CN109240675A - 基于wifi的便携式可视化硬件编程系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于WIFI的便携式可视化硬件编程系统及方法。本发明系统包括具有网页浏览器的编程设备，用于进行可视化的硬件编程；服务器，用于运行拖拽式编程系统，提供WIFI服务，以及实现嵌入式开发板上的程序烧录；拖拽式编程系统，提供一种可视化的编程环境，用于编写实验程序；WIFI通信模块，用于编程设备与服务器的无线连接和通信；嵌入式开发板，用于执行在编程设备上编写的实验程序，并控制外部设备运行；外部设备，用于执行嵌入式开发板的输出命令，呈现程序执行结果；外壳，用于封装服务器、嵌入式开发板、可充电电池和外部接口板。还公开了一种应用于上述系统的方法。上述方法简单易学，趣味性高，系统搭建方便且成本较低，可随时随地进行硬件编程，解决了硬件编程平台搭建难度大、编程复杂的问题。

Description

基于WIFI的便携式可视化硬件编程系统及方法

技术领域

本发明属于电子技术类，属于硬件控制领域，涉及基于WIFI的便携式可视化硬件编程系统及方法。

背景技术

近年来，计算机编程热度逐步升温，已成为全球中学的热门课程。美国非营利机构Code.org从2013年开始举办“编程一小时“活动以来，集结了社会各界力量，召集了更多的学生来学习并挑战编程。2014年9月，英国教育部启用新的计算机教学大纲，新的大纲规定，孩子从5岁就得学习使用算法公式编程，从11岁学习程序设计语言。中国的少儿编程教育起步虽晚，但这两年的革新也是突飞猛进，2017年的中国浙江省高考加入了信息技术科目正是应证了这一点，而今后的教育改革也都会围绕这个变化来开展。现今，在全球有数百万数千万的孩子从小学习编程，可以看到编程正在逐渐成为一种普适的技能，而编程思维也正在成为一种必备的个人素质和社会要求。

针对以上现状和趋势，很多创客家族开始涉足青少年教育领域，尤其是编程教育，如爱创家、米思齐、编学边玩等。它们都通过对传统光标、指针类编程方式进行改革，采用新颖的可视化的编程方式，消除青少年对传统编程方式的恐惧，降低编程入门的门槛，从而调动青少年的积极性和兴趣，而且取得了不错的反响。但这种改革并不彻底，大家观念只是发生了从“代码编程”到“可视化拖拽式编程”的转换，而“编程要使用电脑”、“硬件开发需要串口调试”这些观念依然根深蒂固，并没有有效的利用时下流行的WIFI通信技术，并没有将趣味编程与当下流行的移动设备，如平板电脑、智能手机等灵活的结合起来，基于这个原因本专利发明了一种基于WIFI的便携式可视化硬件编程系统，并提出了相应的编程方法。它除了使用可视化、拖拽式编程技术之外，还通过引入平台服务器作为介质，巧妙地利用WIFI通信技术，实现了硬件编程的无线化和可视化，简化了传统的编程和调试方式，使青少年和爱好者更加专注于代码的设计和编程本身。

发明内容

本发明提供了一种基于WIFI的便携式可视化硬件编程系统及方法，解决了现有硬件编程平台搭建难度大、编程复杂的问题。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种基于WIFI的便携式可视化硬件编程系统，它包括编程设备、服务器、拖拽式编程系统、WIFI通信模块、嵌入式开发板、外部设备，外壳，其特征在于，所述的编程设备不仅可以是具有网页浏览器的台式计算机，而且还可以是具有网页浏览器的智能手机、平板电脑、笔记本电脑；所述的拖拽式编程系统是搭建在所述服务器上的网站，其网页布局为：左侧是集成了硬件驱动模块的工具箱，其中罗列出若干个图标，每个图标集成了外部设备的控制模块，右侧是编辑区，用户通过拖拽的方式将左侧工具箱中的图标移动到右侧编辑区进行程序编写，编辑区右上角有一个“上传”按钮，它集成了使用所述WIFI通信模块将编写的程序烧录到所述的嵌入式开发板的功能模块，用户通过点击“上传”按钮实现一键烧录。所述的WIFI通信模块搭建在所述的服务器上，用于所述的编程设备与所述的服务器的无线连接和通信；所述的外部设备是指LED灯、数字式传感器、舵机、智能小车、智能机器人和无人机，用于执行所述的嵌入式开发板的输出命令，呈现程序执行结果；所述的外壳是一个长方体塑胶盒，用于封装所述的服务器、嵌入式开发板、可充电电池和外部接口，其外部有USB调试口、HDMI接口、运行指示灯、Micro USB充电口、5V/1A USB供电口、电量指示灯、reboot按键孔、外部设备接口。

