摘 要：至20世紀(jì)90年代物聯(lián)網(wǎng)概念出現(xiàn)以來(lái)，越來(lái)越多的人們對(duì)其產(chǎn)生興趣。物聯(lián)網(wǎng)是在計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上，利用傳感器技術(shù)、無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)通信、計(jì)算機(jī)處理等技術(shù)，構(gòu)造一個(gè)覆蓋世界上萬(wàn)事萬(wàn)物的實(shí)物互聯(lián)網(wǎng)。將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，與數(shù)字化實(shí)驗(yàn)結(jié)合起來(lái)，研發(fā)具有物聯(lián)網(wǎng)功能的數(shù)字化教學(xué)傳感器已經(jīng)是目前數(shù)字化實(shí)驗(yàn)中很有發(fā)展前景的方向。將物聯(lián)網(wǎng)與數(shù)字化實(shí)驗(yàn)結(jié)合起來(lái)必將帶來(lái)一場(chǎng)深刻的教學(xué)實(shí)驗(yàn)的科技變革，帶來(lái)人類(lèi)科技文明的飛躍。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng) 數(shù)字化實(shí)驗(yàn) 發(fā)展 應(yīng)用

中圖分類(lèi)號(hào)：G633.67 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1673-9795（2013）08（a）-0168-01

1 物聯(lián)網(wǎng)的概念

物聯(lián)網(wǎng)的概念是在1999年提出的，就是“物物相連的互聯(lián)網(wǎng)”。有兩層意思：（1）物聯(lián)網(wǎng)的核心和基礎(chǔ)仍然是互聯(lián)網(wǎng)，是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上的延伸和擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)；（2）其用戶(hù)端延伸和擴(kuò)展到了任何物品與物品之間進(jìn)行信息交換和通訊。

2 數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的由來(lái)與現(xiàn)狀

傳統(tǒng)的物理，化學(xué)，生物實(shí)驗(yàn)都是直接進(jìn)行測(cè)量，學(xué)生的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)需要自己記錄，如實(shí)驗(yàn)過(guò)程十分復(fù)雜，要采集或者處理的數(shù)據(jù)量非常多，用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法就顯得很繁復(fù)，而這時(shí)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)就顯示巨大的威力，使學(xué)生寓教于樂(lè)，愛(ài)上實(shí)驗(yàn)課程。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中教師可以指導(dǎo)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室中對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，處理學(xué)生可以對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，探討，更能體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)的樂(lè)趣，更加享受實(shí)驗(yàn)。這是數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)所在。但目前的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)都是單一而孤立進(jìn)行的，僅局限于一些近距離的小實(shí)驗(yàn)，且傳感器和采集器多采用有線(xiàn)連接，若一個(gè)實(shí)驗(yàn)需用到4～5個(gè)傳感器，那么采集器和傳感器的連接線(xiàn)就可以占滿(mǎn)半個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，這樣實(shí)驗(yàn)做起不是很方便。

3 物聯(lián)網(wǎng)與數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的結(jié)合

由于物聯(lián)網(wǎng)具有自由互聯(lián)，物物互聯(lián)的特點(diǎn)，啟發(fā)我們將物聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)與數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)結(jié)合起來(lái)研發(fā)具有物聯(lián)網(wǎng)功能的數(shù)字化教學(xué)傳感器，實(shí)現(xiàn)教學(xué)傳感器的小型化，無(wú)線(xiàn)化，自由互聯(lián)化，采用ZIGBEE為基礎(chǔ)的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，配上數(shù)字化傳感器，使教學(xué)實(shí)驗(yàn)可以隨心所欲，自由伸展。其基本的架構(gòu)如圖1所示。

其中傳感器側(cè)：

溫度補(bǔ)償模塊主要由溫度傳感器與精密分壓電阻及運(yùn)算放大器組成，連接到嵌入式CPU模塊輸入端，嵌入式CPU對(duì)運(yùn)算放大器送出的電壓信號(hào)進(jìn)行采集，電壓信號(hào)通過(guò)內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。

嵌入式CPU模塊是基于32位RISC的嵌入式處理機(jī)，由RISC機(jī)核和FLASH，RAM，EEPROM等組成，通過(guò)本模塊的JTAG口對(duì)CPU模塊進(jìn)行仿真，燒寫(xiě)等開(kāi)發(fā)工作，用戶(hù)可以根據(jù)不同的傳感器類(lèi)型，傳感器數(shù)據(jù)的不同等級(jí)，采用不同的通訊密碼算法，進(jìn)行不同等級(jí)的開(kāi)發(fā)。

