面向工程教育專業(yè)認(rèn)證的拓展實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

殷惠莉，宋淑然，薛秀云，孫道宗，謝家興

（華南農(nóng)業(yè)大學(xué)電子工程學(xué)院、人工智能學(xué)院，廣州510642）

0 引言

我國于2016年成為國際本科工程學(xué)位互認(rèn)協(xié)議《華盛頓協(xié)議》的正式會員，今后工程教育要逐步規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化、國際化和可持續(xù)發(fā)展。因此，我國高等教育培養(yǎng)目標(biāo)應(yīng)適應(yīng)就業(yè)市場人才需求，培養(yǎng)國際互認(rèn)的工程科技人才，課程教學(xué)改革應(yīng)遵從培養(yǎng)學(xué)生工程素質(zhì)為主線，強(qiáng)調(diào)應(yīng)用性和實(shí)踐性[1]。工程教育專業(yè)認(rèn)證是國際通行的保障工程教育質(zhì)量的基本制度，工程教育認(rèn)證基于產(chǎn)出導(dǎo)向的OBE（Outcomes-Based Education）教學(xué)模式。

1 工程教育認(rèn)證需求下實(shí)驗(yàn)課設(shè)置的必要

工程教育專業(yè)認(rèn)證強(qiáng)調(diào)以學(xué)生為中心的教育理念，落實(shí)在培養(yǎng)目標(biāo)制定和評估、教育教學(xué)資源建設(shè)及質(zhì)量監(jiān)控機(jī)制的全過程，采用學(xué)生學(xué)習(xí)效果、能力提升作為標(biāo)準(zhǔn)來評價教育質(zhì)量。2017年修訂的國家工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)中提出的畢業(yè)要求其中就包括能夠?qū)?shù)學(xué)、自然科學(xué)、工程基礎(chǔ)和專業(yè)知識用于解決復(fù)雜工程問題，而復(fù)雜工程問題通常都具有較高的綜合性，并包含多個相互關(guān)聯(lián)的子問題。

另外，我們國家正在實(shí)施創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展、“中國制造2015”、“互聯(lián)網(wǎng)+”、“網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)國”、“一帶一路”等重大戰(zhàn)略。為響應(yīng)國家戰(zhàn)略需要，支撐服務(wù)以新技術(shù)、新業(yè)態(tài)、新產(chǎn)業(yè)、新模式為特點(diǎn)的新經(jīng)濟(jì)蓬勃發(fā)展，突破核心關(guān)鍵技術(shù)，構(gòu)筑先發(fā)優(yōu)勢，在未來全球創(chuàng)新生態(tài)系統(tǒng)中占據(jù)戰(zhàn)略制高點(diǎn)，迫切需要培養(yǎng)大批新興工程科技人才。創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)是高校人才培養(yǎng)的重要組成部分，是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力的重要環(huán)節(jié)，對培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的專業(yè)實(shí)踐能力，全面提高人才培養(yǎng)目標(biāo)的綜合素質(zhì)具有不可替代的作用[2]。

因此，在調(diào)整專業(yè)培養(yǎng)方案時，電子信息工程專業(yè)在專業(yè)技能訓(xùn)練中開設(shè)了32個學(xué)時的電子信息工程拓展實(shí)驗(yàn)?？紤]到單片機(jī)是一門綜合性、實(shí)踐性和工程性都很強(qiáng)的課程，對培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和解決實(shí)際復(fù)雜問題能力有著十分重要的作用，同時有助于工程教育專業(yè)認(rèn)證畢業(yè)要求的達(dá)成[3]。我院學(xué)生開設(shè)的單片機(jī)理論課選用的課本是以MCS-51系列單片機(jī)為核心，而目前隨著各種系統(tǒng)的智能化發(fā)展，對控制芯片的運(yùn)算能力要求較高，普通的51單片機(jī)的性能已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，而STM32因其低成本、低功耗、高性能的特點(diǎn)深受開發(fā)者的青睞[4]。綜合考慮后決定在電子信息工程拓展實(shí)驗(yàn)中將學(xué)生分組，以STM32作為核心控制芯片，選擇與實(shí)際結(jié)合緊密并且能充分培養(yǎng)鍛煉學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力的項(xiàng)目開展訓(xùn)練。

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，汽車的數(shù)量快速增長，停車難問題已經(jīng)成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。與歐盟汽車千人保有量600多輛和美國的汽車千人保有量約800輛對比，我國的汽車千人保有量還是偏低的。此外，國家出臺的新能源汽車戰(zhàn)略，對新能源汽車市場有較大的積極影響，因此可以預(yù)測我國汽車還有10-15年的高速增長期[5]。根據(jù)國際慣例，汽車保有量與汽車停車位的比例應(yīng)該為1:1.2到1:1.4之間，國內(nèi)大中城市的停車位供需失衡嚴(yán)重[6]。通過考察當(dāng)前的立體停車場的使用現(xiàn)狀，經(jīng)過分析比較并綜合實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有條件，決定在拓展實(shí)驗(yàn)中采用以STM32為核心控制芯片構(gòu)建一個二層五車位的模擬全自動升降橫移式立體停車庫的方案。

