物聯(lián)網(wǎng)體系建設(shè)中的Arduino應(yīng)用教學(xué)研究

陳海 賀輝

摘 要：物聯(lián)網(wǎng)作為一個新經(jīng)濟增長點的戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)，專業(yè)教學(xué)學(xué)科方向涉及傳感器、網(wǎng)絡(luò)通信、電子技術(shù)、控制以及云計算、大數(shù)據(jù)等多個交叉學(xué)科知識領(lǐng)域，文章針對應(yīng)用型本科高等院校開展物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實踐教學(xué)，引入創(chuàng)新工具——Arduino，構(gòu)建了包括基礎(chǔ)實驗、綜合實驗、項目創(chuàng)新實踐、科技競賽活動等多層次教學(xué)體系，增強學(xué)生學(xué)以致用的實踐能力與創(chuàng)新能力。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；Arduino；課程體系；創(chuàng)新

中圖分類號：G642 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：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(lián)網(wǎng)作為一個新經(jīng)濟增長點的戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)，近年來一直得到國家相關(guān)部門的大力扶持，對推動新的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型和升級具有重要意義。物聯(lián)網(wǎng)是當(dāng)今互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用拓展和升級，中心是業(yè)務(wù)和應(yīng)用，所以創(chuàng)新是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的核心。

二、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)體系架構(gòu)

狹義上的物聯(lián)網(wǎng)是指一個網(wǎng)絡(luò)，通過將物品和物品連接來實現(xiàn)物品的智能化識別和管理；廣義上的物聯(lián)網(wǎng)則可以看作是信息空間與物理空間的融合，人與物、物與物之間的相聯(lián)。一般來講，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)架構(gòu)由感知層、網(wǎng)絡(luò)層及應(yīng)用層三層組成。

感知層：是物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)，它由各種傳感器構(gòu)成。通常有RFID讀寫器、溫濕度傳感器、紅外線、標(biāo)簽、GPS、攝像頭等各種感知終端。它是物聯(lián)網(wǎng)識別物體、采集信息的來源。

網(wǎng)絡(luò)層：它是整個物聯(lián)網(wǎng)的中樞，建立在現(xiàn)有的移動通信網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上，由互聯(lián)網(wǎng)、廣電網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)、信息中心和云計算平臺等各種網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，主要負責(zé)遠距離傳遞和處理感知層獲取的信息，是物聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)所有服務(wù)的基礎(chǔ)設(shè)施。物聯(lián)網(wǎng)中，以數(shù)據(jù)為中心的核心技術(shù)是依靠對網(wǎng)絡(luò)層的感知數(shù)據(jù)管理和處理技術(shù)來實現(xiàn)的。高速發(fā)展的云計算是加載海量感知數(shù)據(jù)的存儲和分析的重要平臺，顯然它是未來物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層發(fā)展的重點推力。

應(yīng)用層：發(fā)現(xiàn)服務(wù)和呈現(xiàn)服務(wù)是在這個層面完成的，它是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和行業(yè)專業(yè)技術(shù)的交匯處，是行業(yè)用戶產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的接口，通過應(yīng)用層最終實現(xiàn)信息技術(shù)與行業(yè)的深度融合，為用戶提供豐富的特定服務(wù)。

物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的相關(guān)課程內(nèi)容較為抽象，為了加強學(xué)生實踐能力的培養(yǎng)，結(jié)合云計算、大數(shù)據(jù)等新技術(shù)，引入開源硬件平臺Arduino，引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計和開發(fā)創(chuàng)新性實驗項目。

三、Arduino技術(shù)簡介

隨著創(chuàng)客文化的全球流行，其中又以Arduino為代表的開源硬件發(fā)展最為迅猛，開源硬件是指如同開放源碼一樣的方式開放電子硬件制造方法。而隨著Arduino的深入推進，形成了當(dāng)下的開源文化，即自由、分享、創(chuàng)新。

信息技術(shù)專業(yè)的大學(xué)生修習(xí)過單片機技術(shù)，但本身比較枯燥，學(xué)生掌握起來較難，興趣度不高。而Arduino具有較強的易用性，加上價格便宜，多樣的擴展性和開放性，加上學(xué)生已有c /c++的語法基礎(chǔ)，只要學(xué)生稍微查閱幫助文檔，就可借助于Arduino硬件快速搭建系統(tǒng)，成功運行第一個簡單的程序，從而激發(fā)了學(xué)習(xí)興趣。

