基于無人機(jī)系統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備原理教學(xué)改革探索

魏曉敏

（1.ISN 國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（西安電子科技大學(xué)）；2.西安電子科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)與信息安全學(xué)院；3.陜西省網(wǎng)絡(luò)與系統(tǒng)安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安 710071）

0 引言

嵌入式系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備原理是西安電子科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)與信息安全學(xué)院網(wǎng)絡(luò)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(shè)計(jì)原則與方法，以及常見網(wǎng)絡(luò)設(shè)備及其原理。無人機(jī)系統(tǒng)是典型的嵌入式系統(tǒng)，且具備較強(qiáng)的通信功能，因此可基于無人機(jī)系統(tǒng)開展嵌入式系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備原理課程的教學(xué)活動。

嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，涉及知識點(diǎn)眾多，包括計(jì)算機(jī)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(luò)設(shè)備等，學(xué)生很難在較短時(shí)間內(nèi)融合大量知識點(diǎn)，且傳統(tǒng)的理論學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)方式較為枯燥，不能調(diào)動其學(xué)習(xí)積極性。無人機(jī)應(yīng)用廣泛，受歡迎程度高，基于無人機(jī)開發(fā)的項(xiàng)目可應(yīng)用于多種學(xué)科競賽。因此，本次教學(xué)改革將基于無人機(jī)系統(tǒng)原理，結(jié)合先進(jìn)的無人機(jī)技術(shù)重新設(shè)計(jì)嵌入式系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備原理的課程內(nèi)容和教學(xué)體系，以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，同時(shí)鼓勵(lì)其逐層學(xué)習(xí)無人機(jī)系統(tǒng)的開發(fā)技術(shù)，培養(yǎng)其動手實(shí)踐能力。

1 相關(guān)研究

目前已有許多嵌入式系統(tǒng)相關(guān)的課程改革工作，但較少涉及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和原理。例如，郭建等［1］采用半翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式提高學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，并通過過程化監(jiān)管手段幫助其更好地學(xué)習(xí)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程內(nèi)容；張建等［2］以嵌入式系統(tǒng)及應(yīng)用課程為例，引入SPOC 教學(xué)模式，提出基于線下+線上混合教學(xué)模式的課程教學(xué)組織與課堂設(shè)計(jì)方法；李輝勇等［3］將虛擬仿真教學(xué)理念應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，提出了具體的課程教學(xué)改革目標(biāo)；孫青等［4］針對嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)，結(jié)合嵌入式物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品開發(fā)流程，采用知識講授+項(xiàng)目實(shí)戰(zhàn)的教學(xué)模式，提出面向?qū)W生工程能力培養(yǎng)的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)訓(xùn)課程教學(xué)模式；王瑞敏等［5］針對網(wǎng)絡(luò)空間安全人才培養(yǎng)目標(biāo)，提出嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)方案；沈珊瑚等［6］針對嵌入式系統(tǒng)實(shí)踐課程在實(shí)驗(yàn)課堂教學(xué)中存在的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)難度大、學(xué)生預(yù)習(xí)不夠充分、缺乏互相學(xué)習(xí)的氛圍且個(gè)體能力不足等問題，提出以學(xué)生為中心的教學(xué)方式；馬賓等［7］以STM32 單片機(jī)應(yīng)用教學(xué)為核心，提出一種以需求為導(dǎo)向，結(jié)合學(xué)生競賽與具體實(shí)踐項(xiàng)目的教學(xué)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(yīng)用翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式；朱超平等［9］針對現(xiàn)有嵌入式系統(tǒng)教學(xué)存在的重理論輕實(shí)驗(yàn)、教學(xué)方式比較陳舊、理論內(nèi)容與實(shí)驗(yàn)設(shè)備不配套以及課程考核評價(jià)體系單一等問題，以培養(yǎng)工程型人才為目標(biāo)，以項(xiàng)目化教學(xué)內(nèi)容為主體，對嵌入式系統(tǒng)的教學(xué)進(jìn)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(luò)設(shè)備原理課程教學(xué)存在的理論性過強(qiáng)、新技術(shù)實(shí)例不足、較少涉及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備與原理等問題，本文采用線上+線下的教學(xué)模式，利用無人機(jī)系統(tǒng)仿真環(huán)境設(shè)計(jì)課后作業(yè)，同時(shí)理論聯(lián)系實(shí)際，應(yīng)用最新的無人機(jī)技術(shù)實(shí)例講授網(wǎng)絡(luò)設(shè)備及其原理。

2 教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)

首先從軟件和硬件兩個(gè)方面介紹典型的嵌入式系統(tǒng)——無人機(jī)系統(tǒng)，然后基于無人機(jī)系統(tǒng)的層次化架構(gòu)，結(jié)合該課程的知識點(diǎn)，重新設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容。

2.1 典型的嵌入式系統(tǒng)——無人機(jī)系統(tǒng)

