自制設(shè)備在軟件學(xué)院實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的探索與實(shí)踐

王春英　張宏國　楊慧晶

摘要：高校作為教學(xué)的主要陣地，實(shí)驗(yàn)教學(xué)在整個(gè)教學(xué)體系中起到了關(guān)鍵的作用。近年來實(shí)驗(yàn)室建設(shè)發(fā)展迅速，但外購的實(shí)驗(yàn)設(shè)備已不能滿足學(xué)科基礎(chǔ)和專業(yè)基礎(chǔ)以及專業(yè)教學(xué)實(shí)驗(yàn)的需要。因此，采用國際一流高校應(yīng)用的Arduino平臺(tái)，基于XBee射頻模塊，具有軟硬件開源特點(diǎn)，自制適合軟件學(xué)院軟件工程專業(yè)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，不僅滿足了軟件工程專業(yè)的教學(xué)需求，而且跟目前流行的工業(yè)應(yīng)用相接軌，具有重要的超前性和領(lǐng)先性。

關(guān)鍵詞：教學(xué)體系；自制設(shè)備；專業(yè)教學(xué)

DOI：10.16315/j.stm.2015.02.01l

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

實(shí)驗(yàn)教學(xué)在高校整個(gè)教學(xué)體系中起到了十分重要的作用。但隨著社會(huì)的進(jìn)步和知識(shí)的發(fā)展，現(xiàn)有設(shè)備已不能滿足學(xué)生實(shí)踐的需求，而外購實(shí)驗(yàn)設(shè)備的廠商對(duì)于整個(gè)教學(xué)體系不夠了解，其實(shí)驗(yàn)設(shè)備不符合教學(xué)規(guī)律和實(shí)驗(yàn)大綱要求，實(shí)驗(yàn)教師對(duì)于實(shí)驗(yàn)設(shè)備的實(shí)驗(yàn)潛能挖掘不夠，實(shí)驗(yàn)設(shè)備的超前性和及時(shí)性存在問題，使得整個(gè)實(shí)驗(yàn)水平與工業(yè)應(yīng)用存在差距，為了解決目前實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)存在的上述問題，哈爾濱理工大學(xué)于2012年年底著力推廣了一批自制實(shí)驗(yàn)設(shè)備項(xiàng)目，而軟件學(xué)院軟件工程專業(yè)也配合學(xué)校整體要求申請(qǐng)了2個(gè)自制設(shè)備項(xiàng)目：基于開源軟硬件的綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和基于開源軟硬件的物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)平臺(tái)。學(xué)院的整體目標(biāo)是依托于基于開源軟硬件的綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)C語言、單片機(jī)、操作系統(tǒng)、嵌入式開發(fā)、嵌入式操作系統(tǒng)等課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)行支撐；依托于基于開源軟硬件的物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)平臺(tái)對(duì)無線通訊原理、RFID原理、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、Zigbee技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等課程實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)進(jìn)行支撐。

1.軟件工程專業(yè)自制設(shè)備的特點(diǎn)

（1）自制教學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器具有較大的靈活性且緊密結(jié)合教學(xué)要求。緊密結(jié)合專業(yè)教學(xué)大綱規(guī)定的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目要求，制作更適用、更合理的裝置，這種裝置的特點(diǎn)是適用面廣，適用性強(qiáng)。這相當(dāng)于為軟件工程專業(yè)量身定制一系列實(shí)驗(yàn)設(shè)備，緊密結(jié)合軟件工程項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)特點(diǎn)，可以有效大幅度提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量水平。