Arduino開發(fā)過程是：系統(tǒng)搭建——硬件平臺實現(xiàn)——軟件設(shè)計——下載到控制板-修改和調(diào)試。Arduino開發(fā)板設(shè)計得非常簡潔，一塊AVR單片機、一個晶振或振蕩器和一個5V的直流電源。常見的開發(fā)板通過一條USB數(shù)據(jù)線連接計算機。Arduino有各式各樣的開發(fā)板，其中最通用的是Arduino UNO。另外，還有很多小型的、微型的、基于藍牙和Wi-Fi的變種開發(fā)板。還有一款新增的開發(fā)板叫做Arduino Mega 2560，它提供了更多的I/O引腳和更大的存儲空間，并且啟動更加迅速。以Arduino UNO為例，ATmega 328是Arduino UNO的處理器核心，它具有6路模擬輸入，同時還有14路Input/Output，一個16MHz的晶體振蕩器，一個USB口，一個電源插座，一個ICSP header和一個復(fù)位按鈕。因為Arduino UNO開發(fā)板的基礎(chǔ)構(gòu)成在一個表里顯示不下，所以這里特意設(shè)計了兩個表來展示，如下表所示。

與Arduino相關(guān)的硬件除了核心開發(fā)板外，各種擴展板也是重要的組成部分。Arduino開發(fā)板設(shè)計的可以安裝擴展板，即盾板進行擴展。它們是一些電路板，包含其他的元件，如網(wǎng)絡(luò)模塊、GPRS模塊、語音模塊等。開發(fā)板兩側(cè)可以插其他引腳的地方就是可以用于安裝其他擴展板的地方。它被設(shè)計為類似積木、通過一層層的疊加而實現(xiàn)各種各樣的擴展功能。

正是由于Arduino的可擴展性，其作為技術(shù)手段可有效促進物聯(lián)網(wǎng)理論聯(lián)系實際的實踐性教學(xué)。這也正好吻合國家所提倡的萬眾創(chuàng)新的精髓，能夠讓大學(xué)生學(xué)以致用，隨意創(chuàng)新動手組合實現(xiàn)自己的創(chuàng)意。

四、教學(xué)實踐體系建設(shè)

本課程作為電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的實踐性課程，主要通過學(xué)習(xí)和實踐基于Arduino和Android的智能手機結(jié)合，利用無線傳感網(wǎng)絡(luò)、internet實現(xiàn)智能控制的大量案例，根據(jù)學(xué)生的興趣，借助以上平臺，通過設(shè)計和開發(fā)一款智能家居應(yīng)用相關(guān)的產(chǎn)品，鼓勵學(xué)生在參與和學(xué)習(xí)一系列物聯(lián)網(wǎng)智能控制案例的過程中創(chuàng)新，進而提高綜合運用所學(xué)知識解決實際問題的能力，了解和熟悉物聯(lián)網(wǎng)智能產(chǎn)品設(shè)計的流程和調(diào)試的方法，為畢業(yè)設(shè)計和以后從事相關(guān)開發(fā)工作打下必要的實踐基礎(chǔ)。

設(shè)計Arduino的學(xué)習(xí)主要強化動手體驗，因此Arduino的學(xué)習(xí)內(nèi)容不但綜合了之前學(xué)習(xí)的很多理論課內(nèi)容，包括電子電路、單片機原理、圖形化編程、代碼編程等，而且因為良好的擴展性使處在不同認知層次的同學(xué)都可以研究、學(xué)習(xí)，得到收獲，從而全方位提示自己能力。

遵循由簡單到復(fù)雜、由驗證型實驗到設(shè)計型創(chuàng)新實驗可以構(gòu)建出一套基于Arduino的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實驗體系。它不僅包括單一的實驗內(nèi)容，還有綜合實踐；不僅有課內(nèi)實驗，也有實踐與課外科技，競賽活動相結(jié)合。對應(yīng)的實踐教學(xué)體系分三 個層次： 基礎(chǔ)性實驗、綜合性實驗和項目綜合實踐。比如項目綜合實踐有：智能家居安防報警系統(tǒng)案例，藍牙自走車，RFID 智能門鎖，智能澆灌系統(tǒng)等。根據(jù)自己的興趣找到創(chuàng)新點，組成小組，設(shè)計和完成一個智能家居方面的實踐項目。

本課程包括個人作業(yè)與小組作業(yè)兩類實踐環(huán)節(jié)，其中小組作業(yè)要求學(xué)生采用“項目小組”的形式，結(jié)合具體的開發(fā)項目進行設(shè)計。學(xué)生在完成基本實驗之后，通過二次創(chuàng)新完成的作品參加最后的綜合測評。并且評優(yōu)的團隊之間接著展開自評和公開展示，通過創(chuàng)新心得和設(shè)計過程的分享和總結(jié)來鼓勵團隊協(xié)作能力的培養(yǎng)。Arduino上百種擴展模塊就是實現(xiàn)學(xué)生創(chuàng)新的良好平臺。這種模式使教學(xué)實踐團隊協(xié)作和隊長的領(lǐng)導(dǎo)協(xié)調(diào)能力都得到充分的鍛煉和提高。

