创客教育与电子信息专业实践教学研究 本文关键词：教学研究，电子信息，实践，专业，教育
创客教育与电子信息专业实践教学研究 本文简介：摘要:针对创新型工程人才培养，以创客教育为抓手，设计了基于“树莓派”嵌入式系统为平台的“智能空调控制器”的实践教学案例。关键词:创客教育;树莓派;实践教学创新创造是社会进步的源动力。2015年李克强总理在政府工作报告中明确提出“大众创业，万众创新”［1］。而高等工程教育对于我国创新型人才、应用型人才
创客教育与电子信息专业实践教学研究 本文内容：
摘要:针对创新型工程人才培养，以创客教育为抓手，设计了基于“树莓派”嵌入式系统为平台的“智能空调控制器”的实践教学案例。
关键词:创客教育;树莓派;实践教学
创新创造是社会进步的源动力。2015年李克强总理在政府工作报告中明确提出“大众创业，万众创新”［1］。而高等工程教育对于我国创新型人才、应用型人才培养，不仅应该首当其冲，更是责无旁贷。为社会培养工程应用型人才是高等工程教育设立的本源，但是在科学教育思维的主导下，高等工程教育创新型、应用型工程人才的培养意愿被严重扼杀，工程人才的培养质量更是无法满足社会需求。以麻省理工学院为代表的高等工程院校认为高等工程教育的人才培养应从工程需要出发，应从社会的需求出发，提出了“回归工程”的教学理念［2，3］。“创客”源自英文“Maker”，字面含义为“创造者”，通常指为那些出自个人兴趣爱好而努力探索将个人创意付诸实施的人。创客教育其实质是以应用为导向的创新教育，是项目驱动式的实践教学，是传统教育“做中学”的创新延拓，是“回归工程”教学理念的直接体现。所以在实践教学改革中，首先要明确教学目的不再仅仅是为了加深对理论知识的理解和掌握，而是为了创新应用，也就是“学而优则用”、“学而优则创”。然后根据学生的知识技能水平，合理选择利于激发学生学习兴趣的“工程项目”，在教学实践中引导和培养学生成为“创客”。以创客教育为目标，以“树莓派”嵌入式系统为平台，以智能家居为应用背景，设计基于“智能空调控制器”的实践教学案例。
1创新目标
家是一个能让人放松身体、愉悦心情的地方。随着科技的进步，智能家居越来越受到人们的关注。人们希望通过使家居智能化，为人们提供更加舒适和便利的休息环境。空调能够为人们提供舒适环境温度，但目前的空调控制方法单一、使用不便，如在高温天气，人们希望回到家之前空调就能够提前启动，而这是现有空调无法实现的。智能空调控制器的设计目标就是使家居中现有空调实现联网远程和智能控制功能。同时，设计中要充分考虑系统的易用性、兼容性和经济性。
2系统架构
智能空调控制器以树莓派嵌入式平台为核心，基于Yeelink云平台的智能家居组件，它通过网络互联及红外技术来实现空调的智能控制。其目的是将室内温度控制在一个舒适且稳定的范围。它主要由树莓派嵌入式开发平台、红外控制模块、温度传感器、Yeelink云、WEB客户端和手机APP等6部分组成。系统结构如图1所示。整个空调控制系统是基于树莓派平台设计的。首先由温度传感器采集室内温度，并上传至数据库以及Yeelink平台，这是温度采集模块。然后通过软件编程来控制红外模块发射信号间接的控制空调，使空调自动开关，转换模式，将室内温度控制在一个合理且舒适的范围内，这是红外控制模块。最后利用Web客户端使用WiFi技术来远程控制树莓派输入指令，进而间接控制红外模块发射信号来控制空调的开关以及模式转换。同时也可以通过Yeelink平台来查看室内实时温度。温度采集模块是以DHT11温湿度传感器为核心的采集系统。在树莓派的GPIO口上连接温度传感器DHT11，来采集室内的温度，然后通过软件编程将采集的温度数据存入本地数据库，同时上传Yeelink平台。红外控制模块，通过红外扩展板录制空调的遥控功能，将红外扩展板作为一个转换工具，可以在树莓派上输入相应的命令来控制红外扩展板发射之前录制的空调按键来控制空调。
2．1树莓派