（2）基于開源軟硬件思想，緊密與國際實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平接軌。由于學(xué)院自制實(shí)驗(yàn)設(shè)備采用了國際上通用的Arduino平臺(tái)，該平臺(tái)具有軟硬件完全開源特點(diǎn)，國際上一流高校，如麻省理工、佐治亞理工、斯坦福等都采用這一技術(shù)，由此將其融入到本科教學(xué)環(huán)節(jié)中。該平臺(tái)最大的特點(diǎn)是采用封裝且開源的思想，從封裝角度來講，本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)只需掌握基本C語言編程能力就能使用該平臺(tái)，從某種意義上來講，軟件工程發(fā)展到今天，都是以封裝作為依托的。舉例來說，完成網(wǎng)絡(luò)編程，只需使用Socket編程方式，也就是對(duì)于Socket系列函數(shù)的調(diào)用而已，無需對(duì)于底層的封裝過程了解，封裝好處在于縮短開發(fā)周期，減少開發(fā)成本投入；而從開源的角度，由于該平臺(tái)具有開源的特點(diǎn)，該平臺(tái)從某種程度上就是一個(gè)單片機(jī)嵌入式成功的案例，而由于國際上很多一流高校都加入到該開源項(xiàng)目中，很多成功的案例都可以作為學(xué)院案例教學(xué)的藍(lán)本，可以與國際一流實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平接軌。

（3）自制實(shí)驗(yàn)設(shè)備具有超前性和及時(shí)性。目前國內(nèi)外的物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)都是以針對(duì)于TI和Freescale為核心的，這類以單片機(jī)編程為主的開發(fā)正在逐漸被工業(yè)應(yīng)用所淘汰，并且該種實(shí)驗(yàn)平臺(tái)不能提供很好的學(xué)習(xí)輔助功能，僅能夠作為產(chǎn)品開發(fā)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)。所以該項(xiàng)目首先在國內(nèi)實(shí)現(xiàn)了基于XBee的物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，該平臺(tái)核心采用Digi公司提供的Xbee模塊，采用命令集形式的開發(fā)符合國際工業(yè)應(yīng)用的主流，并且區(qū)別于以往的物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，該平臺(tái)能夠提供友好的學(xué)習(xí)輔助功能，幫助學(xué)生迅速掌握物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和控制方法。

Zigbee技術(shù)發(fā)展至今天，已經(jīng)慢慢從單片機(jī)開發(fā)方式轉(zhuǎn)入到以命令集控制的方式。采用單片機(jī)開發(fā)方式存在很大的局限性，主要集中在由于各個(gè)廠商所提供的Zigbee芯片各不相同，由此所使用單片機(jī)各不相同，而不同單片機(jī)的開發(fā)方式和方法各不相同，所完成的程序代碼不具有可移植性，也就是說單獨(dú)學(xué)習(xí)一種Zigbee芯片的使用方法并不具有使用其他類型zigbee的能力。由此這種以命令集開發(fā)方式的Xbee模塊便應(yīng)運(yùn)而生，采用命令集的好處在于它的入門門檻比較低，而且由于命令集與底層單片機(jī)并不相關(guān)，所以它的使用具有一定通用性。雖然Xbee所采用的依然是zigbee協(xié)議，但是區(qū)別于以往Zigbee芯片，它將Zigbee協(xié)議封裝起來，采用這種方式的優(yōu)點(diǎn)在于如果要對(duì)以往的Zigbee芯片開發(fā)必須學(xué)習(xí)Zigbee協(xié)議的源代碼，而這個(gè)協(xié)議代碼量非常大、入門門檻高，國內(nèi)外能夠掌握Zigbee芯片開發(fā)的工程師非常少，并不適用于本科教學(xué)和大規(guī)模產(chǎn)品推廣，而XBee的方式是將Zigbee的協(xié)議棧與開發(fā)者隔離開，對(duì)于開發(fā)者只需掌握Zigbee協(xié)議棧原理即可，并不需要深入到代碼內(nèi)部，從而降低研發(fā)門檻，有利于推廣。目前XBee模塊的型號(hào)分為三類，都是采用Zigbee協(xié)議棧，傳輸距離從100米-1000米不等，雖然型號(hào)不同但是命令集和模塊外圍管腳大體相同，只有很少一部分存在區(qū)別，這使得學(xué)習(xí)XBee模塊開發(fā)具有通用性。雖然XBee在2009年剛剛推出，但是隨著這4-5年的發(fā)展，XBee逐漸在歐美市場(chǎng)取代其他Zigbee芯片，成為這個(gè)領(lǐng)域非常有影響力的廠商。

