物联网设计与开发-教学大纲

《物联网设计与开发》（IoTDesignandDevelopment）课程教学大纲一、课程基本信息开课单位课程编码撰写人制（修）订时间总学分/总学时3/48（理论：1/16；实践：2/32）适用专业电子信息、通信工程、物联网工程课程性质R必修课□选修课□全校任选课先修课程电路分析基础、电子电路基础、数字电路与逻辑设计、单片机原理与应用技术、嵌入式C语言程序设计后续课程嵌入式课程设计、毕业论文(设计)制（修）订组长审定组长课程简介物联网设计与开发是电子信息类与电气类各专业的必修课，是一门面向应用、具有很强实践性与综合性的课程，该课程是在完成电路分析基础、电子电路基础、数字电路与逻辑设计、单片机原理与应用技术和嵌入式C语言程序设计等课程的基础上进行学习。通过本课程的学习，使学生了解STM32WL5的硬件结构组成、工作原理及外围电路设计等基础知识，掌握STM32WL5的应用方法，掌握单片机的一系列外设的使用方法，并锻炼较好的C语言编程能力，使其获得利用单片机解决某些工程技术问题所需的知识，并且为学习后续课程及在今后工作中利用单片机实现自动控制、智能控制、信息处理和管理奠定必要的基础。二、课程目标根据专业“课程体系对毕业要求支撑的矩阵图”，本课程实现下列具体目标：课程目标1：深入理解嵌入式系统的体系架构，熟练掌握微处理器、存储器、外设接口等硬件组成原理，能够运用物联网专业知识，针对嵌入式系统在物联网设备异构互联场景下的需求，完成嵌入式系统硬件的对象建模与设计，实现对毕业要求1/毕业要求指标点1.2的支撑。​课程目标2：综合运用数学建模、自然科学原理及边缘-云端协同架构设计思想，针对嵌入式系统在低功耗网络拓扑优化中的复杂工程问题，通过文献研究分析多约束条件，运用工程科学基本原理对问题进行识别与判断，设计出满足低功耗、高可靠要求的嵌入式系统解决方案，实现对毕业要求2/毕业要求指标点2.1的支撑。​课程目标3：针对物联网感知层数据采集、网络层数据传输等复杂工程问题，结合特定需求（如低功耗、实时性），能够设计满足需求的嵌入式感知设备、通信协议模块或边缘计算模块，从健康、安全与环境、全生命周期成本等角度考虑设计方案的可行性，体现集成应用创新，实现对毕业要求3/毕业要求指标点3.2的支撑。​课程目标4：基于嵌入式系统相关科学原理，针对特定的物联网领域复杂工程问题，设计嵌入式系统实验方案，合理选择实验设备与工具，安全开展实验，准确采集和分析数据，通过信息综合得到合理有效的结论，实现对毕业要求4中“能够针对特定通物联网域有关的复杂工程问题，设计物联网实验，并安全开展实施，获得真实的数据”的支撑。​课程目标5：针对嵌入式系统在识别设备异构互联兼容性等复杂工程问题，能够熟练选择并使用嵌入式开发工具链、仿真软件、仪器设备及信息资源，对嵌入式系统进行计算、分析与设计，同时清晰理解这些工具的局限性，实现对毕业要求5中“能选择并使用恰当的仪器、工程工具、仿真软件和信息资源，对物联网系统复杂工程问题进行计算、分析与设计”的支撑。课程目标与毕业要求/毕业要求指标点的对应关系如下表所示：毕业要求毕业要求指标点课程目标毕业要求1：能综合运用数学建模、自然科学原理、工程基础及物联网专业知识，针对设备异构互联、低功耗网络部署、海量数据跨层处理等复杂工程问题进行系统建模、方案设计与跨层优化。毕业要求指标点1.2：具备对物联网领域对象建模与求解的物联网专业基础知识。课程目标1毕业要求2：能综合运用数学建模、自然科学原理及边缘-云端协同架构设计思想，解决识别设备异构互联兼容性、低功耗网络拓扑优化等复杂工程问题，通过物联网领域文献研究，分析多约束下的低成本、低功耗、高可靠物联网系统复杂工程问题，综合考虑降废减耗提效等可持续发展要求，以获得有效结论。毕业要求指标点2.1：能运用数学、自然科学和工程科学的基本原理，对物联网领域的复杂工程问题进行识别、判断及分析。课程目标2毕业要求3：设计/开发解决方案。能够针对复杂工程问题设计和开发解决方案，设计满足特定物联网需求的系统、单元（部件）或工艺流程，体现集成应用创新，并从健康、安全与环境、全生命周期成本与环保要求、法律与伦理、社会与文化等角度考虑可行性。毕业要求指标点3.2：针对感知层数据采集、网络层数据传输、引用层数据处理等物联网复杂工程问题，能够根据特定需求（如低功耗、高并发、实时性）设计满足需求的感知设备、通信协议或边缘计算模块。课程目标3毕业要求4：能够基于科学原理并采用科学方法对复杂工程问题进行研究，包括设计实验，分析丢包率、功耗等数据，结合OTA成功率等指标，从硬件选型、协议适配、网络架构多维度综合分析，并通过信息综合得到合理有效的结论。