一、建设背景
在数字化浪潮的推动下，我们已迈入一个以信息技术为主导的崭新时代。在这个时代，嵌入式系统不仅是智能设备和应用的核心，更是推动各行各业创新和变革的关键力量。无论是智能家居的便捷生活体验，工业控制的精确操作，还是交通系统的智能化调度，以及网络通信的高效连接，嵌入式技术无处不在，其重要性与日俱增。
然而，随着技术的不断进步，对专业人才的需求也日益迫切。特别是在嵌入式系统设计与开发领域，精通此道的专业人才对于推动科技进步、加速产业升级具有不可替代的作用。他们不仅需要扎实的理论基础，更需要丰富的实践经验和创新能力。
尽管如此，传统的教育模式往往偏重于理论知识的传授，而忽视了实践技能的培养。这种教育方式难以满足当前产业界对高技能人才的迫切需求。为了解决这一矛盾，职业教育体系亟需改革，以更好地适应产业发展的新要求。
构建职业教育嵌入式实验室，正是这一改革的关键一步。通过提供与工业界紧密接轨的实践环境，实验室将成为学生技能培养的重要平台。在这里，学生将有机会亲身体验嵌入式系统的设计与开发过程，从而在实践中学习和掌握关键技能。
此外，嵌入式实验室的建设还将促进教育与产业的深度融合。通过与企业的紧密合作，实验室可以引入最新的行业技术和应用案例，确保教学内容的前瞻性和实用性。同时，学生在实验室中的实践经验也将使他们在未来的职场竞争中更具优势。
总之，职业教育嵌入式实验室的建设，不仅是对传统教育模式的一次重要补充，更是对人才培养模式的一次深刻革新。我们期待通过这一平台，培养出更多具有创新精神和实践能力的嵌入式系统专业人才，为社会的发展贡献力量。
二、实验室建设目标
1、技能培养
实验室将致力于通过实践操作，使学生全面掌握嵌入式系统开发的全流程。这包括但不限于硬件设计、软件编程、系统调试及优化等关键技能。通过动手实践，学生将能够将理论知识应用于实际问题解决中，培养其系统分析和工程实施的能力。
2、创新能力
我们鼓励学生发挥创新思维，参与到项目设计、竞赛及科研活动中。实验室将提供必要的资源和指导，帮助学生将创意转化为可行的解决方案，从而提升他们解决复杂实际问题的能力。通过这种方式，实验室将成为创新和实验的沃土，培育出具有前瞻性和创造力的技术人才。
3、产教融合
实验室将积极与企业合作，引入真实项目案例，实现教学内容与岗位需求的无缝对接。这种产教融合模式不仅能够让学生接触到行业最前沿的技术和应用，还能够帮助他们更好地理解行业需求，提升其就业竞争力和职业适应性。
4、资源共享
为了最大化资源的利用效率，实验室将建立一个开放共享的平台。这不仅促进了校内外师生之间的交流与合作，还为学生提供了更广阔的学习和发展机会。通过资源共享，实验室将成为一个充满活力、不断创新的学习社区，为学生提供持续学习和成长的空间。
三、嵌入式实训室概念
嵌入式系统核心理念在于以应用为中心，构建高度定制化、小型化且具备实时处理能力的专用计算机系统。这一系统不仅融合了计算机技术的精髓，更根据特定需求（包括但不限于功能、可靠性、成本、体积、功耗及环境适应性等）灵活裁剪软硬件模块，从而广泛服务于工业生产、日常生活、工业控制、航空航天等多个关键领域，成为推动社会进步与产业升级的重要力量。
嵌入式实训室，作为培养未来嵌入式技术人才的摇篮，其建设理念紧密围绕嵌入式系统的核心特性与广泛应用展开。实训室的建设不仅仅是一个物理空间的打造，更是一个集教学、实践、创新于一体的综合性平台。它聚焦于四个核心层面：硬件基础、驱动开发、操作系统以及上层应用，形成了一个从底层处理器设计到上层应用软件开发的全方位、多层次技能培养体系。
硬件层面：实训室配备了多样化的嵌入式开发板与核心控制单元，如Arduino、STC8A等，这些设备不仅为学生提供了接触并熟悉嵌入式硬件的机会，还为他们深入学习硬件原理、电路设计、接口技术等奠定了基础。此外，丰富的功能扩展单元，如传感器、执行器、自动识别单元等，进一步拓宽了学生的实践领域，使他们能够亲手搭建并调试各种嵌入式系统。
驱动开发层面：在这一层面，学生将学习如何为不同的硬件设备编写驱动程序，确保它们能够高效、稳定地与处理器进行通信。通过实践，学生将掌握驱动开发的基本原理、流程以及调试技巧，为后续的嵌入式系统开发打下坚实的基础。
