高職高專(zhuān)嵌入式與物聯(lián)網(wǎng)專(zhuān)業(yè)傳感器應(yīng)用技術(shù)課程實(shí)驗(yàn)電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

綦志勇+常排排

摘要：我國(guó)目前的傳感器應(yīng)用技術(shù)課程在實(shí)際教學(xué)當(dāng)中的實(shí)驗(yàn)電路設(shè)計(jì)較為復(fù)雜且孤立性較高，很難應(yīng)用到目前的計(jì)算機(jī)方向中的嵌入式與物聯(lián)網(wǎng)專(zhuān)業(yè)當(dāng)中，很多學(xué)校都缺乏完整的系統(tǒng)化的實(shí)驗(yàn)電路存在，為了改變這個(gè)現(xiàn)狀，我們?cè)O(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)了一套供物聯(lián)網(wǎng)與嵌入式專(zhuān)業(yè)使用的傳感器應(yīng)用技術(shù)課程配套的實(shí)驗(yàn)電路，希望能夠?qū)鞲衅鲬?yīng)用課程改革起到一定的促進(jìn)作用。

關(guān)鍵詞：傳感器應(yīng)用技術(shù)課程；教學(xué)；實(shí)驗(yàn)電路設(shè)計(jì)；課程改革

中圖分類(lèi)號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2016）10-0148-03

高職高專(zhuān)的傳感器與檢測(cè)技術(shù)課程的教學(xué)通常安排在電子、機(jī)電等專(zhuān)業(yè)，通過(guò)研究相關(guān)的教材，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)該課程教學(xué)內(nèi)容的基本模式是：傳感器原理介紹、傳感器計(jì)算公式推導(dǎo)、傳感器應(yīng)用介紹幾個(gè)步驟。有些教材上會(huì)多一些項(xiàng)目化教學(xué)方法，就會(huì)多出一個(gè)實(shí)訓(xùn)的環(huán)節(jié)[1]。這些實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)當(dāng)中采用了更多的成熟的傳感器模塊，學(xué)生的主要任務(wù)就是初步了解這些傳感器模塊或是前端的傳感器敏感元件[2]。顯然在這種教學(xué)方式下已經(jīng)無(wú)法滿足目前物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)成為主流技術(shù)的人才應(yīng)用要求，這尤其體現(xiàn)在嵌入式/物聯(lián)網(wǎng)這個(gè)行業(yè)，這種情況總結(jié)起來(lái)有幾個(gè)主要的原因造成的：

1） 嵌入式與物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀、要求傳感器與檢測(cè)技術(shù)課程的教學(xué)過(guò)程當(dāng)中將教學(xué)重點(diǎn)放在傳感器應(yīng)用技術(shù)、傳感器敏感元件組成的模塊設(shè)計(jì)、傳感器模塊采集的數(shù)據(jù)到計(jì)算機(jī)之間的傳遞[3]。因?yàn)橹挥羞@樣，才能將傳感器技術(shù)作為應(yīng)用技術(shù)直接提供到上位機(jī)，使得其能夠作為物聯(lián)網(wǎng)信息空間中的前端信息采集部分而使用。

2） 物聯(lián)網(wǎng)的信息空間中的基本節(jié)點(diǎn)為計(jì)算元節(jié)點(diǎn)[4]，該節(jié)點(diǎn)作為信息空間中的終端節(jié)點(diǎn)構(gòu)成了物聯(lián)網(wǎng)前端網(wǎng)絡(luò)組成的基礎(chǔ)設(shè)施。需要看到的是異構(gòu)型網(wǎng)絡(luò)中的絕大多數(shù)計(jì)算元節(jié)點(diǎn)將是帶有傳感器的簡(jiǎn)單型網(wǎng)絡(luò)，其基本通訊方式很多為傳統(tǒng)的RS232、RS485通訊，因此傳感器與檢測(cè)技術(shù)課程教學(xué)當(dāng)中已經(jīng)不僅僅是單獨(dú)的傳感器部分，仍然需要引入通訊部分的介紹。

