基于工程项目引领的嵌入式系统实验设计

谭筠梅，王履程，蓝 天

(兰州交通大学 a.国家级计算机实验教学示范中心；b.电子与信息工程学院，兰州 730070)

基于工程项目引领的嵌入式系统实验设计

谭筠梅a，王履程b，蓝 天a

(兰州交通大学 a.国家级计算机实验教学示范中心；b.电子与信息工程学院，兰州 730070)

针对目前嵌入式系统实践教学存在的问题，探索并提出了以工程项目引领为基础的实验教学新模式。根据嵌入式实验教学目的和嵌入式工程人才培养要求，设计了具体可行的实验项目。学生通过完成该工程项目的软硬件设计，极大地提高了学习积极性及创新能力，教学实践表明，效果良好。

嵌入式系统；项目引领；实践教学；创新能力

嵌入式系统是一个多技术融合的研究领域，随着它的广泛应用，嵌入式技术已经成为高校计算机硬件课程体系的核心课程。该课程实践性强，仅仅只依靠有限的课堂理论教学和一些验证性实验，学生缺少对该课程的感性认识，同时，学生的动手实践能力、创新探索精神也得不到锻炼和提高[1]。为了解决这些问题，结合学校大学生创新实验项目，我们探索并提出了以工程项目引领为基础的嵌入式系统实验教学模式，通过实际工程项目来培养嵌入式复合型创新人才。教学过程中，我们以工程项目为载体，将理论教学的主要内容贯穿于其中，做到了理论与实践相结合[2]。

1 基于工程项目引领的实验方式

嵌入式系统是一门较能激发学生主动学习和动手实践的实用性课程，但当前绝大多数的实验无法提高学生的创新能力，也无法满足企业的用人需求。培养能够站在系统的高度考虑和解决问题且具有系统层面的认知和设计能力的嵌入式人才是社会的急需。为此，需要设计一种新型的嵌入式系统综合实验方式，不断提高学生设计与实现嵌入式系统的工程实践能力与创新能力。

在现代教学思想指导下，根据嵌入式系统课程的特点，开设的实验应以实验目标为导向，实验内容为载体，创新能力为核心。当前，嵌入式系统的教学和应用结合已成为趋势，新型的嵌入式系统实验应该是基于系统级、项目引领、任务驱动式的实验。项目引领式教学就是组织学生真实地参加特定项目的设计、制作及调试，让学生从亲身经历中获得经验和技能，从而达到理论联系实际[3-4]。

初学嵌入式系统的学生的基础一般比较薄弱，工程项目的设计应该覆盖嵌入式系统的基础理论知识，同时，又要是完整但易于开发的软硬件应用系统。学生通过完成该系统的设计和开发，可以充分了解嵌入式系统的工作原理以及在实际工程项目中的开发和应用方法，以此为基础，学生进而可以开发难度更高、应用更广泛的项目。

2 实验项目背景及总体构架

实验项目的工程背景是设计完成一种基于嵌入式技术的智能无人值守仓库监测系统。基于无人值守仓库的基本需求并结合成本要求，针对每种仓库的不同仓储条件，需要学生设计出一种可移植性强、适用范围广、基于无线传感器网络的仓库自动监测报警系统。该系统可以对实时采集到的仓库内的多种环境数据进行分析，可以对这些环境参数的上下限阈值进行设定，当出现危险情况时，将向仓库管理人员发送预警信息，使得在无人值守的情况下可以实时掌握仓库的环境状况，便于管理人员及时给出应对方案[5]。另外，基于安全的考虑，系统应该带有一些可以自动启动的安全设备模块来调节仓库的环境，如换气扇、空调、消防设备、门禁报警设备等。

系统的基本组成主要包括数据采集模块、数据处理模块、结果执行模块、数据显示模块和报警模块[6]，实现过程如图1所示。

图1 系统实现过程

3 实验项目设计

3.1 硬件设计

3.1.1 硬件模块选型

根据实验要求，设计出的硬件芯片系统构成框图如图2所示。核心处理器可以选用多种芯片，实验室常见的有LPC1114芯片、STC89C52芯片、S3C2410芯片等。LPC1114芯片是一种基于ARM Cortex-M0的32位微控制器，可用于高集成度和低功耗的嵌入式应用。它是目前市场上尺寸较小、功耗最低的32位ARM处理器，代码资源占用小，是超低功耗MCU和混合信号应用的理想之选[7]。由于本设计程序量较大、处理速度要求较高，且LPC1114芯片的功耗、尺寸符合设计要求，所以，学生多选用其作为整个监测系统的核心处理器。