ZIGBEE通訊模塊由芯片及晶振，電阻，電容等組成，芯片內(nèi)置ZIGBEE認(rèn)證堆棧和無(wú)線(xiàn)電，可配置的器件類(lèi)型和網(wǎng)絡(luò)設(shè)置，通過(guò)SPI接口與嵌入式CPU模塊進(jìn)行通訊。

傳感器數(shù)據(jù)采集模塊主要由可自由互換的傳感器，運(yùn)算放大器電路，電阻，電容等組成，其作用是通過(guò)傳感器所獲取的電流，電壓的小信號(hào)進(jìn)行放大，濾波，送入嵌入式CPU模塊進(jìn)行A/D采樣，保持處理，從而得到有用的數(shù)字信號(hào)。

后備電池及電源電路模塊是用于轉(zhuǎn)換各部分所需的不同等級(jí)的電壓。

其中PC側(cè)：

PC側(cè)的嵌入式CPU模塊也是基于32位RISC的嵌入式處理機(jī)，由RISC機(jī)核和FLASH，RAM，EEPROM等組成，通過(guò)本模塊的JTAG口對(duì)CPU模塊進(jìn)行仿真，燒寫(xiě)等開(kāi)發(fā)工作，用戶(hù)可以根據(jù)不同的傳感器類(lèi)型，傳感器數(shù)據(jù)的不同等級(jí)，采用不同的通訊密碼算法，進(jìn)行不同等級(jí)的開(kāi)發(fā)。

ZIGBEE通訊模塊也是由芯片及晶振，電阻，電容等組成，芯片內(nèi)置ZIGBEE認(rèn)證堆棧和無(wú)線(xiàn)電，可配置的器件類(lèi)型和網(wǎng)絡(luò)設(shè)置，通過(guò)SPI接口與嵌入式CPU模塊進(jìn)行通訊。

USB通訊模塊是由全速USB芯片為核心組成，內(nèi)置USB協(xié)議棧，可以通過(guò)PC機(jī)的USB口與PC機(jī)交換數(shù)據(jù)，同時(shí)將從PC的USB口得到5 V電源。

電源處理模塊將從USB側(cè)得到的電源轉(zhuǎn)換為各部分所需不同等級(jí)的低壓電源。

具體工作過(guò)程如下：

傳感器側(cè)的傳感器感知信號(hào)通過(guò)傳感器采集模塊將信號(hào)送入嵌入式CPU模塊，溫度補(bǔ)償模塊也將信號(hào)送入嵌入式CPU模塊，經(jīng)嵌入式CPU模塊處理后將編碼加密后信號(hào)送入ZIGBEE通訊模塊，ZIGBEE模塊通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)將信號(hào)傳送給PC側(cè)的ZIGBEE模塊，PC側(cè)的ZIGBEE模塊將信號(hào)收錄后送入PC側(cè)的嵌入式CPU模塊，此模塊將信號(hào)進(jìn)行解碼后通過(guò)USB信道送入PC機(jī)，再由PC機(jī)對(duì)多個(gè)或單個(gè)的傳感器信號(hào)按照不同的時(shí)間進(jìn)行曲線(xiàn)擬合與顯示。從而構(gòu)成分布式物聯(lián)網(wǎng)傳感器系統(tǒng)。

4 結(jié)語(yǔ)

物聯(lián)網(wǎng)是繼計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)通信網(wǎng)之后的又一次信息產(chǎn)業(yè)浪潮，是一個(gè)全新的技術(shù)領(lǐng)域，物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，為從事互聯(lián)網(wǎng)和IT行業(yè)的工業(yè)者帶來(lái)了更多美好的希望，也成為國(guó)家振興產(chǎn)業(yè)的一個(gè)課題。對(duì)于教育，國(guó)家提出科教興國(guó)的戰(zhàn)略，如何讓我國(guó)的教育走在世界的前列，把先進(jìn)技術(shù)及時(shí)的應(yīng)用到教育行業(yè)，教育能夠真正的成為推動(dòng)中國(guó)進(jìn)步的有力保障，對(duì)于每一個(gè)有責(zé)任的公民都是一個(gè)值得思考的問(wèn)題，將物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用到教學(xué)實(shí)驗(yàn)中，讓物聯(lián)網(wǎng)為教育服務(wù)，這是我們研究物聯(lián)網(wǎng)數(shù)字化傳感器的出發(fā)點(diǎn)與落腳點(diǎn)，通過(guò)不斷的積累，物聯(lián)網(wǎng)數(shù)字化教學(xué)傳感器一定會(huì)更好的為教育服務(wù)，為學(xué)生服務(wù)，將中國(guó)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)與創(chuàng)新教育推動(dòng)到一個(gè)新的高度！