2
1 嵌入式系统开发背景
1.1 嵌入式系统概述
ARM在高校的嵌人式教学中占有举足轻重的地位，2002年以来国内各大高校都陆续建设了嵌入式实验室，从早期嵌入式ARM7处理器开始，嵌入式教学设备也根据产业的发展更新换代。传统嵌入式教学一直围绕ARM9处理器为主流体系架构，在此基础上嵌入式接口技术、嵌入式Linux操作系统、嵌入式WinCE操作系统都得到了很好的发展。但是从2009年3G移动互联网、无线传感物联网的蓬勃兴起，使得ARM处理器架构出现了重大革新，嵌入式ARM进入到了Cortex阶段，为适应电子技术产业的迅猛发展，在如何更好更快地培养人才等方面，高校的嵌入式教学也掀起了探索创新的热潮。
Cortex系列是ARM公司最新的ARM内核，采用ARMv7架构，为各种不同性能需求的应用提供了一整套完整的优化解决方案。该系列的技术划分完全针对不同的市场应用和性能需求，目前ARM Cortex定义了三个系列。
Cortex-A系列：针对复杂OS和应用程序的应用处理器，用于上网本、手机（如iPhone）。支持ARM、Thumb和Thumb-2指令集，强调高性能与合理的功耗，存储器管理支持虚拟地址。
Cortex-R系列：针对实时系统的嵌入式处理器，如汽车刹车控制等。支持ARM、Thumb和Thumb-2指令集，强调实时性，存储器管理只支持物理地址。
Cortex-M系列：针对价格敏感应用领域的嵌入式处理器，主要应用于工控领域如汽车控制系统和各种大型家电等，只支持Thumb-2指令集，强调操作的确定性，以及性能、功耗和价格的平衡。
1.2 嵌入式系统发展
经过10~20年的发展，嵌入式如今已经上升为一门电子类与计算机类核心的基础学科。从当前行业发展来看，嵌入式成为万物智能互联的核心组成部分，在智能硬件、智慧网关、应用终端等领域均扮演着主要角色。基于全新嵌入式架构的Cortex-A & Cortex-M系列平台将不断融入到我们的移动互联智慧生活：
嵌入式与移动互联网
以Android操作系统为主体的移动互联网产业最近几年来蓬勃发展，作为嵌入式的上层应用体现，将在整个嵌入式开发环节中需求比重最大。同时作为传统Linux+QT或者WinCE的一种更替，Android移动互联网应用开发成为当前嵌入式应用层的主流平台。
嵌入式与智慧物联网
简单的来说嵌入式作为一门工具，而物联网则是该工具展示的平台。物联网为嵌入式带来了巨大的市场机会，针对物联网智能设备的开发将成为嵌入式学科内容中的重点课题。
嵌入式与智能硬件
以小米为典型代表的智能硬件生态系统，为传统嵌入式设备的智能化带来了新的生机，它解决了互联网与终端的智能沟通互动问题，可穿戴、VR、创意酷玩、机械智能、家庭医疗、绿色家居等为创客提供广泛的发展空间。
嵌入式与智慧网关
智慧网关是智能硬件设备所形成的传感网到互联网的纽带，区别于传统的路由器，能够接入ZigBee、IPv6、BLE、低功耗Wi-Fi、LoRa等无线智能设备，一般基于Cortex-A系列嵌入式平台开发，运行Linux操作系统。
嵌入式与云中间件
物联网与移动互联网的碰撞，需要一个良好的中间件支撑，同时结合云计算大数据分析存储技术，嵌入式系统层可以提供协议的转换和数据的解析处理功能。
1.3 嵌入式系统教学
针对嵌入式行业发展现状及教学需求，嵌入式系统应用实验室建设拟遵循以下原则：
1）可靠性：系统稳定、可靠的运行是系统具有实用性的前提。要求系统具有高稳定性，当系统出现故障和突发事件时，具有保障正常运行的措施。
2）易用性：系统应尽可能的减少系统维护人员的工作量。经过短期培训后，一般工作人员可掌握系统使用方法，这是为系统在使用过程中的实际需要考虑的。系统交付使用以后，应该便于各种日常维护工作，能够方便地进行软件的重新配置、系统的智能预警监测、硬件备品备件的更换和软件系统的升级。
3）扩展性：扩展能力是嵌入式教学平台教学需求的最重要原则之一，平台应具备充分、灵活的适应能力、可扩展能力和自动升级能力，提供可视化的二次开发、配置工具，并充分考虑接口的标准化、协议的标准化。
4）丰富性：系统能够支撑嵌入式各个应用分支的教学科研需求，通过各色项目能够对主流的不同应用领域进行原型验证。
2 实验室项目建设方案
2.1 项目方案介绍
针对目前嵌入式行业发展与教学科研现状，经过大量高校教学需求调研，嵌入式系统应用技术实验室的建设必须满足核心知识点教学，同时又能够体现当前及未来的技术发展方向，比如移动互联网、智慧物联网、开源硬件、智云中间件等。通过实验室的建设，能够帮助学生熟悉和掌握嵌入式最本质的核心技术和最全面的应用方向，培养出适应市场需求的现代化嵌入式工程师。
