龍浩 黃娜 李媛

[摘 要]? 面向新工科教育背景下應(yīng)用型人才培養(yǎng)的需求，構(gòu)建新型的傳感器綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)摒棄了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)裝置的固定結(jié)構(gòu)，學(xué)生可根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求，自主搭建多種調(diào)理電路并實(shí)現(xiàn)功能擴(kuò)展。系統(tǒng)采用無(wú)線通信技術(shù)，并與LabVIEW虛擬仿真平臺(tái)結(jié)合，整合傳感器信號(hào)的測(cè)量、傳輸、分析與處理，使學(xué)生在掌握傳感器原理基本理論知識(shí)的同時(shí)，從系統(tǒng)的角度建立完整的傳感器應(yīng)用知識(shí)體系?；谠撓到y(tǒng)設(shè)計(jì)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目綜合案例，以綜合實(shí)踐訓(xùn)練的方式提高學(xué)生的科技創(chuàng)新和項(xiàng)目開(kāi)發(fā)能力。教學(xué)實(shí)踐表明，該系統(tǒng)鍛煉和提升了學(xué)生的綜合應(yīng)用能力，對(duì)相關(guān)領(lǐng)域應(yīng)用型人才培養(yǎng)起到了推動(dòng)作用。

[關(guān)鍵詞] 應(yīng)用型人才;傳感器;實(shí)驗(yàn)系統(tǒng);綜合應(yīng)用能力

[中圖分類號(hào)] G 642.0? [文獻(xiàn)標(biāo)志碼] A? [文章編號(hào)] 1005-0310（2021）04-0067-06

Research on Experimental System of Sensor Technology for Applied Talents Cultivation

LONG? Hao1，2， HUANG? Na1，2， LI? Yuan1，2

（1.Beijing Key Laboratory of Information Service Engineering， Beijing Union University，， Beijing 100101， China;

2.College of Robotics， Beijing Union University， Beijing 100027， China）

Abstract：? An integrated experimental system for sensor applications? is designed and used to cultivate the applied talents under the background of new engineering education reform. The system completely abandons the fixed structure of traditional experimental teaching device and adopts decentralized layout. Students can independently build a variety of conditioning circuits and expand system function according to the experimental needs. The system adopts wireless communication technology and combines with LabVIEW virtual instrument workbench to integrate the measurement， transmission， analysis and processing of sensor signal， so that students can master the basic theoretical knowledge of sensor principle and additionally establish a complete professional knowledge framework. Some comprehensive cases based on the system are designed to improve students ability of scientific innovation and project development. The results of the teaching practice show that the system improves students comprehensive application ability and promotes the cultivation of applied talents in related fields.

Keywords： Applied talents;Sensor;Experimental system;Comprehensive application ability〖SD〗

0 引言

世界百年未有之大變局正風(fēng)起云涌，在新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的大背景下，教育部高等教育司提出，普通本科院校應(yīng)該加大應(yīng)用型人才培養(yǎng)，結(jié)合區(qū)域產(chǎn)業(yè)鏈布局，進(jìn)行產(chǎn)教融合、校企合作，帶動(dòng)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展[1]。在新工科教育背景下的應(yīng)用型人才教育更加強(qiáng)調(diào)實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力培養(yǎng)[2-3]，實(shí)驗(yàn)教學(xué)是培養(yǎng)應(yīng)用型工程人才的必要環(huán)節(jié)，也是高校新工科建設(shè)的重要部分[2，4]。北京聯(lián)合大學(xué)作為首都應(yīng)用型人才培養(yǎng)和科技創(chuàng)新的重要陣地，非常注重學(xué)生實(shí)踐及創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，不斷加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)軟硬件環(huán)境建設(shè)，培養(yǎng)適應(yīng)國(guó)家，特別是首都經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需要的高素質(zhì)應(yīng)用型人才。

