開源硬件引入物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)實(shí)踐教學(xué)

張雷++趙學(xué)健

摘 要：針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的實(shí)踐教學(xué)實(shí)際情況，分析、探索開源硬件平臺(tái)在物聯(lián)網(wǎng)工程教學(xué)的不同層次的應(yīng)用模式，利用開源硬件積木式、易擴(kuò)展等特點(diǎn)繼續(xù)擴(kuò)大開源硬件的課程應(yīng)用范圍，使得最終建立具有學(xué)習(xí)一致性并可柔性擴(kuò)展的實(shí)踐教學(xué)模式。

關(guān)鍵詞：開源硬件 Arduino Yun 實(shí)踐教學(xué)

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）01（a）-0158-02

1 物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)實(shí)踐教學(xué)

我國(guó)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展一方面帶動(dòng)了旺盛的物聯(lián)網(wǎng)人才需求，另一方面也對(duì)物聯(lián)網(wǎng)人才的素養(yǎng)提出了更高要求。因此各大高校在設(shè)置物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的人才培養(yǎng)目標(biāo)時(shí)，也極力貼合物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的需求特點(diǎn)，強(qiáng)調(diào)以培養(yǎng)具備實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的專業(yè)復(fù)合型人才為目標(biāo)[1]。

為了實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)工程應(yīng)用復(fù)合型人才培養(yǎng)的目標(biāo)，物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)在教學(xué)體系中很重視實(shí)踐教學(xué)，從專業(yè)課、課程設(shè)計(jì)到畢業(yè)設(shè)計(jì)等各個(gè)環(huán)節(jié)都強(qiáng)調(diào)以實(shí)踐鍛煉學(xué)生實(shí)踐與創(chuàng)新的綜合能力[2]。但是在以往的實(shí)際教學(xué)操作中，實(shí)踐教學(xué)效果存在以下一些問題。

（1）學(xué)生的主體性不足。物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)要求學(xué)生掌握微機(jī)接口原理、傳感器原理及應(yīng)用、操作系統(tǒng)原理、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)等大量專業(yè)課程內(nèi)容。目前的專業(yè)課教學(xué)過程中，老師一般在完成既定理論知識(shí)教學(xué)任務(wù)后，輔以少量的演示性實(shí)驗(yàn)或驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。每門課程使用不同的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，學(xué)生需要浪費(fèi)大量時(shí)間熟悉該課程的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。而這往往是前期已經(jīng)掌握的簡(jiǎn)單重復(fù)性工作，導(dǎo)致大多數(shù)學(xué)生只能是被動(dòng)機(jī)械地完成學(xué)習(xí)任務(wù)，很難調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性。

（2）連續(xù)性和完整性不足。目前最廣泛應(yīng)用的課程模式仍然是各個(gè)課程通常各自為政，很少重視課程之間的聯(lián)系。每門課程各自為政，不同課程的實(shí)踐教學(xué)之間缺少整體的連貫設(shè)計(jì)，難以體現(xiàn)教學(xué)實(shí)踐難度的遞進(jìn)性，一般學(xué)生如果無法在短暫學(xué)時(shí)內(nèi)主動(dòng)消化吸收所學(xué)的大量知識(shí)，很容易失去學(xué)習(xí)興趣。

（3）深度參與性不足。物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)特點(diǎn)要求學(xué)生掌握從底層硬件設(shè)計(jì)、中間層固件設(shè)計(jì)到應(yīng)用層軟件設(shè)計(jì)，才能完成一個(gè)相對(duì)完整的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。如果每次都需要從零開始搭建一套物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，對(duì)學(xué)生而言工作量巨大，難以在有限的課程實(shí)踐環(huán)節(jié)里真正地去參與設(shè)計(jì)和完成一個(gè)系統(tǒng)工作，更不用說在完整性基礎(chǔ)上做進(jìn)一步的創(chuàng)新實(shí)踐。

總之，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)作為新興的邊緣學(xué)科，涉及到通信、電子、計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制等多個(gè)交叉學(xué)科。物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的課程設(shè)置覆蓋范圍廣，課程體系的教學(xué)任務(wù)重。如何在有限的教學(xué)時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力的提升，是目前實(shí)際教學(xué)操作中存在的主要問題之一。

文章以Arduino Yun為例，試圖將開源硬件引入到物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的實(shí)踐教學(xué)，建立以學(xué)生為主體的一體化柔性教學(xué)實(shí)踐框架，作為理論教學(xué)的有效補(bǔ)充，同時(shí)探索本科課程實(shí)踐教學(xué)的改進(jìn)方向。

2 開源硬件優(yōu)勢(shì)

