物聯網體系建設中的Arduino應用教學研究

陳海 賀輝

摘 要：物聯網作為一個新經濟增長點的戰略新興產業，專業教學學科方向涉及傳感器、網絡通信、電子技術、控制以及云計算、大數據等多個交叉學科知識領域，文章針對應用型本科高等院校開展物聯網技術實踐教學，引入創新工具——Arduino，構建了包括基礎實驗、綜合實驗、項目創新實踐、科技競賽活動等多層次教學體系，增強學生學以致用的實踐能力與創新能力。

關鍵詞：物聯網；Arduino；課程體系；創新

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2017）05-0055-03

Abstract： IOT（Internet of Things）， as a key factor in the development of emerging economy， is based on many related technologies such as sensors， network communications， electronic technology and control， cloud computing and big data. Aiming at teaching practice of IOT in application-oriented universities， this article introduces an innovative tool， Arduino， and designs a multi——level teaching system， including basic experiments， comprehensive experiments， project practice with innovation， technical contest， which can greatly strengthen the students' practical ability and innovation ability.

Keywords： IOT （Internet of Things）； Arduino； curriculum system； innovation

一、概述

物聯網作為一個新經濟增長點的戰略新興產業，近年來一直得到國家相關部門的大力扶持，對推動新的產業結構轉型和升級具有重要意義。物聯網是當今互聯網的應用拓展和升級，中心是業務和應用，所以創新是物聯網發展的核心。

二、物聯網技術體系架構

狹義上的物聯網是指一個網絡，通過將物品和物品連接來實現物品的智能化識別和管理；廣義上的物聯網則可以看作是信息空間與物理空間的融合，人與物、物與物之間的相聯。一般來講，物聯網技術架構由感知層、網絡層及應用層三層組成。

感知層：是物聯網的基礎，它由各種傳感器構成。通常有RFID讀寫器、溫濕度傳感器、紅外線、標簽、GPS、攝像頭等各種感知終端。它是物聯網識別物體、采集信息的來源。

網絡層：它是整個物聯網的中樞，建立在現有的移動通信網和互聯網基礎上，由互聯網、廣電網、網絡管理系統、信息中心和云計算平臺等各種網絡構成，主要負責遠距離傳遞和處理感知層獲取的信息，是物聯網實現所有服務的基礎設施。物聯網中，以數據為中心的核心技術是依靠對網絡層的感知數據管理和處理技術來實現的。高速發展的云計算是加載海量感知數據的存儲和分析的重要平臺，顯然它是未來物聯網網絡層發展的重點推力。

應用層：發現服務和呈現服務是在這個層面完成的，它是物聯網技術和行業專業技術的交匯處，是行業用戶產業化應用的接口，通過應用層最終實現信息技術與行業的深度融合，為用戶提供豐富的特定服務。

物聯網應用的相關課程內容較為抽象，為了加強學生實踐能力的培養，結合云計算、大數據等新技術，引入開源硬件平臺Arduino，引導學生設計和開發創新性實驗項目。

三、Arduino技術簡介

隨著創客文化的全球流行，其中又以Arduino為代表的開源硬件發展最為迅猛，開源硬件是指如同開放源碼一樣的方式開放電子硬件制造方法。而隨著Arduino的深入推進，形成了當下的開源文化，即自由、分享、創新。

信息技術專業的大學生修習過單片機技術，但本身比較枯燥，學生掌握起來較難，興趣度不高。而Arduino具有較強的易用性，加上價格便宜，多樣的擴展性和開放性，加上學生已有c /c++的語法基礎，只要學生稍微查閱幫助文檔，就可借助于Arduino硬件快速搭建系統，成功運行第一個簡單的程序，從而激發了學習興趣。

Arduino開發過程是：系統搭建——硬件平臺實現——軟件設計——下載到控制板-修改和調試。Arduino開發板設計得非常簡潔，一塊AVR單片機、一個晶振或振蕩器和一個5V的直流電源。常見的開發板通過一條USB數據線連接計算機。Arduino有各式各樣的開發板，其中最通用的是Arduino UNO。另外，還有很多小型的、微型的、基于藍牙和Wi-Fi的變種開發板。還有一款新增的開發板叫做Arduino Mega 2560，它提供了更多的I/O引腳和更大的存儲空間，并且啟動更加迅速。以Arduino UNO為例，ATmega 328是Arduino UNO的處理器核心，它具有6路模擬輸入，同時還有14路Input/Output，一個16MHz的晶體振蕩器，一個USB口，一個電源插座，一個ICSP header和一個復位按鈕。因為Arduino UNO開發板的基礎構成在一個表里顯示不下，所以這里特意設計了兩個表來展示，如下表所示。

與Arduino相關的硬件除了核心開發板外，各種擴展板也是重要的組成部分。Arduino開發板設計的可以安裝擴展板，即盾板進行擴展。它們是一些電路板，包含其他的元件，如網絡模塊、GPRS模塊、語音模塊等。開發板兩側可以插其他引腳的地方就是可以用于安裝其他擴展板的地方。它被設計為類似積木、通過一層層的疊加而實現各種各樣的擴展功能。

正是由于Arduino的可擴展性，其作為技術手段可有效促進物聯網理論聯系實際的實踐性教學。這也正好吻合國家所提倡的萬眾創新的精髓，能夠讓大學生學以致用，隨意創新動手組合實現自己的創意。