操作系统层面：嵌入式操作系统作为连接硬件与应用的桥梁，在实训室中同样占据重要地位。学生将深入了解嵌入式操作系统的架构、原理及特性，并学习如何在特定硬件平台上移植、配置与优化操作系统。这一过程不仅增强了学生的系统级编程能力，还提升了他们对嵌入式系统整体架构的理解。
应用层面：作为实训室的最终归宿，应用层面的学习旨在培养学生的创新思维与解决实际问题的能力。通过参与智能小车、物联网工程应用实训系统等项目的开发，学生将所学知识应用于实际项目中，实现从理论到实践的跨越。同时，教学实训云平台的应用也为学生提供了便捷的学习资源与技术支持，进一步提升了学习效果与效率。
四、核心课程与教学内容
在实训室的教学与实践中，我们精心规划了六大核心主题，旨在全面覆盖嵌入式系统技术的关键领域，确保学生能够掌握从基础到高级的全面技能。以下是对各主题的详细展开与润色：
1. 单片机项目开发
单片机项目开发作为嵌入式技术的基石，实训室将深入剖析单片机系统的开发流程，从项目需求分析到系统架构设计，再到具体的代码实现与调试，全程引导学生掌握每一个关键环节。特别是，我们将重点讲解C51编程语言的应用，包括其语法规则、编程技巧以及在实际项目中的灵活运用。此外，中断系统、定时器/计数器等关键硬件资源的配置与使用也将是教学的重要内容，通过实践操作，学生将能够熟练掌握这些核心技能，为后续的嵌入式系统开发打下坚实的基础。
2. ARM系统结构与应用
ARM系统以其高效能、低功耗的特点在嵌入式领域占据重要地位。在本主题中，我们将从ARM处理器的微架构讲起，逐步深入到指令系统的理解与应用。学生将学习如何搭建ARM开发平台，掌握GPIO端口的编程方法，以及存储器的有效管理策略。更进一步，我们将引导学生参与Linux内核在ARM平台上的移植工作，了解嵌入式Linux文件系统的构建与配置，从而全面提升学生在ARM系统应用方面的综合能力。
3. 智能硬件技术与应用
随着物联网技术的飞速发展，智能硬件已成为连接物理世界与数字世界的桥梁。在本主题中，我们将聚焦传感器技术、硬件控制、网络接入以及智能系统设计等前沿领域。学生将学习如何利用各类传感器采集环境数据，通过硬件控制实现设备的智能化操作，并通过网络接入技术实现数据的远程传输与处理。同时，我们还将引导学生设计并实现简单的智能系统，如智能家居控制系统等，以锻炼其创新思维与实践能力。
4. 嵌入式Android项目设计与开发
Android作为目前最流行的移动操作系统之一，其在嵌入式领域的应用也日益广泛。在本主题中，我们将围绕Android平台的嵌入式应用开发展开教学。学生将学习如何搭建Android开发环境，掌握界面设计的原则与技巧，以及数据存储与多媒体应用的实现方法。通过参与实际项目的开发过程，学生将能够深入理解Android应用的架构与工作原理，并学会如何运用Android SDK与NDK等工具进行高效开发。
5. 移动智能终端应用开发
移动智能终端作为物联网时代的重要载体，其应用开发涉及物联网、无线传感、自动识别技术、定位技术等多个领域。在本主题中，我们将引导学生学习如何将这些先进技术融入Android应用开发中。学生将学习如何利用物联网技术实现设备间的互联互通，利用无线传感技术采集实时数据，利用自动识别技术实现信息的快速识别与处理，以及利用定位技术提供精准的位置服务。通过这一系列的学习与实践，学生将能够开发出功能丰富、用户体验优良的移动智能终端应用。
6. 嵌入式系统应用开发
嵌入式系统应用开发是对前面所学知识的综合运用与提升。在本主题中，我们将从系统级的角度出发，讲解串口通信、驱动程序设计、多任务编程、界面交互以及远程控制等关键技术。学生将学习如何设计并实现稳定的串口通信协议，编写高效的驱动程序以支持外设的正常工作，运用多任务编程技术提高系统的并发处理能力，以及设计友好的用户界面以提升用户体验。同时，我们还将介绍远程控制技术的实现原理与应用场景，帮助学生掌握远程监控与管理嵌入式系统的能力。
五、实训室介绍
1.嵌入式实训室空间设计
