面向物聯(lián)網(wǎng)的“嵌入式系統(tǒng)”實(shí)驗(yàn)改革探索

孫鈺，許福，張海燕，李巨虎，陳志泊

（北京林業(yè)大學(xué)信息學(xué)院，北京100083）

0 引言

物聯(lián)網(wǎng)是我國“十三五”規(guī)劃的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，其專業(yè)人才的培養(yǎng)已成為當(dāng)務(wù)之急[1]。目前面向物聯(lián)網(wǎng)的教學(xué)還處在探索階段，國內(nèi)外并沒有一個(gè)成熟的培養(yǎng)模式和課程體系[2]。“嵌入式系統(tǒng)”是物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的一門專業(yè)核心課，是“操作系統(tǒng)”“計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)”“數(shù)字電路”等專業(yè)基礎(chǔ)課的后續(xù)課程，同時(shí)又是“無線網(wǎng)絡(luò)”“物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用”“物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)實(shí)踐”等多門主要專業(yè)課的先修課程。因此，它在整個(gè)教學(xué)體系中起著承前啟后的重要作用，課程本身及實(shí)驗(yàn)應(yīng)有較高的應(yīng)用性、前沿性和綜合性。

教育部高等學(xué)校計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的指導(dǎo)思想是重點(diǎn)進(jìn)行應(yīng)用型、工程型人才的培養(yǎng)[3]。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)專業(yè)的設(shè)置需要綜合考慮相關(guān)交叉學(xué)科的特點(diǎn)，注重課程體系的交叉融合[4]。

1 “嵌入式系統(tǒng)”實(shí)驗(yàn)中存在的問題

“嵌入式系統(tǒng)”實(shí)踐性強(qiáng)，要求學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中操作硬件，驗(yàn)證嵌入式理論。現(xiàn)階段主要沿用計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容[5-6]，應(yīng)用到物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)時(shí)存在以下不足之處：

（1）實(shí)驗(yàn)箱的硬件遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于目前的主流嵌入式平臺(tái)。目前，機(jī)房的試驗(yàn)箱型號(hào)為UPNETARM2410-S，其處理器屬于ARM9系列，為2008年的主流配置，現(xiàn)已停產(chǎn)。然而，隨著智能手機(jī)的興起，嵌入式系統(tǒng)獲得了超過摩爾定律的發(fā)展速度。目前智能機(jī)的市場(chǎng)占有率已超過90%。即使低端的Android智能手機(jī)（ARM Cortex-A設(shè)備），其嵌入式硬件水平也比試驗(yàn)箱先進(jìn)數(shù)倍，有強(qiáng)大的多媒體功能及友好的人機(jī)界面，普遍作為物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用層設(shè)備。學(xué)生在“移動(dòng)開發(fā)”課程中已經(jīng)接觸過先進(jìn)的嵌入式設(shè)備（Android智能機(jī)），而在后續(xù)的“嵌入式系統(tǒng)”卻只能使用老舊的ARM9設(shè)備，導(dǎo)致學(xué)習(xí)積極性低下。

（2）實(shí)驗(yàn)未按照物聯(lián)網(wǎng)三層結(jié)構(gòu)劃分模塊，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)練習(xí)的技術(shù)路線單一，學(xué)生間缺乏分工合作，并只能以個(gè)人為單位完成。目前試驗(yàn)箱僅支持嵌入式Linux操作系統(tǒng)，不支持新出現(xiàn)的Android移動(dòng)操作系統(tǒng)。在嵌入式Linux下，開發(fā)語言也局限于C和C++，不能使用Java及Python等現(xiàn)代語言。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中，僅能練習(xí)Linux系統(tǒng)的C/C++編程。另外，軟件未根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)的三層架構(gòu)進(jìn)行模塊化分割，學(xué)生無法以合作的方式完成實(shí)驗(yàn)，更無相應(yīng)的考核機(jī)制。

（3）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與“移動(dòng)開發(fā)”“智能家居”“物聯(lián)網(wǎng)導(dǎo)論”等新課程缺乏聯(lián)系，綜合性不足。“嵌入式系統(tǒng)”是一門傳統(tǒng)課程，早期的嵌入式以工控為主，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容也以工控為主。隨著成本的下降和物聯(lián)網(wǎng)的普及，嵌入式已成為消費(fèi)電子領(lǐng)域的主流技術(shù)，而該課程的實(shí)驗(yàn)還不能體現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)在“互聯(lián)網(wǎng)+”時(shí)代的最新應(yīng)用，內(nèi)容缺乏綜合性與創(chuàng)新性。

2 教學(xué)內(nèi)容的改革

2.1 試驗(yàn)箱的智能化升級(jí)與改造研究

強(qiáng)化試驗(yàn)箱的底層控制功能，標(biāo)準(zhǔn)化其對(duì)外接口，保留大部分原有硬件。機(jī)房試驗(yàn)箱的處理器屬于ARM9系列，ARM公司將其定位為微控制器，適用于物聯(lián)網(wǎng)底層的控制及傳感。盡管ARM9的多媒體功能已經(jīng)非常落伍，但仍具有很強(qiáng)的底層控制功能，借助其豐富的IO管腳，操作試驗(yàn)箱的步進(jìn)馬達(dá)、ADC、DAC、LED及蜂鳴器等硬件。在試驗(yàn)箱的智能化升級(jí)與改造中，將弱化多媒體播放，剔除試驗(yàn)箱的多媒體實(shí)驗(yàn)（MP3播放、視頻播放等），增加控制及傳感的內(nèi)容，并提供符合物聯(lián)網(wǎng)規(guī)范的接口，供上層調(diào)用。

