一种基于嵌入式系统的多维协同与对比教学模式探讨

2022-10-19周浩宇张历卓

物联网技术 2022年10期

刘波，周浩宇，张历卓

（湖南农业大学信息与智能科学技术学院，湖南长沙 410128）

0 引言

当前社会高科技创新技术不断涌现，社会发展步伐不断加速，人们对美好生活的向往也在不断提高，因此需要不断提高相应生产力水平，物联网技术与物联网工程专业就是时代需求的产物。

物联网技术在信息交换过程中需要借助一定的感应装置完成信息的收集，同时借助网络功能完成信息传送和处理，因此其技术随着旺盛的社会需求已渗透到社会每个角落，作为物联网工程专业的综合课程—嵌入式系统更需要将理论知识与实践紧密结合，然而当前嵌入式系统教学依旧面临许多困境：

（1）理论过多，实践不足。在当前飞速发展的物联网行业，如何在有限的时间内将理论与实践结合，让学生深刻体验嵌入式系统课程的精髓很重要，由于相应师资缺乏，常导致理论讲不透、实践接不上。

（2）实验环节简单。由于信息技术发展迅速，而实验内容更新缓慢，开发板不仅老旧，实验内容也很陈旧，与当前快速发展的物联网技术严重脱节。

（3）知识点分散，串联困难。要将物联网知识点串连起来，需要有足够的时间参与多轮项目训练，而当前有限的课程实验时间难以满足这一要求。

针对以上问题，国内高校也进行了一系列探索，如万洪丹老师针对光电类课程在教学方式、主体、评价体系等方面的实际问题，提出了以“多维协同”教学模式改进光电类课程教学方法、构建高效课堂；孔英会老师针对不同课程教学独立授课的知识体系不完整、与后续环节研究实践能力培养缺少衔接、个体差异显著、教学方法手段单一、考核评价方式单一等问题，提出多维协同的“现代通信理论”课程教学模式；惠斌老师在分析把握成果导向教育思想的基础上，初步构建了多维协同教学模式；刘威老师在分析当前嵌入式系统课程教学中存在问题的基础上，紧贴系统能力培养目标，提出从知识体系、教学方法、创新实践3个方面进行改革，设计全覆盖的知识体系和模块化教学内容，结合协同式教学方法和多平台融合的实践驱动策略，共同形成闭环教学模式；鄢秋荣老师针对软硬件协同设计已成为嵌入式系统的发展趋势和嵌入式系统课程的教学现状这一现象，提出面向软硬件协同设计的嵌入式课程教学改革措施，构建了基于创新实践的递进式嵌入式课程体系，改进了面向软硬件协同设计的课堂教学内容。

为提高本专业学生的综合能力、加深软硬件协同开发经验，特将嵌入式系统课程设置为大四最后一门综合性课程，本课题组在“嵌入式系统”课程多年教学基础上，针对本专业教学特点，提出了一种多智能体协同控制与对比教学模型，可有效融合本专业各知识点。

1 教学模型

为串联物联网工程专业各知识点，本课题组在综合多年物联网创新实验室工作与嵌入式系统教学等经验的基础上，以STM32F407与Cortex-A53两类开发板为依托，利用市面上可采购的多种传感器，结合STM32cubeMX6+Keil5、Ubuntu16+Qt5以及Spring Boot 2 的 Web 网络与Android Studio移动开发等功能，组织了一个多智能体协同控制与对比教学模型，如图1与图2所示。

图1 多智能体STM32协同控制模型

图2 多智能体A53协同控制模型

STM32模型主要通过485、CAN协议实现开发板之间的信息传递，也能通过ZigBee协议完成各开发板无线组网、网络协调器、全功能设备与精简功能设备的组网功能。同时，中心结点通过WiFi或蓝牙与Web服务器通过Netty协议完成高并发信息处理，再通过接口调用，完成移动终端数据动态显示与图形显示功能。

为加强功能对比，实现了基于A53开发板的多智能体协同控制模型，模型主要基于Ubuntu16系统，利用Qt等编程工具实现传感器驱动的编写、编译与调用，通过ZigBee协议完成各开发板的无线组网功能，并通过WiFi或蓝牙与Web服务器通过Netty协议完成信息传递；通过相应按钮实现与Web服务器控制相应传感器的功能。此举有助于学生理解信号与系统、通信原理、无线传感器原理、嵌入式系统等课程的知识结点。

2 模型框架结构

根据模型设计要求开发对应的系统。系统主要由硬件模块与软件模块组成。

2.1 硬件模块

开发板由多块意法半导体或Cortex-A53开发板组成，通过汇聚结点连接其他结点，通信协议可以选择485、CAN、Web等，实现灵活组网功能。

通信模块主要由ESP8266或蓝牙汇聚结点与Web服务器进行数据交互。为解决信息高并发处理问题，特引进Netty功能包。

传感器模块主要利用市场上的主流传感器进行实验，包括常见的温湿度传感器、人体红外传感器、超声波传感器、土壤传感器等，它们之间通过CAN、485或Web进行内部结点间数据传递。

