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創客教育與電子信息專業實踐教學研究

來源:網絡|發布時間:2021-03-17|瀏覽次數:
創客教育與電子<a href="/xinxigongkainianbao/20201221/9462.html">信息</a>專業實踐教學研究 摘要:針對創新型工程人才培養,以創客教育為抓手,設計了基于“樹莓派”嵌入式系統為平臺的“智能空調控制器”的實踐教學案例。

關鍵詞:創客教育;樹莓派;實踐教學

創新創造是社會進步的源動力。2015年李克強總理在政府工作報告中明確提出“大眾創業,萬眾創新”[1]。而高等工程教育對于我國創新型人才、應用型人才培養,不僅應該首當其沖,更是責無旁貸。為社會培養工程應用型人才是高等工程教育設立的本源,但是在科學教育思維的主導下,高等工程教育創新型、應用型工程人才的培養意愿被嚴重扼殺,工程人才的培養質量更是無法滿足社會需求。以麻省理工學院為代表的高等工程院校認為高等工程教育的人才培養應從工程需要出發,應從社會的需求出發,提出了“回歸工程”的教學理念[2,3]。“創客”源自英文“Maker”,字面含義為“創造者”,通常指為那些出自個人興趣愛好而努力探索將個人創意付諸實施的人。創客教育其實質是以應用為導向的創新教育,是項目驅動式的實踐教學,是傳統教育“做中學”的創新延拓,是“回歸工程”教學理念的直接體現。所以在實踐教學改革中,首先要明確教學目的不再僅僅是為了加深對理論知識的理解和掌握,而是為了創新應用,也就是“學而優則用”、“學而優則創”。然后根據學生的知識技能水平,合理選擇利于激發學生學習興趣的“工程項目”,凈化工程www.schrjh.com,在教學實踐中引導和培養學生成為“創客”。以創客教育為目標,以“樹莓派”嵌入式系統為平臺,以智能家居為應用背景,設計基于“智能空調控制器”的實踐教學案例。

1創新目標

家是一個能讓人放松身體、愉悅心情的地方。隨著科技的進步,智能家居越來越受到人們的關注。人們希望通過使家居智能化,為人們提供更加舒適和便利的休息環境。空調能夠為人們提供舒適環境溫度,但目前的空調控制方法單一、使用不便,如在高溫天氣,人們希望回到家之前空調就能夠提前啟動,而這是現有空調無法實現的。智能空調控制器的設計目標就是使家居中現有空調實現聯網遠程和智能控制功能。同時,設計中要充分考慮系統的易用性、兼容性和經濟性。

2系統架構

智能空調控制器以樹莓派嵌入式平臺為核心,基于Yeelink云平臺的智能家居組件,它通過網絡互聯及紅外技術來實現空調的智能控制。其目的是將室內溫度控制在一個舒適且穩定的范圍。它主要由樹莓派嵌入式開發平臺、紅外控制模塊、溫度傳感器、Yeelink云、WEB客戶端和手機APP等6部分組成。系統結構如圖1所示。整個空調控制系統是基于樹莓派平臺設計的。首先由溫度傳感器采集室內溫度,并上傳至數據庫以及Yeelink平臺,這是溫度采集模塊。然后通過軟件編程來控制紅外模塊發射信號間接的控制空調,使空調自動開關,轉換模式,將室內溫度控制在一個合理且舒適的范圍內,這是紅外控制模塊。最后利用Web客戶端使用WiFi技術來遠程控制樹莓派輸入指令,進而間接控制紅外模塊發射信號來控制空調的開關以及模式轉換。同時也可以通過Yeelink平臺來查看室內實時溫度。溫度采集模塊是以DHT11溫濕度傳感器為核心的采集系統。在樹莓派的GPIO口上連接溫度傳感器DHT11,來采集室內的溫度,然后通過軟件編程將采集的溫度數據存入本地數據庫,同時上傳Yeelink平臺。紅外控制模塊,通過紅外擴展板錄制空調的遙控功能,將紅外擴展板作為一個轉換工具,可以在樹莓派上輸入相應的命令來控制紅外擴展板發射之前錄制的空調按鍵來控制空調。