而該物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)相對(duì)于目前國內(nèi)的物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，從某種程度上是一款真正意義的物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以將傳感器網(wǎng)絡(luò)所采集到的信息交付給Device Cloud云平臺(tái)，該平臺(tái)構(gòu)建于Amazon云服務(wù)，是2012年國際物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用金獎(jiǎng)產(chǎn)品，具有國際應(yīng)用水平前沿特點(diǎn)，這是其他物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)所不具備的。

（4）自制實(shí)驗(yàn)設(shè)備加強(qiáng)對(duì)于教師和實(shí)驗(yàn)教師的教學(xué)實(shí)踐能力的培養(yǎng)。本系列實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的開發(fā)、實(shí)驗(yàn)實(shí)踐環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書的撰寫者都是由本軟件學(xué)院實(shí)驗(yàn)中心和軟件工程系一線教師共同研發(fā)，這些教師具有多年的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，深諳實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)規(guī)律。而對(duì)于研發(fā)過程同樣是對(duì)于青年教師科研能力的鍛煉和提高，同樣意味著我學(xué)院青年教師的業(yè)務(wù)水平已經(jīng)與國際前沿應(yīng)用水平接軌，為以后科研教學(xué)工作做好鋪墊、奠定基礎(chǔ)。最重要的一點(diǎn)，在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的研發(fā)過程中，每位教師都參與其中，而在將來實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)中，教師能夠非常清楚的講解出該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的工作原理，實(shí)驗(yàn)特點(diǎn)等，而這部分是外購實(shí)驗(yàn)平臺(tái)無法提供的。

（5）自制設(shè)備具有經(jīng)濟(jì)性。實(shí)驗(yàn)教學(xué)裝置屬于較先進(jìn)的技術(shù)產(chǎn)品，專用性強(qiáng)，社會(huì)需求量小，價(jià)格較貴，而資金不足則是我校實(shí)驗(yàn)室建設(shè)中存在的問題。特別是對(duì)于一些專業(yè)面比較窄，所需實(shí)驗(yàn)儀器大多無法從市場(chǎng)購得，即使能采購到儀器設(shè)備，在使用和功能上也遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了教學(xué)實(shí)驗(yàn)的需求，只能依靠實(shí)驗(yàn)技術(shù)人員自己來研制。對(duì)于本校來說，實(shí)驗(yàn)儀器對(duì)教學(xué)質(zhì)量和水平的影響尤為顯著。本校在實(shí)驗(yàn)室資金短缺的情況下，由于重視自制設(shè)備，并廣泛應(yīng)用，因此節(jié)約了大量資金。

