馮 偉, 肖永松, 王 琳, 彭 力

(江南大學(xué) 物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院， 江蘇 無錫 214122)

0 引 言

培養(yǎng)具有創(chuàng)新意識(shí)、實(shí)踐能力和具有工程素養(yǎng)的復(fù)合型人才，對(duì)于提高國(guó)家的科技競(jìng)爭(zhēng)力和制造業(yè)的水平，以及學(xué)生的就業(yè)和入職工作的適應(yīng)能力，都具有重要的意義[1]。電子工藝實(shí)習(xí)作為學(xué)生接觸電子電路及培養(yǎng)創(chuàng)新思維的啟蒙課程，在提升學(xué)生工程實(shí)踐能力、培養(yǎng)良好的科學(xué)素質(zhì)和創(chuàng)新意識(shí)方面所起的作用不容忽視[2]。

傳統(tǒng)電子工藝實(shí)習(xí)課程注重對(duì)單純的電子套件進(jìn)行焊接，這類套件可以使學(xué)生認(rèn)識(shí)電子元器件、鍛煉學(xué)生的焊接能力，但也具有不可忽視的缺點(diǎn)：只側(cè)重鍛煉學(xué)生的焊接能力，不具備編程功能、無法擴(kuò)展，課程結(jié)束后無法繼續(xù)使用，不具備創(chuàng)新價(jià)值[3-5]；開設(shè)這門課程的學(xué)生處于低年級(jí)，很多專業(yè)課程還沒有開設(shè)，學(xué)生被動(dòng)接受知識(shí)，沒有自主性，不利于培養(yǎng)創(chuàng)新思維。

針對(duì)上述缺點(diǎn)，有些高校也在對(duì)電子工藝實(shí)習(xí)套件進(jìn)行探索和改革，最常見的就是基于89C51單片機(jī)的電子工藝實(shí)習(xí)套件。這類套件已經(jīng)具有了簡(jiǎn)單的編程能力和擴(kuò)展性，但89C51本身性能有限、不具備聯(lián)網(wǎng)功能，限制了套件的擴(kuò)展性；編程語言限定C語言，專業(yè)性和年級(jí)性限制了套件的推廣。為了滿足培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力、創(chuàng)新意識(shí)的要求，設(shè)計(jì)了一種電子工藝實(shí)習(xí)套件，它的硬件基于ESP8266，軟件基于Arduino，它還具有WiFi聯(lián)網(wǎng)功能，云平臺(tái)則基于中移物聯(lián)網(wǎng)的OneNet物聯(lián)網(wǎng)公共平臺(tái)[6-8]。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

電子工藝實(shí)習(xí)套件整體系統(tǒng)如圖1所示，分為硬件、云平臺(tái)、客戶端。

圖1 系統(tǒng)框圖

硬件采用電子積木的連接方式，分為核心底板、傳感器、交互、控制和創(chuàng)意等擴(kuò)展板。核心底板的處理器模塊為基于ESP8266的可編程WiFi模塊，具有可編程能力和WiFi聯(lián)網(wǎng)功能，有很好的擴(kuò)展性。傳感器擴(kuò)展板可焊接常用的傳感器。交互擴(kuò)展板集成了4位1體共陰極數(shù)碼管和4個(gè)獨(dú)立按鍵，可以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的人機(jī)交互。控制擴(kuò)展板集成了繼電器控制電路，可通過云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的遠(yuǎn)程控制。創(chuàng)意擴(kuò)展板為具有與核心底板接口的標(biāo)準(zhǔn)2.54 mm孔距的空白通用板，學(xué)生可以根據(jù)自己的思路自主發(fā)揮創(chuàng)意。核心底板和傳感器、交互、控制、創(chuàng)意等擴(kuò)展板之間采用2排8腳的長(zhǎng)腳排母連接，可以實(shí)現(xiàn)上下層疊的電子積木式連接，學(xué)生也可以自主設(shè)計(jì)擴(kuò)展PCB，并不局限于現(xiàn)有的板卡和連接方式。各板上體積較小的貼片器件預(yù)先使用貼片機(jī)焊接，較大的貼片器件和插接件留空不焊接，留作上課時(shí)給學(xué)生焊接，以鍛煉學(xué)生的焊接能力。