3） 目前的傳感器與檢測(cè)技術(shù)課程當(dāng)中的開(kāi)設(shè)專(zhuān)業(yè)對(duì)課程教學(xué)內(nèi)容安排的影響很大。在機(jī)電類(lèi)專(zhuān)業(yè)傳感器課程當(dāng)中，強(qiáng)調(diào)了對(duì)被測(cè)量的檢測(cè)為目的的應(yīng)用型傳感器實(shí)踐知識(shí)，這僅能體現(xiàn)在教材的改革上，尚無(wú)法體現(xiàn)在實(shí)際教學(xué)改革當(dāng)中。在電子類(lèi)專(zhuān)業(yè)傳感器課程當(dāng)中側(cè)重于傳感器原理、基本結(jié)構(gòu)等內(nèi)容的教學(xué)過(guò)程[5]。這種方式對(duì)于本科階段學(xué)生而言是非常合適的，但是高等專(zhuān)科院校的學(xué)生難以接受理論為主的教學(xué)方式，況且這種教學(xué)方式對(duì)于以高職高專(zhuān)學(xué)生為培養(yǎng)對(duì)象的、獲取技能為首要目標(biāo)的教學(xué)任務(wù)沒(méi)有起到推進(jìn)作用。

4） 物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的高速發(fā)展對(duì)傳統(tǒng)行業(yè)造成了巨大沖擊，原來(lái)的獨(dú)立傳感器功能已經(jīng)無(wú)法滿足物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的需求，這種孤立點(diǎn)由于不具備通訊能力，故此無(wú)法作為信息采集前端加入到物聯(lián)網(wǎng)的傳感網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中[6]。因此，在傳感器與檢測(cè)技術(shù)教學(xué)過(guò)程當(dāng)中，從教材改革到課程改革都要求加入通訊部分與計(jì)算機(jī)部分的內(nèi)容，作為其為物聯(lián)網(wǎng)前端信息傳感網(wǎng)絡(luò)的能力而擴(kuò)充。

5） 在高職高專(zhuān)計(jì)算機(jī)的嵌入式系統(tǒng)工程專(zhuān)業(yè)與物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)專(zhuān)業(yè)的傳感器與檢測(cè)技術(shù)課程的教學(xué)當(dāng)中，傳統(tǒng)的教學(xué)模式與教學(xué)方法都難以應(yīng)用。隸屬于電子工程專(zhuān)業(yè)的傳感器與檢測(cè)技術(shù)課程教學(xué)內(nèi)容深度較大、技術(shù)孤立性強(qiáng)應(yīng)用困難；而機(jī)電類(lèi)專(zhuān)業(yè)的傳感器與檢測(cè)技術(shù)強(qiáng)調(diào)了獨(dú)立傳感器模塊的應(yīng)用，面向被測(cè)量的教學(xué)方式對(duì)于在計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)而言如果也采用類(lèi)似做法，顯然對(duì)于計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)的高職高專(zhuān)學(xué)生無(wú)法接受。

6） 在目前的課程實(shí)踐教學(xué)當(dāng)中，實(shí)際教學(xué)用具相當(dāng)缺乏，很多技術(shù)較為先進(jìn)的學(xué)校采用了軟件仿真的方式進(jìn)行傳感器課程的教學(xué)工作。但是傳感器模塊是孤立的模塊，最終需要一個(gè)相對(duì)比較大的硬件系統(tǒng)，作為對(duì)該課程中每個(gè)獨(dú)立模塊進(jìn)行支持的載體[7]。

綜上所述，在現(xiàn)在的高職高專(zhuān)計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)的傳感器與檢測(cè)技術(shù)課程開(kāi)設(shè)過(guò)程當(dāng)中，選擇偏向計(jì)算機(jī)方向的教學(xué)方式與手段就是必要的。其中尤其是配套實(shí)驗(yàn)電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)也成了一個(gè)需要重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。針對(duì)此問(wèn)題，本文就設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)了一套針對(duì)計(jì)算機(jī)方向的嵌入式與物聯(lián)網(wǎng)專(zhuān)業(yè)的教學(xué)實(shí)驗(yàn)電路。

