物联网的嵌入式技术精选(十四篇)
发布时间：2023-10-08 17:36:17
序言：作为思想的载体和知识的探索者，写作是一种独特的艺术，我们为您准备了不同风格的14篇物联网的嵌入式技术，期待它们能激发您的灵感。
篇1
盲人由于视觉信息缺失在生活各方面存在诸多困难，导盲杖作为最常见的行动辅具功能单一，环境适应性差；而导盲犬训练耗时，价格高昂，推广难度大，所以导盲机器成为必然选择。导盲机器根据所解决的问题不同分为避障导盲，定位导盲，识别导盲，学习导盲等几个类别，并日益向着智能化，复合化发展。常见的导盲机器有四类：电子式行进辅具，移动式机器人，穿戴式行进辅具和导引式手杖。现有的导盲机器存在独立检测和处理环境信息的缺陷，因而硬件成本必然随着检测的信息增加而增加，使得功能拓展受限于信息获取。
物联网（The Internet of things）的概念最早由美国麻省理工学院的Kevin Ash-ton教授在1991年提出，是指使用信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。物联网技术因其强大的开发潜力被称为继计算机、互联网之后世界信息产业发展的第三次浪潮，同时也被列为我国五大新兴战略性产业之一[1]。本文将物联网技术和现有导盲技术结合，通过网络通信建立对行动的支持，可以在不增加硬件成本的情况下拓展导航定位，天气预报，救援呼叫等功能。
在数据采集上，现有导盲机器只注重对环境的空间感知，而缺乏对颜色信息的反馈。事实上颜色在物体辨识、情绪调节、社会交流等方面包含了丰富的信息。本设计增加了对颜色的检测，体现了对盲人群体的人文关怀，增加了盲人对产品的安全感和依赖感。
导盲机器大多是基于触觉和听觉设计的[2]，而手是触觉最集中和敏感的区域，故将导盲系统集成到手套上，同时包含了语音播报功能，使之兼具良好的信息反馈能力和便携特征。
1 系统硬件设计
1.1 硬件布局
传感器和执行机构放置于右手手套，键盘放置于左手手套或其它方便操作的位置，其余组件集成为一个挂盒，可以便携在腰间或其它位置，如图1。
图1
1.2 嵌入式CPU
选用SAMSUNG的S3C2440作为控制CPU，输入设备包括超声波传感器、颜色传感器、GPS模块和键盘，输出设备包括舵机和耳机接口，此外还通过SIM300实现与云端的通信。S3C2440采用最小系统核心板加扩展板的双层构架，可配置1GB闪存，128M内存。
1.3 电池和电源模块
选用12V，最大电流1000mA的锂离子电池作为电源，通过7805稳压芯片将12V电压转为5V输出。系统满电状态下可工作4h。
1.4 人机交互
键盘和语音播报用于人机交互。按键用于下达指令，语音播报用于确认按键命令和用户获取信息，对耳机的支持保证了对环境的最小干扰和对盲人隐私的有效保护。本设计包含一个4*4的按键模块和包含左右声道的3.5mm耳机接口，为功能选项提供支持。
1.5 超声测距
超声波传感器发射和接受超声波，利用发射时间和接收时间的间隔计算距离[3][4]。本文选用HC-SR04超声波测距模块，这款超声波测距模块采用一个超声波发生器和一个超声波接收器，探测距离为2～450cm，感应角度不大于15度，探测精度为0.3cm，工作电压为5v。我们将三个超声波发射器相互成45度夹角成一线放置（如图2），实现同时对上、中、下（垂直方式）或左、中、右（水平方式）三个方向的距离信息采集。垂直方式是为了帮助盲人实现等身高度的避障测量，水平方式是为了快速寻找过道和门等穿行环境。
图2
舵机是距离信息的反馈元件。本文使用三个舵机将三个超声波传感器的距离信息转换为偏角，舵机牵动遥感机构，将偏角转换为触钮的伸缩长度，从而将真实距离缩放到手指可感受的范围。与传统的避障检测相比，这种方式能提供连续的距离信息。考虑到传感器的特性和盲人生活的实际，把距离检测范围定为4米以内。
1.6 颜色识别
本文选用TCS230颜色传感器。TCS230是TAOS公司推出的可编程彩色光到频率的转换器，它把可配置的硅光电二极管与电流频率转换器集成在一个单一的CMOS电路上，同时在单一芯片上集成了RGB三种滤光器。
颜色名词是一个离散的概念，如红、蓝、浅蓝等。TCS230采集到物体的RGB数值后，再归并为常见的七种颜色信息，通过语音播报反馈。颜色传感器有两种使用方式，一种是配合标准颜色标签，将颜色标签贴在固定的位置，作为颜色开关，用于系列物体的快速检索；另一种是自由检测生活中各种常见物体的颜色，得到粗略的颜色信息。
颜色传感器在检测颜色的时候需要采用高亮白色LED灯反射光。我们在手套背部设计了颜色传感器的开关，平时处于关闭状态，在需要使用的时候打开开关，保证了省电和对环境的最小影响。
1.7 导航定位
本文使用NEO-6M GPS模块，实现自身的定位。为实现导航功能，每10s将自身的位置信息和预置的目标点位置信息通过SIM300模块以短信形式上传到云端，再把云端导航软件处理得到的信息以短信形式接收，转换为语音播报信息反馈给用户，指示是否前进或转向。
其它网络功能包括报时、天气预报和报警等，基本实现也是通过SIM300模块把特定的信息发送到云端，由云端进行处理，再接收返回的信息。
2 系统软件设计
2.1 嵌入式应用程序
嵌入式系统中的程序使用多线程并发执行，主线程循环检测按键状态，捕获按键命令后创建对应的子线程。
超声测距线程中，三个超声传感器分时检测距离信息并输出到舵机执行机构，避免了超声波的相互干扰。因为超声传感器发射锥形波，在复杂环境中会有明显的自扰，导致反馈的信息振荡。为解决这个问题，使用距离平均值算法和滤波算法，程序流程如图3。
颜色识别线程中，将读取到的RGB数值转化到HSV颜色空间，再利用H变量进行颜色判断，判断结果以语音播报的形式进行反馈。
2.2 系统云端
系统云端包括短信收发终端、数据库和互联网计算机，短信收发终端将接收到的信息传给互联网计算机进行处理，再发送返回的信息；数据库对导盲手套的注册信息进行管理，如图4所示。
图4
3 结束语
试验证明，该设计能实现预想的导盲功能。目前该设计的网络功能有限，但是其基于物联网的开发前景广阔，这也有待于盲人网络应用技术的进一步发展。
参考文献
[1]刘强，崔莉，陈海明.物联网关键技术与应用[J].计算机科学， 2010，37（6）：1-4.
[2]张莹.基于嵌入式技术的导盲机器人设计[D].浙江工业大学：张莹，2011.
篇2
[关键词]物联网；嵌入式系统；
中图分类号：C94 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）33-0143-01
一、物联网与嵌入式的定义与主要技术
物联网是一门融合多门学科的技术，通过信息传感设备，按照设定的通信协议，为网络中的物体建立连接，物体之间能够进行信息交换和通信，最终实现对物体的智能化识别、定位、监控和管理等目标。物联网的主要关键技术是传感器技术、RFID、人工智能技术、标准化技术四种技术。
嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术与各行业的具体应用相结合后的产物。根据不同的应用，嵌入式系统也会用到许多其他的技术，如通信技术、传感器技术、智能信息处理技术、自动控制技术等。
从两者的定义来看，物联网强调的是物联网中设备具有感知、计算、执行、协同工作和通信能力及能提供的服务； 嵌入式系统强调的是嵌入到宿主对象的专用计算系统，其功能或能提供的服务也比较单一。嵌入式系统具有的功能是物联网设备的功能的一个子集，但是它们之间的差异将越来越小。简单的嵌入式系统与物联网定义中的设备或者物有较大的区别，具有的功能不如物联网中的设备或者物，但是随着嵌入式系统不断发展，目前出现的一些复杂嵌入式系统（如智能移动电话）基本上达到了物联网的定义中设备或物的要求。
在技术角度上，嵌入式技术在物联网行业发展中始终处于核心、基础的地位。嵌入式系统是计算机应用的一种最直接最有效的形式，只有把计算机嵌入到物体中去，物体才有大脑，它才具备思考、智能的能力；要想实现物与物互联、人机互联，必须赋予物体嵌入式CPU的智能部件为前提；从专业角度讲，物联网是嵌入式智能终端的网络化形式，或者是智能化的形式。
二、嵌入式在物联网环境下的应用
物联网与嵌入式系统都是多学科相互融合的综合性应用技术，而且物联网技术的关键技术传感器技术、RFID、人工智能技术主要是由嵌入式系统技术实现。
1）嵌入式系统实现传感器技术
物联网首先要对客观的事物信息的采集，所以需要传感器实现。嵌入式智能传感器是物联网技术的支柱，也正是嵌入式技术的发展和应用，它是一种带嵌入式微处理器的传感器，是将嵌入式微处理器、智能理论和传感器相结合而成的产物，具有检测、计算、判断、网络、通信和信息处理等功能。嵌入式智能传感器最重要的是它具有数据通信功能，能与互联网络、2G＼3G 网络进行通信，能与现有的网络传送数据实现全球监测，实现远程控制。
2）嵌入式系统实现RFID技术
物联网中采集完信息之后，需要对信息进行识别，嵌入式RFID主要实现的该技术，把RFID读写器嵌入在物体中，使得该物体具有RFID读写功能。嵌入式RFID还被广泛应用于交通控制、工业监测、安全防伪等物联网应用领域；嵌入式RFID在自动识别、物品物流管理得到了广阔的应用前景。
3）嵌入式系统实现人工智能技术
信息使用RFID技术能够识别、区分，然后就要对信息进行处理，人工智能技术实现了信息的处理。嵌入式智能技术能够大大提高信息处理的速度，使得事物的处理具备根据外部环境的变化具有反应的能力。
三、嵌入式与物联网的发展
嵌入式需要发展也离不开物联网，所以说物联网为嵌入式提供一个广阔平台，嵌入式扩展了物联网的应用范围，推动了发展进步。在应用领域方面它们几乎是相同的，当前物联网涉足的领域，嵌入式系统都已经在其中被使用了。综上所述，物联网与嵌入式系统关系非常紧密，物联网的发展离不开嵌入式系统的支持，而物联网又给嵌入式系统带来了新的发展机遇和挑战。目前嵌入式突出的问题是两个方面：嵌入式数据库应用和嵌入式网络安全问题，也是物联网的最为关注，构建嵌入式系统的安全性和数据库已成为物联网在使用中考虑的重要因素。
总结：
物联网的发展引领一次新的信息革命，在未来的生活中将占有重要的地位，而在技术角度上嵌入式是物联网核心，所以物联网的发展与嵌入式系统息息相关，甚至主导着物联网的未来发展，所以一定对嵌入式的研究要加大力度。
参考文献
[1] 邬明罡.物联网技术体系初步成熟[N].人民邮电报，2010-07-29（007）.
[2] 刘晓慧.物联网与嵌入式技术[J].电脑学习，2011，4（2）：27-28.
[3] 何克丽.物联网时代下的嵌入式系统[J].信息技术学报，2010，12：12-26.