傳感器技術(shù)在計(jì)算機(jī)、自動(dòng)化及物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域負(fù)責(zé)底層信號(hào)來(lái)源的獲取及轉(zhuǎn)換，其課程是工科專業(yè)的核心基礎(chǔ)課程。傳統(tǒng)的傳感器實(shí)驗(yàn)教學(xué)裝置存在以下不足[5-7]：第一，實(shí)驗(yàn)調(diào)理電路固定，且封裝在實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)，學(xué)生不可隨意改變，限制了對(duì)學(xué)生進(jìn)行傳感器應(yīng)用電路設(shè)計(jì)能力的培養(yǎng);第二，各類傳感器之間互相獨(dú)立，學(xué)生每次只能針對(duì)一類傳感器進(jìn)行測(cè)量，無(wú)法實(shí)現(xiàn)多類傳感器之間的綜合測(cè)量，限制了對(duì)學(xué)生進(jìn)行多傳感器綜合應(yīng)用能力的培養(yǎng);第三，傳感器與測(cè)量實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用有線連接，無(wú)法進(jìn)行無(wú)線測(cè)量，與實(shí)際應(yīng)用脫節(jié)，限制了對(duì)學(xué)生進(jìn)行工程綜合應(yīng)用能力的培養(yǎng);第四，不對(duì)學(xué)生開(kāi)放內(nèi)部編程程序（包括信號(hào)分析、界面交互等），學(xué)生不能進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，限制了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)資源的開(kāi)發(fā)再利用。以上缺點(diǎn)制約了課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)學(xué)生綜合應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。因此，如何對(duì)傳感器技術(shù)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式進(jìn)行改革，讓學(xué)生在掌握傳感器基本原理的同時(shí)，能夠?qū)Ω黝悅鞲衅鬟M(jìn)行與實(shí)際應(yīng)用密切相關(guān)的工程實(shí)踐，對(duì)提高應(yīng)用型人才培養(yǎng)質(zhì)量至關(guān)重要。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文在現(xiàn)有傳感器實(shí)驗(yàn)設(shè)備的基礎(chǔ)上，面向工程實(shí)際應(yīng)用，整合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及虛擬儀器技術(shù)，研制了新型的傳感器綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括21種傳感器測(cè)量單元，將其調(diào)理電路設(shè)置為最小單元結(jié)構(gòu)，可由學(xué)生根據(jù)不同的測(cè)量需求靈活搭建組合測(cè)量調(diào)理電路;系統(tǒng)采用ZigBee通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)多種傳感器綜合測(cè)量，且面向?qū)嶋H應(yīng)用實(shí)現(xiàn)無(wú)線測(cè)量;利用LabVIEW虛擬測(cè)試平臺(tái)設(shè)計(jì)可二次開(kāi)發(fā)的交互上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)傳感器信號(hào)的分析處理及多功能界面交互等。

1 傳感器綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的構(gòu)成及功能

改革原有實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的信號(hào)調(diào)理、上位機(jī)交互及信號(hào)通信等環(huán)節(jié)，如圖1所示。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以21種傳感器測(cè)量單元為基礎(chǔ)，將原有實(shí)驗(yàn)裝置采集到的信號(hào)與無(wú)線數(shù)據(jù)發(fā)送節(jié)點(diǎn)連接，然后通過(guò)ZigBee組網(wǎng)通信[8]，由無(wú)線交互協(xié)調(diào)器收集布置在不同位置的多路傳感器信號(hào)，再通過(guò)串口通信上傳到開(kāi)放式上位機(jī)進(jìn)行分析和處理，進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，輸出實(shí)驗(yàn)報(bào)告等，實(shí)現(xiàn)無(wú)線多傳感器綜合測(cè)量功能。

