嵌入式及物聯(lián)網(wǎng)基礎實驗系統(tǒng)

哈爾濱理工大學 黑龍江哈爾濱 150080

嵌入式系統(tǒng)是計算機、自動化和電子通信等眾多學科發(fā)展交匯的產(chǎn)物，屬于當前最熱門、最有發(fā)展前途的IT應用領域，嵌入式技術開發(fā)人才成為炙手可熱的緊缺人才，嵌入式人才市場需求大，但其門檻高、人才培養(yǎng)難度大已是不爭的事實。為了滿足社會對嵌入式人才的需求，嵌入式系統(tǒng)系列課程已經(jīng)成為計算機、自動化、電氣工程、測控技術、通信工程等多個相關專業(yè)的專業(yè)主干課程[1]。許多高校也先后設立了嵌入式專業(yè)方向，其教學大綱差別不大，學生一般在大一、大二進行通識課和相關專業(yè)基礎課的學習，到大三才開始嵌入式方向?qū)I(yè)課的學習[2]，采用傳統(tǒng)的8位51單片機或32位的ARM單片機進行實驗教學，由于嵌入式系統(tǒng)設計的復雜性，教學效果不理想，畢業(yè)時往往只有極少數(shù)學生才能掌握其相關技術。

1 實驗系統(tǒng)研制的背景和意義

學校2010年設立了嵌入式專業(yè)方向，該方向選課人數(shù)逐年下降，學生學習嵌入式技術的興趣越來越小。如何激發(fā)學生的興趣、解決嵌入式技術入門難的問題一直困擾著我們。

2015年進行了教學大綱修訂，開始嘗試將開源創(chuàng)客平臺Arduino引入嵌入式教學，在大一開設嵌入式培訓課程，在大一上學期學生學習C語言和C++語言后，開設嵌入式系統(tǒng)入門基礎課程，大一的下學期開設嵌入式系統(tǒng)設計與實踐課程。

基于Arduino的嵌入式及物聯(lián)網(wǎng)基礎實驗系統(tǒng)即是配合課程改革而研制的。實驗系統(tǒng)2015年年初立項，2016年實現(xiàn)量產(chǎn)，有力地支撐了課程的實驗和實踐教學。

2 實驗系統(tǒng)的研制

2.1 實驗系統(tǒng)的設計理念

嵌入式及物聯(lián)網(wǎng)實驗系統(tǒng)的設計理念，源于嵌入式系統(tǒng)硬件設計越來越趨向于模塊化，即在核心板或最小系統(tǒng)的基礎上，外擴包括各種傳感器、人機交互、輸入輸出設備和通信等多種模塊。另外，嵌入式系統(tǒng)作為物聯(lián)網(wǎng)的感知層，其與物聯(lián)網(wǎng)應用系統(tǒng)密不可分，同時也加劇了市場對嵌入式人才的需求。除此之外，實驗系統(tǒng)支撐的另外兩門課程—嵌入式技術基礎和物聯(lián)網(wǎng)工程導論課程，均為嵌入式方向?qū)I(yè)基礎課程，教學內(nèi)容以講授基礎理論為主，并不涉及具體技術，故其實驗重點應該放在與實際應用結合緊密的系統(tǒng)設計與實現(xiàn)上。選擇Arduino板作為核心控制器，就是由于開源創(chuàng)客平臺Arduino屏蔽了硬件的復雜性，具有平臺資源豐富、成本低、支持的模塊眾多、開發(fā)簡單、上手快等優(yōu)勢[3]。

2.2 實驗系統(tǒng)的組成及功能

實驗系統(tǒng)由嵌入式技術基礎實驗箱和配套的物聯(lián)網(wǎng)實驗盒兩部分組成。其實物圖如圖1所示，實驗系統(tǒng)組成的嵌入式實驗室如圖2所示。

圖1 嵌入式及物聯(lián)網(wǎng)基礎實驗系統(tǒng)

圖2 嵌入式基礎實驗室

2.2.1 嵌入式技術基礎實驗箱

嵌入式技術基礎實驗箱以Arduino 2560單片機為核心，DC5V供電。包括傳感器擴展板、控制主板、多種輸入輸出模塊、面包板、音箱、遙控器、杜邦線、USB數(shù)據(jù)線、電源轉換器等。主要硬件設計如下。

(1)傳感器擴展板：將Arduino大部分引腳和電源擴展出來，方便與多種模塊連接；另外還設計了SPI，I2C總線接口和數(shù)碼管串行接口，以及ZigBee模塊接口等專用插座，方便了物聯(lián)網(wǎng)應用系統(tǒng)的設計。擴展板還設計了獨立電源端子，增加電源驅(qū)動能力。

(2)控制主板：將電機驅(qū)動、指示燈、分立元件設計在一塊PCB板上，用杜邦線與傳感器擴展板連接。包括指示燈、光敏電阻、DHT11傳感器、電位器、蜂鳴器、三色燈、紅外接收頭和藍牙模塊等。