2.嵌入式系统综合应用开发平台
嵌入式系统综合应用开发平台是针对嵌入式系统开发中的关键技术进行教学的平台。由核心控制单元、无线通信单元、电机驱动单元、循迹功能单元、功能扩展单元、功能电路单元、边缘智能处理单元等部分组成。
嵌入式系统综合应用开发平台作为新型教学载体，按照项目引领和任务驱动的教学模式,采取模块化、积木式的设计理念,可以根据不同的教学实训需求,通过组合功能模块单元,完成不同难度和不同系统框架的实验实训系统的自主设计和搭建。
系统可以选配和定制各种传感器、执行器、自动识别和创新应用模块来扩充功能。支持选配全系列的物联网通信单元实现无线组网和智能互联,可以接入多种云平台进行云端的数据交互和互联控制。
系统支持视觉(图像分类、目标检测、图像分割)和语音这两大典型AI应用领域的开发,可实现边缘智能和云端智能两种AI技术路线,从而达到智能驾驶和车联网等综合应用效果。系统全面融合了不同层次和专业背景人才的培养需求,完全满足电子信息、嵌入式、物联网、人工智能、移动互联、机器人等电子信息大类专业的核心课程日常教学、实践训练和竞赛创新的使用要求。
课程资源
《嵌入式MCU开发高级-RT-Thread应用开发》
《嵌入式微控制器应用开发》
《嵌入式微控制器应用开发|项目实战》
《Python编程》
《OpenCV计算机视觉应用开发》
《机器学习与应用》
《深度学习框架开发》
《人工智能应用开发实践》
主要实验项目
1. Arduino核心板实验
(1) 轻触按键实验
(2) 流水灯实验
(3) ADC采集实验
(4) 串口通信实验
2. 核心板实验
(1) 流水灯实验
(2) 按键检测实验
(3) 定时器中断应用实验
(4) 串口通信数据收发实验
3. 核心控制单元实验
(1) 流水灯实验
(2) 按键检测实验
(3) 定时器中断应用实验
(4) PWM输出实验
(5) 外部中断应用实验
(6) 串口通信数据收发实验
(7) DMA数据传输实验
(8) 内部温度传感器实验
4. 扩展模块实验
(1) 霍尔磁场检测实验
(2) 火焰检测实验
(3) 红外热释电人体检测实验
(4) 温湿度测量实验
(5) 光照强度测量实验
(6) 空气污染检测实验
(7) 超声波测距实验
(8) 姿态检测实验
(9) 红外测温实验
(10) 大气压测量实验
(11) 压力测量实验
(12) 光强度测量实验
(13) RGB LED灯驱动实验
(14) 继电器驱动实验
(15) 直流电机驱动实验
(16) 步进电机驱动实验
(17) 13.56M RFID实验
(18) 语音识别交互控制实验
(19) 数码管驱动显示实验
(20) 点阵屏显示驱动实验
(21) WiFi无线通信数据交互实验
(22) 蓝牙无线通信数据交互实验
(23) ZigBee无线通信数据交互实验
5. 机器视觉应用实验
(1) 彩色图像采集实验
(2) 灰度图像处理实验
(3) 图像滤波实验
(4) 图像翻转实验
(5) ROI设置实验
(6) 画图画线实验
(7) 色块检测实验
(8) 阈值分割实验
(9) 标记跟踪实验
(10) 模板匹配实验
(11) 扫码识别实验
(12) 特征检测实训
(13) 人脸检测实训
(14) 人脸识别实训
3.嵌入式系统综合应用创新实训开发装置
嵌入式系统综合应用创新实训开发装置包含数控云台摄像头、智能小车运动控制自动纠正转速、码盘测速单元、现场总线通信单元、RFID射频通信模块、信息显示单元、智能循迹模块、OLED显示模块、电量监测单元、WiFi通信单元、ZigBee通信单元、离线式语音识别单元、红外通信单元、超声波、光照强度等多种传感器单元。
装置配套STM32F4开发资源包、离线式语音识别开发资源包、图像数据处理终端开发资源包、RFID开发资源包、Android应用开发资源包、图像识别与处理资源包等相关教学资源。
智能小车完成运动控制与自动纠正转速、传感器数据采集、视频采集与处理、二维码识别、车牌识别、颜色识别、红外控制、WiFi传输、ZigBee通信、RFID射频识别、APP应用开发等功能。
