电子信息工程专业综合训练案例教学探索.pdf

物联网技术 2023年/第11期 人才培养Vocational Education1360 引 言电子信息工程专业综合训练是重要的实践性教学环节，是对学生进行专业基础训练，培养实践动手能力，掌握分析问题、解决问题能力的重要课程。在训练过程中，学生以团队合作形式，形成分工协作、互相讨论、相互促进的氛围1，能够将所学知识正确应用到综合训练中，实现综合训练课题提出的要求和功能，达到学以致用的教学目的，提升学生工程实践能力和创新能力2。STM32 是目前常用的主控芯片，具备资源丰富、高性能、高性价比特点3，本文选择 STM32F103RCT6 为主控单片机，设计基于阿里云的远程数据采集与控制系统，作为综合训练的教学案例。通过该案例，把 STM32 相关知识点和传感器技术等贯穿其中；同时将 STM32 终端设备与物联网平台结合，实现远程数据传输与控制。相比于以往单一功能训练课题，该案例具备较强的综合应用特点，对提高学生的综合应用能力有较好的促进作用4。1 系统组成与功能系统组成如图 1 所示，STM32F103RCT6 为主控单片机，该芯片主频达 72 MHz，具备串口、定时器（PWM）、外中断、SPI、DMA、AD 转换等丰富资源5，是理想控制器。LCD 显示部分采用 2.0 寸 8 位数据并口的显示屏，分辨率为320240，具备分辨率高、占用单片机数据线少的优点。字库芯片作为可选择添加系统的芯片，可以接在 SPI1 接口，用以显示汉字，当然也可以省略；温湿度传感器 HDC1080、存储芯片 AT24C02 和时钟芯片 DS3231 是 I2C 接口，因此规划一组 IO 端口作为 I2C 接口，程序通过不同的器件地址访问，读取温湿度数据和时间信息等，云平台下发的设置报警阈值存放于 AT24C02 中；远程访问通过 WiFi 模块 ESP8266 连接物联网云平台，实现远程数据传输与控制。图 1 系统总体设计结构系统实现以下功能：终端装置采集温湿度数据，读取时间等参数；在 LCD 显示温湿度数据、时间和阈值、状态信息等；通过 WiFi 模块连接阿里云飞燕平台后，创建手机可视化页面，接收温湿度数据和终端装置状态信息；手机端可设置报警阈值，下发到终端装置，当测量的温度或湿度超过阈值后，启动语音提示，同时控制对应风扇运行，风扇转速根据温湿度数据高低分不同的转速挡位运行。2 硬件设计图 2 是硬件设计原理图，硬件设计主要是综合考虑STM32 的外部资源合理分配，LCD 接在 PB 端口，其中有电子信息工程专业综合训练案例教学探索刘静波，苏格诺，刘烨楠（南京工程学院 信息与通信工程学院，江苏 南京 211167）摘 要：设计了基于阿里云的远程数据采集与控制系统的教学案例，将其作为电子信息工程专业综合训练项目。该系统由终端装置和阿里云飞燕平台两部分组成，终端装置包括 STM32 单片机、WiFi 模块、温湿度模块和 LCD显示部分等，终端装置采集温湿度数据，发送数据和状态信息至飞燕平台，在飞燕平台创建手机端可视化界面，可以远程接收数据、状态信息，并下发参数命令等。对教学案例的设计过程和教学组织实施进行阐述，通过该教学案例，对学生软硬件设计与调试能力进行综合训练，激发学生学习兴趣，提高学生学习主动性，培养学生的实践动手能力。结果表明，将案例教学应用于综合训练中，采用循序渐进的方式，引导学生掌握项目设计分析能力以及从单元模块测试到整体调试的方法，对提高学生的分析学习能力、团队合作精神、工程应用能力等方面都能起到很好的作用。