上位機(jī)采用美國(guó)國(guó)家儀器公司的LabVIEW虛擬測(cè)試平臺(tái)[9-10]，主程序完成系統(tǒng)登錄及實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目選擇，并調(diào)用各傳感器實(shí)驗(yàn)的子程序完成實(shí)驗(yàn)。各實(shí)驗(yàn)子程序的主要功能包括：通信設(shè)置、參數(shù)設(shè)定、零點(diǎn)調(diào)整、實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)框圖及原理圖顯示、信號(hào)分析、電壓顯示、電流顯示、波形顯示、保存文件、輸出打印等。除此以外，學(xué)生可進(jìn)行創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，根據(jù)課程學(xué)習(xí)的需要，對(duì)上位機(jī)的人機(jī)交互、信號(hào)存儲(chǔ)與顯示、信號(hào)分析與運(yùn)算等功能進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，鍛煉創(chuàng)新能力。

2 硬件系統(tǒng)

傳感器綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的硬件主要包括傳感器模塊（傳感器及其調(diào)理電路）、數(shù)據(jù)采集器、ZigBee模塊和開(kāi)放式上位機(jī)。

2.1 傳感器模塊

如圖2所示，傳感器模塊涉及11種測(cè)量物理量、21種傳感器測(cè)量單元及相關(guān)調(diào)理電路。調(diào)理電路包括針對(duì)不同種類傳感器設(shè)計(jì)的專用調(diào)理電路以及各種傳感器均適用的通用調(diào)理電路。傳感器與專用調(diào)理電路、通用調(diào)理電路之間根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求搭建連接，以實(shí)現(xiàn)傳感器的模塊化功能。通用調(diào)理電路包括信號(hào)放大電路、過(guò)濾電路、緩沖電路和定標(biāo)處理電路等。專用調(diào)理電路包括電橋電路、電容變換器、移相器、相敏檢波器、電荷放大器等。傳感器的這種模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)增加了實(shí)驗(yàn)設(shè)備的靈活性和通用性，節(jié)約了開(kāi)發(fā)成本。

2.2 數(shù)據(jù)采集器

本文選用STM32F103C8T6單片機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。該單片機(jī)具有ARM Cortex-M 內(nèi)核、32 bit 的位寬、64 KB的PROM、20 KB 的RAM和10路12位的ADC轉(zhuǎn)換口，最高系統(tǒng)時(shí)鐘為72 MHz，工作電壓為2～3.6 V，擁有CAN、IIC、SPI、USART和USB通信接口。

2.3 ZigBee模塊

ZigBee模塊選用多個(gè)CC2530無(wú)線通信節(jié)點(diǎn)構(gòu)成無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊和無(wú)線交互協(xié)調(diào)器，組網(wǎng)方式為星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。CC2530是一種高性能、低功耗、多功能的無(wú)線片上系統(tǒng)單片機(jī)，使用具有代碼預(yù)取功能的8051 CPU內(nèi)核，它帶有極高性能的RF收發(fā)器并且抗干擾能力強(qiáng)，符合IEEE 802.15.4（2.4 GHz）通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)搭建成本較低且可靠性高，可直接提供20 mA的電流驅(qū)動(dòng)繼電器。

2.4 上位機(jī)

上位機(jī)硬件為PC機(jī)，配置為Intel（R）Core（TM）i7-9700 CPU，3.8 GHz主頻，16 GB內(nèi)存，64 bit Windows 10 操作系統(tǒng)。上位機(jī)（PC機(jī)）與ZigBee模塊之間通過(guò)USB串口通信;上位機(jī)支持二次開(kāi)發(fā)個(gè)性化交互界面以及增減或更改實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)置等。

3 軟件系統(tǒng)

傳感器實(shí)驗(yàn)流程如圖3所示，首先輸入學(xué)生信息登錄實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，進(jìn)入主界面后選擇實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，然后進(jìn)入該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的子界面：首先配置串口資源，串口名稱可通過(guò)上位機(jī)設(shè)備管理器查詢 [11];然后學(xué)生可以在子界面查看實(shí)驗(yàn)電路圖、方塊圖等，設(shè)置實(shí)驗(yàn)參數(shù)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后可以打印輸出實(shí)驗(yàn)報(bào)告等。

