新工科背景下物聯網專業嵌入式系統實驗教學改革與實踐

劉 晨， 鄧慶緒， 陳郭成， 鮑玉斌

（東北大學計算機科學與工程學院，沈陽 110819）

0 引言

物聯網工程專業是東北大學針對國家戰略性新興產業需求，于2011年全國第一批全新開設的信息技術類專業。其專業課程涵蓋多個領域，在注重理論知識體系架構的同時，著力加強學生工程實踐能力的培養［1-5］。“嵌入式系統實驗”是物聯網工程專業的核心課程之一，現行的教學內容難度較低、實驗中缺乏層次和貫通，難以適應工程實際的快速發展［6-8］。

《新工科研究與實踐項目指南》中明確指出，要以問題為導向，驅動學生運用計算思維解決復雜工程問題，推進信息技術與工程教育深度融合，創新“互聯網+”環境下工程教育教學方法［9-12］。依據《指南》要求和課程實際，我校計算機國家級實驗教學示范中心基于典型物聯網架構，結合ZigBee 無線通信技術和云平臺設計了系列教學實驗，強化學生對于嵌入式系統的理解，提升學生動手實踐能力。本文將對實驗教學的設計思路和實現過程進行具體闡述。

1 教學平臺

課程采用武漢中智訊科技有限公司的xLab 未來實驗平臺，平臺核心芯片是美國德州儀器（TI）公司生產的系統級芯片CC2530，它是一款工業標準增強型8051MCU，帶有系統內可編程的閃存，適用于在實驗中學生對于芯片中的程序擦除與改寫［13］。同時，CC2530 自帶ZigBee 無線收發功能，便于開展節點間無線通信實驗，幫助學生掌握無線收發原理，理解信號傳輸過程［14-15］。實驗中還會用到光敏傳感器、步進電動機等器件，用于信號的采集與反饋。

編程部分使用的軟件是IAR 公司的IAR Embedded Workbench for 8051，該軟件是帶有C／C ++編譯器和調試器的集成開發環境，支持對CC2530 的開發，適用于有一定編程基礎的學生進行單片機硬件開發及調試［16］。在不同難度的實驗教學中，還會用到串口調試助手、無線匯集節點、智云圖形化組態軟件等輔助軟件。

2 實驗教學實施過程

本文設計的嵌入式系統系列實驗以智慧農業系統為背景，指導學生逐步完成其中智能光照部分的搭建。實驗教學內容包括：基于光敏傳感器的光強檢測實驗、基于ZigBee通信的光強檢測-電動機控制實驗、基于物聯網架構的智能光照系統設計實驗。通過實驗難度的逐步提升，滿足不同層次學生的個性化學習需求，提升學生動手實踐能力和解決復雜工程問題的水平。

2.1 基于光敏傳感器的光強檢測實驗

本實驗利用CC2530 和光敏傳感器，指導學生設計光照度檢測系統，使學生初步掌握IAR 開發環境的使用方法和CC2530 芯片的工作過程。實驗要求能自動連續讀取光敏傳感器采集的光照強度測量值，通過串口傳輸至上位機設備顯示。實驗過程中，將CC2530連接光敏傳感器后通過串口與上位機連接，使用IAR開發環境編寫撰寫光照度采集及串口打印輸出程序，如圖1 所示。在程序編寫階段要求學生完成主函數的編寫，初始化函數直接進行調用。調試無誤后將程序下載至CC2530 中，打開串口調試助手開啟串口功能，在串口調試助手中觀察光照值的變化，如圖2 所示。

圖1 光照強度打印程序

圖2 實驗結果

2.2 基于ZigBee通信的光強檢測-電動機控制實驗

一個典型的智能溫室不僅需要實時獲取光照強度，還需要根據不同光照條件，動態調整遮光簾的位置。實驗中，以搭建的光照強度采集系統為傳感器端，進行信號發送，以配有CC2530 芯片的步進電動機作為執行器端，進行信號接收。利用芯片自帶的ZigBee無線通信功能，將光照強度值實時發送，從而使步進電動機執行正轉、反轉和靜止操作，模擬遮光簾的位置調整。器件工作示意圖如圖3 所示。

