嵌入式系統聯誼會“物聯網教育和產業發展趨勢”探討

本刊記者 楊迪娜

物聯網通過多年政府的支持與引導，在企業及從業者的共同努力下，產業正在不斷完善和發展。近年來國際著名IT 企業紛紛投資物聯網，核心技術不斷成熟，物聯網與傳統產業、IT 技術的交叉融合在逐級深入，催生諸多新興業態和新的應用。工業領域的工業物聯網和工業4.0將深化物聯網的應用，并引導產業進入一個新的發展階段。前景雖好，現實依然嚴峻，中國物聯網產業缺少具有規模和號召力的應用，核心技術掌握在國外少數大企業手里等問題還沒有解決。

與此同時，龐大的市場需要也刺激了高校對物聯網專業的增設，高校、企業和學生對于物聯網專業教學模式和物聯網就業也出現了不同的聲音。近日，嵌入式系統聯誼會第16次主題討論會如期而至，會議主題——研討物聯網教育和產業發展趨勢。本次會議邀請到多位多位專家學者做精彩報告，由何小慶主持發言，吸引了來自高校、科研、企業和科技媒體的各界代表參與了交流和討論。

大唐電信集團集成電路創新中心 孫加興博士

淺談對物聯網的認識

最重要的變化發生在產業價值鏈，單獨的硬件與軟件的價值在逐漸減少，而服務價值在大量增加。IP 核產業也以嵌入式處理器為主導。在工藝方面，封裝會變得越來越重要，多數IDM 企業放棄最先進工藝研發，轉為Fabless，以節約更多成本；傳感器、邏輯工藝、數?；旌瞎に嚨募赡芰Τ蔀楦偁幍年P鍵。新物聯網時代的到來，也形成了以嵌入式處理器＋連接性IP為主導的技術趨勢，無所不在的連接在發揮重要作用，實現不同設備間的互聯互通是物聯網首要解決的問題，做服務的企業其價值會提升得更為明顯。

移動互聯網和物聯網作為未來移動通信發展的兩大主要驅動力，為5G提供了廣闊的應用前景。5G的應用場景有如下特點：連續廣域覆蓋、熱點高容量、低時延、高可靠、低功耗、大連接。5G雄心勃勃一開始就瞄準了IoT應用。

2013年12 月，Qualcomm 公司將AllJoyn（采用Apache和BSD 許可協議）捐贈給了物聯網聯盟AllSeen。兩個版本的AllJoyn已經被發布，包括SDK。AllJoyn項目能擴展到所有高階OS 平臺，從Android 到iOS，再到Linux、OpenWRT、Windows，甚至各種內存和處理能力極度受限的嵌入式RTOS 解決方案。與此同時，三星、ARM、Nest 三家公司強強聯手推出了Thread，通過6LoWPAN 技術支持IPv6。Thread可支持250個以上設備同時聯網，能夠覆蓋到家中所有的燈泡、開關、傳感器和智能設備。Thread 是基于ZigBee的，也就是說原有的ZigBee設備只需更新軟件即可兼容Thread。

孫博士預測：在低密度計算領域，可能會出現一家新的能與ARM 抗衡的IP公司；服務＋硬件＋軟件，即服務至上的理念才是未來的發展趨勢；IoT 將對相關產業進行一次行業大洗牌，某些產業中間環節將消失；中國企業將引領IoT 的關鍵創新。

江南大學物聯網工程學院 柴志雷副教授

面向MOOC教學的物聯網遠程實驗室建設探討

風靡全球的MOOC越來越成為一種重要的網絡教學手段，但是在硬件方面的課程MOOC缺少在線實時實驗平臺的支持，虛擬仿真的方式無法使學生感同身受地體會真實的硬件平臺，無法與真實工作環境接軌，因此物聯網教學與實踐需要一種可以滿足多樣化的軟、硬件通信的實驗平臺。

