新工科背景下物联网专业嵌入式系统实验教学改革与实践

刘 晨， 邓庆绪， 陈郭成， 鲍玉斌

（东北大学计算机科学与工程学院，沈阳 110819）

0 引言

物联网工程专业是东北大学针对国家战略性新兴产业需求，于2011年全国第一批全新开设的信息技术类专业。其专业课程涵盖多个领域，在注重理论知识体系架构的同时，着力加强学生工程实践能力的培养［1-5］。“嵌入式系统实验”是物联网工程专业的核心课程之一，现行的教学内容难度较低、实验中缺乏层次和贯通，难以适应工程实际的快速发展［6-8］。

《新工科研究与实践项目指南》中明确指出，要以问题为导向，驱动学生运用计算思维解决复杂工程问题，推进信息技术与工程教育深度融合，创新“互联网+”环境下工程教育教学方法［9-12］。依据《指南》要求和课程实际，我校计算机国家级实验教学示范中心基于典型物联网架构，结合ZigBee 无线通信技术和云平台设计了系列教学实验，强化学生对于嵌入式系统的理解，提升学生动手实践能力。本文将对实验教学的设计思路和实现过程进行具体阐述。

1 教学平台

课程采用武汉中智讯科技有限公司的xLab 未来实验平台，平台核心芯片是美国德州仪器（TI）公司生产的系统级芯片CC2530，它是一款工业标准增强型8051MCU，带有系统内可编程的闪存，适用于在实验中学生对于芯片中的程序擦除与改写［13］。同时，CC2530 自带ZigBee 无线收发功能，便于开展节点间无线通信实验，帮助学生掌握无线收发原理，理解信号传输过程［14-15］。实验中还会用到光敏传感器、步进电动机等器件，用于信号的采集与反馈。

编程部分使用的软件是IAR 公司的IAR Embedded Workbench for 8051，该软件是带有C／C ++编译器和调试器的集成开发环境，支持对CC2530 的开发，适用于有一定编程基础的学生进行单片机硬件开发及调试［16］。在不同难度的实验教学中，还会用到串口调试助手、无线汇集节点、智云图形化组态软件等辅助软件。

2 实验教学实施过程

本文设计的嵌入式系统系列实验以智慧农业系统为背景，指导学生逐步完成其中智能光照部分的搭建。实验教学内容包括：基于光敏传感器的光强检测实验、基于ZigBee通信的光强检测-电动机控制实验、基于物联网架构的智能光照系统设计实验。通过实验难度的逐步提升，满足不同层次学生的个性化学习需求，提升学生动手实践能力和解决复杂工程问题的水平。

2.1 基于光敏传感器的光强检测实验

本实验利用CC2530 和光敏传感器，指导学生设计光照度检测系统，使学生初步掌握IAR 开发环境的使用方法和CC2530 芯片的工作过程。实验要求能自动连续读取光敏传感器采集的光照强度测量值，通过串口传输至上位机设备显示。实验过程中，将CC2530连接光敏传感器后通过串口与上位机连接，使用IAR开发环境编写撰写光照度采集及串口打印输出程序，如图1 所示。在程序编写阶段要求学生完成主函数的编写，初始化函数直接进行调用。调试无误后将程序下载至CC2530 中，打开串口调试助手开启串口功能，在串口调试助手中观察光照值的变化，如图2 所示。

图1 光照强度打印程序

图2 实验结果

2.2 基于ZigBee通信的光强检测-电动机控制实验

一个典型的智能温室不仅需要实时获取光照强度，还需要根据不同光照条件，动态调整遮光帘的位置。实验中，以搭建的光照强度采集系统为传感器端，进行信号发送，以配有CC2530 芯片的步进电动机作为执行器端，进行信号接收。利用芯片自带的ZigBee无线通信功能，将光照强度值实时发送，从而使步进电动机执行正转、反转和静止操作，模拟遮光帘的位置调整。器件工作示意图如图3 所示。

