譚筠梅，王履程，藍 天

(蘭州交通大學 a.國家級計算機實驗教學示范中心；b.電子與信息工程學院，蘭州 730070)

基于工程項目引領的嵌入式系統(tǒng)實驗設計

譚筠梅a，王履程b，藍 天a

(蘭州交通大學 a.國家級計算機實驗教學示范中心；b.電子與信息工程學院，蘭州 730070)

針對目前嵌入式系統(tǒng)實踐教學存在的問題，探索并提出了以工程項目引領為基礎的實驗教學新模式。根據(jù)嵌入式實驗教學目的和嵌入式工程人才培養(yǎng)要求，設計了具體可行的實驗項目。學生通過完成該工程項目的軟硬件設計，極大地提高了學習積極性及創(chuàng)新能力，教學實踐表明，效果良好。

嵌入式系統(tǒng)；項目引領；實踐教學；創(chuàng)新能力

嵌入式系統(tǒng)是一個多技術融合的研究領域，隨著它的廣泛應用，嵌入式技術已經(jīng)成為高校計算機硬件課程體系的核心課程。該課程實踐性強，僅僅只依靠有限的課堂理論教學和一些驗證性實驗，學生缺少對該課程的感性認識，同時，學生的動手實踐能力、創(chuàng)新探索精神也得不到鍛煉和提高[1]。為了解決這些問題，結合學校大學生創(chuàng)新實驗項目，我們探索并提出了以工程項目引領為基礎的嵌入式系統(tǒng)實驗教學模式，通過實際工程項目來培養(yǎng)嵌入式復合型創(chuàng)新人才。教學過程中，我們以工程項目為載體，將理論教學的主要內(nèi)容貫穿于其中，做到了理論與實踐相結合[2]。

1 基于工程項目引領的實驗方式

嵌入式系統(tǒng)是一門較能激發(fā)學生主動學習和動手實踐的實用性課程，但當前絕大多數(shù)的實驗無法提高學生的創(chuàng)新能力，也無法滿足企業(yè)的用人需求。培養(yǎng)能夠站在系統(tǒng)的高度考慮和解決問題且具有系統(tǒng)層面的認知和設計能力的嵌入式人才是社會的急需。為此，需要設計一種新型的嵌入式系統(tǒng)綜合實驗方式，不斷提高學生設計與實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)的工程實踐能力與創(chuàng)新能力。

在現(xiàn)代教學思想指導下，根據(jù)嵌入式系統(tǒng)課程的特點，開設的實驗應以實驗目標為導向，實驗內(nèi)容為載體，創(chuàng)新能力為核心。當前，嵌入式系統(tǒng)的教學和應用結合已成為趨勢，新型的嵌入式系統(tǒng)實驗應該是基于系統(tǒng)級、項目引領、任務驅(qū)動式的實驗。項目引領式教學就是組織學生真實地參加特定項目的設計、制作及調(diào)試，讓學生從親身經(jīng)歷中獲得經(jīng)驗和技能，從而達到理論聯(lián)系實際[3-4]。

初學嵌入式系統(tǒng)的學生的基礎一般比較薄弱，工程項目的設計應該覆蓋嵌入式系統(tǒng)的基礎理論知識，同時，又要是完整但易于開發(fā)的軟硬件應用系統(tǒng)。學生通過完成該系統(tǒng)的設計和開發(fā)，可以充分了解嵌入式系統(tǒng)的工作原理以及在實際工程項目中的開發(fā)和應用方法，以此為基礎，學生進而可以開發(fā)難度更高、應用更廣泛的項目。

2 實驗項目背景及總體構架

實驗項目的工程背景是設計完成一種基于嵌入式技術的智能無人值守倉庫監(jiān)測系統(tǒng)。基于無人值守倉庫的基本需求并結合成本要求，針對每種倉庫的不同倉儲條件，需要學生設計出一種可移植性強、適用范圍廣、基于無線傳感器網(wǎng)絡的倉庫自動監(jiān)測報警系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以對實時采集到的倉庫內(nèi)的多種環(huán)境數(shù)據(jù)進行分析，可以對這些環(huán)境參數(shù)的上下限閾值進行設定，當出現(xiàn)危險情況時，將向倉庫管理人員發(fā)送預警信息，使得在無人值守的情況下可以實時掌握倉庫的環(huán)境狀況，便于管理人員及時給出應對方案[5]。另外，基于安全的考慮，系統(tǒng)應該帶有一些可以自動啟動的安全設備模塊來調(diào)節(jié)倉庫的環(huán)境，如換氣扇、空調(diào)、消防設備、門禁報警設備等。

系統(tǒng)的基本組成主要包括數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、結果執(zhí)行模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊和報警模塊[6]，實現(xiàn)過程如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)實現(xiàn)過程

3 實驗項目設計

3.1 硬件設計

3.1.1 硬件模塊選型

根據(jù)實驗要求，設計出的硬件芯片系統(tǒng)構成框圖如圖2所示。核心處理器可以選用多種芯片，實驗室常見的有LPC1114芯片、STC89C52芯片、S3C2410芯片等。LPC1114芯片是一種基于ARM Cortex-M0的32位微控制器，可用于高集成度和低功耗的嵌入式應用。它是目前市場上尺寸較小、功耗最低的32位ARM處理器，代碼資源占用小，是超低功耗MCU和混合信號應用的理想之選[7]。由于本設計程序量較大、處理速度要求較高，且LPC1114芯片的功耗、尺寸符合設計要求，所以，學生多選用其作為整個監(jiān)測系統(tǒng)的核心處理器。

