无线龙大学   周柏宏

前言

2003年教育部发布了《教育部关于启动高等学校教学质量与教学改革工程精品课程建设工作的通知》，全面启动“高等学校教学质量和教学改革工程”的国家级精品课建设工程。国内许许多多的高校都在积极寻求建设具有自己特色和一流教学水平的优秀课程、精品课程和示范性专业。

无线传感器网络技术（WSN）是一门崭新的嵌入式无线技术，在军事和民用上都具有相当的前景，随着WSN相关技术的发展，WSN应用产品的增长、社会各行业对解决方案的爆发性需求，使得WSN成为21世纪公认的除互联网以外的第二大泛在网络， WSN也成为当前高校专业建设的热点之一。

作为一个新型的专业发展方向，不同高校有不同的发展方向和发展理念。无线传感器网络技术（WSN）是一门综合了多学科特点的应用型学科，按其涉及的主要技术领域以及中国国情下目前执行的学生入校确定专业同时确定课程的现状，WSN可以归为本科电子类应用技术，或者通信类本科应用技术，而WSN独特的多层次理论特点又可以让它适应从专科到博士的多层次教学需求，基于WSN的精品课程建设将为带动相关专业群的建设发挥重要作用，实现以一个专业课程为核心，多个专业共同发展的局面，在美国，由美国自然科学基金委员会推动下，美国加州大学伯克力分校、麻省理工学院、康奈尔大学、加州大学洛杉矶分校等学校开始了传感器网络的基础理论和关键技术的研究并展开教学工作。英国、日本、意大利等国家的一些大学和研究机构也纷纷开展了该领域的研究工作并制定相应的教学计划。

中国的许多高校(如西安电子科技大学、哈尔滨工业大学、山东大学等)几乎同时开始了对传感器网络的研究。目前的研究主要集中在传感器网络本身和通信协议上，取得了一些初步研究结果，中国在WSN领域具备自己的话语权，但是作为新技术实践和推广的第一战线，国内的高校几乎还没有明确的课程建设和人才培养方案，大都属于实验室研究的形式，针对研究生博士生等专业研究型人才，作为应用相关型的新技术，WSN的发展或者说任何一门技术的发展都离不开实际应用的推动，针对这一点，国内很多高校对开设WSN专业，建立相关实验室抱有极大的热情，这说明高校对WSN技术及前景有一定的认识，另一方面是作为高校领导人具备这个领域的前瞻意识，那么如何建设WSN课程，更怎样把这样一个专业建设成为示范性的精品课程呢，本文将试图以一个典型的WSN教学方案为线索来介绍，

一、无线传感器网络应用技术课程规划（本、专科选修）

这门课程将向学生介绍无线传感器网络的基本概念，应用范围，设计要点和实现方法，并且通过课程项目让学生设计和实现一个基于C51RF-WSN平台的无线传感器应用。课程的目的是开阔学生的眼界，强调学生创新思维和动手能力，同时通过分组完成课程项目的方式培养学生的团队精神以及与人合作方面的能力。课程安排如下：

第一周：介绍无线传感器网络的基本概念，包括传感器、传感器网络、无线传感器网络，以传感器和无线通信技术的发展为主线，介绍数据采集与处理领域如何在空间和时间的测量方面的不断发展。通过大量实际的或者是实验性的案例，说明传感器网络和无线传感器网络目前的应用状况和将来的应用前景。

第二周：介绍无线传感器网络（技术）设计和器件（芯片）选型的要点，重点突出片上系统（SOC）应用对尺寸（芯片、外围电路）、功耗（低功耗）、健壮性（自组织、自恢复）等方面的特殊需求。通过列举一些在应用当中常见的处理器、存储器和射频模块，讨论不同模块的优点和缺点。介绍目前常见的一些无线传感器网络解决方案，讨论不同方案的优点和缺点，（重点对zigbee技术中涉及的核心关键词语做必要讲解，描述基于zigbee技术的无线传感器网络结构、特点）。

第三周：C51RF-WSN专题，老师演示C51RF-WSN无线网络效果，对其硬件（处理器、存储、射频、传感器、仿真器）、软件（上位机软件、编程环境、工具软件、驱动）和协议分析仪进行深入讲解。介绍行业内使用了C51RF-WSN的实验性项目，组织学生讨论在本课程所能够提供的条件下可以用C51RF-WSN来构建什么样的应用。

第四周：老师介绍协议栈，包括网关、路由、终端三者的关系、路由算法等，重点讲解网络层和应用层，并对应用层接口做实用性讲述，本周任务为强化学生对于无线传感器网络的理论基础。

〔课后作业：预习C51RF-WSN实验指导书〕

第五周：指导基于C51RF-WSN的实验开发方法，针对演示例子程序做深入讲解并修改演示程序，例：如何增加新的传感器，如何加入新的应用功能，课堂上鼓励学生提问。

 [课后作业：学生自行组队，以四个人为一组提出一个创意，设计一个基于C51RF-WSN的无线传感器网络应用。 一周以后需要在课堂上对该项目的背景、可行性分析、项目预期效果、原理、构架和所需要的资源进行讲解，并且与全班同学进行讨论。提出项目开发计划，包括主要的项目进度时间线、经费预算等。在可能的情况下，开始基于C51RF-WSN编程实现项目的原型。编写项目进度表]

第六周：每组同学轮流介绍自己的设计方案，除了技术层面的陈述，还需要指出该设计的创新之处以及应用前景。尽可能调动全班同学的积极性，对其他组的设计方案进行点评，尤其鼓励建设性的改进意见。

