項目驅動式專業實踐教學探索*

陳世海 王軍 代偉 仲崇碩 （中國礦業大學信息與控制工程學院）

專業實踐教學是高等工程教育的重要環節，是聯系理論知識與工程實踐的橋梁，對于培養學生的工程實踐能力和創新能力具有不可替代的作用。特別是在全球化、國際化的大背景下，如何培養出高質量的工程人才，已經成為高等工程教育要解決的核心問題。高等工程教育源于工程實踐，而最終又要服務于實踐，所以學生的專業實踐能力必然是衡量教學質量的關鍵指標。從實踐中來，到實踐中去[1]。將工程實踐的具體內容以具體項目的形式融入專業實踐教學，不僅可以培養學生理論聯系實踐的能力，而且可以開拓學生的思路、培養學生的工程思維，為其日后參與工程實踐打下扎實的基礎[2]。

以電子信息專業綜合實踐為例，將實驗室門禁系統研發項目引入實踐教學，使學生在項目實踐中掌握和鞏固嵌入式系統設計、Android智能平臺APP開發等專業知識和專業技能。

一 項目需求

隨著Android智能手機的飛速發展與普及，越來越多的APP應用到人們的日常學習和生活之重中，開發一款基于Android的實驗室門禁系統，相比于IC卡式的門禁系統、指紋或其他生物特征識別式的門禁系統而言，基于Android智能手機的門禁系統，不僅方便易用，而且能夠有效提升實驗室的管理效能，為實驗室的開放管理和學生實驗提供了有力保障。

基于Android手機的實驗室門禁系統，將Android手機、樹莓派有效結合起來，使實驗室門禁系統具有安全靈活的特點。硬件部分的設計分為三部分：一是繼電器電子鎖模塊；二是報警器模塊；三是攝像頭模塊。軟件部分的設計分為兩部分：一是Android應用程序設計，分為登錄界面和開門界面。二是樹莓派程序設計。主要功能如下。

（一）登錄功能

實驗室人員在Android應用程序中輸入用戶名密碼并發送給服務器端，服務器端接收數據，與服務器中記錄的實驗室人員信息進行比對驗證，驗證成功進入開關控制界面，完成登錄。

（二）報警功能

服務器端驗證失敗后，Android應用程序端允許重新輸入用戶名密碼，直到錯誤三次時，Android應用程序發送指令給樹莓派服務器，樹莓派控制蜂鳴器報警。

（三）開門監控功能

Android應用程序開關控制界面發送開門指令，樹莓派接收指令執行開門，然后攝像頭拍照保存，記錄實驗室人員信息。

二 系統架構

系統架構以樹莓派嵌入式控制平臺為核心，由電子鎖模塊、電源模塊、攝像頭模塊、報警器模塊等部分組成。樹莓派通過控制GPIO引腳的高低電平輸出，來控制繼電器電子鎖模塊、報警器模塊和攝像頭的開關，電源模塊為整個系統提供供電支持。

系統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，而蜂鳴器報警模塊所需工作電壓為5V，而控制平臺的樹莓派的GPIO引腳的輸出電壓有5V和3.3V兩個規格，因此確定電源模塊方案時，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。

樹莓派接收指令改變GPIO的高低電平輸出來控制繼電器的吸合與斷開，繼電器的吸合與斷開則控制了電子鎖的開門關門狀態。由于電子鎖的輸入電壓是12V，而樹莓派的輸出電壓只有5V和3.3V兩種，因此，我們選用了一個1路5V的帶光耦隔離的高電平觸發繼電器連接樹莓派和電子鎖，從而達到控制效果。電子鎖要求通電時間不超過15s，因此繼電器選擇了常開接法，當樹莓派GPIO引腳輸出低電平給繼電器信號端時，繼電器公共端與常開端斷開，電子鎖沒有電。當樹莓派GPIO引腳輸出高電平給繼電器信號端，繼電器吸合，公共端與常開端接通，電子鎖有電開門。

樹莓派GPIO引腳輸出的是直流信號，因此為簡化設計可選用有源蜂鳴器，利用樹莓派的GPIO端口輸出的高低電平直接就可以控制蜂鳴器。當手機客戶端輸入密碼出現三次錯誤時，手機端發出指令給樹莓派，樹莓派控制GPIO口輸出高電平，蜂鳴器報警。本次設計選用的是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進入實驗室的人員進行拍照并保存，因為樹莓派平臺自帶CSI接口，因此設計中選用樹莓派的官方攝像頭。攝像頭安裝過時，首先將樹莓派CSI接口的排線插槽的扣子撥開，然后將攝像頭排線緊密插入到以太網網口和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，即可在樹莓派上配置使用攝像功能。

