物联网背景下嵌入式系统教学改革

邢海霞　索明何　刘长荣

摘 要：在明确嵌入式系统与物联网技术关系的基础上，对嵌入式技术进行了教学改革，包括课程体系的构建，教学内容的选取和教学方法的选择。并将科研项目开发和技能竞赛引入教学改革，从而实现了“学以致用”的教学目标。

关键词：嵌入式系统；物联网；课程体系；教学改革

中图分类号：TP368.1 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2015）12-0-03

0 引 言

物联网（Internet of Things，IoT）是嵌入式系统与互联网发展到高级阶段的融合技术，换言之，物联网是基于互联网的嵌入式系统。物联网主要解决物与物、人与物、人与人之间的互联。物联网已成为当前世界新一轮经济和科技发展的战略制高点之一，发展物联网对于促进经济发展和社会进步具有重要的现实意义。目前，我国物联网在智能工业、智能农业、智能安防、智能交通、智能物流、智能医疗、智能环保、智能家居等领域已经得到应用，且应用模式正日趋成熟。

物联网融合了四大关键技术：传感器技术、嵌入式技术、网络通信技术、分布式信息处理技术，其中嵌入式系统是物联网产业发展的核心推动力。

物联网技术的飞速发展，给嵌入式系统的发展与应用提供了更广泛的空间，同时，也为嵌入式系统的教学内容注入了新鲜血液。然而，物联网技术在给嵌入式系统带来新机遇的同时，也带来了新的挑战。在物联网背景下，嵌入式技术课程体系设置、教学目标、教学方法及教学手段都要相应地进行改革。本文就是基于此背景提出的，旨在为物联网背景下嵌入式技术教学改革提出可行的措施，更好地从嵌入式系统角度学习物联网技术，推动物联网技术的应用，培养高技能物联网技术人才。

1 嵌入式系统教学误区分析

众多高校和培训机构在嵌入式系统教学方面，普遍采用“××微控制器+××操作系统”的教学模式，这将嵌入式系统学习者引入了学习误区，其主要原因是对嵌入式系统的本质没有很好的把握。

嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。通俗地说，除了通用计算机（如台式机和笔记本计算机）外，所有包含CPU的系统都是嵌入式系统。由于嵌入式系统种类繁多，我们可以大致根据微控制器的位数将嵌入式系统分为两大类：高档嵌入式系统和中低档嵌入式系统。其中，高档嵌入式系统的CPU均为32位以上，信息处理量非常大，如手机、导航等多媒体设备；中低档嵌入式系统的CPU均为16位以下，其中8位CPU占主流，主要应用于测控领域。

事实上，嵌入式系统=软件+硬件+行业知识。嵌入式系统不能作为一个单独的专业，因为不同的行业需求不同。嵌入式系统专家应该是某一个行业的专家。嵌入式系统应用技术教学要遵循由简到难、循序渐进的教学原则，从最简单的8位嵌入式系统开始，逐步提升到32位ARM嵌入式系统，等编程水平提高之后，再考虑开设操作系统课程。

2 物联网背景下嵌入式系统课程体系及教学改革

在物联网背景下，嵌入式设备不能作为一个信息孤岛，而是需要加入相应的网络，以便物联网实现资源共享。因此，嵌入式系统课程体系中除了硬件和软件课程外，还需增设相关的网络课程。具体而言，物联网背景下嵌入式系统课程体系由嵌入式技术基础、嵌入式系统设计和嵌入式网络应用三类课程组成，如图1所示。在教学中，笔者将承担的科研项目引入到课堂，引导学生积极参与到科研项目开发中，并且指导学生积极参加嵌入式、物联网技能竞赛，促进了嵌入式技术教学和改革。

2.1 嵌入式技术基础课程教学改革

嵌入式技术基础课程包括了硬件基础和软件基础这两类课程。

2.1.1 嵌入式硬件基础课程

嵌入式硬件基础课程包括电子技术基础和电路设计与工具使用。

（1）电子技术基础

主要结合嵌入式系统和物联网技术特点，突出学习相关的模电、数电和电路分析方法。在教学中，要弱化电子元器件的内部结构原理分析，强化外部特性和功能分析。课程内容参考如下：

①基尔霍夫电流定律和电压定律电路分析方法；

②二极管电路：二极管的伏安特性曲线分析，整流管、开关管、发光管、光敏管、稳压管的外部特性，典型电路分析及实践；

③三极管电路：伏安特性曲线分析；三极管开关和放大的外部特性、典型电路分析及实践；

④集成电路：运放、电压比较器、稳压器、A/D与D/A等集成电路的外部特性、功能分析及实践；

⑤描述模拟信号与数字信号的常用物理量；

⑥数字逻辑基础及概念：数制、逻辑关系（与、或、非等）、常见逻辑恒等式及逻辑电路化简方法；

⑦常见组合电路和时序电路分析及实践。

（2）电路设计与工具使用

该课程主要学习电路设计自动化软件的使用、常用电路板焊接与测试工具的使用。

①为设计满足应用需要的嵌入式系统电路，需要掌握至少一种EDA软件（如Protel或Altium Designer）绘制电路原理图和PCB图的使用方法。

②为了嵌入式系统电路的安装与测试，需要熟练掌握电烙铁、万用表、示波器等工具的使用方法。

2.1.2 嵌入式软件基础课程

嵌入式软件基础课程包括C语言程序设计、C#/Java/Qt程序设计、数据结构和数据库等课程。

（1）C语言程序设计

C语言作为软件设计的入门语言，同时也是当前嵌入式系统与物联网技术软件开发的主流语言，因此，C语言程序设计作为嵌入式软件设计至关重要。笔者结合嵌入式系统软件设计特点，编写了适用于嵌入式、物联网方向的《C语言程序设计》教材，即将在机械工业出版社出版。