能够针对特定通物联网域有关的复杂工程问题，设计物联网实验，并安全开展实施，获得真实的数据。课程目标4毕业要求5：使用现代工具。能够针对识别设备异构互联兼容性、低功耗网络拓扑优化等复杂工程问题，开发、选择与使用恰当的技术、资源、现代工程工具和信息技术工具，包括对复杂工程问题的预测与模拟，并能够理解其局限性。能选择并使用恰当的仪器、工程工具、仿真软件和信息资源，对物联网系统复杂工程问题进行计算、分析与设计。课程目标5课程内容与教学组织（一）理论部分第1章STM32WL5MCU（1学时）教学内容：本章主要讲解STM32WL5MCU结构、存储器映像、系统时钟树和Cortex-M4。通过本章的学习，一方面使学生建立对课程的整体认识，培养学生善于思考与联系的能力，并通过课程导入的中国高端自动化、智能设备装置，引导学生学习工匠精神。另一方面，初步向同学们介绍所学STM32WL5的内部硬件资源及与嵌入式系统之间的关系。具体内容包括：145681.1STM32WL5MCU结构277441.2STM32WL5MCU存储器映像10201.3STM32WL5MCU系统时钟树214551.4Cortex-M4简介教学重点、难点：1、常用RCC寄存器（AHB2ENR、APB1ENR1和APB2ENR等）的使用。2、SysTick的使用。学习产出：1、了解STM32WL5MCU结构、存储器映像、系统时钟树和Cortex-M4。2、理解常用RCC寄存器和SysTick的使用。教学方式：板书+PPT对应课程目标：课程目标1、课程目标2。第2章开发环境与工具（1学时）教学内容：本章主要讲解软件开发包（SDK）、MCU配置工具（STM32CubeMX）和集成开发环境（IDE）。通过本章的学习使同学们对软件开发环境与工具有初步的认识和了解，为后续学习奠定基础。具体内容包括：2.1软件开发包（SDK）2.2MCU配置工具（STM32CubeMX）2.3集成开发环境（IDE）教学重点、难点：1、MCU配置工具（STM32CubeMX）的使用。2、集成开发环境（IDE）的使用。学习产出：1、了解软件开发包（SDK）、MCU配置工具（STM32CubeMX）和集成开发环境（IDE）。2、理解MCU配置工具（STM32CubeMX）和集成开发环境（IDE）的使用。教学方式：讲授+PPT（结合板书）课程思政：通过本章的学习，使学生理解“工欲善其事必先利其器”道理，增强学习信心。对应课程目标：课程目标2、课程目标3。第3章通用并行接口GPIO（2学时）教学内容：本章主要讲解GPIO寄存器，GPIO配置、GPIO库函数、GPIO设计与调试等。通过本章的学习，需要同学们在理解GPIO相关库函数的基础上，对GPIO的应用有更加深入的理解。具体内容包括：33751.1GPIO简介62163.2GPIO配置3.3GPIO库函数33751.4GPIO设计实例62163.5GPIO程序调试教学重点、难点：GPIO配置、常用GPIO库函数使用。按键和LED的使用：KEY_Read()、KEY_Proc()和LED_Disp()等。3、GPIO设计调试：RCC和GPIO对话框。学习产出：1、了解GPIO结构和寄存器。2、理解GPIO配置和库函数。3、理解GPIO系统硬件结构和软件流程图。4、掌握GPIO程序调试。教学方式：讲授+讨论+PPT（结合板书）课程思政：通过讲解嵌入式在社会发展中的作用，让学生认识到所学专业对国家和社会的重要性，激发学生强烈的爱国热情，引导学生树立为人民服务，为国家的发展奋斗的精神。对应课程目标：课程目标2、课程目标3。第4章通用同步/异步收发器接口USART（2学时）教学内容：本章主要讲解USART寄存器、USART配置、USART库函数、USART设计与调试等。通过本章学习，使同学们充分理解串行通信的基本原理和使用方法。具体内容包括：43751.1USART简介62164.2USART配置4.3USART库函数43751.4USART设计实例43751.5USART程序调试教学重点、难点：1、USART配置：波特率设置等。2、常用USART库函数使用。3、USART发送与接收：UART_Transmit()和UART_Receive()等。4、USART程序调试与分析：RCC、GPIO和USART对话框。学习产出：1、了解USART结构和寄存器。2、理解USART配置和库函数。3、理解USART系统硬件结构和软件流程图。4、掌握USART程序调试与分析。