物聯網背景下嵌入式系統教學改革

邢海霞　索明何　劉長榮

摘 要：在明確嵌入式系統與物聯網技術關系的基礎上，對嵌入式技術進行了教學改革，包括課程體系的構建，教學內容的選取和教學方法的選擇。并將科研項目開發和技能競賽引入教學改革，從而實現了“學以致用”的教學目標。

關鍵詞：嵌入式系統；物聯網；課程體系；教學改革

中圖分類號：TP368.1 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2015）12-0-03

0 引 言

物聯網（Internet of Things，IoT）是嵌入式系統與互聯網發展到高級階段的融合技術，換言之，物聯網是基于互聯網的嵌入式系統。物聯網主要解決物與物、人與物、人與人之間的互聯。物聯網已成為當前世界新一輪經濟和科技發展的戰略制高點之一，發展物聯網對于促進經濟發展和社會進步具有重要的現實意義。目前，我國物聯網在智能工業、智能農業、智能安防、智能交通、智能物流、智能醫療、智能環保、智能家居等領域已經得到應用，且應用模式正日趨成熟。

物聯網融合了四大關鍵技術：傳感器技術、嵌入式技術、網絡通信技術、分布式信息處理技術，其中嵌入式系統是物聯網產業發展的核心推動力。

物聯網技術的飛速發展，給嵌入式系統的發展與應用提供了更廣泛的空間，同時，也為嵌入式系統的教學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。在物聯網背景下，嵌入式技術課程體系設置、教學目標、教學方法及教學手段都要相應地進行改革。本文就是基于此背景提出的，旨在為物聯網背景下嵌入式技術教學改革提出可行的措施，更好地從嵌入式系統角度學習物聯網技術，推動物聯網技術的應用，培養高技能物聯網技術人才。

1 嵌入式系統教學誤區分析

眾多高校和培訓機構在嵌入式系統教學方面，普遍采用“××微控制器+××操作系統”的教學模式，這將嵌入式系統學習者引入了學習誤區，其主要原因是對嵌入式系統的本質沒有很好的把握。

嵌入式系統是以應用為中心，以計算機技術為基礎，軟硬件可裁剪，適用于應用系統對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴格要求的專用計算機系統。通俗地說，除了通用計算機（如臺式機和筆記本計算機）外，所有包含CPU的系統都是嵌入式系統。由于嵌入式系統種類繁多，我們可以大致根據微控制器的位數將嵌入式系統分為兩大類：高檔嵌入式系統和中低檔嵌入式系統。其中，高檔嵌入式系統的CPU均為32位以上，信息處理量非常大，如手機、導航等多媒體設備；中低檔嵌入式系統的CPU均為16位以下，其中8位CPU占主流，主要應用于測控領域。

事實上，嵌入式系統=軟件+硬件+行業知識。嵌入式系統不能作為一個單獨的專業，因為不同的行業需求不同。嵌入式系統專家應該是某一個行業的專家。嵌入式系統應用技術教學要遵循由簡到難、循序漸進的教學原則，從最簡單的8位嵌入式系統開始，逐步提升到32位ARM嵌入式系統，等編程水平提高之后，再考慮開設操作系統課程。

2 物聯網背景下嵌入式系統課程體系及教學改革

在物聯網背景下，嵌入式設備不能作為一個信息孤島，而是需要加入相應的網絡，以便物聯網實現資源共享。因此，嵌入式系統課程體系中除了硬件和軟件課程外，還需增設相關的網絡課程。具體而言，物聯網背景下嵌入式系統課程體系由嵌入式技術基礎、嵌入式系統設計和嵌入式網絡應用三類課程組成，如圖1所示。在教學中，筆者將承擔的科研項目引入到課堂，引導學生積極參與到科研項目開發中，并且指導學生積極參加嵌入式、物聯網技能競賽，促進了嵌入式技術教學和改革。

2.1 嵌入式技術基礎課程教學改革

嵌入式技術基礎課程包括了硬件基礎和軟件基礎這兩類課程。

2.1.1 嵌入式硬件基礎課程

嵌入式硬件基礎課程包括電子技術基礎和電路設計與工具使用。

（1）電子技術基礎

主要結合嵌入式系統和物聯網技術特點，突出學習相關的模電、數電和電路分析方法。在教學中，要弱化電子元器件的內部結構原理分析，強化外部特性和功能分析。課程內容參考如下：

①基爾霍夫電流定律和電壓定律電路分析方法；

②二極管電路：二極管的伏安特性曲線分析，整流管、開關管、發光管、光敏管、穩壓管的外部特性，典型電路分析及實踐；

③三極管電路：伏安特性曲線分析；三極管開關和放大的外部特性、典型電路分析及實踐；

④集成電路：運放、電壓比較器、穩壓器、A/D與D/A等集成電路的外部特性、功能分析及實踐；

⑤描述模擬信號與數字信號的常用物理量；

⑥數字邏輯基礎及概念：數制、邏輯關系（與、或、非等）、常見邏輯恒等式及邏輯電路化簡方法；

⑦常見組合電路和時序電路分析及實踐。

（2）電路設計與工具使用

該課程主要學習電路設計自動化軟件的使用、常用電路板焊接與測試工具的使用。

①為設計滿足應用需要的嵌入式系統電路，需要掌握至少一種EDA軟件（如Protel或Altium Designer）繪制電路原理圖和PCB圖的使用方法。

②為了嵌入式系統電路的安裝與測試，需要熟練掌握電烙鐵、萬用表、示波器等工具的使用方法。

2.1.2 嵌入式軟件基礎課程

嵌入式軟件基礎課程包括C語言程序設計、C#/Java/Qt程序設計、數據結構和數據庫等課程。

（1）C語言程序設計

C語言作為軟件設計的入門語言，同時也是當前嵌入式系統與物聯網技術軟件開發的主流語言，因此，C語言程序設計作為嵌入式軟件設計至關重要。筆者結合嵌入式系統軟件設計特點，編寫了適用于嵌入式、物聯網方向的《C語言程序設計》教材，即將在機械工業出版社出版。

