大学生工程创新

社会需求导向及新的计算机技术的快速发展，为工程创新提出新的要求。没有工程创新，无论是科学知识还是技术知识，都只能是潜在的生产力。但是从科技到工程的转化，需要突破跨越诸多壁垒。作者在多年指导大学生进行创新设计时发现：大多数竞赛处于学生自发的、非正规的、不系统的训练摸索中。不系统，不高效。本书就是以系统方法论为主，科技技能训练为辅，两者并行，穿插技术方案讨论与更新。包括创新思维训练、科技技能训练、实训与实践训练。 

《大学生工程创新》从“如何想”和“如何做”两个角度出发，系统介绍了大学生工程创新训练中所涉及的创新能力培养、创新思维训练、硬件技能、软件技能和实践实训五个环节。首先介绍工程创新基本概念、选题立项和产品设计；接着详细介绍嵌入式微控制器、传感器和执行器、无线通信技术和移动终端开发等关键技术；后借用商业计划书总结归纳，并详细介绍三个典型项目（智能旅行箱、意念四驱车、3D养老小管家）的实现过程。《大学生工程创新》取材于新一届大赛获奖作品，提供较多应用案例。内容丰富、层次清晰，包括大学生工程创新训练整个过程。
《大学生工程创新》取材于新一届大赛获奖作品，提供较多应用案例。内容丰富、层次清晰，包括大学生工程创新训练整个过程。可作为高等院校相关专业的创新类课程教材，也可作为学生科技竞赛指导书。

王志良 教授/博导
北京科技大学 计算机与通信工程学院 物联网与电子工程系主任
中国人工智能学会人工心理与人工情感专业委员会主任
重大专项（物联网）总体组专家
中国智慧城市产业联盟副理事长
北京物联网研究会理事长
北京市物联网产业规划首席科学家
•在国内率先开始人工心理和情感计算的相关理论及技术应用研究 。
•发表论文《人工心理学》被IPMM99, ICAI99两个国际会议接受为大会主题发言。
•近年来主持完成（或在进行中）国家863项目、973子项目、国家自然科学基金项目，国家攻关项目，*重点科研项目，*博士点基金项目等多项科研项目。
•指导毕业博士和硕士研究生五十余人。发表学术论文180 余篇，其中被SCI, EI, ISTP 收录60余篇。
•出版《人工心理》《人工情感》、物联网：现在与未来》《物联网工程概论》等多部著作。
获高等教育教学成果二等奖一项、冶金科学技术奖特等奖一项。

前言
第1章　工程创新　1
1.1　工程创新的内涵　2
1.2　工程创新的性质　4
1.3　大学生工程创新训练　5
1.3.1　创新思维　6
1.3.2　技能训练　11
思考题　17

第2章　选题与立项　18
2.1　选题原则与重要性　19
2.2　信息检索与利用　21
2.3　借用计划梳理思路　26
思考题　28

第3章　产品设计　29
3.1　产品设计的定义　30
3.2　产品设计流程　31
3.2.1　前期分析　31
3.2.2　设计环节　34
思考题　48

第4章　嵌入式微控制器　49
4.1　嵌入式系统与嵌入式处理器　50
4.1.1　嵌入式系统　50
4.1.2　嵌入式处理器　51
4.2　典型嵌入式微控制器　52
4.2.1　80C51系列　53
4.2.2　MSP430系列　55
4.2.3　STM32系列　56
4.3　嵌入式微控制器应用领域及选型参考　61
4.3.1　嵌入式微控制器应用领域　61
4.3.2　嵌入式微控制器选型参考　63
4.4　嵌入式系统开源平台　67
4.4.1　Arduino　67
4.4.2　树莓派　71
思考题　75

第5章　传感器和执行器　76
5.1　传感器　77
5.1.1　传感器基础　77
5.1.2　无线传感器网络　81
5.1.3　常用传感器及模块　83
5.2　执行器　91
5.2.1　执行器基础　91
5.2.2　常用执行器　92
思考题　100

第6章　无线通信技术　101
6.1　无线通信技术介绍　102
6.2　蓝牙　105
6.2.1　蓝牙概念　105
6.2.2　蓝牙技术特点　106
6.2.3　蓝牙协议规范　107
6.2.4　蓝牙应用　109
6.3　ZigBee　110
6.3.1　ZigBee概念　110
6.3.2　ZigBee技术特点　113
6.3.3　ZigBee协议规范　114
6.3.4　ZigBee应用　117
思考题　119

第7章　移动终端开发　120
7.1　Android　121
7.1.1　系统介绍　121
7.1.2　系统架构　121
7.1.3　开发环境搭建　123
7.1.4　个安卓程序　128
7.1.5　查阅API文档　139
7.2　iOS　143
7.2.1　iOS概述　143
7.2.2　开发环境及开发工具　144
7.2.3　关键技术分析　146
思考题　154