為試驗(yàn)箱升級(jí)Wi-Fi、藍(lán)牙及3G等無線模塊，滿足物聯(lián)網(wǎng)對(duì)無線組網(wǎng)的需求。無線組網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)的大勢(shì)所趨，也是學(xué)生參與競(jìng)賽及招聘的熱點(diǎn)問題。而試驗(yàn)箱的網(wǎng)絡(luò)仍以有線網(wǎng)絡(luò)為主，以落后的紅外及2G無線網(wǎng)絡(luò)為輔，難以滿足現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)對(duì)無線組網(wǎng)的需求。本項(xiàng)目將采購先進(jìn)的Wi-Fi，藍(lán)牙4.0及3G模塊，通過試驗(yàn)箱已有的串口或USB接口連接新的無線模塊，實(shí)現(xiàn)平滑升級(jí)。

整合Android智能手機(jī)，作為試驗(yàn)箱的人機(jī)界面與控制中心。目前智能機(jī)的市場(chǎng)占有率已超過90%。即使低端的Android智能手機(jī)，其硬件水平也比試驗(yàn)箱先進(jìn)數(shù)倍。運(yùn)行Android的嵌入式系統(tǒng)有強(qiáng)大的多媒體功能及友好的人機(jī)界面，普遍作為物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用層設(shè)備。學(xué)生在先修課程“移動(dòng)開發(fā)”中，已經(jīng)掌握了在Android設(shè)備上進(jìn)行軟件開發(fā)的技能。本項(xiàng)目擬采購少量千元級(jí)別的國產(chǎn)Android手機(jī)，同時(shí)發(fā)揮學(xué)生已有Android手機(jī)的作用，借助無線組網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)Android手機(jī)對(duì)試驗(yàn)箱硬件的遠(yuǎn)程物聯(lián)網(wǎng)化操作。

2.2 物聯(lián)網(wǎng)化的分工協(xié)作及考核機(jī)制研究

將試驗(yàn)箱定位于感知層、Android智能機(jī)定位于應(yīng)用層，兩層保持獨(dú)立性。根據(jù)試驗(yàn)箱及Android手機(jī)中嵌入式處理器的等級(jí)，將二者分配至物聯(lián)網(wǎng)合適的位置，發(fā)揮各自所長。ARM公司將ARM9處理器定位為微控制器。因此，基于ARM9的UP-NETARM2410-S試驗(yàn)箱型號(hào)適用于物聯(lián)網(wǎng)感知層的控制及傳感。運(yùn)行Android的嵌入式系統(tǒng)有強(qiáng)大的多媒體功能及友好的人機(jī)界面，普遍作為物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用層設(shè)備。

新增的無線模塊定位于物聯(lián)網(wǎng)傳輸層，通過標(biāo)準(zhǔn)接口耦合感知層與應(yīng)用層。新增的Wi-Fi、藍(lán)牙及3G等無線模塊作為物聯(lián)網(wǎng)傳輸層設(shè)備，連接原有的試驗(yàn)箱和新增的Android智能機(jī)。試驗(yàn)箱通過標(biāo)準(zhǔn)物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議向Android手機(jī)提供控制箱內(nèi)硬件的接口，在保持感知層和應(yīng)用層松耦合的前提下，完成無線的可感、可傳及可控。

設(shè)計(jì)新的實(shí)驗(yàn)考核機(jī)制，即根據(jù)各層及總體的完成度科學(xué)評(píng)價(jià)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)成績。新實(shí)驗(yàn)題目的各模塊分別對(duì)應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)的感知層、傳輸層和應(yīng)用層，需要3名學(xué)生分工協(xié)作，實(shí)現(xiàn)各層的功能，并向外提供接口，最終完成物聯(lián)網(wǎng)整體的聯(lián)通。在考核時(shí)，既要考核本人分工內(nèi)的完成度，也要考察其在總體中的工作量，合理分配各模塊與總體的權(quán)重，科學(xué)衡量學(xué)生的嵌入式實(shí)踐能力。

2.3 綜合前沿課程及“互聯(lián)網(wǎng)+”創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)驗(yàn)題目研究

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容整合移動(dòng)開發(fā)和Android系統(tǒng)等多項(xiàng)新技術(shù)，增強(qiáng)綜合性。盡管試驗(yàn)箱僅支持嵌入式Linux操作系統(tǒng)，不支持新出現(xiàn)的Android移動(dòng)操作系統(tǒng)。但通過無線模塊整合Android智能機(jī)后，學(xué)生可在試驗(yàn)中使用Java等現(xiàn)代語言實(shí)踐移動(dòng)開發(fā)技術(shù)。與“移動(dòng)開發(fā)”課程不同的是，本課程的實(shí)驗(yàn)側(cè)重于Android智能機(jī)對(duì)傳統(tǒng)硬件的控制，而非純粹的軟件開發(fā)。通過整合移動(dòng)開發(fā)和Android系統(tǒng)等多項(xiàng)新技術(shù)，極大提高了實(shí)驗(yàn)的綜合性，更好地鍛煉學(xué)生的軟硬件開發(fā)能力。

