魏曉敏

（1.ISN 國家重點實驗室（西安電子科技大學）；2.西安電子科技大學網(wǎng)絡與信息安全學院；3.陜西省網(wǎng)絡與系統(tǒng)安全重點實驗室，陜西西安 710071）

0 引言

嵌入式系統(tǒng)與網(wǎng)絡設備原理是西安電子科技大學網(wǎng)絡與信息安全學院網(wǎng)絡工程專業(yè)的必修課程，主要介紹嵌入式系統(tǒng)的基本概念、原理、設計原則與方法，以及常見網(wǎng)絡設備及其原理。無人機系統(tǒng)是典型的嵌入式系統(tǒng)，且具備較強的通信功能，因此可基于無人機系統(tǒng)開展嵌入式系統(tǒng)與網(wǎng)絡設備原理課程的教學活動。

嵌入式系統(tǒng)結構復雜，涉及知識點眾多，包括計算機組成原理、匯編與接口、C 語言、處理器、操作系統(tǒng)、存儲器、I/O、網(wǎng)絡設備等，學生很難在較短時間內(nèi)融合大量知識點，且傳統(tǒng)的理論學習和實驗方式較為枯燥，不能調(diào)動其學習積極性。無人機應用廣泛，受歡迎程度高，基于無人機開發(fā)的項目可應用于多種學科競賽。因此，本次教學改革將基于無人機系統(tǒng)原理，結合先進的無人機技術重新設計嵌入式系統(tǒng)與網(wǎng)絡設備原理的課程內(nèi)容和教學體系，以提高學生的學習興趣，同時鼓勵其逐層學習無人機系統(tǒng)的開發(fā)技術，培養(yǎng)其動手實踐能力。

1 相關研究

目前已有許多嵌入式系統(tǒng)相關的課程改革工作，但較少涉及網(wǎng)絡設備和原理。例如，郭建等［1］采用半翻轉課堂教學模式提高學生學習積極性，并通過過程化監(jiān)管手段幫助其更好地學習嵌入式系統(tǒng)設計課程內(nèi)容；張建等［2］以嵌入式系統(tǒng)及應用課程為例，引入SPOC 教學模式，提出基于線下+線上混合教學模式的課程教學組織與課堂設計方法；李輝勇等［3］將虛擬仿真教學理念應用于嵌入式系統(tǒng)實驗教學中，提出了具體的課程教學改革目標；孫青等［4］針對嵌入式系統(tǒng)設計的實訓環(huán)節(jié)，結合嵌入式物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品開發(fā)流程，采用知識講授+項目實戰(zhàn)的教學模式，提出面向?qū)W生工程能力培養(yǎng)的嵌入式系統(tǒng)設計實訓課程教學模式；王瑞敏等［5］針對網(wǎng)絡空間安全人才培養(yǎng)目標，提出嵌入式系統(tǒng)課程教學內(nèi)容設計方案；沈珊瑚等［6］針對嵌入式系統(tǒng)實踐課程在實驗課堂教學中存在的基礎實驗難度大、學生預習不夠充分、缺乏互相學習的氛圍且個體能力不足等問題，提出以學生為中心的教學方式；馬賓等［7］以STM32 單片機應用教學為核心，提出一種以需求為導向，結合學生競賽與具體實踐項目的教學方法；李月潔［8］在雙創(chuàng)背景下提出基于MOOC 的嵌入式系統(tǒng)及應用翻轉課堂教學模式；朱超平等［9］針對現(xiàn)有嵌入式系統(tǒng)教學存在的重理論輕實驗、教學方式比較陳舊、理論內(nèi)容與實驗設備不配套以及課程考核評價體系單一等問題，以培養(yǎng)工程型人才為目標，以項目化教學內(nèi)容為主體，對嵌入式系統(tǒng)的教學進行了改革。

基于以上研究內(nèi)容，針對嵌入式系統(tǒng)與網(wǎng)絡設備原理課程教學存在的理論性過強、新技術實例不足、較少涉及網(wǎng)絡設備與原理等問題，本文采用線上+線下的教學模式，利用無人機系統(tǒng)仿真環(huán)境設計課后作業(yè)，同時理論聯(lián)系實際，應用最新的無人機技術實例講授網(wǎng)絡設備及其原理。