2.1樹莓派

樹莓派是基于Linux操作系統的mini嵌入式卡片計算機。操作系統及應用軟件燒寫在SD卡內,和普通計算機一樣可連接常用外設,如鍵盤、鼠標,并且提供了HDMI接口、USB接口以及以太網口。樹莓派不僅有豐富的外部接口,而且具備基本的存儲設備和較為強大的運算處理能力,并且價格低廉,是電子信息專業創客教育的適宜嵌入式開發平臺。樹莓派有A型和B型兩種型號。主要區別在于A型樹莓派只有一個USB口,沒有以太網端口,不過可以使用USB有線網卡通過無線網來連接Wi-Fi;B型有兩個USB接口和一個以太網端口,內存是A型的兩倍,支持100M以太網,并且B型樹莓派相較于A型改善了電源管理,使系統功耗更低,將GPIO的引腳數量從A型的26個提高到40個,增加了2個USBPorts接頭,把A型的RCA屏幕接頭改成4針的連接頭,SD卡升級到MicroSD卡。圖2是B型樹莓派的實物圖。

2.2紅外發射模塊

紅外發射模塊用于將控制指令發送給空調,其電路主要由紅外發射二極管D1,凈化工程www.schrjh.com,驅動三極管Q1等構成,在樹莓派GPIO端口控制下,D1能夠發射紅外光,有效傳輸距離可以達到7m以上。由于樹莓派GPIO不宜直接驅動紅外發光管D1,所以采用驅動三極管Q1三極管S9013提高驅動能力,并起到開關的作用,當IRL端處于高電平時,三極管處于截止狀態,紅外發射二極管D1不發射紅外光線。當IRL端處于低電平時,三極管導通,紅外發射二極管D1發射紅外光線。

2.3溫度傳感器

溫度傳感器選用DHT11型溫濕兩用型傳感器,在0~50℃范圍內,溫度測量準確度為2%,同時能夠測出數值在20~90%之間的相對濕度,準確度在5%以內。盡管DHT11傳感器使用的信號傳輸方式和1-Wire協議相似,但時序邏輯有所不同,并且沒有類似DS18B20設備序列號的支持,因此在編程時,DHT11不能與配有Linux內核的1-Wire驅動匹配使用,而需要用樹莓派GPIO直接模擬時序邏輯對其操作。DHT11的供電電壓為3V~5.5V,從樹莓派的3.3V電源給它供電,可保證傳感器信號水平處于對GPIO安全的范圍內,其工作電流約為0.5~2.5mA。

3軟件設計

開發軟件之前首先要配置好樹莓派開發環境。將于開發板匹配的樹莓派系統鏡像寫進MicroSD存儲卡,采用鏡像寫U盤工具win32diskimager,SD卡插入讀卡器,連接電腦后,雙擊Win32DiskImager.exe可執行文件。實驗時一定要注意,選擇的文件路徑一定不能出現中文。然后再經編譯樹莓派內核中自帶的GPIO的驅動,通過寫好PythonGPIO庫函數來完成GPIO具體的操作。PythonGPIO是一個小型的python庫。用戶可以通過PythonGPIO來完成相關的I/O口操作。它是用python語言來編程的。系統軟件結構如圖5所示,其中flag=0表示空調為關閉狀態,flag=1表示空調為制冷狀態,flag=2表示空調為制熱狀態。溫度采集模塊采集室內溫度,凈化工程www.schrjh.com,存入樹莓派的本地數據庫,并上傳至Yeelink平臺實現遠程溫度顯示。系統讀取當前溫度并和設定的閾值比較,將室內溫度保持在一定溫度之間,用戶如有需要也可以通過Web客戶端遠程發送指令,通過紅外模塊控制空調。在Yeelink平臺上創建設備,添加溫度傳感器。在dht11.py的最后添加代碼使將溫度和濕度數據保存到txt文件里。系統搭建完成之后對系統進行測試。首先從系統的各個模塊進行系統測試,測試每個模塊能否正常運行。然后對系統整體進行測試,驗證整個系統是否能正常運行,能否達到設計要求。也就是說系統能否將室內溫度控制在一個舒適的范圍內,這個范圍可以設定。另外,需要測試能否通過Web客戶端遠程控制空調的狀態。

4結語

以創客教育為實驗教學任務,采用“樹莓派”嵌入式系統為平臺,開發了以智能家居中的空調智能控制器設計為具體實驗內容的創新型實踐教學案例,對于培養學生的工程應用級創新能力具有重要的作用。

作者:陳世海 王軍 代偉 張騰 單位:中國礦業大學 在线看日本免费不卡资源,日本免费网址大全在线观看,日本不卡免费一区二区

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