項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式專(zhuān)業(yè)實(shí)踐教學(xué)探索*

陳世海 王軍 代偉 仲崇碩 （中國(guó)礦業(yè)大學(xué)信息與控制工程學(xué)院）

專(zhuān)業(yè)實(shí)踐教學(xué)是高等工程教育的重要環(huán)節(jié)，是聯(lián)系理論知識(shí)與工程實(shí)踐的橋梁，對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力具有不可替代的作用。特別是在全球化、國(guó)際化的大背景下，如何培養(yǎng)出高質(zhì)量的工程人才，已經(jīng)成為高等工程教育要解決的核心問(wèn)題。高等工程教育源于工程實(shí)踐，而最終又要服務(wù)于實(shí)踐，所以學(xué)生的專(zhuān)業(yè)實(shí)踐能力必然是衡量教學(xué)質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)。從實(shí)踐中來(lái)，到實(shí)踐中去[1]。將工程實(shí)踐的具體內(nèi)容以具體項(xiàng)目的形式融入專(zhuān)業(yè)實(shí)踐教學(xué)，不僅可以培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)踐的能力，而且可以開(kāi)拓學(xué)生的思路、培養(yǎng)學(xué)生的工程思維，為其日后參與工程實(shí)踐打下扎實(shí)的基礎(chǔ)[2]。

以電子信息專(zhuān)業(yè)綜合實(shí)踐為例，將實(shí)驗(yàn)室門(mén)禁系統(tǒng)研發(fā)項(xiàng)目引入實(shí)踐教學(xué)，使學(xué)生在項(xiàng)目實(shí)踐中掌握和鞏固嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)、Android智能平臺(tái)APP開(kāi)發(fā)等專(zhuān)業(yè)知識(shí)和專(zhuān)業(yè)技能。

一 項(xiàng)目需求

隨著Android智能手機(jī)的飛速發(fā)展與普及，越來(lái)越多的APP應(yīng)用到人們的日常學(xué)習(xí)和生活之重中，開(kāi)發(fā)一款基于Android的實(shí)驗(yàn)室門(mén)禁系統(tǒng)，相比于IC卡式的門(mén)禁系統(tǒng)、指紋或其他生物特征識(shí)別式的門(mén)禁系統(tǒng)而言，基于Android智能手機(jī)的門(mén)禁系統(tǒng)，不僅方便易用，而且能夠有效提升實(shí)驗(yàn)室的管理效能，為實(shí)驗(yàn)室的開(kāi)放管理和學(xué)生實(shí)驗(yàn)提供了有力保障。

基于Android手機(jī)的實(shí)驗(yàn)室門(mén)禁系統(tǒng)，將Android手機(jī)、樹(shù)莓派有效結(jié)合起來(lái)，使實(shí)驗(yàn)室門(mén)禁系統(tǒng)具有安全靈活的特點(diǎn)。硬件部分的設(shè)計(jì)分為三部分：一是繼電器電子鎖模塊；二是報(bào)警器模塊；三是攝像頭模塊。軟件部分的設(shè)計(jì)分為兩部分：一是Android應(yīng)用程序設(shè)計(jì)，分為登錄界面和開(kāi)門(mén)界面。二是樹(shù)莓派程序設(shè)計(jì)。主要功能如下。

（一）登錄功能

實(shí)驗(yàn)室人員在Android應(yīng)用程序中輸入用戶名密碼并發(fā)送給服務(wù)器端，服務(wù)器端接收數(shù)據(jù)，與服務(wù)器中記錄的實(shí)驗(yàn)室人員信息進(jìn)行比對(duì)驗(yàn)證，驗(yàn)證成功進(jìn)入開(kāi)關(guān)控制界面，完成登錄。

（二）報(bào)警功能

服務(wù)器端驗(yàn)證失敗后，Android應(yīng)用程序端允許重新輸入用戶名密碼，直到錯(cuò)誤三次時(shí)，Android應(yīng)用程序發(fā)送指令給樹(shù)莓派服務(wù)器，樹(shù)莓派控制蜂鳴器報(bào)警。

（三）開(kāi)門(mén)監(jiān)控功能

Android應(yīng)用程序開(kāi)關(guān)控制界面發(fā)送開(kāi)門(mén)指令，樹(shù)莓派接收指令執(zhí)行開(kāi)門(mén)，然后攝像頭拍照保存，記錄實(shí)驗(yàn)室人員信息。

二 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)架構(gòu)以樹(shù)莓派嵌入式控制平臺(tái)為核心，由電子鎖模塊、電源模塊、攝像頭模塊、報(bào)警器模塊等部分組成。樹(shù)莓派通過(guò)控制GPIO引腳的高低電平輸出，來(lái)控制繼電器電子鎖模塊、報(bào)警器模塊和攝像頭的開(kāi)關(guān)，電源模塊為整個(gè)系統(tǒng)提供供電支持。