树莓派是基于Linux操作系统的mini嵌入式卡片计算机。操作系统及应用软件烧写在SD卡内，和普通计算机一样可连接常用外设，如键盘、鼠标，并且提供了HDMI接口、USB接口以及以太网口。树莓派不仅有丰富的外部接口，而且具备基本的存储设备和较为强大的运算处理能力，并且价格低廉，是电子信息专业创客教育的适宜嵌入式开发平台。树莓派有A型和B型两种型号。主要区别在于A型树莓派只有一个USB口，没有以太网端口，不过可以使用USB有线网卡通过无线网来连接Wi－Fi;B型有两个USB接口和一个以太网端口，内存是A型的两倍，支持100M以太网，并且B型树莓派相较于A型改善了电源管理，使系统功耗更低，将GPIO的引脚数量从A型的26个提高到40个，增加了2个USBPorts接头，把A型的ＲCA屏幕接头改成4针的连接头，SD卡升级到MicroSD卡。图2是B型树莓派的实物图。
2．2红外发射模块
红外发射模块用于将控制指令发送给空调，其电路主要由红外发射二极管D1，驱动三极管Q1等构成，在树莓派GPIO端口控制下，D1能够发射红外光，有效传输距离可以达到7m以上。由于树莓派GPIO不宜直接驱动红外发光管D1，所以采用驱动三极管Q1三极管S9013提高驱动能力，并起到开关的作用，当IＲL端处于高电平时，三极管处于截止状态，红外发射二极管D1不发射红外光线。当IＲL端处于低电平时，三极管导通，红外发射二极管D1发射红外光线。
2．3温度传感器
温度传感器选用DHT11型温湿两用型传感器，在0～50℃范围内，温度测量准确度为2%，同时能够测出数值在20～90%之间的相对湿度，准确度在5%以内。尽管DHT11传感器使用的信号传输方式和1－Wire协议相似，但时序逻辑有所不同，并且没有类似DS18B20设备序列号的支持，因此在编程时，DHT11不能与配有Linux内核的1－Wire驱动匹配使用，而需要用树莓派GPIO直接模拟时序逻辑对其操作。DHT11的供电电压为3V～5．5V，从树莓派的3．3V电源给它供电，可保证传感器信号水平处于对GPIO安全的范围内，其工作电流约为0．5～2．5mA。
3软件设计
开发软件之前首先要配置好树莓派开发环境。将于开发板匹配的树莓派系统镜像写进MicroSD存储卡，采用镜像写U盘工具win32diskimager，SD卡插入读卡器，连接电脑后，双击Win32DiskImager．exe可执行文件。实验时一定要注意，选择的文件路径一定不能出现中文。然后再经编译树莓派内核中自带的GPIO的驱动，通过写好PythonGPIO库函数来完成GPIO具体的操作。PythonGPIO是一个小型的python库。用户可以通过PythonGPIO来完成相关的I/O口操作。它是用python语言来编程的。系统软件结构如图5所示，其中flag=0表示空调为关闭状态，flag=1表示空调为制冷状态，flag=2表示空调为制热状态。温度采集模块采集室内温度，存入树莓派的本地数据库，并上传至Yeelink平台实现远程温度显示。系统读取当前温度并和设定的阈值比较，将室内温度保持在一定温度之间，用户如有需要也可以通过Web客户端远程发送指令，通过红外模块控制空调。在Yeelink平台上创建设备，添加温度传感器。在dht11．py的最后添加代码使将温度和湿度数据保存到txt文件里。系统搭建完成之后对系统进行测试。首先从系统的各个模块进行系统测试，测试每个模块能否正常运行。然后对系统整体进行测试，验证整个系统是否能正常运行，能否达到设计要求。也就是说系统能否将室内温度控制在一个舒适的范围内，这个范围可以设定。另外，需要测试能否通过Web客户端远程控制空调的状态。
4结语
以创客教育为实验教学任务，采用“树莓派”嵌入式系统为平台，开发了以智能家居中的空调智能控制器设计为具体实验内容的创新型实践教学案例，对于培养学生的工程应用级创新能力具有重要的作用。
作者：陈世海 王军 代伟 张腾 单位：中国矿业大学