環(huán)境監(jiān)測傳感器選用DS18B20數(shù)字溫度傳感器、DHT11濕度傳感器、MG811二氧化碳傳感器。為了減少多點監(jiān)控布線的麻煩，煙霧檢測器、水浸檢測器、門禁系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸采用無線PT2272射頻接收芯片。該芯片具有電路簡單、接收性能良好等特點。GSM模塊采用西門子TC35模塊，這是一個支持中文短信息的工業(yè)級GSM模塊，工作在EGSM900和GSM1800雙頻段，電源范圍為直流3.3～5.5 V，電流在空閑狀態(tài)為25 mA，發(fā)射狀態(tài)為300 mA(平均)，可以傳輸語音和數(shù)據(jù)信號，支持Text和PDU格式的SMS(短消息)收發(fā)。

圖2 系統(tǒng)框圖

外圍人機交互設備采用LCD12864液晶屏顯示監(jiān)測和報警信息，采用4×4鍵盤設置溫度、濕度、二氧化碳等的上下限閾值。

3.1.2 硬件模塊參數(shù)指標

各模塊的參數(shù)指標如下：

1)電源。3.3～18 V。

2)工作電流。靜態(tài)監(jiān)控≤18 mA，報警≤10 mA。

6)GSM延遲發(fā)送時間為2～3 s。

7)無線門禁檢測、無線煙感檢測和無線浸水檢測。工作電壓:DC 5 V±0.2 V；工作頻率:315 MHz/433.92 MHz；調(diào)制方式:ASK/OOK；調(diào)制速率:2 Kbit/s；工作靈敏度:-100 dBm。

3.2 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)底層軟件設計包括Linux操作系統(tǒng)的移植、驅(qū)動程序的開發(fā)及無線網(wǎng)絡通信協(xié)議的設計[8]。系統(tǒng)上層軟件工作基本流程如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)軟件流程圖

首先，初始化各個模塊，如GSM握手連接、串口初始化、傳感器初始化、液晶和DS1302初始化等；其次，經(jīng)鍵盤設置溫度、濕度、二氧化碳初始上下限閾值；然后，系統(tǒng)實時讀取溫度、濕度、二氧化碳傳感器數(shù)據(jù)并對無線門禁傳感、無線煙霧傳感、無線浸水進行檢測；最后，處理器分析和處理接收到的數(shù)據(jù)并將處理結果顯示于中文液晶顯示器上，如果有報警信息，將由處理器控制GSM模塊發(fā)送信息，系統(tǒng)打開執(zhí)行機構并鳴笛報警。

4 結束語

本實驗已經(jīng)應用到實際教學中，學生通過工程項目式的訓練，極大地提高了學習熱情和創(chuàng)新能力。以本實驗為基礎，我們又設計不同層次的多個工程項目式的嵌入式系統(tǒng)實驗，把課堂實驗擴展到開放實驗、創(chuàng)新實驗，鼓勵學生積極參與、自主開發(fā)，對于優(yōu)秀的學生作品，鼓勵學生參加不同層次的比賽。創(chuàng)新實驗教學，提高學生創(chuàng)新能力是一個長期的過程，我們將繼續(xù)探索理論教學和實驗教學一體化的方法，以一種創(chuàng)新的工程項目訓練模式培養(yǎng)社會需要的高素質(zhì)嵌入式人才。

[1]王曉迪，孫建國，武俊鵬，等.以培養(yǎng)創(chuàng)新型人才為目標的計算機硬件實驗教學的研究與探索[J].實驗室科學,2013，16(1):92-95.

[2]宋春林，劉富強，郭愛煌.“旨在提高工程實踐與創(chuàng)新能力”的多層次嵌入式系統(tǒng)實驗體系[J].計算機教育,2012(12)：86-88.

[3]黃曉玲，段鳳云．嵌入式系統(tǒng)實驗教學體系的探索與實踐[J].實驗室研究與探索，2006，25(4):85-87．

[4]李妍.項目化教學在嵌入式系統(tǒng)實踐課程中的探索[J].實驗室科學,2012,15(5):27-29.

[5]黃培，徐立鴻，王樂達，等.基于GSM/GPRS 的溫室環(huán)境遠程監(jiān)控系統(tǒng)設計[J].微型機與應用,2012(18):45-50.

[6]王加麗，仇潤鶴.基于GPRS 短消息的溫室環(huán)境無線監(jiān)測系統(tǒng)[J].微型電腦應用,2012(5):20-22.

[7]馬維華.嵌入式系統(tǒng)原理及應用[M].北京：北京郵電大學出版社，2010：47-113.

[8]陳文智，王總輝.嵌入式系統(tǒng)原理與設計[M].北京：清華大學出版社，2011：13-18.

Design for the Embedded System Experiments Teaching Based on the Project Leading

TAN Junmeia，WANG Lüchengb，LAN Tiana

(a. National Computer Experimental Teaching Demonstration Center; b. School of Electronic and Information Engineering，Lanzhou Jiaotong University，Lanzhou 730070，China)

For the problems existing in the embedded system experiment teaching, a new teaching mode led by the engineering project is explored and put forward. According to the embedded experimental teaching purpose and embedded engineering personnel training requirements，some feasible and pilot experiments are designed. This teaching mode greatly improves the student’s learning enthusiasm and innovative ability by completing the hardware and software design of the project. Teaching practice shows that the teaching effect is good.

embedded system; project leading; practical teaching; innovation ability

2013-11-27；修改日期: 2014-02-12

蘭州交通大學2013年實驗教改基金資助項目(201301)。

譚筠梅(1977-)，女，在讀博士，講師，研究方向：計算機網(wǎng)絡技術、嵌入式技術。

TP39；G642.423

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2014.06.034