电子信息工程专业综合训练案例教学探索

0 引言
电子信息工程专业综合训练是重要的实践性教学环节，是对学生进行专业基础训练，培养实践动手能力，掌握分析问题、解决问题能力的重要课程。

在训练过程中，学生以团队合作形式，形成分工协作、互相讨论、相互促进的氛围[1]，能够将所学知识正确应用到综合训练中，实现综合训练课题提出的要求和功能，达到学以致用的教学目的，提升学生工程实践能力和创新能力[2]。

STM32是目前常用的主控芯片，具备资源丰富、高性能、高性价比特点[3]，本文选择STM32F103RCT6为主控单片机，设计基于阿里云的远程数据采集与控制系统，作为综合训练的教学案例。

通过该案例，把STM32相关知识点和传感器技术等贯穿其中；同时将STM32终端设备与物联网平台结合，实现远程数据传输与控制。

相比于以往单一功能训练课题，该案例具备较强的综合应用特点，对提高学生的综合应用能力有较好的促进作用[4]。

1 系统组成与功能
系统组成如图1所示，STM32F103RCT6为主控单片机，该芯片主频达72 MHz，具备串口、定时器（PWM）、外中断、SPI、DMA、AD转换等丰富资源[5]，是理想控制器。

LCD显示部分采用2.0寸8位数据并口的显示屏，分辨率为320×240，具备分辨率高、占用单片机数据线少的优点。

字库芯片作为可选择添加系统的芯片，可以接在SPI1接口，用以显示汉字，当然也可以省略；温湿度传感器HDC1080、存储芯片AT24C02和时钟芯片DS3231是I2C接口，因此规划一组IO端口作为I2C接口，程序通过不同的器件地址访问，读取温湿度数据和时间信息等，云平台下发的设置报警阈值
存放于AT24C02中；远程访问通过WiFi模块ESP8266连接物联网云平台，实现远程数据传输与控制。

图1 系统总体设计结构
系统实现以下功能：终端装置采集温湿度数据，读取时间等参数；在LCD显示温湿度数据、时间和阈值、状态信息等；通过WiFi模块连接阿里云飞燕平台后，创建手机可视化页面，接收温湿度数据和终端装置状态信息；手机端可设置报警阈值，下发到终端装置，当测量的温度或湿度超过阈值后，启动语音提示，同时控制对应风扇运行，风扇转速根据温湿度数据高低分不同的转速挡位运行。

2 硬件设计
图2是硬件设计原理图，硬件设计主要是综合考虑STM32的外部资源合理分配，LCD接在PB端口，其中有
刘静波，苏格诺，刘烨楠
（南京工程学院信息与通信工程学院，江苏南京 211167）
摘 要：设计了基于阿里云的远程数据采集与控制系统的教学案例，将其作为电子信息工程专业综合训练项目。

该系统由终端装置和阿里云飞燕平台两部分组成，终端装置包括STM32单片机、WiFi模块、温湿度模块和LCD 显示部分等，终端装置采集温湿度数据，发送数据和状态信息至飞燕平台，在飞燕平台创建手机端可视化界面，可以远程接收数据、状态信息，并下发参数命令等。

对教学案例的设计过程和教学组织实施进行阐述，通过该教学案例，对学生软硬件设计与调试能力进行综合训练，激发学生学习兴趣，提高学生学习主动性，培养学生的实践动手能力。

结果表明，将案例教学应用于综合训练中，采用循序渐进的方式，引导学生掌握项目设计分析能力以及从单元模块测试到整体调试的方法，对提高学生的分析学习能力、团队合作精神、工程应用能力等方面都能起到很好的作用。

关键词：案例教学；实践教学；综合训练；远程控制；飞燕平台；应用型人才
中图分类号：TP311；G426 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2023）11-0136-03
收稿日期：2022-12-21 修回日期：2023-01-18
基金项目：江苏省青蓝工程电子信息技术优秀教学团队、江苏省研
究生教育教学研究课题“应用型高校工科专业硕士研究
生数字化能力培养模式研究”（JGKT22_C049）
音播报可以选择JQ8900模块，占用两个IO端口控制对应的语音播报，可以自行选用未被占用的IO口，分别提示温度和湿度报警；两路风扇驱动采用L298，其中PC0、PC1和PC6控制风扇1，PC2、PC3和PC7控制风扇2，PC6和PC7是STM32的定时器8的PWM输出通道CH1和CH2的用，程序设计中可以自己取字模，显示必要的中文信息提示。

