為了適應(yīng)后PC時代人才培養(yǎng)的要求,，越來越多的高校開設(shè)了嵌入式系統(tǒng)相關(guān)課程,。就不同的行業(yè)背景和應(yīng)用背景，眾多高校同仁在如何改進實驗設(shè)計和實踐環(huán)節(jié)等,，提出了諸多有益的教學方法和實驗教學理念,。而且，隨著信息技術(shù)的發(fā)展,，嵌入式系統(tǒng)教學過程中的諸多環(huán)節(jié),，仍然需要進一步的探索和改進,。特別是近年來，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展,，給嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用和發(fā)展提供了更廣泛的空間,，同時，也為嵌入式系統(tǒng)的教學和實踐內(nèi)容注入了新鮮血液,。然而,，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在給嵌入式系統(tǒng)帶來新機遇的同時，也帶來了新的挑戰(zhàn),。在嵌入式系統(tǒng)教學--特別是實驗教學過程中--如何應(yīng)對這種挑戰(zhàn),，改進實驗內(nèi)容和教學方法，適應(yīng)時代對人才培養(yǎng)的要求,，值得我們認真思考,。筆者在總結(jié)嵌入式教學經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，針對目前物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用,，在面向物聯(lián)網(wǎng)的嵌入式系統(tǒng)課程體系建設(shè),、理論教學、實驗教學,、第二課堂和畢業(yè)設(shè)計等環(huán)節(jié)作出了初步探索,，以期拋磚引玉。
1 物聯(lián)網(wǎng)與嵌入式系統(tǒng)課程體系
物聯(lián)網(wǎng)（Internet of things, IOT）的概念是在1999年提出的,，根據(jù)2005年國際電信聯(lián)盟（ITU）的定義[4],，物聯(lián)網(wǎng)主要解決物到物（Thing to Thing, T2T）、人到物（Human to Thing, H2T）,、人到人（Human to Human, H2H）之間的互聯(lián),。這一高度交叉的新興前沿領(lǐng)域在國際上備受關(guān)注，美國IBM公司基于物聯(lián)網(wǎng)提出“智慧的地球”概念,；中國科學院早在物聯(lián)網(wǎng)概念誕生之初就啟動了傳感網(wǎng)研究,，2009年，無錫物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)研究院成立,，***考察時提出“感知中國”的概念,。
盡管目前從技術(shù)角度對物聯(lián)網(wǎng)還沒有確切的定義，但公認的說法是,，它融合了四大關(guān)鍵技術(shù)：傳感器技術(shù),、嵌入式系統(tǒng)技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無線通信技術(shù),、分布式信息處理技術(shù)[56],。由此可見，嵌入式系統(tǒng)在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中扮演著至關(guān)重要的角色。而且,，嵌入式系統(tǒng)與物聯(lián)網(wǎng)這兩者具有相輔相成的關(guān)系：嵌入式系統(tǒng)技術(shù)為物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展提供必要的技術(shù)支撐,，促進物聯(lián)網(wǎng)的工程應(yīng)用，提升物聯(lián)網(wǎng)的產(chǎn)業(yè)規(guī)模,；而物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展為嵌入式系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展提供了新的應(yīng)用領(lǐng)域,，為嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用提供了更廣泛的空間，必然有助于嵌入式系統(tǒng)技術(shù)實現(xiàn)新的跨越式發(fā)展,。
嵌入式系統(tǒng)課程本身作為一個新興的課程體系，得到了越來越多的學者的關(guān)注,。然而,，在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)快速發(fā)展的大背景下，嵌入式系統(tǒng)的課程體系應(yīng)該有所調(diào)整,，以適應(yīng)時代的發(fā)展,。如圖1所示，課程體系不僅包含傳感器,、單片機等若干基礎(chǔ)課程,，還包含了嵌入式系統(tǒng)的實踐開發(fā)環(huán)節(jié)，即面向物聯(lián)網(wǎng)的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用,。限于篇幅,，圖中僅以軟件應(yīng)用的分布式計算和硬件應(yīng)用中物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)計為例說明。
圖1 面向物聯(lián)網(wǎng)的嵌入式系統(tǒng)課程體系
2 理論教學
嵌入式系統(tǒng)理論教學內(nèi)容主要圍繞ARM嵌入式微處理器,、嵌入式操作系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用和前沿發(fā)展,；教學目的是熟悉設(shè)計方法，掌握嵌入式系統(tǒng)開發(fā)技術(shù),。理論教學一般不少于12學時,，不多于總學時的一半。筆者一般控制在16學時左右,，授課內(nèi)容主要包括：
