嵌入式系统联谊会“物联网教育和产业发展趋势”探讨

本刊记者 杨迪娜

物联网通过多年政府的支持与引导，在企业及从业者的共同努力下，产业正在不断完善和发展。近年来国际著名IT 企业纷纷投资物联网，核心技术不断成熟，物联网与传统产业、IT 技术的交叉融合在逐级深入，催生诸多新兴业态和新的应用。工业领域的工业物联网和工业4.0将深化物联网的应用，并引导产业进入一个新的发展阶段。前景虽好，现实依然严峻，中国物联网产业缺少具有规模和号召力的应用，核心技术掌握在国外少数大企业手里等问题还没有解决。

与此同时，庞大的市场需要也刺激了高校对物联网专业的增设，高校、企业和学生对于物联网专业教学模式和物联网就业也出现了不同的声音。近日，嵌入式系统联谊会第16次主题讨论会如期而至，会议主题——研讨物联网教育和产业发展趋势。本次会议邀请到多位多位专家学者做精彩报告，由何小庆主持发言，吸引了来自高校、科研、企业和科技媒体的各界代表参与了交流和讨论。

大唐电信集团集成电路创新中心 孙加兴博士

浅谈对物联网的认识

最重要的变化发生在产业价值链，单独的硬件与软件的价值在逐渐减少，而服务价值在大量增加。IP 核产业也以嵌入式处理器为主导。在工艺方面，封装会变得越来越重要，多数IDM 企业放弃最先进工艺研发，转为Fabless，以节约更多成本；传感器、逻辑工艺、数模混合工艺的集成能力成为竞争的关键。新物联网时代的到来，也形成了以嵌入式处理器＋连接性IP为主导的技术趋势，无所不在的连接在发挥重要作用，实现不同设备间的互联互通是物联网首要解决的问题，做服务的企业其价值会提升得更为明显。

移动互联网和物联网作为未来移动通信发展的两大主要驱动力，为5G提供了广阔的应用前景。5G的应用场景有如下特点：连续广域覆盖、热点高容量、低时延、高可靠、低功耗、大连接。5G雄心勃勃一开始就瞄准了IoT应用。

2013年12 月，Qualcomm 公司将AllJoyn（采用Apache和BSD 许可协议）捐赠给了物联网联盟AllSeen。两个版本的AllJoyn已经被发布，包括SDK。AllJoyn项目能扩展到所有高阶OS 平台，从Android 到iOS，再到Linux、OpenWRT、Windows，甚至各种内存和处理能力极度受限的嵌入式RTOS 解决方案。与此同时，三星、ARM、Nest 三家公司强强联手推出了Thread，通过6LoWPAN 技术支持IPv6。Thread可支持250个以上设备同时联网，能够覆盖到家中所有的灯泡、开关、传感器和智能设备。Thread 是基于ZigBee的，也就是说原有的ZigBee设备只需更新软件即可兼容Thread。

孙博士预测：在低密度计算领域，可能会出现一家新的能与ARM 抗衡的IP公司；服务＋硬件＋软件，即服务至上的理念才是未来的发展趋势；IoT 将对相关产业进行一次行业大洗牌，某些产业中间环节将消失；中国企业将引领IoT 的关键创新。

江南大学物联网工程学院 柴志雷副教授

面向MOOC教学的物联网远程实验室建设探讨

风靡全球的MOOC越来越成为一种重要的网络教学手段，但是在硬件方面的课程MOOC缺少在线实时实验平台的支持，虚拟仿真的方式无法使学生感同身受地体会真实的硬件平台，无法与真实工作环境接轨，因此物联网教学与实践需要一种可以满足多样化的软、硬件通信的实验平台。

因此，江南大学选用FPGA 作为多门物联网相关课程的实验平台。FPGA 适合直接用于海量、连续、并发的物联网大数据的处理，同时FPGA SoC为实现远程实验室进一步提供了便利。通过互联网把后台的FPGA 开发板与终端的用户相连接，让用户拥有与现场使用FPGA 开发板一样的体验。这样，不仅可为物联网MOOC 课程提供在线教学平台，使学生不必花钱购买开发板，即可通过MOOC网络课程直接访问FPGA 开发板，而且可为智能硬件的创新、创业提供低成本验证平台。