（2）C#/Java/Qt程序设计

嵌入式系统开发离不开PC上位机软件设计，因此有必要掌握一门高级语言程序设计，特别需要掌握PC机串行通信软件设计方法。

（3）数据结构

对于高档嵌入式系统，由于其内部资源丰富，CPU运行速度较快，因此软件设计的环节比较宽松，其软件中的数据结构与通用计算机中的数据结构无明显差别。

但对于中低档嵌入式系统，由于内部资源较为紧张，CPU运行速度也较慢，因此软件设计的环节比较紧张，所涉及的数据规模较小，常采用线性表这样的简单数据结构，较少涉及树和图。

数据结构是后续课程《嵌入式操作系统原理及应用》的先修课程，建议在教学中使用由陆玲、周航慈编著的《嵌入式系统软件设计中的数据结构》教材，该教材紧密结合嵌入式系统软件设计而编著，通俗易懂，非常适合教学使用。

（4）数据库

数据库是嵌入式系统的重要组成部分，也成为对越来越多的个性化应用开发和管理而采用的一种必不可少的有效手段，需要熟练掌握SQL数据库编程技术，以便在大型嵌入式、物联网软件设计中对数据进行管理。

2.2 嵌入式系统设计课程的教学改革

嵌入式系统设计课程包括单片机与嵌入式系统、嵌入式操作系统原理及应用两部分课程。

2.2.1 单片机与嵌入式系统

目前以MCU为核心的系统是应用最广的嵌入式系统，该课程需遵循循序渐进的教学原则。以8位单片机原理及应用作为入门课程，学习典型的单片机接口电路设计和编程方法，其中典型的单片机接口电路包括通用输入输出接口电路设计、传感器检测接口电路设计和执行器驱动接口电路设计；编程语言选择方面，第一个单片机例程（一般为LED灯闪烁）可以用汇编语言，以便熟悉单片机内部结构，此后的编程可选用C语言。在熟练掌握8位单片机应用设计后，再进行32位ARM嵌入式系统设计，在ARM嵌入式系统设计教学中，可以用Cortex-M测控系列嵌入式系统设计作为入门，逐步过渡到Cortex-A应用系列嵌入式系统设计。

2.2.2 嵌入式操作系统原理及应用

嵌入式操作系统一般应用于高档嵌入式系统设计中，建议在教学中使用uC/OS作为入门的操作系统，然后过渡到嵌入式Linux。当然在物联网背景下，还需增设Android操作系统应用开发课程。

2.3 嵌入式网络应用课程教学改革

嵌入式网络应用课程包括计算机网络和嵌入式网络接口与编程两部分课程。

2.3.1 计算机网络

通过计算机网络课程，重点学习计算机网络体系结构和TCP/IP结构模型，并熟悉P2P、WSN等网络新技术，为嵌入式网络接口与编程课程奠定良好的理论基础。

2.3.2 嵌入式网络接口与编程

有人一提到“物联网”，会马上想到“无线ZigBee”，这其实是一种误区。物联网的本质是嵌入式系统设备网络化，嵌入式设备通过各种网络最终接入互联网，而所接入的网络可以是有线网络，也可以是无线网络。因此在嵌入式网络接口与编程课程中，既要涉及有线网络，又要涉及无线网络。

嵌入式有线网络有485、CAN总线、以太网、电力线等多种方式，而应用最广的当属CAN总线和以太网。目前越来越多的微控制器内部集成CAN通信控制器，足以说明CAN总线应用越来越广，常用于现场测控领域。以太网是有效实现嵌入式设备接入互联网的有线网络，可利用TCP/IP网络协议实现嵌入式系统与Internet的互联通信，从而实现“人-物”互联。

嵌入式无线网络，有ZigBee、GPRS、GPS、BlueTooth、WiFi等多种方式，笔者在教学中，着重讲解ZigBee、GPRS和GPS的原理及应用。

在教学中，可将上述嵌入式网络综合应用于科研项目研发和嵌入式、物联网竞赛中，以便达到“学以致用”的教学目标。

3 结 语

在明确嵌入式系统与物联网技术关系的基础上，针对目前存在的嵌入式系统教学误区，对嵌入式系统进行教学改革，包括课程体系的构建，教学内容的选取和教学方法的选择。将科研项目开发和技能竞赛引入教学改革，实现“学以致用”的教学目标。

参考文献

[1]索明何，邢海霞.高职院校嵌入式系统应用教学探索与实践[J].科技信息，2010（12）：243.

[2]李志军，张子红，王昊，等. 以设计能力为主线的嵌入式系统教学改革[J].物联网技术，2014，4（10）：86-87，89.

[3]陆玲，周航慈.嵌入式系统软件设计中的数据结构[M].北京：北京航空航天大学出版社，2008.

[4]宋军，王一雄，徐锋.面向物联网的嵌入式系统实验教学改革[J].实验室科学，2011，14（1）：20-22.

[5]何立民.从嵌入式系统视角看物联网[J].单片机与嵌入式系统应用，2010（10）：5-7.

[6]柏斯维.嵌入式将成物联网产业发展主流趋势[EB/OL]. [2010-11-01]. http：//news.rfidworld.com.cn/2010_11/95dfffa07415589c.html.