教学方式：讲授+讨论+PPT（结合板书）课程思政：本章内容所涉及的USART在通信时通常需要多个模块或设备之间的协作，对于团队合作和沟通非常重要，要学会与他人合作、沟通和协调，培养团队合作能力和沟通能力。对应课程目标：课程目标2、课程目标3。第5章集成电路总线接口I2C（2学时）教学内容：本章主要讲解6216I2C配置、I2C库函数、3751.I2C设计与调试等。通过本章的学习，使同学们对串行通信的3种方式有更加深入的理解。具体内容包括：53751.1I2C简介62165.2I2C配置5.3I2C库函数53751.4I2C设计实例53751.5I2C程序调试教学重点、难点：1、I2C配置、常用I2C库函数使用。2、OLED显示：OLED_Write()。3、EEPROM读写：EEPROM_Read()、EEPROM_Write()。4、I2C程序调试与分析：RCC、GPIO和I2C对话框。学习产出：1、了解I2C结构和寄存器。2、理解I2C配置和库函数。3、理解I2C系统硬件结构和软件流程图。4、理解OLED和EEPROM的使用。5、掌握I2C程序调试与分析。教学方式：讲授+讨论+PPT（结合板书）课程思政：比较USART、SPI和I2C的异同，引导学生加深对串行口的理解。对应课程目标：课程目标2、课程目标3。第6章串行设备接口SPI（2学时）教学内容：本章主要讲解SPI配置、SPI库函数、SPI设计与调试等。通过本章的学习，需要同学们在理解SPI库函数的基础上，对SPI的应用有更加深入的理解。具体内容包括：63751.1SPI简介62166.2SPI配置6.3SPI库函数63751.4SPI设计实例63751.5SPI程序调试教学重点、难点：1、SPI配置、常用SPI库函数使用。2、SPI读写：SPI_WriteRead()。3、LoRa操作：LoRa_Init()、LoRa_Tx()和LoRa_Rx()等。4、SPI程序调试与分析：RCC、GPIO和SPI对话框。学习产出：1、了解SPI结构和寄存器。2、理解SPI配置和库函数。3、理解SPI系统硬件结构和软件流程图。4、理解LoRa的使用。5、掌握SPI程序调试与分析。教学方式：讲授+讨论+PPT（结合板书）课程思政：通过讲述SPI工作原理，启发学生科学思维能力，培养学生面对复杂问题的分析和解决能力。对应课程目标：课程目标2、课程目标3。第7章模数转换器ADC（2学时）教学内容：本章主要讲解ADC配置、ADC库函数、ADC设计与调试。通过本章的学习，使同学们理解现实中的模拟信号如何输入到计算机中进行处理。具体内容包括：73751.1ADC简介62167.2ADC配置7.3ADC库函数73751.4ADC设计实例73751.5ADC程序调试教学重点、难点：1、ADC配置、常用ADC库函数使用。2、ADC初始化和读取：HAL_ADC_Init()和ADC_Read()。3、ADC程序调试与分析：RCC、GPIO和ADC对话框。学习产出：1、了解ADC结构和寄存器。2、理解ADC配置和库函数。3、理解ADC系统硬件结构和软件流程图。4、掌握ADC程序调试与分析。教学方式：讲授+讨论+PPT（结合板书）对应课程目标：课程目标2、课程目标3。第8章定时器TIM（2学时）教学内容：本章主要讲解TIM配置、TIM库函数、TIM设计与调试。通过本章的学习，使同学们理解TIM的原理与应用。具体内容包括：83751.1TIM简介62168.2TIM配置8.3TIM库函数83751.4TIM设计实例83751.5TIM程序调试教学重点、难点：1、TIM配置、常用TIM库函数使用。2、PWM输出与捕捉：TIM1_SetAutoReload()、TIM1_SetCompare3()和TIM2_GetCapture()等。3、TIM程序调试与分析：RCC、GPIO和TIM对话框。学习产出：1、了解TIM结构和寄存器。2、理解TIM配置和库函数。3、理解TIM系统硬件结构和软件流程图。4、掌握TIM程序调试与分析。教学方式：讲授+讨论+PPT（结合板书）对应课程目标：课程目标2、课程目标3。第9章扩展模块程序设计（2学时）教学内容：本章主要讲解矩阵按键、温度传感器和红外传感器程序设计与调试。通过本章的学习，使同学们理解常用外设的基本原理与应用。具体内容包括：93751.1矩阵键盘程序设计96216.2温度传感器程序设计9.3红外传感器程序设计教学重点、难点：1、矩阵键盘操作：KEY_Read()。2、温度传感器使用：TEMP_Read()。3、红外传感器使用：INFR_Read()。学习产出：1、理解矩阵键盘扫描原理与使用。