关键词：案例教学；实践教学；综合训练；远程控制；飞燕平台；应用型人才中图分类号：TP311；G426 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2023）11-0136-03DOI：10.16667/j.issn.2095-1302.2023.11.038收稿日期：2022-12-21 修回日期：2023-01-18基金项目：江苏省青蓝工程电子信息技术优秀教学团队、江苏省研究生教育教学研究课题“应用型高校工科专业硕士研究生数字化能力培养模式研究”（JGKT22_C049）2023年/第11期 物联网技术人才培养Vocational Education1378 位数据线和若干控制线；WiFi 模块接入串口 2，PA12 控制 WiFi 模块复位；PC10 和 PC11 作为 I2C 接口接入时钟DS3231、温湿度模块 HDC1080 和存储芯片 AT24C02；语音播报可以选择 JQ8900 模块，占用两个 IO 端口控制对应的语音播报，可以自行选用未被占用的 IO 口，分别提示温度和湿度报警；两路风扇驱动采用 L298，其中 PC0、PC1和 PC6 控制风扇 1，PC2、PC3 和 PC7 控制风扇 2，PC6 和PC7 是 STM32 的定时器 8 的 PWM 输出通道 CH1 和 CH2 的控制端，用不同输出占空比控制风扇的转速。SPI1 接口如果接入字库芯片，通过 SPI 总线访问并读取字库数据，取出汉字字模，方便显示中文字符；如果系统中字库芯片未采用，程序设计中可以自己取字模，显示必要的中文信息提示。PC4 端口接入 DS3231 的秒信号，配置 PC4 为外中断引脚，作为外中断控制端，在程序中读取数据、显示数据和状态信息等都在外中断服务程序中实现6，提高了主程序 效率。图 2 硬件电路设计3 软件设计图 3 是主流程。首先是终端装置与服务器建立连接；当连接成功后，完成报文订阅并确认订阅是否成功。单片机每隔 5 s 在定时器中断发送温湿度数据和状态信息，当终端装置接收到下发的数据或命令后，则对接收的数据或命令进行处理。这实际上是对接收到的字符串进行解析并提取和下发数据信息或命令关键字。主程序中，对测量的温湿度数据与阈值进行比较，当超过设定的阈值后，则会分别进行报警提示和启动对应的风扇运行。当前状态信息也会上传至云平台，用户在手机端实时掌握所有数据和状态信息。终端装置读取温湿度数据和时间信息、显示数据和阈值以及状态信息等都在外中断服务程序中进行，不占用主程序运行。4 教学组织实施4.1 软硬件设计在教学过程中，首先对与本系统案例相关的软件程序作必要讲解与分析。本案例是一个综合应用，涵盖了关于STM32 的重要知识点，同时加入了云平台，构成远程数据传输和控制系统，进一步拓展了应用范围。其中包括：LCD 显示、I2C 接口的传感器应用等，串口 2 连接 WiFi 的远程访问，定时器主要应用于定时发送数据和配合 WiFi 模块接收数据以及外中断读取并显示数据，定时器产生 PWM 波等很多方面。因此，应该逐步理解各方面的知识点，对每个方面的软件进行模块化编程与测试，这也可以在进行硬件设计时同步开展。在此过程中，可以看到不少同学学习过相关课程，也会有一些相关的软件包，但应该对此进行细致分析，特别是管脚定义、时序状态等细节方面，确认是否可以应用到本案例中，这样才能保证软件设计的正确性。软件设计时应该对每一个单元模块单独进行测试，这样才是事半功倍的做法。学生综合训练小组内部自行分工，负责硬件设计的同学重视硬件电路设计，硬件电路是基础，保证硬件电路的正确性才能为软件调试打下良好基础。鼓励在综合训练过程中自己设计电路并完成实物制作，硬件设计同样是模块化设计方式，推荐的做法是把单片机芯片、LCD 显示、字库芯片集成设计到一块开发板上，开发板留有 WiFi 模块接口并引出所有 IO 端口，另外 I2C 接口的时钟、温湿度模块和存储芯片可以单独做成一个三合一的模块，最后连接到开发板上，开发板只保留基本的单元，不必把所有的芯片或传感器都集成到开发板上。这样做的优点在于：开发板相对独立，可以更换不同接口的模块，适用于不同的应用系统。4.2 组织实施负责软件编程和硬件设计的学生在综合训练时应加强沟通，编写若干个独立单元的软件模块测试开发板，查看硬件与软件是否都能正确运行。例如编写 LCD 显示、串口 2 收发、物联网技术 2023年/第11期 人才培养Vocational Education138温湿度数据读取、DS3231 时钟芯片驱动、PWM 波形产生等子模块程序并分别测试一下，一方面验证开发板功能，另一方面也是提前对每一个软件部分的模块化编程进行测试。这样通过软硬件设计结合达到综合训练的目的。