物聯(lián)網(wǎng)在數(shù)字化教學(xué)傳感器中的應(yīng)用分析

摘 要：至20世紀(jì)90年代物聯(lián)網(wǎng)概念出現(xiàn)以來，越來越多的人們對其產(chǎn)生興趣。物聯(lián)網(wǎng)是在計算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上，利用傳感器技術(shù)、無線數(shù)據(jù)通信、計算機(jī)處理等技術(shù)，構(gòu)造一個覆蓋世界上萬事萬物的實(shí)物互聯(lián)網(wǎng)。將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，與數(shù)字化實(shí)驗結(jié)合起來，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)驗結(jié)合起來必將帶來一場深刻的教學(xué)實(shí)驗的科技變革，帶來人類科技文明的飛躍。

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

中圖分類號：G633.67 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：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)驗的由來與現(xiàn)狀

傳統(tǒng)的物理，化學(xué)，生物實(shí)驗都是直接進(jìn)行測量，學(xué)生的實(shí)驗數(shù)據(jù)需要自己記錄，如實(shí)驗過程十分復(fù)雜，要采集或者處理的數(shù)據(jù)量非常多，用傳統(tǒng)實(shí)驗方法就顯得很繁復(fù)，而這時數(shù)字化實(shí)驗就顯示巨大的威力，使學(xué)生寓教于樂，愛上實(shí)驗課程。在實(shí)驗過程中教師可以指導(dǎo)學(xué)生在實(shí)驗室中對實(shí)驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，處理學(xué)生可以對實(shí)驗結(jié)果進(jìn)行比對，探討，更能體驗實(shí)驗的樂趣，更加享受實(shí)驗。這是數(shù)字化實(shí)驗的優(yōu)勢所在。但目前的數(shù)字化實(shí)驗都是單一而孤立進(jìn)行的，僅局限于一些近距離的小實(shí)驗，且傳感器和采集器多采用有線連接，若一個實(shí)驗需用到4～5個傳感器，那么采集器和傳感器的連接線就可以占滿半個實(shí)驗平臺，這樣實(shí)驗做起不是很方便。

3 物聯(lián)網(wǎng)與數(shù)字化實(shí)驗的結(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)勢與數(shù)字化實(shí)驗的優(yōu)勢結(jié)合起來研發(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，無線化，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對運(yùn)算放大器送出的電壓信號進(jìn)行采集，電壓信號通過內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。

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，通過本模塊的JTAG口對CPU模塊進(jìn)行仿真，燒寫等開發(fā)工作，用戶可以根據(jù)不同的傳感器類型，傳感器數(shù)據(jù)的不同等級，采用不同的通訊密碼算法，進(jìn)行不同等級的開發(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)證堆棧和無線電，可配置的器件類型和網(wǎng)絡(luò)設(shè)置，通過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，其作用是通過傳感器所獲取的電流，電壓的小信號進(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。

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，通過本模塊的JTAG口對CPU模塊進(jìn)行仿真，燒寫等開發(fā)工作，用戶可以根據(jù)不同的傳感器類型，傳感器數(shù)據(jù)的不同等級，采用不同的通訊密碼算法，進(jìn)行不同等級的開發(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)證堆棧和無線電，可配置的器件類型和網(wǎng)絡(luò)設(shè)置，通過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PC機(jī)的USB口與PC機(jī)交換數(shù)據(jù)，同時將從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的低壓電源。

具體工作過程如下：

傳感器側(cè)的傳感器感知信號通過傳感器采集模塊將信號送入嵌入式CPU模塊，溫度補(bǔ)償模塊也將信號送入嵌入式CPU模塊，經(jīng)嵌入式CPU模塊處理后將編碼加密后信號送入ZIGBEE通訊模塊，ZIGBEE模塊通過無線網(wǎng)絡(luò)將信號傳送給PC側(cè)的ZIGBEE模塊，PC側(cè)的ZIGBEE模塊將信號收錄后送入PC側(cè)的嵌入式CPU模塊，此模塊將信號進(jìn)行解碼后通過USB信道送入PC機(jī)，再由PC機(jī)對多個或單個的傳感器信號按照不同的時間進(jìn)行曲線擬合與顯示。從而構(gòu)成分布式物聯(lián)網(wǎng)傳感器系統(tǒng)。

4 結(jié)語

物聯(lián)網(wǎng)是繼計算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)和移動通信網(wǎng)之后的又一次信息產(chǎn)業(yè)浪潮，是一個全新的技術(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)者帶來了更多美好的希望，也成為國家振興產(chǎn)業(yè)的一個課題。對于教育，國家提出科教興國的戰(zhàn)略，如何讓我國的教育走在世界的前列，把先進(jìn)技術(shù)及時的應(yīng)用到教育行業(yè)，教育能夠真正的成為推動中國進(jìn)步的有力保障，對于每一個有責(zé)任的公民都是一個值得思考的問題，將物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用到教學(xué)實(shí)驗中，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)，通過不斷的積累，物聯(lián)網(wǎng)數(shù)字化教學(xué)傳感器一定會更好的為教育服務(wù)，為學(xué)生服務(wù)，將中國的實(shí)驗教學(xué)與創(chuàng)新教育推動到一個新的高度！