课题信息：黑龙江省教育厅科学技术研究项目
篇3
【关键词】嵌入式系统;物联网;智能监测
嵌入式系统的设计工作中，设计者更多的将精力放在嵌入式系统体系结构上，使系统变得更灵活。笔者认为，通过利用抽象的ADL体系结构描述语言对嵌入式系统进行实验和系统的设计，可以应用于更多的硬件之中。总的来说，对抽象级嵌入式系统设计方法的探讨不仅是为了提高嵌入式系统的设计效率，也为物联网监测系统的实际作用起到了较大的支持效果。
一、嵌入式系统概述
嵌入式系统问世已经有一段时间了，其协议也逐渐变得更加稳定和通用。就目前来看，市场上基于嵌入式系统的产品在逐渐增多，再加上随着几个大型企业的推进和改革让很多芯片和模块的发展逐渐走向稳定的道路。所以嵌入式系统的开发环境主要是依托于执行特定任务的系统芯片之中。由于嵌入式系统在开发中具有相当的难度，所以ADL体系结构和设计语言多应用于抽象级嵌入式系统的开发。
基于ADL体系结构设计的语言和设计方法。ADL体系结构应用在很多软件系统的开发之中，从目前的情况来看，我国对硬件体系结构的研究主要停留在非形式化的基础之上。很大程度上依赖于硬件设计的传统经验。在目前的硬件开发中，很难描述不同组成部件之间的组合关系，导致开发人员对硬件的实际结构难以理解或难以形式化分析。而从经济角度出发，基于结构的硬件研发手段又是目前主要的应用手段，所以在实现实际结构之前应该进行虚拟化的模拟，这也就是抽象级嵌入式系统开发的核心理念。从这个角度来说，抽象级嵌入式系统的开发对物联网的监测管理具有相当重要的作用。
二、物联网的技术与安全性分析
物联网就是物物相连的互联网。所以，物联网的核心仍是互联网。物联网作为新兴的理念来说，主要是为了建立商品之间的信息交换网络。目前来看，这项技术的工程很大，需要逐步研究实现。物联网的建设过程也会逐步扩大，并对安全保护方面采取更先进的技术。下面笔者就从物联网面临的具体安全问题出发，对安全性进行具体的论述。
1.数据遭受攻击的具体影响。
第一，数据伪造是数据攻击的常见情况，攻击者利用伪造的读写器记录标签，让数据被中途拦截，然后攻击者利用伪造的数据发送出去，达到数据攻击的目的。
第二，重传攻击也是物联网RFID技术常遇见的问题之一。攻击者通过中途拦截而将有效信号在RFID系统中进行重传而对系统进行另一种攻击。
第三，对数据的追踪，对数据的追踪一般不同于前两种攻击，追踪一般会对数据的发起地以及接受地进行判断，更多的是进行对数据路径的攻击。
2.物联网RFID技术的安全问题对比。
物联网RFID技术本身对安全性的要求是很高的，但是RFID技术并没有低廉的安全技术方案，RFID技术随安全性能的升高而经济投入越大，也就是物联网发展缓慢的原因之一。如何降低RFID安全成本是物联网RFID技术的主要发展方向。
同时，物联网作为一个设备较多、网络较复杂的综合性网络来说，其发展过程经历着不同层面的技术革新。如果不能让各项技术相互连通，则会造成整个商业模式无法正常运行，因此，推动建立安全性物联网是现代电子商务发展的主要方向之一。
3.物联网中的信息安全意识。
物联网中的物与物和物与人之间的互联，需要大量的信息交换和信息传输。信息的交换与信息传输又离不开信息的存储。所以综合来看，比起传统网络，物联网对信息安全的要求更高，所以物联网中的信息安全意识也就更突出，要将信息安全建设放在物联网建设的首位，利用合适的管理平台，和完善的商业模式构建出新技术下的物联网。并利用新技术型的物联网打开市场，推动电子商务行业的发展。
三、基于嵌入式系统物联网监测系统的设计
由于物联网是通过RFID、红外线、全球定位等技术共同按约定协议将物品与互联网连接的技术手段，所以对物联网监测系统的设计也具有相当的难度。嵌入式系统在物联网检测系统中的应用主要是对检测系统平台结构的管理以及对系统方案的设定。下面笔者就根据这两点对基于嵌入式系统的物联网监测系统进行深入的研究和论述。
1.智能监测系统的系统结构。
本文主要研究的内容是嵌入式监测系统，所以需要基于嵌入式监测系统的管理模式进行外设模块的建立。
首先，对USB摄像头模块的应用，根据图像采集的需要对USB摄像头的芯片以及图片处理器进行选择，嵌入式系统可以自动识别USB摄像头设备并予以应用。
其次，GPRS无线传输模块。无线传输功能的实现对嵌入式监测系统的改善较大，一般选用西门子和摩托罗拉GPRS产品的情况较多。再次，RFID模块，这个系统主要确定物品的具体身份，是物联网建设的核心内容。
最后，LCD显示屏。对显示屏的使用是控制物品各项参数的必要方法。通过对监测系统平台结构加以设计和完善能为嵌入式监测系统的正常使用提供保障。
2.对系统具体方案的设定。
抽象级嵌入式系统由于其技术特点决定，是最适合工业以及工程远程操控。这是因为工业生产设备的远程操控比较简单，传输数据较少，而且对系统的通信技术性价比的要求较高。所以嵌入式系统正是工业设备远程操控的最佳选择。所以在实际过程中，嵌入式系统的监测主要包括：RFID对物品的身份监测、数据库的信号变化、记录时间，重量地点等内容、判断是否正常、控制报警系统、对冗余数据进行清零或存储。
在嵌入式监测系统设计完成后，如果需要对代码层进行修改，则只需要修改顶层的有关参数即可。利用XML代码的灵活，保证了模板文件对应的设计比较正确，也能保证整个设计的正确性和可靠性。
四、结语
总的来说，对嵌入式系统的应用主要是为了避免传统系统的设计方法中存在大规模系统设计适应度不足的问题。也就是说，嵌入式系统能够更方便快捷的管理和监测物联网系统。所以在本文中，笔者通过研究认为，利用嵌入式系统对物联网监测系统进行建立和管理可以在一定程度上减少物联网RFID技术的安全成本，也能增强云计算数据传输时的安全性。
参考文献
[1]刘秀菊.基于嵌入式系统物联网的智能监测系统设计[J].计算机测量与控制，2012，20（9）：2375-2377，2388.
篇4
1.物联网背景下的嵌入式系统教学课程
1.1物联网的概念
物联网的概念始于20世纪90年代末期。当时的物联网，主要是针对物与物、人与人之间的互联互通，提供技术支持。这个新型的概念和技术出现后得到了理论和工业界的充分关注。
1.2嵌入式系统的理论教学内容
嵌入式理论教学内容主要包括ARMffC：入式微处理器、嵌入式操作系统、应用和前沿发展等内容。以嵌入式开发技术掌握为教学目的。具体的授课内容包括；系统概述、微处理器的原理；实用操作、移植交叉开发、物联网在嵌入式系统教学中的应用等。物联网应用背景下的嵌入式课程体系框架如图1所示。
2.物联网基础上的嵌入式系统实验概述
2.1理论结合实践
物联网基础上的嵌入式系统实验设计采用的是层次化的实验环节，包含基础知识、动手能力、创造性思维等等。例如，嵌入式实验开发平台上，主流的串行接口和以太网接口，GPS全球定位系统模块，总线接口等等。这些接口和物联网的应用背景是通过层次化的实验设计展开的。内部包含了实验的要求和实践阶段的不同设置，整体层次的设计从浅显到深入，实验层次不同，对应的组织形式也不同。例如基础性实验的目的用于熟悉物联网，实验层次的循序渐进，为了实践的开发和设计打下了基础。而综合性的实验和实践是为了提高物联网的应用能力。
2.2实践与合作相结合
在物联网中间层的嵌入式网关设计中，根据模块接口的采集，终端的经纬度信息得到无线数据手法模块中的传感器的温度和日照等的环境信息，通过ARM处理器打包成UDP数据包，将之通过以太网网络接口传送到基站的服务器中。
整个流程为，从以太网网络进行接入，将数据传送到嵌入式处理器，通过GPs模块接口进行无线数据的收发，再传送到嵌入式处理器中，最后到达外部存储器。
在物联网的技术支持下，学校组织学生成立了第二课堂，组成了以物联网为主题的学习小组，对项目进行模拟实践和开发。例如GPS数据采集和处理的课题小组，要对操作系统、网络协议栈的移植、多任务的GPS模块的接口数据进行打包，UDP数据包发送到网络等众多内容进行实践。在团结合作中，兴趣小组的同学各自有分工合作，最终实现了将终端传感器传送了了基站的网络服务器的实验目标。
3.嵌入式系统教学的现状
坚持对嵌入式系统的教学的创新进行探索，包括课程设置、基础知识的传授、教学软硬件平台的搭设、实践教学的组织等等。目前在教学中存在以下特点。
在嵌入式系统的教学中，课程定位的方向以及应用不同。有的院校侧重于底层和系统文件的构建，有的院校侧重于应用以及软件的开发。
在嵌入式系统教学的课程中，由于院校课程定位的不同，因此在课程设置上也有所不同，有的偏重于硬件的设计，有的以电路设计为主，有的偏重语言程序的设计。
在嵌入式教学的学时分配上，有的院校侧重于课程的要求，有的院校侧重专业的核心课程，有的院校侧重专业的通识课程设置，有的院校将其作为辅修课程，因此在学时的安排上各有不同。
在教学内容上。嵌入式系统课程中理论和概念较多，因此学生容易感到枯燥，对于知识体系的架构来说，积极性不高会导致学习效果不佳，同时嵌入式教学平台目前的种类偏多，但是配套的操作系统却没有跟上。
嵌入式教学体系具有若干缺点，首先，在传统的教学模式中，教师的主导性地位过强，教师只会将教材中的章节进行讲解。但是基础理论往往于实践脱钩，使得理实一体化难以实现。有限的课程中，教学内容多用于理论学习，能够强化学生实践能力的实践课程较少。
嵌入式系统教学中以网路协议栈、文件系统、数据库管理系统、媒体压缩和解压缩系统等等的数据实验平台众多，但是真正能够以为学生提高学习成效，加强软件基础为目标的课程设置不多。
4.基于物联网项目驱动的嵌入式系统教学架构
当前，高等院校的教育体系中，对教学项目进行构建，对教学课程进行设置，往往是围绕着工程能力的培养展开的。物联网技术的发展背景下，嵌入式系统的课程教学体系必须也有相应的调整，才能应对当今时代和社会发展的需要。
企业的生产过程以及实际的应用价值，是教学内容在选择上参照的依据。高等院校培育的学生，必须要获取实践机会，提升决策和实施的能力，并且能够制定物联网系统规划，培养对物联网项目的u估能力。
嵌入式系统教学的知识点一般较为碎片化，通过学校与企业合作的形式，将这些碎片加以重组。例如，在物联网企业的要求下，教学项目设立了一个以某企业的产品为主项目的子项目，在子项目中将任务具体化，分解到每个学生身上，学生参与到项目中，成为教学的主体，在真实的企业生产情景下，感受到物联网学习的氛围以及学习内容。