图3 器件工作示意图

实验中，学生利用发送函数rfSendData（）和接收函数rfRecvData（）实现芯片间的通信，根据接收到的pRxData［］数组判断并控制电机工作状态，代码如图4所示。实验设计以芯片间点对点通信方式，实现信号的实时传输和反馈，旨在使学生掌握ZigBee 点对点通信的信号收发程序设计方法和芯片数据输出过程。

图4 发送端和接收端程序

2.3 基于物联网架构的智能光照系统设计实验

综合前面的实验内容，增加云平台和组态化系统界面，构建一个基于典型物联网“端-管-云”架构的智能光照系统。

（1）系统总体设计。系统主要分为前端和后端2部分，其中前端主要用来实现系统展示及控制，后端包括云服务器、传感器端和执行器端，完成数据交互和请求发送等功能，系统结构见图5。同时，在传感器和执行器端预留接口，支持学生进行实验拓展，完成二次开发。

图5 系统结构图

（2）云服务器端设计。传感器端采集信号完成后，利用无线汇集节点将具备ZigBee 无线通信协议的数据接入到上位机并转发到云服务器中，执行器端也可通过无线汇集节点接收云端的指令，成功接入后可在网络拓扑结构图中显示相应设备并传输实时数据，如图6 所示。该过程旨在让学生理解信号从终端节点传输到云端的实现过程。

图6 网络拓朴图

（3）组态化系统界面设计。通过智云图形化组态软件进行系统界面设计，实现数据可视化，完成一个完整智能光照系统的搭建，提高学生嵌入式系统开发能力。学生通过界面设计、控件设置和MAC地址通道映射等操作完成实验。系统开启后可观察到仪表盘数值随光照强度值变化而改变，除根据光照强度自动控制步进电动机动作外，用户还可通过开关手动停止步进电动机转动，系统界面如图7 所示。

图7 组态化系统界面

3 教学效果

3.1 激发学习兴趣

随着物联网与人工智能技术的不断发展，以嵌入式设备为基础的智能系统已经在生产生活中获得应用。在实验教学中针对现实应用场景的系统开发，更容易激发学生的学习兴趣。利用光照度监测系统的搭建，让学生完成教学软、硬件初识；通过步进电动机实时控制实验，增强学生对于ZigBee 无线通信传输知识的掌握，强化编程水平；最终完成光照度智能监测系统的设计，掌握小型嵌入式系统设计方法，提升动手实践能力。

3.2 加深嵌入式系统理解

嵌入式系统是物联网重要的技术组成，深入理解嵌入式系统的相关理论与方法，是学好物联网专业课的前提。课程设计的系列实验，通过代码的编写和硬件的连接，展现嵌入式系统设计和通信的全过程，将抽象的概念具象化，帮助学生理解与掌握，为后续物联网系统开发、解决复杂工程问题奠定基础。

3.3 培养创新精神

新工科建设指南要求培养具有科学的思维方法和创新意识，能够提出创新性的方法并用于解决实际问题的创新型人才。实验在系统设计过程中预留了丰富的拓展接口，鼓励有能力的学生深入探索，丰富传感器和执行部件类型，对实验项目进行完善与提升，培养学生的创新精神。

4 结语

结合新工科人才培养的要求，对嵌入式系统设计实验教学进行改革，设计了一系列由浅入深、功能不断完善的实验。将物联网典型的“端-管-云”架构引入实验教学，以智慧农业为背景物联网工程实际为导向设计实验内容，学生通过参与嵌入式系统设计的全过程，体会嵌入式系统的复杂度和重要性，提升实践能力和系统设计能力。实验还可通过改变传感器和执行器类型，改变实验结果呈现形式，克服传统教学实验形式单一问题，提高学生参与实验教学的积极性。

·名人名言·

我以为人们在每一时期都可以过有趣而有用的生活。我们应该不虚度一生，应该能够说，“我们已经作了我能作的事”，人们只能要求我们如此，而且只有这样我们才能有一点快乐。

——居里夫人