装置留有多种应用扩展接口，可与多种设备互联互通，可联网、组网控制，支持窄带物联网通信技术，可作为多种教学平台使用，适用于单片机、传感器、嵌入式、物联网、机器人、汽车电子、移动互联与智能控制等电子通信类相关专业教学实践应用。
装置满足嵌入式技术应用开发技能大赛日常技能训练与教学需求，符合嵌入式技能大赛的通信协议标准。
平台支持多门在线学习课程，需提供包括但不限于《Android AI应用与开发|项目式教学》、《Android高级程序设计》、《移动机器人自动驾驶》、《嵌入式竞赛平台应用开发》、《嵌入式竞赛平台无线组网通信》课程的在线学习服务平台。
4.智能移动小车
智能移动小车集智能视觉摄像头、智能视觉摄像头俯仰角度控制单元、智能移动小车运动控制单元、测速码盘模块、信息显示单元、电量监测单元、WiFi通信单元、ZigBee通信单元、超声波测距单元、光照强度检测单元、语音识别单元等智能硬件单元于一体。
平台配套的开源硬件开发资源包、智能视觉识别开发资源包、Python开发资源包等相关资源。
可完成智能移动小车运动控制、传感器数据采集、智能视觉识别（颜色、图形识别）、红外通信、WiFi传输、ZigBee通信等功能。
智能移动小车留有多种应用扩展接口，可与多种设备互联互通，可组网控制，可作为多种教学平台使用，适用于单片机、传感器、机器人、智能控制等教学实践应用。
智能移动小车可与智能手机、PAD等终端互联互通，其上位机与智能移动小车的通信方式满足全国职业院校技能大赛嵌入式技术应用开发赛项的标准通信协议，方便学生训练使用。
5.物联网工程应用实训系统
物联网工程应用实训系统一套面向物联网领域的多功能教学实训平台,系统架构遵循典型的物联网三层模型,包含感知层、网络层和应用层。系统通过智能家居、智慧农业、智能交通和智慧安防等案例,给学生提供一个全面的实训环境,用于学习物联网的底层硬件、业务原理和应用开发。
实训装置集成运用了传感器技术、RFID技术、接口控制技术、无线传感网技术和Android应用开发等。平台配合实训台上集成的433M无线设备、ZigBee节点、射频设备、各种控制设备、网关和物联网云平台。通过模块化设计,构建了既包含基础实训又具备验证性、设计性、综合性和创新性的多层次实训平台。可实现智能家居的门禁安防监控、环境监测、设备智能控制,以及农业环境的智能检测和农业设备的智能控制等功能。
产品特点
(1) 方便教学：本系统围绕物联网专业人才培养目标,优化设计教学方法,从知识学习到技能训练再到能力提升,实现教学的系统性和针对性。
(2) 技术覆盖广：系统集成了物联网领域的各主要技术点,实现了对物联网技术的全面系统覆盖。
(3) 提供丰富的应用实训系统实例：系统在智能家居、智慧交通、智慧农业、环境监控等领域提供了丰富的物联网应用场景和案例。
(4) 模块化设计方便扩展：模块化和平台化设计,配合标准实训工位,既可满足教学需求,也可方便扩展更多技术和应用场景。
(5) 配套海量教学资源：系统拥有完善的教学资源,包括指导书、素材、视频等,并提供免费的安装部署和培训服务。
技术优势
（1）无线通信模组
无线节点支持通过唯众的可视化界面生成器和可视化控制器进行在线功能配置,可以动态改变无线节点的IO口功能,无需烧录新固件。无线节点的IO口可配置为按键输入、数字量输入、数字量输出、模拟量输入和PWM输出等功能,可按需求在这些功能之间进行切换,极大地提高了无线节点的通用性和可重用性。
（2）可视化编辑器
系统提供PC端的可视化界面生成器工具,通过简单拖拽就可以生成不同的设备操作界面,无需编程。界面生成器支持指示灯、按键、图片、变量视图、超链接等多种可视化控件,这些控件的操作可以直接对应到物联网设备的无线节点模块上。生成的界面可直接导入APP使用,无需重新编译安装,实现了界面与设备的可视化绑定。这简化了APP的开发过程,开发者无需处理底层设备通信,通过简单配置就可以完成界面与设备的联动。
（3）可视化控制器
