智慧停車系統(tǒng)模型教學(xué)實(shí)踐與反思

趙洋 趙言言

摘? 要 通用技術(shù)是一門以學(xué)生為中心、以實(shí)踐為核心的課程，學(xué)生技術(shù)思想和方法的形成需要立足于技術(shù)實(shí)踐。在技術(shù)實(shí)踐過程中，探索智慧停車系統(tǒng)模型硬件工作原理和軟硬件之間通信機(jī)理，激發(fā)學(xué)生對(duì)新技術(shù)探究的興趣，拓展通用技術(shù)實(shí)踐課的深度，形成感知、探究和運(yùn)用新技術(shù)的思想和習(xí)慣。

關(guān)鍵詞 通用技術(shù);技術(shù)實(shí)踐;智慧停車系統(tǒng);智能設(shè)備;APP;物聯(lián)網(wǎng)

中圖分類號(hào)：G633.67? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2020）01-0081-03

1 前言

通用技術(shù)是一門立足于技術(shù)實(shí)踐、注重創(chuàng)造、體現(xiàn)科技與人文相統(tǒng)一的課程。當(dāng)前隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和安卓應(yīng)用程序大規(guī)模的應(yīng)用，智能設(shè)備逐漸進(jìn)入人們的日常生活?！镀胀ǜ咧型ㄓ眉夹g(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017版）》提出在通用技術(shù)實(shí)踐教學(xué)中引入一些具有時(shí)代氣息、適應(yīng)社會(huì)發(fā)展、體現(xiàn)科技走向、具有可遷移的內(nèi)容[1]。智慧停車系統(tǒng)模型教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)踐正是基于上述背景開展的技術(shù)實(shí)踐活動(dòng)項(xiàng)目。

2 選題背景

當(dāng)車主自駕進(jìn)入一個(gè)陌生的城市時(shí)，必然會(huì)遇到這樣的情境：只知道哪里有停車場(chǎng)，卻不知道停車場(chǎng)是否有空閑車位，可能要去好幾個(gè)停車場(chǎng)才能找到停車位。這種情況加劇了交通負(fù)擔(dān)，也是造成交通擁堵的原因之一。當(dāng)前iOS和Android兩大手機(jī)系統(tǒng)有關(guān)停車的應(yīng)用很少，應(yīng)用質(zhì)量及用戶體驗(yàn)都較差，車主只能查看周圍的停車場(chǎng)，卻不能查看停車場(chǎng)是否有停車位。基于此，設(shè)計(jì)一款智慧停車系統(tǒng)，以求解決此問題。

3 方案設(shè)計(jì)

智慧停車概述? 智慧停車系統(tǒng)模型針對(duì)當(dāng)前停車難的問題，通過軟件開發(fā)與相關(guān)硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，為該問題提供一個(gè)可行的解決方案。軟件部分設(shè)計(jì)主要由在線選擇停車位和在線查看停車位等基本功能構(gòu)成。在停車場(chǎng)的每個(gè)車位上安裝檢車器，并投放適量的接收器、集中器、中繼器和一個(gè)無線網(wǎng)關(guān)裝置：檢車器檢測(cè)到有車輛停放，發(fā)出信號(hào);集中器接收并發(fā)出信號(hào);中繼器接收信號(hào)并發(fā)出信號(hào);無線網(wǎng)關(guān)接收信號(hào)，并把數(shù)據(jù)上傳至云服務(wù)器，供后臺(tái)人員使用，車主可通過移動(dòng)端APP實(shí)時(shí)獲取車位信息并使用相應(yīng)功能。

教學(xué)內(nèi)容和學(xué)情分析? 本課的教學(xué)內(nèi)容是按照系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般思路和方法制作“智慧停車系統(tǒng)模型”，涉及的電子元器件有單片機(jī)、超聲測(cè)距模塊、WiFi模塊;軟件編程借助于半成品模塊來完成。

本課的教學(xué)對(duì)象為高二學(xué)生，已系統(tǒng)學(xué)習(xí)過設(shè)計(jì)的一般知識(shí)，了解簡單的電子控制技術(shù)，知道控制系統(tǒng)的一般組成和工作過程，對(duì)安卓APP軟件開發(fā)有了初步認(rèn)識(shí)。通過之前對(duì)智能插座組裝和軟件知識(shí)的學(xué)習(xí)，學(xué)生動(dòng)手操作和編程能力有所提升，而且對(duì)設(shè)計(jì)制作類似軟硬件模型有極大的興趣。