2.自制實(shí)驗(yàn)設(shè)備存在的問題分析

本自制實(shí)驗(yàn)設(shè)備項(xiàng)目借鑒于國內(nèi)外一流高校在自制設(shè)備項(xiàng)目中的解決方案和經(jīng)驗(yàn)，立足于國際上流行的開源軟硬件Arduino平臺(tái)，參考國內(nèi)外一流高校對(duì)與該平臺(tái)的使用狀況和開源項(xiàng)目情況，整合出一整套適合于軟件工程專業(yè)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)教學(xué)指導(dǎo)書?，F(xiàn)簡述一下Arduino平臺(tái)國內(nèi)外研究狀況：Arduino本來是意大利一所大學(xué)的一個(gè)基于AVR單片機(jī)自制設(shè)備項(xiàng)目，后來經(jīng)過全球各大研究機(jī)構(gòu)和大學(xué)的支持和推廣，成為了目前國際上最流行的開源軟硬件平臺(tái)，各類一流高?；谠撈脚_(tái)開發(fā)了大量開源項(xiàng)目，并且豐富了Arduino開發(fā)板的種類，如麻省理_丁大學(xué)開發(fā)了一個(gè)用于紡織學(xué)的符合Arduino IDE開發(fā)環(huán)境的Lilypad；加州大學(xué)伯克利分校利用Arduino完成了仿生物學(xué)機(jī)器人項(xiàng)目等等。國內(nèi)外的學(xué)者和工程師針對(duì)于Arduino平臺(tái)也完成了大量工作，例如Free Rtos操作系統(tǒng)的移植，該操作系統(tǒng)具有輕量和實(shí)時(shí)性特點(diǎn)，由于采用了開源軟硬件的特點(diǎn)，該操作系統(tǒng)可以作為操作系統(tǒng)或是嵌入式操作系統(tǒng)的經(jīng)典案例，完成針對(duì)于這類課程的實(shí)驗(yàn)支持；MySQL Connecter的arduino的移植，可以從代碼級(jí)別說明數(shù)據(jù)庫連接程序的工作原理，而事實(shí)上目前軟件工程中對(duì)于該部分僅僅是調(diào)用一些官方所提供的函數(shù)或者開發(fā)包，如JDBC等；HTTP網(wǎng)絡(luò)編程，目前軟件工程領(lǐng)域同樣是采用基于官方函數(shù)或者開發(fā)包的教學(xué)方式，事實(shí)上如果從代碼角度深入解析一個(gè)HTYP請(qǐng)求和響應(yīng)完成的過程，HTTP應(yīng)用層協(xié)議的報(bào)文組織方式是非常有意義的。由于Arduino具有上述特征，既開發(fā)簡單、完全開源、支持函數(shù)庫豐富，所以像Google這類公司都選擇該平臺(tái)作為移動(dòng)終端外圍設(shè)備的開發(fā)平臺(tái)，如Google 2012 I/0所發(fā)布的2012 ADK這款開發(fā)板是一個(gè)基于Arduino IDE采用嵌入式Cortex M3作為核心處理芯片的開發(fā)平臺(tái)。由于Arduino本身的特點(diǎn)和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備結(jié)合是比較緊密的，所以國外很多關(guān)于物聯(lián)網(wǎng)的開發(fā)教程和實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)都是基于Arduino的，如Building Wireless Sensor Networks：with ZigBee，XBee，Arduino，and Processing、Environmental Monitoring with Arduino：Building Simple Devices to Collect Data About the World Around Us、Getting Started with RFID：Identify Objeets in the Physical World with Arduino等等，由此本項(xiàng)目中基于開源軟硬件的物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)平臺(tái)是國內(nèi)首個(gè)以Arduino平臺(tái)為核心的物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，與國際實(shí)驗(yàn)教學(xué)流行趨勢(shì)緊密相結(jié)合。

由此本項(xiàng)目分析了國內(nèi)外自制實(shí)驗(yàn)設(shè)備現(xiàn)狀，說明自制實(shí)驗(yàn)設(shè)備的研制的確對(duì)于提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量、改善實(shí)驗(yàn)實(shí)踐環(huán)境、提高實(shí)驗(yàn)教師業(yè)務(wù)水平有著重要意義，而由于本項(xiàng)目中兩個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)都是依托于國際流行的Arduino平臺(tái)，符合國際最前沿的實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念，在軟件工程專業(yè)、物聯(lián)網(wǎng)方向?qū)嶒?yàn)教學(xué)有著充分的前瞻性、行業(yè)領(lǐng)先性等特點(diǎn)。本課題主要研究內(nèi)容就是如何融入到軟件工程專業(yè)教學(xué)體系，服務(wù)于軟件工程專業(yè)的基礎(chǔ)部分實(shí)驗(yàn)包括C語言、操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、計(jì)算機(jī)組成原理等實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，又針對(duì)于軟件工程專業(yè)中物聯(lián)網(wǎng)方向和移動(dòng)計(jì)算方向提供專業(yè)級(jí)別的實(shí)驗(yàn)支撐，為軟件工程專業(yè)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目、大學(xué)生競(jìng)賽、項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)提供平臺(tái)。綜上所述，本項(xiàng)目區(qū)別于以往實(shí)驗(yàn)設(shè)備，不僅僅能夠開展實(shí)驗(yàn)課程，而且完全吻合軟件工程專業(yè)的教學(xué)大綱體系和實(shí)驗(yàn)大綱體系，對(duì)于學(xué)生實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，教學(xué)質(zhì)量提升起著重要作用。目前擬解決關(guān)鍵問題如下：