實(shí)驗(yàn)選題圍繞“互聯(lián)網(wǎng)+”在智能家居、智慧林業(yè)的應(yīng)用展開。“互聯(lián)網(wǎng)+”已廣泛應(yīng)用于智能家居、水土保持、物流倉儲(chǔ)等行業(yè)。嵌入式設(shè)備在物聯(lián)網(wǎng)中處于主導(dǎo)地位。實(shí)驗(yàn)的選題不僅僅是簡單地遠(yuǎn)程操作步進(jìn)馬達(dá)、讀取傳感器數(shù)據(jù)等，而是有具體的應(yīng)用場(chǎng)景，以智能家居為例，根據(jù)Android手機(jī)無線讀取光線及溫度傳感器的數(shù)據(jù)，綜合用戶的生活習(xí)慣，智能決策試驗(yàn)箱控制窗簾馬達(dá)的啟停，營造舒適的家居環(huán)境。情景化選題使學(xué)生明確學(xué)習(xí)的目的，提高了學(xué)習(xí)積極性。

鼓勵(lì)學(xué)生設(shè)計(jì)新的嵌入式應(yīng)用場(chǎng)景，升級(jí)軟件功能，鼓勵(lì)學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)。物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用日新月異，融入生產(chǎn)生活的方方面面。實(shí)驗(yàn)中，鼓勵(lì)學(xué)生在已有硬件的基礎(chǔ)上，根據(jù)自己的學(xué)習(xí)心得和生活實(shí)踐，設(shè)計(jì)新的應(yīng)用場(chǎng)景，升級(jí)軟件部分，特別是Android手機(jī)的APP。在保持底層硬件不變及接口穩(wěn)定的前提下，通過軟件升級(jí)，適配新的應(yīng)用場(chǎng)景，使實(shí)驗(yàn)中的小型物聯(lián)網(wǎng)更智能，并在考核中科學(xué)評(píng)價(jià)其創(chuàng)新性。

3 研究方法

（1）加強(qiáng)該課程與先修課和后續(xù)課的溝通與交流，總結(jié)其在教學(xué)方法、考試模式等方面的經(jīng)驗(yàn)和不足；向兄弟院校的相關(guān)專業(yè)進(jìn)行廣泛調(diào)研，借鑒其方法和手段；獲取本專業(yè)學(xué)生的反饋信息，了解其他專業(yè)對(duì)課程的需求情況。進(jìn)行課程優(yōu)化，處理理論授課與實(shí)踐授課之間的關(guān)系。

（2）選取和搜集物聯(lián)網(wǎng)在實(shí)際生產(chǎn)中的典型案例，提煉案例中的知識(shí)點(diǎn)，使其具有整體性、連貫性和實(shí)用性。隨著實(shí)驗(yàn)的推進(jìn)，學(xué)生可以將案例完整地實(shí)現(xiàn)出來，能有效地將所學(xué)知識(shí)點(diǎn)融會(huì)貫通，增強(qiáng)自信心、提高學(xué)習(xí)的動(dòng)力。

（3）教研結(jié)合，注重引導(dǎo)。通過鼓勵(lì)學(xué)生參加各級(jí)計(jì)算機(jī)競(jìng)賽、申請(qǐng)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目、參加教師的科研項(xiàng)目等形式，促進(jìn)學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新性思維的培養(yǎng)，提高學(xué)生的應(yīng)用能力。在實(shí)際應(yīng)用中檢驗(yàn)教師的教學(xué)效果和學(xué)生的學(xué)習(xí)成果，實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐的有效結(jié)合。

（4）在整個(gè)課程改革中，提出穩(wěn)固基礎(chǔ)知識(shí)、提高編程能力、開拓知識(shí)層面、倡導(dǎo)實(shí)踐應(yīng)用的計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)人才程序設(shè)計(jì)能力的培養(yǎng)模式，培養(yǎng)出適應(yīng)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展需要的、本領(lǐng)過硬的物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)人才。

4 結(jié)語

實(shí)踐證明，對(duì)“嵌入式系統(tǒng)”實(shí)驗(yàn)的三項(xiàng)改革，加強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)的綜合性、設(shè)計(jì)性和創(chuàng)新性，解決了“嵌入式系統(tǒng)”課程基礎(chǔ)知識(shí)與“互聯(lián)網(wǎng)+”前沿技術(shù)的脫節(jié)問題，有利于培養(yǎng)具備嵌入式軟硬件設(shè)計(jì)能力的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才。未來的改革中，我們將進(jìn)一步強(qiáng)化新興硬件的引入，及時(shí)將“互聯(lián)網(wǎng)+”創(chuàng)新成果引入課堂。

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