项目启动后，课程被分解为小组学习的模式，学生担任项目中的角色，大约4～5个学生分为一个项目团队。项目中，学生成为企业员工，担任开发程序中的角色。在实习中，学生的角色可以进行轮转和互换，以便于课程结束后，学生能够对项目的全部流程有深刻认识。
在项目进行过程中，学生的实际能力表现都是项目考核和评价的内容。每个学生在团队中的表现以及工作成果都被记录下来作为将来接受课程评价的依据，学生的能力也通过项目的开展不断提高，为将来进入社会成为工作岗位的中坚力量打下了牢固的基础。
在具体的项目教学中，学生以开发成员的身份进入项目小组中，根据实际项目设计目标研究项目任务书，进行项目的需求分析、项目的设计、项目的实现和系统测试。
以具体的项目内容为例，实践项目要求通过嵌入式uNux系统，进行各个计算机流程的操作，包括系统裁剪、电机控制、驱动文件加载、交叉下移，平台嵌入式编译等等。在模块化教学的情景下，学生可以学习如何设计系统结构和接口，在理实一体化的模式下将项目软硬件系统通过设计和编码进行实现。
在项目完成之后，教师、企业、学校组成专门的评价小组，对照工作任务要求，逐项检查项目完成情况。对不足的部分要求学生进行分析和修改，并要求项目小组内的同学和不同小组的同学开展互相评价、总结，以综合的考评成绩作为对学生的考核结论。
篇5
关键词：嵌入式；构建主义；抛锚式教学方法；物联网应用；双主动
1 建构主义教学理论
近年来，嵌入式技术和嵌入式产品已经渗透到各个领域，如信息家电、通信设备、工业控制等，社会需要大量掌握嵌入式技术的人才，因此，越来越多的高校开设了嵌入式相关课程。嵌入式系统是一种软硬件结合的技术，与产品和市场有紧密的联系，具有很强的实践性和应用性。在教学中，教师普遍认为该课程难教，学生学习起来也很吃力，难以深入掌握相关知识，教学效果不理想，因此，笔者主张以建构主义理论为基础，探索新的教学模式。
建构主义观点是由瑞士心理学家让·皮亚杰于1966年提出的，他创立的学派被称为“皮亚杰派”，是认知发展领域中最有影响的学派。建构主义学习理论包括以下3个基本观点。
1.1 学习是一种过程
学习者在学习新知识时，不是通过传授获得知识，而是通过他对知识的经验解释，将知识转变成了自己的东西，即知识和技能的获得，是学习者与外部环境交互作用的结果，而不是教师单向灌输的结果。
1.2 学习是协商活动的过程
学习不是单向的接受过程，教师不但肩负着“传”的使命，更肩负着调动学习者积极性的使命。教师要分析学习者的知识结构，找到合适的切入点，才能确保新知识单元被建构到原有知识结构中，形成一个新的结构。然而，不同的学习者知识结构不一样，对知识的理解不一样，从而导致学习者的学习效果不一样。因此只有通过“协商”和磨合，才可能达成共识。
1.3 学习是一种真实情境的体验
学习的目的是让学习者真正使用所学的知识来解决问题。“懂了”只是第一步，“会用”才是更关键的，会用才证明真正学会了。只有在真实情境中，才能使学习变得更有效，因为学习者可以在真实情境中解决实际问题。
分析以上3个基本观点可知，建构主义教学理论应该以学生为中心，在整个教学过程中教师是组织者、指导者、帮助者和促进者，利用情境、协商等学习环境要素充分发挥学生的主动性、积极性和首创精神，最终达到使学生有效实现对当前所学知识的理解和应用。可见，在建构主义教学理论下，教师和学生的角色、作用与传统教学相比已经发生了很大的变化，而这种变化必将给嵌入式课程的教学注入新鲜力量，为改善教学效果开辟了新的途径。
2 物联网与嵌入式技术
物联网的概念于1999年提出。根据2005年国际电信联盟（ITU）的定义，物联网主要解决物到物（Thing to Thing，T2T）、人到物（Human to Thing，H2T）、人到人（HumantoHuman，H2H）之间的互联。物联网这一高度交叉的新兴前沿领域在国际上备受关注，美国IBM公司基于物联网提出“智慧的地球”概念；中国科学院早在物联网概念诞生之初就启动了传感网研究；2009年，无锡物联网产业研究院成立，考察时提出“感知中国”的概念。
在物联网应用中有3项关键技术，即传感器技术、RFID（射频识别）技术、嵌入式技术。把物联网用人体做一个简单比喻，传感器相当于人的眼睛、鼻子、皮肤等感官，网络就是神经系统用来传递信息，嵌入式技术则是人的大脑，在接收到信息后要进行分类处理；物联网的发展为嵌入式技术的发展提供了新的应用领域。因此，嵌入式课程的教学内容安排要面向物联网的应用。
3 双主动教学模式
3.1 理论教学环节设计
在建构主义的教学理论下，目前已开发的比较成熟的教学方法主要有：支架式教学法、抛锚式教学法和随机进入教学法。笔者主张采用抛锚式教学方法进行课程理论环节的教学。抛锚式教学也称“实例式教学”或“基于问题的教学”，它要求在教学过程中，依据教学内容、对象和方式，确定锚点，即选取有感染力的真实问题，通过抛锚引导出讲授的知识，设计出问题来指导教学。所谓的“抛锚”就是教师通过选取有感染力的真实问题创设教学情境，以确定教学内容用，“抛锚”是否成功，取决于教学情境的创设能否激起学生的积极性。由此可以看出，“抛锚式”教学方法的关键环节是教学情境的创设。下面笔者针对物联网应用，分析嵌入式课程的理论教学内容，然后给出创设的教学情境。
3.1.1 教学内容安排
嵌入式理论教学目的是掌握嵌入式系统开发技术，为物联网的应用奠定基础，而嵌入式软件是物联网的重要的核心技术之一，它的发展促进物联网的工程应用，因此，为了更好地应用物联网，嵌入式课程安排6个知识单元的教学，具体内容包括以下几个方面。
第1知识单元：嵌入式系统绪论。掌握嵌入式系统定义、特点，了解嵌入式系统的发展趋势、特点，理解嵌入式系统的设计过程。
第2知识单元：ARM体系结构。掌握ARM9结构，了解ARM9的指令集、工作模式，理解ARM9储器格式、存储器映射I/O结构、ARM异常，掌握ARM9的寻址和加载/存储指令、算术和逻辑指令、比较指令、分支指令、软件中断指令。
第3知识单元：嵌入式系统的接口设计。掌握接口的控制方式、存储器接口设计、引脚连接模块应用、GPIO接口设计，了解中断的分类、中断源，掌握中断设计、定时/计数器接口设计、串行口设计、人机接口设计。
第4知识单元：嵌入式系统的软件平台构建。了解嵌入式系统软件平台的发展、典型嵌入式操作系统，理解嵌入式系统软件开发的特点，掌握UC/OS—II移植规划、移植文件构成、移植代码与系统应用程序设计、任务设计、常用的系统函数、任务问通信程序设计方法、内存管理的程序设计方法。
第5知识单元：嵌入式网络技术。了解分布式嵌入式系统网络结构、通信方式，掌握异步串行通信网络、12C总线网络、CAN总线网络、USB网络，理解嵌入式TCP/IP协议的特点，掌握嵌入式TCP/IP协议的实现方法。
第6知识单元：嵌入式系统设计实例。通过实例掌握嵌入式系统设计的过程和方法。
其中第2、4、5知识单元是嵌入式软件的核心内容，不少于20学时。
3.1.2 教学情境创设
针对每节课的教学内容创设一个学习情境，设计一个总体任务，并向学生展示出整体情境，提出总体任务，然后引导学生对总任务进行分析，尝试将总任务分解成有序的各级子任务，并讨论出各级子任务所需要的知识和技能，最后学习这些知识，锻炼这些技能，以解决问题。下面以UC/OS—II移植为例来说明进行教学情境创设的过程，具体步骤如下：
第1步，运行一个简单的多任务程序，展示移植UC/OS—II后程序的设计方法。通过感性认识，引出要讲授的知识，并强调学习该部分知识的重要性。
第2步，在ADS集成开发环境下设计一个工程，给学生展示移植UC/OS—II后多任务程序设计的运行情况，分析应用UC/OS—II系统函数进行多任务程序设计的方便性，激发学生的学习兴趣，提出总体任务：移植需要完成的工作。
第3步，分析总体任务，完成移植工作需要在OS cpu.h、OS cup C.C和OS cup a.s中设计移植代码。在工程的h文件夹下打开OS_cpu.h，在工程的arm文件夹下分别打开OS_cup_c.c和OS cup a.s分析移植代码的设计思路，依据设计思路，指导学生进行关键程序段的编写。
第4步，总结移植步骤和方法。
内容讲授完毕后，让学生总结UC/OS—II移植的步骤和方法，加深学生对该部分知识的理解。
从上面的设计步骤可以看出，情境创设是从真实情境展示出发，由真实情境引出要讲授的知识，即先给出问题再说明问题的解决方法。相对传统的灌输教学方法，可以让学生对所学知识的重要性有更好的理解，从而激发学生的学习兴趣，提高学生的学习主动性。
3.2 实验教学环节设计
实验课程的教学以建构主义理论为指导，从学生的知识基础和兴趣出发，进行分层次教学，即将实验内容分成验证性、设计性、创新性3个层次，课前教师布置预习内容，提供与实验内容相关的大量资料，给予学生充分的时间进行查阅和理解资料，课上教师仅指导学生探索问题、解决问题，充分发挥学生的主动性，让学生自己学习、自己操作，验证性、设计性实验在课上完成，并由教师对完成情况进行检验，现场给出成绩；此外，对实验感兴趣的学生可以利用课余时间完成创新性实验，这需要定期开放实验室，允许学生动态使用实验室的所有资源，在教师的指导下充分发挥学生的积极性和创造性，运用已有的知识基础，自己思考并动手解决实际问题。通过实验教学环节，使学生对所做实验的性质、规律以及知识之间的内在联系有较深刻的理解，形成对知识的意义建构。表1给出了实验项目及类型。
创新性实验内容综合性强，涉及的知识较多，学生2～3人一组，每一组内的学生相互协作共同完成实验内容。此外，实验项目可以动态变化，学生可以从表1中选取题目，也可以由教师设计题目，这取决于完成创新性实验的学生的兴趣状况和知识基础。
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关键词：智慧农业 嵌入式系统 体系建设
中图分类号：G643 文献标识码：A 文章编号：1673-9795（2014）01（a）-0141-02
随着计算机信息技术的发展，我国传统农业正在加快向现代农业转型，而智慧农业将成为现代农业未来发展的趋势。智慧农业将农业看成一个有机联系的系统，依托嵌入式技术、感知技术、互联互通技术、智能化技术等综合、全面、系统地应用到农业系统的各个环节，使得农业系统的运转智能化、多功能，大力推进农业科技创新。