图 3 主流程在实际指导过程中，预先设计制作了整套系统，并测试完成；成功运行后，用照片和视频方式展示出来。图 4 是手机端接收数据与运行状态的界面。一方面完整展示系统实现的功能；另一方面激发学生学习兴趣，指导学生按步骤、有计划地实施，对每一个单元、模块分别进行测试，最后再组合进行整体调试，这是必然要经历的过程。通过这个方式，能够让学生学习如何设计与调试项目。物联网云平台选择阿里云的飞燕平台，该平台与终端装置采用 MQTT 协议进行远程访问数据传输。很多文献资料以及网络资源对该部分内容都有详细分析7-8，综合训练期间，在进行远程访问的功能测试时应先用一个最小化的远程数据测试软件系统进行测试。例如远程控制一个开关的通断，或远程发送一个固定的数据等，这样对远程连接完成测试后，就掌握了数据上传与接收等各个环节，这对后续采集上传变量数据是很有帮助的。其中远程访问的一个关键点是变量数据与飞燕平台物模型的相互对应关系，学生理解了这些知识后，可以方便地嵌入到自己的综合训练项目。最后，再把测试的每一个模块软件统一整合到综合训练项目，从而实现综合训练的功能任务。总体来说，无论是硬件设计还是软件编程，都是经历从单元模块到整体调试的过程，如果不单独对软硬件进行模块化测试，是很难达到整体功能实现的。学生通过综合训练，逐步掌握了软硬件设计分析方法，对模块化设计有了较深的理解9。图 4 实际运行的手机界面5 结 语本文的综合训练案例包含了软硬件设计与调试等多个方面的知识，体现了综合训练具备的基础性、综合性、创新性和提高性的特点。通过案例教学的方法，极大地激发了学生的学习兴趣，提高了综合训练教学的效率，使学生综合能力有了较大程度的提高10，有效地培养了学生的分析学习能力、团队协作能力、工程应用能力和创新能力。在综合训练过程中，采用循序渐进的方式，引导学生既要有整体设计思维，又要具备从单元模块到整体调试的能力。综合训练期间进行硬件开发板设计，并完成软件编程调试，这些都能为后续进一步应用拓展很大的空间。综合训练培养学生掌握系统设计方法，锻炼其实践应用能力，为今后的发展打下良好的基础。参考文献1 陆欣云，黄家才，杨雪，等.“电子系统综合实训”教学改革实践 J.电气电子教学学报，2021，43（6）：170-173.2 周颖华，王欣，吴燕.基于电子竞赛的实践课程教学改革与探索：以实用电子系统设计与制作为例 J.西南师范大学学报（自然科学版），2021，46（6）：185-189.3 王辉，于立君，董泽全，等.基于 STM32 的循迹平衡小车实验教学平台研究 J.实验技术与管理，2017，34（5）：136-139.4 袁小平，蒋硕，金鹏，等.模块化电子系统设计实验平台的研制与应用 J.实验技术与管理，2017，34（5）：133-135.5 刘静琦，阮煜婕，吴胜，等.基于 WiFi 智能小车的远程温湿度测量系统 J.物联网技术，2021，11（12）：36-39.6 郭书军.ARM Cortex-M3 系统设计与实现-STM32 基础篇 M.北京：电子工业出版社，2019.7 施昕昕，顾宇扬.基于 MQTT 协议的工业物联网数据采集和控制系统 J.南京工程学院学报（自然科学版），2022，20（2）：31-37.（下转第142页）物联网技术 2023年/第11期 人才培养Vocational Education1424 结 语本文设计并实现了基于 CDIO 理念的给排水监测实训平台，为相关专业学生创造了水文环境监测和供水管网节水的实训条件，明显提升了物联网相关学科的教学效果，同时也解决了学校给排水监测的难题，主要成效包括：学生积极参与实训项目，在对校园环境监测的实践中完成了理论知识渗透，工程项目应用的综合能力明显提升；学生通过实训项目的实际运维，对社会、经济和环境因素有了全面认识，通过总结提高后积极参与“互联网+”、挑战杯等创新创业大赛，近两年已获相关省级奖励 3 项，激发了学生的创新创业热情；教学团队通过给排水监测系统的建设，协助学校开展了节水治水工作，学校近两年连续获得了“节水型高校”和“节约型公共机构示范单位”称号。通过近两年的实践表明，采用该平台的成效显著，提供了新型的节水教育和实训方式，可供相关专业研究参考。