（2）C#/Java/Qt程序設計

嵌入式系統開發離不開PC上位機軟件設計，因此有必要掌握一門高級語言程序設計，特別需要掌握PC機串行通信軟件設計方法。

（3）數據結構

對于高檔嵌入式系統，由于其內部資源豐富，CPU運行速度較快，因此軟件設計的環節比較寬松，其軟件中的數據結構與通用計算機中的數據結構無明顯差別。

但對于中低檔嵌入式系統，由于內部資源較為緊張，CPU運行速度也較慢，因此軟件設計的環節比較緊張，所涉及的數據規模較小，常采用線性表這樣的簡單數據結構，較少涉及樹和圖。

數據結構是后續課程《嵌入式操作系統原理及應用》的先修課程，建議在教學中使用由陸玲、周航慈編著的《嵌入式系統軟件設計中的數據結構》教材，該教材緊密結合嵌入式系統軟件設計而編著，通俗易懂，非常適合教學使用。

（4）數據庫

數據庫是嵌入式系統的重要組成部分，也成為對越來越多的個性化應用開發和管理而采用的一種必不可少的有效手段，需要熟練掌握SQL數據庫編程技術，以便在大型嵌入式、物聯網軟件設計中對數據進行管理。

2.2 嵌入式系統設計課程的教學改革

嵌入式系統設計課程包括單片機與嵌入式系統、嵌入式操作系統原理及應用兩部分課程。

2.2.1 單片機與嵌入式系統

目前以MCU為核心的系統是應用最廣的嵌入式系統，該課程需遵循循序漸進的教學原則。以8位單片機原理及應用作為入門課程，學習典型的單片機接口電路設計和編程方法，其中典型的單片機接口電路包括通用輸入輸出接口電路設計、傳感器檢測接口電路設計和執行器驅動接口電路設計；編程語言選擇方面，第一個單片機例程（一般為LED燈閃爍）可以用匯編語言，以便熟悉單片機內部結構，此后的編程可選用C語言。在熟練掌握8位單片機應用設計后，再進行32位ARM嵌入式系統設計，在ARM嵌入式系統設計教學中，可以用Cortex-M測控系列嵌入式系統設計作為入門，逐步過渡到Cortex-A應用系列嵌入式系統設計。

2.2.2 嵌入式操作系統原理及應用

嵌入式操作系統一般應用于高檔嵌入式系統設計中，建議在教學中使用uC/OS作為入門的操作系統，然后過渡到嵌入式Linux。當然在物聯網背景下，還需增設Android操作系統應用開發課程。

2.3 嵌入式網絡應用課程教學改革

嵌入式網絡應用課程包括計算機網絡和嵌入式網絡接口與編程兩部分課程。

2.3.1 計算機網絡

通過計算機網絡課程，重點學習計算機網絡體系結構和TCP/IP結構模型，并熟悉P2P、WSN等網絡新技術，為嵌入式網絡接口與編程課程奠定良好的理論基礎。

2.3.2 嵌入式網絡接口與編程

有人一提到“物聯網”，會馬上想到“無線ZigBee”，這其實是一種誤區。物聯網的本質是嵌入式系統設備網絡化，嵌入式設備通過各種網絡最終接入互聯網，而所接入的網絡可以是有線網絡，也可以是無線網絡。因此在嵌入式網絡接口與編程課程中，既要涉及有線網絡，又要涉及無線網絡。

嵌入式有線網絡有485、CAN總線、以太網、電力線等多種方式，而應用最廣的當屬CAN總線和以太網。目前越來越多的微控制器內部集成CAN通信控制器，足以說明CAN總線應用越來越廣，常用于現場測控領域。以太網是有效實現嵌入式設備接入互聯網的有線網絡，可利用TCP/IP網絡協議實現嵌入式系統與Internet的互聯通信，從而實現“人-物”互聯。

嵌入式無線網絡，有ZigBee、GPRS、GPS、BlueTooth、WiFi等多種方式，筆者在教學中，著重講解ZigBee、GPRS和GPS的原理及應用。

在教學中，可將上述嵌入式網絡綜合應用于科研項目研發和嵌入式、物聯網競賽中，以便達到“學以致用”的教學目標。

3 結 語

在明確嵌入式系統與物聯網技術關系的基礎上，針對目前存在的嵌入式系統教學誤區，對嵌入式系統進行教學改革，包括課程體系的構建，教學內容的選取和教學方法的選擇。將科研項目開發和技能競賽引入教學改革，實現“學以致用”的教學目標。

參考文獻

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