智慧农业所涉及的关键技术包括嵌入式技术、检测技术、通信技术等。嵌入式是当前发展最快、应用最广、最有发展前景的信息技术应用领域之一。目前，许多高等院校的计算机、电子、软件等专业针对市场需求，开设了嵌入式系统相关课程，也在逐步完善适应社会需求的嵌入式系统的教学体系。本文基于智慧农业背景，结合都市型现代农业开设嵌入式课程的经验，对农林院校嵌入式课程教学改革进行了探讨。
1 智慧农业物联网嵌入式系统
智慧农业是最近兴起的一个概念，出现的时间很短，目前还没有一个公认的定义。中国农业大学李道亮教授认为： 智慧农业是以最高效率地利用各种农业资源，最大限度地降低农业成本和能耗、减少农业生态环境破坏以及实现农业系统的整体最优为目标，以农业全产业、全过程智能化的泛在化为特征，以全面感知、可靠传输和智能处理等物联网技术为支撑和手段，以自动化生产、最优化控制、智能化管理、系统化物流和电子化交易为主要生产方式的高产、高效、低耗、优质、生态和安全的一种现代农业发展模式与形态。
要建设智慧农业，就要依托物联网等先进的科学技术。物联网（The Internet of Things，简称IOT）的概念是在1999年提出的，2005年国际电信联盟（ITU）的ITU互联网报告，对物联网做了如下定义：通过二维码识读设备、射频识别（RFID）装置、红外感应器、全球定位系统和激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。
智慧农业物联网唯一的物联源头是嵌入式系统。随着嵌入式系统的各个领域应用需求的多样化，嵌入式技术已成为当今电子技术发展的主流。
本文基于嵌入式技术，针对农林院校计算机专业嵌入式系统方向课程体系的特点， 通过一系列教学尝试，对计算机专业嵌入式系统方向的课程体系建设进行了一些探索，使学生在保证专业原有课程的基础上，根据专业方向的不同，侧重点有所差别，将智慧农业贯彻课程体系始终，使学生在软件和硬件设计方面都得到很好的锻炼，最终为都市型现代农业培养全方位的信息技术人才。
2 嵌入式课程体系建设
（1）我校计算机专业嵌入式系统方向培养和教学目标。
我校计算机专业嵌入式系统方向培养目标培养侧重嵌入式软件设计开发的嵌入式系统开发人员。根据学生的接受能力，嵌入式系统的学习体现层次性、渐进性、注重实践性，尤其侧重培养在农业领域中的嵌入式系统应用能力。（图1）
嵌入式系统课程体系的设置体现“注重工程能力培养的嵌入式系统人才知识体系”，学习侧重嵌入式软件设计部分。嵌入式系统教学体系教学目标是掌握四个“1”，即“一种主流嵌入式微处理器、一门开发语言、一种嵌入式操作系统、一套开发工具”，嵌入式开发语言主要有汇编语言、C和C++语言、Java语言等；嵌入式操作系统主要有Windows CE、Linux等；集成开发工具主要有Windows CE开发工具、ADS等。
（2）嵌入式系统课程体系。
北京农学院计算机与信息工程学院自2011年设置了计算机专业嵌入式系统方向，根据自由选择的原则在大学三年级实施特定方向培养，同期购买了30套嵌入式开发实验平台设备，可实现每人一台的教学环境。
嵌入式系统课程体系大致可分为：基础课程、专业基础课以及专业课。
基础课程在大学一、二年级开设，主要学习理工科的一些基础课程，如高等数学等。
专业基础以及专业课的开设时间以及内容如表1所示。需要特别说明的是根据我校“3+1”本科人才培养模式，大学前六个学期完成的是课内学习，旨在掌握较宽厚的基础知识和扎实的专业知识，最后一学年有计划地到校内外实调基地进行为期一年的实践和实训，所以第七学期和第八学期是专业实习和毕业设计实习环节。
嵌入式导论课程：介绍嵌入式的主要应用领域、嵌入式软件开发的基本概念、嵌入式软件开发的基本流程和基本方法、嵌入式系统的特点。
嵌入式操作系统课程：介绍嵌入式系统基本知识，嵌入式操作系统与通用操作系统的差别。结合典型的嵌入式操作系统对操作系统的基本构成、工作机制、系统移植剪裁和实时任务调度等内容进行介绍。我校根据具体情况选择、Linux、WinCE等嵌入式操作系统进行教学。
嵌入式程序设计基础：介绍嵌入式系统体系结构、嵌入式系统设计的基本方法、软件编程及设备接口和驱动等。通过该课程的学习，学生了解和掌握必要的嵌入式系统设计方法学的概念、方法和工具嵌入式程序设计基础，掌握嵌入式系统的基本原理与设计开发思想，学生能完成简单的嵌入式系统的软硬件设计。
JAVA开发语言：介绍Java语言的体系结构、Java语言的基本概念和程序设计的基础知识、面向对象的程序设计的思路和方法。培养学生的编程能力，使学生能够运用Java语言作为完成应用程序设计。
嵌入式接口技术：介绍键盘接口、LED显示器接口、触摸屏、通信接口、中断接口、A/D和D/A转换、ARM的JTAG接口。
嵌入式高级编程：介绍Android嵌入式开发环境搭建的方法，项目结构；Android的体系结构，嵌入式软件开发流程；嵌入式特性开发，多媒体开发，数据存储开发，联网开发等开发方法，学生通过实践能达到独立完成开发单机、网络嵌入式软件的能力。
3 嵌入式课程实践教学
（1）层次化实验实践教学。
实验室选用UP-Magic6410嵌入式实验开发平台，着重培养学生在该平台下进行嵌入式Linux程序开发的相关环境搭建与软件设计方法的能力。针对各模块以及嵌入式系统的应用背景，按照由浅入深，不同课程层次对应不同实验项目等原则，组织设计了三个层次的实验，循序渐进，逐步提高，以满足不同阶段的实验和实践需求，分别为涉及嵌入式导论的基础性实验、涉及嵌入式程序设计基础的实操性实验、设计嵌入式高级编程的提高性实验。基础性实验多以理论验证为主，在于学习方法；综合性实验和提高性实验则多以应用为主，在于提高能力。三个层次的实验教学内容，为学生提高了动手能力，进一步的实践开发和毕业设计打下了良好的基础。
（2）通过项目案例，强化实践教学。
首先，依托教师实际的科研或工程项目，教师在实验课程实施时，可以按照模块化将案例的分解到各个部分，鼓励学生对实例所采用的技术和方案进行不同角度的评价，变被动知识灌输为主动探索思考，使教学理论知识与科研实践有机地结合在一起。
其次，在设计综合课程设计等综合性实验时，结合教师实际的科研或工程项目，在强调基础性知识掌握的同时，鼓励学生创新的综合设计。使得学生既掌握了一些具体的通用的嵌入式系统的开发方法，也能发挥主观能动性，独立设计并实现较完整的嵌入式系统，激发学习、创造热情。在课程设计综合实验中，考虑到学生水平差异，按照“自由组合、自主选题”的原则，要求学生课外查找资料进一步地学习，引导学生进行主动性学习，对某些问题进行深入的分析研究，进而提出自己的设计思想，此环节中设计思想的原创性也将作为课程考核的重要内容。
（3）鼓励学生参与科研项目，注重培养创新能力。
通过项目实践来锻炼和提高学生动手能力是非常重要的。我校实行导师制指导学生，在参与教师科研项目的过程中，本科生导师负责学生在整个科研期间从理论到具体操作的各个环节的指导工作，加强了指导力度。
学生在家禽食品安全追溯系统的嵌入式系统应用项目中，教师组织学有余力的同学成立兴趣小组，直接参与到前沿的课题和项目中去，将食品安全追溯系统按照生产链的六个环节分解成若干子题目，交由各兴趣小组，模拟项目的形式实践开发，真正做到“在学中做，在做中学”，以务实的项目培养学生的实践科研能力。
（4）鼓励学生积极参与课外科技活动。
近年来，高等院校加大了学生的课外科技活动开展的力度，笔者指导的学生参与了北京市大学生科研计划，利用嵌入式平台，对温室环境等参数检测，进而对温室大棚实现智能化控制，学生在该课题中，运用所学理论知识，系统的完成了整个项目，获得了北京市大学生科研计划成果二等奖，尤其值得一提的是，毕业的学生在担任京郊村官期间，将课题成果应用于所服务的村镇，取得了良好的效果。实践证明，鼓励学生参与课外科技活动，将会拓展学生的知识体系，并学以致用，对进一步提高学习兴趣以及培养合作精神发挥了至关重要的作用。
（5）做好毕业设计及毕业实习
我校实行的是采取“3+1”人才培养模式。以往学生在第八学期进行毕业论文和实习，部分学生在校内机房根据教师给出的题目完成毕业实习和设计论文，学生如果不走出去。就无法完成理论与实践的有机结合，部分同学虽然通过实习单位的学习完成毕业论文，但是毕业设计和论文的时间和质量也难以保证。因此，我们将毕业论文提前到第七学期安排任务，进行设计、论文的前期准备及调试工作，既可以保证充分的毕业设计时间又可以提高学生专业课的学习兴趣和主动性，做到有的放矢.提高设计.论文和专业课的学习质量。
针对在校学生缺少行业背景知识这一缺点，在教学中大力开展了与企业的合作，直接把学生派到相关企业进行实习和毕业设计，使得培养的嵌入式人才能够适应企业的需要，目前我院已经建立了中软、中国农业科学院信息所等校外实习基地，并签订了相关的实习协议。一方面学生在实践工程项目中完成毕业设计和论文，综合能力得到极大的提升，另一方面用人单位在与学校合作办学的过程中也为自己培养了急需的技术人才，实行了定单式培养，最终构筑高校.学生和企业获利的共赢平台，从而实现人才培养和社会需求的无缝对接。从以往经验来看，选择嵌入式系统开发课题并能按时保质保量完成课题的的学生知识面更广，就业面更宽，既可以从事软件开发，也可以适应硬件的开发工作。
4 结语
嵌入式系统作为应用性极强的课程，其教学体系建设是一项复杂而艰巨的任务，包括完整的课程设置体系结构、不断的丰富实践教学内容，获取更多的实践项目等内容。随着嵌入式在现代农业应用的迅猛发展，如何真正立足于农业院校发展特色，培养高素质嵌入式系统农业信息化人才，将是我们今后教学的方向和努力目标。
参考文献
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[2] 朱仲英.传感网与物联网的进展与趋势[J].微型电脑应用，2010（1）：1-3.
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[5] 李岩，孙玉，孙丞春.嵌入式系统教学研究[J].电气电子教学学报，2006，（3）：45.
