殷惠莉，宋淑然，薛秀云，孙道宗，谢家兴

（华南农业大学电子工程学院、人工智能学院，广州510642）

0 引言

我国于2016年成为国际本科工程学位互认协议《华盛顿协议》的正式会员，今后工程教育要逐步规范化、标准化、国际化和可持续发展。因此，我国高等教育培养目标应适应就业市场人才需求，培养国际互认的工程科技人才，课程教学改革应遵从培养学生工程素质为主线，强调应用性和实践性[1]。工程教育专业认证是国际通行的保障工程教育质量的基本制度，工程教育认证基于产出导向的OBE（Outcomes-Based Education）教学模式。

1 工程教育认证需求下实验课设置的必要

工程教育专业认证强调以学生为中心的教育理念，落实在培养目标制定和评估、教育教学资源建设及质量监控机制的全过程，采用学生学习效果、能力提升作为标准来评价教育质量。2017年修订的国家工程教育认证标准中提出的毕业要求其中就包括能够将数学、自然科学、工程基础和专业知识用于解决复杂工程问题，而复杂工程问题通常都具有较高的综合性，并包含多个相互关联的子问题。

另外，我们国家正在实施创新驱动发展、“中国制造2015”、“互联网+”、“网络强国”、“一带一路”等重大战略。为响应国家战略需要，支撑服务以新技术、新业态、新产业、新模式为特点的新经济蓬勃发展，突破核心关键技术，构筑先发优势，在未来全球创新生态系统中占据战略制高点，迫切需要培养大批新兴工程科技人才。创新实践教学是高校人才培养的重要组成部分，是培养学生创新思维和创新能力的重要环节，对培养学生理论联系实际的专业实践能力，全面提高人才培养目标的综合素质具有不可替代的作用[2]。

因此，在调整专业培养方案时，电子信息工程专业在专业技能训练中开设了32个学时的电子信息工程拓展实验。考虑到单片机是一门综合性、实践性和工程性都很强的课程，对培养学生的实践能力和解决实际复杂问题能力有着十分重要的作用，同时有助于工程教育专业认证毕业要求的达成[3]。我院学生开设的单片机理论课选用的课本是以MCS-51系列单片机为核心，而目前随着各种系统的智能化发展，对控制芯片的运算能力要求较高，普通的51单片机的性能已经远远不够，而STM32因其低成本、低功耗、高性能的特点深受开发者的青睐[4]。综合考虑后决定在电子信息工程拓展实验中将学生分组，以STM32作为核心控制芯片，选择与实际结合紧密并且能充分培养锻炼学生的创新思维和创新能力的项目开展训练。

随着经济的发展，汽车的数量快速增长，停车难问题已经成为人们关注的焦点。与欧盟汽车千人保有量600多辆和美国的汽车千人保有量约800辆对比，我国的汽车千人保有量还是偏低的。此外，国家出台的新能源汽车战略，对新能源汽车市场有较大的积极影响，因此可以预测我国汽车还有10-15年的高速增长期[5]。根据国际惯例，汽车保有量与汽车停车位的比例应该为1:1.2到1:1.4之间，国内大中城市的停车位供需失衡严重[6]。通过考察当前的立体停车场的使用现状，经过分析比较并综合实验室现有条件，决定在拓展实验中采用以STM32为核心控制芯片构建一个二层五车位的模拟全自动升降横移式立体停车库的方案。

2 模拟全自动立体停车库系统的设计

实验要求实现的是一个二层五车位的全自动立体停车库模拟系统，整个系统着重于模拟全自动立体车库的自动化存取和智能化管理。

2.1 模拟全自动立体停车库系统的构成

整个模拟系统由身份识别、交互、驱动系统、安全防护、收费、数据存储共六个子系统组成。模拟系统结构框图如图1所示。

图1 系统原理框图

2.2 模拟全自动立体停车库系统的工作流程

在进入停车场时，车主领取一张RFID卡，根据RFID卡上的车库编号到达指定立体停车库。立体停车库设置一个可触摸的LCD屏幕供车主选择入库或者出库操作。

车主选择入库操作后，系统会提示车主先刷卡再进行下一步操作。车库识别到正确的RFID卡后，即根据当前车库车位使用情况确定目标车位。若需使用的是下层车位，则系统锁定车位后，车主可进行停车入库。若需使用的是上层车位，则先要移动下层车位，空出空位后上层车库再下降至下层。

当车位准备就绪后，位于车位后方的超声波测距传感器一直检测前方距离以确认车辆是否停放正确。等待车辆停放妥当后，车位自动移回原来所在位置。

出库的操作跟入库类似，刷卡后车库移动，并且根据车主停放时间进行费用计算，通过系统的LCD屏幕提示车主出库该缴纳的停车费用。

在车位移动的过程中，系统的红外线人体检测传感器会一直工作，一旦检测到有人进入车库内部，电机会立即停止工作，直到车库里面的人转移到安全位置，防止出现安全事故。

3 模拟全自动立体停车库系统的实现

二层五车位的车库模型框架由铝合金材料制成，模型的车位实际大小为25cm×10cm×10cm，模型整体尺寸为40cm×31cm×20.6cm。根据模拟全自动立体停车库的工作流程，六个子系统的具体实现如下。