開源硬件是指免費(fèi)、公布詳細(xì)的硬件設(shè)計(jì)信息的計(jì)算機(jī)和電子硬件。開源硬件提供了一種快速開發(fā)原型系統(tǒng)的方法，使得開發(fā)者可以將精力集中于創(chuàng)意與實(shí)現(xiàn)，節(jié)約學(xué)習(xí)成本，縮短開發(fā)周期。代表性的開源硬件項(xiàng)目比如最著名的開源單片機(jī)板Arduino[3]、開源ARM板BeagleBoard、開源手機(jī)Openmoko等。

開源硬件的出現(xiàn)體現(xiàn)了當(dāng)今技術(shù)創(chuàng)新的新趨勢(shì)，以Arduino為例，將開源硬件引入到物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)課程實(shí)踐教學(xué)具有以下優(yōu)勢(shì)[4]。

（1）上手簡(jiǎn)單。Arduino的編程語言基于過程語言開發(fā)，編程環(huán)境簡(jiǎn)單友好，不需要太多的硬件或編程基礎(chǔ)就可以進(jìn)行快速開發(fā)，容易激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

（2）擴(kuò)展容易。Arduino發(fā)展至今，已經(jīng)積累了豐富的功能擴(kuò)展模塊，如電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、Wifi通信模塊等。并且模塊對(duì)應(yīng)的各種庫(kù)函數(shù)也是開源的，比較容易實(shí)現(xiàn)對(duì)其進(jìn)行集成、派生、重載等二次開發(fā)。

（3）深入探索。以Arduino為例，其硬件原理圖、電路圖、IDE軟件及核心庫(kù)文件都是開源的，在開源協(xié)議范圍內(nèi)可以任意修改原始設(shè)計(jì)及相應(yīng)代碼。為學(xué)有余力的學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新實(shí)踐留下充分的探索空間。

（4）活躍的互聯(lián)網(wǎng)社區(qū)群支持。Arduino開源硬件擁有龐大的社區(qū)用戶、大量的示例教程和創(chuàng)新項(xiàng)目。以Arduino Yun為例，Temboo云平臺(tái)為Arduino Yun提供了數(shù)百個(gè)API可以直接用于應(yīng)用開發(fā)[5]。此外，利用Arduino開發(fā)過程中可以與網(wǎng)上眾多創(chuàng)客進(jìn)行交互討論，獲得直接技術(shù)支持與創(chuàng)意反饋。

3 開源硬件在物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)實(shí)踐教學(xué)的應(yīng)用

由于開源硬件具備的種種優(yōu)勢(shì)，考慮將開源硬件引入物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的實(shí)踐教學(xué)體系。物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的實(shí)踐教學(xué)分為知識(shí)驗(yàn)證、基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、綜合實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新設(shè)計(jì)這幾個(gè)實(shí)踐層次，如表1所示，始終將Arduino Yun融入貫穿于整個(gè)實(shí)踐教學(xué)過程，形成大學(xué)4年實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)不斷線的培養(yǎng)過程，建立具備連貫性和一致性的實(shí)踐教學(xué)模式。

3.1 課堂演示類

利用Arduino開源硬件形成課堂演示案例，可以使得課堂教學(xué)更具趣味性。Arduino開源硬件有大量的庫(kù)函數(shù)可以供教師根據(jù)需要調(diào)用，快速完成演示程序，節(jié)省教師備課工作量。如在C編程語言課程教學(xué)中，基于Arduino平臺(tái)完成以下案例示范。

（1）條件判斷：讀取鍵盤輸入，switch指令判斷執(zhí)行相應(yīng)的加減乘除計(jì)算，在監(jiān)視終端顯示相應(yīng)具體結(jié)果。

（2）字符串操作：在Serial Monitor的編輯框里輸入一個(gè)字符，如果字符與之前保存的字符不同則保存，最終使用Printf指令在監(jiān)視終端打印輸入的字符串。

（3）冒泡排序：在Serial Monitor的編輯框里輸入一個(gè)數(shù)字，單擊send向數(shù)組里保存一個(gè)數(shù)字，數(shù)組更新時(shí)Arduino通過串口向計(jì)算機(jī)返回一次排好序的數(shù)組。

3.2 基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)類

學(xué)生進(jìn)入專業(yè)課的教學(xué)后，利用易上手的Arduino開源硬件，引導(dǎo)學(xué)生逐步熟悉各項(xiàng)模塊功能，盡快建立學(xué)生對(duì)于專業(yè)課程的興趣。如微機(jī)原理與接口技術(shù)的教學(xué)中，教學(xué)實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生基于Arduino平臺(tái)完成以下課程實(shí)驗(yàn)。