2 模擬全自動立體停車庫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)要求實(shí)現(xiàn)的是一個二層五車位的全自動立體停車庫模擬系統(tǒng)，整個系統(tǒng)著重于模擬全自動立體車庫的自動化存取和智能化管理。

2.1 模擬全自動立體停車庫系統(tǒng)的構(gòu)成

整個模擬系統(tǒng)由身份識別、交互、驅(qū)動系統(tǒng)、安全防護(hù)、收費(fèi)、數(shù)據(jù)存儲共六個子系統(tǒng)組成。模擬系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

2.2 模擬全自動立體停車庫系統(tǒng)的工作流程

在進(jìn)入停車場時，車主領(lǐng)取一張RFID卡，根據(jù)RFID卡上的車庫編號到達(dá)指定立體停車庫。立體停車庫設(shè)置一個可觸摸的LCD屏幕供車主選擇入庫或者出庫操作。

車主選擇入庫操作后，系統(tǒng)會提示車主先刷卡再進(jìn)行下一步操作。車庫識別到正確的RFID卡后，即根據(jù)當(dāng)前車庫車位使用情況確定目標(biāo)車位。若需使用的是下層車位，則系統(tǒng)鎖定車位后，車主可進(jìn)行停車入庫。若需使用的是上層車位，則先要移動下層車位，空出空位后上層車庫再下降至下層。

當(dāng)車位準(zhǔn)備就緒后，位于車位后方的超聲波測距傳感器一直檢測前方距離以確認(rèn)車輛是否停放正確。等待車輛停放妥當(dāng)后，車位自動移回原來所在位置。

出庫的操作跟入庫類似，刷卡后車庫移動，并且根據(jù)車主停放時間進(jìn)行費(fèi)用計(jì)算，通過系統(tǒng)的LCD屏幕提示車主出庫該繳納的停車費(fèi)用。

在車位移動的過程中，系統(tǒng)的紅外線人體檢測傳感器會一直工作，一旦檢測到有人進(jìn)入車庫內(nèi)部，電機(jī)會立即停止工作，直到車庫里面的人轉(zhuǎn)移到安全位置，防止出現(xiàn)安全事故。

3 模擬全自動立體停車庫系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

二層五車位的車庫模型框架由鋁合金材料制成，模型的車位實(shí)際大小為25cm×10cm×10cm，模型整體尺寸為40cm×31cm×20.6cm。根據(jù)模擬全自動立體停車庫的工作流程，六個子系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)如下。

3.1 身份識別系統(tǒng)

系統(tǒng)采用RFID射頻卡作為車輛身份識別卡。RFID模塊型號為RFID-RC522，RFID卡為S50非接觸式IC（Integrated Circuit）卡。模塊單片機(jī)之間通過SPI通信協(xié)議通信，在此模擬系統(tǒng)中接入到STM32的SPI1接口。模擬系統(tǒng)通過讀取IC卡上的32位唯一序列號，確認(rèn)需要操作的車庫編號，進(jìn)行出入庫操作。

在模塊初始化完成后，模塊會發(fā)送電磁波，等待有卡片進(jìn)入模塊的識別范圍。在識別到卡片后，模塊通過防沖突協(xié)議選定一張卡片，防止其他卡片干擾。

3.2 交互系統(tǒng)

在模擬系統(tǒng)中，交互系統(tǒng)是車主與控制系統(tǒng)交互的窗口，車主通過它向控制系統(tǒng)下達(dá)操作命令，也通過它獲取車庫余位、收費(fèi)信息，它的核心硬件是一塊2.8英寸320×240像素分辨率的16位真彩色電阻式TFTLCD（Thin Film Transistor-Liquid Crystal Display）觸摸屏。

在交互系統(tǒng)中，主要功能就是顯示剩余車庫信息、通過觸摸屏接受來自車主的操作命令、顯示操作收費(fèi)信息等。因此，它的工作流程如圖2所示。

圖2 交互系統(tǒng)工作流程

3.3 驅(qū)動系統(tǒng)

模擬全自動立體停車庫系統(tǒng)的車位移動由步進(jìn)電機(jī)帶動絲桿轉(zhuǎn)動來實(shí)現(xiàn)。步進(jìn)電機(jī)為5線4相28BYJ-48步進(jìn)電機(jī)，由ULN2003電源模塊提供5V電源。利用STM32的TIM3通用定時器來控制節(jié)拍的切換從而控制步進(jìn)電機(jī)。驅(qū)動子系統(tǒng)的工作流程如圖3所示。