四、教學實踐體系建設

本課程作為電子信息科學與技術專業的實踐性課程，主要通過學習和實踐基于Arduino和Android的智能手機結合，利用無線傳感網絡、internet實現智能控制的大量案例，根據學生的興趣，借助以上平臺，通過設計和開發一款智能家居應用相關的產品，鼓勵學生在參與和學習一系列物聯網智能控制案例的過程中創新，進而提高綜合運用所學知識解決實際問題的能力，了解和熟悉物聯網智能產品設計的流程和調試的方法，為畢業設計和以后從事相關開發工作打下必要的實踐基礎。

設計Arduino的學習主要強化動手體驗，因此Arduino的學習內容不但綜合了之前學習的很多理論課內容，包括電子電路、單片機原理、圖形化編程、代碼編程等，而且因為良好的擴展性使處在不同認知層次的同學都可以研究、學習，得到收獲，從而全方位提示自己能力。

遵循由簡單到復雜、由驗證型實驗到設計型創新實驗可以構建出一套基于Arduino的物聯網技術實驗體系。它不僅包括單一的實驗內容，還有綜合實踐；不僅有課內實驗，也有實踐與課外科技，競賽活動相結合。對應的實踐教學體系分三 個層次： 基礎性實驗、綜合性實驗和項目綜合實踐。比如項目綜合實踐有：智能家居安防報警系統案例，藍牙自走車，RFID 智能門鎖，智能澆灌系統等。根據自己的興趣找到創新點，組成小組，設計和完成一個智能家居方面的實踐項目。

本課程包括個人作業與小組作業兩類實踐環節，其中小組作業要求學生采用“項目小組”的形式，結合具體的開發項目進行設計。學生在完成基本實驗之后，通過二次創新完成的作品參加最后的綜合測評。并且評優的團隊之間接著展開自評和公開展示，通過創新心得和設計過程的分享和總結來鼓勵團隊協作能力的培養。Arduino上百種擴展模塊就是實現學生創新的良好平臺。這種模式使教學實踐團隊協作和隊長的領導協調能力都得到充分的鍛煉和提高。

在此基礎上，我們構建了融知識、技能與創新能力培養為一體，構建了三結合、分層次、多模塊、漸近式的綜合性實踐教學體系，如圖2所示。

以“Ardunio物聯網影音娛樂系統”綜合實踐項目為例說明。該項目利用先進的物聯網、嵌入式系統和網絡通訊技術，實現用戶身份的精準識別，結合當下逐漸普及的智能影音娛樂系統，打造高品質的居家生活方式，提升生活品質，提升了家居的便利性、舒適性、藝術性。該項目在嵌入式產品中是一個創新型的應用，國內外IT 巨頭也在緊鑼密鼓的研發該類產品。我們聯合相關產品開發企業，由企業提前開放部分該解決方案，共同指導學生，致力于提升學生的創新能力。

本項目采用google Nest恒溫器技術解決方案，通過對Linux 系統設備控制的靈活運用，結合wifi無線網絡技術實現居家用戶的精準身份識別，并利用嵌入式系統的強大的UI平臺優勢，ardunio開放平臺良好的擴展性，完成智慧居家生活中的影音娛樂，游戲休閑等功能，提高生活品質。這個軟硬件結合，具有挑戰性的實際項目激發廣大同學的創新熱情，紛紛提出各自的解決方案，打造個性化的智慧影音娛樂系統。對課程的實踐項目進行了精心的設計，由若干看似獨立的ardunio應用項目組成，經過基礎到進階，最后不同組別的項目整合實現“Ardunio智能家居系統”。列表如下所示。

課程建設得到同學積極配合，踴躍參加學生科技項目和競賽活動。比如同學作品參加廣東省“挑戰杯”大學生創新比賽獲獎，申請到若干項國家級、省級“創新實踐項目”支持，還有同學作品組織申報著作權和專利。

五、MOOC教學手段的運用

改變由傳統的老師演示和學生完成練習和驗證的模式，效率低而且沒有發展同學的探索能力。通過設計，提出一系列實踐難點分解的MOOC視頻（5分鐘以內）要求，由同學自主探索成功后完成上傳分享；Arduino平臺的使用難點技巧和擴展使用得到很好細分和演示，滿足不同層次同學的需求，提升同學的學習的自信心和興趣。每位同學的參與使得他們成為課堂的主人，實現個性化的學習，老師引導和解惑來推進教學。

微視頻必須包括四個層面的內容，首先是Arduino的基礎概要，其次是Arduino實驗使用技巧演示，再次是Arduino平臺擴展系統的視頻，最后是Arduino深入使用案例說明。

六、結束語

作為新興的產業和專業，物聯網在探索中前進。如何通過實踐教學來培養同學的創新能力是個挑戰。因此，通過Arduino這個優質平臺構建三層次實踐綜合運用基礎性實驗、綜合性實驗、專項綜合實踐、學生科技、競賽活動的訓練，大大增強了實踐能力與創新能力。該實踐體系還能夠為計算機，自動化等相關專業學生提供更為專業的網絡實驗平臺。

參考文獻

[1]中華人民共和國工業和信息化部.物聯網“十二五”發展規劃[Z].2012.

[2]教育部高等學校計算機科學與技術專業教學指導委員會.高等學校物聯網工程專業實踐教學體系與規范[M].北京：機械工業出版社，2011.

[3]劉佳，劉柏全，宋鐵成，等.一種物聯網教學實驗系統的設計與實現[J].電氣電子教學學報，2010，32（6）：89-92.

[4]沈蘇彬，范曲立，宗平，等.物聯網的體系結構與相關技術研究[J].南京郵電大學學報，2009，29（6）：1-11.