云平臺(tái)采用中開放物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)OneNET。客戶端則分為Web和APP，通過瀏覽器、手機(jī)可以查看硬件上傳到云平臺(tái)的數(shù)據(jù)，也可以控制硬件。

課程內(nèi)容設(shè)置方面保留了電子元器件的識(shí)別、測(cè)量?jī)x器的使用、電路繪制軟件的使用等傳統(tǒng)電子工藝實(shí)習(xí)課程的內(nèi)容，動(dòng)手實(shí)踐部分則圍繞此套件展開，除了焊接之外，基于現(xiàn)成的傳感器、交互和控制等擴(kuò)展版采用固定題目的項(xiàng)目式教學(xué)，課程考核則基于創(chuàng)意擴(kuò)展板或?qū)W生自主設(shè)計(jì)的擴(kuò)展板進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

2 核心底板的設(shè)計(jì)

核心底板集成了ESP8266 12N最小系統(tǒng)模塊與程序燒寫、通信模塊。ESP8266 12N模塊的最小系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 核心底板最小系統(tǒng)

ESP8266 12N繼承了ESP8266EX芯片，具有完整且自成體系的WiFi網(wǎng)絡(luò)功能，具有GPIO、UART、ADC、SPI、IIC等完整外設(shè)，還集成了天線開關(guān)、射頻、功放、低噪放大器、濾波器及電源管理模塊，使用時(shí)僅需要少量的外部器件即可，非常適合物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用[9-10]。ESP8266EX芯片可以運(yùn)行Lua、Arduino、MicroPython等語言，開發(fā)方便，無需專用仿真器，通過芯片的UART即可下載程序。UART通信及程序燒寫電路如圖3所示。

圖3中P1為Micro USB接口，可以作為核心底板的供電、UART通信、程序燒寫接口。ME6211為低壓差LDO芯片，提供ESP8266需要的3.3V直流電源，因?yàn)槭堑蛪翰钚酒?，故核心底板也支持鋰電池供電。CH340C芯片為一款USB轉(zhuǎn)串口芯片，用于UART通信和燒寫程序，它片內(nèi)集成了晶振，可有效減小電路板面積。Q1、Q2為2個(gè)NPN三極管，它們與CH340C可以實(shí)現(xiàn)代碼的一鍵下載，即無需硬件做任何操作，只需要燒寫軟件點(diǎn)擊一次下載就可以完成ESP8266的復(fù)位及代碼燒寫。

核心底板通過2組8腳的2.54 mm長(zhǎng)腳排母將D0-D8、電源、UART的端口引出與其它擴(kuò)展板通信。

3 傳感器擴(kuò)展板的設(shè)計(jì)

傳感器擴(kuò)展板預(yù)設(shè)了幾個(gè)比較常用的傳感器，用于課程進(jìn)行過程中實(shí)施項(xiàng)目化教學(xué)。考慮到電子工藝實(shí)習(xí)課程的特點(diǎn)，器件特意選用了插接件的封裝方式，便于學(xué)生動(dòng)手焊接，以鍛煉實(shí)際動(dòng)手能力。傳感器擴(kuò)展板的電路如圖4所示。

圖3 UART通信、程序燒寫電路

圖4 傳感器擴(kuò)展板電路

P4接口為DHT11溫濕度傳感器和DS18B20溫度傳感器的一體化接口，這兩種傳感器都是單總線協(xié)議的傳感器，故將它們?cè)O(shè)計(jì)于一個(gè)接口之上，根據(jù)課程實(shí)施需要選擇即可。P5為IIC接口的高精度溫濕度傳感器SHT20。R15為3950型號(hào)的NTC熱敏電阻，通過A/DC獲取分壓值即可換算得到溫度值。上述傳感器的選擇盡量考慮了焊接的可實(shí)施性及外設(shè)接口的多樣化，可通過項(xiàng)目化教學(xué)鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力、編程能力，開拓學(xué)生視野[11]。

4 控制擴(kuò)展板的設(shè)計(jì)

控制擴(kuò)展板主要是繼電器控制電路，可以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的遠(yuǎn)程控制，以滿足教學(xué)及學(xué)生創(chuàng)意需要。電路圖如圖5所示，Q1為三極管，用于增強(qiáng)I/O口的驅(qū)動(dòng)能力，二極管D1做續(xù)流二極管，用于保護(hù)繼電器。