(3)數(shù)碼管和LCD液晶：采用并轉串技術，將所需I/O接口降低到3個。

實驗箱可開設的實驗包括：第一，有線和無線通信模塊實驗：異步串口通信、日歷時鐘模塊(I2C總線)、SD卡和RFID模塊(SPI總線)、紅外無線接收、藍牙模塊和ZigBee模塊等實驗。第二，人機交互接口模塊實驗：按鍵、蜂鳴器、遙控器、數(shù)碼管顯示和液晶顯示等實驗。第三，輸入/輸出接口實驗：溫濕度、光強度、超聲波測距、直流電機、步進電機和舵機等實驗。第四，物聯(lián)網(wǎng)應用及綜合實驗：智能家居、倒車雷達、智能小車、門禁系統(tǒng)和醫(yī)護管家等實驗。

在此基礎上，可將模塊任意組合，或添加某些模塊和電路，完成各種創(chuàng)意設計。軟件設計均提供封裝類庫，屏蔽了硬件的復雜性。

2.2.2 物聯(lián)網(wǎng)實驗盒

物聯(lián)網(wǎng)實驗盒由Arduino單片機和無線通信擴展板組成。擴展板集成了ZigBee模塊、GSM/GPRS模塊和WiFi模塊。

實驗盒可以獨立完成或與嵌入式技術基礎實驗箱組合完成多種物聯(lián)網(wǎng)應用實驗。目前已開發(fā)3種模塊的AT命令調(diào)試、參數(shù)設置，Xbee和WiFi模塊的通信實驗，GSM/GPRS模塊的通信，發(fā)短信實驗以及物聯(lián)網(wǎng)綜合應用實驗等8個實驗。

采用圖3所示的實驗方案，可實現(xiàn)多個物聯(lián)網(wǎng)應用系統(tǒng)。其中，物聯(lián)網(wǎng)盒上的Zigbee模塊設置為協(xié)調(diào)器，實驗箱上的Zigbee模塊設為路由器，可形成星型結構的無線傳感器網(wǎng)絡。協(xié)調(diào)器接收路由器上傳數(shù)據(jù)，通過物聯(lián)網(wǎng)盒上的WiFi模塊或GPRS模塊將數(shù)據(jù)上傳云平臺。云平臺下傳的命令或數(shù)據(jù)由協(xié)調(diào)器發(fā)送給路由器。智能終端或手機APP通過WiFi或4G網(wǎng)絡與云平臺通訊，可實現(xiàn)多領域的物聯(lián)網(wǎng)應用，例如：智能家居、遠程監(jiān)控系統(tǒng)等。

圖3 物聯(lián)網(wǎng)應用結構圖

3 實驗系統(tǒng)解決的教學問題

目前嵌入式實驗箱配套物聯(lián)網(wǎng)實驗盒，已開發(fā)了三十多個實驗，支撐了4門課程的實驗教學，多種類型的實驗設計滿足了實驗教學的要求，通過閱讀實驗指導書，學生可獨立完成實驗的硬件設計和軟件設計。嵌入式技術是實踐性很強的技術，實驗箱的研制使得課程教學方法的改革成為可能。例如，50學時的嵌入式技術基礎課程，由教改前的“44學時(理論)+6學時(實驗)”改革成“30學時(理論)+10學時(實驗)+10學時(實踐)”。4門課程實驗實踐學時見表1。

表1 4門課程實驗實踐學時分配表

實驗包括硬件設計和軟件設計兩部分，首先進行硬件設計：在實驗指導書的引導下，學生首先了解和掌握實驗原理，分析或設計實驗原理圖，然后用杜邦線進行硬件連接，體驗和實際應用與系統(tǒng)設計相近的高度模塊化的硬件設計技術，完成硬件設計。之后進行軟件設計：在Arduino IDE集成開發(fā)環(huán)境下，采用C，C++語言，按照編輯、編譯、下載、運行、調(diào)試和結果分析等步驟完成軟件設計。

實驗內(nèi)容的設計力求做到實用性、趣味性和多樣性相結合，例如，三色燈顏色漸變功能模擬景觀燈應用場景，蜂鳴器實驗可按簡譜播放歌曲，音箱可實現(xiàn)MP3播放器，按鍵、遙控、數(shù)碼管、液晶等實驗體現(xiàn)了常用的人機交互模塊的使用方法。串口，SD卡和RFID卡讀寫(SPI總線)，日歷時鐘(I2C總線)，紅外、藍牙以及物聯(lián)網(wǎng)盒中的ZigBee模塊，GPRS模塊，WiFi模塊的實驗，可以體驗多種有線和無線通信模塊在嵌入式系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)中的應用。而輸入輸出設備實驗包括溫濕度、光強度、超聲波測距、直流電機、步進電機和舵機等實驗。