PC4端口接入DS3231的秒信号，配置PC4为外中断引脚，作为外中断控制端，在程序中读取数据、显示数据和状态信息等都在外中断服务程序中实现[6]，提高了主程序效率。

图2 硬件电路设计
3 软件设计
图3是主流程。

首先是终端装置与服务器建立连接；当
连接成功后，完成报文订阅并确认订阅是否成功。

单片机每
隔5 s在定时器中断发送温湿度数据和状态信息，当终端装
置接收到下发的数据或命令后，则对接收的数据或命令进行
处理。

这实际上是对接收到的字符串进行解析并提取和下发
数据信息或命令关键字。

主程序中，对测量的温湿度数据与
阈值进行比较，当超过设定的阈值后，则会分别进行报警提
示和启动对应的风扇运行。

当前状态信息也会上传至云平台，
用户在手机端实时掌握所有数据和状态信息。

终端装置读取
温湿度数据和时间信息、显示数据和阈值以及状态信息等都
在外中断服务程序中进行，不占用主程序运行。

4 教学组织实施
4.1 软硬件设计
在教学过程中，首先对与本系统案例相关的软件程序
作必要讲解与分析。

本案例是一个综合应用，涵盖了关于
STM32的重要知识点，同时加入了云平台，构成远程数据传
输和控制系统，进一步拓展了应用范围。

其中包括：LCD显
示、I2C接口的传感器应用等，串口2连接WiFi的远程访问，
定时器主要应用于定时发送数据和配合WiFi模块接收数据
以及外中断读取并显示数据，定时器产生PWM波等很多方
面。

因此，应该逐步理解各方面的知识点，对每个方面的软
件进行模块化编程与测试，这也可以在进行硬件设计时同步
开展。

在此过程中，可以看到不少同学学习过相关课程，也
会有一些相关的软件包，但应该对此进行细致分析，特别是
管脚定义、时序状态等细节方面，确认是否可以应用到本案
例中，这样才能保证软件设计的正确性。

软件设计时应该对
每一个单元模块单独进行测试，这样才是事半功倍的做法。

学生综合训练小组内部自行分工，负责硬件设计的同学
重视硬件电路设计，硬件电路是基础，保证硬件电路的正确
性才能为软件调试打下良好基础。

鼓励在综合训练过程中自
己设计电路并完成实物制作，硬件设计同样是模块化设计方
式，推荐的做法是把单片机芯片、LCD显示、字库芯片集成
设计到一块开发板上，开发板留有WiFi模块接口并引出所
有IO端口，另外I2C接口的时钟、温湿度模块和存储芯片
可以单独做成一个三合一的模块，最后连接到开发板上，开
发板只保留基本的单元，不必把所有的芯片或传感器都集成
到开发板上。

这样做的优点在于：开发板相对独立，可以更
换不同接口的模块，适用于不同的应用系统。

4.2 组织实施
负责软件编程和硬件设计的学生在综合训练时应加强沟
通，编写若干个独立单元的软件模块测试开发板，查看硬件
与软件是否都能正确运行。

例如编写LCD显示、串口2收发、
样通过软硬件设计结合达到综合训练的目的。

图3 主流程
在实际指导过程中，预先设计制作了整套系统，并测试完成；成功运行后，用照片和视频方式展示出来。

图4是手机端接收数据与运行状态的界面。

一方面完整展示系统实现的功能；另一方面激发学生学习兴趣，指导学生按步骤、有计划地实施，对每一个单元、
模块分别进行测试，最后再组合进行整体调试，这是必然要经历的过程。