◆ 嵌入式系統(tǒng)概述,；
◆ ARM內(nèi)核嵌入式微處理器；
◆ 嵌入式實時操作系統(tǒng)及其移植,；
◆ 嵌入式系統(tǒng)交叉開發(fā)環(huán)境,；
◆ 物聯(lián)網(wǎng)與嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用。
3 面向物聯(lián)網(wǎng)的嵌入式系統(tǒng)實驗
3.1 層次化實驗設(shè)計
理論教學為實驗實踐環(huán)節(jié)提供了必要的知識基礎(chǔ),，而實驗和實踐環(huán)節(jié)則在鞏固理論基礎(chǔ)的同時,，進一步提高了動手能力，開發(fā)了創(chuàng)造潛能[7],。筆者選用周立功公司的MagicARM2210S嵌入式實驗開發(fā)平臺,，除包含主流的各種串行接口和GPIO口外，還包含以太網(wǎng)接口、GPS（全球定位系統(tǒng)）模塊接口,、CAN總線接口等,。針對這些接口和物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用背景，筆者設(shè)計了3個層次的實驗,，以滿足不同階段的實驗和實踐需求,，如表1所列。實驗層次由淺入深,，不同的實驗層次對應(yīng)不同的實驗項目,，而且組織形式也不同?；A(chǔ)性實驗主要目的在于熟悉方法,。而綜合性實驗和創(chuàng)新性實驗則多是以物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用為基礎(chǔ)的，在于提高能力,。3個層次的實驗循序漸進,，逐步提高，為進一步的實踐開發(fā)和畢業(yè)設(shè)計打下了良好的基礎(chǔ),。
表1 面向物聯(lián)網(wǎng)的嵌入式實驗層次化設(shè)計
3.2 物聯(lián)網(wǎng)項目實踐環(huán)節(jié)
通過項目實踐來鍛煉和提高動手能力的重要性是毋庸置疑的[78],。2009年，我校啟動“物聯(lián)網(wǎng)在森林環(huán)境監(jiān)測和保護中的應(yīng)用”項目,，筆者負責物聯(lián)網(wǎng)中間層的嵌入式網(wǎng)關(guān)設(shè)計,，主要功能模塊如圖2所示。GPS模塊接口主要采集終端的經(jīng)度緯度信息,，而無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊主要收集各終端傳感器發(fā)送的溫度,、土壤濕度、日照等環(huán)境信息,。這些終端信息通過ARM處理器打包成UDP數(shù)據(jù)包,，通過以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)接口傳送給基站服務(wù)器。
圖2 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)硬件框圖
筆者通過第二課堂,，組織學有余力的同學成立興趣小組,，將物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)分割成若干子題目，交由各興趣小組,，模擬項目的形式實踐開發(fā),。比如，“GPS數(shù)據(jù)采集與處理”子課題,，首先需要移植μC/OS操作系統(tǒng),，然后移植LwIP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，最后再以多任務(wù)的形式從GPS模塊接口讀取數(shù)據(jù)并打包成UDP數(shù)據(jù)包,，發(fā)送到網(wǎng)絡(luò),。這其中,，需要興趣小組的成員合理分工，在實踐中學習合作,。經(jīng)過筆者和興趣小組近一年的共同努力,，嵌入式物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)成功地將布置在紫金山的終端傳感器數(shù)據(jù)傳送到基站網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器。物聯(lián)網(wǎng)一個終端的環(huán)境監(jiān)測信息如圖3所示,。
圖3 物聯(lián)網(wǎng)終端數(shù)據(jù)
通過物聯(lián)網(wǎng)項目實踐的模式,，拓展了學習內(nèi)容，并學以致用,，進一步提高了學習興趣培養(yǎng)了合作精神,，還起到了“以點帶面”的效應(yīng)，切實拓展了知識面和動手能力,。
此外,，在畢業(yè)設(shè)計環(huán)節(jié)中，筆者每年都設(shè)計了3~4個面向物聯(lián)網(wǎng)的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計課題,。經(jīng)過兩屆的實踐證明,，選擇該類課題的畢業(yè)生知識面更廣,，就業(yè)面更寬,。
結(jié)語
筆者在ARM嵌入式系統(tǒng)課程的教學和實驗實踐過程中，基于物聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展背景,，精簡理論教學內(nèi)容,，并拓寬知識面，重點講解與實際工程項目--特別是物聯(lián)網(wǎng)--密切相關(guān)的設(shè)計內(nèi)容,。實驗進行層次化設(shè)計,，內(nèi)容緊隨時代的發(fā)展，并在實踐環(huán)節(jié),，讓學生直接參與到前沿的課題和項目中去,。真正做到：以精簡的理論夯實基礎(chǔ)，以前沿的知識激發(fā)興趣,，以層次化的實踐提高效率,，以務(wù)實的項目收獲本領(lǐng)。