1總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

考慮到專(zhuān)科院校目前學(xué)生的總體層次，如果考慮了過(guò)于復(fù)雜的內(nèi)容將會(huì)導(dǎo)致學(xué)生無(wú)所適從，如果太過(guò)簡(jiǎn)單學(xué)生又無(wú)法獲取實(shí)際知識(shí)。這里需要考慮的兩個(gè)典型的問(wèn)題：第一個(gè)問(wèn)題就是不能過(guò)于理論，但是也不能完全沒(méi)有理論支持；第二個(gè)問(wèn)題是實(shí)踐不能過(guò)于復(fù)雜，但是又要兼顧到一定的實(shí)用性。綜合這些因素，我們大致對(duì)實(shí)踐電路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)規(guī)劃為：將傳感器模塊、自動(dòng)控制技術(shù)、簡(jiǎn)單計(jì)算機(jī)通訊技術(shù)聯(lián)合起來(lái)，設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)一個(gè)相對(duì)實(shí)用、相對(duì)簡(jiǎn)單的計(jì)算機(jī)干預(yù)測(cè)控系統(tǒng)。同時(shí)，考慮到該系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具有一定的實(shí)際應(yīng)用功能，則我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)計(jì)算機(jī)干預(yù)室溫自控系統(tǒng)，其大致的架構(gòu)設(shè)計(jì)如下圖示：

圖1示意了一個(gè)室內(nèi)恒溫自動(dòng)控制系統(tǒng)，照明系統(tǒng)當(dāng)監(jiān)控到室內(nèi)有人的時(shí)候開(kāi)啟，當(dāng)離開(kāi)的時(shí)候關(guān)閉。室內(nèi)恒溫系統(tǒng)則利用溫度傳感器控制溫度發(fā)生裝置將溫度恒定在一定范圍之內(nèi)。并且該系統(tǒng)的全部情況可以向計(jì)算機(jī)反饋，包含溫度、是否有人、是否開(kāi)啟溫度系統(tǒng)、是否開(kāi)啟照明系統(tǒng)等功能，計(jì)算機(jī)也可以實(shí)時(shí)通過(guò)遠(yuǎn)程調(diào)整溫度范圍的設(shè)定值。該系統(tǒng)的基本功能描述為：計(jì)算機(jī)能夠隨時(shí)干預(yù)該系統(tǒng)的開(kāi)啟工作狀態(tài)、停止系統(tǒng)的工作狀態(tài)、在系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程當(dāng)中對(duì)系統(tǒng)的某些參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

2模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

依據(jù)總體架構(gòu)的設(shè)計(jì)，下面逐個(gè)實(shí)現(xiàn)上述系統(tǒng)中的硬件部分。

1） 光電傳感器模塊

光電傳感器模塊的原理圖設(shè)計(jì)如下圖示：

這里這個(gè)模塊的設(shè)計(jì)事實(shí)上并無(wú)必要，但是可以作為學(xué)生初步入門(mén)掌握的第一個(gè)模塊，尤其是掌握DXP軟件電路設(shè)計(jì)，并初步進(jìn)行焊接與調(diào)試工作。

2） 繼電器模塊

繼電器模塊的原理圖設(shè)計(jì)如下圖示：

3） 溫度傳感器模塊

溫度傳感器模塊的原理圖設(shè)計(jì)如圖4示：

4） 通訊模塊

通訊模塊的原理圖設(shè)計(jì)如下圖示：

3算法設(shè)計(jì)

在考慮算法設(shè)計(jì)的時(shí)候，首先考慮前面提到的進(jìn)程之間的通訊與互斥的問(wèn)題。這里通訊是指進(jìn)程之間的通訊，另外一個(gè)就是進(jìn)程互斥的問(wèn)題。那么這兩個(gè)進(jìn)程顯然就是互斥的關(guān)系。下圖就通過(guò)系統(tǒng)的應(yīng)用功能行為來(lái)說(shuō)明這些問(wèn)題。

在圖6中有兩部分任務(wù)需要完成，左邊部分為工作狀態(tài)需要完成的任務(wù)，右邊是非工作狀態(tài)需要完成的任務(wù)。基于上述分析，給出參考算法如下：

算法1.1 主流程算法

算法：?jiǎn)纹瑱C(jī)端主流程

S1：系統(tǒng)初始化

S2：在無(wú)限循環(huán)中做如下事件

S2.1如果上位機(jī)有命令發(fā)來(lái)