2 教學內(nèi)容設計

首先從軟件和硬件兩個方面介紹典型的嵌入式系統(tǒng)——無人機系統(tǒng)，然后基于無人機系統(tǒng)的層次化架構，結合該課程的知識點，重新設計教學內(nèi)容。

2.1 典型的嵌入式系統(tǒng)——無人機系統(tǒng)

以四旋翼無人機為例，其整體結構如圖1 所示，包括4個機臂、4 個螺旋槳、機載硬件、遙控器和地面站。無人機系統(tǒng)是典型的嵌入式系統(tǒng)，核心硬件為無線電接收器、飛行控制器、機載計算機、GPS 模塊、數(shù)傳、圖傳，其中無線電接收器用于無人機與遙控器通信；數(shù)傳用于無人機與地面站傳輸數(shù)據(jù)，使其能夠在地面站查看飛行狀態(tài)和路線，并通過地面站控制無人機飛行；圖傳可以將視頻圖像和飛行數(shù)據(jù)傳輸至地面站，亦能支持地面站控制無人機飛行。

Fig.1 Structure of quad-rotor UAVs圖1 四旋翼無人機結構

飛行控制器和機載計算機是典型的嵌入式開發(fā)板。以飛行控制器Pixhawk 2.4.8［10］為例，其不僅包含陀螺儀、加速度計和磁力計等傳感器，還包含32 位STM32F427 嵌入式處理器、32 位STM32F10 備份協(xié)處理器、256KB 內(nèi)存、2MB閃存和I/O 接口等。

無人機軟件主要運行于飛行控制器和機載計算機平臺，其中飛行控制器主要負責飛行控制程序、通信程序、驅(qū)動程序和無人機操作系統(tǒng)的運行，機載計算機主要負責輔助計算和部分飛行控制程序的運行。

2.2 教學內(nèi)容

嵌入式系統(tǒng)通常以層次化的形式進行刻畫，無人機系統(tǒng)亦是如此。以Ardupilot 無人機控制軟件［11］為例，其系統(tǒng)層次化架構如圖2 所示，分為硬件層、硬件抽象層、操作系統(tǒng)層、飛行控制軟件層、通信層和用戶接口層6 層，具體介紹如下：①硬件層包含飛行控制器、無線電接收器、機載計算機、傳感器、數(shù)傳、圖傳和電機等，其中飛行控制器包含處理器、I/O 接口、存儲和閃存等；②硬件抽象層主要包含各種驅(qū)動程序，以支持GPIO、I2C、SPI、閃存、無線遙測、SD 卡、電池、無線電、存儲和串口等；③操作系統(tǒng)層可分為Chibi-OS［12］、Linux 和BusyBox Linux 3 個類型；④飛行控制軟件層負責姿態(tài)估計、姿態(tài)控制、PID 控制、航點導航、傳感器數(shù)據(jù)處理、位置估計和控制等；⑤通信層包含MAVLink［13］、4G、5G、Wi-Fi 和遙測等功能，支持無人機與地面站和機載計算機通信；⑥用戶接口層主要包括機載計算機和地面站，地面站可以是計算機、手機和平板等設備。

Fig.2 Hierarchical architecture of Ardupilot UAV systems圖2 Ardupilot 無人機系統(tǒng)層次化架構

基于無人機系統(tǒng)層次化架構，綜合分析該課程原始教學架構（見圖3 左側），重新設計教學內(nèi)容（見圖3 右側），二者一一對應。新的課程架構既涵蓋所有知識點，也能利用無人機系統(tǒng)提升課程的應用性和趣味性。該課程首先從整體介紹嵌入式系統(tǒng)結構，講解嵌入式硬件（包括處理器、存儲器、I/O 和網(wǎng)絡設備）；然后講解無人機軟件開發(fā)基礎，這部分起著承上啟下的作用，作為后續(xù)無人機嵌入式軟件教學內(nèi)容的基礎；最后講解Bootloader、操作系統(tǒng)、硬件抽象層和飛行控制程序開發(fā)方法。詳細的教學內(nèi)容介紹如下。

Fig.3 Correspondence between original and improved teaching content圖3 原始教學內(nèi)容與改進教學內(nèi)容的對應關系

