2019年7月总第317期ISSN1672-1438
CN11-4994/T
教育信息化建设
李兰英韩剑辉曲中水周昕
哈尔滨理工大学黑龙江哈尔滨 150080
摘要：针对目前高校嵌入式人才培养难度大的问题，将开源创客平台Arduino引入嵌入式实验教学中，研制了嵌入式及物联网基础实验系统，3年的实验教学表明：实验系统降低了嵌入式学习的门槛和难度，在嵌入式人才培养教学过程中发挥了重要作用。
关键词：实验系统；嵌入式；物联网；Arduino
作者简介：李兰英，工学硕士，教授；韩剑辉，工学学士，研究员；曲中水，工学硕士，副教授；周昕，工学学士，副教授。基金项目：哈尔滨理工大学2018年教育教学重点研究项目“基于Arduino的嵌入式系统入门与提高”(编号：220180003)。
嵌入式系统是计算机、自动化和电子通信等众多
学科发展交汇的产物，属于当前最热门、最有发展前
的紧缺人才，嵌入式人才市场需求大，但其门槛高、
人才培养难度大已是不争的事实。为了满足社会对嵌
入式人才的需求，嵌入式系统系列课程已经成为计算
机、自动化、电气工程、测控技术、通信工程等多个
相关专业的专业主干课程[1]。许多高校也先后设立了嵌
入式专业方向，其教学大纲差别不大，学生一般在大
一、大二进行通识课和相关专业基础课的学习，到大
三才开始嵌入式方向专业课的学习[2]，采用传统的8位
1区21251单片机或32位的ARM单片机进行实验教学，由于嵌
往只有极少数学生才能掌握其相关技术。
1 实验系统研制的背景和意义
学校2010年设立了嵌入式专业方向，该方向选
课人数逐年下降，学生学习嵌入式技术的兴趣越来越
小。如何激发学生的兴趣、解决嵌入式技术入门难的
问题一直困扰着我们。
2015年进行了教学大纲修订，开始尝试将开源创
客平台Arduino引入嵌入式教学，在大一开设嵌入式
培训课程，在大一上学期学生学习C语言和C++语言
后，开设嵌入式系统入门基础课程，大一的下学期开
设嵌入式系统设计与实践课程。
基于Arduino的嵌入式及物联网基础实验系统即是
配合课程改革而研制的。实验系统2015年年初立项，2016
年实现量产，有力地支撑了课程的实验和实践教学。
2 实验系统的研制
2.1 实验系统的设计理念
北城居嵌入式及物联网实验系统的设计理念，源于嵌
入式系统硬件设计越来越趋向于模块化，即在核心
板或最小系统的基础上，外扩包括各种传感器、人
机交互、输入输出设备和通信等多种模块。另外，
嵌入式系统作为物联网的感知层，其与物联网应用
系统密不可分，同时也加剧了市场对嵌入式人才
的需求。除此之外，实验系统支撑的另外两门课
程—嵌入式技术基础和物联网工程导论课程，均
为嵌入式方向专业基础课程，教学内容以讲授基础
理论为主，并不涉及具体技术，故其实验重点应该
放在与实际应用结合紧密的系统设计与实现上。选
择Arduino板作为核心控制器，就是由于开源创客平
台Arduino屏蔽了硬件的复杂性，具有平台资源丰
富、成本低、支持的模块众多、开发简单、上手快
等优势[3]。
2.2 实验系统的组成及功能
实验系统由嵌入式技术基础实验箱和配套的物联
网实验盒两部分组成。其实物图如图1所示，实验系
统组成的嵌入式实验室如图2所示。
石英砂岩
图1 嵌入式及物联网基础实验系统
2019年7月总第317期
ISSN1672-1438
CN11-4994/T 图2 嵌入式基础实验室
2.2.1 嵌入式技术基础实验箱
嵌入式技术基础实验箱以Arduino 2560单片机为核心，DC5V 供电。包括传感器扩展板、控制主板、多种输入输出模块、面包板、音箱、遥控器、杜邦线、USB 数据线、电源转换器等。主要硬件设计如下。
(1)传感器扩展板：将Arduino 大部分引脚和电源扩展出来，方便与多种模块连接；另外还设计了SPI ，I2C 总线接口和数码管串行接口，以及ZigBee 模块接口等专用插座，方便了物联网应用系统的设计。扩展板还设计了独立电源端子，增加电源驱动能力。
(2)控制主板：将电机驱动、指示灯、分立元件设计在一块PCB 板上，用杜邦线与传感器扩展板连接。包括指示灯、光敏电阻、DHT11传感器、电位器、蜂鸣器、三灯、红外接收头和蓝牙模块等。
(3)数码管和LCD 液晶：采用并转串技术，将所需I/O 接口降低到3个。
实验箱可开设的实验包括：第一，有线和无线通信模块实验：异步串口通信、日历时钟模块(I2C 总线)、SD 卡和RFID 模块(SPI 总线)、红外无线接收、蓝牙模块和ZigBee 模块等实验。第二，人机交互接口模块实验：按键、蜂鸣器、遥控器、数码管显示和液晶显示等实验。第三，输入/输出接口实验：温湿度、光强度、超声波测距、直流电机、步进电机和舵机等实验。第四，物联网应用及综合实验：智能家居、倒车雷达、智能小车、门禁系统和医护管家等实验。