系統(tǒng)中繼電器電子鎖模塊所需工作電壓為直流12V，工作電流不小于800mA，而蜂鳴器報(bào)警模塊所需工作電壓為5V，而控制平臺(tái)的樹(shù)莓派的GPIO引腳的輸出電壓有5V和3.3V兩個(gè)規(guī)格，因此確定電源模塊方案時(shí)，必須考慮多電壓輸出和其帶載能力。綜合考慮，選用輸出有3V、5V和12V且功率不低于15W的電源模塊。

樹(shù)莓派接收指令改變GPIO的高低電平輸出來(lái)控制繼電器的吸合與斷開(kāi)，繼電器的吸合與斷開(kāi)則控制了電子鎖的開(kāi)門(mén)關(guān)門(mén)狀態(tài)。由于電子鎖的輸入電壓是12V，而樹(shù)莓派的輸出電壓只有5V和3.3V兩種，因此，我們選用了一個(gè)1路5V的帶光耦隔離的高電平觸發(fā)繼電器連接樹(shù)莓派和電子鎖，從而達(dá)到控制效果。電子鎖要求通電時(shí)間不超過(guò)15s，因此繼電器選擇了常開(kāi)接法，當(dāng)樹(shù)莓派GPIO引腳輸出低電平給繼電器信號(hào)端時(shí)，繼電器公共端與常開(kāi)端斷開(kāi)，電子鎖沒(méi)有電。當(dāng)樹(shù)莓派GPIO引腳輸出高電平給繼電器信號(hào)端，繼電器吸合，公共端與常開(kāi)端接通，電子鎖有電開(kāi)門(mén)。

樹(shù)莓派GPIO引腳輸出的是直流信號(hào)，因此為簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)可選用有源蜂鳴器，利用樹(shù)莓派的GPIO端口輸出的高低電平直接就可以控制蜂鳴器。當(dāng)手機(jī)客戶端輸入密碼出現(xiàn)三次錯(cuò)誤時(shí)，手機(jī)端發(fā)出指令給樹(shù)莓派，樹(shù)莓派控制GPIO口輸出高電平，蜂鳴器報(bào)警。本次設(shè)計(jì)選用的是5V有源蜂鳴器，工作電流為小于25mA，蜂鳴器使用電源模塊供電。

攝像頭模塊的作用是對(duì)進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室的人員進(jìn)行拍照并保存，因?yàn)闃?shù)莓派平臺(tái)自帶CSI接口，因此設(shè)計(jì)中選用樹(shù)莓派的官方攝像頭。攝像頭安裝過(guò)時(shí)，首先將樹(shù)莓派CSI接口的排線插槽的扣子撥開(kāi)，然后將攝像頭排線緊密插入到以太網(wǎng)網(wǎng)口和HDMI口之間的排線插槽，特別注意銀色亮面朝向HDMI口并且排線要避免彎折，排線插入之后，將插槽的扣子重新扣上。攝像頭安裝完成之后，即可在樹(shù)莓派上配置使用攝像功能。

三 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)以Android智能手機(jī)為核心。Android是以Linux為核心的開(kāi)源操作系統(tǒng)，目前廣泛應(yīng)用于智能手機(jī)、平板電腦、智能手環(huán)等便攜式移動(dòng)終端設(shè)備，另外，隨著智能家居的發(fā)展，Android也應(yīng)用于智能電視、智能音響，甚至還應(yīng)用于家庭機(jī)器人等領(lǐng)域。Android智能平臺(tái)下的應(yīng)用程序主要采用Java語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，同時(shí)也支持C++語(yǔ)言。

實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)建議采用Eclipse平臺(tái)。因?yàn)?，盡管Android studio未來(lái)的發(fā)展前景更大，然而由于目前Android studio的功能并沒(méi)有完善，因此它的用戶體驗(yàn)不好，而Eclipse因?yàn)榘l(fā)行時(shí)間較長(zhǎng)，學(xué)習(xí)資料更多，更容易上手，因此APP開(kāi)發(fā)環(huán)境選擇時(shí)，建議學(xué)生首選Eclipse作為開(kāi)發(fā)工具。本次實(shí)驗(yàn)的軟件是基于第一層，其要實(shí)現(xiàn)的基本功能為：實(shí)驗(yàn)室人員通過(guò)手機(jī)驗(yàn)證用戶名密碼，驗(yàn)證成功則可以通過(guò)手機(jī)發(fā)送指令給樹(shù)莓派進(jìn)行開(kāi)關(guān)門(mén)，同時(shí)樹(shù)莓派拍照保存進(jìn)入者照片，驗(yàn)證失敗大于等于三次則發(fā)送指令給樹(shù)莓派報(bào)警。本次設(shè)計(jì)的Android應(yīng)用程序中登錄程序需要與服務(wù)器端進(jìn)行數(shù)據(jù)驗(yàn)證。因此在編寫(xiě)Android端應(yīng)用程序前，要先搭建一個(gè)服務(wù)器。實(shí)驗(yàn)中可以采用免費(fèi)開(kāi)源的基于java的Tomcat服務(wù)器，其支持servlet和JSP規(guī)范，Tomcat不僅技術(shù)先進(jìn)而且且性能穩(wěn)定。

