物聯(lián)網(wǎng)背景下嵌入式系統(tǒng)教學(xué)改革

邢海霞　索明何　劉長(zhǎng)榮

摘 要：在明確嵌入式系統(tǒng)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)關(guān)系的基礎(chǔ)上，對(duì)嵌入式技術(shù)進(jìn)行了教學(xué)改革，包括課程體系的構(gòu)建，教學(xué)內(nèi)容的選取和教學(xué)方法的選擇。并將科研項(xiàng)目開發(fā)和技能競(jìng)賽引入教學(xué)改革，從而實(shí)現(xiàn)了“學(xué)以致用”的教學(xué)目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng)；物聯(lián)網(wǎng)；課程體系；教學(xué)改革

中圖分類號(hào)：TP368.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2015）12-0-03

0 引 言

物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things，IoT）是嵌入式系統(tǒng)與互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展到高級(jí)階段的融合技術(shù)，換言之，物聯(lián)網(wǎng)是基于互聯(lián)網(wǎng)的嵌入式系統(tǒng)。物聯(lián)網(wǎng)主要解決物與物、人與物、人與人之間的互聯(lián)。物聯(lián)網(wǎng)已成為當(dāng)前世界新一輪經(jīng)濟(jì)和科技發(fā)展的戰(zhàn)略制高點(diǎn)之一，發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)對(duì)于促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。目前，我國(guó)物聯(lián)網(wǎng)在智能工業(yè)、智能農(nóng)業(yè)、智能安防、智能交通、智能物流、智能醫(yī)療、智能環(huán)保、智能家居等領(lǐng)域已經(jīng)得到應(yīng)用，且應(yīng)用模式正日趨成熟。

物聯(lián)網(wǎng)融合了四大關(guān)鍵技術(shù)：傳感器技術(shù)、嵌入式技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)，其中嵌入式系統(tǒng)是物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的核心推動(dòng)力。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，給嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展與應(yīng)用提供了更廣泛的空間，同時(shí)，也為嵌入式系統(tǒng)的教學(xué)內(nèi)容注入了新鮮血液。然而，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在給嵌入式系統(tǒng)帶來(lái)新機(jī)遇的同時(shí)，也帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。在物聯(lián)網(wǎng)背景下，嵌入式技術(shù)課程體系設(shè)置、教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)方法及教學(xué)手段都要相應(yīng)地進(jìn)行改革。本文就是基于此背景提出的，旨在為物聯(lián)網(wǎng)背景下嵌入式技術(shù)教學(xué)改革提出可行的措施，更好地從嵌入式系統(tǒng)角度學(xué)習(xí)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用，培養(yǎng)高技能物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)人才。

1 嵌入式系統(tǒng)教學(xué)誤區(qū)分析

眾多高校和培訓(xùn)機(jī)構(gòu)在嵌入式系統(tǒng)教學(xué)方面，普遍采用“××微控制器+××操作系統(tǒng)”的教學(xué)模式，這將嵌入式系統(tǒng)學(xué)習(xí)者引入了學(xué)習(xí)誤區(qū)，其主要原因是對(duì)嵌入式系統(tǒng)的本質(zhì)沒(méi)有很好的把握。

嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟硬件可裁剪，適用于應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。通俗地說(shuō)，除了通用計(jì)算機(jī)（如臺(tái)式機(jī)和筆記本計(jì)算機(jī)）外，所有包含CPU的系統(tǒng)都是嵌入式系統(tǒng)。由于嵌入式系統(tǒng)種類繁多，我們可以大致根據(jù)微控制器的位數(shù)將嵌入式系統(tǒng)分為兩大類：高檔嵌入式系統(tǒng)和中低檔嵌入式系統(tǒng)。其中，高檔嵌入式系統(tǒng)的CPU均為32位以上，信息處理量非常大，如手機(jī)、導(dǎo)航等多媒體設(shè)備；中低檔嵌入式系統(tǒng)的CPU均為16位以下，其中8位CPU占主流，主要應(yīng)用于測(cè)控領(lǐng)域。

事實(shí)上，嵌入式系統(tǒng)=軟件+硬件+行業(yè)知識(shí)。嵌入式系統(tǒng)不能作為一個(gè)單獨(dú)的專業(yè)，因?yàn)椴煌男袠I(yè)需求不同。嵌入式系統(tǒng)專家應(yīng)該是某一個(gè)行業(yè)的專家。嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)教學(xué)要遵循由簡(jiǎn)到難、循序漸進(jìn)的教學(xué)原則，從最簡(jiǎn)單的8位嵌入式系統(tǒng)開始，逐步提升到32位ARM嵌入式系統(tǒng)，等編程水平提高之后，再考慮開設(shè)操作系統(tǒng)課程。

