面向工程教育專業認證的拓展實驗設計與實現

殷惠莉，宋淑然，薛秀云，孫道宗，謝家興

（華南農業大學電子工程學院、人工智能學院，廣州510642）

0 引言

我國于2016年成為國際本科工程學位互認協議《華盛頓協議》的正式會員，今后工程教育要逐步規范化、標準化、國際化和可持續發展。因此，我國高等教育培養目標應適應就業市場人才需求，培養國際互認的工程科技人才，課程教學改革應遵從培養學生工程素質為主線，強調應用性和實踐性[1]。工程教育專業認證是國際通行的保障工程教育質量的基本制度，工程教育認證基于產出導向的OBE（Outcomes-Based Education）教學模式。

1 工程教育認證需求下實驗課設置的必要

工程教育專業認證強調以學生為中心的教育理念，落實在培養目標制定和評估、教育教學資源建設及質量監控機制的全過程，采用學生學習效果、能力提升作為標準來評價教育質量。2017年修訂的國家工程教育認證標準中提出的畢業要求其中就包括能夠將數學、自然科學、工程基礎和專業知識用于解決復雜工程問題，而復雜工程問題通常都具有較高的綜合性，并包含多個相互關聯的子問題。

另外，我們國家正在實施創新驅動發展、“中國制造2015”、“互聯網+”、“網絡強國”、“一帶一路”等重大戰略。為響應國家戰略需要，支撐服務以新技術、新業態、新產業、新模式為特點的新經濟蓬勃發展，突破核心關鍵技術，構筑先發優勢，在未來全球創新生態系統中占據戰略制高點，迫切需要培養大批新興工程科技人才。創新實踐教學是高校人才培養的重要組成部分，是培養學生創新思維和創新能力的重要環節，對培養學生理論聯系實際的專業實踐能力，全面提高人才培養目標的綜合素質具有不可替代的作用[2]。

因此，在調整專業培養方案時，電子信息工程專業在專業技能訓練中開設了32個學時的電子信息工程拓展實驗。考慮到單片機是一門綜合性、實踐性和工程性都很強的課程，對培養學生的實踐能力和解決實際復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認證畢業要求的達成[3]。我院學生開設的單片機理論課選用的課本是以MCS-51系列單片機為核心，而目前隨著各種系統的智能化發展，對控制芯片的運算能力要求較高，普通的51單片機的性能已經遠遠不夠，而STM32因其低成本、低功耗、高性能的特點深受開發者的青睞[4]。綜合考慮后決定在電子信息工程拓展實驗中將學生分組，以STM32作為核心控制芯片，選擇與實際結合緊密并且能充分培養鍛煉學生的創新思維和創新能力的項目開展訓練。

隨著經濟的發展，汽車的數量快速增長，停車難問題已經成為人們關注的焦點。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略，對新能源汽車市場有較大的積極影響，因此可以預測我國汽車還有10-15年的高速增長期[5]。根據國際慣例，汽車保有量與汽車停車位的比例應該為1:1.2到1:1.4之間，國內大中城市的停車位供需失衡嚴重[6]。通過考察當前的立體停車場的使用現狀，經過分析比較并綜合實驗室現有條件，決定在拓展實驗中采用以STM32為核心控制芯片構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的設計

實驗要求實現的是一個二層五車位的全自動立體停車庫模擬系統，整個系統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的構成

整個模擬系統由身份識別、交互、驅動系統、安全防護、收費、數據存儲共六個子系統組成。模擬系統結構框圖如圖1所示。

圖1 系統原理框圖

2.2 模擬全自動立體停車庫系統的工作流程

在進入停車場時，車主領取一張RFID卡，根據RFID卡上的車庫編號到達指定立體停車庫。立體停車庫設置一個可觸摸的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，系統會提示車主先刷卡再進行下一步操作。車庫識別到正確的RFID卡后，即根據當前車庫車位使用情況確定目標車位。若需使用的是下層車位，則系統鎖定車位后，車主可進行停車入庫。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。

