基于物聯(lián)網(wǎng)驅(qū)動的嵌入式系統(tǒng)教學(xué)改革

    為了適應(yīng)后PC時代人才培養(yǎng)的要求，越來越多的高校開設(shè)了嵌入式系統(tǒng)相關(guān)課程。就不同的行業(yè)背景和應(yīng)用背景，眾多高校同仁在如何改進(jìn)實驗設(shè)計和實踐環(huán)節(jié)等，提出了諸多有益的教學(xué)方法和實驗教學(xué)理念。而且，隨著信息技術(shù)的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)教學(xué)過程中的諸多環(huán)節(jié)，仍然需要進(jìn)一步的探索和改進(jìn)。特別是近年來，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，給嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用和發(fā)展提供了更廣泛的空間，同時，也為嵌入式系統(tǒng)的教學(xué)和實踐內(nèi)容注入了新鮮血液。然而，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在給嵌入式系統(tǒng)帶來新機(jī)遇的同時，也帶來了新的挑戰(zhàn)。在嵌入式系統(tǒng)教學(xué)--特別是實驗教學(xué)過程中--如何應(yīng)對這種挑戰(zhàn)，改進(jìn)實驗內(nèi)容和教學(xué)方法，適應(yīng)時代對人才培養(yǎng)的要求，值得我們認(rèn)真思考。筆者在總結(jié)嵌入式教學(xué)經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，針對目前物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，在面向物聯(lián)網(wǎng)的嵌入式系統(tǒng)課程體系建設(shè)、理論教學(xué)、實驗教學(xué)、第二課堂和畢業(yè)設(shè)計等環(huán)節(jié)作出了初步探索，以期拋磚引玉。

　　1  物聯(lián)網(wǎng)與嵌入式系統(tǒng)課程體系

　　物聯(lián)網(wǎng)（Internet of things, IOT）的概念是在1999年提出的，根據(jù)2005年國際電信聯(lián)盟（ITU）的定義[4]，物聯(lián)網(wǎng)主要解決物到物（Thing to Thing, T2T）、人到物（Human to Thing, H2T）、人到人（Human to Human, H2H）之間的互聯(lián)。這一高度交叉的新興前沿領(lǐng)域在國際上備受關(guān)注，美國IBM公司基于物聯(lián)網(wǎng)提出“智慧的地球”概念；中國科學(xué)院早在物聯(lián)網(wǎng)概念誕生之初就啟動了傳感網(wǎng)研究，2009年，無錫物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)研究院成立，***考察時提出“感知中國”的概念。

　　盡管目前從技術(shù)角度對物聯(lián)網(wǎng)還沒有確切的定義，但公認(rèn)的說法是，它融合了四大關(guān)鍵技術(shù)：傳感器技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無線通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)[56]。由此可見，嵌入式系統(tǒng)在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中扮演著至關(guān)重要的角色。而且，嵌入式系統(tǒng)與物聯(lián)網(wǎng)這兩者具有相輔相成的關(guān)系：嵌入式系統(tǒng)技術(shù)為物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展提供必要的技術(shù)支撐，促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)的工程應(yīng)用，提升物聯(lián)網(wǎng)的產(chǎn)業(yè)規(guī)模；而物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展為嵌入式系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展提供了新的應(yīng)用領(lǐng)域，為嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用提供了更廣泛的空間，必然有助于嵌入式系統(tǒng)技術(shù)實現(xiàn)新的跨越式發(fā)展。

　　嵌入式系統(tǒng)課程本身作為一個新興的課程體系，得到了越來越多的學(xué)者的關(guān)注。然而，在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)快速發(fā)展的大背景下，嵌入式系統(tǒng)的課程體系應(yīng)該有所調(diào)整，以適應(yīng)時代的發(fā)展。如圖1所示，課程體系不僅包含傳感器、單片機(jī)等若干基礎(chǔ)課程，還包含了嵌入式系統(tǒng)的實踐開發(fā)環(huán)節(jié)，即面向物聯(lián)網(wǎng)的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用。限于篇幅，圖中僅以軟件應(yīng)用的分布式計算和硬件應(yīng)用中物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)計為例說明。

圖1  面向物聯(lián)網(wǎng)的嵌入式系統(tǒng)課程體系[!--empirenews.page--]

　　2  理論教學(xué)

　　嵌入式系統(tǒng)理論教學(xué)內(nèi)容主要圍繞ARM嵌入式微處理器、嵌入式操作系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用和前沿發(fā)展；教學(xué)目的是熟悉設(shè)計方法，掌握嵌入式系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)。理論教學(xué)一般不少于12學(xué)時，不多于總學(xué)時的一半。筆者一般控制在16學(xué)時左右，授課內(nèi)容主要包括：