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近年来，因汽车设备中的软件出了问题导致的召回事件时有发生，很多企业都因为产品中软件的质量问题，而对整个业务造成了重大的伤害。对于嵌入式产品来说，产品中软件的质量至关重要。物联网强调的不是一个孤立的解决方案，而是一个更大的系统组件――可以通过定制或者调整来满足个人用户或企业的个性化需求。为了实现这一目标，必须借助软件、微电子原件、传感器和机械技术等创新成果的全面整合。
嵌入式软件系统结构越来越复杂，嵌入式软件的开发也变成复杂的系统工程。早期的嵌入式系统开发者多是电子工程、自动控制等领域的工程师，软件基本上都是用汇编语言实现的。近年来，随着物联网的发展，嵌入式系统的功能要求也越来越多样化，而安全性、可靠性、响应速度、功耗等要求也越来越高，从软硬件系统与平台选择、设计、开发到测试与集成，整个过程都是软硬件并行交互进行的，因此，嵌入式软件开发已经成为一项很复杂的系统工程，其开发必须遵循系统工程和软件工程的要求。
IBM软件集团Rational全球系统平台开发及嵌入式系统副总裁Meg Selfe表示：“企业在打造软件开发与交付实力时，不仅要着眼于功能创新，还应以系统工程的视角，使得软件构件与日趋复杂的电子、电气、机械等子系统智能融合，并且与其他智慧的系统实现高度互联，软件开发环境和平台正是实现软件创新的基础。以汽车行业为例，通用汽车基于Rational平台上进行软硬件的开发，从设计到上市仅用了29个月。而在过去，这样的新车项目需要花费5到10年时间才能投放市场。”据了解，众多国内汽车厂商正在采用Rational产品来开发嵌入式应用程序，用自主创新的信息技术更好地管理客户和市场需求，并进行建模编程，完成自动化的功能测试，用户可借助Rational的软件开发技术有效实现开发过程中的投资回报最大化。
据了解，IBM在嵌入式方向关注五个重点领域，即汽车、飞机航空、电子业、核电等能源行业、电信行业，分为产品本身的发展、产品与产品之间的互动，以及系统上的系统这三个层次。Rational以Jazz平台为基础的协同和集成软件平台为嵌入式软件开发提供了一个良好的交付平台，它有助于企业专注于软件开发，创造出更加强大的差异化功能。此外，Rational还提供了一些重要的系统工程解决方案，比如需求工程、整合变更管理、模型驱动系统开发和产品组合管理等，帮助企业更好地管理软件开发的成本与交付时间，确保制造商在正确的时间将产品推向市场。
在复杂的嵌入系统软件开发过程中，好的软件开发方法和软件治理手段对提高产品的质量是非常必要的。因此，嵌入式软件开发必须磨练内功，才能跟上瞬息万变的信息化社会步伐。
联联看
广东物联网实施意见出台
广东日前正式出台了《关于加快发展物联网建设智慧广东的实施意见》，进一步细化了未来广东在加快物联网发展及推动智慧广东建设方面的内容和措施。目前，广东正在重点实施智慧广州、智慧深圳等智慧城市试点，和智慧南海、智慧石龙等智慧城镇试点。
对于“十二五”时期物联网的发展目标，《意见》表示，到2012年，广东物联网产业总产值超1000亿元，规模以上企业超过1000家，发明专利受理和技术标准超过1000项，机器对机器(M2M)应用终端数量超过1000万台。到2015年，在无线射频识别(RFID)、传感器、短距离无线通信和网络、M2M和嵌入式系统等重点设备制造领域将建成一批产业集群，形成国内重要的产业基地;培育一批在国内具有较大影响力的系统集成企业，扶持一批具有创新商业模式的网络运营服务企业，集聚一批具有自主知识产权、占领技术高端的创新型企业。
《意见》指出，在技术方面，将重点突破物联网芯片、RFID、光纤传感、各种传感器融合、嵌入式智能装备、物联网IP组网等关键技术，以及物联网的相关标准、交换接口、信息安全、云计算协同等共性技术。
《意见》表示，将选择一批技术先进、带动和支撑作用强的物联网重大项目纳入广东省重点项目规划和年度实施计划，并大力推进实施。充分利用现有战略性新兴产业、产学研、技术改造、现代服务业等财政专项资金，支持物联网发展。同时，支持物联网核心技术研发和产业化，开展公共服务平台建设，扶持物联网重点项目应用试点。
在广东，汇集着一大批与物联网产业相关的信息技术产业的上市公司，包括东信和平、远望谷、中兴通讯、长城电脑、飞马国际、怡亚通、沃尔核材、粤富华、长园集团、智光电气、科陆电子、远光软件、广电运通、御银股份、超声电子、世纪鼎利、达华智能等。
物联网产业“十二五”规划构架已成型
物联网“十二五”规划课题组核心成员日前透露，由工业和信息化部主导的《物联网产业“十二五”规划》已完成起草工作，现已进入最后论证阶段，其基本构架已成型。
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引言
物联网时代，物联网系统中的嵌入式系统对互联网开放。本质可靠的嵌入式系统有可能遭遇互联网病毒或恶意入侵的攻击事件而出现安全问题，这是物联网时代嵌入式系统面临的新挑战。在物联网系统的安全架构中，有一个明显的非安全入侵界面，设立归一化安全交互通道、实现交互通道界面的安全管理，是物联网系统中嵌入式系统安全性设计的重要原则。
1电子系统的智能化与集群化
我们从电子系统的时代变革中，可以明显看出电子系统的智能化、集群化趋势。传统电子系统，是孤立的泛性产品系统（没有归一化内核）；智能电子系统，是归一化微控制器内核基础上智能产品系统，并从单个产品走向集群（分布式集群、总线集群、局域网集群）；物联网电子时代的嵌入式系统，是普遍具有互联网接入功能的智能电子系统，有紧耦合与松耦合接入两种状态。松耦合的智能电子系统是一个独立的产品系统，通常在网下使用，需要时接入，如手机、桌面电脑、智能家电等；紧耦合的智能电子系统与互联网构成一个物联网应用系统，如市政交通管理系统、小区物业安全管理的实时监视电子系统。目前，传统电子系统基本被淘汰，智能电子系统与物联网电子系统会长期并存。与3个电子时代相对应的开发环境变迁，是产品开发的平台化与可靠性设计内容的变迁。传统电子时代是电子工程师单打独斗的时代，电子产品的功能性设计、低功耗设计、可靠性设计完全依靠电子工程师的聪明才智，由电子工程师独立完成。智能电子时代，产品硬件体系设计是电子工程师在微控制器、大规模集成电路的功能模块基础上的配置设计；产品的软件体系设计是集成开发环境、操作系统、计算机工程方法基础上的应用程序设计。微控制器、集成电路、集成开发环境、操作系统、计算机工程方法等，构成了形形的知识平台。这些平台不只是简单的知识集成，而是具有人工智能、可以代替人类个体脑力劳动的知识力量平台。例如，原先设计一个数据采集系统时，电子工程师必须了解模拟信号到数字信号的转换设计的知识与技术，如今，有了A／D转换芯片，便可省去电子工程师的这部分脑力劳动。又如，没有实时多任务操作系统时，电子工程师设计嵌入式程序时，必须认真考虑多任务系统程序的实时协调与管理，有了实时多任务操作系统，所有这些任务的协调与管理都由操作系统依靠协议自动实现。因此，智能电子时代的电子产品系统设计，进入到人工智能的平台化开发时代。与智力替代的平台开发模式相对应的是可靠性设计内容的变迁。传统电子系统的可靠性完全依靠电子工程师的精心设计。智能电子时代，电子系统的可靠性、安全性设计进入到智能化、平台化的设计时代，从而使智能电子系统的可靠性、安全性设计到达最高境界。物联网电子时代，智能电子系统对互联网开放，导致互联网中各种不安全因素对智能电子系统的入侵。因此，物联网电子系统安全性、可靠性设计的一个重要方法是对入侵窗口的管理设计。
2物联网系统的安全性架构
物联网安全体现在一个个具体的物联网系统中，进行物联网安全性设计时，应充分了解物联网系统的安全性架构。
（1）物联网与物联网系统
通常，人们用应用层、网络层、感知层来概括物联网。应用层描述了物联网应用中形形的物联网应用系统，人们通常论及的物联网都是一个个具体的物联网系统。早期，人们用应用层、网络层、感知层来描述物联网，缺失了控制层，在许多物联网系统中，控制层是必不可少的内容，我们可以用网络层、感知层与控制层来构建物联网系统模型。
（2）物联网系统模型
图1是一个由互联网与嵌入式集群系统构成的物联网系统最简模型。嵌入式集群系统通常都是一个嵌入式系统的局域网，互联网直接服务于物联网的网络层与管理层，每个局域网中的嵌入式应用系统都有可能直接与互联网相连。感知层、控制层由嵌入式系统构成，嵌入式局域网将它们联接起来，形成嵌入式集群系统。当这个嵌入式集群系统与互联网相连后，便构成一个具体的物联网系统。通常，嵌入式集群系统是一个安全、可靠的嵌入式系统局域网。接入互联网时，会出现新的可靠性、安全性问题，即互联网恶意入侵产生的安全性问题。在物联网系统模型中，它体现为一个非安全的入侵界面。
（3）物联网系统的安全性架构
从图1的模型可以看出，物联网系统是本质可靠的嵌入式系统与本质非可靠的互联网构成的交互系统。嵌入式系统与互联网可以有多个渠道交互（因为嵌入式系统都有独立的互联网接入功能），这些交互渠道都可能会带来可靠性、安全性问题。在嵌入式系统的高可靠性基础上，物联网系统安全性设计的重点是入侵界面的管控与感知层、控制层的安全防护设计。
3物联网系统的安全性设计原则
物联网应用系统中，许多安全性问题最终都会反映在嵌入式系统的感知层与控制层上。嵌入式系统的安全性问题是由互联网的安全性因素引起的。因此，最大限度地减少互联网对嵌入式系统的入侵渠道，是物联网应用系统安全性设计的重要原则。物联网应用系统的安全性设计模型如图2所示。物联网系统的安全性设计目标，是要建立一个归一化的安全性管理界面。所有交互行为都通过归一化界面进行管理，可以大大减少互联网的入侵渠道，有利于减少安全漏洞与实现系统安全性的集中管理，防止出现安全患。实现界面安全的防入侵管理是入口的验证环节设计。密码验证是最常使用的一种方法，还有数符密码与生物特征密码（指纹、掌纹、人脸、虹膜等）。除此以外，在交互中实时使用的校验码也是行之有效的方法。感知层、控制层的安全防护设计也是物联网系统安全设计的重要一环。感知层能迅速感知系统的应急状态，并即时启动系统的应急处理（关闭并进入安全状态）。2016年3．15晚会，恰逢谷歌“AlphaGo”掀起的人工智能热潮，央视在会上演示了让人惊心动魄的智能电子系统的安全漏洞。画面上演示了不法分子通过手中的设备侵入无人机系统，接管了无人机，而无人机机主无能为力；一位黑客在一户人家的外面成功入侵该住宅的Wi－Fi，并控制了该家庭的所有智能设备，包括智能洗衣机、烤箱和智能摄像头，可以让滚筒洗衣机空转、让烤箱的温度飙升到危险数值甚至引发火灾，让智能摄像头随意转动拍摄，偷窥用户的室内活动和隐私等。这些都是物联网时代嵌入式系统的安全隐患。嵌入式系统本身是安全可靠的，因为它是一个是封闭型的本质安全系统。多年来，家庭中的洗衣机、电冰箱、烤箱、微波炉、电视机等智能设备从来没有出现过上述的安全事故。只有嵌入式应用系统开放后，才会出现安全漏洞。上述安全事故是在智能设备接入Wi－Fi网络或互联网后，形成的非安全的入侵渠道所致。物联网系统中智能硬件的安全漏洞在于对互联网的开放，这个安全漏洞是可控的。只要减少互联网接入的通道数量，在这些接入通道中设立可靠的校验、准入管理环节，就能保证系统安全。
4物联网时代嵌入式系统面临的新挑战
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传感器技术传感器技术是从模拟信号转换为数字信号时就有了，传感器技术分为传感器和传感器网络两大部分，传感器是将物品的信息数字化，然后按照规律将信息输出，传感器网络则是有大量传感器节点构成，用于接收，采集，和处理感知对象的的各种信息，并将信息传给用户。物联网需要实现物物信息交换就是一个数字信号的交换，所以传感器技术是物联网必不可少的技术基础。3.2RFID标签射频识别技术是一种利用射频信号在空间耦合实现无接触的信息传输，并通过所传输的信息自动识别目标对象的技术。一个完整的RFID系统主要包括三个部分：标签，读写器及应用控制系统，RFID技术就像物联网的手，帮助物联网探取到每一个物体的信息，同样也是构建物联网的基础。RFID的工作原理是，无源的标签接收到读写器发射的一定频率的射频信号而被激活，从而将产品信息发送出去，而有源的标签则在不断发送射频信号，这时读写器接收到以后，读取信息并将信息交给计算机，计算机通过运算做出相应的反应与指令，RFID可以有效的应用于自动识别和人工智能等领域。3.3嵌入式系统技术嵌入式系统技术我们并不陌生，我们的生活随处可见以嵌入式系统为特征的产品，大到卫星系统，小到mp3、手机。我们的生活正在被嵌入式系统改变着，我们的社会也因嵌入式系统技术而不断进步。嵌入式系统技术是综合了计算机软硬件、集成电路技术、传感器技术、电子应用技术为一体的复杂技术。作为物联网的核心技术，嵌入式系统技术是用于接收信息并处理这时物联网智能的一大体现，如果说传感器技术和RFID只是单纯的的收集物体信息，形如手，那么嵌入式系统技术便是物联网中的大脑，用于思考。