2.2.1 無人機系統(tǒng)概述

介紹嵌入式系統(tǒng)的定義、應用領域和發(fā)展方向。以無人機系統(tǒng)為典型應用案例，講解嵌入式系統(tǒng)的特點；詳細講解無人機系統(tǒng)層次化架構，以此為基礎，進一步介紹應用場景的嵌入式系統(tǒng)層次化架構；基于無人機系統(tǒng)開發(fā)方法，介紹嵌入式系統(tǒng)的設計特點和開發(fā)方法；介紹無人機系統(tǒng)仿真環(huán)境構建方法。

2.2.2 無人機系統(tǒng)處理器

無人機系統(tǒng)采用的STM32 處理器屬于ARM 處理器，故重點講解ARM 系列處理器的特點和功能、ARM 指令集（ARM指令和Thumb 指令）、32位ARM指令集與16位Thumb 指令集的區(qū)別、ARM 指令的尋址方式、ARM 指令和Thumb 指令類型；介紹精簡指令集與復雜指令集的區(qū)別以及精簡指令集的特點。

2.2.3 無人機系統(tǒng)的存儲與I/O

無人機飛行控制器和機載計算機包含多種類型存儲器和接口。以飛行控制器和機載計算機為例，介紹嵌入式存儲器和I/O，并進一步講解存儲器結構和I/O 接口工作原理。

2.2.4 無人機通信設備及其原理

講解無人機通信方式，包括Wi-Fi、4G、5G、遙測和MAVLink，其中涉及UDP、路由器、IP 配置、Wi-Fi 配置和熱點配置等網(wǎng)絡設備原理。

2.2.5 無人機軟件開發(fā)基礎

講解無人機系統(tǒng)開發(fā)涉及的嵌入式匯編語言程序設計、嵌入式高級語言（C 和C++）程序設計、高級語言與匯編語言混合編程、嵌入式開發(fā)環(huán)境構建方式和嵌入式軟件調(diào)試技術。

2.2.6 無人機系統(tǒng)Bootloader 設計

以無人機系統(tǒng)Bootloader 為例，講解Bootloader 的基本概念、典型結構和基本設計模式，闡述其啟動過程和實現(xiàn)原理。

2.2.7 無人機操作系統(tǒng)

介紹常見無人機操作系統(tǒng)，包括Chibios、Linux 和Busy-Box Linux 等；講解系統(tǒng)內(nèi)存管理、進程管理與調(diào)度、中斷管理、系統(tǒng)調(diào)用、系統(tǒng)啟動和初始化等操作方法。

2.2.8 無人機硬件抽象層程序

講解無人機設備驅(qū)動程序，包括字符設備驅(qū)動程序和網(wǎng)絡設備驅(qū)動程序。

2.2.9 無人機飛行控制程序開發(fā)

介紹無人機飛行控制程序，以無人機傳感器數(shù)據(jù)處理和姿態(tài)估計應用程序為例，詳細介紹嵌入式軟件的開發(fā)方法。

3 教學方案與方式

3.1 教學方案

將教學進程分為無人機硬件學習和軟件學習兩個階段，以無人機軟件開發(fā)基礎作為兩個階段的分割點。在課程早期階段，要求學生通過在線學習的方式學習如何構建無人機系統(tǒng)仿真環(huán)境，包括飛行控制程序、地面站和MAVLink 通信等；在后期學習階段，各部分課程內(nèi)容都可以在無人機系統(tǒng)仿真環(huán)境中進行實驗練習，以便較為直觀地理解嵌入式系統(tǒng)和網(wǎng)絡設備原理。

在無人機硬件學習階段講授各教學內(nèi)容模塊的原理及對應的無人機模塊原理，同時引導學生學習和改進無人機模塊實現(xiàn)方式。這一階段需基于無人機系統(tǒng)對各模塊設計練習題作為課后作業(yè)，并要求學生在無人機系統(tǒng)仿真環(huán)境中完成，以加強其對教學內(nèi)容的理解和掌握。對于難點和重點，要求學生搜尋課外資料，包括論文和視頻，作為補充學習資料。