（1）自制實(shí)驗(yàn)設(shè)備如何融入到軟件工程專業(yè)教。學(xué)體系。目前的實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器，大多是系列的實(shí)驗(yàn)累積，并不具備針對(duì)于哪個(gè)專業(yè)的支撐，尤其是本學(xué)院一黑龍江省示范性軟件學(xué)院，具有鮮明特點(diǎn)的教學(xué)體系，如何讓每個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目真正做到對(duì)于理論教學(xué)環(huán)節(jié)的支撐，讓學(xué)生不僅了解原理而且真正學(xué)會(huì)怎樣去實(shí)現(xiàn)，換句話說本項(xiàng)目中的自制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及所涉及的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目應(yīng)該做到更加專業(yè)性的針對(duì)于教學(xué)體系。

（2）基于軟硬件開源的綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)建對(duì)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)、項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)等項(xiàng)目支撐。構(gòu)建的軟硬件開源的綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，不僅僅面向?qū)I(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，而且還要為學(xué)生們參加各種競(jìng)賽、項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目提供平臺(tái)，所以在綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的研發(fā)過程中，也應(yīng)該考慮到提供給學(xué)生面向項(xiàng)目的開發(fā)平臺(tái)。

（3）基于軟硬件開源的物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)平臺(tái)對(duì)專業(yè)項(xiàng)目、畢業(yè)設(shè)計(jì)、學(xué)年設(shè)計(jì)支撐。所構(gòu)建的軟硬件開源的綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，不僅僅面向?qū)I(yè)方向?qū)嶒?yàn)教學(xué)，而且要支撐學(xué)生完成物聯(lián)網(wǎng)方向案例，專業(yè)方向性學(xué)年設(shè)計(jì)，畢業(yè)設(shè)計(jì)等環(huán)節(jié)。

3.建立軟件工程專業(yè)自制實(shí)驗(yàn)設(shè)備的對(duì)策

（1）搭建基于軟硬件開源的綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)面向整個(gè)軟件工程專業(yè)基礎(chǔ)教學(xué)部分，由于采用Arduino這一開源軟硬件支持，所以學(xué)生無需掌握單片機(jī)和嵌入式開發(fā)基礎(chǔ)，就能完成c語言項(xiàng)目開發(fā)，這就意味著本綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以支持軟件工程專業(yè)的結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)——C語言實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，一改以往C語言實(shí)驗(yàn)主要在計(jì)算機(jī)完成一些排序等較為枯燥的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，提高學(xué)生們的學(xué)習(xí)興趣。另外由于在本綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上可以移植一個(gè)小型輕量的Free Rtos操作系統(tǒng)，可以使學(xué)生在操作系統(tǒng)學(xué)習(xí)中真正學(xué)習(xí)一個(gè)工業(yè)上使用的操作系統(tǒng)，不僅可以完成操作系統(tǒng)原理性的學(xué)習(xí)，還可以支撐嵌入式方向中嵌入式操作系統(tǒng)的學(xué)習(xí)。綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)提供多個(gè)系列Arduino開發(fā)板，該開發(fā)板的核心處理芯片可以是AVR單片機(jī)，也可以是ATMEL嵌入式處理器，使得學(xué)生可以脫離Arduino IDE的支持，直接使用綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)完成單片機(jī)原理，嵌入式開發(fā)的實(shí)驗(yàn)。