在此基础上，可将模块任意组合，或添加某些模块和电路，完成各种创意设计。软件设计均提供封装类库，屏蔽了硬件的复杂性。2.2.2 物联网实验盒
检验医学与临床物联网实验盒由Arduino 单片机和无线通信扩展板组成。扩展板集成了ZigBee 模块、GSM/GPRS 模块和WiFi 模块。
实验盒可以独立完成或与嵌入式技术基础实验箱组合完成多种物联网应用实验。目前已开发3种模块
的AT 命令调试、参数设置，Xbee 和WiFi 模块的通信实验，GSM/GPRS 模块的通信，发短信实验以及物联网综合应用实验等8个实验。
采用图3所示的实验方案，可实现多个物联网应用系统。其中，物联网盒上的Zigbee 模块设置为协调器，实验箱上的Zigbee 模块设为路由器，可形成星型结构的无线传感器网络。协调器接收路由器上传数据，通过物联网盒上的WiFi 模块或GPRS 模块将数据 上传云平台。云平台下传的命令或数据由协调器发送给路由器。智能终端或手机APP 通过WiFi 或4G 网络与云平台通讯，可实现多领域的物联网应用，例如：智能家居、远程监控系统等。
图3 物联网应用结构图
3 实验系统解决的教学问题
目前嵌入式实验箱配套物联网实验盒，已开发了三十多个实验，支撑了4门课程的实验教学，多种类型的实验设计满足了实验教学的要求，通过阅读实验指导书，学生可独立完成实验的硬件设计和软件设计。嵌入式技术是实践性很强的技术，实验箱的研制使得课程教学方法的改革成为可能。例如，50学时的嵌入式技术基础课程，由教改前的“44学时(理论)+6学时(实验)”改革成“30学时(理论)+10学时(实验)+10学时(实践)”。4门课程实验实践学时见表1。
表1 4门课程实验实践学时分配表
课程名称总学时实验+实践学时开课学期使用次数学生人数嵌入式系统入门基础302013480嵌入式系统设计与
实践
302023360
嵌入式技术基础502053120物联网工程导论30107120
实验包括硬件设计和软件设计两部分，首先进行硬件设计：在实验指导书的引导下，学生首先了解和掌握实验原理，分析或设计实验原理图，然后用杜邦线进行硬件连接，体验和实际应用与系统设计相近的高度模块化的硬件设计技术，完成硬件设计。之后进行软件设计：在Arduino IDE 集成开发环境下，采用C ，C++语言，按照编辑、编译、下载、运行、调试
神工一号和结果分析等步骤完成软件设计。
实验内容的设计力求做到实用性、趣味性和多样性相结合，例如，三灯颜渐变功能模拟景观灯应用场景，蜂鸣器实验可按简谱播放歌曲，音箱可实现MP3播放器，按键、遥控、数码管、液晶等实验体现了常用的人机交互模块的使用方法。串口，SD卡和RFID卡读写(SPI总线)，日历时钟(I2C总线)，红外、蓝牙以及物联网盒中的ZigBee模块，GPRS模块，WiFi模块的实验，可以体验多种有线和无线通信模块在嵌入式系统和物联网中的应用。而输入输出设备实验包括温湿度、光强度、超声波测距、直流电机、步进电机和舵机等实验。
实验程序的设计不仅包含了各种函数库和接口的使用方法说明，也包含了嵌入式系统设计技术中的高级(难点)技术，即外中断和定时中断。
实验系统可促进学生嵌入式相关科学知识和技术的学习，树立科学意识，熟练掌握嵌入式系统设计流程和方法，在实践中不断积累经验，掌握实验操作技能。
4 实验系统的创新性和特
(1)目前国内市场上未见到同类产品的出现，而网上销售的Arduino入门套件成本虽低，但功能有限，模块各自独立，用于个人学习尚可，并不适合实验教学。
(2)实验箱的电路主板的设计将多种小型元器件和驱动电路集成在主板上；传感器扩展板的设计使Arduino大部分引脚可直接用插孔式杜邦线连接；将多种模块和主板固定在实验箱的底板上，大大简化了硬件设计过程。硬件设计时，学生在理解了电路原理后，只要用插孔式杜邦线连接器件和模块即可，将由于初学者硬件连接和操作不当造成的硬件损坏降到最低，大大降低了硬件维护成本和工作量。
(3)并转串模块化设计，有效减少了引脚数，节省了Arduino板大量输入/输出接口资源。
(4)面包板的设计目的是提高实验系统的扩展性。
(5)实验盒一盒多用的创新性设计，在有限的面积内，集成了3种通信模块，采用短路套设计技术，仅通过一根USB线即可完成编程功能。同时替代了USB-TTL转换器和XBee扩展板的使用。