本发明的工作流程为，用户打开所述的外壳上的开关，将所述的外部设备连接到所述外壳的外部设备接口，将所述的编程设备通过所述的WIFI通信模块连接到所述的服务器上，然后在所述的编程设备的网页浏览器上访问所述的拖拽式编程系统，在所述的拖拽式编程系统中进行编程，程序编辑完成后点击所述的拖拽式编程系统中的“上传”按钮进行程序烧录，烧录完成后，所述的外部设备就被驱动起来，完成相应的工作。

本发明的有益效果为：

1、提供了一种基于WIFI的嵌入式系统编程方法，只需要连接WIFI就可以实现嵌入式硬件系统开发，简单易用。

2、提供了一种可面向多平台的可视化远程开发环境，可采用相同的方法对不同的嵌入式开发板进行开发。

3、提供了一种可视化硬件编程系统，该编程系统可以连接多种控制设备，如智能家电、无人机、智能小车、智能机器人，为广大计算机编程爱好者提供了一种外部设备的开发和控制工具。

附图说明

附图1为本发明的整体结构示意图。图中，1为编程设备，2为服务器，3为拖拽式编程系统，4为WIFI通信模块，5为嵌入式开发板，6为外部设备接口板，7为外部设备，8为可充电电池。

附图2为本发明的硬件编程系统外壳结构示意图。图中，1为外部设备接口板，2为嵌入式开发板，3为服务器主板，4为可充电电池，5为外部设备接口，6为Micro USB充电口,7为5V/1A USB供电口，8为电量指示灯，9为reboot按键孔，10为USB调试口,11为HDMI接口，12为运行指示灯。

附图3为服务器搭建流程图。

附图4为程序编译和烧录的shell脚本程序流程图。

具体实施方式

以下实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应该指出的是，对于本专业领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围，因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

模块的选型：服务器用基于ARM的CortexTM-A7芯片设计；WIFI通信模块选用无线网卡AP6210；编程设备选用带网页浏览器和WIFI功能的智能手机；嵌入式开发板选择Arduino MEGA2560；电池选择输出功率为5V/2A以上，带有2个USB供电口和一个Micro USB充电口的可充电电池；外部设备接口板可根据嵌入式开发板外部接口和本发明所述外壳要求的结构自行设计；外部设备选用LED灯。

各模块连接方法：可充电电池的一个供电口与服务器主板的电源口相连，另一个供电口与外部设备接口板上的5V/1A USB供电口相连，充电口与外部设备接口板上的MicroUSB充电口相连；外部设备连接到外部设备接口板上的相应接口上；服务器主板通过RS-232串口与嵌入式开发板相连；嵌入式开发板通过排针与外部设备接口板相连；智能手机通过WIFI通信模块与服务器相连；使用智能手机上的网页浏览器输入服务器IP地址，登录到拖拽式编程系统。

