物联网体系建设中的Arduino应用教学研究

陈海 贺辉

摘 要：物联网作为一个新经济增长点的战略新兴产业，专业教学学科方向涉及传感器、网络通信、电子技术、控制以及云计算、大数据等多个交叉学科知识领域，文章针对应用型本科高等院校开展物联网技术实践教学，引入创新工具——Arduino，构建了包括基础实验、综合实验、项目创新实践、科技竞赛活动等多层次教学体系，增强学生学以致用的实践能力与创新能力。

关键词：物联网；Arduino；课程体系；创新

中圖分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2017）05-0055-03

Abstract： IOT（Internet of Things）， as a key factor in the development of emerging economy， is based on many related technologies such as sensors， network communications， electronic technology and control， cloud computing and big data. Aiming at teaching practice of IOT in application-oriented universities， this article introduces an innovative tool， Arduino， and designs a multi——level teaching system， including basic experiments， comprehensive experiments， project practice with innovation， technical contest， which can greatly strengthen the students' practical ability and innovation ability.

Keywords： IOT （Internet of Things）； Arduino； curriculum system； innovation

一、概述

物聯网作为一个新经济增长点的战略新兴产业，近年来一直得到国家相关部门的大力扶持，对推动新的产业结构转型和升级具有重要意义。物联网是当今互联网的应用拓展和升级，中心是业务和应用，所以创新是物联网发展的核心。

二、物联网技术体系架构

狭义上的物联网是指一个网络，通过将物品和物品连接来实现物品的智能化识别和管理；广义上的物联网则可以看作是信息空间与物理空间的融合，人与物、物与物之间的相联。一般来讲，物联网技术架构由感知层、网络层及应用层三层组成。

感知层：是物联网的基础，它由各种传感器构成。通常有RFID读写器、温湿度传感器、红外线、标签、GPS、摄像头等各种感知终端。它是物联网识别物体、采集信息的来源。

网络层：它是整个物联网的中枢，建立在现有的移动通信网和互联网基础上，由互联网、广电网、网络管理系统、信息中心和云计算平台等各种网络构成，主要负责远距离传递和处理感知层获取的信息，是物联网实现所有服务的基础设施。物联网中，以数据为中心的核心技术是依靠对网络层的感知数据管理和处理技术来实现的。高速发展的云计算是加载海量感知数据的存储和分析的重要平台，显然它是未来物联网网络层发展的重点推力。

应用层：发现服务和呈现服务是在这个层面完成的，它是物联网技术和行业专业技术的交汇处，是行业用户产业化应用的接口，通过应用层最终实现信息技术与行业的深度融合，为用户提供丰富的特定服务。

物联网应用的相关课程内容较为抽象，为了加强学生实践能力的培养，结合云计算、大数据等新技术，引入开源硬件平台Arduino，引导学生设计和开发创新性实验项目。

三、Arduino技术简介

随着创客文化的全球流行，其中又以Arduino为代表的开源硬件发展最为迅猛，开源硬件是指如同开放源码一样的方式开放电子硬件制造方法。而随着Arduino的深入推进，形成了当下的开源文化，即自由、分享、创新。

信息技术专业的大学生修习过单片机技术，但本身比较枯燥，学生掌握起来较难，兴趣度不高。而Arduino具有较强的易用性，加上价格便宜，多样的扩展性和开放性，加上学生已有c /c++的语法基础，只要学生稍微查阅帮助文档，就可借助于Arduino硬件快速搭建系统，成功运行第一个简单的程序，从而激发了学习兴趣。

Arduino开发过程是：系统搭建——硬件平台实现——软件设计——下载到控制板-修改和调试。Arduino开发板设计得非常简洁，一块AVR单片机、一个晶振或振荡器和一个5V的直流电源。常见的开发板通过一条USB数据线连接计算机。Arduino有各式各样的开发板，其中最通用的是Arduino UNO。另外，还有很多小型的、微型的、基于蓝牙和Wi-Fi的变种开发板。还有一款新增的开发板叫做Arduino Mega 2560，它提供了更多的I/O引脚和更大的存储空间，并且启动更加迅速。以Arduino UNO为例，ATmega 328是Arduino UNO的处理器核心，它具有6路模拟输入，同时还有14路Input/Output，一个16MHz的晶体振荡器，一个USB口，一个电源插座，一个ICSP header和一个复位按钮。因为Arduino UNO开发板的基础构成在一个表里显示不下，所以这里特意设计了两个表来展示，如下表所示。

与Arduino相关的硬件除了核心开发板外，各种扩展板也是重要的组成部分。Arduino开发板设计的可以安装扩展板，即盾板进行扩展。它们是一些电路板，包含其他的元件，如网络模块、GPRS模块、语音模块等。开发板两侧可以插其他引脚的地方就是可以用于安装其他扩展板的地方。它被设计为类似积木、通过一层层的叠加而实现各种各样的扩展功能。