环境监测传感器选用DS18B20数字温度传感器、DHT11湿度传感器、MG811二氧化碳传感器。为了减少多点监控布线的麻烦，烟雾检测器、水浸检测器、门禁系统数据传输采用无线PT2272射频接收芯片。该芯片具有电路简单、接收性能良好等特点。GSM模块采用西门子TC35模块，这是一个支持中文短信息的工业级GSM模块，工作在EGSM900和GSM1800双频段，电源范围为直流3.3～5.5 V，电流在空闲状态为25 mA，发射状态为300 mA(平均)，可以传输语音和数据信号，支持Text和PDU格式的SMS(短消息)收发。

图2 系统框图

外围人机交互设备采用LCD12864液晶屏显示监测和报警信息，采用4×4键盘设置温度、湿度、二氧化碳等的上下限阈值。

3.1.2 硬件模块参数指标

各模块的参数指标如下：

1)电源。3.3～18 V。

2)工作电流。静态监控≤18 mA，报警≤10 mA。

6)GSM延迟发送时间为2～3 s。

7)无线门禁检测、无线烟感检测和无线浸水检测。工作电压:DC 5 V±0.2 V；工作频率:315 MHz/433.92 MHz；调制方式:ASK/OOK；调制速率:2 Kbit/s；工作灵敏度:-100 dBm。

3.2 系统软件设计

系统底层软件设计包括Linux操作系统的移植、驱动程序的开发及无线网络通信协议的设计[8]。系统上层软件工作基本流程如图3所示。

图3 系统软件流程图

首先，初始化各个模块，如GSM握手连接、串口初始化、传感器初始化、液晶和DS1302初始化等；其次，经键盘设置温度、湿度、二氧化碳初始上下限阈值；然后，系统实时读取温度、湿度、二氧化碳传感器数据并对无线门禁传感、无线烟雾传感、无线浸水进行检测；最后，处理器分析和处理接收到的数据并将处理结果显示于中文液晶显示器上，如果有报警信息，将由处理器控制GSM模块发送信息，系统打开执行机构并鸣笛报警。

4 结束语

本实验已经应用到实际教学中，学生通过工程项目式的训练，极大地提高了学习热情和创新能力。以本实验为基础，我们又设计不同层次的多个工程项目式的嵌入式系统实验，把课堂实验扩展到开放实验、创新实验，鼓励学生积极参与、自主开发，对于优秀的学生作品，鼓励学生参加不同层次的比赛。创新实验教学，提高学生创新能力是一个长期的过程，我们将继续探索理论教学和实验教学一体化的方法，以一种创新的工程项目训练模式培养社会需要的高素质嵌入式人才。

[1]王晓迪，孙建国，武俊鹏，等.以培养创新型人才为目标的计算机硬件实验教学的研究与探索[J].实验室科学,2013，16(1):92-95.

[2]宋春林，刘富强，郭爱煌.“旨在提高工程实践与创新能力”的多层次嵌入式系统实验体系[J].计算机教育,2012(12)：86-88.

[3]黄晓玲，段凤云．嵌入式系统实验教学体系的探索与实践[J].实验室研究与探索，2006，25(4):85-87．

[4]李妍.项目化教学在嵌入式系统实践课程中的探索[J].实验室科学,2012,15(5):27-29.

[5]黄培，徐立鸿，王乐达，等.基于GSM/GPRS 的温室环境远程监控系统设计[J].微型机与应用,2012(18):45-50.

[6]王加丽，仇润鹤.基于GPRS 短消息的温室环境无线监测系统[J].微型电脑应用,2012(5):20-22.

[7]马维华.嵌入式系统原理及应用[M].北京：北京邮电大学出版社，2010：47-113.

[8]陈文智，王总辉.嵌入式系统原理与设计[M].北京：清华大学出版社，2011：13-18.

Design for the Embedded System Experiments Teaching Based on the Project Leading

TAN Junmeia，WANG Lüchengb，LAN Tiana

(a. National Computer Experimental Teaching Demonstration Center; b. School of Electronic and Information Engineering，Lanzhou Jiaotong University，Lanzhou 730070，China)

For the problems existing in the embedded system experiment teaching, a new teaching mode led by the engineering project is explored and put forward. According to the embedded experimental teaching purpose and embedded engineering personnel training requirements，some feasible and pilot experiments are designed. This teaching mode greatly improves the student’s learning enthusiasm and innovative ability by completing the hardware and software design of the project. Teaching practice shows that the teaching effect is good.

embedded system; project leading; practical teaching; innovation ability

2013-11-27；修改日期: 2014-02-12

兰州交通大学2013年实验教改基金资助项目(201301)。

谭筠梅(1977-)，女，在读博士，讲师，研究方向：计算机网络技术、嵌入式技术。

TP39；G642.423

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2014.06.034