江南大学的物联网工程学院打造了一个FPGA 的云平台，为不同类型用户提供了统一的开发交流平台，且用户无须购买即可远程体验FPGA 硬件及开发环境。

柴老师谈到，实现硬件远程访问需要解决三个关键技术：

①FPGA 开发板的网络接入能力；

②对FPGA 节点物理资源的管理，使用户可随时更新逻辑设计而不影响系统；

③FPGA 开发板的接口设计与外接传感器管理。

建设方案实施如下：首先搭建了FPGA 操作系统（RELAX），用户模块提交时不需要重新Boot Linux系统，这样才能使远程访问成为可能。FPGA系统既不是基于Linux，也不是基于Windows，而是建立在FPGA 上。这样做的优势在于，可通过FPGA系统直接管理FPGA的裸片。FPGA 操作系统（RELAX）优势如下：

①提升易用性：众所周知，FPGA 功耗低、计算性能高，但是很少有人用的原因就是使用难度较大。屏蔽底层物理细节、使FPGA 开发板升级为FPGA 计算机后，可以让原本极少数专家才能胜任的算法FPGA 实现，变成众多的软件人员就可以完成。

②增强系统可靠性：相比用户直接在FPGA 裸片上开发，RELAX限制了用户对物理资源的任意操作，确保用户的误操作不会导致系统崩溃；

③提供可信控制：提供相应的认证机制，确保硬件IP只能被授权的用户运行；

④提高系统安全性：内嵌硬件加密机制，确保数据的安全使用。

柴老师现场通过网站展示了用FPGA 操作系统搭建的机器人：高性能、低功耗。功耗不超过5W；满足绝大多数机器人系统的硬件接口需要；配置了采用硬件同步的双目摄像头；以软硬件协同方式支持机器人操作系统ROS；配置有FPGA 操作系统；支持用户以C／C＋＋高级语言开发FPGA 模块。

ARM 公司亚太区大学计划经理 陈炜

ARM IoT课程开发汇报

20世纪90年代，12位英国工程师拿到了一笔费用，开始在英国的谷仓中创业——做移动芯片。这个公司就是今天大名鼎鼎的ARM。随着时代的发展、历史变迁，截止到2014年底，25年中ARM 芯片的全球出货量达到了600亿片，未来也许只用5年芯片的出货量就可以达到600亿片，而ARM 的愿景就是打造全球的移动芯片标准。随着移动互联、智能硬件的发展，各种产品对ARM 芯片的需求越来越高，2014年ARM 芯片的出货量达到100亿片。

在整个电子产业界，从近端设备到远端的服务器和云端，ARM 都想留下自己的身影。ARM 下一个重点关注的领域是：大数据、云计算、数据中心。ARM 正在与自己的合作伙伴合作，推广自己的服务器。在群雄逐鹿的物联网产业中，ARM 和众多合作伙伴一起在移动计算和物联网领域中占得先机。

ARM 大学计划部分则重点进行人才培养，从嵌入式系统到操作系统，从服务器到云计算，要给教育界提供整套的解决方案。

ARM 认为物联网是一个大的概念，可以分成六个领域：工业互联、可穿戴、智能医疗、智能家居、车联网、企业IoT。ARM 大学计划的初衷就是把这些技术领域共性的东西以教材的形式呈现出来，缩短大学教育与实际工业界的距离。结合目前的课件、教材或者进行二次开发，使学生离实际的工作更接近。

ARM 课程的创新点如下：把硬件、软件、教材打包，与众多芯片厂商合作，推广课程计划，芯片厂商公司则基于ARM 芯片来制作开发板，两者合作打造一体化的课程，这样可给老师提供更多的选择，可选用不同的硬件平台授课。