服务器搭建：服务器在Linux操作系统环境下使用Python语言搭建，附图3为服务器搭建流程图。具体的，

F1按下电源按钮，给服务器主板上电。

F2检测WIFI模块和WIFI热点是否开启，如果开启进入步骤F4，否则，进入步骤F3。

F3开启WIFI通信模块，在服务器上建立WIFI热点，之后进入步骤F3。

F4调用负责搭建服务器的Python脚本以启动服务器。

F5在服务器上运行拖拽式编程系统的网页文件以打开网页服务。

F6监听服务端口，如果网页端有回传代码就进入步骤F7，否则，继续步骤F6。

F7获取用户的程序代码。

F8对获取的用户代码进行预处理，添加对应头文件和编译执行所需的函数。

F9以“.c”或“.ino”格式保存步骤F8预处理后的代码。

F10调用编译和烧录的shell脚本将程序编译并烧录到嵌入式开发板。

F11如果拖拽式编程系统关闭，则结束，否则进入步骤F6。

编译和烧录的shell脚本：附图4为程序编译和烧录的shell脚本程序流程图。具体的，

S1读取和加载嵌入式开发板信息，包括开发板的型号、架构信息和端口号。

S2根据嵌入式开发板信息，指定对应的编译所需要的编译工具和烧录工具。

S3指明各工具所依赖的库文件的路径。

S4初始化各工具配置文件并指明其路径。

S5调用编译工具对代码进行编译，然后调用烧录工具对程序进行烧录。

拖拽式编程系统界面设计：拖拽式编程系统是搭建在服务器上的网站，其网页布局为，左侧是集成了硬件驱动模块的工具箱，其中罗列出若干个图标，每个图标集成了外部设备的控制模块，右侧是编辑区，用户通过拖拽的方式将左侧工具箱中的图标移动到右侧编辑区进行程序编写。编辑区右上角有一个“上传”按钮，它集成了将编写的程序烧录到嵌入式开发板的功能模块，用户通过点击“上传”按钮实现一键烧录。

系统工作流程：用户按照上述步骤连接好系统组件之后，打开外壳上的开关，将外部设备连接到外壳的外部设备接口，将编程设备通过WIFI通信模块连接到服务器上，然后在编程设备的网页浏览器上访问拖拽式编程系统，在拖拽式编程系统中进行编程，程序编辑完成后点击拖拽式编程系统中的“上传”按钮进行程序烧录，烧录完成后，外部设备就被驱动起来，完成相应的工作。

实施例1

用户将LED灯连接至所述的外壳的对应外部设备接口上，然后按下所述的外壳上的启动开关将所述的硬件编程系统启动，使用所述的编程设备连接所述的服务器，在所述的编程设备上打开网页浏览器，登录到所述的拖拽式编程系统，将控制图标从工具箱拖入编辑区，输入LED灯所连接的接口编号，点击下拉框选择‘HIGH’，点击编辑区右上方“上传”按钮，即可将程序烧录到嵌入式开发板，之后就可以看到LED灯亮。

实施例2

用户将智能家居配件连接至所述的外壳的外部设备接口上，然后按下所述的外壳上的启动开关将所述的硬件编程系统启动，使用所述的编程设备连接所述的服务器，在所述的编程设备上打开网页浏览器，登录到所述的拖拽式编程系统，在所述的拖拽式编程系统的工具箱中将温度传感器、红外传感器、声音传感器、光线传感器对应的模块拖拽至右侧编辑区，并添加逻辑控制模块，编辑完成后，点击编辑区右上方“上传”按钮，即可将程序烧录到嵌入式开发板，所述的硬件编程系统将变成一个智能家居监控系统，实现火情预警、智能照明、入侵检测、自动巡逻功能。

Claims (13)

1.一种基于WIFI的便携式可视化硬件编程系统，它包括编程设备、服务器、拖拽式编程系统、WIFI通信模块、嵌入式开发板、外部设备，外壳，其特征在于，

编程设备，利用位于其上面的网页浏览器打开位于所述的服务器上的所述的拖拽式编程系统；

拖拽式编程系统，提供一种可视化的编程环境，用于编写实验程序；

WIFI通信模块，用于所述的编程设备与所述的服务器的无线连接和通信；

服务器，运行所述的拖拽式编程系统，提供WIFI服务，以及实现所述的嵌入式开发板上的程序烧录；

嵌入式开发板，执行在所述的编程设备上编写的实验程序，并控制所述的外部设备运行；

外部设备，执行所述的嵌入式开发板的输出命令，呈现程序执行结果；

外壳：封装所述的服务器、嵌入式开发板、可充电电池和外部接口板。

2.根据权利要求1所述的一种基于WIFI的便携式可视化硬件编程系统，其特征在于所述的编程设备不仅可以是具有网页浏览器的台式计算机，而且还可以是具有网页浏览器的智能手机、平板电脑、笔记本电脑。