中智讯结合多年来在嵌入式、移动互联网、物联网、云计算与大数据等方面的技术研究，一直探索嵌入式教学的革新，通过对相关应用技术方向的交叉融合，为高校推出更加符合当前嵌入式技术发展方向的智云嵌入式系统应用教学平台，基于该产品的教学方案如下：
实验室方案框架说明：
智云嵌入式系统囊括了嵌入式学科的三个技术方面：嵌入式接口技术、嵌入式操作系统、嵌入式应用开发，从当前行业需求来分类，分别对应嵌入式智能硬件（偏重于接口技术、无线传感网通信、物联网智能设备）、智慧网关及中间件（嵌入式Linux操作系统、Linux M2M技术）、嵌入式应用（移动互联网）。
1）嵌入式智能硬件：针对于嵌入式微控制系统的开发，主要包含三个知识点：微控制器接口技术、微控制器操作系统、无线传感网络技术：
微控制器接口技术：经久不衰的核心技术，包括：微机原理、单片机接口、ARM接口、传感器接口等，培养学生熟练使用嵌入式开发工具比如IAR/Keil进行程序的在线开发和调试，通过阅读芯片数据手册掌握寄存器、常用接口、总线等硬件编程。物联网应用技术的延伸则学习各种传感器的原理、RFID射频技术的原理，及与微控制器之间的结合。
微控制器操作系统：掌握一门开源的轻量级操作系统，比如Contiki，了解操作系统特性，掌握多任务、多线程、进程、事件、TCP/IP等技术。
无线传感网络技术：由物联网延伸而来的新技术，掌握Zigbee无线传感网技术和6LoWPAN下一代IPv6无线传感网技术，了解各种无线通信技术原理：Zigbee/Wi-Fi/Bluetooth/IPv6，能够设计智能无线微控制器设备及相关编程开发调试技术。
2）智慧网关及中间件：针对于嵌入式操作系统的开发，主要包含三个知识点：嵌入式Linux操作系统、M2M物联网技术、大数据：
嵌入式Linux操作系统：主要学习嵌入式操作系统相关知识，包括嵌入式Linux系统裁剪移植、驱动开发、Shell编程等，同时掌握基本的Linux应用开发，比如IO编程、多线程、进程通信、信号量、网络编程、BOA服务器、SQLite数据库等。
M2M物联网技术：主要学习多网络协议数据交换技术，实现传感网络与电信互联网的数据交换。包括Linux网络编程、多网络协议解析、网络路由技术、IPv4/IPv6技术、MQTT服务器技术、3G/Wi-Fi技术、服务器技术、网络加密、信息安全等。
大数据：学习云计算与大数据技术，了解嵌入式与大数据技术的交叉融合。
3）嵌入式应用（移动互联网）：嵌入式系统的应用层，掌握基于Android应用技术、IOS应用技术、Web Html5应用技术为代表的移动互联网应用开发。
2.2 产品基本概述
ZMagic-IHDKits系列智云嵌入式应用平台是中智讯主推的一款面向嵌入式高端教学的实验平台，该平台采用ARM Cortex-A9 & Cortex-M4双处理器架构，能够覆盖嵌入式硬件、网关、应用三层的学习，同时结合智云开放服务云平台，可以实现完整的基于智慧互联技术的项目场景开发。
ZMagic-IHDKits系列智云嵌入式应用平台应用层采用三星ARM Cortex-A9四核处理器S5P4418平台，软件版本为Android-4.4，为当前主流移动互联网应用及模块提供更好更多的支撑。智能硬件层采用ST公司ARM Cortex-M4 STM32F407处理器平台，软件为Contki-3.0，无线采用ZigBee、BLE、Wi-Fi等，适应各种智能设备需求。
2.2.1 平台硬件结构
ZMagic-IHDKits实验平台由嵌入式智能应用系统和嵌入式智能硬件系统构成，硬件框图及参数如下：
l S5P4418 ARM Cortex-A9 四核架构，内存：1GB，Flash：8GB
l 10.1寸IPS广角高清液晶屏，多点触摸屏
l 集成多种通信模块：ZigBee、IPv6、RF433、Wi-Fi、BLE、LTE （含SIM接口、语音接口） 、GPS，支持Ap功能
l 2路高清模拟摄像头输入接口，1路500w MIPI摄像头
l 4路USB Host接口，1路OTG接口，1路TF卡接口，1路千兆网卡，1路RJ11传感器接口，1路HDMI，1路红外接收，1路蜂鸣器，3路按键，4路LED，3路串口接口
l 调试接口： ZigBee、IPv6、RF433三路调试接口，USB串口
l Android-4.4操作系统，ZStack、6LowPAN、SimpliciTI、ble、wifi无线协议栈
l 智能网关功能：支持多网融合技术（ZigBee、IPv6、RF433、Wi-Fi、BLE、LTE），通过智慧云协议实现异构网络的互联互动，同时具备与移动互联云的接入能力