参考文献1 徐飞.办一流工程教育 育卓越工科人才 J.高等工程教育研究，2016，34（6）：1-6.2 曾国斌.工程教育专业认证与 CDIO 培养模式探究 J.高教学刊，2021，7（20）：77-80.3 杨毅刚，宋庆，唐浩.工程教育专业认证与 CDIO 模式异同分析与相互借鉴 J.高等工程教育研究，2018，36（5）：45-51.4 中华人民共和国住房与城乡建设部.中国城市建设统计年鉴 Z.北京：中国统计出版社，2020.5 朱爱孔，冯英杰.高校用水现状的分析研究 J.供水技术，2020，14（6）：56-59.6 陈虹宇，时文歆，林艳，等.高校典型建筑供水管网漏损影响因素研究 J.给水排水，2021，57（12）：124-128.7 SHANE J S，BOGUS S M，MOLENAAR K R.Municipal water/wastewater project delivery performance comparison J.Journal of management in engineering，2013，（29）3：251-258.8 甘容辉，袁智秦，何高大.国外智慧校园建设的最新发展及启示 J.现代教育技术，2019，29（2）：19-25.9 中国水利学会，中国教育后勤协会.节水型高校评价标准：T/CHES32-2019 T/JYHQ0004-2019 S.北京：中国水利水电出版社，2019.10 车小磊.河北工程大学：高校合同节水样板 J.中国水利，2019，70（19）：71.11 冯家锦，王景芸，吴浩，等.节水型高校建设探究：以华中农业大学为例 J.城镇供水，2021，41（3）：96-101.12 陈丹.城市供水管网实时监测定位系统研究 D.武汉：中南民族大学，2015.13 尚洁.基于 Django 的测试工具平台的设计与实现 D.北京：北京交通大学，2019.14 吕东澔，朱佰成，崔桂梅，等.基于 CDIO 理念的嵌入式系统教学探索 J.实验室研究与探索，2019，38（1）：183-185.15 余发军，王双红，林漫漫.基于 CDIO 理念的物联网课程教学改革与实践 J.实验室研究与探索，2020，39（12）：194-197.表 2 实训教学方法和考核内容实训模块教学方法考核内容方案分析发布课题目标和参考资料，通过介绍学校历年雨季遭遇内涝的情况，引导学生思考如何利用物联网、各类传感器等相关技术解决实际问题，并构思系统方案；同时要求学生完成组队（2 4 人）和制定课题计划依据学生团队制定的课题计划完成情况以及队员与教师、队员之间的交流与协作情况考核学生的项目运作与管理 能力方案设计在充分考虑社会、安全以及环境等因素的前提下，指导学生完成项目的系统方案设计、原件选型和电路原理设计 通过学生团队所设计方案的完成程度，考核学生自主学习、文献检索、专业表达等方面的能力方案验证指导学生完成传感器硬件制作、软硬件系统联调和初步性能测试；设计并实施恰当的物联网网络传输和应用通过学生团队在方案验证过程中各个环节（制作、开发、测试）的相互配合和熟练程度，考核学生使用现代工具进行软硬件开发的能力方案实施指导学生在实际应用环境中对作品进行较长时间的运行测试，综合考虑生态环保和节能减排等理念，评估运行成本，撰写设计报告根据学生团队对系统进行运行维护和撰写设计报告的情况，考察学生在解决实际工程问题的同时，将社会、经济、环境等因素纳入其中的综合能力作者简介：周 城（1979），男，湖北武汉人，博士，讲师，主要研究方向为信号处理。8 芦照烜，龙顺宇，谢鑫刚，等.基于 MQTT 协议的分布式室内空气质量监测系统 J.工业控制计算机，2022，35（9）：102-104.9 张璞，刘宁艳，金印彬.基于模块化平台的电子系统综合设计实验 J.中国现代教育装备，2019，22（19）：31-33.10 包建荣，姜斌，许晓荣.电子信息类专业协同创新实践培养模式探讨 J.实验室研究与探索，2016，35（5）：170-173.作者简介：刘静波（1969），男，江苏靖江人，南京工程学院信息与通信工程学院高级实验师，研究方向为电子技术应用。（上接第138页）