基于AppInventor嵌入式系统教学改革与创新实验平台研发

黄世玲 李素玲 左仁合 李光平

摘 要：通过分析传统的嵌入式系统开发课程教学存在的问题，提出了电气电子信息技术类专业嵌入式系统开发课程教学改革的建议与措施。在介绍了App Inventor开发工具的优点的同时给出了该开发工具与Android设备相结合的嵌入式系统课程教学改革内容。分析了传统嵌入式实验平台的不足，根据课程改革后的内容研发了创新实验平台。

关键词：嵌入式；教学改革；实验教学

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2017）04-0106-03

Abstract： Through analyzing the problems existing in the traditional embedded system development course teaching， the suggestions and measures for the teaching reform of the embedded system development course of the electronic information technology are put forward. In this paper， the advantages of AppInventor development tools are introduced， and the teaching reform of embedded system based on the combination of the development tool and Android device is given. The deficiency of the traditional embedded experiment platform is analyzed， and the innovation experiment platform is developed according to the content of the curriculum reform.

Keywords： embedded； teaching reform； experimental teaching

引言

嵌入式设备主要有消费类电子产品、工业控制机器人、医学电子和智能家居等智能设备产品[1]。随着人们生活水平的提高，智能设备产品在日常生活中的应用越来越广泛，因此，嵌入式领域人才需求也不断的增加。为满足人才需求，许多本科类甚至高职类高校均把嵌入式系统课程列入计算机、通信和电子电气类等专业的教学计划中。嵌入式系统课程有着所涉及的知识范围广、难度较大、知识更新速度快以及开发方式种类多样性等特点[2]。因此，有必要对嵌入式系统课程进行改革，有针对性的选择教学内容，以培养适合相应岗位的嵌入式领域人才。本文主要针对应用型本科电气电子类专业的嵌入式系统课程内容存在问题提出改革的思路，并设计研发了一套创新性实践教学装置。

一、传统实践教学存在问题与改革思路

（一）传统教学内容存在的问题分析

嵌入式系统由嵌入式软件系统和嵌入式硬件系统构成，是可独立工作的专用计算机系统[3]。嵌入式硬件系统课程体系主要包括数字电路、模拟电路以及单片机等课程，内容相对固定。嵌入式软件系统内容广泛，主要包括应用于工业控制，需要实时性操作比较强的Linux、WinCE以及uc/os等实时操作系统；应用于消费电子产品的Android、iOS和Symbian等系统[4]。对于非计算机类学生来说不管学习哪种嵌入式软件系统都难以真正的掌握。应用型本科电子电气类专业一般只开设C语言编程，而软件系统除了底层的开发涉及到C语言，其他的开发都要求要C++/JAVA语言的基础，非计算机专业学生很难真正掌握嵌入式软件系统[5]。

（二）实践教学存在问题

目前，大部分开设有嵌入式系统开发课程的高校都会购买嵌入式硬件实验箱，并结合相应的实验指导书进行实践教学。这种模式下的实验教学存在以下不足：首先，设备相对复杂。传统的实验设备往往是基于ARM芯片的硬件设备，对于没有ARM硬件知识的学生很难系统地掌握相关实践内容[6]。其次，学生动手与思考机会少。传统的实验只是验证性实验，学生只要会简单的程序下载，就能实现相应的效果，这些实验内容并没有给机会学生去深入思考并设计一些创新性实验。最后，由于经费问题高校的实验设备更新速度远跟不上课程内容发展速度，从而导致教学内容得不到快速更新，学生所学知识不能满足岗位的发展需求[7]。

（三）教学改革思路

随着移动智能设备的不断发展，我们当前已经进入了APP时代，而APP等应用软件的开发主要是基于android、IOS和Symbian等操作系统[8]。据市场分析机构Strategy Anaiytics的统计Android操作系统近两年的全球市场份额一直稳居第一位，2014年Android操作系统的全球市场份额已达84.6%，而iOS操作系统为11.9%，Windows Phone操作系统为2.7%[9]。这足以说明Android操作系统开发的相关岗位人才需要量巨大。我校在嵌入式系统开发课程改革中选用Android操作系统开发等相关教学内容。同时，为解决电气电子类专业学生编程只有C语言基础的问题，选用了App Inventor开发工具对Android操作系统进行开发，无需更高级的计算机语言编程基础，降低了嵌入式系统开发的难度。