教學(xué)目標(biāo)

1）能夠分析當(dāng)前智慧停車存在的問題，了解智慧停車設(shè)計(jì)在現(xiàn)實(shí)生活中的作用和意義;

2）能夠根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件，制訂出智慧停車方案，并能根據(jù)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行硬件連接和軟件編程;

3）在教師的指導(dǎo)下，歷經(jīng)智慧停車模型的設(shè)計(jì)與制作，學(xué)會(huì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般思路和方法，進(jìn)一步理解智能控制的原理;

4）經(jīng)歷親自設(shè)計(jì)和制作智慧停車系統(tǒng)模型，感受和體驗(yàn)技術(shù)對(duì)生活的應(yīng)用價(jià)值，保持對(duì)技術(shù)探究的欲望和興趣。

方案設(shè)計(jì)? 由于教學(xué)實(shí)驗(yàn)條件限制，本項(xiàng)目著眼于智慧停車系統(tǒng)模型的設(shè)計(jì)，需要STC89C52RC單片機(jī)、Wi-Fi模塊ESP8266、SRF05超聲波測(cè)距模塊以及穩(wěn)壓模塊等。車位檢測(cè)器使用SRF05超聲波測(cè)距模塊來代替。手機(jī)APP通過服務(wù)器實(shí)時(shí)查找當(dāng)前位置是否有停車位，如果有停車位，啟動(dòng)蜂鳴器引導(dǎo)車輛停靠，主控制器通過超聲波模塊進(jìn)行相關(guān)測(cè)距操作，從而得知是否有車?？?，并將獲取的數(shù)據(jù)通過ESP8266 Wi-Fi模塊發(fā)送給阿里云服務(wù)器，服務(wù)器再反饋到手機(jī)APP。系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)如圖1所示。

4 硬件組成與搭建

硬件與電子元件選擇

1）STC89C52RC是STC公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8 K字節(jié)系統(tǒng)，可編程Flash存儲(chǔ)器，在本系統(tǒng)中作為主控芯片，負(fù)責(zé)控制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，采集數(shù)據(jù)并且操作Wi-Fi模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。本次教學(xué)實(shí)踐用到的I/O引腳號(hào)為p00、p07、p30（RXD）、p31（TXD）、p32。

2）HY-SRF05超聲波模塊可提供2～450 cm的非接觸式距離感測(cè)功能，模塊包括超聲波發(fā)射器、接收器與控制電路。基本工作原理采用I/O口TRIG觸發(fā)測(cè)距，給至少10 μs

的高電平信號(hào)，模塊自動(dòng)發(fā)送八個(gè)40 kHz的方波，自動(dòng)檢測(cè)是否有信號(hào)返回;有信號(hào)返回，通過I/O口ECHO輸出一個(gè)高電平。該模塊在本系統(tǒng)通過距離檢測(cè)，從而得知是否有車?？俊?/p>

3）Wi-Fi模塊。ESP8266是一款超低功耗的UART-Wi-Fi透?jìng)髂K，專為移動(dòng)設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用設(shè)計(jì)，可將用戶的物理設(shè)備連接到Wi-Fi無線網(wǎng)絡(luò)上，進(jìn)行互聯(lián)網(wǎng)或局域網(wǎng)通信，實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)功能。該模塊將主控板采集到的數(shù)據(jù)通過HTTP協(xié)議發(fā)送給服務(wù)器。部分用到針腳說明：URXD接收、UTXD發(fā)送、CH_PD高電平工作復(fù)位、GND接地、VCC模塊供電。

4）蜂鳴器模塊負(fù)責(zé)引導(dǎo)司機(jī)將車?？吭诓檎业降耐＼囄?。電壓轉(zhuǎn)換模塊功能是把單片機(jī)底座提供5 V的電源轉(zhuǎn)換為3.3 V供Wi-Fi模塊（工作電壓3.3 V）使用。

