為了適應后PC時代人才培養(yǎng)的要求，越來越多的高校開設了嵌入式系統(tǒng)相關課程。就不同的行業(yè)背景和應用背景，眾多高校同仁在如何改進實驗設計和實踐環(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，物聯網技術的飛速發(fā)展，給嵌入式系統(tǒng)的應用和發(fā)展提供了更廣泛的空間，同時，也為嵌入式系統(tǒng)的教學和實踐內容注入了新鮮血液。然而，物聯網技術在給嵌入式系統(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--如何應對這種挑戰(zhàn)，改進實驗內容和教學方法，適應時代對人才培養(yǎng)的要求，值得我們認真思考。筆者在總結嵌入式教學經驗的基礎上，針對目前物聯網技術的發(fā)展和應用，在面向物聯網的嵌入式系統(tǒng)課程體系建設、理論教學、實驗教學、第二課堂和畢業(yè)設計等環(huán)節(jié)作出了初步探索，以期拋磚引玉。

1  物聯網與嵌入式系統(tǒng)課程體系

物聯網（Internet of things, IOT）的概念是在1999年提出的，根據2005年國際電信聯盟（ITU）的定義[4]，物聯網主要解決物到物（Thing to Thing, T2T）、人到物（Human to Thing, H2T）、人到人（Human to Human, H2H）之間的互聯。這一高度交叉的新興前沿領域在國際上備受關注，美國IBM公司基于物聯網提出“智慧的地球”概念；中國科學院早在物聯網概念誕生之初就啟動了傳感網研究，2009年，無錫物聯網產業(yè)研究院成立，***考察時提出“感知中國”的概念。

盡管目前從技術角度對物聯網還沒有確切的定義，但公認的說法是，它融合了四大關鍵技術：傳感器技術、嵌入式系統(tǒng)技術、現代網絡及無線通信技術、分布式信息處理技術[56]。由此可見，嵌入式系統(tǒng)在物聯網技術中扮演著至關重要的角色。而且，嵌入式系統(tǒng)與物聯網這兩者具有相輔相成的關系：嵌入式系統(tǒng)技術為物聯網的發(fā)展提供必要的技術支撐，促進物聯網的工程應用，提升物聯網的產業(yè)規(guī)模；而物聯網的發(fā)展為嵌入式系統(tǒng)技術的發(fā)展提供了新的應用領域，為嵌入式系統(tǒng)的應用提供了更廣泛的空間，必然有助于嵌入式系統(tǒng)技術實現新的跨越式發(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注。然而，在物聯網技術快速發(fā)展的大背景下，嵌入式系統(tǒng)的課程體系應該有所調整，以適應時代的發(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)，即面向物聯網的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)與應用。限于篇幅，圖中僅以軟件應用的分布式計算和硬件應用中物聯網網關設計為例說明。

圖1  面向物聯網的嵌入式系統(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)的應用和前沿發(fā)展；教學目的是熟悉設計方法，掌握嵌入式系統(tǒng)開發(fā)技術。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，授課內容主要包括：

◆  嵌入式系統(tǒng)概述；

◆  ARM內核嵌入式微處理器；

◆  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；

◆  物聯網與嵌入式系統(tǒng)的應用。

3  面向物聯網的嵌入式系統(tǒng)實驗

3.1  層次化實驗設計

理論教學為實驗實踐環(huán)節(jié)提供了必要的知識基礎，而實驗和實踐環(huán)節(jié)則在鞏固理論基礎的同時，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網的應用背景，筆者設計了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不同的實驗項目，而且組織形式也不同?；A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網的應用為基礎的，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)設計打下了良好的基礎。

表1  面向物聯網的嵌入式實驗層次化設計

3.2  物聯網項目實踐環(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“物聯網在森林環(huán)境監(jiān)測和保護中的應用”項目，筆者負責物聯網中間層的嵌入式網關設計，主要功能模塊如圖2所示。GPS模塊接口主要采集終端的經度緯度信息，而無線數據收發(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數據包，通過以太網網絡接口傳送給基站服務器。

圖2  物聯網網關硬件框圖

筆者通過第二課堂，組織學有余力的同學成立興趣小組，將物聯網網關分割成若干子題目，交由各興趣小組，模擬項目的形式實踐開發(fā)。比如，“GPS數據采集與處理”子課題，首先需要移植μC/OS操作系統(tǒng)，然后移植LwIP網絡協(xié)議棧，最后再以多任務的形式從GPS模塊接口讀取數據并打包成UDP數據包，發(fā)送到網絡。這其中，需要興趣小組的成員合理分工，在實踐中學習合作。經過筆者和興趣小組近一年的共同努力，嵌入式物聯網網關成功地將布置在紫金山的終端傳感器數據傳送到基站網絡服務器。物聯網一個終端的環(huán)境監(jiān)測信息如圖3所示。

圖3  物聯網終端數據

通過物聯網項目實踐的模式，拓展了學習內容，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，切實拓展了知識面和動手能力。

此外，在畢業(yè)設計環(huán)節(jié)中，筆者每年都設計了3~4個面向物聯網的嵌入式系統(tǒng)設計課題。經過兩屆的實踐證明，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，基于物聯網的飛速發(fā)展背景，精簡理論教學內容，并拓寬知識面，重點講解與實際工程項目--特別是物聯網--密切相關的設計內容。實驗進行層次化設計，內容緊隨時代的發(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，以前沿的知識激發(fā)興趣，以層次化的實踐提高效率，以務實的項目收獲本領。