泛应用于物联网的无线通信领域。在上位机部分中ZigBee控制核心模块与PC机通信采用UART串口方式通信。ZigBee核心控制模块部分电路如图2所示。

（二）温度传感器模块。本项目的温度值通过读取传感器输出信号获得。温度传感器输出信号可分为模拟信号和数字信号两种。模拟式传感器输出信号需要添加放大电路和A/D转换，增加了成本和设计难度。数字式传感器直接输出数字信号，ZigBee核心模块可以通过I/O口直接读取。温度采集传感器使用Maxim公司的DS18B20数字式温度传感器。DS18B20采用单总线通信方式，只需要占用一个I/O口即可完成数据通信；温度测量范围为-55°C至+125°C；测量精度为±0.5°C。温度检测系统项目中采用DS18B20作为温度传感器。DS18B20传感器模块电路如图3所示。

（三）电源模块设计。本项目考虑到温度检测采集点减少受地理环境因素影响，采用电池包作为电源。由于ZigBee控制核心模块的供电电压为3.3V，采用DC-DC转换电路将直流6V转换为3.3V。电源模块电路如图4所示。

三、智能温度检测系统的软件设计

温度检测系统的软件设计是项目开发过程中重要环节。

（一）软件编程设计思路。温度检测系统上位机与下位机的通信方式通过无线通信方式实现。上位机的ZigBee控制核心模块接收到温度数据后将数据通过串口发送到PC机显示。在PC机Windows系统平台编写应用程序实时接收数据显示并同时检测是否超过设定的阈值，若超过阈值则发出警报。

（二）软件设计流程图。本项目的软件设计按组成部分划分为上位机和下位机两部分，其中上位机软件设计分为ZigBee接收模块程序设计和PC机显示端程序设计。系统的上位机与下位机的无线通信采用Basic RF无线通信协议，该协议具有配置简单、点对点通信等特点。上位机与下位机程序设计流程图如图5所示。

下位机系统上电后ZigBee模块进行初始化，对Basic RF无线通信协议进行配置和对温度传感器DS18B20进行初始化设置。下位机完成初始化后等待上位机温度采集指令，当接收到指令后读取DS18B20温度值，将温度数据通过无线通信方式发送到上位机ZigBee接收端。上位机ZigBee接收端收到数据后通过UART串口发送到PC机显示。

（三）子程序分析。下位机ZigBee无线通信采用Basic RF构建，项目任务主要是通过调用子函数来实现。

函数：void basic_configRF_Init（void）

功能：ZigBee模块Basic RF无线配置初始化，包括ID、通信频道、本机地址等。

函数：void DS18B20_Init（void）

功能：该函数主要负责对DS18B20温度传感器进行初始配置。

函数：unsigned float Read_Temp（void）

功能：读取DS18B20温度值，返回无符号浮点型。

函数：basicRfSendPacket（uint16 destAddr，uint8* pPayload，uint8 length）

功能：实现ZigBee无线数据的发送。destAddr为点对点目标地址；pPayload温度值数据的缓冲区地址；length温度数据的长度。

函数：basicRfReceive（uint8* pRxData，uint8 len，int16* pRssi）

功能：接收数据无线ZigBee数据，pRxData接收到数据的缓冲数据地址；len接收到的数据长度；pRssi信号强度。

在项目实现过程中，教师提供关键的子函数及相关说明文档，学生根据说明文档搭建ZigBee无线Basic RF通信系统。

（四）上位机应用程序构建。本项目上位机应用程序采用WPF技术构建，开发平台采用Visual Studio 2012编写应用程序在Windows系统运行。WPF基于用户界面框架，使用WPF构建温度检测系统能够快速实现相应的功能。上位机应用程序中使用定时器计算时间每隔200ms读取一次温度值。在项目实现过程中为学生提供定时器类的使用方法：

Timer timer_read = new Timer（）；

timer_read.Interval = 1000；

timer_read.Enabled = true；

timer_read.Elapsed += timer_read_Elapsed；

void timer_read_Elapsed（object sender，ElapsedEventArgs e）；

四、智能温度检测系统的实物制作及调试

在学习了相关知识和绘制完成硬件电路后，开始温度检测系统的实物电路制作，根据前面绘制的PCB电气原理图进行制版和焊接。在完成硬件电路后开始编写程序和调试。实训室管理员根据项目元件清单为学生提供相应的电子元器件。

学生也可以根据项目内容要求，发挥主动性自行设计相应的电路，然后根据电路选择相应的电子元器件。

（一）焊接。在实训室完成硬件电路板的制作后，进行元器件的焊接，在焊接过程中需要提醒学生有极性的电容方向及CC2530芯片的引脚。

（二）调试。在完成实物制作后，根据项目要求调试电路。教师参与学生实物系统的调试，对遇到的问题进行及时纠正。上位机显示应用程序如图6所示。

（三）评分验收。教师根据项目评分标准进行考评，在考评过程中对做得好的地方进行表扬，同时指出不足的地方。

图6 上位机显示应用程序

综上，在物联网系统组建课程中采用项目化实训，改变传统课程的教学模式，让学生作为主体，发挥学生的主动性。在智能温度检测系统设计项目中，让学生在项目设计过程中掌握物联网的系统设计思路、组成、硬件电路设计、软件程序设计和系统调试等知识，将分散的物联网知识综合应用，使学生在不仅学习了理论知识，还掌握了如何设计物联网系统的技能。

【参考文献】

[1]周怡颋，凌志浩.ZigBee无线通信技术及其应用探讨[J].自动化仪表，2005（6）

[2]张军.智能温度传感器DS18B20及其应用[J].仪表技术，2010（4）

[3]王铭明，陈涛.基于Basic-RF的家居环境监测预警系统设计[J].现代电子技术，2013（24）

[4]王德权，邓云霓.WPF在发动机生产线监控系统中的应用[J].组合机床与自动化加工技术，2013（4）

[5]曲广强，关晓辉.基于WPF技术的教学信息查询系统设计与实现[J].东北电力大学学报，2014（6）

【基金项目】2016年度广西高校中青年教师基础能力提升项目（KY2016YB760）；2015年柳州铁道职业技术学院校级科研立项项目（2015-C21）

【作者简介】李水明（1983— ），男，硕士，柳州铁道职业技术学院电子技术学院讲师，研究方向：物联网技术应用、机器人；陈鑫洋，柳州铁道职业技术学院教师。

（责编 黎 原）