2 物聯(lián)網(wǎng)背景下嵌入式系統(tǒng)課程體系及教學(xué)改革

在物聯(lián)網(wǎng)背景下，嵌入式設(shè)備不能作為一個(gè)信息孤島，而是需要加入相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)，以便物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)資源共享。因此，嵌入式系統(tǒng)課程體系中除了硬件和軟件課程外，還需增設(shè)相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)課程。具體而言，物聯(lián)網(wǎng)背景下嵌入式系統(tǒng)課程體系由嵌入式技術(shù)基礎(chǔ)、嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)和嵌入式網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用三類課程組成，如圖1所示。在教學(xué)中，筆者將承擔(dān)的科研項(xiàng)目引入到課堂，引導(dǎo)學(xué)生積極參與到科研項(xiàng)目開發(fā)中，并且指導(dǎo)學(xué)生積極參加嵌入式、物聯(lián)網(wǎng)技能競(jìng)賽，促進(jìn)了嵌入式技術(shù)教學(xué)和改革。

2.1 嵌入式技術(shù)基礎(chǔ)課程教學(xué)改革

嵌入式技術(shù)基礎(chǔ)課程包括了硬件基礎(chǔ)和軟件基礎(chǔ)這兩類課程。

2.1.1 嵌入式硬件基礎(chǔ)課程

嵌入式硬件基礎(chǔ)課程包括電子技術(shù)基礎(chǔ)和電路設(shè)計(jì)與工具使用。

（1）電子技術(shù)基礎(chǔ)

主要結(jié)合嵌入式系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)特點(diǎn)，突出學(xué)習(xí)相關(guān)的模電、數(shù)電和電路分析方法。在教學(xué)中，要弱化電子元器件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理分析，強(qiáng)化外部特性和功能分析。課程內(nèi)容參考如下：

①基爾霍夫電流定律和電壓定律電路分析方法；

②二極管電路：二極管的伏安特性曲線分析，整流管、開關(guān)管、發(fā)光管、光敏管、穩(wěn)壓管的外部特性，典型電路分析及實(shí)踐；

③三極管電路：伏安特性曲線分析；三極管開關(guān)和放大的外部特性、典型電路分析及實(shí)踐；

④集成電路：運(yùn)放、電壓比較器、穩(wěn)壓器、A/D與D/A等集成電路的外部特性、功能分析及實(shí)踐；

⑤描述模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)的常用物理量；

⑥數(shù)字邏輯基礎(chǔ)及概念：數(shù)制、邏輯關(guān)系（與、或、非等）、常見邏輯恒等式及邏輯電路化簡(jiǎn)方法；

⑦常見組合電路和時(shí)序電路分析及實(shí)踐。

（2）電路設(shè)計(jì)與工具使用

該課程主要學(xué)習(xí)電路設(shè)計(jì)自動(dòng)化軟件的使用、常用電路板焊接與測(cè)試工具的使用。

①為設(shè)計(jì)滿足應(yīng)用需要的嵌入式系統(tǒng)電路，需要掌握至少一種EDA軟件（如Protel或Altium Designer）繪制電路原理圖和PCB圖的使用方法。

②為了嵌入式系統(tǒng)電路的安裝與測(cè)試，需要熟練掌握電烙鐵、萬(wàn)用表、示波器等工具的使用方法。

2.1.2 嵌入式軟件基礎(chǔ)課程

嵌入式軟件基礎(chǔ)課程包括C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)、C#/Java/Qt程序設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)庫(kù)等課程。

（1）C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)

C語(yǔ)言作為軟件設(shè)計(jì)的入門語(yǔ)言，同時(shí)也是當(dāng)前嵌入式系統(tǒng)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)軟件開發(fā)的主流語(yǔ)言，因此，C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)作為嵌入式軟件設(shè)計(jì)至關(guān)重要。筆者結(jié)合嵌入式系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)特點(diǎn)，編寫了適用于嵌入式、物聯(lián)網(wǎng)方向的《C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)》教材，即將在機(jī)械工業(yè)出版社出版。

（2）C#/Java/Qt程序設(shè)計(jì)

嵌入式系統(tǒng)開發(fā)離不開PC上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)，因此有必要掌握一門高級(jí)語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)，特別需要掌握PC機(jī)串行通信軟件設(shè)計(jì)方法。

（3）數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

對(duì)于高檔嵌入式系統(tǒng)，由于其內(nèi)部資源豐富，CPU運(yùn)行速度較快，因此軟件設(shè)計(jì)的環(huán)節(jié)比較寬松，其軟件中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與通用計(jì)算機(jī)中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)無(wú)明顯差別。

但對(duì)于中低檔嵌入式系統(tǒng)，由于內(nèi)部資源較為緊張，CPU運(yùn)行速度也較慢，因此軟件設(shè)計(jì)的環(huán)節(jié)比較緊張，所涉及的數(shù)據(jù)規(guī)模較小，常采用線性表這樣的簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，較少涉及樹和圖。

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是后續(xù)課程《嵌入式操作系統(tǒng)原理及應(yīng)用》的先修課程，建議在教學(xué)中使用由陸玲、周航慈編著的《嵌入式系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》教材，該教材緊密結(jié)合嵌入式系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)而編著，通俗易懂，非常適合教學(xué)使用。

（4）數(shù)據(jù)庫(kù)