在子界面中，示波器窗口可以實(shí)時(shí)顯示測(cè)量曲線，并可對(duì)曲線參數(shù)進(jìn)行個(gè)性化設(shè)置。測(cè)量曲線包括用波形圖表顯示的電壓、電流曲線和物理參數(shù)曲線，以及XY圖表生成的傳感器特性曲線。由于學(xué)生可自定義和設(shè)置的參數(shù)較多，為了保證界面簡(jiǎn)潔，增加可讀性，其他功能采用子面板方式呈現(xiàn)。

4 Pt100傳感器實(shí)驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果

4.1 硬件連接

首先，用連接線將Pt100傳感器與相應(yīng)專用調(diào)理電路、通用調(diào)理電路之間連接起來(lái)，如圖4所示。調(diào)節(jié)劃片電阻器使Pt100的接口電流為2.55 mA，輸出電壓為2.5 V。為了提高溫度測(cè)量的準(zhǔn)確性，應(yīng)使用1 V電橋電源，A/D轉(zhuǎn)換器的5 V參考電源要穩(wěn)定在1 mV級(jí)[12];Pt100傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器和運(yùn)算放大器的線性度要高。同時(shí)，利用上位機(jī)軟件矯正其誤差，可以使測(cè)得溫度的精度為±0.2℃。

其次，將信號(hào)調(diào)理模塊最終輸出的信號(hào)端口與無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)

模塊（CC2530）的AD數(shù)據(jù)采集端口連接起來(lái)。用串口連接并配置無(wú)線交互協(xié)調(diào)器與開(kāi)放式上位機(jī)之間的串口通信，學(xué)生在開(kāi)放式上位機(jī)上完成基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和相應(yīng)的二次開(kāi)發(fā)編程。

4.2 配置參數(shù)及通信連接

首先，訪問(wèn)開(kāi)放式上位機(jī)的系統(tǒng)界面，輸入登錄信息;然后，在主界面中選擇Pt100傳感器的無(wú)線測(cè)溫實(shí)驗(yàn)，進(jìn)入子系統(tǒng)界面，配置無(wú)線交互協(xié)調(diào)器與開(kāi)放式上位機(jī)之間的串口通信地址，對(duì)實(shí)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置和調(diào)整。