以四旋翼無人機(jī)為例，其整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示，包括4個(gè)機(jī)臂、4 個(gè)螺旋槳、機(jī)載硬件、遙控器和地面站。無人機(jī)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(jī)載計(jì)算機(jī)、GPS 模塊、數(shù)傳、圖傳，其中無線電接收器用于無人機(jī)與遙控器通信；數(shù)傳用于無人機(jī)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(jī)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(jī)飛行。

Fig.1 Structure of quad-rotor UAVs圖1 四旋翼無人機(jī)結(jié)構(gòu)

飛行控制器和機(jī)載計(jì)算機(jī)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(jì)和磁力計(jì)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(jī)軟件主要運(yùn)行于飛行控制器和機(jī)載計(jì)算機(jī)平臺，其中飛行控制器主要負(fù)責(zé)飛行控制程序、通信程序、驅(qū)動程序和無人機(jī)操作系統(tǒng)的運(yùn)行，機(jī)載計(jì)算機(jī)主要負(fù)責(zé)輔助計(jì)算和部分飛行控制程序的運(yùn)行。

2.2 教學(xué)內(nèi)容

嵌入式系統(tǒng)通常以層次化的形式進(jìn)行刻畫，無人機(jī)系統(tǒng)亦是如此。以Ardupilot 無人機(jī)控制軟件［11］為例，其系統(tǒng)層次化架構(gòu)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(jī)載計(jì)算機(jī)、傳感器、數(shù)傳、圖傳和電機(jī)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(gè)類型；④飛行控制軟件層負(fù)責(zé)姿態(tài)估計(jì)、姿態(tài)控制、PID 控制、航點(diǎn)導(dǎo)航、傳感器數(shù)據(jù)處理、位置估計(jì)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(jī)與地面站和機(jī)載計(jì)算機(jī)通信；⑥用戶接口層主要包括機(jī)載計(jì)算機(jī)和地面站，地面站可以是計(jì)算機(jī)、手機(jī)和平板等設(shè)備。

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

基于無人機(jī)系統(tǒng)層次化架構(gòu)，綜合分析該課程原始教學(xué)架構(gòu)（見圖3 左側(cè)），重新設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容（見圖3 右側(cè)），二者一一對應(yīng)。新的課程架構(gòu)既涵蓋所有知識點(diǎn)，也能利用無人機(jī)系統(tǒng)提升課程的應(yīng)用性和趣味性。該課程首先從整體介紹嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，講解嵌入式硬件（包括處理器、存儲器、I/O 和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備）；然后講解無人機(jī)軟件開發(fā)基礎(chǔ)，這部分起著承上啟下的作用，作為后續(xù)無人機(jī)嵌入式軟件教學(xué)內(nèi)容的基礎(chǔ)；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(xì)的教學(xué)內(nèi)容介紹如下。

Fig.3 Correspondence between original and improved teaching content圖3 原始教學(xué)內(nèi)容與改進(jìn)教學(xué)內(nèi)容的對應(yīng)關(guān)系

2.2.1 無人機(jī)系統(tǒng)概述

介紹嵌入式系統(tǒng)的定義、應(yīng)用領(lǐng)域和發(fā)展方向。以無人機(jī)系統(tǒng)為典型應(yīng)用案例，講解嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)；詳細(xì)講解無人機(jī)系統(tǒng)層次化架構(gòu)，以此為基礎(chǔ)，進(jìn)一步介紹應(yīng)用場景的嵌入式系統(tǒng)層次化架構(gòu)；基于無人機(jī)系統(tǒng)開發(fā)方法，介紹嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)和開發(fā)方法；介紹無人機(jī)系統(tǒng)仿真環(huán)境構(gòu)建方法。

2.2.2 無人機(jī)系統(tǒng)處理器

無人機(jī)系統(tǒng)采用的STM32 處理器屬于ARM 處理器，故重點(diǎn)講解ARM 系列處理器的特點(diǎn)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(fù)雜指令集的區(qū)別以及精簡指令集的特點(diǎn)。

2.2.3 無人機(jī)系統(tǒng)的存儲與I/O

無人機(jī)飛行控制器和機(jī)載計(jì)算機(jī)包含多種類型存儲器和接口。以飛行控制器和機(jī)載計(jì)算機(jī)為例，介紹嵌入式存儲器和I/O，并進(jìn)一步講解存儲器結(jié)構(gòu)和I/O 接口工作原理。

2.2.4 無人機(jī)通信設(shè)備及其原理

講解無人機(jī)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(diǎn)配置等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備原理。

2.2.5 無人機(jī)軟件開發(fā)基礎(chǔ)

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

2.2.6 無人機(jī)系統(tǒng)Bootloader 設(shè)計(jì)

以無人機(jī)系統(tǒng)Bootloader 為例，講解Bootloader 的基本概念、典型結(jié)構(gòu)和基本設(shè)計(jì)模式，闡述其啟動過程和實(shí)現(xiàn)原理。

2.2.7 無人機(jī)操作系統(tǒng)

介紹常見無人機(jī)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(jìn)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(jī)硬件抽象層程序

講解無人機(jī)設(shè)備驅(qū)動程序，包括字符設(shè)備驅(qū)動程序和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動程序。

2.2.9 無人機(jī)飛行控制程序開發(fā)

