陳世海 王軍 代偉 仲崇碩 （中國礦業(yè)大學(xué)信息與控制工程學(xué)院）

專業(yè)實踐教學(xué)是高等工程教育的重要環(huán)節(jié)，是聯(lián)系理論知識與工程實踐的橋梁，對于培養(yǎng)學(xué)生的工程實踐能力和創(chuàng)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(yǎng)出高質(zhì)量的工程人才，已經(jīng)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(wù)于實踐，所以學(xué)生的專業(yè)實踐能力必然是衡量教學(xué)質(zhì)量的關(guān)鍵指標。從實踐中來，到實踐中去[1]。將工程實踐的具體內(nèi)容以具體項目的形式融入專業(yè)實踐教學(xué)，不僅可以培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實踐的能力，而且可以開拓學(xué)生的思路、培養(yǎng)學(xué)生的工程思維，為其日后參與工程實踐打下扎實的基礎(chǔ)[2]。

以電子信息專業(yè)綜合實踐為例，將實驗室門禁系統(tǒng)研發(fā)項目引入實踐教學(xué)，使學(xué)生在項目實踐中掌握和鞏固嵌入式系統(tǒng)設(shè)計、Android智能平臺APP開發(fā)等專業(yè)知識和專業(yè)技能。

一 項目需求

隨著Android智能手機的飛速發(fā)展與普及，越來越多的APP應(yīng)用到人們的日常學(xué)習(xí)和生活之重中，開發(fā)一款基于Android的實驗室門禁系統(tǒng)，相比于IC卡式的門禁系統(tǒng)、指紋或其他生物特征識別式的門禁系統(tǒng)而言，基于Android智能手機的門禁系統(tǒng)，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(xué)生實驗提供了有力保障。

基于Android手機的實驗室門禁系統(tǒng)，將Android手機、樹莓派有效結(jié)合起來，使實驗室門禁系統(tǒng)具有安全靈活的特點。硬件部分的設(shè)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(shè)計分為兩部分：一是Android應(yīng)用程序設(shè)計，分為登錄界面和開門界面。二是樹莓派程序設(shè)計。主要功能如下。

（一）登錄功能

實驗室人員在Android應(yīng)用程序中輸入用戶名密碼并發(fā)送給服務(wù)器端，服務(wù)器端接收數(shù)據(jù)，與服務(wù)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(guān)控制界面，完成登錄。

（二）報警功能

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

（三）開門監(jiān)控功能

Android應(yīng)用程序開關(guān)控制界面發(fā)送開門指令，樹莓派接收指令執(zhí)行開門，然后攝像頭拍照保存，記錄實驗室人員信息。

二 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)架構(gòu)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(guān)，電源模塊為整個系統(tǒng)提供供電支持。

系統(tǒng)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(guī)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(guān)門狀態(tài)。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(fā)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(shè)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(xiàn)三次錯誤時，手機端發(fā)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(shè)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(shè)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(wǎng)網(wǎng)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(shè)計

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

實驗時應(yīng)用軟件開發(fā)建議采用Eclipse平臺。因為，盡管Android studio未來的發(fā)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(fā)行時間較長，學(xué)習(xí)資料更多，更容易上手，因此APP開發(fā)環(huán)境選擇時，建議學(xué)生首選Eclipse作為開發(fā)工具。本次實驗的軟件是基于第一層，其要實現(xiàn)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(fā)送指令給樹莓派進行開關(guān)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(fā)送指令給樹莓派報警。本次設(shè)計的Android應(yīng)用程序中登錄程序需要與服務(wù)器端進行數(shù)據(jù)驗證。因此在編寫Android端應(yīng)用程序前，要先搭建一個服務(wù)器。實驗中可以采用免費開源的基于java的Tomcat服務(wù)器，其支持servlet和JSP規(guī)范，Tomcat不僅技術(shù)先進而且且性能穩(wěn)定。

Android應(yīng)用程序的設(shè)計包括了兩部分：登錄頁面和開關(guān)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(shè)計分為兩部分：客戶端和服務(wù)器端。首先進行服務(wù)器端的程序設(shè)計。服務(wù)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(shù)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(shù)組作為數(shù)據(jù)庫，通過login方法對ArrayList數(shù)組進行遍歷取值，驗證參數(shù)是否存在。Servlet文件中的dopost方法對URL中的參數(shù)進行提取，然后調(diào)用login方法對參數(shù)進行驗證，返回OK或者Wrong。

開關(guān)門頁面的作用是利用手機控制門禁。開關(guān)門頁面是安卓手機與樹莓派連接的橋梁，負責(zé)發(fā)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(wù)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(wù)器端，與安卓手機客戶端通過socket通信。服務(wù)器程序使用Python語言編寫。

軟件調(diào)試時，首先首先測試Android應(yīng)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(fā)送的數(shù)據(jù)；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(xiàn)，Android應(yīng)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(zhuǎn)到開關(guān)控制頁面，錯誤輸入密碼三次以上蜂鳴器響。手機發(fā)送的數(shù)據(jù)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(jié)

針對高等工程教育實踐教學(xué)的要求和特點，以實驗室門禁系統(tǒng)研發(fā)項目為依托開展專業(yè)實踐，使學(xué)生在實踐中掌握基于樹莓派的嵌入式系統(tǒng)和Android智能手機APP等方面的技術(shù)知識和開發(fā)方法，在項目實踐中培養(yǎng)學(xué)生的動手能力、創(chuàng)新思維和工程意識，為其從事專業(yè)研發(fā)奠定基礎(chǔ)。