Android應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)包括了兩部分：登錄頁(yè)面和開(kāi)關(guān)門(mén)頁(yè)面。登錄頁(yè)面是保證實(shí)驗(yàn)室安全的第一步，當(dāng)有人要進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室時(shí)，必須通過(guò)手機(jī)客戶端的登錄頁(yè)面驗(yàn)證用戶名密碼成功后才能進(jìn)行后面的操作。登錄頁(yè)面的作用是驗(yàn)證用戶名密碼是否正確，正確則進(jìn)行下一步，錯(cuò)誤則重新輸入，直到輸入三次報(bào)警。登錄頁(yè)面的設(shè)計(jì)分為兩部分：客戶端和服務(wù)器端。首先進(jìn)行服務(wù)器端的程序設(shè)計(jì)。服務(wù)器端分為三部分：User param、UserDAO、Servlet。User param 文件中定義了用戶名和密碼，同時(shí)定義了參數(shù)的get和set方法，用于在URL中傳參和取參。UserDAO文件中建立了一個(gè)ArrayList數(shù)組作為數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)login方法對(duì)ArrayList數(shù)組進(jìn)行遍歷取值，驗(yàn)證參數(shù)是否存在。Servlet文件中的dopost方法對(duì)URL中的參數(shù)進(jìn)行提取，然后調(diào)用login方法對(duì)參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證，返回OK或者Wrong。

開(kāi)關(guān)門(mén)頁(yè)面的作用是利用手機(jī)控制門(mén)禁。開(kāi)關(guān)門(mén)頁(yè)面是安卓手機(jī)與樹(shù)莓派連接的橋梁，負(fù)責(zé)發(fā)送指令給樹(shù)莓派，達(dá)到控制樹(shù)莓派GPIO引腳的作用。手機(jī)與樹(shù)莓派利用Socket進(jìn)行通信，手機(jī)作為客戶端，樹(shù)莓派作為服務(wù)器。樹(shù)莓派要控制三個(gè)硬件模塊：繼電器電子鎖、報(bào)警器和攝像頭。繼電器和報(bào)警器需要利用GPIO引腳輸出的高低電平控制，攝像頭利用CSI接口控制。樹(shù)莓派作為服務(wù)器端，與安卓手機(jī)客戶端通過(guò)socket通信。服務(wù)器程序使用Python語(yǔ)言編寫(xiě)。

軟件調(diào)試時(shí)，首先首先測(cè)試Android應(yīng)用程序能否安裝到安卓手機(jī)，并且正常運(yùn)行；接下來(lái)測(cè)試登錄功能，能否驗(yàn)證用戶名密碼的正確或錯(cuò)誤；然后再測(cè)試手機(jī)與樹(shù)莓派能否通信，樹(shù)莓派是否可以接收手機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)；最后測(cè)試樹(shù)莓派接收指令后是否可以控制GPIO引腳的高低電平輸出。

通過(guò)以上測(cè)試，確認(rèn)軟件部分的功能可以實(shí)現(xiàn)，Android應(yīng)用程序在手機(jī)上運(yùn)行正常，正確輸入用戶名密碼之后可以跳轉(zhuǎn)到開(kāi)關(guān)控制頁(yè)面，錯(cuò)誤輸入密碼三次以上蜂鳴器響。手機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)樹(shù)莓派可以正常接收，并且可以控制繼電器電子鎖和攝像頭。

四 總結(jié)

針對(duì)高等工程教育實(shí)踐教學(xué)的要求和特點(diǎn)，以實(shí)驗(yàn)室門(mén)禁系統(tǒng)研發(fā)項(xiàng)目為依托開(kāi)展專(zhuān)業(yè)實(shí)踐，使學(xué)生在實(shí)踐中掌握基于樹(shù)莓派的嵌入式系統(tǒng)和Android智能手機(jī)APP等方面的技術(shù)知識(shí)和開(kāi)發(fā)方法，在項(xiàng)目實(shí)踐中培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力、創(chuàng)新思維和工程意識(shí)，為其從事專(zhuān)業(yè)研發(fā)奠定基礎(chǔ)。