傳感器綜合實訓系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

摘 要：根據(jù)檢測技術(shù)和傳感器智能化最新研究，為滿足物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)應用型人才培養(yǎng)的實際教學需要，分析了當前傳感器實訓平臺存在的問題。結(jié)合軟硬件分離的思想，設計了基于傳感器檢測的綜合實訓系統(tǒng)，主要介紹了系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)和硬件結(jié)構(gòu)設計，開發(fā)了一套實用型的軟件系統(tǒng)，并以溫濕度傳感器為例，介紹了傳感器數(shù)據(jù)的在線檢測與處理。系統(tǒng)測試結(jié)果表明，所提系統(tǒng)具有配置簡單、操作靈活、簡單易用、可擴展性強等特點，且綜合了多款傳感器的實際應用，滿足了基礎實踐教學的基本需求。

關(guān)鍵詞：傳感器;實訓系統(tǒng);物聯(lián)網(wǎng)中間件;數(shù)據(jù)采集;控制系統(tǒng);串行通信

0 引 言

當前，傳感器技術(shù)已經(jīng)趨于智能化、小型化和多元化，在實際應用中涉及到多個行業(yè)[1-2];同時，也是信息時代各類應用的重要技術(shù)之一，是獲取各類信息的必要技術(shù)和手段。在物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)教學中，傳感器技術(shù)已經(jīng)融入到相關(guān)專業(yè)的人才培養(yǎng)體系，傳感器相關(guān)的知識已經(jīng)嵌入到專業(yè)課程體系[3]，也出現(xiàn)了一些典型的物聯(lián)網(wǎng)實驗系統(tǒng)，如嵌入了無線傳感器節(jié)點的實驗系統(tǒng)[4]。

在物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的課程設置中，主要介紹各類傳感器的原理，并結(jié)合以單片機為核心的智能檢測系統(tǒng)開展專業(yè)教學，但是大多數(shù)高校的實踐教學主要是基于單片機系統(tǒng)開發(fā)[5]。通常對溫濕度傳感器、光敏傳感器、紅外光纖傳感器、震動傳感器、三軸加速度傳感器等各類傳感器的信息進行采集和處理，更多是偏重于傳感器的原理與構(gòu)成。

目前，大多數(shù)的傳感器實訓平臺主要是針對傳感器原理的硬件平臺設計[6-7]，缺少必要的信息處理系統(tǒng)，給實踐教學造成困惑。主要存在問題：一是實踐教學效果差。學生對嵌入式單片機應用開發(fā)不熟悉，尤其是計算機類專業(yè)的培養(yǎng)目標定位于應用型人才，而傳統(tǒng)的傳感器實驗系統(tǒng)具有片面性。二是基本理論知識的綜合應用能力得不到有效的訓練。傳感器的基本理論最終要應用于實際的智能應用系統(tǒng)，大多數(shù)傳感器實驗是孤立的，沒有把上層應用與多種傳感器的具體應用結(jié)合起來，造成了專業(yè)技能達不到專業(yè)人才培養(yǎng)目標。

為了解決這些問題和進一步完善綜合的實踐教學體系，優(yōu)化了傳感器綜合實訓系統(tǒng)。同時，實訓系統(tǒng)也應具有物聯(lián)網(wǎng)設備中間件服務[8-9]。為此，該系統(tǒng)也擴展了數(shù)據(jù)接口和服務軟件。

1 系統(tǒng)簡介

該系統(tǒng)主要是基于傳感器的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集和處理的綜合應用實訓系統(tǒng)，主要采用模塊化設計的思想，利用傳感器實驗硬件平臺，集成了物聯(lián)網(wǎng)中間件的軟件系統(tǒng)，適用于高校的傳感器課程的實驗實訓。實訓系統(tǒng)的主要特點：一是集成了溫濕度傳感器、光敏傳感器、紅外光纖傳感器、震動傳感器、三軸加速度傳感器等相關(guān)實驗，綜合性強，并且能夠使學生易于理解底層硬件數(shù)據(jù)處理方式;二是充分考慮了系統(tǒng)運行過程中遇到的各類問題，具有較強的可操作性;三是人機交互簡單，各類傳感器的應用不盡相同，具有多元化的應用平臺;四是集成了物聯(lián)網(wǎng)中間件，易于系統(tǒng)擴展，而且相關(guān)的傳感器數(shù)據(jù)也可以接入到其他平臺。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