圖3 器件工作示意圖

實驗中，學生利用發送函數rfSendData（）和接收函數rfRecvData（）實現芯片間的通信，根據接收到的pRxData［］數組判斷并控制電機工作狀態，代碼如圖4所示。實驗設計以芯片間點對點通信方式，實現信號的實時傳輸和反饋，旨在使學生掌握ZigBee 點對點通信的信號收發程序設計方法和芯片數據輸出過程。

圖4 發送端和接收端程序

2.3 基于物聯網架構的智能光照系統設計實驗

綜合前面的實驗內容，增加云平臺和組態化系統界面，構建一個基于典型物聯網“端-管-云”架構的智能光照系統。

（1）系統總體設計。系統主要分為前端和后端2部分，其中前端主要用來實現系統展示及控制，后端包括云服務器、傳感器端和執行器端，完成數據交互和請求發送等功能，系統結構見圖5。同時，在傳感器和執行器端預留接口，支持學生進行實驗拓展，完成二次開發。

圖5 系統結構圖

（2）云服務器端設計。傳感器端采集信號完成后，利用無線匯集節點將具備ZigBee 無線通信協議的數據接入到上位機并轉發到云服務器中，執行器端也可通過無線匯集節點接收云端的指令，成功接入后可在網絡拓撲結構圖中顯示相應設備并傳輸實時數據，如圖6 所示。該過程旨在讓學生理解信號從終端節點傳輸到云端的實現過程。

圖6 網絡拓樸圖

（3）組態化系統界面設計。通過智云圖形化組態軟件進行系統界面設計，實現數據可視化，完成一個完整智能光照系統的搭建，提高學生嵌入式系統開發能力。學生通過界面設計、控件設置和MAC地址通道映射等操作完成實驗。系統開啟后可觀察到儀表盤數值隨光照強度值變化而改變，除根據光照強度自動控制步進電動機動作外，用戶還可通過開關手動停止步進電動機轉動，系統界面如圖7 所示。

圖7 組態化系統界面

3 教學效果

3.1 激發學習興趣

隨著物聯網與人工智能技術的不斷發展，以嵌入式設備為基礎的智能系統已經在生產生活中獲得應用。在實驗教學中針對現實應用場景的系統開發，更容易激發學生的學習興趣。利用光照度監測系統的搭建，讓學生完成教學軟、硬件初識；通過步進電動機實時控制實驗，增強學生對于ZigBee 無線通信傳輸知識的掌握，強化編程水平；最終完成光照度智能監測系統的設計，掌握小型嵌入式系統設計方法，提升動手實踐能力。

3.2 加深嵌入式系統理解

嵌入式系統是物聯網重要的技術組成，深入理解嵌入式系統的相關理論與方法，是學好物聯網專業課的前提。課程設計的系列實驗，通過代碼的編寫和硬件的連接，展現嵌入式系統設計和通信的全過程，將抽象的概念具象化，幫助學生理解與掌握，為后續物聯網系統開發、解決復雜工程問題奠定基礎。

3.3 培養創新精神

新工科建設指南要求培養具有科學的思維方法和創新意識，能夠提出創新性的方法并用于解決實際問題的創新型人才。實驗在系統設計過程中預留了豐富的拓展接口，鼓勵有能力的學生深入探索，豐富傳感器和執行部件類型，對實驗項目進行完善與提升，培養學生的創新精神。

4 結語

結合新工科人才培養的要求，對嵌入式系統設計實驗教學進行改革，設計了一系列由淺入深、功能不斷完善的實驗。將物聯網典型的“端-管-云”架構引入實驗教學，以智慧農業為背景物聯網工程實際為導向設計實驗內容，學生通過參與嵌入式系統設計的全過程，體會嵌入式系統的復雜度和重要性，提升實踐能力和系統設計能力。實驗還可通過改變傳感器和執行器類型，改變實驗結果呈現形式，克服傳統教學實驗形式單一問題，提高學生參與實驗教學的積極性。

·名人名言·

我以為人們在每一時期都可以過有趣而有用的生活。我們應該不虛度一生，應該能夠說，“我們已經作了我能作的事”，人們只能要求我們如此，而且只有這樣我們才能有一點快樂。

——居里夫人