圖3 驅(qū)動系統(tǒng)工作流程圖

3.4 安全防護(hù)系統(tǒng)

因?yàn)榇蟛糠稚禉M移立體停車庫都不是封閉式的，人可以進(jìn)入到車庫內(nèi)部。如果有人或其他物體在車位正在移動時誤入立體停車庫，有可能會發(fā)生安全事故，因此系統(tǒng)需設(shè)計(jì)安全防護(hù)系統(tǒng)，用來防止出現(xiàn)這種意外。安全防護(hù)系統(tǒng)的核心是紅外線人體傳感器和超聲波測距傳感器。

紅外線人體傳感器的型號是HC-SR505，當(dāng)有人進(jìn)入它的檢測范圍時，它的輸出引腳會從低電平拉高成高電平，直到人離開它的檢測范圍8秒后，它才會重新輸出低電平。根據(jù)這個原理，在車位移動時，單片機(jī)一直檢測傳感器的輸出，當(dāng)檢測到人則顯示警告信息，并且停止移動車位。

超聲波測距傳感器的型號是HC-SR04+，需要測距時，單片機(jī)向傳感器發(fā)送一個持續(xù)時間超過10μs的高電平信號。傳感器會發(fā)出一段超聲波信號，超聲波碰到障礙物則會返回。單片機(jī)可以測量傳感器輸出接口的高電平持續(xù)時間，此時間則是超聲波信號從發(fā)出到重新接收到所用的時間。記高電平的時間為t，音速在1個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓和15℃的條件下約為340m/s，則測量距離S可以按式（1）算出：

超聲波測距傳感器的作用是檢測車輛是否停放完成，在規(guī)定時間內(nèi)車主未停放好車輛，則繼續(xù)等待車輛停放完畢。模擬系統(tǒng)利用STM32的TIM5通用計(jì)時器的第1個通道測量超聲波測距傳感器的高電平持續(xù)時間。

3.5 收費(fèi)系統(tǒng)

模擬系統(tǒng)通過紀(jì)錄車輛在車庫的停放時間，進(jìn)行收費(fèi)管理。計(jì)時功能通過STM32內(nèi)部獨(dú)立的定時器RTC（Real-Time Clock）時鐘實(shí)現(xiàn)。當(dāng)車輛入庫時，系統(tǒng)記錄時間，在車輛離開車庫時，系統(tǒng)讀取當(dāng)前時間再與入庫時間相減，即可得到停放時間，再通過收費(fèi)規(guī)則計(jì)算出應(yīng)繳納費(fèi)用顯示在LCD屏幕上。

3.6 數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)

由于STM32中的所有即時數(shù)據(jù)都是存放在RAM（Random Access Memory）中的，一旦掉電則數(shù)據(jù)全部消失。如果在全自動立體停車庫模擬系統(tǒng)運(yùn)行途中，意外斷電，車輛的入庫信息全部丟失，包括收費(fèi)信息與車庫使用情況，所以系統(tǒng)需要把這些重要信息保存在外置存儲設(shè)備中，以防萬一。模擬系統(tǒng)中采用的STM32F103自帶了SD（Secure Digital）卡接口，4位的SDIO（Secure Digital Input and Output）接口最高通信速度可達(dá)24MHz，每秒可傳輸12M字節(jié)，滿足大部分應(yīng)用需求，因此模擬系統(tǒng)中采用SD卡作為存儲設(shè)備。

4 結(jié)語

該拓展實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生三人一組，在32個學(xué)時內(nèi)設(shè)計(jì)完成。為解決學(xué)生的設(shè)計(jì)調(diào)試場地，結(jié)合目前學(xué)院實(shí)驗(yàn)室推出的智能化管理，對實(shí)驗(yàn)室實(shí)行半開放，即在沒有實(shí)驗(yàn)課時面向相關(guān)專業(yè)的學(xué)生開放，指導(dǎo)教師通過系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控和現(xiàn)場答疑方式對學(xué)生進(jìn)行指導(dǎo)。實(shí)驗(yàn)完成后指導(dǎo)教師綜合作品的功能、實(shí)驗(yàn)報(bào)告和答辯等的完成情況給出最終的考核成績。參與拓展實(shí)驗(yàn)的學(xué)生都感慨從最初面對實(shí)驗(yàn)要求的不知所措，到逐步找到方法，最后順利完成，充分調(diào)動了大家的學(xué)習(xí)主動性和積極性，也鍛煉了小組各成員間的協(xié)作意識，獲益匪淺。因此，通過該拓展實(shí)驗(yàn)，激發(fā)了學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐和自主學(xué)習(xí)的興趣，培養(yǎng)了學(xué)生項(xiàng)目設(shè)計(jì)的概念與意識，提高了學(xué)生工程設(shè)計(jì)的能力。