因此，江南大學選用FPGA 作為多門物聯網相關課程的實驗平臺。FPGA 適合直接用于海量、連續、并發的物聯網大數據的處理，同時FPGA SoC為實現遠程實驗室進一步提供了便利。通過互聯網把后臺的FPGA 開發板與終端的用戶相連接，讓用戶擁有與現場使用FPGA 開發板一樣的體驗。這樣，不僅可為物聯網MOOC 課程提供在線教學平臺，使學生不必花錢購買開發板，即可通過MOOC網絡課程直接訪問FPGA 開發板，而且可為智能硬件的創新、創業提供低成本驗證平臺。

江南大學的物聯網工程學院打造了一個FPGA 的云平臺，為不同類型用戶提供了統一的開發交流平臺，且用戶無須購買即可遠程體驗FPGA 硬件及開發環境。

柴老師談到，實現硬件遠程訪問需要解決三個關鍵技術：

①FPGA 開發板的網絡接入能力；

②對FPGA 節點物理資源的管理，使用戶可隨時更新邏輯設計而不影響系統；

③FPGA 開發板的接口設計與外接傳感器管理。

建設方案實施如下：首先搭建了FPGA 操作系統（RELAX），用戶模塊提交時不需要重新Boot Linux系統，這樣才能使遠程訪問成為可能。FPGA系統既不是基于Linux，也不是基于Windows，而是建立在FPGA 上。這樣做的優勢在于，可通過FPGA系統直接管理FPGA的裸片。FPGA 操作系統（RELAX）優勢如下：

①提升易用性：眾所周知，FPGA 功耗低、計算性能高，但是很少有人用的原因就是使用難度較大。屏蔽底層物理細節、使FPGA 開發板升級為FPGA 計算機后，可以讓原本極少數專家才能勝任的算法FPGA 實現，變成眾多的軟件人員就可以完成。

②增強系統可靠性：相比用戶直接在FPGA 裸片上開發，RELAX限制了用戶對物理資源的任意操作，確保用戶的誤操作不會導致系統崩潰；

③提供可信控制：提供相應的認證機制，確保硬件IP只能被授權的用戶運行；

④提高系統安全性：內嵌硬件加密機制，確保數據的安全使用。

柴老師現場通過網站展示了用FPGA 操作系統搭建的機器人：高性能、低功耗。功耗不超過5W；滿足絕大多數機器人系統的硬件接口需要；配置了采用硬件同步的雙目攝像頭；以軟硬件協同方式支持機器人操作系統ROS；配置有FPGA 操作系統；支持用戶以C／C＋＋高級語言開發FPGA 模塊。

ARM 公司亞太區大學計劃經理 陳煒

ARM IoT課程開發匯報

20世紀90年代，12位英國工程師拿到了一筆費用，開始在英國的谷倉中創業——做移動芯片。這個公司就是今天大名鼎鼎的ARM。隨著時代的發展、歷史變遷，截止到2014年底，25年中ARM 芯片的全球出貨量達到了600億片，未來也許只用5年芯片的出貨量就可以達到600億片，而ARM 的愿景就是打造全球的移動芯片標準。隨著移動互聯、智能硬件的發展，各種產品對ARM 芯片的需求越來越高，2014年ARM 芯片的出貨量達到100億片。

在整個電子產業界，從近端設備到遠端的服務器和云端，ARM 都想留下自己的身影。ARM 下一個重點關注的領域是：大數據、云計算、數據中心。ARM 正在與自己的合作伙伴合作，推廣自己的服務器。在群雄逐鹿的物聯網產業中，ARM 和眾多合作伙伴一起在移動計算和物聯網領域中占得先機。

ARM 大學計劃部分則重點進行人才培養，從嵌入式系統到操作系統，從服務器到云計算，要給教育界提供整套的解決方案。

ARM 認為物聯網是一個大的概念，可以分成六個領域：工業互聯、可穿戴、智能醫療、智能家居、車聯網、企業IoT。ARM 大學計劃的初衷就是把這些技術領域共性的東西以教材的形式呈現出來，縮短大學教育與實際工業界的距離。結合目前的課件、教材或者進行二次開發，使學生離實際的工作更接近。

ARM 課程的創新點如下：把硬件、軟件、教材打包，與眾多芯片廠商合作，推廣課程計劃，芯片廠商公司則基于ARM 芯片來制作開發板，兩者合作打造一體化的課程，這樣可給老師提供更多的選擇，可選用不同的硬件平臺授課。