當車位準備就緒后，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車輛是否停放正確。等待車輛停放妥當后，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，并且根據車主停放時間進行費用計算，通過系統的LCD屏幕提示車主出庫該繳納的停車費用。

在車位移動的過程中，系統的紅外線人體檢測傳感器會一直工作，一旦檢測到有人進入車庫內部，電機會立即停止工作，直到車庫里面的人轉移到安全位置，防止出現安全事故。

3 模擬全自動立體停車庫系統的實現

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

3.1 身份識別系統

系統采用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。模塊單片機之間通過SPI通信協議通信，在此模擬系統中接入到STM32的SPI1接口。模擬系統通過讀取IC卡上的32位唯一序列號，確認需要操作的車庫編號，進行出入庫操作。

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

3.2 交互系統

在模擬系統中，交互系統是車主與控制系統交互的窗口，車主通過它向控制系統下達操作命令，也通過它獲取車庫余位、收費信息，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、顯示操作收費信息等。因此，它的工作流程如圖2所示。

圖2 交互系統工作流程

3.3 驅動系統

模擬全自動立體停車庫系統的車位移動由步進電機帶動絲桿轉動來實現。步進電機為5線4相28BYJ-48步進電機，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拍的切換從而控制步進電機。驅動子系統的工作流程如圖3所示。

圖3 驅動系統工作流程圖

3.4 安全防護系統

因為大部分升降橫移立體停車庫都不是封閉式的，人可以進入到車庫內部。如果有人或其他物體在車位正在移動時誤入立體停車庫，有可能會發生安全事故，因此系統需設計安全防護系統，用來防止出現這種意外。安全防護系統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，當有人進入它的檢測范圍時，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。根據這個原理，在車位移動時，單片機一直檢測傳感器的輸出，當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，單片機向傳感器發送一個持續時間超過10μs的高電平信號。傳感器會發出一段超聲波信號，超聲波碰到障礙物則會返回。單片機可以測量傳感器輸出接口的高電平持續時間，此時間則是超聲波信號從發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個標準大氣壓和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，在規定時間內車主未停放好車輛，則繼續等待車輛停放完畢。模擬系統利用STM32的TIM5通用計時器的第1個通道測量超聲波測距傳感器的高電平持續時間。

3.5 收費系統

模擬系統通過紀錄車輛在車庫的停放時間，進行收費管理。計時功能通過STM32內部獨立的定時器RTC（Real-Time Clock）時鐘實現。當車輛入庫時，系統記錄時間，在車輛離開車庫時，系統讀取當前時間再與入庫時間相減，即可得到停放時間，再通過收費規則計算出應繳納費用顯示在LCD屏幕上。

3.6 數據存儲系統

由于STM32中的所有即時數據都是存放在RAM（Random Access Memory）中的，一旦掉電則數據全部消失。如果在全自動立體停車庫模擬系統運行途中，意外斷電，車輛的入庫信息全部丟失，包括收費信息與車庫使用情況，所以系統需要把這些重要信息保存在外置存儲設備中，以防萬一。模擬系統中采用的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24MHz，每秒可傳輸12M字節，滿足大部分應用需求，因此模擬系統中采用SD卡作為存儲設備。

4 結語

該拓展實驗要求學生三人一組，在32個學時內設計完成。為解決學生的設計調試場地，結合目前學院實驗室推出的智能化管理，對實驗室實行半開放，即在沒有實驗課時面向相關專業的學生開放，指導教師通過系統遠程監控和現場答疑方式對學生進行指導。實驗完成后指導教師綜合作品的功能、實驗報告和答辯等的完成情況給出最終的考核成績。參與拓展實驗的學生都感慨從最初面對實驗要求的不知所措，到逐步找到方法，最后順利完成，充分調動了大家的學習主動性和積極性，也鍛煉了小組各成員間的協作意識，獲益匪淺。因此，通過該拓展實驗，激發了學生創新實踐和自主學習的興趣，培養了學生項目設計的概念與意識，提高了學生工程設計的能力。