(6)软件采用C，C++编程技术。Arduino是开源的创客平台，在系统内封装了大量的类库函数[4]。软件开发流程简单，使得编程上手容易，短时间内能完成多种应用系统设计，可激发嵌入式技术初学者的兴趣，感受设计乐趣，在玩中学，在做中学。
其特体现在以下几个方面。
(1)性能稳定。近三年的实验和实践教学表明：嵌入式基础实验箱和物联网实验盒稳定可靠，硬件故障率很低。
(2)易于操作和安全性好。由于实验箱的高度集成化和模块化，硬件设计只需用插孔杜邦线连线即可，简单方便，一般情况下系统采用USB数据线5 V供电即可满足供电要求，安全可靠，当实验系统需要较大驱动电流时，也可外接电源。Arduino IDE开发环境从下载后，不用安装，直接运行，非常方便，对上位机要求很低。
(3)通用性强。Arduino的软硬件均是开源的，所有资源可免费从获得。它是极客和创业者的首选。也适合其他专业的嵌入式技术的教学和学习使用。
(4)实用性。实验系统有力地了支撑4门课程的实验和实践教学，已开发实验三十多个，包括验证性、研究性和综合性三大类，另外在技能训练、毕业设计实践教学环节、电子设计大赛和物联网大赛、创新创业项目中，实验系统都发挥了重要的作用。
(5) 实验系统成本很低且便于推广。实验系统很好地促进了学生实践和创新能力的培养。基于Arduino 的实验系统解决了困扰教师多年的嵌入式技术门槛高，学生厌学、弃学的难题。
5 结语
由于Arduino实验系统的简单易用性，大大降低了学习的门槛和难度，使学生克服了学习嵌入式技术的畏难情绪，短时间内激发学习兴趣，并能切身体会到实际应用系统设计与实现后的乐趣和成就感。为今后进一步深入学习51或ARM系列单片机打下了良好的基础。
大一学生在完成C语言、C++语言、嵌入式入门基础和嵌入式系统设计与实践课程的学习之后，经过在实验箱上近60学时的实验和实践后，自信心和主动参与度有了很大的提高，利用Arduino板参加学院智能车比赛、黑龙江省物联网和全国大学生电子设计大赛等，多名学生获奖，学习Arduino之前这是不可能的，组队参加比赛的过程，同时培养了学生的团结、合作精神。
近三年的实验教学结果表明：嵌入式及物联网基础实验系统促进了学生嵌入式相关科学知识和技术的学习，在嵌入式人才培养教学过程中发挥了重要作用，
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4 中医健康培训网络教学资源库共享的保障措施
第一，树立共享理念。中医类院校要深刻领会共享的重要意义，准确把握新发展理念，将共享理念深植于中医药事业发展的各个环节，积极营造互利共赢的中医健康培训网络教学资源共享平台。第二，加大经费投入。足够的经费投入是促成中医健康培训网络教学资源库共享的基本前提，加大经费投入用于网络教学资源的收集及后期制作、网络基础设施的构建、共享平台的日常管理和维护等。第三，统一技术规范。为了便于对资源进行组织和建设，促进各中医类院校间中医健康培训网络教学资源的共享，提高网络教学资源检索的效率，需要统一技术规范。第四，保护知识产权。各中医类院校应该积极引导广大师生加强对知识产权保护的重视程度，培养对他人劳动成果的尊重意识，打消中医健康培训网络教学资源拥有者不敢共享的顾虑，提高共享的积极性。
5 结语
中医健康培训网络教学资源的构建和共享应该遵循全局性、规范性、交互性和共享性原则，采取适当的构建途径，集中各院校的优势资源，从中医健康知识普及、中医保健养生、中医疾病防治3个方面开发资源。同时，把握社会需求，针对中医职业技能培训和执业资格培训的不同特点整合资源，采取适当的保障措施，通过网络平台实现优势资源的共享，共同促进中医健康网络培训事业的发展。参考文献
[1] 侯振江，牟兆新，李红岩，等.高职院校专业核心课程网络教学资源库平台的构建与管理[J].中国职
业技术教育,2016(25):91-93.[2] 吴艳洁，褚宁琳.艺术院校网络教学资源库建设研究[J].软件导刊,2015,14(1):187-189.
[3] 孙进康，陈章其.高校网络教学资源的建设与共享[J].中国电化教育,2008(1):60-63.
[4]
刘艳丽.医学类网络教学资源库建设与应用研究[D].济南：山东师范大学,2013.
Construction and Sharing Mechanism of Network Teaching Resource Database for TCM Health Training
Cui Jiyi, Wang Huisheng
Tianjin University of Traditional Chinese Medicine, Tianjin, 300073, China