實驗程序的設計不僅包含了各種函數(shù)庫和接口的使用方法說明，也包含了嵌入式系統(tǒng)設計技術中的高級(難點)技術，即外中斷和定時中斷。

實驗系統(tǒng)可促進學生嵌入式相關科學知識和技術的學習，樹立科學意識，熟練掌握嵌入式系統(tǒng)設計流程和方法，在實踐中不斷積累經(jīng)驗，掌握實驗操作技能。

4 實驗系統(tǒng)的創(chuàng)新性和特色

(1)目前國內(nèi)市場上未見到同類產(chǎn)品的出現(xiàn)，而網(wǎng)上銷售的Arduino入門套件成本雖低，但功能有限，模塊各自獨立，用于個人學習尚可，并不適合實驗教學。

(2)實驗箱的電路主板的設計將多種小型元器件和驅(qū)動電路集成在主板上；傳感器擴展板的設計使Arduino大部分引腳可直接用插孔式杜邦線連接；將多種模塊和主板固定在實驗箱的底板上，大大簡化了硬件設計過程。硬件設計時，學生在理解了電路原理后，只要用插孔式杜邦線連接器件和模塊即可，將由于初學者硬件連接和操作不當造成的硬件損壞降到最低，大大降低了硬件維護成本和工作量。

(3)并轉串模塊化設計，有效減少了引腳數(shù)，節(jié)省了Arduino板大量輸入/輸出接口資源。

(4)面包板的設計目的是提高實驗系統(tǒng)的擴展性。

(5)實驗盒一盒多用的創(chuàng)新性設計，在有限的面積內(nèi)，集成了3種通信模塊，采用短路套設計技術，僅通過一根USB線即可完成編程功能。同時替代了USBTTL轉換器和XBee擴展板的使用。

(6)軟件采用C，C++編程技術。Arduino是開源的創(chuàng)客平臺，在系統(tǒng)內(nèi)封裝了大量的類庫函數(shù)[4]。軟件開發(fā)流程簡單，使得編程上手容易，短時間內(nèi)能完成多種應用系統(tǒng)設計，可激發(fā)嵌入式技術初學者的興趣，感受設計樂趣，在玩中學，在做中學。

其特色體現(xiàn)在以下幾個方面。

(1)性能穩(wěn)定。近三年的實驗和實踐教學表明：嵌入式基礎實驗箱和物聯(lián)網(wǎng)實驗盒穩(wěn)定可靠，硬件故障率很低。

(2)易于操作和安全性好。由于實驗箱的高度集成化和模塊化，硬件設計只需用插孔杜邦線連線即可，簡單方便，一般情況下系統(tǒng)采用USB數(shù)據(jù)線5 V供電即可滿足供電要求，安全可靠，當實驗系統(tǒng)需要較大驅(qū)動電流時，也可外接電源。Arduino IDE開發(fā)環(huán)境從官方網(wǎng)站下載后，不用安裝，直接運行，非常方便，對上位機要求很低。

(3)通用性強。Arduino的軟硬件均是開源的，所有資源可免費從官網(wǎng)獲得。它是極客和創(chuàng)業(yè)者的首選。也適合其他專業(yè)的嵌入式技術的教學和學習使用。

(4)實用性。實驗系統(tǒng)有力地了支撐4門課程的實驗和實踐教學，已開發(fā)實驗三十多個，包括驗證性、研究性和綜合性三大類，另外在技能訓練、畢業(yè)設計實踐教學環(huán)節(jié)、電子設計大賽和物聯(lián)網(wǎng)大賽、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目中，實驗系統(tǒng)都發(fā)揮了重要的作用。

(5) 實驗系統(tǒng)成本很低且便于推廣。實驗系統(tǒng)很好地促進了學生實踐和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)?；贏rduino的實驗系統(tǒng)解決了困擾教師多年的嵌入式技術門檻高，學生厭學、棄學的難題。

5 結語

由于Arduino實驗系統(tǒng)的簡單易用性，大大降低了學習的門檻和難度，使學生克服了學習嵌入式技術的畏難情緒，短時間內(nèi)激發(fā)學習興趣，并能切身體會到實際應用系統(tǒng)設計與實現(xiàn)后的樂趣和成就感。為今后進一步深入學習51或ARM系列單片機打下了良好的基礎。

大一學生在完成C語言、C++語言、嵌入式入門基礎和嵌入式系統(tǒng)設計與實踐課程的學習之后，經(jīng)過在實驗箱上近60學時的實驗和實踐后，自信心和主動參與度有了很大的提高，利用Arduino板參加學院智能車比賽、黑龍江省物聯(lián)網(wǎng)和全國大學生電子設計大賽等，多名學生獲獎，學習Arduino之前這是不可能的，組隊參加比賽的過程，同時培養(yǎng)了學生的團結、合作精神。

近三年的實驗教學結果表明：嵌入式及物聯(lián)網(wǎng)基礎實驗系統(tǒng)促進了學生嵌入式相關科學知識和技術的學習，在嵌入式人才培養(yǎng)教學過程中發(fā)揮了重要作用，并在第五屆全國高等學校教師自制實驗教學儀器設備創(chuàng)新大賽中榮獲三等獎。