硬件搭建? 硬件連接包括數(shù)據(jù)線連接和電源線連接。首先是數(shù)據(jù)線連接，將單片機(jī)引腳RXD連接到Wi-Fi模塊引腳UTXD，單片機(jī)引腳TXD連接到Wi-Fi模塊引腳URXD，單片機(jī)的p32引腳連接到SRF05模塊的ECHO接口，單片機(jī)引腳p07連接到SRF05T的TRIG引腳。單片機(jī)底座提供三組5 V電源輸出，根據(jù)需要連接到各個(gè)元器件。特別應(yīng)注意Wi-Fi模塊電源需要從單片機(jī)的底座5 V電源連接到穩(wěn)壓模塊，然后由穩(wěn)壓模塊再接到Wi-Fi模塊。

5 軟件編程

該系統(tǒng)軟件部分采用Android Studio和Android SDK來開發(fā)手機(jī)客戶端。系統(tǒng)的硬件部分由ESP8266 2.4 G無線Wi-Fi模塊和SRF05超聲波測(cè)距模塊及STC89C52主控芯片及其相關(guān)電路構(gòu)成。該系統(tǒng)的大致工作流程為：硬件部分通過HTTPS加密連接協(xié)議，并使用MQTT進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳送，將數(shù)據(jù)發(fā)送給阿里云服務(wù)器，服務(wù)器獲取信息后將數(shù)據(jù)存入MySQL數(shù)據(jù)庫，并通過相關(guān)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議將數(shù)據(jù)發(fā)送給手機(jī)客戶端，客戶端將數(shù)據(jù)及時(shí)推送給用戶展示。

軟件工作界面設(shè)計(jì)? 用戶在工作界面輸入想要停車的大致位置，就可以在該位置附近搜索停車位。在該地圖上會(huì)顯示用戶的當(dāng)前位置，點(diǎn)擊右下方的加號(hào)和減號(hào)，即可對(duì)地圖進(jìn)行放大或縮小;點(diǎn)擊右下方的懸浮按鈕，就可以搜索用戶當(dāng)前位置附近的停車位;搜索完成后，用戶選中想要停放的車位，即可進(jìn)行相關(guān)停車操作，如圖2所示。

軟件代碼編寫? 智慧停車涉及的軟件代碼較多，這里只列舉出部分核心代碼。主界面邏輯+地圖+定位功能模塊代碼如下：

package com.ips.sx.ipark;

import android.content.Intent;

import android.graphics.Color;

…………

public class MainActivity extends ActivityManager {

//view

private MapView mapview = null;? ? //地圖控件

private FloatingActionButton? gotoMylocationButton = null;? ? //回到我的位置

//用戶設(shè)置

private ImageView user = null;

private? int? ?value? = 0;

//地圖操作與定位

private BaiduMap baiduMap = null;? ? //地圖

public LocationClient mLocationClient = null;

private MyLocationListener myListener = new MyLoca

tionListener（）;

//當(dāng)前的經(jīng)緯度

private? LatLng? myLatlng? =? null;

//是否第一次定位成功

private? int isFirstLocation = 0;

private? Button button;

@Override

protected void onCreate（Bundle savedInstanceState） {

super.onCreate（savedInstanceState）;

EventBus.getDefault（）.register（this）;

initView（）;? ? ?//初始化界面

initMap（）;? ? //初始化地圖

getLocation（）;? ? //獲取位置

listener（）;

}

6 教學(xué)過程

創(chuàng)設(shè)情境，導(dǎo)入課題? 教師播放節(jié)假日出行交通擁擠的圖片，配合解說：“目前激增的汽車數(shù)量超出了當(dāng)前城市和停車場(chǎng)的最大負(fù)荷。每逢節(jié)假日，汽車大量出行，很難找到合適停車位停車?！币l(fā)學(xué)生思考：當(dāng)你處在陌生城市時(shí)，如何快速找到合適停車位？學(xué)生分組進(jìn)行討論，教師根據(jù)討論結(jié)果進(jìn)行歸納總結(jié)：“現(xiàn)有百度地圖或高德地圖或許能幫你找到停車場(chǎng)，但并不能確定是否有停車位。解決辦法是在每個(gè)車位上裝上傳感器，實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，通過手機(jī)端APP實(shí)時(shí)查看隨近有沒有停車位，當(dāng)有停車位時(shí)，系統(tǒng)可以為車主鎖定車位若干分鐘，保證車主在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間內(nèi)找到停車位。”

