面向物联网的“嵌入式系统”实验改革探索

孙钰，许福，张海燕，李巨虎，陈志泊

（北京林业大学信息学院，北京100083）

0 引言

物联网是我国“十三五”规划的战略性新兴产业，其专业人才的培养已成为当务之急[1]。目前面向物联网的教学还处在探索阶段，国内外并没有一个成熟的培养模式和课程体系[2]。“嵌入式系统”是物联网专业的一门专业核心课，是“操作系统”“计算机网络”“数字电路”等专业基础课的后续课程，同时又是“无线网络”“物联网应用”“物联网专业实践”等多门主要专业课的先修课程。因此，它在整个教学体系中起着承前启后的重要作用，课程本身及实验应有较高的应用性、前沿性和综合性。

教育部高等学校计算机科学与技术教学指导委员会对物联网专业的指导思想是重点进行应用型、工程型人才的培养[3]。物联网技术专业的设置需要综合考虑相关交叉学科的特点，注重课程体系的交叉融合[4]。

1 “嵌入式系统”实验中存在的问题

“嵌入式系统”实践性强，要求学生在实验中操作硬件，验证嵌入式理论。现阶段主要沿用计算机科学与技术专业的实验内容[5-6]，应用到物联网专业时存在以下不足之处：

（1）实验箱的硬件远远落后于目前的主流嵌入式平台。目前，机房的试验箱型号为UPNETARM2410-S，其处理器属于ARM9系列，为2008年的主流配置，现已停产。然而，随着智能手机的兴起，嵌入式系统获得了超过摩尔定律的发展速度。目前智能机的市场占有率已超过90%。即使低端的Android智能手机（ARM Cortex-A设备），其嵌入式硬件水平也比试验箱先进数倍，有强大的多媒体功能及友好的人机界面，普遍作为物联网的应用层设备。学生在“移动开发”课程中已经接触过先进的嵌入式设备（Android智能机），而在后续的“嵌入式系统”却只能使用老旧的ARM9设备，导致学习积极性低下。

（2）实验未按照物联网三层结构划分模块，导致实验练习的技术路线单一，学生间缺乏分工合作，并只能以个人为单位完成。目前试验箱仅支持嵌入式Linux操作系统，不支持新出现的Android移动操作系统。在嵌入式Linux下，开发语言也局限于C和C++，不能使用Java及Python等现代语言。学生在实验中，仅能练习Linux系统的C/C++编程。另外，软件未根据物联网的三层架构进行模块化分割，学生无法以合作的方式完成实验，更无相应的考核机制。

（3）实验内容与“移动开发”“智能家居”“物联网导论”等新课程缺乏联系，综合性不足。“嵌入式系统”是一门传统课程，早期的嵌入式以工控为主，实验内容也以工控为主。随着成本的下降和物联网的普及，嵌入式已成为消费电子领域的主流技术，而该课程的实验还不能体现嵌入式系统在“互联网+”时代的最新应用，内容缺乏综合性与创新性。

2 教学内容的改革

2.1 试验箱的智能化升级与改造研究

强化试验箱的底层控制功能，标准化其对外接口，保留大部分原有硬件。机房试验箱的处理器属于ARM9系列，ARM公司将其定位为微控制器，适用于物联网底层的控制及传感。尽管ARM9的多媒体功能已经非常落伍，但仍具有很强的底层控制功能，借助其丰富的IO管脚，操作试验箱的步进马达、ADC、DAC、LED及蜂鸣器等硬件。在试验箱的智能化升级与改造中，将弱化多媒体播放，剔除试验箱的多媒体实验（MP3播放、视频播放等），增加控制及传感的内容，并提供符合物联网规范的接口，供上层调用。

为试验箱升级Wi-Fi、蓝牙及3G等无线模块，满足物联网对无线组网的需求。无线组网是物联网的大势所趋，也是学生参与竞赛及招聘的热点问题。而试验箱的网络仍以有线网络为主，以落后的红外及2G无线网络为辅，难以满足现代物联网对无线组网的需求。本项目将采购先进的Wi-Fi，蓝牙4.0及3G模块，通过试验箱已有的串口或USB接口连接新的无线模块，实现平滑升级。

整合Android智能手机，作为试验箱的人机界面与控制中心。目前智能机的市场占有率已超过90%。即使低端的Android智能手机，其硬件水平也比试验箱先进数倍。运行Android的嵌入式系统有强大的多媒体功能及友好的人机界面，普遍作为物联网的应用层设备。学生在先修课程“移动开发”中，已经掌握了在Android设备上进行软件开发的技能。本项目拟采购少量千元级别的国产Android手机，同时发挥学生已有Android手机的作用，借助无线组网技术，实现Android手机对试验箱硬件的远程物联网化操作。

2.2 物联网化的分工协作及考核机制研究

将试验箱定位于感知层、Android智能机定位于应用层，两层保持独立性。根据试验箱及Android手机中嵌入式处理器的等级，将二者分配至物联网合适的位置，发挥各自所长。ARM公司将ARM9处理器定位为微控制器。因此，基于ARM9的UP-NETARM2410-S试验箱型号适用于物联网感知层的控制及传感。运行Android的嵌入式系统有强大的多媒体功能及友好的人机界面，普遍作为物联网的应用层设备。