圖5 控制擴(kuò)展板電路

5 交互擴(kuò)展板的設(shè)計(jì)

交互擴(kuò)展板集成了4位1體共陰極數(shù)碼管及4個(gè)按鍵，可以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的人機(jī)交互。電路圖如圖6所示。

圖6 交互擴(kuò)展板電路

U4為IIC接口的鍵盤數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)芯片TM1650，它最多可以驅(qū)動(dòng)4位8段數(shù)碼管及28個(gè)按鍵。TM1650與核心底板間的通信只占用2個(gè)I/O口，封裝為SOP16小體積封裝，具有良好的擴(kuò)展性。

6 軟件設(shè)計(jì)

套件有2部分涉及軟件設(shè)計(jì)：硬件、云平臺(tái)。

硬件部分為核心底板需要編程來實(shí)現(xiàn)功能。核心底板的ESP8266 12N模塊支持Lua、Arduino、MicroPython語言，考慮到電子工藝實(shí)習(xí)課程的對(duì)象為低年級(jí)本科生，故采用了相對(duì)簡(jiǎn)單的Arduino語言。套件的開發(fā)環(huán)境為Arduino 1.8.0版本，從Arduino官方網(wǎng)站下載安裝并安裝Java插件即可使用，外設(shè)函數(shù)可以直接使用Arduino庫(kù)，可以迅速掌握編程方法。硬件與云平臺(tái)的通信采用http協(xié)議，代碼中上傳傳感器值的代碼需要發(fā)送以下字符串：

POST /devices/4656380/datapoints?type=3 HTTP/1.1

Host: 183.230.40.33:80

api-key: JM1EG2H05b4tfmrnZq8mlty5jdM=

Cache-Control: no-cache

{

"tempvalue" : "24",

"humvalue" : "45"}

}

字符串符合http協(xié)議POST請(qǐng)求方法的協(xié)議規(guī)范，其中第1行的“devices”“datapoints”為OneNET平臺(tái)要求的協(xié)議內(nèi)容，分別代表類型為設(shè)備、數(shù)據(jù)內(nèi)容為JSON格式。“4656380”為在OneNET平臺(tái)添加設(shè)備時(shí)分配的設(shè)備ID。第2行“Host”為OneNET平臺(tái)的服務(wù)器IP地址和端口號(hào)。第3行“api-key”為OneNET平臺(tái)分配的用戶密鑰，每個(gè)用戶的api-key都是唯一的。第6、7行的“tempvalue”“humvalue”為用戶添加傳感器時(shí)設(shè)置的傳感器名稱，也稱為數(shù)據(jù)流，“24”“45”為傳感器采集的值。

云平臺(tái)使用開放物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)OneNET，它支持多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，能夠輕松的實(shí)現(xiàn)設(shè)備接入、設(shè)備管理。OneNET的Web界面編程采用控件拖拽式編程，耗費(fèi)極短的時(shí)間即可實(shí)現(xiàn)比較理想的效果；APP直接下載登錄即可在移動(dòng)設(shè)備端界面查看、管理接入的設(shè)備[12-13]。設(shè)計(jì)界面時(shí)只要將選用的控件與需要顯示的數(shù)據(jù)流綁定即可，Web界面示例如圖7所示。

圖7 云平臺(tái)Web界面

7 結(jié) 語

基于ESP8266與OneNET的電子工藝實(shí)習(xí)套件解決了傳統(tǒng)電子工藝實(shí)習(xí)套件注重焊接而忽視創(chuàng)意的問題。它采用電子積木的連接方式，各板之間任意搭配疊加，具有較強(qiáng)的擴(kuò)展性、創(chuàng)意性；它采用項(xiàng)目化課程設(shè)置，增加了編程內(nèi)容，可以培養(yǎng)學(xué)生分析、解決問題的能力，增強(qiáng)對(duì)專業(yè)的興趣[14]；它還具有WiFi聯(lián)網(wǎng)功能，并接入了物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)，使套件具有了智能化潛力，增強(qiáng)了創(chuàng)意性。

基于ESP8266與OneNET的電子工藝實(shí)習(xí)套件成本低廉，擴(kuò)展性、創(chuàng)意性強(qiáng)，可適用于高校電子工藝實(shí)習(xí)課程、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)比賽、創(chuàng)客教育，甚至在中小學(xué)STEAM教育中也具有推廣價(jià)值[15]。