三 軟件設計

軟件設計以Android智能手機為核心。Android是以Linux為核心的開源操作系統，目前廣泛應用于智能手機、平板電腦、智能手環等便攜式移動終端設備，另外，隨著智能家居的發展，Android也應用于智能電視、智能音響，甚至還應用于家庭機器人等領域。Android智能平臺下的應用程序主要采用Java語言開發，同時也支持C++語言。

實驗時應用軟件開發建議采用Eclipse平臺。因為，盡管Android studio未來的發展前景更大，然而由于目前Android studio的功能并沒有完善，因此它的用戶體驗不好，而Eclipse因為發行時間較長，學習資料更多，更容易上手，因此APP開發環境選擇時，建議學生首選Eclipse作為開發工具。本次實驗的軟件是基于第一層，其要實現的基本功能為：實驗室人員通過手機驗證用戶名密碼，驗證成功則可以通過手機發送指令給樹莓派進行開關門，同時樹莓派拍照保存進入者照片，驗證失敗大于等于三次則發送指令給樹莓派報警。本次設計的Android應用程序中登錄程序需要與服務器端進行數據驗證。因此在編寫Android端應用程序前，要先搭建一個服務器。實驗中可以采用免費開源的基于java的Tomcat服務器，其支持servlet和JSP規范，Tomcat不僅技術先進而且且性能穩定。

Android應用程序的設計包括了兩部分：登錄頁面和開關門頁面。登錄頁面是保證實驗室安全的第一步，當有人要進入實驗室時，必須通過手機客戶端的登錄頁面驗證用戶名密碼成功后才能進行后面的操作。登錄頁面的作用是驗證用戶名密碼是否正確，正確則進行下一步，錯誤則重新輸入，直到輸入三次報警。登錄頁面的設計分為兩部分：客戶端和服務器端。首先進行服務器端的程序設計。服務器端分為三部分：User param、UserDAO、Servlet。User param 文件中定義了用戶名和密碼，同時定義了參數的get和set方法，用于在URL中傳參和取參。UserDAO文件中建立了一個ArrayList數組作為數據庫，通過login方法對ArrayList數組進行遍歷取值，驗證參數是否存在。Servlet文件中的dopost方法對URL中的參數進行提取，然后調用login方法對參數進行驗證，返回OK或者Wrong。

開關門頁面的作用是利用手機控制門禁。開關門頁面是安卓手機與樹莓派連接的橋梁，負責發送指令給樹莓派，達到控制樹莓派GPIO引腳的作用。手機與樹莓派利用Socket進行通信，手機作為客戶端，樹莓派作為服務器。樹莓派要控制三個硬件模塊：繼電器電子鎖、報警器和攝像頭。繼電器和報警器需要利用GPIO引腳輸出的高低電平控制，攝像頭利用CSI接口控制。樹莓派作為服務器端，與安卓手機客戶端通過socket通信。服務器程序使用Python語言編寫。

軟件調試時，首先首先測試Android應用程序能否安裝到安卓手機，并且正常運行；接下來測試登錄功能，能否驗證用戶名密碼的正確或錯誤；然后再測試手機與樹莓派能否通信，樹莓派是否可以接收手機發送的數據；最后測試樹莓派接收指令后是否可以控制GPIO引腳的高低電平輸出。

通過以上測試，確認軟件部分的功能可以實現，Android應用程序在手機上運行正常，正確輸入用戶名密碼之后可以跳轉到開關控制頁面，錯誤輸入密碼三次以上蜂鳴器響。手機發送的數據樹莓派可以正常接收，并且可以控制繼電器電子鎖和攝像頭。

四 總結

針對高等工程教育實踐教學的要求和特點，以實驗室門禁系統研發項目為依托開展專業實踐，使學生在實踐中掌握基于樹莓派的嵌入式系統和Android智能手機APP等方面的技術知識和開發方法，在項目實踐中培養學生的動手能力、創新思維和工程意識，為其從事專業研發奠定基礎。