APP可以实现对无线节点的监控和控制。APP内可以查看节点的数据和状态,也可以对节点进行动作控制。不同无线节点之间可以进行动作联动,联动操作通过APP图形化配置即可实现,不需要编写代码。APP还提供动作列表编辑功能,可以将执行器的动作顺序组织成列表,指定触发源,完成联动控制逻辑的可视化配置。以上功能简化了APP的开发,开发者无需处理底层连接和通信,就可以通过简单配置实现节点监控、控制和联动。
（4）物联网关
本产品为基于ARM Cortex-M4核心的物联网网关,兼容唯众各类无线节点模块。网关可以将无线节点的数据转换为标准TCP/IP网络格式,实现节点与手机APP、PC软件的互联互通。
网关具备节点管理、多协议支持等功能,可以将不同无线节点抽象为独立设备,构建跨协议的物联网系统。网关提供两路串口透传接口,支持Zigbee、LoRa、NB-IoT等无线模块的扩展,实现多协议转换。
通过手机APP或PC软件,用户可以监控节点数据、配置联动规则,无需编程即可实现物联网控制。平台还提供开放API,供应用开发者进行二次开发。
本产品极大降低物联网系统开发门槛,开发者即便零编程基础,也可以在极短时间内构建自己的物联网应用场景,实现快速开发。
实训功能
1）唯众基础硬件：包含唯众物联网关、唯众物联节点构成，覆盖、 ZigBee 无线传感网络、433M无线通信、 Wi-Fi 无线网络、BLE蓝牙、 LoRa窄带物联通信、 NB-IOT物联通信技术、Android 移动互联开发、嵌入式开发、传感器技术、执行控制、网络通信、 NET 开发、 JavaScript 等技术；
2）唯众实训模块：采用工业级高精度传感器、执行器，涵盖采集模拟量/数字量等多种传感采集技术，基于行业的具体应用进行功能模块的设计，提供完整的硬件驱动层、网络传输层、协议转换调试等教学实训内容；
3）唯众实训项目：通过实训挂板提供的硬件模块，组合形成的各种复杂应用场景，提供完整的硬件驱动层、网络传输层、唯众应用层（Android 和 NET）等教学实训内容；
4）唯众综合案例：基于物联网结合到具体行业的应用案例，提供完整的案例开发手册及相关源码。
6.教学实训云平台
实践教学是高校培养高素质人才不可或缺的重要组成部分，如何 “以学生为中心”建构一流的实验教学课程，切实提高实践教学质量，始终是高校各专业建设的重要工作之一。随着信息技术的发展，作为传统实验教学的一种有效补充，开放式实验教学已经成为加强实践教学、提高教学质量的重要手段，“虚实结合”已经成为了实验教学的重要发展方向，在一定程度上克服了传统实验教学的制约。
针对传统嵌入式系统教学实训存在的资源有限、体验效果差、过程难记录和量化等问题,我们设计开发了新的嵌入式系统实验课程教学平台。首先,利用场景化对象代替简单的模拟控制,加强学生对实验的综合认知;其次,应用虚拟现实技术,构建三维的虚实结合场景,远程实时反映控制对象信息,提升远程实验效果;再次,平台具备开放性,学生可以随时随地通过互联网进行实验,适应新生代学习需求;最后,平台可以实时记录学生完整的实验过程,为实验的量化评价和教学改进提供数据支持。
该嵌入式系统教学实训云平台采用统一的软件系统进行管理。软件系统具有用户管理、场景管理、界面管理、通信管理、硬件管理、文档管理和实验预约等功能模块。系统采用B/S架构,学生可通过电脑终端访问用户软件,连接实验平台完成场景化实验。学生的典型实验流程是:登录用户软件,选择实验场景和项目,进行实验操作,软件实时反馈硬件状态,最后保存实验结果。该软件管理系统实现了对整个实验过程的集中控制和记录。
该嵌入式系统教学实训云平台由用户电脑、软件系统、服务器、工控机、检测/控制/驱动模块、场景对象和摄像头组成。平台采用统一的软件系统实现用户、资源和场景的集中管理。教师和学生通过登录软件系统,根据身份选择不同的实验场景和任务。为合理利用资源,软件系统支持“分时复用”策略,教师可根据实际情况灵活规划场景、设备和通信资源的使用时间和分配,学生则按预约时间进行实验。这样既保证学生获得充足资源,也提高资源利用效率。
该平台可根据需要增加不同类型和数量的场景化对象,扩展平台功能,满足教学需求。平台设计理念先进,功能完备,可以根据教学需求和资源状况合理规划和实现。它既确保平台的先进性和可操作性,也兼顾了实现的可行性。