本文基于App Inventor的嵌入式系統开发课程内容安排如表1所示，包括了四个部分，总共64学时，采用一体化教学手段，在实验室上课，老师作简单原理讲解和任务布置后学生立即动手实践操作。以任务驱动教学法为主要手段，有效提高学习积极性。课程内容中设置了软件开发与硬件系统开发内容，能使学生全面了解智能设备系统的组成与原理。实验设备只需要一台安卓系统的手机就能完成，增强了实验教学的灵活性，使得实验教学不过分的依赖实验平台。

二、创新实验平台研发

实验平台硬件结构如图1所示，分为上位机系统和下位机系统两个部分。上位机主要由Android系统终端设备构成；下位机主要由单片机最小系统、WIFI模块、蓝牙模块、超声波测距模块、LCD屏、温湿度模块、RGB彩灯、直流电机控制和继电器模块组成。采用App Inventor开发工具开发基于Android系统的APP软件，APP能通过WIFI或蓝牙通讯方式与下位机硬件进行通信。下位机通过KEIL开发环境编写C51驱动程序，通过串口下载方式下载程序控制相应的外设。

（1）单片机最小系统。采用型号为STC12C5A60S2单片机，该CPU为单时钟（1T）单片机，指令代码完全兼容传统8051。内部集成MAX810专用复位电路，2路PWM，8路高速10位A/D转换，片上1280B的数据存储器，60K的用户应用程序空间，双串口。

（2）WIFI模块。采用ESP8266串口WIFI模块，支持AP，STA，AP+STA三种模式，该模块与单片机系统的串口1进行通信。

（3）蓝牙模块。采用无线蓝牙串口透传HC-06模块，该模块与单片机系统的串口2进行通信。

（4）超声波测距模块。采用HC-SR04超声波模块，精度达0.3CM，通过单片机IO口控制模块发出40K超声波，接收到回波时该模块自动让相应的IO口输出高电平，通过计算该IO口高电平时间方式来算出距离。

（5）LCD屏。采用LCD12684点阵型液晶显示器，该显示器可以显示波形、汉字以及图形等内容。

（6）温湿度模块。采用型号为DHT11传感器，湿度测量范围：20%-95%，误差5%；温度测量范围：0-50度，误差2度。

（7）RGB彩灯。采用 WS2812B-4位RGB LED全彩驱动4位彩灯模块，单片机采用单线IO口向WS2813B发送24位RGB数据，完成彩灯颜色变换控制。

（8）直流电机控制。采用小功能三极管8050和8550组成H桥式电机驱动电路，单片机通过PWM波形控制电机转速，并通过红外光电传感器对电机转速进行测量。

（9）继电器模块。设置了4位继电器控制模块。通过单片机IO口控制继电器的通断，该模块用于控制220V的灯光和电磁密码锁实验。

三、結束语

嵌入式系统是一门内容更新速度快、综合性强、内容广泛、实践性强的课程。本文针对电气电子类专业课程结构特点，提出了该专业嵌入式系统课程的改革方向，并根据改革的课程内容研发了一种创新实验平台。本文的改革方法和措施已经在我校电子信息专业的嵌入式课程教学中进行了实践，并起到了积极的作用。在改革过程中分析了当前课程存在的问题，并提出符合应用型本科培养应用技术型人才目标的课程改革措施，提高学生动手创新能力的同时，减轻学生对嵌入式系统开发难度大的困难。

参考文献

[1]李文生，邓春健，吕 .案例驱动的嵌入式系统教学改革探索[J].计算机教育，2011，02：22-25.

[2]杨继森，杨奕，张静.虚拟实验平台在嵌入式系统教学改革中的应用[J].实验室研究与探索，2011，02：51-54.

[3]任哲.嵌入式实时操作系统uC/OS-Ⅱ原理及应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2005.

[4]冼进，贾德良，毕盛.嵌入式系统实验课的教学改革初探[J]. 实验室研究与探索，2011，08：282-284+288.

[5]宋焱翼，陈礼，颜芳.嵌入式系统实验教学改革与实验教学装置开发[J].实验室研究与探索，2011，07：239-241.

[6]潘登，陈启军.面向卓越人才培养的嵌入式系统教学改革[J]. 计算机教育，2013，13：1-5.

[7]谢东.嵌入式系统实验课程教学改革及实验装置开发[J].计算机教育，2010，10：30-33.

[8]张雯 ，高守平，陆武魁.应用型本科嵌入式系统课程教学改革与实践[J].中国教育技术装备，2010，18：39-40.