數(shù)據(jù)庫(kù)是嵌入式系統(tǒng)的重要組成部分，也成為對(duì)越來(lái)越多的個(gè)性化應(yīng)用開發(fā)和管理而采用的一種必不可少的有效手段，需要熟練掌握SQL數(shù)據(jù)庫(kù)編程技術(shù)，以便在大型嵌入式、物聯(lián)網(wǎng)軟件設(shè)計(jì)中對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理。

2.2 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程的教學(xué)改革

嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程包括單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)、嵌入式操作系統(tǒng)原理及應(yīng)用兩部分課程。

2.2.1 單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)

目前以MCU為核心的系統(tǒng)是應(yīng)用最廣的嵌入式系統(tǒng)，該課程需遵循循序漸進(jìn)的教學(xué)原則。以8位單片機(jī)原理及應(yīng)用作為入門課程，學(xué)習(xí)典型的單片機(jī)接口電路設(shè)計(jì)和編程方法，其中典型的單片機(jī)接口電路包括通用輸入輸出接口電路設(shè)計(jì)、傳感器檢測(cè)接口電路設(shè)計(jì)和執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)接口電路設(shè)計(jì)；編程語(yǔ)言選擇方面，第一個(gè)單片機(jī)例程（一般為L(zhǎng)ED燈閃爍）可以用匯編語(yǔ)言，以便熟悉單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，此后的編程可選用C語(yǔ)言。在熟練掌握8位單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)后，再進(jìn)行32位ARM嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)，在ARM嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)教學(xué)中，可以用Cortex-M測(cè)控系列嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)作為入門，逐步過(guò)渡到Cortex-A應(yīng)用系列嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

2.2.2 嵌入式操作系統(tǒng)原理及應(yīng)用

嵌入式操作系統(tǒng)一般應(yīng)用于高檔嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，建議在教學(xué)中使用uC/OS作為入門的操作系統(tǒng)，然后過(guò)渡到嵌入式Linux。當(dāng)然在物聯(lián)網(wǎng)背景下，還需增設(shè)Android操作系統(tǒng)應(yīng)用開發(fā)課程。

2.3 嵌入式網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用課程教學(xué)改革

嵌入式網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用課程包括計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和嵌入式網(wǎng)絡(luò)接口與編程兩部分課程。

2.3.1 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)

通過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程，重點(diǎn)學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)和TCP/IP結(jié)構(gòu)模型，并熟悉P2P、WSN等網(wǎng)絡(luò)新技術(shù)，為嵌入式網(wǎng)絡(luò)接口與編程課程奠定良好的理論基礎(chǔ)。

2.3.2 嵌入式網(wǎng)絡(luò)接口與編程

有人一提到“物聯(lián)網(wǎng)”，會(huì)馬上想到“無(wú)線ZigBee”，這其實(shí)是一種誤區(qū)。物聯(lián)網(wǎng)的本質(zhì)是嵌入式系統(tǒng)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化，嵌入式設(shè)備通過(guò)各種網(wǎng)絡(luò)最終接入互聯(lián)網(wǎng)，而所接入的網(wǎng)絡(luò)可以是有線網(wǎng)絡(luò)，也可以是無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。因此在嵌入式網(wǎng)絡(luò)接口與編程課程中，既要涉及有線網(wǎng)絡(luò)，又要涉及無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。

嵌入式有線網(wǎng)絡(luò)有485、CAN總線、以太網(wǎng)、電力線等多種方式，而應(yīng)用最廣的當(dāng)屬CAN總線和以太網(wǎng)。目前越來(lái)越多的微控制器內(nèi)部集成CAN通信控制器，足以說(shuō)明CAN總線應(yīng)用越來(lái)越廣，常用于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控領(lǐng)域。以太網(wǎng)是有效實(shí)現(xiàn)嵌入式設(shè)備接入互聯(lián)網(wǎng)的有線網(wǎng)絡(luò)，可利用TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議實(shí)現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)與Internet的互聯(lián)通信，從而實(shí)現(xiàn)“人-物”互聯(lián)。

嵌入式無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，有ZigBee、GPRS、GPS、BlueTooth、WiFi等多種方式，筆者在教學(xué)中，著重講解ZigBee、GPRS和GPS的原理及應(yīng)用。

在教學(xué)中，可將上述嵌入式網(wǎng)絡(luò)綜合應(yīng)用于科研項(xiàng)目研發(fā)和嵌入式、物聯(lián)網(wǎng)競(jìng)賽中，以便達(dá)到“學(xué)以致用”的教學(xué)目標(biāo)。

3 結(jié) 語(yǔ)

在明確嵌入式系統(tǒng)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)關(guān)系的基礎(chǔ)上，針對(duì)目前存在的嵌入式系統(tǒng)教學(xué)誤區(qū)，對(duì)嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行教學(xué)改革，包括課程體系的構(gòu)建，教學(xué)內(nèi)容的選取和教學(xué)方法的選擇。將科研項(xiàng)目開發(fā)和技能競(jìng)賽引入教學(xué)改革，實(shí)現(xiàn)“學(xué)以致用”的教學(xué)目標(biāo)。

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