若為啟動(dòng)工作過(guò)程命令

{

啟動(dòng)工作過(guò)程；

}

否則關(guān)閉工作過(guò)程；

S2.2如果數(shù)據(jù)收集完成

{

向上位機(jī)系統(tǒng)傳遞測(cè)到的系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù) }

}

另外一個(gè)要點(diǎn)就是獲取計(jì)算機(jī)發(fā)送過(guò)來(lái)的命令，參考第九章的方法即可，這里直接給出算法描述：

算法：?jiǎn)纹瑱C(jī)使用中斷接收上位機(jī)一串符號(hào)的算法

輸入：上位機(jī)發(fā)來(lái)的一個(gè)字節(jié)

輸出：合法的字符串

S1：清除發(fā)送標(biāo)志

S2：判斷當(dāng)前字符是否為包頭

如果是包頭，清緩沖準(zhǔn)備從緩沖區(qū)起點(diǎn)開(kāi)始存放數(shù)據(jù)

S3：如果當(dāng)前是最后一個(gè)字節(jié)位置，則判斷當(dāng)前讀入的字符是不是包尾

如果是則通知主函數(shù)可以讀命令了

S4：存放該字節(jié)數(shù)據(jù)到當(dāng)前緩沖位置

S5：緩沖區(qū)存放位置下移一個(gè)字節(jié)

S6：調(diào)節(jié)緩沖位置邊界

算法1.2 接收計(jì)算機(jī)接命令與分析算法

3系統(tǒng)驗(yàn)證

硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想基于模塊化設(shè)計(jì)方法，只需要考慮如何實(shí)現(xiàn)圖1的設(shè)計(jì)目標(biāo)即可。在圖1中，只需要明確考慮幾個(gè)接口部分的連接方式、并采用確定的連接來(lái)練好這些接口線路即可，確定需要連接的幾個(gè)部分如下：

1） 計(jì)算機(jī)與通訊模塊的連接方式。

2） 單片機(jī)板與通訊模塊的連接方式。

3） 單片機(jī)板與繼電器模塊的連接方式。

4） 單片機(jī)板與光電傳感器模塊的連接方式。

5） 單片機(jī)板與溫度傳感器模塊的連接方式。

6） 繼電器模塊與外部受控的市電電路部分的連接方式。

7）繼電器模塊與外部受控的溫度調(diào)節(jié)電路部分的連接方式。

下面就這幾個(gè)方面的連接進(jìn)行實(shí)際連接，并最終在實(shí)際線路連接完成之后，采用一定的方式進(jìn)行簡(jiǎn)要測(cè)試，以確定這些線路連接均無(wú)問(wèn)題。

連接好硬件之后需要對(duì)硬件進(jìn)行測(cè)試工作，下面我們就列出這些步驟進(jìn)行硬件測(cè)試工作：

第一步：連接好硬件核心板與硬件模塊

第二步：新建一個(gè)工程，并編寫(xiě)代碼

第三步：編譯軟件并生成hex文件

第四步：下載hex文件到核心板

第五步：觀察模塊的基本行為是否正確，若不正確則從第一步開(kāi)始查找問(wèn)題，并重復(fù)上述步驟。最終的實(shí)物硬件連接示意圖如圖：

4總結(jié)與展望

本文討論了高等職業(yè)院校計(jì)算機(jī)方向中的嵌入式與物聯(lián)網(wǎng)專(zhuān)業(yè)當(dāng)中的實(shí)驗(yàn)硬件電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)問(wèn)題，在設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)當(dāng)中避開(kāi)了電子、機(jī)電類(lèi)專(zhuān)業(yè)中該課程實(shí)踐的孤立性模塊的缺點(diǎn)，引入了現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)當(dāng)中的設(shè)計(jì)方式，并討論了軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的基本算法，與通訊部分的數(shù)據(jù)接收算法，在最后還對(duì)系統(tǒng)的可用性進(jìn)行了技術(shù)驗(yàn)證工作。當(dāng)然，該基本系統(tǒng)對(duì)于課程教學(xué)而言?xún)?nèi)容仍顯不足，在后續(xù)的研究中應(yīng)當(dāng)考慮添加更多的傳感器模塊種類(lèi)到這種設(shè)計(jì)思想當(dāng)中。

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