考慮到實驗設備與軟件系統(tǒng)之間有效的集成方式，設計了符合大多實際應用的系統(tǒng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要由各類傳感器、單片機控制系統(tǒng)和應用軟件等三部分組成，如圖1所示。

2.1 硬件結(jié)構(gòu)

硬件部分主要包括傳感器和單片機控制系統(tǒng)。典型的傳感器主要包括溫濕度傳感器、光敏傳感器、紅外光纖傳感器、震動傳感器、三軸加速度傳感器等。單片機控制系統(tǒng)主要是以STM32嵌入式微處理器為核心的嵌入式集成系統(tǒng)。

為了簡化實訓系統(tǒng)，使學生更好地掌握串行通信機制，設計了RS 232串行通信接口，各傳感器數(shù)據(jù)采集通過RS 232通信與上位機進行互聯(lián)，所有數(shù)據(jù)也可以通過以太網(wǎng)上傳到云服務平臺，這也是當前物聯(lián)網(wǎng)的最新應用需求[10]。

2.2 軟件結(jié)構(gòu)

上層實訓軟件系統(tǒng)主要采用C#語言開發(fā)人性化的界面，實現(xiàn)了多功能展示，如圖2所示。軟件功能模塊主要包括實驗項目選擇、資源文件瀏覽、系統(tǒng)維護和管理等。

實驗項目選擇模塊可以選擇溫濕度傳感器實驗、光敏傳感器實驗、紅外光纖傳感器實驗、震動傳感器實驗、三軸加速度傳感器實驗等。所有傳感器的應用界面可以在運行界面中進行展示，各類傳感器具有獨特的應用場景。

設計的系統(tǒng)維護和管理模塊主要包括串口參數(shù)設置、Log文件記錄與查詢、數(shù)據(jù)庫參數(shù)配置等模塊。通過實訓系統(tǒng)，用戶可以了解各類傳感器的基本原理。通過實驗要求的相關(guān)說明，用戶可以充分了解實驗的具體要求和相關(guān)要求。

需要注意的是，該軟件需要上述的硬件支撐，要求通過串口連接傳感器模塊，且傳感器模塊需要符合相關(guān)的協(xié)議。另外，該軟件提供了傳感器數(shù)據(jù)接口，可以作為物聯(lián)網(wǎng)中間件，以便擴展相關(guān)應用。

3 系統(tǒng)功能

3.1 參數(shù)配置功能

參數(shù)配置功能主要包括數(shù)據(jù)庫的連接配置和RS 232通信參數(shù)的配置。采用多種配置方式，使學生掌握實際應用中的相關(guān)技術(shù)，既可以通過人機交互界面進行配置，也可以直接打開XML配置文件進行配置。

用戶可以根據(jù)各類傳感器的實際應用需要，配置數(shù)據(jù)庫連接參數(shù)和每個實驗的串行設置，XML配置文件如圖3所示。根據(jù)串行通信設置要求，重點是配置與單片機控制系統(tǒng)一致的相關(guān)串口號、波特率、數(shù)據(jù)位、停止位和奇偶校驗位等參數(shù)。

3.2 檢測功能

各傳感器檢測的主要功能包括數(shù)據(jù)顯示、歷史趨勢、應用場景等，以溫濕度傳感器為例，簡要介紹如下。

（1）數(shù)據(jù)顯示功能：可以通過“溫度模塊”和“濕度模塊”實時顯示從傳感器獲得的數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)和狀態(tài)條的方式顯示。

（2）設置參數(shù)功能：主要是設置溫度的上下限，方便進行數(shù)據(jù)處理，設置溫度和濕度的報警值，同時，“溫度模塊”中顯示從傳感器獲得的報警值。

（3）報警狀態(tài)：當溫度或濕度的值達到或超過報警值時，報警指示將由綠色轉(zhuǎn)換為紅色，通過解除報警，可以將報警解除的命令發(fā)送給傳感器硬件模塊，如圖4所示。

（4）顯示歷史數(shù)據(jù)：通過選擇起止時間段后，可展示歷史趨勢，如圖5所示。

4 結(jié) 語

本文針對傳感器實踐教學的需求，設計了基于多個傳感器數(shù)據(jù)檢測的綜合實訓系統(tǒng)，實現(xiàn)了傳感器數(shù)據(jù)的檢測、參數(shù)設置、數(shù)據(jù)處理等功能。經(jīng)檢測，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，具有較好的實踐應用效果，達到了設計目的。

參考文獻

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