二、物联网在各类自然灾害防御上的应用
地震灾害方面一个基于物联网的地震报警系统的专利中提到，在车辆上安装地震探测装置采集地震信息，然后将采集的地震信息传输到物联网服务器，物联网服务器接收所述地震信息并进行分析处理，判断是否发生地震或将要发生地震，如果判断结果为是，则物联网服务器发出报警信号，否则继续信息采集和处理。这个发明充分利用车辆本身的供电系统和数据传输系统，并充分发挥了车辆分布范围广泛的优势。利用物联网服务器作为信息处理平台，可以完全发挥物联网服务器强大的数据处理优势。因为物联网的应用，使得该地震报警系统探测点分布范围更广，信息获取分析更加及时，而且最重要的是成本低。气候灾害方面目前，物联网技术已经被广泛的用于气象监测，气象预报和气象信息传输等方面，基于物联网技术，福建龙岩气象局和中国移动共同搭建了一个“灾害性天气监控预警平台”，同样的例子，安徽气象与电信合作，建立了一个绿色通道用于气候灾害预警信息，目的是促进防灾减灾工作信息化。在物联网改变了人们生活的今天，我们运用物联网技术将气候灾害的防御趋向信息化，趋向敏捷准确化，有效的避免毫无准备下的暴雪或干旱的袭击，从而保障人们生命财产安全。洪水灾害方面通过物联网结合气象系统，实现对降雨的时长，强度等信息的预先采集，建立防洪防汛预警系统，同时在排水管道，雨水泵站，河流湖泊等地方安装水位监测装置，随时采集水位及运行情况，全面而准确的了解排水管道网的水量负荷状况以及排放状况，如此以来可随时采取相应措施缓解强降雨或水位猛涨的压力，有效预防洪涝灾害；再者利用物联网技术对排水管道进行日常监控管理，可以做到及时维护管道，维修受损管道，防范于未然，加强防汛抗洪能力。
三、物联网在自然灾害防御上的应用的可行性分析
篇10
2010年,坂村健与富士通等多家日本企业亮相4月27日召开的中日物联网与嵌入式技术应用研讨会,与中国同行一道切磋物联网技术。与此同时,由中国家用电器研究院、中科院计算所和日本T-Engine协会共同发起成立的中国轻工业联合会嵌入式系统应用委员会正式成立。这表明在轻工产业和家用电器行业,嵌入式系统将在3C融合和产业结构升级过程中发挥重要作用。
物联网是干出来的
“如今,欧盟说物联网,美国谈无线传感器网络,日本讲泛在计算,请您给物联网下个定义。”记者把问题抛给坂村健。
“我们主要关心三点:一是与安全相关的问题,如食品安全、施工安全等;二是如何更加有效地提高能源的利用率;三是对人更友好,因为人不用的技术一定是没有用的技术。”坂村健并没有直接回答记者的提问。但从他的回答中不难看出,坂村健关心的是如何解决实际问题。
早在1984年,坂村健便将电脑无处不在的理念付诸实施,创立了包括实时操作系统、中间件、通信协议、人机界面等在内的TRON系统架构。TRON是实时操作系统核心的英文首字母缩写。坂村健表示,随着时间的推移,TRON又被人们称为泛在计算、泛在网络或普适计算。最近,有人将它称为物联网。
“现在,全球每年生产100亿台微电脑,其中95%采用嵌入式系统。全球30%的嵌入式系统采用TRON,在日本这一比例为60%。TRON未来的发展重点是把电脑植入到药品、服装、食品、交通等领域的相关设备中。”坂村健表示,“不久的将来,物与物、物与场所、物与人、场所与人等之间的通信将成为现实,米粒大小的RFID标签将被植入所有的物品中。”
开放和标准化是TRON一直努力的方向。“任何国家和地区都可以免费使用TRON。技术开放使得更多人可以贡献力量,从而使TRON发展得更快。通信协议与控制技术的标准化非常重要。TRON不应该被任何个人或企业所垄断。”坂村健强调说,“在物联网时代,通信基础设施领域不应该出现垄断。在开放和标准化的基础上,任何人都能平等地使用技术。”
务实的日本企业
如今,网民如何感激温・瑟夫和伯纳斯・李都不为过。由于他们无私地放弃了互联网和万维网协议的专利权,互联网才能有如此强大的生命力。日本企业把精力放在RFID等核心技术和基于TRON架构的应用开发上,而不是放在物联网的定义和标准的制定上。
与互联网普遍采用的通用硬件平台有很大差别,泛在计算通常是基于嵌入式系统平台的。因此,嵌入式系统的软硬件开发平台显得非常重要。TRON的开发平台是由标准化的硬件仿真开发板和实时操作系统T-Kernel构成的开放式开发平台T-Enging。企业可以在T-Engine上开发各种中间件和应用。
TRON支持ARM和MIPS等多种嵌入式体系架构。中科院计算所研发的龙芯处理器与MIPS是兼容的。中国工程院院士李国杰透露,中科院计算所十分注重嵌入式技术的研究。未来,TRON移植到龙芯平台会很容易。
坂村健创立的T-Engine协会专注于TRON架构的技术发展,而各种开发工具和平台的商品化则交给日本Personal Media公司去完成。如今,能做RFID的中外企业很多,但有谁能像富士通那样为服装行业研发经得起200℃的熨烫并且能在洗衣机里洗200次的RFID标签?日立的RFID标签的长、宽、高都只有0.05mm。人们可以轻易地将其嵌入到纸张中。当然,RFID的天线尺寸无法缩到这么小。日立展出的RFID金属标签像一个铭牌,可以被牢牢固定在集装箱等物品上,从而提高RFID在露天和恶劣环境中的应用可靠性。
在研讨会上,日企展示的最大规模的RFID应用是富士通为好莱坞提供的基于RFID的演员服装管理系统。尽管从技术上看,此应用十分简单,但效果很好。
李国杰的第一个忠告是:物联网是由许多小而窄的应用构成的,过分强调统一的跨领域的物联网平台,或者过分强调行业标准,不利于物联网的发展。
“发展物联网和嵌入式系统的关键是看系统的智能体现在什么地方。物联网和嵌入式系统有两个基本模式,即云计算模式和物计算模式。”李国杰认为。
云计算模式是通过分布式的架构采集数据,然后集中进行信息处理。此模式一般用于宏观决策等信息处理的过程中,如智能电网、智能交通、智能物流、智能医疗等。系统的智能主要体现在处理中心,即需要较强的集中计算能力和高带宽,但终端设备比较简单。
物计算模式强调实时控制,对终端设备的性能要求较高,如智能化的汽车电子、数控机床、安全监控系统、智能家居等。系统的智能主要体现在终端设备上,对集中处理能力和系统带宽要求比较低。
李国杰的第二个忠告是:物联网的云计算模式和物计算模式对技术的要求是不一样的,不要试图创造一种终端和处理中心的性能都非常高、带宽也很高的应用模式。这将导致RFID的应用成本居高不下。
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关键词：物联网；网络；信息；理论；技术
中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1674-7712 （2013） 14-0000-01
物联网是新一代信息技术的重要组成部分。其英文名称是“The Internet of things”，顾名思义，物联网就是物物相连的互联网。这包含两层意思：（1）物联网的核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础上的延伸和扩展的网络；（2）其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间，进行信息交换和通信。
物联网通过智能感知、识别技术与普适计算、泛在网络的融合应用，被称为继计算机、互联网之后世界信息产业发展的第三次浪潮。物联网是互联网的应用拓展，与其说物联网是网络，不如说物联网是业务和应用。因此，应用创新是物联网发展的核心，以用户体验为核心的创新2.0（即Innovation 2.0，是面向知识社会的下一代创新）是物联网发展的灵魂。
物联网用途广泛，遍及智能交通、环境保护、政府工作、公共安全、平安家居、智能消防、工业监测、环境监测、路灯照明管控、景观照明管控、楼宇照明管控、广场照明管控、老人护理、个人健康、花卉栽培、水系监测、食品溯源、敌情侦查和情报搜集等多个领域。
从中国物联网的市场来看，至2015年，中国物联网整体市场规模将达到7500亿元，年复合增长率超过30.0%。物联网的发展，已经上升到国家战略的高度，必将有大大小小的科技企业受益于国家政策扶持，进入科技产业化的过程中。从行业的角度来看，物联网主要涉及的行业包括电子、软件和通信，通过电子产品标识感知识别相关信息，通过通信设备和服务传导传输信息，最后通过计算机处理存储信息。而这些产业链的任何环节都会开成相应的市场，加总在一起的市场规模就相当大，可以说，物联网产业链的细化将带来市场进一步细分，造就一个庞大的物联网产业市场。所以，想要更好地应用物联网就需要抓好基础理论和关键技术的研究。
一、物联网的基础理论体系研究
物的属性决定了物联网的特性。感知性、智能性、自组织性对于物联网的拓扑结构和网络测量、网络控制影响较大；生态系统特性对物联网的类型、规模和演化方式影响较大；生命周期特性对物联网的健壮性、安全性与可用性影响较大。
物联网是联系自然界和人类社会的复杂网络，普遍存在小世界现象、无标度特性、健壮性、安全性、动态随机性、统计分布性和进化稳定性。有关复杂网络的综述和研究在2005年后不断涌现。研究内容主要包括非线性动态复杂网络系统（物理系统、互联网和相关社会网络）、网络科学理论框架、复杂性与普适性、动力学同步与控制方法等。物联网具有广泛的学科交叉性，研究其规律必然涉及众多学科的背景知识和基础理论。物联网的自反馈特性、“3C”技术特性可以利用现代控制论、现代通信理论、云计算理论进行研究；其复杂网络特性和复合生态系统特性可以利用网络科学、数学物理、系统工程、复合生态系统等理论进行研究。
二、物联网的关键技术研究
物联网涉及的新技术很多.其中的关键技术主要有RFID标签技术、传感器技术、网络通信技术和嵌入式系统技术等。
（一）RFID标签技术。RFID标签技术是融合了无线射频技术和嵌入式技术为一体的综合技术，RFID在自动识别、物品物流管理有着广阔的应用前景。
完整的RFID系统由电子标签、读写器和数据处理系统组成。当读写器扫描贴有电子标签的物体时，标签被读写器激活通过无线电波将标签中携带的数据传送到读写器再由读写器传送到数据处理系统，完成数据的自动采集工作。数据处理系统根据需求做出相应的数据控制和处理工作。
（二）传感器技术。传感器技术是计算机应用中的关键技术。众所周知，到目前为止绝大部分计算机处理的都是数字信号。自从有计算机以来就需要传感器把模拟信号转换成数字信号计算机才能处理。作为摄取信息的关键器件，传感器是现代信息系统和各种装备不可缺少的信息采集手段。
如果把计算机看作处理和识别信息的大脑，把通信系统看做是传递信息的“神经”系统的话，则传感器就是感觉器官。所渭传感器，是指那些对被测对象的某一确定的信息具有感受（或响应）与检出功能。并使之按照一定规律转换成与之对应的输出信号的元器件或装置。离开了传感器对被测的原始信息进行准确可靠的捕获和转换，一切准确的测试与控制都将无法实现
（三）网络通讯技术。传感器的网络技术分为两类：近距离通信技术和广域网络通信技术。在广域网路通信方面。互联网、2G/3G移动通信、卫星通信技术等实现了信息的远程传输，特别是以IPv6为核心的下一代互联网的发展，将为每个传感器分配IP地址创造可能，也为物联网的发展创造了良好的网络基础条件。
通信网络技术为物联刚数据提供传送通道，如何在现有网络上进行增强，适应物联网业务的需求（低数据率、低移动性等），是该技术研究的重点。物联网的发展离不开通信网络，更宽、更快、更优的下一代宽带网络将为物联网发展提供更有力的支撑，也将为物联网应用带来更多的可能。
（四）嵌入式系统技术。嵌入式系统技术是综合了计算机软硬件、传感器技术、集成电路技术、电子应用技术为一体的复杂技术。经过几十年的演变，以嵌入式系统为特征的智能终端产品随处可见；小到人们身边的MP3，大到航天航空的卫星系统。嵌入式系统正在改变着人们的生活，推动着工业生产以及国防工业的发展。如果把物联网用人体做一个简单比喻，传感器相当于人的眼睛、鼻子、皮肤等感官，网络就是神经系统用来传递信息，嵌入式系统则是人的大脑，在接收到信息后要进行分类处理。这个例子形象的描述了传感器、嵌入式系统在物联网中的位置与作用。
在信息社会的信息基础之下，物联网为我们国家的信息传播拓展了新的疆界，物联网代表着人们生活方式的转变。根据物联网的内涵可知，要真正实现物联网需要感知、传输、控制及智能等多项技术。物联网的研究将带动整个产业链或者推动产业链的共同发展。RFID标签技术、网络通信技术、传感器技术与嵌入式系统技术的研究与应用，将直接影响物联网的发展与应用，只有综合研究解决了这些关键技术问题，物联网才能得到快速推广，造福于人类社会，实现智慧地球的美好愿望。
参考文献：
[1]王瑞刚.物联网主要特征与基础理论研究[J].计算机科学，2012，S1.