2、理解温度传感器和红外传感器使用。教学方式：讲授+讨论+PPT（结合板书）对应课程目标：课程目标2、课程目标3。（二）实验部分实验1软件开发环境（4学时）实验内容：系统包括STM32MCU（内嵌SysTick）、4个按键、8个LED、LCD显示屏、UART1接口、SPI2接口、I2C1接口、ADC和TIM等。1、用软件配置工具STM32CubeMX对系统进行配置，并分别生成HAL和LL工程。2、用MDK-ARM对HAL和LL工程进行修改，并进行调试与分析。学习产出：1、了解软件开发包（SDK）的组成和使用。2、熟悉软件配置工具STM32CubeMX的使用。3、熟悉集成开发环境（IDE）的使用，特别是程序的调试方法。课程思政：以学生为主体，关注学生对知识的接受程度；采用启发式教学，培养学生主动学习能力；注重课程中思政要素的体现，使学生养成反思的好习惯，促进学生学习能力、创新能力的提升。对应课程目标：课程目标4、课程目标5。实验2GPIO实验（4学时）实验内容：系统包括STM32MCU（内嵌SysTick）、2个按键和3个LED。编程实现下列功能：1、SysTick实现1s定时。2、2个按键分别控制2个LED闪烁。3、1个按键控制2个LED分别闪烁（扩展功能）。学习产出：1、理解GPIO的配置方法。2、掌握GPIO的使用方法。3、掌握工具软件的使用方法，特别是程序的调试方法。对应课程目标：课程目标4、课程目标5。实验3USART实验（4学时）实验内容：系统包括STM32MCU（内嵌SysTick）、按键、LED和UART2接口。编程实现下列功能：1、SysTick实现分秒计时。2、通过UART2将分秒值显示在PC屏幕（1s显示1次）。3、通过PC键盘实现分秒值设置。学习产出：1、理解USART的配置方法。2、掌握USART的使用方法。3、掌握printf()的使用。对应课程目标：课程目标4、课程目标5。实验4I2C实验（4学时）实验内容：系统包括STM32MCU（内嵌SysTick）、按键、LED、I2C1接口连接OLED显示屏和EEPROM以及UART2接口。编程实现下列功能：1、用OLED显示秒值。2、EEPROM存储系统的启动次数。3、实现OLED旋转180°显示（扩展功能）。学习产出：1、理解I2C的配置方法。2、掌握I2C的使用方法。3、掌握通过I2C实现对I2C器件的读写方法。对应课程目标：课程目标4、课程目标5。实验5SPI实验（4学时）实验内容：系统包括STM32MCU（内嵌SysTick）、按键、LED、I2C1接口连接OLED显示屏和EEPROM、SPI1接口（PA4-NSS，PA5-SCK，PA6-MISO，PA7-MOSI）、SUBGHZ和射频开关以及UART2接口。编程实现下列功能：1、用SPI1接口实现数据自环回收发。2、用SUBGHZ实现LoRa收发。学习产出：1、理解SPI的配置方法。2、掌握SPI的使用方法。3、掌握通过SPI实现SPI器件的读写方法。对应课程目标：课程目标4、课程目标5。实验6ADC实验（4学时）实验内容：系统包括STM32MCU（内嵌SysTick）、按键、LED、I2C1接口连接OLED显示屏和EEPROM、SUBGHZ和射频开关、UART2接口以及ADC和电位器等。编程实现下列功能：1、用ADC实现2路输入电压的模数转换。2、将转换结果显示在OLED显示屏或PC屏幕（1s显示1次）。学习产出：1、理解ADC的配置方法。2、掌握ADC的使用方法。3．理解完全配置和不完全配置。对应课程目标：课程目标4、课程目标5。实验7TIM实验（4学时）实验内容：系统包括STM32MCU（内嵌SysTick）、按键、LED、I2C1接口连接OLED显示屏和EEPROM、SUBGHZ和射频开关、UART2接口、ADC和电位器、TIM1和TIM2以及ADC&PULSE模块。编程实现下列功能：1、TIM1输出1kHz、占空比分别为10%和50%的PWM波。2、TIM2测量PWM波的周期和脉冲宽度。3、将测量结果显示在OLED显示屏或PC屏幕（1s显示1次）。学习产出：1、理解TIM的配置方法。2、掌握TIM输出比较功能的使用方法。3、掌握TIM输入捕捉功能的使用方法。对应课程目标：课程目标4、课程目标5。实验8扩展模块实验（4学时）实验内容：系统包括STM32MCU（内嵌SysTick）、存储器、按键接口和2个用户按键、LED接口和3个用户LED、I2C1接口连接OLED显示屏和EEPROM、SUBGHZ和射频开关、UART2接口以及矩阵按键或温度传感器或红外传感器。编程