介紹無人機(jī)飛行控制程序，以無人機(jī)傳感器數(shù)據(jù)處理和姿態(tài)估計(jì)應(yīng)用程序?yàn)槔?，詳?xì)介紹嵌入式軟件的開發(fā)方法。

3 教學(xué)方案與方式

3.1 教學(xué)方案

將教學(xué)進(jìn)程分為無人機(jī)硬件學(xué)習(xí)和軟件學(xué)習(xí)兩個(gè)階段，以無人機(jī)軟件開發(fā)基礎(chǔ)作為兩個(gè)階段的分割點(diǎn)。在課程早期階段，要求學(xué)生通過在線學(xué)習(xí)的方式學(xué)習(xí)如何構(gòu)建無人機(jī)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(xué)習(xí)階段，各部分課程內(nèi)容都可以在無人機(jī)系統(tǒng)仿真環(huán)境中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)練習(xí)，以便較為直觀地理解嵌入式系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備原理。

在無人機(jī)硬件學(xué)習(xí)階段講授各教學(xué)內(nèi)容模塊的原理及對應(yīng)的無人機(jī)模塊原理，同時(shí)引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)和改進(jìn)無人機(jī)模塊實(shí)現(xiàn)方式。這一階段需基于無人機(jī)系統(tǒng)對各模塊設(shè)計(jì)練習(xí)題作為課后作業(yè)，并要求學(xué)生在無人機(jī)系統(tǒng)仿真環(huán)境中完成，以加強(qiáng)其對教學(xué)內(nèi)容的理解和掌握。對于難點(diǎn)和重點(diǎn)，要求學(xué)生搜尋課外資料，包括論文和視頻，作為補(bǔ)充學(xué)習(xí)資料。

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

3.2 教學(xué)方式

該課程主要采取4 種教學(xué)方式，分別為課堂講授、實(shí)驗(yàn)、作業(yè)和在線學(xué)習(xí)。在課堂講授中，基于無人機(jī)系統(tǒng)，從宏觀上引導(dǎo)學(xué)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(chǔ)上使學(xué)生能夠觸類旁通；從微觀上啟發(fā)學(xué)生從嵌入式系統(tǒng)架構(gòu)基本概念、軟硬件設(shè)計(jì)等角度分析問題、解決問題，提高其學(xué)習(xí)思考能力。在實(shí)驗(yàn)中，綜合實(shí)踐課程講授內(nèi)容，使具體感性認(rèn)識實(shí)踐與嵌入式系統(tǒng)知識及開發(fā)方法相融合，進(jìn)一步加強(qiáng)學(xué)生的實(shí)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(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)。作業(yè)包括書面習(xí)題、網(wǎng)上討論、程序開發(fā)。在書面習(xí)題中，主要側(cè)重考察與鍛煉學(xué)生對基本內(nèi)容的掌握與應(yīng)用，以及學(xué)生對嵌入式系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備研究、分析和設(shè)計(jì)的能力；在網(wǎng)上討論中，主要側(cè)重學(xué)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(shè)備驅(qū)動等與無人機(jī)嵌入式系統(tǒng)開發(fā)相關(guān)的程序，使學(xué)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(xué)習(xí)是指教師利用網(wǎng)絡(luò)資源引導(dǎo)和激勵(lì)學(xué)生自主在線學(xué)習(xí)，不占用課內(nèi)時(shí)間，不在課堂上講授，但需要學(xué)生掌握在線課程內(nèi)容。

4 教學(xué)效果分析

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

Table 1 Completion rate of course experiments表1 課程實(shí)驗(yàn)完成率

2020-2021 與2019-2020 學(xué)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(xué)生集中在80-89 分?jǐn)?shù)段；不及格率基本不變；60-69 分的學(xué)生比例由14.81%降低至10.17%；學(xué)科平均分提升5 分左右，說明教學(xué)改革成果顯著。

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

5 結(jié)語

針對現(xiàn)有嵌入式系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備原理課程存在的理論性過強(qiáng)、新技術(shù)實(shí)例不足、較少涉及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備與原理等問題，本文基于無人機(jī)系統(tǒng)重新設(shè)計(jì)該課程教學(xué)內(nèi)容。通過融入嵌入式系統(tǒng)典型代表無人機(jī)系統(tǒng)，使嵌入式理論充分地與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合，將新的無人機(jī)技術(shù)引入到教學(xué)內(nèi)容中，更新教學(xué)內(nèi)容實(shí)例，與時(shí)俱進(jìn)；同時(shí)利用無人機(jī)通信設(shè)備與技術(shù)，實(shí)例化講解網(wǎng)絡(luò)設(shè)備與原理，取得了較好的教學(xué)成果。此外，無人機(jī)系統(tǒng)具備完善的仿真和編譯環(huán)境，可以支撐課后實(shí)踐學(xué)習(xí)，有效提高學(xué)生的動手能力。后續(xù)可充分利用無人機(jī)廣受關(guān)注且可用于競賽的優(yōu)勢，進(jìn)一步提高該課程的趣味性和關(guān)注度。