[2]李旭港.物联网的关键技术与应用前景[J].魅力中国，2010，27.
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关键字：物联网工程；卓越工程师；嵌入式系统；人才培养
中图分类号：G4 文献标识码：A 文章编号：1673-9795（2014）02（b）-0000-00
大力发展物联网产业将成为今后一项具有国家战略意义的重要决策[1]，物联网是继计算机，互联网后又一个信息技术综合应用的代名词，掀起信息产业第三浪潮，其重要性显而易见，因此国家2011年在全国55所高校开设物联网专业，该专业是国家战略型新兴产业急需的且指定大力发展的电子信息类专业，未来有着很大的需求和发展空间。从2012年开始，我校实施了教育部制定的“卓越工程师教育培训计划”，该计划旨在培养造就一大批创新能力强、适应经济社会发展需要的各类型工程技术人才，为国家走新型工业化发展道路、建设创新型国家和人才强国战略服务[2]。
物联网工程专业是我校特色专业之一，我校将物联网工程专业作为“卓越计划”重点培养专业之一，因此，结合“卓越计划”的要求，深入进行“嵌入式系统”课程教学改革势在必行，以学生为中心，以开拓知识视野、激发学习热情、培养实践能力为目的，为国家提供大批动手能力强，满足企业发展要求，适应社会经济发展需求的高质量各类型工程技术人才。
一、教学现状
目前嵌入式系统教学存与许多其它工科专业共存的问题[3]。比如，课时安排不合理，实验课时较少；重传统理论教学，轻实验教学；实验教学方式比较单一、实验内容陈旧，缺乏创新性，跟不上目前嵌入式发展水平；实验教学缺少对非智力能力和综合能力的训练；实验室嵌入式系统实验的设备过于陈旧，实验室管理制度不完善；不能利用校外有效的合作资源进行实验教学内容的拓展[4]；课程考核方式不完善，往往单纯从理论考试成绩和实验结果评判，忽略实验过程，上述种种问题，导致目前许多学生学完嵌入式系统课程之后，即使考到高分，依然不能独自完成教学大纲要求之内的相对简单、容易实现的嵌入式系统项目的开发，学生完全处于纸上谈兵阶段，这样培养出来的学生不符合卓越工程师的要求，更不符合企业和国家所需要的复合型工程技术人才的要求。
二、以创新实践能力培养为原则的改革
1. 开展研究性学习
在理论教学中，改变传统填鸭式教学方法，老师不再只是对着现有的课本或者PPT直接讲解嵌入式系统的理论知识，而是通过提出目前实际嵌入式系统研究和开发过程中遇到的问题，或者将已有嵌入式产品中存在的问题作为探究背景，通过设置让学生和老师之间展开开放式讨论和自由提问的环节，让学生积极参加到课堂活动中来，最后，将老师的点评总结作为课堂内容的点睛环节，旨在将枯燥的基础理论知识是如何运用到实际嵌入式系统开发中、以及如何解决实际问题的过程讲解给学生。通过这种研究性的学习方式，给学生留下更加深刻的印象，激发学生学习嵌入式系统开发的兴趣，使学生对嵌入式系统的理论知识的本质有更加深刻的认识，在以后的学习过程中将知识熟练运用到实践开发项目中去。
2. 开放设计性实验
去除以往实验结果单一，过程机械化，没有拓展性，缺乏综合型和研究型的基础验证型实验[5]。改用内容比较新颖，又不太复杂的开放设计性实验，比如，当前智能手机和游戏开发是一个很流行的研究方向，智能手机中简单游戏就是一个很好的嵌入式具体应用的例子，所以我们可以选取一些相对简单、开放性强、形式新颖、吸引力足的嵌入式系统开发的游戏案例来取代已经沿用多年的实验内容，使实验课的内容真正做到来源于实际案例，又促进实际嵌入式系统开发的功能。开放性设计实验不仅丰富嵌入式系统的实验内容，而且使实验本身更加有趣、贴近生活。更重要的是在进行上述开放性设计实验的过程中，学生可以亲身体会到实践是如何检验真理、理论与实践之间如何相互促进的道理，在一定程度上可以激发学生学习嵌入式系统的兴趣，培养学生敢于创新、敢于探索、不怕困难的科研精神。
3. 以竞促学
学科竞赛是学生实践能力培养的一种重要方式，竞赛是对学生更高一层次的要求，是考察学生综合能力的一个重要方法[6]。目前诸如博创杯嵌入式比赛，“ZLG杯”中国大学生ARM嵌入式系统电子设计竞赛，微软嵌入式大赛，全国大学生电子设计竞赛等都是含金量较高的比赛，通过参加竞赛可以发掘出嵌入式系统这门课程真正的魅力所在，解决嵌入式系统实践环节中缺乏挑战与创新的不足，真正提升学生实际动手操作解决特定问题的能力，提高实践环节的质量。在比赛过程中不仅对学生嵌入式系统及其它学科知识的拓展有所帮助，而且能够培养学生团队竞争和配合意识。
4. 嵌入式系统实习实训
物联网专业作为“卓越计划”重点培养专业之一，对于实践训练要求自然极高，改变以往实习完全以老师讲解为主导，动手环节较少，完全违背实习实训方式，将学生带到当地对嵌入式研究具有一定规模的企业公司参加实习培训，了解目前企业嵌入式系统的研发流程和水平。同时将实习实训的主导权下放给学生，锻炼学生实际动手操作能力，以一种学生为主，老师为辅的实训方式让学生真正融入到嵌入式系统开发中来。
5. 改革考核方式， 体现综合能力
事实证明“一张试卷打天下”的考核方式往往并不能真正反映出学生对于知识的掌握和运用情况。为了督促学生认真做好嵌入式实验，真正考核学生实验动手和实验观察能力[7]。可将嵌入式系统课程成绩分为： ①笔试理论成绩，该项占40%，主要考察嵌入式操作系统概述、微处理器与调试技术、ARM体系结构和指令集、ARM开发工具和汇编程序设计、嵌入式存储器和接口技术等； ②开放设计性实验的成绩，该项占40%，主要考察每次实验课学生出勤次数，具体操作步骤，实验结果完成情况以及实验报告；③课外创新成绩，该项占10%，主要考察学生参加各种嵌入式比赛、实战项目开发和创新实验实践活动的获奖情况；④学期末的实习实训成绩，该项占10%，主要考察在实习实训阶段指定项目开发的完成情况。
结语
工程师是未来世界的塑造者[8]。嵌入式系统是一门实践性很强的课程，因此采用课内外、校内外相结合的实践教学体系，以卓越工程师的基本要求为导向，使学生能熟悉掌握嵌入式系统设计方法，掌握一种开发工具，熟悉一种调试方法，使学生在学完嵌入式系统课程后，能真正掌握最基本的嵌入式系统开发，成为一名合格优秀的卓越工程师。
参考文献
[1] 2009年11月3日总理向首都科技界发表了题为《让科技引领中国可持续发展》的讲话.
[2] 王娜君， 王杰， 李旦， 高胜东. 基于工程能力培养的实验教学改革探索[J]. 教育探索， 2011，（10）： 49-50.
[3] 冼进， 贾德良， 毕盛. 嵌入式系统实验课的教学改革初探[J]. 实验室研究与探索， 2010， 30（8）： 282-284.
[4] 周爱国. 大学生实践能力培养存在的问题及对策[J]. 教育探索， 2009， （1）：74-75.
[5] 李秀娟， 张晓东， 鲁可， 张杰. “嵌入式系统”开放实验室建设与实践[J]. 实验室研究与探索， 2011， 30（5）： 156-158.
[6] 殷建军， 张明武， 万军洲. 竞教结合的嵌入式系统实践教学改革[J]. 计算机教育， 2011， （6）： 1-4.
[7] 俞建新. 略论嵌入式系统的实验教学[J]. 实验室研究与探索， 2006. 25（7）： 741-745.
[8] 龚克. 转变观念大胆试验建立卓越工程师教育培养的中国模式[J]. 中国高等教育， 2010， （18）： 10-12.