　　◆  嵌入式系統(tǒng)概述；

　　◆  ARM內(nèi)核嵌入式微處理器；

　　◆  嵌入式實時操作系統(tǒng)及其移植；

　　◆  嵌入式系統(tǒng)交叉開發(fā)環(huán)境；

　　◆  物聯(lián)網(wǎng)與嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用。

　　3  面向物聯(lián)網(wǎng)的嵌入式系統(tǒng)實驗

　　3.1  層次化實驗設(shè)計

　　理論教學(xué)為實驗實踐環(huán)節(jié)提供了必要的知識基礎(chǔ)，而實驗和實踐環(huán)節(jié)則在鞏固理論基礎(chǔ)的同時，進(jìn)一步提高了動手能力，開發(fā)了創(chuàng)造潛能[7]。筆者選用周立功公司的MagicARM2210S嵌入式實驗開發(fā)平臺，除包含主流的各種串行接口和GPIO口外，還包含以太網(wǎng)接口、GPS（全球定位系統(tǒng)）模塊接口、CAN總線接口等。針對這些接口和物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用背景，筆者設(shè)計了3個層次的實驗，以滿足不同階段的實驗和實踐需求，如表1所列。實驗層次由淺入深，不同的實驗層次對應(yīng)不同的實驗項目，而且組織形式也不同?；A(chǔ)性實驗主要目的在于熟悉方法。而綜合性實驗和創(chuàng)新性實驗則多是以物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用為基礎(chǔ)的，在于提高能力。3個層次的實驗循序漸進(jìn)，逐步提高，為進(jìn)一步的實踐開發(fā)和畢業(yè)設(shè)計打下了良好的基礎(chǔ)。

表1  面向物聯(lián)網(wǎng)的嵌入式實驗層次化設(shè)計

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　　3.2  物聯(lián)網(wǎng)項目實踐環(huán)節(jié)

　　通過項目實踐來鍛煉和提高動手能力的重要性是毋庸置疑的[78]。2009年，我校啟動“物聯(lián)網(wǎng)在森林環(huán)境監(jiān)測和保護(hù)中的應(yīng)用”項目，筆者負(fù)責(zé)物聯(lián)網(wǎng)中間層的嵌入式網(wǎng)關(guān)設(shè)計，主要功能模塊如圖2所示。GPS模塊接口主要采集終端的經(jīng)度緯度信息，而無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊主要收集各終端傳感器發(fā)送的溫度、土壤濕度、日照等環(huán)境信息。這些終端信息通過ARM處理器打包成UDP數(shù)據(jù)包，通過以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)接口傳送給基站服務(wù)器。

圖2  物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)硬件框圖

　　筆者通過第二課堂，組織學(xué)有余力的同學(xué)成立興趣小組，將物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)分割成若干子題目，交由各興趣小組，模擬項目的形式實踐開發(fā)。比如，“GPS數(shù)據(jù)采集與處理”子課題，首先需要移植μC/OS操作系統(tǒng)，然后移植LwIP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，最后再以多任務(wù)的形式從GPS模塊接口讀取數(shù)據(jù)并打包成UDP數(shù)據(jù)包，發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)。這其中，需要興趣小組的成員合理分工，在實踐中學(xué)習(xí)合作。經(jīng)過筆者和興趣小組近一年的共同努力，嵌入式物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)成功地將布置在紫金山的終端傳感器數(shù)據(jù)傳送到基站網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器。物聯(lián)網(wǎng)一個終端的環(huán)境監(jiān)測信息如圖3所示。

圖3  物聯(lián)網(wǎng)終端數(shù)據(jù)

　　通過物聯(lián)網(wǎng)項目實踐的模式，拓展了學(xué)習(xí)內(nèi)容，并學(xué)以致用，進(jìn)一步提高了學(xué)習(xí)興趣培養(yǎng)了合作精神，還起到了“以點帶面”的效應(yīng)，切實拓展了知識面和動手能力。

　　此外，在畢業(yè)設(shè)計環(huán)節(jié)中，筆者每年都設(shè)計了3~4個面向物聯(lián)網(wǎng)的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計課題。經(jīng)過兩屆的實踐證明，選擇該類課題的畢業(yè)生知識面更廣，就業(yè)面更寬。

　　結(jié)語

　　筆者在ARM嵌入式系統(tǒng)課程的教學(xué)和實驗實踐過程中，基于物聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展背景，精簡理論教學(xué)內(nèi)容，并拓寬知識面，重點講解與實際工程項目--特別是物聯(lián)網(wǎng)--密切相關(guān)的設(shè)計內(nèi)容。實驗進(jìn)行層次化設(shè)計，內(nèi)容緊隨時代的發(fā)展，并在實踐環(huán)節(jié)，讓學(xué)生直接參與到前沿的課題和項目中去。真正做到：以精簡的理論夯實基礎(chǔ)，以前沿的知識激發(fā)興趣，以層次化的實踐提高效率，以務(wù)實的項目收獲本領(lǐng)。