（2）搭建基于軟硬件開源的物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)平臺(tái)?；谲浻布_源的物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)平臺(tái)作為全國首個(gè)將開源軟硬件Arduino平臺(tái)和Digi公司出品的物聯(lián)網(wǎng)XBee模塊產(chǎn)品相結(jié)合的物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)儀器，具有與國際頂尖實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平相接軌的特點(diǎn)，國際上的眾多最新物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)教程都是基于此模塊技術(shù)開發(fā)的，OREILLY近2-3年出品的十余本物聯(lián)網(wǎng)經(jīng)典實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教材都是基于Arduino和XBee作為開發(fā)環(huán)境。

本開發(fā)平臺(tái)所使用物聯(lián)網(wǎng)專用開發(fā)板與Arduino DUE開發(fā)板和Google 2012 ADK開發(fā)板，搭載一款A(yù)tmel SAM3X8E Cortex M3嵌入式微處理器，并且完全兼容Arduino IDE開發(fā)環(huán)境；相對(duì)于Arduino DUE和Google 2012 ADK，該物聯(lián)網(wǎng)專用開發(fā)板更加針對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)綜合實(shí)驗(yàn)的開發(fā)，與無線模塊驗(yàn)證板、RFID讀卡器等外圍模塊可以進(jìn)行無需插線式的直接連接，減少用戶連接模塊所產(chǎn)生的錯(cuò)誤，以及外圍模塊的使用。由于物聯(lián)網(wǎng)專用開發(fā)板對(duì)ArduinoIDE的完全兼容，所帶來的好處在于：①入門門檻低，學(xué)習(xí)者只需學(xué)過C語言就可以完成全部物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)實(shí)驗(yàn)，無需掌握單片機(jī)和嵌入式開發(fā)技術(shù)，其好處在于降低了開發(fā)平臺(tái)入門門檻，使學(xué)習(xí)者真正能夠簡單快速的完成物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)知識(shí)的學(xué)習(xí)。②外圍模塊支持豐富，Arduino作為一個(gè)國際知名的開源軟硬件平臺(tái)，受到國際上知名高校如麻省理工，斯坦福，加州大學(xué)伯克利分校，佐治亞理工等廣泛的支持，并紛紛為其開發(fā)數(shù)量眾多的核心開發(fā)板、外圍模塊（包括傳感器模塊、RFID讀卡器、LCD模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊等等）。而本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中的物聯(lián)網(wǎng)專用開發(fā)板對(duì)上述模塊完全兼容。③深入學(xué)習(xí)潛力，由于物聯(lián)網(wǎng)專用開發(fā)板本身就是一個(gè)開源軟硬件的產(chǎn)品，本身就可以作為一個(gè)嵌入式產(chǎn)品開發(fā)的案例，在除去Arduino IDE支持的情況下，學(xué)習(xí)者可以根據(jù)本平臺(tái)所提供的電路圖、原理圖、SAM3X8E芯片功能手冊(cè)，配合以嵌入式開發(fā)教材完成嵌入式開發(fā)學(xué)習(xí)。