通过这个方式，能够让学生学习如何设计与调试项目。

物联网云平台选择阿里云的飞燕平台，该平台与终端装置采用MQTT协议进行远程访问数据传输。

很多文献资料以及网络资源对该部分内容都有详细分析[7-8]，综合训练期间，在进行远程访问的功能测试时应先用一个最小化的远程数据测试软件系统进行测试。

例如远程控制一个开关的通断，或远程发送一个固定的数据等，这样对远程连接完成测试后，就掌握了数据上传与接收等各个环节，这对后续采集上传变量数据是很有帮助的。

一整合到综合训练项目，从而实现综合训练的功能任务。

总体来说，无论是硬件设计还是软件编程，都是经历从单元模块到整体调试的过程，如果不单独对软硬件进行模块化测试，是很难达到整体功能实现的。

学生通过综合训练，逐步掌握了软硬件设计分析方法，对模块化设计有了较深的理解[9]。

图4 实际运行的手机界面
5 结语
本文的综合训练案例包含了软硬件设计与调试等多个方面的知识，体现了综合训练具备的基础性、综合性、创新性和提高性的特点。

通过案例教学的方法，极大地激发了学生的学习兴趣，提高了综合训练教学的效率，使学生综合能力有了较大程度的提高[10]，有效地培养了学生的分析学习能力、团队协作能力、工程应用能力和创新能力。

在综合训练过程中，采用循序渐进的方式，引导学生既要有整体设计思维，又要具备从单元模块到整体调试的能力。

综合训练期间进行硬件开发板设计，并完成软件编程调试，这些都能为后续进一步应用拓展很大的空间。

综合训练培养学生掌握系统设计方法，锻炼其实践应用能力，为今后的发展打下良好的基础。

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系统[J].南京工程学院学报（自然科学版），2022，20（2）：31-37.
（下转第142页）
4 结语
本文设计并实现了基于CDIO理念的给排水监测实训平台，为相关专业学生创造了水文环境监测和供水管网节水的实训条件，明显提升了物联网相关学科的教学效果，同时也解决了学校给排水监测的难题，主要成效包括：①学生积极参与实训项目，在对校园环境监测的实践中完成了理论知识渗透，工程项目应用的综合能力明显提升；②学生通过实训项目的实际运维，对社会、经济和环境因素有了全面认识，通过总结提高后积极参与“互联网+”、挑战杯等创新创业大赛，近两年已获相关省级奖励3项，激发了学生的创新创业热情；③教学团队通过给排水监测系统的建设，协助学校开展了节水治水工作，学校近两年连续获得了“节水型高校”和“节约型公共机构示范单位”称号。

通过近两年的实践表明，采用该平台的成效显著，提供了新型的节水教育和实训方式，可供相关专业研究参考。

参考文献
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2016，34（6）：1-6.
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方案分析情况，引导学生思考如何利用物联网、各类传感器等相关技术
解决实际问题，并构思系统方案；同时要求学生完成组队
（2～4人）和制定课题计划
队员之间的交流与协作情况考核学生的项目运作与管理
能力
方案设计在充分考虑社会、安全以及环境等因素的前提下，指导学生完
成项目的系统方案设计、原件选型和电路原理设计
通过学生团队所设计方案的完成程度，考核学生自主学习、
文献检索、专业表达等方面的能力
方案验证指导学生完成传感器硬件制作、软硬件系统联调和初步性能测
试；设计并实施恰当的物联网网络传输和应用
通过学生团队在方案验证过程中各个环节（制作、开发、
测试）的相互配合和熟练程度，考核学生使用现代工具进
行软硬件开发的能力
方案实施
指导学生在实际应用环境中对作品进行较长时间的运行测试，
综合考虑生态环保和节能减排等理念，评估运行成本，撰写设
计报告
根据学生团队对系统进行运行维护和撰写设计报告的情况，
考察学生在解决实际工程问题的同时，将社会、经济、环
境等因素纳入其中的综合能力
作者简介：周城（1979—），男，湖北武汉人，博士，讲师，主要研究方向为信号处理。

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[10]包建荣，姜斌，许晓荣.电子信息类专业协同创新实践培养模
式探讨[J].实验室研究与探索，2016，35（5）：170-173.
作者简介：刘静波（1969—），男，江苏靖江人，南京工程学院信息与通信工程学院高级实验师，研究方向为电子技术应用。

（上接第138页）。