在此基礎(chǔ)上，我們構(gòu)建了融知識、技能與創(chuàng)新能力培養(yǎng)為一體，構(gòu)建了三結(jié)合、分層次、多模塊、漸近式的綜合性實踐教學(xué)體系，如圖2所示。

以“Ardunio物聯(lián)網(wǎng)影音娛樂系統(tǒng)”綜合實踐項目為例說明。該項目利用先進的物聯(lián)網(wǎng)、嵌入式系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)，實現(xiàn)用戶身份的精準(zhǔn)識別，結(jié)合當(dāng)下逐漸普及的智能影音娛樂系統(tǒng)，打造高品質(zhì)的居家生活方式，提升生活品質(zhì)，提升了家居的便利性、舒適性、藝術(shù)性。該項目在嵌入式產(chǎn)品中是一個創(chuàng)新型的應(yīng)用，國內(nèi)外IT 巨頭也在緊鑼密鼓的研發(fā)該類產(chǎn)品。我們聯(lián)合相關(guān)產(chǎn)品開發(fā)企業(yè)，由企業(yè)提前開放部分該解決方案，共同指導(dǎo)學(xué)生，致力于提升學(xué)生的創(chuàng)新能力。

本項目采用google Nest恒溫器技術(shù)解決方案，通過對Linux 系統(tǒng)設(shè)備控制的靈活運用，結(jié)合wifi無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實現(xiàn)居家用戶的精準(zhǔn)身份識別，并利用嵌入式系統(tǒng)的強大的UI平臺優(yōu)勢，ardunio開放平臺良好的擴展性，完成智慧居家生活中的影音娛樂，游戲休閑等功能，提高生活品質(zhì)。這個軟硬件結(jié)合，具有挑戰(zhàn)性的實際項目激發(fā)廣大同學(xué)的創(chuàng)新熱情，紛紛提出各自的解決方案，打造個性化的智慧影音娛樂系統(tǒng)。對課程的實踐項目進行了精心的設(shè)計，由若干看似獨立的ardunio應(yīng)用項目組成，經(jīng)過基礎(chǔ)到進階，最后不同組別的項目整合實現(xiàn)“Ardunio智能家居系統(tǒng)”。列表如下所示。

課程建設(shè)得到同學(xué)積極配合，踴躍參加學(xué)生科技項目和競賽活動。比如同學(xué)作品參加廣東省“挑戰(zhàn)杯”大學(xué)生創(chuàng)新比賽獲獎，申請到若干項國家級、省級“創(chuàng)新實踐項目”支持，還有同學(xué)作品組織申報著作權(quán)和專利。

五、MOOC教學(xué)手段的運用

改變由傳統(tǒng)的老師演示和學(xué)生完成練習(xí)和驗證的模式，效率低而且沒有發(fā)展同學(xué)的探索能力。通過設(shè)計，提出一系列實踐難點分解的MOOC視頻（5分鐘以內(nèi)）要求，由同學(xué)自主探索成功后完成上傳分享；Arduino平臺的使用難點技巧和擴展使用得到很好細分和演示，滿足不同層次同學(xué)的需求，提升同學(xué)的學(xué)習(xí)的自信心和興趣。每位同學(xué)的參與使得他們成為課堂的主人，實現(xiàn)個性化的學(xué)習(xí)，老師引導(dǎo)和解惑來推進教學(xué)。

微視頻必須包括四個層面的內(nèi)容，首先是Arduino的基礎(chǔ)概要，其次是Arduino實驗使用技巧演示，再次是Arduino平臺擴展系統(tǒng)的視頻，最后是Arduino深入使用案例說明。

六、結(jié)束語

作為新興的產(chǎn)業(yè)和專業(yè)，物聯(lián)網(wǎng)在探索中前進。如何通過實踐教學(xué)來培養(yǎng)同學(xué)的創(chuàng)新能力是個挑戰(zhàn)。因此，通過Arduino這個優(yōu)質(zhì)平臺構(gòu)建三層次實踐綜合運用基礎(chǔ)性實驗、綜合性實驗、專項綜合實踐、學(xué)生科技、競賽活動的訓(xùn)練，大大增強了實踐能力與創(chuàng)新能力。該實踐體系還能夠為計算機，自動化等相關(guān)專業(yè)學(xué)生提供更為專業(yè)的網(wǎng)絡(luò)實驗平臺。

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