2.2 软件模块

主要利用C、C++、Java语言分别实现系统启动、TCP连接、数据传输、数据存储、数据展示与可视化、信息交互等功能。系统操作交互流程如图3所示。

图3 系统操作交互流程

3 三维协同操作

（1）知识点关联迭代

根据物联网工程专业特点，可以从课程间横向维度，即嵌入式协同课程、相关知识单元，以及相应教学案例进行嵌入式系统课程多维协同的教学模式探索与实践，知识点如图4所示。在“嵌入式系统”课程中融入物联网技术软硬件协同设计思想，将原本相对独立的各项软硬件基础能力和专业课程知识单元进行综合，提升物联网工程专业学生解决物联网技术相关复杂工程问题的能力，强化学生创新意识能力的培养。

图4 多维知识点关联框架方案图

（2）教学协同信息互动

目前课程考察学生学习效果的主要方式是期未闭卷考试，这种教学考核方式无法测试学生的综合素质，学生往往临时抱佛脚、熬夜死记硬背、考完就忘，而现在的考核分为两种：一是课堂教学，借助网络实现预习、复习、提问、练习，成绩划分为平时分、机试分、笔试分，并以机试分为主，更能测试学生的应变能力；二是创新教学，通过大学生创新实验室培养动手能力强的学生，主要体现在创新比赛、申报项目、撰写研究论文、申请创新专利及软件著作权等方面，从学习与创新维度促进嵌入式系统课程教学。多维协同教学模式教学信息流传递图如图5所示。

图5 多维协同教学模式教学信息流传递图

（3）教学效果对比

设计教学效果对比方法，通过录制教学视频进行线上学习、改变考试评价方法、学生制作学习模型等形式，进一步对嵌入式系统课程教学改革成果进行定量、定性分析，让学生将创新意识带入工作岗位。课程教学效果对比方法如图6所示。

图6 课程教学效果对比方法

主要教学效果对比方法如下：

（1）研究软硬件协同设计的思想，主要包括学习一种能够描述软件和硬件的单一语言；基于物联网技术优化授课实现过程；研究模块功能划分策略，包括不同功能在不同类型硬件上的实现方法；利用自动控制原理分析自动化实现方法。

（2）研究思维训练模式，将本系统按设计模式思想进行模块化学习，优化设计方案与代码。

（3）研究对比教学法，由于本课程大部分内容与研究生物联网技术课程相同，因此将物联网工程专业学生学习成果与研究生教育有机结合，部分代码可以先在本科生中实现，通过测试学生的实践能力，再将另一部分在研究生教学中实现。对比两个专业不同层次学生的实现情况，根据学生反馈，不断优化教学方案。

4 模型实现关键点

针对模型3个维度研究内容进行分析，相应实现关键点如下：

（1）嵌入式课程关联框课程间维度协同

按照物联网工程专业培养方案，从知识体系的完整性与内容的关联性考虑，构建嵌入式系统知识框架，以新工科、新基建为背景，从发送、通信、展示的基本构成出发，按照基本功能模块介绍嵌入式系统的基本理论和技术，注重理论和工程实际结合，根据嵌入式系统发展热点5G通信和工业互联网、物联网技术，探索实际理论知识的运用和具体问题的解决。

关联框课程间教学过程中各部分内容根据重要程度分配不同学时，强调各模块在整个嵌入式系统中的作用、性能要求、系统结构、应用场景、需要解决的问题，教学过程需要与协同课程衔接，结合应用案例强化学习效果。可喜的是，这些课程基本上由本课程组成员担任，因此协调相对容易，也易于连贯，形成整体。

（2）嵌入式课程与其他个性化需求维度的协同

这部分主要体现在利用ICEDA软件绘制对应电路图，并对其进行分析，掌握系统开发、测试、运行原理等方面知识点。要理解硬件模型，就必须先利用工具软件绘制对应电路，在后续开发中，才能很好地理解信号输出、如何读取其信号、利用相应算法实现读取值的修正等。

（3）基于Netty框架实现数据高并发处理

Netty作为当前最流行的NIO框架，具有健壮性、可定制性和扩展性，虽然其内部实现复杂，但对外提供了简单易用的API。为解决多个开发板、多个传感器数据传输问题，特在Spring Boot与Android开发方法中，各自引入Netty框架，解决数据高并发处理问题。

（4）考核评价方式的优化

为更好地评价教学成果，在综合训练前提下，更好地激励学生学习，平时成绩以提交实验代码为主。要求学生不仅能演示实验代码，更要简单解释代码内容，期未考试以机试为主，要求至少完成3个不同传感器的数据采集、传输及动态展示。