l 提供系统刷机工具，开放源代码
l 提供Linux操作系统、嵌入式网关实验、android应用实验、web应用实验，提供全部源代码
l 项目案例：提供智慧台灯、运动手环、智能手表、健康腕带、绿色家居、创意水杯、体脂体重秤等项目硬件、算法、驱动、网络、应用等全部软硬件资料，开放源代码。
l STM32F407 ARM Cortex-M4 架构
l 2.8寸TFT彩色LCD，16MB Flash
l 集成多种通信模块：ZigBee、Wi-Fi、BLE、GSM（含SIM接口、语音接口）、GPS
l 高精度数字温湿度传感器（HTU21D），高精度数字光强度传感器（BH1750FVI）
l 高亮RGB彩色LED指示灯，4路LED，1路蜂鸣器
l 4路扫描按键，4路中断按键
l 丰富外设：TTL、485、3V/5V电压模拟采集、4~20mA电流模拟采集、两路5V继电器、摄像头接口
l 调试接口： STM32F4、ZigBee、Wi-Fi、BLE四路调试接口，USB串口
l 12V锂电池，板载提供电量检测和电池充电
l Contiki-3.0操作系统，ZStack、SimpleLink、ble无线协议栈
l 80PIN arduino扩展接口，6路MD8/S工业端子，12PIN传感器接口
l 提供嵌入式接口实验、传感器接口实验、无线通信实验（ ZStack、SimpleLink、ble）、Contiki微操作系统提供全部源代码
l 项目案例：提供智慧台灯、运动手环、智能手表、健康腕带、绿色家居、创意水杯、体脂体重秤等项目硬件、算法、驱动、网络、应用等全部软硬件资料，开放源代码。
2.2.2 平台主要特性
ZMagic-IHDKits实验平台主要软件特性如下：
l 嵌入式操作系统：Android 4.4 / linux3.0 / QT4.8或更高版本，提供板载所有硬件接口及应用模块的驱动及应用，全部开放源代码；
l 支持软硬件一键开关机，带休眠唤醒功能，提供Power开机按键；
l 支持移动互联网开发所必需的功能：4G/3G语音通话、短信、上网，音频录放音功能，Wi-Fi（支持AP热点）、Ethernet上网功能，无线蓝牙功能，模拟/数字摄像头拍照、录像功能，模拟摄像头信号接入，PAL电视模拟信号接入，GPS/北斗位置导航服务，HDMI音视频输出（支持1080P），九轴传感器驱动应用（加速度、陀螺仪、地磁）；
l 支持IPv6路由，实现网关下对ZigBee(CC2530)、ZigBee/IPv6(STM32W108)、Wi-Fi(HF-LPT200)、Bluetooth(HC-05)、WCDMA&GPRS等多种通信技术的IPv6数据封包和解析，提供CoAP应用通信协议的网关数据解析服务；
l ARM Cortex-M4智能硬件系统，支持ARM双U嵌入式系统开发（M4实现ARM接口技术课程学习，A9提供ARM嵌入式操作系统课程学习），提供实验指导书及实验例程；
l 提供大量的4G/3G手机开发教学案例：无线点菜系统、数字校园系统、3G远程视频传输系统、智能家居系统、智能医疗系统；
l 提供Windows/Linux下一键刷机软件，选择需要更新的镜像文件即可快速进行USB线缆刷机，支持Uboot参数修改配置，EMMC或外置SD卡刷机可选。
2.2.3 平台扩展模块
ZMagic-IHDKits实验平台选配应用模块如下：
名称
技术指标
全网通4G无线通信模块
1.网络：TDD-LTE/FDD-LTE/TD-SCDMA HSPA；
2.制式：TDD-LTE 2600(Band38) /1900(Band39)/2300(Band40)/2500(Band41)；
3.工作频带：HSPA1900/2100，GSM 900/1800；
4.高速USB 2.0接口、HSIC接口；
5.支持短信、数据、电话本、PCM语音功能；
6.支持IPv4,IPv6协议；
7.支持LTE多频；
8.支持最大150M/50Mbps的理论上下行数据传输速率。
北斗/GPS双频卫星定位模块
1.采用和芯星通第三代低功耗GNSS模组UM220-III N；
2.定位精度2.5m CEP；
3.支持双频：北斗 B1、GPS L1；
4.定位精度(RMS)：2.5m CEP；
5.速度精度(RMS)：GPS/GNSS: 0.1m/s、北斗: 0.2m/s；
6.直接输出组合导航定位结果（兼容NMEA0183）；
7.定位芯片通过AEC-Q100认证；
8.提供Android下该芯片的北斗/GPS驱动及应用，实现导航定位功能。