新增的无线模块定位于物联网传输层，通过标准接口耦合感知层与应用层。新增的Wi-Fi、蓝牙及3G等无线模块作为物联网传输层设备，连接原有的试验箱和新增的Android智能机。试验箱通过标准物联网协议向Android手机提供控制箱内硬件的接口，在保持感知层和应用层松耦合的前提下，完成无线的可感、可传及可控。

设计新的实验考核机制，即根据各层及总体的完成度科学评价学生的实验成绩。新实验题目的各模块分别对应物联网的感知层、传输层和应用层，需要3名学生分工协作，实现各层的功能，并向外提供接口，最终完成物联网整体的联通。在考核时，既要考核本人分工内的完成度，也要考察其在总体中的工作量，合理分配各模块与总体的权重，科学衡量学生的嵌入式实践能力。

2.3 综合前沿课程及“互联网+”创新创业实验题目研究

实验内容整合移动开发和Android系统等多项新技术，增强综合性。尽管试验箱仅支持嵌入式Linux操作系统，不支持新出现的Android移动操作系统。但通过无线模块整合Android智能机后，学生可在试验中使用Java等现代语言实践移动开发技术。与“移动开发”课程不同的是，本课程的实验侧重于Android智能机对传统硬件的控制，而非纯粹的软件开发。通过整合移动开发和Android系统等多项新技术，极大提高了实验的综合性，更好地锻炼学生的软硬件开发能力。

实验选题围绕“互联网+”在智能家居、智慧林业的应用展开。“互联网+”已广泛应用于智能家居、水土保持、物流仓储等行业。嵌入式设备在物联网中处于主导地位。实验的选题不仅仅是简单地远程操作步进马达、读取传感器数据等，而是有具体的应用场景，以智能家居为例，根据Android手机无线读取光线及温度传感器的数据，综合用户的生活习惯，智能决策试验箱控制窗帘马达的启停，营造舒适的家居环境。情景化选题使学生明确学习的目的，提高了学习积极性。

鼓励学生设计新的嵌入式应用场景，升级软件功能，鼓励学生创新创业。物联网的应用日新月异，融入生产生活的方方面面。实验中，鼓励学生在已有硬件的基础上，根据自己的学习心得和生活实践，设计新的应用场景，升级软件部分，特别是Android手机的APP。在保持底层硬件不变及接口稳定的前提下，通过软件升级，适配新的应用场景，使实验中的小型物联网更智能，并在考核中科学评价其创新性。

3 研究方法

（1）加强该课程与先修课和后续课的沟通与交流，总结其在教学方法、考试模式等方面的经验和不足；向兄弟院校的相关专业进行广泛调研，借鉴其方法和手段；获取本专业学生的反馈信息，了解其他专业对课程的需求情况。进行课程优化，处理理论授课与实践授课之间的关系。

（2）选取和搜集物联网在实际生产中的典型案例，提炼案例中的知识点，使其具有整体性、连贯性和实用性。随着实验的推进，学生可以将案例完整地实现出来，能有效地将所学知识点融会贯通，增强自信心、提高学习的动力。

（3）教研结合，注重引导。通过鼓励学生参加各级计算机竞赛、申请大学生创新创业训练项目、参加教师的科研项目等形式，促进学生实践能力和创新性思维的培养，提高学生的应用能力。在实际应用中检验教师的教学效果和学生的学习成果，实现理论与实践的有效结合。

（4）在整个课程改革中，提出稳固基础知识、提高编程能力、开拓知识层面、倡导实践应用的计算机科学与技术专业人才程序设计能力的培养模式，培养出适应经济和社会发展需要的、本领过硬的物联网专业人才。

4 结语

实践证明，对“嵌入式系统”实验的三项改革，加强了实验的综合性、设计性和创新性，解决了“嵌入式系统”课程基础知识与“互联网+”前沿技术的脱节问题，有利于培养具备嵌入式软硬件设计能力的创新创业人才。未来的改革中，我们将进一步强化新兴硬件的引入，及时将“互联网+”创新成果引入课堂。

[1]黄瑜岳,常晋义,许秀兰.物联网工程专业应用型人才培养模式研究[J].计算机教育,2012(23):58-62.

[2]刘鹏.物联网工程专业创新人才培养探索[J].计算机教育,2012(21):9-12.

[3]教育部高等学校计算机科学与技术专业教学指导分委员会.高等学校物联网工程专业发展战略研究报告暨专业规范(试行)[M].北京:机械工业出版社,2012:1-4,22-23.

[4]桂小林.物联网技术专业课程体系探索[J].计算机教育,2010(16):1-3,9.

[5]孙伟,李严,崔晓晗,等.面向应用的嵌入式系统教学改革与探索[J].工业和信息化教育,2016(1):32-36.

[6]鄢秋荣,王玉皞,王艳庆,等.面向软硬件协同设计的嵌入式系统教学改革与实践[J].实验室研究与探索,2016(6):190-193.