（1）定時(shí)器/計(jì)數(shù)器：利用定時(shí)器在輸出引腳上輸出4ms的矩形波程序，要求占空比系數(shù)為1∶3，并控制一個(gè)LED的輸出狀態(tài)。

（2）定時(shí)中斷/事件中斷：用按鍵產(chǎn)生事件中斷，實(shí)現(xiàn)LED輸出狀態(tài)反轉(zhuǎn)一次。用單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器中斷方式計(jì)時(shí)，實(shí)現(xiàn)每5 sLED輸出狀態(tài)反轉(zhuǎn)一次。

（3）UART串行通信：在Serial Monitor的編輯框里輸入一個(gè)數(shù)字，單擊send向數(shù)組里保存一個(gè)數(shù)字，數(shù)組更新時(shí)Arduino通過串口向計(jì)算機(jī)返回一次排好序的數(shù)組。

3.3 課程設(shè)計(jì)

課程設(shè)計(jì)是在短學(xué)期的一到兩周時(shí)間內(nèi)，要求學(xué)生在指定課題下完成一個(gè)相對(duì)完整的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在此基礎(chǔ)上，采取加分的形式鼓勵(lì)學(xué)生在原題目基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)新擴(kuò)展部分應(yīng)用。在課程設(shè)計(jì)項(xiàng)目時(shí)，學(xué)生已經(jīng)積累了Arduino開源硬件的使用經(jīng)驗(yàn)，可輕松地利用開源平臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，使得所完成的項(xiàng)目系統(tǒng)性更強(qiáng)，項(xiàng)目?jī)?nèi)容自身也更加生動(dòng)有趣，學(xué)生在項(xiàng)目實(shí)踐中獲得的經(jīng)驗(yàn)值更高。

以傳感器原理及應(yīng)用為例，其課程要求學(xué)生基于Arduino Yun設(shè)計(jì)霍爾傳感器的一個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)一塊磁鐵在一條軌道上來回運(yùn)動(dòng)，軌道一端安裝有接近開關(guān)（開關(guān)型霍爾傳感器）。當(dāng)磁鐵經(jīng)過接近開關(guān)時(shí)，可以從測(cè)量電路上測(cè)得脈沖信號(hào)。Arduino平臺(tái)采集霍爾傳感器輸入，計(jì)算磁鐵的運(yùn)動(dòng)速度與位移，并將結(jié)果發(fā)送至web端繪制速度與位移曲線圖。同時(shí)，一旦出現(xiàn)速度異常，報(bào)警信號(hào)將被發(fā)送至郵箱/手機(jī)。

3.4 畢業(yè)設(shè)計(jì)

在完成了以上教學(xué)實(shí)踐練習(xí)后，學(xué)生具備了初步系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)能力，可利用開源平臺(tái)開展具有更加綜合設(shè)計(jì)要求的畢業(yè)設(shè)計(jì)或科技競(jìng)賽。通過利用開源平臺(tái)開展綜合設(shè)計(jì)，有利于學(xué)生實(shí)踐能力的進(jìn)一步提高，有利于培養(yǎng)學(xué)生在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行爆發(fā)式創(chuàng)新的能力。

以畢業(yè)設(shè)計(jì)為例，要求學(xué)生根據(jù)應(yīng)用需求的調(diào)研，基于Arduino開源平臺(tái)迅速搭建一個(gè)原型系統(tǒng)，省去了大量底層重復(fù)性代碼工作量，可以集中精力研究原型系統(tǒng)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)、問題算法設(shè)計(jì)和系統(tǒng)性能分析。在限定的3個(gè)月時(shí)間內(nèi)，可以實(shí)現(xiàn)更加完整的原型系統(tǒng)，使得學(xué)生的大部分時(shí)間可以分配在對(duì)全局問題的思考和系統(tǒng)級(jí)的創(chuàng)新中。

4 結(jié)語

通過上述環(huán)節(jié)的持續(xù)正向刺激學(xué)習(xí)，有效地激發(fā)學(xué)生主動(dòng)、自主學(xué)習(xí)的積極性，在快速掌握課程知識(shí)的同時(shí)切實(shí)提高學(xué)生的創(chuàng)新能力。將開源硬件應(yīng)用到物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)課程實(shí)踐教學(xué)順應(yīng)了技術(shù)創(chuàng)新的趨勢(shì)，通過逐漸引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)入完整的項(xiàng)目實(shí)踐，在更連續(xù)持久的項(xiàng)目時(shí)間中培養(yǎng)其創(chuàng)新應(yīng)用能力。

參考文獻(xiàn)

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