新工科模式下“背包實驗室”實踐教學研究

宋繼志 況建東 田新

[摘 要] 傳統實驗設備存在體積大，攜帶不便，不開源以及功能單一等缺點。背包實驗室運用NB-IoT技術、LoRa技術、傳感器開發技術和Arduino單片機開發技術開發了一套便捷、開源、擴展性強的鞋盒大小實驗設備，并給出相應的函數庫，從而更好地促進實踐創新能力培養。

[關鍵詞] 背包實驗室;Arduino;創新實踐

[基金項目] 2018年度中國石油大學教學改革項目“新工科模式下‘背包實驗室實踐教學研究”（SZ201820）

[作者簡介] 宋繼志（1976—），男，山東濟寧人，工學碩士，講師，中國石油大學（華東）計算機學院物聯網工程系副主任，主要從事智能控制方面的研究;況建東（1998—），男，陜西漢中人，中國石油大學（華東）計算機學院2019級研究生，研究方向為人工智能及物聯網控制。

[中圖分類號] G642.0 ? ?[文獻標識碼] A ? ?[文章編號] 1674-9324（2020）36-0385-02 ? ?[收稿日期 2020-03-12

一、前言

背包（口袋）實驗室最初是由斯坦福大學提出的，它將傳統實驗箱的功能集成在一塊火柴盒大小的線路板上。這個mini實驗板有六個組成部分，價格98美元。后來英國的德蒙福特大學也為學生設計了一款以FPGA/ARM為核心的最小系統開發板，供學生在課內外實驗、創新項目開發時使用[1]。

哈爾濱工程大學電工電子中心創建了“圖書館式”單片機開發板，即利用學校圖書管理系統可以借還開發板[2];電子科技大學在2016年也生產了一批錢包大小的LPC1768 ARM Cortex-M3實驗平臺用于學生自行學習[3]。

國內外這些便于攜帶的開發板仍有不少缺陷，如教師提供的技術少，不成體系;實驗板外圍資源少，無法完成較為復雜的系統;教師沒有過程跟蹤，達不到深入學習的目的。

而系統性較好的實驗室模式是以實驗箱為主，學生要在規定時間、地點利用指定實驗箱完成指定的實驗項目，項目多數以演示性、驗證性實驗為主，學生的主動性受到一定限制。IT技術發展較快，往往固定的實驗內容與教學內容脫節，學生在課內除了完成要求的實驗內容外，基本上沒有自主發揮的時間和空間。當學生有奇思妙想時，沒條件將這些創意付諸實施，從而打擊了學生的探索積極性。

二、“背包實驗室”的主要工作

基于以上需求，本文提供一套便攜“背包實驗室”，學生有想法隨時可驗證其創意，從而更好地促進實踐創新能力培養。

“背包實驗室”為一鞋盒大小的塑料盒，體積約為30cm×20cm×12cm，內放置自行設計制作的嵌入式系統開發板以及通信模塊，根據學生研究的內容，老師與學生商定所需的傳感器、數模轉換模塊等，可隨身攜帶，再加上其他便攜資源，學生隨時有想法可及時驗證其創意。

1.背包實驗室設計原則。為實現快速上手、二次開發等目的，開源硬件背包實驗室完成了以下要求：將底層硬件配置透明化，使開發者可以將更多的精力集中于自己的創意以及技術實現上，開發板的引腳全部引出，以提高二次開發能力。

背包實驗室分為硬件、軟件以及基于開源硬件背包的實例項目三部分工作。硬件設計包括Arduino核心板設計、Arduino擴展板設計、傳感器模塊設計以及控制器模塊設計;而軟件設計則包括BC95模塊驅動程序設計和SX1278模塊驅動程序設。基于開源硬件背包的實驗設備設計一套完整的物聯網綜合實驗，其目的有兩個，一是給使用者提供一套完整的參考教程，二是對硬件背包實驗室進行一個功能性的評測。

2.Arduino核心板及擴展板設計。核心板選擇Atmega328P-AU作為主控單元單片機，電路主要由Atmega328P-AU最小系統電路、下載調試電路、電源模塊以及擴展接口四部分組成[4]。預留可能使用到的接口，可以簡化傳感器的連接，同時編寫主要的傳感器模塊以及通信模塊的驅動程序以及例程，降低其使用難度。