由于國內(nèi)外并沒有一款是以Digi公司出品的無線通訊XBee產(chǎn)品線為核心的物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，而本平臺(tái)在該方面不僅與國際上先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)水平和物聯(lián)網(wǎng)工業(yè)應(yīng)用水平接軌，而且開創(chuàng)性的使用了XBee無線模塊中的802.15.4、Zigbee、WIFI模塊作為物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)平臺(tái)中的無線核心模塊。XBee系列產(chǎn)品是一種在國際工業(yè)應(yīng)用中使用的無線產(chǎn)品，具有工作穩(wěn)定、適應(yīng)惡劣外部環(huán)境、傳輸距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)，廣泛用于傳感器網(wǎng)絡(luò)采集、遠(yuǎn)程設(shè)備控制等應(yīng)用產(chǎn)品。本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用XBee產(chǎn)品線作為外圍無線模塊所帶來的好處在于：①真正的工業(yè)級(jí)無線模塊：相對(duì)于目前國內(nèi)外的物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)都是以針對(duì)于TI和Freescale為核心的，這類以單片機(jī)編程為主的開發(fā)正在被工業(yè)應(yīng)用所淘汰，并且該種實(shí)驗(yàn)平臺(tái)不能提供很好的學(xué)習(xí)輔助功能，僅僅能夠作為產(chǎn)品開發(fā)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)。所以本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)首先在國內(nèi)實(shí)現(xiàn)了基于XBee的物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，該平臺(tái)核心采用Digi公司提供的Xbee模塊，采用命令集形式的開發(fā)符合國際工業(yè)應(yīng)用的主流，并且區(qū)別于以往的物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，該平臺(tái)能夠提供友好的學(xué)習(xí)輔助功能，幫助學(xué)生迅速掌握物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和控制方法。②與云計(jì)算相結(jié)合真正實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)：國內(nèi)的眾多物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器產(chǎn)品所開展的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目都不能真正被稱為物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，由于物聯(lián)網(wǎng)的本質(zhì)是要將所有物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品在Internet上進(jìn)行映射，具有通過Internet完成信息交互和遠(yuǎn)程控制的功能，而這些物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器產(chǎn)品不具備與Internet的交互功能，只能被稱為傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)創(chuàng)新性的使用了Amazon云上提供設(shè)備云服務(wù)，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與云計(jì)算技術(shù)相結(jié)合，可以將傳感器節(jié)點(diǎn)和遠(yuǎn)程設(shè)備完成Internet映射，方便設(shè)備管理，同時(shí)也可以使用終端通過和設(shè)備云的交互，完成傳感器網(wǎng)絡(luò)、遠(yuǎn)程設(shè)備的信息交互、控制。③物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用案例豐富：相對(duì)于國內(nèi)相關(guān)產(chǎn)品所提供的案例，本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)所提供的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用案例是真正應(yīng)用級(jí)別案例的模型，通過Top 50 Internet of Things Applications上所介紹的50個(gè)真實(shí)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用案例，而這些案例大多采用XBee產(chǎn)品線作為無線模塊，本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)選用其中部分應(yīng)用案例作為綜合實(shí)驗(yàn)案例，真正實(shí)現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品研發(fā)。

至此本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)所支持的各種無線通訊、無線網(wǎng)絡(luò)等實(shí)驗(yàn)，如圖1所示。

4.結(jié)論

通過對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方式的分析和探討，采用自制實(shí)驗(yàn)設(shè)備具有以下優(yōu)勢(shì)：①研發(fā)了物聯(lián)網(wǎng)專用開發(fā)板，采用工業(yè)級(jí)無線模塊，搭建與云計(jì)算相結(jié)合真正實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)，教學(xué)案例豐富；②將國際流行實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Arduino DUE開發(fā)板引入基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，同時(shí)開發(fā)豐富的外圍硬件模塊和設(shè)計(jì)軟件工程相關(guān)學(xué)科的實(shí)驗(yàn)案例，提出開源軟硬件相結(jié)合的教學(xué)方法體系；③在硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的基礎(chǔ)上，研發(fā)了豐富的實(shí)驗(yàn)案例。均以項(xiàng)目方式提供，設(shè)計(jì)開發(fā)詳細(xì)、代碼開放、模塊劃分明確。以項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)為目的，為理論教學(xué)的有效進(jìn)行提供了實(shí)踐依據(jù)；④自制設(shè)備項(xiàng)目的設(shè)計(jì)過程形成了一套實(shí)踐教學(xué)自主研發(fā)的教學(xué)體系。

因此，自制實(shí)驗(yàn)設(shè)備在軟件學(xué)院實(shí)驗(yàn)教學(xué)中起到了十分重要的作用，并為實(shí)驗(yàn)改革帶來了突破性的創(chuàng)新。