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关键词：嵌入式系统；实践教学；CDIO工程教育
嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统，在工业控制、交通管理、智能家居、环境监测、信息家电、网络通讯、安防等领域有着非常广泛的应用前景。近年来物联网的发展给嵌入式技术提供了新的应用领域，物联网所需设备将达1012数量级，其中绝大部分设备将由嵌入式系统实现。可见未来对于嵌入式系统开发人员的需求非常大，因此，改革嵌入式系统课程使之适应就业市场需要对于学生就业具有重要意义。文章针对计算机科学与技术专业，根据应用型本科嵌入式系统课程的特点，基于CDIO工程教育理念对嵌入式系统的实践教学进行改革，并开发相应的实践教学设备，以满足培养嵌入式应用、开发人才的需要。
1 嵌入式系统课程的特点与现状
1.1 嵌入式系统课程的特点
1）实践性。
嵌人式系统面向应用进行软硬件协同设计，这决定了嵌入式系统课程是理论与实践紧密结合、偏重动手能力与实践能力培养的特点。因此，实践教学是嵌入式系统课程的重要环节，是培养学生实践能力的关键，重理论而偏实验的教学将是纸上谈兵。
2）综合性。
嵌入式系统是一门多学科交叉的课程，涉及数字电路、模拟电路、c语言程序设计、单片机原理、传感器与检测技术、信号与系统等多门前导课程，并通过应用可关联到机电、控制、网络等专业相关的课程。因此嵌入式系统教学需与诸多课程相融合，以促进学生综合能力的培养。
3）发展性。
嵌入式技术的发展非常迅速，嵌入式系统的应用需求也不断变化，这要求嵌入式系统课程密切跟踪嵌入式技术与应用的新发展，及时更新教学内容，以适应就业市场的需求变化。
1.2 嵌入式系统课程的教学现状
目前嵌入式系统课程在教学内容上尚无统一规范，各高校的嵌入式系统课程或注重概念性、基础性的入门教学，或侧重ARM体系结构、指令系统，或偏重嵌入式操作系统，以Linux或uC/OS-Ⅱ的基本原理为主讲内容，这样的内容安排与嵌入式系统以应用为中心的特点难以相符。嵌入式系统应用开发人才不仅要具有扎实的学科与专业基础知识，更应具备很强的技术与工程实践能力，显然以理论教学为主、实验教学为辅的教学方式难以满足这类人才的培养需要。
温州大学是地方性本科院校，其人才培养目标是为本地经济发展服务，这就要求嵌入式系统课程需紧密结合地方特色，培养应用型人才。因此，我们将传统的强调理论化、知识化的教学思路，转变为面向应用，强调工程实践训练，重视培养动手能力与实践能力，为学生从事嵌入式系统应用开发工作打下坚实基础。
2 CDIO模式下的实践教学改革
CDIO代表构思、设计、实现、运行，以产品从构思、研发、运行到废弃和再利用的全生命过程为载体，让学生以主动的、实践的、课程之间具有机联系的方式学习和获取工程能力，符合工程人才培养的规律。针对嵌入式系统课程实践性强的特点和应用型人才培养的需求，我们在CDIO工程教育模式下从以下几个方面出发，对嵌入式系统实践教学进行改革。
1）培养学生主动学习能力。
主动学习方法将重点放在让学生致力于对问题的思考和解决。在课堂上我们运用项目驱动教学法，先给学生演示工程实践案例的运行效果，然后组织学生讨论系统的功能需求与实现系统所需的技术，最后将相关内容分解进行教学。通过教学方法的转变，可以激发学生兴趣，将以教师为主的“听中学”消极学习模式转变为以学生为主的“做中学”主动学习模式。例如在讲解嵌入式操作系统时，以物联网嵌入式网关的开发为目标，通过对功能需求、系统组成的讨论，逐步引导学生主动深入学习Bootloader、内核与文件系统、驱动程序、Socket网络通讯、串口通讯、嵌入式Web服务器与CGI编程、QT图形界面的知识点，最终实现系统。实验分3个层次进行，第1个层次，与Bootloader、内核与文件系统、驱动程序相关的教学内容设计成验证性实验，在理论课堂上边授课边验证；第2个层次，与Socket网络通讯、串口通讯、嵌入式Web服务器与CGI编程、QT图形界面相关的教学内容设计成综合性实验，在实验课上由学生独立完成，每个实验都涉及验证性实验的内容；第3个层次，要求学生综合所有实验内容构建完整的物联网嵌人式网关。学生在验证性实验、综合实验与实验考核中逐步获得成就感并建立自信心，进一步激发学习兴趣。
2）实施课内外紧密结合的实践教学模式。
嵌入式应用开发人才应具备较强的工程实践能力，理论指导下分析与解决实际工程问题的能力以及运用工程技术参与工程项目开发与设计的能力。显然传统课堂“理论+实验”的教学方式已不能满足此类人才的培养要求，因此我们尝试实施由多个课内外环节构成的实践教学模式，以逐步培养学生的基本实践技能、综合实践技能及应用创新技能。其中理论与实验教学面向全体学生，由工程实践案例驱动，让学生“做中学、学中做、边学边做”，培养基本实践技能；课程设计以大型的综合实践项目巩固学生的基本实践技能，培养综合实践技能。如图1所示。学生课题和开放性实验项目面向对嵌入式系统感兴趣的学生，进一步培养学生的综合实践能力；学科竞赛主要参加全国电子专业人才设计与技能大赛和飞思卡尔智能车竞赛，巩固学生的综合实践能力，培养应用创新能力；企业实习和毕业设计注重培养学生的自主开发能力与应用创新能力。
3）建立工程实践案例库。
工程实践案例库是实施工程教育的基础，随着嵌入式技术的发展，工程实践案例库要不断地更新与完善。案例库建设以教师和学生为实施主体，一方面，教师通过自身的科研项目、对企业进行的行业调研、挂职锻炼及产学研过程。沟通跟踪技术动态，并从中提炼工程实践案例；另一方面，学生通过企业实习和就业后的反馈充实案例，不断地对工程实践案例库进行更新和完善，使教学能跟上嵌入式系统行业的最新技术动态。目前我们已建成韵工程实践案例主要有物联网嵌入式网关、温度控制系统、散热控制系统、环境监测系统、家庭气象站、三维固态电子罗盘、运动检测系统、四旋翼无人飞行器等。在物联网嵌入式网关案例中，我们以武汉创维特信息技术有限公司的JX2410 ARM9嵌入式实验箱为硬件平台，通过串口采集MicaZ无线传感器网络汇聚节点的信息，将网络各节点的信息显示在彩色液晶屏幕上，并构建嵌入式Wcbserver，通过CGI动态网页技术将采集的传感器信息在网络上。
4）加强与其他专业课程的结合。
在实际应用中，嵌入式系统要与上位机或其他设备相结合构成完整的产品，因此在工程实践案例建设中我们要注重与其他专业课程的结合。例如在温度控制系统案例中，强调与桌面应用程序开发及数据库相关课程的结合，要求学生实现上位机的监控软件与过程数据在数据库中存储及可视化查看；在家庭气象站中，则要求实现Android智能手机与嵌入式系统的网络通讯。
5）改进考核方式。
对于强调实践能力培养的课程，传统的以考试为主的考核方式已不适用，我们采用以综合设计作品为主的考核方式，以学生的课堂研讨表现、综合作品实物演示效果、作品设计报告、答辩表现为依据，通过综合评判给出课程成绩，使成绩能合理反映学生的工程实践能力、技术写作能力、口头表达及人际交流能力。
3 实践教学设备开发
实践教学设备主要采用、ARM技术的神州Ⅳ号STM32开发板，我们在此基础上开发了配套模块，以满足工程实践案例教学的需要。
1）加热与散热模块。
该模块由NTC热敏电阻、大功率加热电阻及带转速反馈的直流风扇组成，可实现温度测量、加热控制、风扇转速测量与控制，涉及AD、定时器、PWM、ICP等基本知识点，主要用于温度控制系统和散热控制系统的案例教学。
2）环境传感模块。
该模块由SHT11温湿度传感器、BMP085大气压力传感器、夏普GP2Y1010AUOF灰尘传感器、光敏电阻、雨量传感器组成，可实现相应环境参数的测量，涉及GPIO、12C、AD等基本知识点，主要用于环境监测系统和家庭气象站的案例教学。
3）运动检测模块。
该模块由L3G4200D三轴数字陀螺仪、LSM303DLHC三轴加速度/地磁传感器、uBloxNEO-6M GPS模块组成，可实现角速度、加速度、地磁场、速度、位置及时间的测量，涉及SPI、12C、UART等知识点，主要用于三维固态电子罗盘和运动检测系统的案例教学。
此外，作为终极挑战，我们还开发了由STM32F103微控制器、ADISl6405惯性传感器、Novatel OEMV GPS、SRF02声纳高度计、CC2500无线模块及相应机电模块组成的四旋翼无人飞行器，用于学生科研课题的实施。作为教学平台，该飞行器可有效综合单片机、嵌入式系统、传感器技术、自动控制原理、信号与系统、程序设计等多门课程，促进学生系统观念与综合能力的提升。如图2所示。
篇14
诸如此类的操作系统的增长率会超过RTOS，至少对第一代物联网设备来说是如此。八种不同的操作系统将驱动物联网行业，它们体现了可支持一切设备的操作系统，从卫星、联网冰箱一直到嵌入在手表和衣服中的智能技术等。
RIOT OS RIOT OS是一种开源社区项目，自2008年以来就已经启动。RIOT能够在众多平台上运行，包括嵌入式设备和PC（以及数量众多的极其流行的传感器），而且拥有易于使用的API，该操作系统因用电量和资源需求方面能够做到高效而家喻户晓。
Windows 10 For IoT 微软的最新款嵌入式操作系统名为Windows 10 for IoT。这面大旗下还有三个子操作系统。第一个是Windows 10 for IoT Mobile，它支持ARM架构；第二个是Windows 10 for IoT Core，它支持Raspberry Pi和英特尔凌动；第三个是Windows 10 for IoT Enterprise，这多少有点像功能完备的Windows 10 Enterprise，但仅限于运行单一应用程序。
由于Windows 10 for IoT是全新产品，它在用户群和经验丰富的开发者方面显然落后于其他许多物联网操作系统。但它大有潜力，特别是在内部开发应用程序方面，那些习惯于使用Visual Studio和Azure物联网服务、针对Windows从事开发工作的人会被整套的Windows 10 for IoT方案吸引过去。
WindRiver VxWorks WindRiver 的VxWorks可能是如今使用最流行的商用ROTS，它提供了一款可靠的操作系统，又具有高度的灵活性。VxWorks还提供了许多安全功能，这些功能对需要它们的物联网项目来说至关重要。VxWorks在工业、医疗和航空等领域的知名度很大，因为它是少数几家满足必要的认证要求、以便用于那些行业的RTOS厂商之一。
谷歌Brillo 谷歌在I/O大会上宣布，打算推出Brillo，进军嵌入式操作系统市场。面向基于安卓的嵌入式操作系统的开发平台很合适在编写安卓应用程序方面有着扎实背景的使用者，Brillo使用一种名为Weave的通信协议，这意味着智能设备没必要非得将嵌入式安卓作为其操作系统，它们只要能够使用Weave进行通信就可以，这为一大批厂商将Weave集成到物联网产品当中敞开了大门，最终让这些产品能够与Brillo比肩。
ARM Mbed OS ARM在开发自身的开源嵌入式操作系统，名为mbed OS。由于是由ARM开发，所以ARM是唯一支持的架构，话虽如此，预计该操作系统会在智能家居和可穿戴式设备这两个物联网细分市场大放异彩。这款操作系统有别于另外很多嵌入式操作系统，原因在于它是单线程，而不是多线程。ARM表示，它认为这对该操作系统能够在尺寸最小、功耗最低的设备上运行而言必不可少。如果物理尺寸和电池使用时间至关重要，物联网设备最后可能会在mbed OS上运行。
Embedded Apple iOS和OS X
虽然苹果还没有在如今的物联网市场扮演重要角色，但相信很快就会有这样的趋势。到目前为止，苹果已采用了其操作系统平台的变种，开发了多款物联网设备，例如苹果电视、CarPlay（借助BlackBerry QNX）和苹果手表。未来预计苹果会继续使用其iOS，并改动OSX，那样它可以在物联网端点设备上更精简、更高效地运行。开发人员可以使用诸如最近的HomeKit之类的工具，这种框架用来构建控制家庭自动化设备的应用程序。