在無人機軟件學習階段，先講授教學內(nèi)容模塊原理，引導學生學習各無人機軟件模塊并畫出程序流程圖。為各教學模塊設計練習題，要求學生通過修改無人機飛行控制程序完成課后作業(yè)，并在無人機系統(tǒng)仿真環(huán)境中評估作業(yè)完成效果，由此加強學生對嵌入式軟件的理解和掌握。此外，由于各教學內(nèi)容模塊可以組合成為完整的無人機飛行控制軟件相關內(nèi)容，為提升學生的動手能力，在此階段要逐步開始進行教學內(nèi)容模塊集成，以分組的方式安排學生完成任務。

3.2 教學方式

該課程主要采取4 種教學方式，分別為課堂講授、實驗、作業(yè)和在線學習。在課堂講授中，基于無人機系統(tǒng)，從宏觀上引導學生對課程內(nèi)容的總體把握，在掌握課程基本內(nèi)容的基礎上使學生能夠觸類旁通；從微觀上啟發(fā)學生從嵌入式系統(tǒng)架構基本概念、軟硬件設計等角度分析問題、解決問題，提高其學習思考能力。在實驗中，綜合實踐課程講授內(nèi)容，使具體感性認識實踐與嵌入式系統(tǒng)知識及開發(fā)方法相融合，進一步加強學生的實際操作能力和對課程知識的理解能力，為其自主開發(fā)、創(chuàng)新設計打下基礎。作業(yè)包括書面習題、網(wǎng)上討論、程序開發(fā)。在書面習題中，主要側重考察與鍛煉學生對基本內(nèi)容的掌握與應用，以及學生對嵌入式系統(tǒng)與網(wǎng)絡設備研究、分析和設計的能力；在網(wǎng)上討論中，主要側重學生網(wǎng)上收集資料、自主解決問題能力的培養(yǎng)；在程序開發(fā)中，通過編寫匯編程序、設備驅(qū)動等與無人機嵌入式系統(tǒng)開發(fā)相關的程序，使學生更直觀深刻地理解課程內(nèi)容，提高其分析、解決問題的能力。在線學習是指教師利用網(wǎng)絡資源引導和激勵學生自主在線學習，不占用課內(nèi)時間，不在課堂上講授，但需要學生掌握在線課程內(nèi)容。

4 教學效果分析

2020-2021 學年，經(jīng)過基于無人機系統(tǒng)的教學改革探索，學生課程實驗參與度和考核成績與往年相比有顯著改善。學生對該課程的評價較高，在評教系統(tǒng)中給出了99.89的高分。教學改革有效提高了學生對嵌入式系統(tǒng)的興趣，課程實驗參與度顯著提高。在實驗課上，學生努力完成實驗，積極與老師討論交流，利用實驗箱搭建實驗硬件環(huán)境并編寫嵌入式軟件，規(guī)定時間內(nèi)實驗完成率均超過94%，見表1。

Table 1 Completion rate of course experiments表1 課程實驗完成率

2020-2021 與2019-2020 學年課程考核成績比較如表2 所示，其中優(yōu)秀率（90-100 分）由1.23%提高至28.81%，不再是大量學生集中在80-89 分數(shù)段；不及格率基本不變；60-69 分的學生比例由14.81%降低至10.17%；學科平均分提升5 分左右，說明教學改革成果顯著。

Table 2 Comparison of course achievement表2 課程成績對比 （%）

5 結語

針對現(xiàn)有嵌入式系統(tǒng)與網(wǎng)絡設備原理課程存在的理論性過強、新技術實例不足、較少涉及網(wǎng)絡設備與原理等問題，本文基于無人機系統(tǒng)重新設計該課程教學內(nèi)容。通過融入嵌入式系統(tǒng)典型代表無人機系統(tǒng)，使嵌入式理論充分地與實際應用相結合，將新的無人機技術引入到教學內(nèi)容中，更新教學內(nèi)容實例，與時俱進；同時利用無人機通信設備與技術，實例化講解網(wǎng)絡設備與原理，取得了較好的教學成果。此外，無人機系統(tǒng)具備完善的仿真和編譯環(huán)境，可以支撐課后實踐學習，有效提高學生的動手能力。后續(xù)可充分利用無人機廣受關注且可用于競賽的優(yōu)勢，進一步提高該課程的趣味性和關注度。