3.根据权利要求1所述的一种基于WIFI的便携式可视化硬件编程系统，其特征在于所述的拖拽式编程系统的网页布局为：左侧是集成了硬件驱动模块的工具箱，其中罗列出若干个图标，每个图标集成了外部设备的控制模块，右侧是编辑区，用户通过拖拽的方式将左侧工具箱中的图标移动到右侧编辑区进行程序编写。

4.根据权利要求1所述的一种基于WIFI的便携式可视化的硬件编程系统，其特征在于所述的拖拽式编程系统的编辑区右上角有一个“上传”按钮，它集成了使用所述WIFI通信模块将编写的程序烧录到所述的嵌入式开发板的功能模块，用户通过点击“上传”按钮实现一键烧录的目的。

5.根据权利要求1所述的一种基于WIFI的便携式可视化硬件编程系统，其特征在于所述的WIFI模块一键烧录程序的实现过程为：所述的服务器从所述的拖拽式编程系统中获取用户编写的图标式代码，将其转换为文本格式的C语言代码，并以“.c”或“.ino”文件格式保存在所述的服务器中,然后所述的服务器执行一个编译和烧录上述保存的文件的shell脚本，将编译好的可执行程序通过串口烧录至所述的嵌入式开发板。

6.根据权利要求1所述的一种基于WIFI的便携式可视化硬件编程系统，其特征在于所述服务器支持多种操作系统，包括安卓、IOS、Mac OS、Windows、Linux、Unix。

7.根据权利要求1所述的一种基于WIFI的便携式可视化硬件编程系统，其特征在于所述的服务器的主板与所述的嵌入式开发板通过串口进行连接通信。

8.根据权利要求1所述的一种基于WIFI的便携式可视化硬件编程系统，其特征在于所述的嵌入式开发板的接口与arduino平台的接口兼容。

9.根据权利要求1所述的一种基于WIFI的便携式可视化硬件编程系统，其特征在于所述的可充电电池的一个供电口给所述的服务器主板供电，另一个供电口引到所述的外壳上，给所述的外部设备供电。

10.根据权利要求1所述的一种基于WIFI的便携式可视化硬件编程系统，其特征在于所述的外壳为长方体塑胶盒，其前面板有USB调试口、HDMI接口和运行指示灯；右侧面板有Micro USB充电口、5V/1A USB供电口、电量指示灯、reboot按键孔；顶面有外部设备接口。

11.根据权利要求1所述的一种基于WIFI的便携式可视化硬件编程系统，其特征在于所述的外壳的内部结构为，第一层是可充电电池；第二层是所述的服务器主板；第三层是所述的嵌入式开发板；第四层是外部设备接口板。

12.根据权利要求1所述的一种基于WIFI的便携式可视化硬件编程系统，其特征在于所述的外壳的内部连接关系为，可充电电池的一个供电口与所述的服务器主板的电源口相连，另一个供电口与外部设备接口板上的5V/1A USB供电口相连，充电口与外部设备接口板上的Micro USB充电口相连；所述的服务器主板通过RS-232串口与所述的嵌入式开发板相连；所述的嵌入式开发板通过排针与所述的外部设备接口板相连。

13.一种基于WIFI的便携式可视化硬件编程方法，其特征在于，所述的WIFI通信模块和所述的拖拽式编程系统均搭建在所述的服务器上，用户将所述的外部设备连接到所述外壳的外部设备接口，通过所述的编程设备上的网页浏览器登录到所述的拖拽式编程系统，编好硬件实验程序后，通过所述的WIFI通信模块将程序烧录到所述的嵌入式开发板后，所述的外部设备就被驱动起来。