第8章　商业计划书　155
8.1　商业计划书概述　156
8.2　商业计划书编写　157
8.3　完成计划书后　164
思考题　165

第9章　创新创业实践项目　166
9.1　智能旅行箱　167
9.1.1　功能介绍　167
9.1.2　器件及开发平台　168
9.1.3　详细设计　173
9.1.4　系统测试　183
9.2　意念四驱车　186
9.2.1　功能介绍　187
9.2.2　关键技术及器件　188
9.2.3　详细设计　194
9.2.4　系统测试　199
9.3　3D养老小管家　201
9.3.1　功能介绍　201
9.3.2　关键技术及平台　204
9.3.3　详细设计　208
9.3.4　测试结果　219
思考题　220
参考文献　221

工程是以构建、运行及集成创新为核心的人类活动。它既不是单纯的科学应用，也不是相关技术简单的拼接。工程创新用来特指那些发生在工程中的创新活动。在一项工程中，工程创新贯穿其全过程。如果说研发是创新活动的前哨战场，那么工程创新是创新活动的主战场。在大学里，学以致用的好体现就是将课堂理论知识与工程实践相结合。而大多数创新活动处于学生自发的、非正规的、不系统的训练摸索中。本书结合大学生工程创新能力培养需求，整理一套适合工科学生的“学科式”创新能力培养模式，将有兴趣的学生及团队集中，方法论加实践实训的培养模式，多维度提高学生工程创新能力。
《大学生工程创新》旨在带领读者从“如何想”和“如何做”两个角度出发，用“创新创意”和“技术技能”两条腿实现完整的工程创新项目训练。结合当前热门信息技术，由简到繁，辅以案例与应用，分别从工程创新方法、创新技能训练、实践项目解析三个部分详细介绍大学生工程创新所需的创新思维及实现方法。在培养训练创新思维，选择有创新性且合理可行的题目后，通过可实现的技术手段完成工程创新项目。
大学生工程创新训练以系统的方法论为主，科技技能训练为辅。涉及创新能力培养、创新思维训练，硬件技术训练，软件技术训练、实践实训五个环节。本书共9章：第1章为工程创新，重点介绍工程创新概念、创新思维方法及大学生工程创新训练的基本环节；第2章为选题与立项，简述选题原则与重要性，介绍信息检索方法及如何有效利用信息，终借用计划书梳理思路；第3章为产品设计，从产品设计的定义出发，强调需求的重要性并介绍产品设计流程，通过UI设计和外观设计两个案例辅助解释设计流程及方法；第4章为嵌入式微控制器，介绍嵌入式系统并引入典型嵌入式微控制器，后介绍常用的嵌入式系统开源平台；第5章为传感器和执行器，介绍常用传感器、执行器原理及应用；第6章为无线通信技术，结合典型应用介绍蓝牙、ZigBee技术的概念、技术特点及协议规范；第7章为移动终端开发，介绍当前主流移动终端开发平台Android、iOS系统及开发环境；第8章为商业计划书，介绍典型商业计划书的书写格式及内容要求；第9章为创新创业实践项目，从项目概述、关键技术介绍、详细设计到系统测试，详细介绍智能旅行箱、意念四驱车、3D养老小管家3个典型项目的实现过程，辅助说明工程创新的过程及常用方法和技术手段。
《大学生工程创新》涉及内容贯穿整个工程创新训练环节，起到辅助、指导及引导作用。可供计算机、通信、物联网等相关信息类学科本科生选用，也可作为科技竞赛指导书使用。授课教师可根据本校的教学计划，灵活调整授课时间。本书建议授课学时为32学时：第1~3章，建议各安排2学时，掌握创新方法，明确选题并完成设计，完成项目准备工作；第4~7章，建议各安排4学时，了解关键技术并配合实训练习；第8章，建议安排2学时，了解商业计划书撰写的方式方法；第9章，建议安排8学时，介绍典型案例并结合实训练习。
《大学生工程创新》由王志良负责制定大纲并指导全书写作、统稿和组织工作。于泓参与本书第1、2、5、6、8章的编写工作及全书文字审校；谌业鹏、王梧蓉、乔柱参与了第3章的编写工作；史少波、何小鹏参与了第4章的编写工作；苏伟参与了第5章的编写工作；韦雯莹参与了第6章的编写工作；刘嘉铭、李鑫参与了第7章的编写工作；马瑞雄、朱丹阳、张建达参与了第9章的编写工作。
作为“全国高校物联网及相关专业教学指导小组”和“物联网工程专业教育研究专家组”成员，同时任多项大学生科技创新竞赛专家评委及指导教师，王志良教授从其组织的教学教研及学生科技创新活动中吸取经验并总结形成大学生工程创新的教育理念，贯穿于本书的编写中，形成本书特色。
《大学生工程创新》的出版得到了机械工业出版社的大力支持，在此表示诚挚的感谢。本书已列入北京科技大学校级“十二五”规划教材，书籍的编写与出版得到了北京科技大学教材建设经费的资助，在此表示感谢。同时感谢北京科技大学2014年度校教育教学改革与研究面上项目、北京科技大学2016年度本科教育教学改革与研究重点项目给予的支持和资助。
在编写过程中，本书引用了互联网上的资讯和相关领域的报道等，在此一并向原作者和刊发机构致谢。由于时间仓促等原因对引用未能一一注明，对此深表歉意。
由于时间仓促，加上编者水平有限，书中难免会有疏漏之处，恳请各位读者批评指正，在此编者表示衷心的感谢！
编者　　
2016年12月