Abstract: Faced with the good opportunities for the development of Chinese medicine and the extensive use of Internet technology, how to promote the development of TCM health training network teaching is an urgent problem to be solved. This paper focuses on the construction and sharing of the TCM health training network teaching resource database. Based on the status quo, thi
十八和谐综合区
s paper explores the construction, sharing and guarantee mechanism of the network teaching resource database of TCM health training, and provides some reference for the implementation of TCM health training network teaching in TCM institutions.
Key words: TCM health training; resource database of network teaching; construction and sharing
Development of Basic Experimental System for Embedded System and Internet of Things
Li Lanying, Han Jianhui, Qu Zhongshui, Zhou Xin
Harbin University of Science and Technology, Harbin, 150080, China
Abstract: In order to solve the problem of embedded personnel training, the open source innovation platform Arduino is applied to experimental teaching for embedded system in this paper, and basic experimental system for embedded system and internet of things has been designed and developed. The experimental teaching of three years shows that the developed experimental system has reduced threshold and difficulty of embedded system study, and has played an important role in teaching for embedded personnel training.Key words: equipment system; embedded system; internet of things; Arduino
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并在第五届全国高等学校教师自制实验教学仪器设备
创新大赛中荣获三等奖。参考文献
[1] 张晓东，卢涛，曹毅.应用型嵌入式系统人才培养模式改革与探
索[J].中国轻工教育,2017(2):56-58.
[2] 吴玉峰，白凤娥.高校嵌入式人才培养的探索与实践[J].实验技
术与管理,2018,35(3):172-175.
[3] Arduino [EB/OL]./.
[4] 黄焕林，丁昊.从零开始学Arduino 电子设计(创意案例版)[M].
北京：机械工业出版社,2018.
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
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