新知講解，示范操作? 首先，結(jié)合前期教師制作的智慧停車系統(tǒng)模型，介紹智慧停車系統(tǒng)模型硬件組成和各部分功能;其次，結(jié)合單個(gè)元器件，介紹其工作原理及用法，重點(diǎn)介紹測(cè)距傳感器和ESP8266程序代碼;最后，介紹手機(jī)APP組成模塊及執(zhí)行過程。

分組合作，“搭”“編”并舉? 分發(fā)給各小組硬件搭接的半成品——所有用到元器件已排列到事先切割好的亞克力板上。小組組內(nèi)分工，一部分成員負(fù)責(zé)硬件連接，參照投影硬件連接圖;另一部分成員負(fù)責(zé)軟件設(shè)計(jì)，完成后進(jìn)行測(cè)試。教師巡回輔導(dǎo)并補(bǔ)充介紹軟件設(shè)計(jì)包括四個(gè)主模塊：主界面邏輯+地圖+定位功能模塊代碼、停車功能操作代碼、單片機(jī)代碼、Wi-Fi模塊代碼（由于代碼設(shè)計(jì)量較大，課堂上時(shí)間有限，因此，大部分代碼都已在課余時(shí)間調(diào)試好）。小組完成作品任務(wù)后，請(qǐng)每個(gè)小組進(jìn)行作品展示，穿插組間互評(píng)、教師點(diǎn)評(píng)。

課堂小結(jié)，拓展提升? 本節(jié)制作的智慧停車系統(tǒng)模型可以實(shí)現(xiàn)用戶車位共享、用戶實(shí)時(shí)查看車位狀態(tài)，讓用戶在最短的時(shí)間內(nèi)找到最近的車位，并且通過硬件系統(tǒng)引導(dǎo)用戶到達(dá)指定車位。同時(shí)思考：本節(jié)制作的智慧停車系統(tǒng)模型如何應(yīng)用在生活中？如果對(duì)學(xué)校行政樓地下停車場(chǎng)進(jìn)行類似改造，如何實(shí)現(xiàn)此功能？請(qǐng)把設(shè)計(jì)思路寫下來。

7 教學(xué)反思

本節(jié)課采用智慧停車系統(tǒng)模型設(shè)計(jì)與制作作為實(shí)踐教學(xué)項(xiàng)目，貼近當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)、云服務(wù)和安卓的應(yīng)用與發(fā)展，相對(duì)于通用技術(shù)課本上一些比較傳統(tǒng)的實(shí)踐項(xiàng)目，諸如木工或簡單的電子控制類項(xiàng)目，本節(jié)內(nèi)容有很強(qiáng)的新鮮感，容易激發(fā)出學(xué)生的探究欲望。從課堂上學(xué)生的反映來看，大多數(shù)學(xué)生不但習(xí)得制作步驟，而且理解了物聯(lián)網(wǎng)通信原理，同時(shí)培養(yǎng)了問題解決能力、批判性和創(chuàng)造性思維、協(xié)作和交流能力等。

在實(shí)施教學(xué)過程中也存在一些問題。

首先，教學(xué)內(nèi)容較為復(fù)雜，綜合性強(qiáng)，對(duì)于高中學(xué)生來講難度較大。本項(xiàng)目既涉及硬件，又涉及軟件設(shè)計(jì)，在教學(xué)過程中雖然最終作品能演示，但是部分學(xué)生對(duì)智慧停車系統(tǒng)模型的工作原理和機(jī)制還是理解不透，在教學(xué)過程中就只能當(dāng)作“黑盒”來處理。

其次，課堂容量較大，部分小組無法順利完成任務(wù)，程序調(diào)試千差萬別，稍有不慎，就調(diào)試不出正確結(jié)果。在以后的程序設(shè)計(jì)教學(xué)中應(yīng)進(jìn)行模塊化預(yù)處理，在程序關(guān)鍵語句上下功夫，以節(jié)省課堂時(shí)間?！?/p>

參考文獻(xiàn)

[1]中華人民共和國教育部.普通高中通用技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017版）[S].北京：人民教育出版社，2018.