4.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

Pt100傳感器將檢測(cè)到的溫度信號(hào)傳送給信號(hào)調(diào)理模塊，經(jīng)過(guò)調(diào)整修正后的信號(hào)由數(shù)據(jù)采集器輸出，然后通過(guò)無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊傳送給無(wú)線交互協(xié)調(diào)器，由無(wú)線交互協(xié)調(diào)器對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)執(zhí)行壓縮和融合后，上傳給開(kāi)放式上位機(jī)，在開(kāi)放式上位機(jī)的系統(tǒng)界面中顯示實(shí)驗(yàn)結(jié)果，從而完成各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。Pt100傳感器實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中Pt100溫度傳感器的工作電源是DC 24 V ，產(chǎn)生一個(gè)4～20 mA的電流，然后連接一個(gè)4～20 mA電流電路板，把4～20 mA的電流轉(zhuǎn)換為1～5 V的電壓[13-14]。圖5顯示，實(shí)驗(yàn)結(jié)果測(cè)得第一組溫度為30℃，傳感器輸出電壓為2.51 V。對(duì)被測(cè)物體加熱，溫度每升高5℃，記錄一次數(shù)據(jù)，并顯示在前面板中，系統(tǒng)測(cè)得Pt100的電壓溫度特性曲線呈近似線性關(guān)系，并用測(cè)得的實(shí)際數(shù)據(jù)擬合成線性曲線。本實(shí)驗(yàn)被測(cè)物體無(wú)須與上位機(jī)有線連接，采用無(wú)線監(jiān)測(cè)的方式，可測(cè)得實(shí)驗(yàn)室空間各不同位置的溫度。實(shí)驗(yàn)測(cè)得的溫度電壓數(shù)據(jù)被自動(dòng)存儲(chǔ)在實(shí)驗(yàn)程序同目錄下的電子表格文件中，表格文件以學(xué)生的姓名學(xué)號(hào)及實(shí)驗(yàn)名稱命名，也可手動(dòng)存儲(chǔ)至帶圖表的數(shù)據(jù)記錄文件中。學(xué)生可在實(shí)驗(yàn)界面輸入實(shí)驗(yàn)結(jié)論，打印包含測(cè)量數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)結(jié)論的實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文以培養(yǎng)應(yīng)用型人才為宗旨，探索傳感器技術(shù)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，從傳感器技術(shù)工程應(yīng)用相關(guān)的知識(shí)體系出發(fā)，與當(dāng)前熱點(diǎn)應(yīng)用案例緊密結(jié)合，研制開(kāi)發(fā)了傳感器綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)。該系統(tǒng)摒棄傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)裝置結(jié)構(gòu)，采用分散性布局，將信號(hào)感知、信號(hào)調(diào)理、無(wú)線通信、上位機(jī)交互等設(shè)備相互獨(dú)立設(shè)計(jì)，使實(shí)驗(yàn)操作更加靈活，實(shí)驗(yàn)拓展性強(qiáng)。學(xué)生通過(guò)傳感器基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)掌握了傳感器元件的基本原理和特性，具有一定的基礎(chǔ)應(yīng)用能力。在此基礎(chǔ)上，開(kāi)展綜合性更強(qiáng)的傳感器綜合訓(xùn)練。綜合訓(xùn)練項(xiàng)目包括樓宇室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、火災(zāi)報(bào)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、溫室大棚環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)及智能家居系統(tǒng)等。該系統(tǒng)彌補(bǔ)了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在應(yīng)用型人才實(shí)踐能力培養(yǎng)方面的不足，使學(xué)生基于實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)建立完整的專業(yè)知識(shí)體系，提高學(xué)習(xí)興趣，鍛煉學(xué)生的工程實(shí)踐應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力。

我們?cè)趯W(xué)校自動(dòng)化專業(yè)2個(gè)班持續(xù)開(kāi)展該傳感器綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)教學(xué)實(shí)踐，取得了良好效果。學(xué)生的科技創(chuàng)新能力不斷增強(qiáng)，在科技競(jìng)賽方面，獲得國(guó)家級(jí)特等獎(jiǎng)2項(xiàng)，國(guó)家級(jí)一、二、三等獎(jiǎng)8項(xiàng)，省部級(jí)獎(jiǎng)項(xiàng)6項(xiàng)。學(xué)生積極申報(bào)“啟明星”科技創(chuàng)新項(xiàng)目，獲批國(guó)家級(jí)2項(xiàng)，市級(jí)5項(xiàng)。學(xué)生發(fā)表科技論文5篇，獲得軟件著作權(quán)登記4件。近年來(lái)，自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)生就業(yè)大多集中在自動(dòng)化領(lǐng)域相關(guān)企事業(yè)單位，就業(yè)率穩(wěn)定在98%以上。對(duì)畢業(yè)生就業(yè)的跟蹤調(diào)查顯示，企業(yè)普遍認(rèn)為學(xué)生的工程實(shí)踐能力強(qiáng)，學(xué)生在畢業(yè)和就業(yè)銜接過(guò)程中過(guò)渡平穩(wěn)，在工作崗位上能快速勝任各類工程項(xiàng)目開(kāi)發(fā)，這從側(cè)面也反映了本文所述的新型傳感器綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在應(yīng)用型人才培養(yǎng)方面的積極推動(dòng)作用。本文提出的傳感器綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)對(duì)自動(dòng)化相關(guān)專業(yè)大學(xué)本科及專科的傳感器原理及應(yīng)用、檢測(cè)技術(shù)等課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)亦有借鑒作用。

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（責(zé)任編輯 白麗媛）