創新物聯網的嵌入式教學體系

? 引言

　　隨著信息技術的發展，嵌入式系統教學仍需要進一步的探索和改進。近年來，物聯網技術的飛速發展，給嵌入式系統的應用和發展提供了更廣泛的空間，同時，也為嵌入式系統的教學和實踐內容注入了新鮮血液。然而，物聯網技術在給嵌入式系統帶來新機遇的同時，也帶來了新的挑戰。

　1? 物聯網與嵌入式系統課程體系

　　物聯網（Internet of things, IOT）的概念是在1999年提出的，根據2005年國際電信聯盟（ITU）的定義，物聯網主要解決物到物（Thing to Thing, T2T）、人到物（Human to Thing, H2T）、人到人（Human to Human, H2H）之間的互聯。這一高度交叉的新興前沿領域在國際上備受關注，美國IBM公司基于物聯網提出“智慧的地球”概念；中國科學院早在物聯網概念誕生之初就啟動了傳感網研究，2009年，無錫物聯網產業研究院成立，***考察時提出“感知中國”的概念。

　　盡管目前從技術角度對物聯網還沒有確切的定義，但公認的說法是，它融合了四大關鍵技術：傳感器技術、嵌入式系統技術、現代網絡及無線通信技術、分布式信息處理技術。由此可見，嵌入式系統在物聯網技術中扮演著至關重要的角色。而且，嵌入式系統與物聯網這兩者具有相輔相成的關系：嵌入式系統技術為物聯網的發展提供必要的技術支撐，促進物聯網的工程應用，提升物聯網的產業規模；而物聯網的發展為嵌入式系統技術的發展提供了新的應用領域，為嵌入式系統的應用提供了更廣泛的空間，必然有助于嵌入式系統技術實現新的跨越式發展。

　　嵌入式系統課程本身作為一個新興的課程體系，得到了越來越多的學者的關注。然而，在物聯網技術快速發展的大背景下，嵌入式系統的課程體系應該有所調整，以適應時代的發展。如圖1所示，課程體系不僅包含傳感器、單片機等若干基礎課程，還包含了嵌入式系統的實踐開發環節，即面向物聯網的嵌入式系統開發與應用。

面向物聯網的嵌入式系統課程體系

　　圖1? 面向物聯網的嵌入式系統課程體系

　　2? 理論教學

　　嵌入式系統理論教學內容主要圍繞ARM嵌入式微處理器、嵌入式操作系統和嵌入式系統的應用和前沿發展；教學目的是熟悉設計方法，掌握嵌入式系統開發技術。理論教學一般不少于12學時，不多于總學時的一半。筆者一般控制在16學時左右，授課內容主要包括：

　　a? 嵌入式系統概述；

　　b? ARM內核嵌入式微處理器；

　　c? 嵌入式實時操作系統及其移植；

　　d? 嵌入式系統交叉開發環境；

　　e? 物聯網與嵌入式系統的應用；

　　3? 面向物聯網的嵌入式系統實驗；

　　3.1? 層次化實驗設計

　　理論教學為實驗實踐環節提供了必要的知識基礎，而實驗和實踐環節則在鞏固理論基礎的同時，進一步提高了動手能力，開發了創造潛能。筆者選用周立功公司的MagicARM2210S嵌入式實驗開發平臺，除包含主流的各種串行接口和GPIO口外，還包含以太網接口、GPS（全球定位系統）模塊接口、CAN總線接口等。針對這些接口和物聯網的應用背景，筆者設計了3個層次的實驗，以滿足不同階段的實驗和實踐需求，如表1所列。實驗層次由淺入深，不同的實驗層次對應不同的實驗項目，而且組織形式也不同。基礎性實驗主要目的在于熟悉方法。而綜合性實驗和創新性實驗則多是以物聯網的應用為基礎的，在于提高能力。3個層次的實驗循序漸進，逐步提高，為進一步的實踐開發和畢業設計打下了良好的基礎。

表1? 面向物聯網的嵌入式實驗層次化設計

　　3.2? 物聯網項目實踐環節

　　通過項目實踐來鍛煉和提高動手能力的重要性是毋庸置疑的。2009年，我校啟動“物聯網在森林環境監測和保護中的應用”項目，筆者負責物聯網中間層的嵌入式網關設計，主要功能模塊如圖2所示。GPS模塊接口主要采集終端的經度緯度信息，而無線數據收發模塊主要收集各終端傳感器發送的溫度、土壤濕度、日照等環境信息。這些終端信息通過ARM處理器打包成UDP數據包，通過以太網網絡接口傳送給基站服務器。

物聯網網關硬件框圖

　　圖2? 物聯網網關硬件框圖

　　筆者通過第二課堂，組織學有余力的同學成立興趣小組，將物聯網網關分割成若干子題目，交由各興趣小組，模擬項目的形式實踐開發。比如，“GPS數據采集與處理”子課題，首先需要移植μC/OS操作系統，然后移植LwIP網絡協議棧，最后再以多任務的形式從GPS模塊接口讀取數據并打包成UDP數據包，發送到網絡。這其中，需要興趣小組的成員合理分工，在實踐中學習合作。經過筆者和興趣小組近一年的共同努力，嵌入式物聯網網關成功地將布置在紫金山的終端傳感器數據傳送到基站網絡服務器。物聯網一個終端的環境監測信息如圖3所示。

物聯網終端數據