3.1 身份识别系统

系统采用RFID射频卡作为车辆身份识别卡。RFID模块型号为RFID-RC522，RFID卡为S50非接触式IC（Integrated Circuit）卡。模块单片机之间通过SPI通信协议通信，在此模拟系统中接入到STM32的SPI1接口。模拟系统通过读取IC卡上的32位唯一序列号，确认需要操作的车库编号，进行出入库操作。

在模块初始化完成后，模块会发送电磁波，等待有卡片进入模块的识别范围。在识别到卡片后，模块通过防冲突协议选定一张卡片，防止其他卡片干扰。

3.2 交互系统

在模拟系统中，交互系统是车主与控制系统交互的窗口，车主通过它向控制系统下达操作命令，也通过它获取车库余位、收费信息，它的核心硬件是一块2.8英寸320×240像素分辨率的16位真彩色电阻式TFTLCD（Thin Film Transistor-Liquid Crystal Display）触摸屏。

在交互系统中，主要功能就是显示剩余车库信息、通过触摸屏接受来自车主的操作命令、显示操作收费信息等。因此，它的工作流程如图2所示。

图2 交互系统工作流程

3.3 驱动系统

模拟全自动立体停车库系统的车位移动由步进电机带动丝杆转动来实现。步进电机为5线4相28BYJ-48步进电机，由ULN2003电源模块提供5V电源。利用STM32的TIM3通用定时器来控制节拍的切换从而控制步进电机。驱动子系统的工作流程如图3所示。

图3 驱动系统工作流程图

3.4 安全防护系统

因为大部分升降横移立体停车库都不是封闭式的，人可以进入到车库内部。如果有人或其他物体在车位正在移动时误入立体停车库，有可能会发生安全事故，因此系统需设计安全防护系统，用来防止出现这种意外。安全防护系统的核心是红外线人体传感器和超声波测距传感器。

红外线人体传感器的型号是HC-SR505，当有人进入它的检测范围时，它的输出引脚会从低电平拉高成高电平，直到人离开它的检测范围8秒后，它才会重新输出低电平。根据这个原理，在车位移动时，单片机一直检测传感器的输出，当检测到人则显示警告信息，并且停止移动车位。

超声波测距传感器的型号是HC-SR04+，需要测距时，单片机向传感器发送一个持续时间超过10μs的高电平信号。传感器会发出一段超声波信号，超声波碰到障碍物则会返回。单片机可以测量传感器输出接口的高电平持续时间，此时间则是超声波信号从发出到重新接收到所用的时间。记高电平的时间为t，音速在1个标准大气压和15℃的条件下约为340m/s，则测量距离S可以按式（1）算出：

超声波测距传感器的作用是检测车辆是否停放完成，在规定时间内车主未停放好车辆，则继续等待车辆停放完毕。模拟系统利用STM32的TIM5通用计时器的第1个通道测量超声波测距传感器的高电平持续时间。

3.5 收费系统

模拟系统通过纪录车辆在车库的停放时间，进行收费管理。计时功能通过STM32内部独立的定时器RTC（Real-Time Clock）时钟实现。当车辆入库时，系统记录时间，在车辆离开车库时，系统读取当前时间再与入库时间相减，即可得到停放时间，再通过收费规则计算出应缴纳费用显示在LCD屏幕上。

3.6 数据存储系统

由于STM32中的所有即时数据都是存放在RAM（Random Access Memory）中的，一旦掉电则数据全部消失。如果在全自动立体停车库模拟系统运行途中，意外断电，车辆的入库信息全部丢失，包括收费信息与车库使用情况，所以系统需要把这些重要信息保存在外置存储设备中，以防万一。模拟系统中采用的STM32F103自带了SD（Secure Digital）卡接口，4位的SDIO（Secure Digital Input and Output）接口最高通信速度可达24MHz，每秒可传输12M字节，满足大部分应用需求，因此模拟系统中采用SD卡作为存储设备。

4 结语

该拓展实验要求学生三人一组，在32个学时内设计完成。为解决学生的设计调试场地，结合目前学院实验室推出的智能化管理，对实验室实行半开放，即在没有实验课时面向相关专业的学生开放，指导教师通过系统远程监控和现场答疑方式对学生进行指导。实验完成后指导教师综合作品的功能、实验报告和答辩等的完成情况给出最终的考核成绩。参与拓展实验的学生都感慨从最初面对实验要求的不知所措，到逐步找到方法，最后顺利完成，充分调动了大家的学习主动性和积极性，也锻炼了小组各成员间的协作意识，获益匪浅。因此，通过该拓展实验，激发了学生创新实践和自主学习的兴趣，培养了学生项目设计的概念与意识，提高了学生工程设计的能力。