背包實驗室通過USB口來連接電腦和Arduino核心板，Arduino IDE通過對應的COM口來進行程序的下載或者調試。由于Atmega328P-AU單片機上使用的是TTL電平信號，而USB采用的是差分信號，兩者信號無法兼容。因此，使用CH340G芯片實現Arduino的UART的TTL信號的轉換，從而可以實現下載程序以及調試的功能。

擴展版將Arduino核心板的引腳全部引出，同時再為SX1278模塊、BC95模塊、常用傳感器和常用控制器預留接口。在繪制PCB時，為了保障PCB能夠正常且穩定的工作，在繪制PCB時應該遵循制版原則。傳感器和控制器模塊是開源硬件背包的重要組成部分，傳感器模塊被用于感知環境，為應用層的決策提供了數據;而控制器模塊則是被用于執行控制命令，是應用層決策的執行者。背包實驗室中一共包含五種傳感器，其中光照傳感器、火焰傳感器、土壤濕度傳感器、是屬于模擬傳感器，需要自行設計外圍電路[5];溫度、濕度傳感器選用了DHT11。最后完成了所有工作后，集成在一塑料盒內，如圖1所示。

3.函數庫及軟件設計。軟件設計包括BC95模塊驅動程序[6]及示例程序設計和SX1278模塊驅動及示例程序程序設計兩部分內容。標準的傳感器驅動程序一般來說有Sensor.h、Sensor.cpp以及Keywords.txt三個文件，其中Sensor.h中主要是聲明傳感器類，以及聲明類中的屬性以及方法，Sensor.cpp中主要是實現Sensor.h中聲明的方法。BC95模塊的驅動程序實現UDP通信與COAP通信，整個驅動程序也是圍繞著這兩點來編寫的，從而實現了BC95模塊與服務器通信。

三、背包實驗室特色

1.設計完成多種“背包實驗室”核心實驗板。

2.標準化設計配套通信模塊，提供LORA、GPRS等進程通信模塊，并進一步優化配套模塊的低功耗設計。

3.設計所需的函數庫完全向學生開源使用。針對進行復雜系統設計，本項目提供標準函數庫，采用C語言進行教學和實驗，完成了LoRa通信模塊驅動程序及其示例程序編寫;完成了NB-IoT通信模塊驅動程序及其示例程序編寫。提供電路源文件和主要代碼，讓學生把主要精力放在解決應用問題上，少花費時間在硬件驅動上，采用循序漸進提高學生能力。

4.過程監督、指導模式建設。由于學生較為分散，而且也不適合集中管理于教學，成立了創新俱樂部團隊，以便于學生相互學習提高，同時配備指導教師團隊用以解答較難的技術問題。

5.成果的推廣，擴大學生受益面。“背包實驗室”的模式已在部分課程中進行試點，本項目日趨完善，后續將擴大到更多適合課程，同時也將進一步擴大的更多的學生，全面培養學生的“新工科”綜合能力和專業素質。

四、取得的成效

1.在新工科背景下，打破傳統實驗室與學生之間的時空壁壘，充分銜接IT界最新技術，以“學生可以承受的成本”，讓學生不受教師和設備限制進行實踐。

2.以新工科為契入點，將嵌入式系統、軟件開發、C語言、EDA、數字電路、單片機、大學生創新創業等多門課程識融合，靈活運用以達到創新能力培養。

3.可以利用該平臺參與畢業設計、各類創新創業計劃和各級學科競賽。

4.教師開發并提供了三百多個函數庫及全部技術文檔，并配有俱樂部團隊為使用者全程指導。

參考文獻

[1]董介春.于瑞濤.衛成兵.口袋實驗室建設與實驗教學改革[J].電氣電子教學學報，2017，39（3）.

[2]初竑邑.房啟志.張麗麗.“口袋實驗室”在電子類專業實踐教學中的應用[J].教育教學論壇，2016（50）.

[3]姜志鵬.陳正宇.閆浩.基于“口袋實驗室”的實踐教學模式實施方法[J].物聯網技術，2015（9）.

[4]ATMEL Corporation.ATMEGA328P-20AU[M].Datasheet，[EB/OL].

[5]姚慶全.楊家潤.高艷飛.模擬傳感器與數字傳感器之比較[J].衡器，2016，45（3）.

[6]上海移遠通信技術有限公司.BC95產品規格書[Z].2018.