基于物联网驱动的嵌入式系统教学改革

    为了适应后PC时代人才培养的要求，越来越多的高校开设了嵌入式系统相关课程。就不同的行业背景和应用背景，众多高校同仁在如何改进实验设计和实践环节等，提出了诸多有益的教学方法和实验教学理念。而且，随着信息技术的发展，嵌入式系统教学过程中的诸多环节，仍然需要进一步的探索和改进。特别是近年来，物联网技术的飞速发展，给嵌入式系统的应用和发展提供了更广泛的空间，同时，也为嵌入式系统的教学和实践内容注入了新鲜血液。然而，物联网技术在给嵌入式系统带来新机遇的同时，也带来了新的挑战。在嵌入式系统教学--特别是实验教学过程中--如何应对这种挑战，改进实验内容和教学方法，适应时代对人才培养的要求，值得我们认真思考。笔者在总结嵌入式教学经验的基础上，针对目前物联网技术的发展和应用，在面向物联网的嵌入式系统课程体系建设、理论教学、实验教学、第二课堂和毕业设计等环节作出了初步探索，以期抛砖引玉。

　　1  物联网与嵌入式系统课程体系

　　物联网（Internet of things, IOT）的概念是在1999年提出的，根据2005年国际电信联盟（ITU）的定义[4]，物联网主要解决物到物（Thing to Thing, T2T）、人到物（Human to Thing, H2T）、人到人（Human to Human, H2H）之间的互联。这一高度交叉的新兴前沿领域在国际上备受关注，美国IBM公司基于物联网提出“智慧的地球”概念；中国科学院早在物联网概念诞生之初就启动了传感网研究，2009年，无锡物联网产业研究院成立，***考察时提出“感知中国”的概念。

　　尽管目前从技术角度对物联网还没有确切的定义，但公认的说法是，它融合了四大关键技术：传感器技术、嵌入式系统技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术[56]。由此可见，嵌入式系统在物联网技术中扮演着至关重要的角色。而且，嵌入式系统与物联网这两者具有相辅相成的关系：嵌入式系统技术为物联网的发展提供必要的技术支撑，促进物联网的工程应用，提升物联网的产业规模；而物联网的发展为嵌入式系统技术的发展提供了新的应用领域，为嵌入式系统的应用提供了更广泛的空间，必然有助于嵌入式系统技术实现新的跨越式发展。

　　嵌入式系统课程本身作为一个新兴的课程体系，得到了越来越多的学者的关注。然而，在物联网技术快速发展的大背景下，嵌入式系统的课程体系应该有所调整，以适应时代的发展。如图1所示，课程体系不仅包含传感器、单片机等若干基础课程，还包含了嵌入式系统的实践开发环节，即面向物联网的嵌入式系统开发与应用。限于篇幅，图中仅以软件应用的分布式计算和硬件应用中物联网网关设计为例说明。

图1  面向物联网的嵌入式系统课程体系[!--empirenews.page--]

　　2  理论教学

　　嵌入式系统理论教学内容主要围绕ARM嵌入式微处理器、嵌入式操作系统和嵌入式系统的应用和前沿发展；教学目的是熟悉设计方法，掌握嵌入式系统开发技术。理论教学一般不少于12学时，不多于总学时的一半。笔者一般控制在16学时左右，授课内容主要包括：

　　◆  嵌入式系统概述；

　　◆  ARM内核嵌入式微处理器；

　　◆  嵌入式实时操作系统及其移植；

　　◆  嵌入式系统交叉开发环境；

　　◆  物联网与嵌入式系统的应用。

　　3  面向物联网的嵌入式系统实验

　　3.1  层次化实验设计

　　理论教学为实验实践环节提供了必要的知识基础，而实验和实践环节则在巩固理论基础的同时，进一步提高了动手能力，开发了创造潜能[7]。笔者选用周立功公司的MagicARM2210S嵌入式实验开发平台，除包含主流的各种串行接口和GPIO口外，还包含以太网接口、GPS（全球定位系统）模块接口、CAN总线接口等。针对这些接口和物联网的应用背景，笔者设计了3个层次的实验，以满足不同阶段的实验和实践需求，如表1所列。实验层次由浅入深，不同的实验层次对应不同的实验项目，而且组织形式也不同。基础性实验主要目的在于熟悉方法。而综合性实验和创新性实验则多是以物联网的应用为基础的，在于提高能力。3个层次的实验循序渐进，逐步提高，为进一步的实践开发和毕业设计打下了良好的基础。

表1  面向物联网的嵌入式实验层次化设计

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　　3.2  物联网项目实践环节

　　通过项目实践来锻炼和提高动手能力的重要性是毋庸置疑的[78]。2009年，我校启动“物联网在森林环境监测和保护中的应用”项目，笔者负责物联网中间层的嵌入式网关设计，主要功能模块如图2所示。GPS模块接口主要采集终端的经度纬度信息，而无线数据收发模块主要收集各终端传感器发送的温度、土壤湿度、日照等环境信息。这些终端信息通过ARM处理器打包成UDP数据包，通过以太网网络接口传送给基站服务器。

图2  物联网网关硬件框图

　　笔者通过第二课堂，组织学有余力的同学成立兴趣小组，将物联网网关分割成若干子题目，交由各兴趣小组，模拟项目的形式实践开发。比如，“GPS数据采集与处理”子课题，首先需要移植μC/OS操作系统，然后移植LwIP网络协议栈，最后再以多任务的形式从GPS模块接口读取数据并打包成UDP数据包，发送到网络。这其中，需要兴趣小组的成员合理分工，在实践中学习合作。经过笔者和兴趣小组近一年的共同努力，嵌入式物联网网关成功地将布置在紫金山的终端传感器数据传送到基站网络服务器。物联网一个终端的环境监测信息如图3所示。

图3  物联网终端数据

　　通过物联网项目实践的模式，拓展了学习内容，并学以致用，进一步提高了学习兴趣培养了合作精神，还起到了“以点带面”的效应，切实拓展了知识面和动手能力。

　　此外，在毕业设计环节中，笔者每年都设计了3~4个面向物联网的嵌入式系统设计课题。经过两届的实践证明，选择该类课题的毕业生知识面更广，就业面更宽。

　　结语

　　笔者在ARM嵌入式系统课程的教学和实验实践过程中，基于物联网的飞速发展背景，精简理论教学内容，并拓宽知识面，重点讲解与实际工程项目--特别是物联网--密切相关的设计内容。实验进行层次化设计，内容紧随时代的发展，并在实践环节，让学生直接参与到前沿的课题和项目中去。真正做到：以精简的理论夯实基础，以前沿的知识激发兴趣，以层次化的实践提高效率，以务实的项目收获本领。