正是由于Arduino的可扩展性，其作为技术手段可有效促进物联网理论联系实际的实践性教学。这也正好吻合国家所提倡的万众创新的精髓，能够让大学生学以致用，随意创新动手组合实现自己的创意。

四、教学实践体系建设

本课程作为电子信息科学与技术专业的实践性课程，主要通过学习和实践基于Arduino和Android的智能手机结合，利用无线传感网络、internet实现智能控制的大量案例，根据学生的兴趣，借助以上平台，通过设计和开发一款智能家居應用相关的产品，鼓励学生在参与和学习一系列物联网智能控制案例的过程中创新，进而提高综合运用所学知识解决实际问题的能力，了解和熟悉物联网智能产品设计的流程和调试的方法，为毕业设计和以后从事相关开发工作打下必要的实践基础。

设计Arduino的学习主要强化动手体验，因此Arduino的学习内容不但综合了之前学习的很多理论课内容，包括电子电路、单片机原理、图形化编程、代码编程等，而且因为良好的扩展性使处在不同认知层次的同学都可以研究、学习，得到收获，从而全方位提示自己能力。

遵循由简单到复杂、由验证型实验到设计型创新实验可以构建出一套基于Arduino的物联网技术实验体系。它不仅包括单一的实验内容，还有综合实践；不仅有课内实验，也有实践与课外科技，竞賽活动相结合。对应的实践教学体系分三 个层次： 基础性实验、综合性实验和项目综合实践。比如项目综合实践有：智能家居安防报警系统案例，蓝牙自走车，RFID 智能门锁，智能浇灌系统等。根据自己的兴趣找到创新点，组成小组，设计和完成一个智能家居方面的实践项目。

本课程包括个人作业与小组作业两类实践环节，其中小组作业要求学生采用“项目小组”的形式，结合具体的开发项目进行设计。学生在完成基本实验之后，通过二次创新完成的作品参加最后的综合测评。并且评优的团队之间接着展开自评和公开展示，通过创新心得和设计过程的分享和总结来鼓励团队协作能力的培养。Arduino上百种扩展模块就是实现学生创新的良好平台。这种模式使教学实践团队协作和队长的领导协调能力都得到充分的锻炼和提高。

在此基础上，我们构建了融知识、技能与创新能力培养为一体，构建了三结合、分层次、多模块、渐近式的综合性实践教学体系，如图2所示。

以“Ardunio物联网影音娱乐系统”综合实践项目为例说明。该项目利用先进的物联网、嵌入式系统和网络通讯技术，实现用户身份的精准识别，结合当下逐渐普及的智能影音娱乐系统，打造高品质的居家生活方式，提升生活品质，提升了家居的便利性、舒适性、艺术性。该项目在嵌入式产品中是一个创新型的应用，国内外IT 巨头也在紧锣密鼓的研发该类产品。我们联合相关产品开发企业，由企业提前开放部分该解决方案，共同指导学生，致力于提升学生的创新能力。

本项目采用google Nest恒温器技术解决方案，通过对Linux 系统设备控制的灵活运用，结合wifi无线网络技术实现居家用户的精准身份识别，并利用嵌入式系统的强大的UI平台优势，ardunio开放平台良好的扩展性，完成智慧居家生活中的影音娱乐，游戏休闲等功能，提高生活品质。这个软硬件结合，具有挑战性的实际项目激发广大同学的创新热情，纷纷提出各自的解决方案，打造个性化的智慧影音娱乐系统。对课程的实践项目进行了精心的设计，由若干看似独立的ardunio应用项目组成，经过基础到进阶，最后不同组别的项目整合实现“Ardunio智能家居系统”。列表如下所示。

课程建设得到同学积极配合，踊跃参加学生科技项目和竞赛活动。比如同学作品参加广东省“挑战杯”大学生创新比赛获奖，申请到若干项国家级、省级“创新实践项目”支持，还有同学作品组织申报著作权和专利。

五、MOOC教学手段的运用

改变由传统的老师演示和学生完成练习和验证的模式，效率低而且没有发展同学的探索能力。通过设计，提出一系列实践难点分解的MOOC视频（5分钟以内）要求，由同学自主探索成功后完成上传分享；Arduino平台的使用难点技巧和扩展使用得到很好细分和演示，满足不同层次同学的需求，提升同学的学习的自信心和兴趣。每位同学的参与使得他们成为课堂的主人，实现个性化的学习，老师引导和解惑来推进教学。

微视频必须包括四个层面的内容，首先是Arduino的基础概要，其次是Arduino实验使用技巧演示，再次是Arduino平台扩展系统的视频，最后是Arduino深入使用案例说明。

六、结束语

作为新兴的产业和专业，物联网在探索中前进。如何通过实践教学来培养同学的创新能力是个挑战。因此，通过Arduino这个优质平台构建三层次实践综合运用基础性实验、综合性实验、专项综合实践、学生科技、竞赛活动的训练，大大增强了实践能力与创新能力。该实践体系还能够为计算机，自动化等相关专业学生提供更为专业的网络实验平台。

参考文献

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