對于目前比較流行的IoT 課程，基于挪威公司Nordic的nRF51822芯片開發了IoT課程，與ST公司合作開發了最新的課程化設計。對于這些教材，ARM 大學計劃下一步要把它們全部視頻化，打造網絡化和視頻化學習方式。

北京麥克泰軟件技術有限公司董事長／北航軟件學院教師 何小慶

物聯網教學：所見與所行

何老師兼職做北航軟件學院的講師，他結合自己去美國重點大學參觀訪問的經歷，為大家分享了物聯網教學中的寶貴經驗。哈佛大學開設的物聯網課程也面向本科生，同時還有課程實踐，數據挖掘、機器學習、信息安全等內容較多。伯克利學校的物聯網課程采用的是講座的形式。哥倫比亞大學電子工程系的課程內容則更接近國內物聯網課程，涵蓋嵌入式系統、通信（WiFi和藍牙）、云計算平臺和智慧城市應用開發等內容。

何老師分享了北航軟件學院物聯網專業的可穿戴系統設計與實現課程的主要內容，包括：可穿戴系統簡介、可穿戴系統支撐技術、可穿戴系統結構和平臺、藍牙通信和可穿戴傳感器技術、MCU、接口、RTOS和GUI、低功耗設計和可穿戴創業等內容。實驗環境則包含：硬件STM32F401、Nucleo Sensor 和藍牙擴展板和Arduino LCD 擴展 板、STM32Cube、OSXMotionFX 傳 感 器 庫 和BlueNRG 低功耗藍牙庫。最后的工程設計作業要用到傳感器算法、App和藍牙等技術，并綜合到一個應用里面。

何小慶老師不僅教授給學生基礎課程，還給予學生創業指導。在教學中選擇STM32Nucleos的開放式開發環境，可以快速地進行可穿戴應用開發，而且固件庫非常豐富、便于應用。

自由討論環節，聯誼會委員、上海復旦大學陳章龍教授，清華大學邵貝貝教授，北大林金龍教授，北理工馬忠梅副教授，單片機與嵌入式系統雜志主編何立民教授以及浙江大學翁愷博士，諾基亞中國研究中心原研究員陳燦峰博士等到會與大家分享了他們對物聯網教學、科研和產業發展的理解，以期幫助大家理清思路，共謀中國物聯網產業創新發展、新機遇。

欲深入了解各位專家的精彩報告，請登錄聯誼會網站www.ebsf.org.cn，或與本刊編輯部聯系。組成、計算機系統結構、編譯原理等多門硬件類課程的遠程實驗。突破的關鍵技術主要是通過FPGA 操作系統使得FPGA 芯片可觀可控，便于用戶邏輯隨時更新。

圖8 執行用戶程序后遠程平臺的結果展示形式

下一步的工作計劃是，除了增加更多FPGA 節點滿足更多用戶的需求外，還將基于該平臺提供一門課程的具體實驗，為更多MOOC課程基于該平臺開展實驗提供參考。

需要說明的是，遠程實驗室在一些方面還無法完全達到本地實驗室的使用體驗，如需要根據情況更新外設模塊，或需要用測試儀器觀察不同引腳等多種情況。但本文提出的遠程實驗室平臺為大規模共享硬件平臺進行了有益探索，而且遠程實驗室不受時間、空間限制，隨時隨地可以進行大規模共享的優點也是本地實驗室無法具備的。

關于作者

任小媛（實驗師），研究方向為交互式設計。柴志雷，2006年畢業于復旦大學計算機系，獲理學博士學位；2010～2011年在美國賓夕法尼亞大學機器人實驗室從事博士后研究；現為江南大學物聯網工程學院副教授、研究生導師，擔任計算機系主任。柴志雷是中國計算機學會體系結構專業委員會委員、嵌入式系統專業委員會委員、中國計算機學會無錫分部委員、ACM 會員；擔任多個國際學術期刊和會議的審稿人；發表研究論文50篇左右；獲得中國商業聯合會科學技術進步一等獎1項；申請國家發明專利8項，已授權2項。他的研究方向為面向智能機器人的新型計算機系統，所研究的機器人計算機已在多個單位得到實際應用。