对于目前比较流行的IoT 课程，基于挪威公司Nordic的nRF51822芯片开发了IoT课程，与ST公司合作开发了最新的课程化设计。对于这些教材，ARM 大学计划下一步要把它们全部视频化，打造网络化和视频化学习方式。

北京麦克泰软件技术有限公司董事长／北航软件学院教师 何小庆

物联网教学：所见与所行

何老师兼职做北航软件学院的讲师，他结合自己去美国重点大学参观访问的经历，为大家分享了物联网教学中的宝贵经验。哈佛大学开设的物联网课程也面向本科生，同时还有课程实践，数据挖掘、机器学习、信息安全等内容较多。伯克利学校的物联网课程采用的是讲座的形式。哥伦比亚大学电子工程系的课程内容则更接近国内物联网课程，涵盖嵌入式系统、通信（WiFi和蓝牙）、云计算平台和智慧城市应用开发等内容。

何老师分享了北航软件学院物联网专业的可穿戴系统设计与实现课程的主要内容，包括：可穿戴系统简介、可穿戴系统支撑技术、可穿戴系统结构和平台、蓝牙通信和可穿戴传感器技术、MCU、接口、RTOS和GUI、低功耗设计和可穿戴创业等内容。实验环境则包含：硬件STM32F401、Nucleo Sensor 和蓝牙扩展板和Arduino LCD 扩展 板、STM32Cube、OSXMotionFX 传 感 器 库 和BlueNRG 低功耗蓝牙库。最后的工程设计作业要用到传感器算法、App和蓝牙等技术，并综合到一个应用里面。

何小庆老师不仅教授给学生基础课程，还给予学生创业指导。在教学中选择STM32Nucleos的开放式开发环境，可以快速地进行可穿戴应用开发，而且固件库非常丰富、便于应用。

自由讨论环节，联谊会委员、上海复旦大学陈章龙教授，清华大学邵贝贝教授，北大林金龙教授，北理工马忠梅副教授，单片机与嵌入式系统杂志主编何立民教授以及浙江大学翁恺博士，诺基亚中国研究中心原研究员陈灿峰博士等到会与大家分享了他们对物联网教学、科研和产业发展的理解，以期帮助大家理清思路，共谋中国物联网产业创新发展、新机遇。

欲深入了解各位专家的精彩报告，请登录联谊会网站www.ebsf.org.cn，或与本刊编辑部联系。组成、计算机系统结构、编译原理等多门硬件类课程的远程实验。突破的关键技术主要是通过FPGA 操作系统使得FPGA 芯片可观可控，便于用户逻辑随时更新。

图8 执行用户程序后远程平台的结果展示形式

下一步的工作计划是，除了增加更多FPGA 节点满足更多用户的需求外，还将基于该平台提供一门课程的具体实验，为更多MOOC课程基于该平台开展实验提供参考。

需要说明的是，远程实验室在一些方面还无法完全达到本地实验室的使用体验，如需要根据情况更新外设模块，或需要用测试仪器观察不同引脚等多种情况。但本文提出的远程实验室平台为大规模共享硬件平台进行了有益探索，而且远程实验室不受时间、空间限制，随时随地可以进行大规模共享的优点也是本地实验室无法具备的。

关于作者

任小媛（实验师），研究方向为交互式设计。柴志雷，2006年毕业于复旦大学计算机系，获理学博士学位；2010～2011年在美国宾夕法尼亚大学机器人实验室从事博士后研究；现为江南大学物联网工程学院副教授、研究生导师，担任计算机系主任。柴志雷是中国计算机学会体系结构专业委员会委员、嵌入式系统专业委员会委员、中国计算机学会无锡分部委员、ACM 会员；担任多个国际学术期刊和会议的审稿人；发表研究论文50篇左右；获得中国商业联合会科学技术进步一等奖1项；申请国家发明专利8项，已授权2项。他的研究方向为面向智能机器人的新型计算机系统，所研究的机器人计算机已在多个单位得到实际应用。