[课后作业：对设计方案进行改进，基于C51RF-WSN进行项目开发和调试。如果需要购买额外的硬件，可以申请相应的硬件购买经费。写正式项目报告]

第七周：每组同学轮流进行基于C51RF-WSN的项目原型演示。总结在项目开发过程中遇到的难点和疑点，争取通过与全班同学进行讨论的方式来获得解决方案。老师收集同学遇到的问题并思考力准备解决问题的方法。

[课后作业：继续项目的开发，写项目报告]

第八周：每组同学轮流进行基于C51RF-WSN设备的项目原型演示，侧重于此次演示的内容与一周之前演示的内容相比有何改进。继续以全班同学参与讨论的形式激发新的想法，对同学提出的想法给予中肯的意见并对同学实在没有办法解决的问题进行必要指导

[课后作业：继续项目的开发，写项目报告]

第九周：每组同学轮流进行基于C51RF-WSN设备的项目原型演示，在有条件的情况下，在真正的设备上进行演示。对各组演示效果给予一定的评定计分，侧重于比较最后的方案和最初的方案的异同点，指出保留或者是改变某种设计的原因和结果。将实际的项目开发进度和项目开发计划进行比较，看看进度和计划是否一致，并且分析具体原因。

〔课后作业：整理资料，完善报告内容，纸质档（用于上交给老师备案）和电子档（用于课程研讨）〕

第十周：课程总结研讨。以报告的形式，各小组讲解自己设计的优点和缺点，哪些做法值得保留，哪些做法需要改进，并对课程教学情况给予一定的意见或建议。以最终报告电子档讲述和实际演示效果两者综合评选出最佳的小组并且给予一定程度的奖励。

这个选修课的教学方案基本的想法就是这样。希望学生们在学完这门课程之后能够知道无线传感器网络是什么，能够做什么，以及能够用什么方法来实现。还希望学生能够从一个被动接受者的角色转变成一个主动参与者的角色 ,在这门课当中，学生的参与是最重要的，由于这门课程的项目设计阶段需要使用C语言进行程序设计，因此需要选课的同学已经学习过C语言；并且具备一定的单片机的开发能力；同时由于是选修课，所以重点强调是学生对改技术的认识和创造性、应用性的方案设计。对于有能力的同学可以鼓励和帮助更进一步的工程实践。

二、无线传感器网络实验教学方案  （本科必修）

基本情况

课程名称：无线传感器网络应用技术

课程类别：专业必修课

所属专业：电子信息工程、电子科学、应用电子技术、电子技术教育

课程学时：64学时（计4学分，理论32学时，实验32学时）

课程内容

1、 课程定位

本课程授课对象定位于高校大三或大四学生，专业定位于通讯，电子信息工程，计算机应用技术、工控及高校相关专业学生，课程性质为必修专业课

2、 课程目标

　　本课程培养目标为使学生较全面了解当今无线传感器热门技术整体概貌，行业发展动态趋势，掌握短距离无线通信基本理论，无线网络基本理论，zigbee协议栈及网络协议分析，实践环节目的在于开拓学生眼界，增进求实创新的能力，培养学生敢于思考，积极动手的行为习惯，并且最终达到能使大部分同学有能力完成无线数传，无线网络的设计开发工作，并且为学生将来进入社会工作培养一种关注最新科技，利用最新技术的意识！

3、 详细教学计划对应学时

理论教学部分

32个学时（参照教材目录，基本上可以安排一节课涉及两个小节的内容）

实践教学部分

　　（可以用16个学时的实践环节穿插在理论教学中间，主要是以基于试验平台的演示性操作和感官认知学习，另外剩下的16个学时为专周实训，进行专业强化训练，基于试验平台进行应用性设计）

4、 课题设计

　　　导师根据情况自定

5、　教材配置：《短距离无线通信技术》《低功耗智能无线传感器网络入门与实战》

6、课程建设条件

⑴、实验室配套建设

　　30套左右C51RF-WSN无线传感器网络教学实验系统

　　30台能运行XP操作系统以上的微机

⑵、专业课老师要求

　　具备单片机教学开发经验，拥有通信理论教学能力，熟练掌握单片机C语言，对zigbee协议有一定的了解（可以通过种子教师进修培训等方式提升），也可以采用校企结合的方式，邀请企业一线资深工程师针对性讲授。

⑶、学生情况

　　　　开课之前应有C语言基础，51单片机基础，建议掌握一定的通信原理、传感器原理等知识

三、课程建设意义

目前，无线传感器网络,作为电子技术和嵌入式技术发展的一个“热点”,随着像ZIGBEE, WI-FI, 兰牙等新兴无线技术在市场上的空前成功,越来越多的多的人开始关注这个无线网络通信技术, 同时也希望尽快学习和掌握这门最新的技术, 将这些无线技术应用到自己熟悉的各个应用领域;　无线传感器网络作为先进的短距离无线综合技术，融合了通信原理，ZIGBEE技术，片上系统等新兴课程，课程建设可以缩短学生和目前先进技术的差距，使学生掌握最新的无线通讯和无线网络技术，激发创新思维，增进学术研究领域，增加就业机会；也带动高校相关领域的工程及学术科研水平，并以此为基础良性发展，建设成为一个示范性的专业群。

欢迎高校相关实验室及专业老师领导来函来电，就专业建设细节问题商榷，也欢迎相关人士对本方案提出批评改进意见！

EAMIL：zigbee_rfmcu@163.com                TEL：028-68191060-153

无线龙大学计划——致力于技术推广和人才培养计划，携手科技共建无线美好未来！