面向應(yīng)用型人才培養(yǎng)的傳感器實驗系統(tǒng)研究

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驗系統(tǒng)。該系統(tǒng)摒棄了傳統(tǒng)實驗教學(xué)裝置的固定結(jié)構(gòu)，學(xué)生可根據(jù)實驗需求，自主搭建多種調(diào)理電路并實現(xiàn)功能擴(kuò)展。系統(tǒng)采用無線通信技術(shù)，并與LabVIEW虛擬仿真平臺結(jié)合，整合傳感器信號的測量、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的同時，從系統(tǒng)的角度建立完整的傳感器應(yīng)用知識體系?；谠撓到y(tǒng)設(shè)計創(chuàng)新實驗項目綜合案例，以綜合實踐訓(xùn)練的方式提高學(xué)生的科技創(chuàng)新和項目開發(fā)能力。教學(xué)實踐表明，該系統(tǒng)鍛煉和提升了學(xué)生的綜合應(yīng)用能力，對相關(guān)領(lǐng)域應(yīng)用型人才培養(yǎng)起到了推動作用。

[關(guān)鍵詞] 應(yīng)用型人才;傳感器;實驗系統(tǒng);綜合應(yīng)用能力

[中圖分類號] G 642.0? [文獻(xiàn)標(biāo)志碼] A? [文章編號] 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)實踐能力和創(chuàng)新能力培養(yǎng)[2-3]，實驗教學(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)生實踐及創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，不斷加強(qiáng)實踐教學(xué)軟硬件環(huán)境建設(shè)，培養(yǎng)適應(yīng)國家，特別是首都經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展需要的高素質(zhì)應(yīng)用型人才。

傳感器技術(shù)在計算機(jī)、自動化及物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域負(fù)責(zé)底層信號來源的獲取及轉(zhuǎn)換，其課程是工科專業(yè)的核心基礎(chǔ)課程。傳統(tǒng)的傳感器實驗教學(xué)裝置存在以下不足[5-7]：第一，實驗調(diào)理電路固定，且封裝在實驗箱內(nèi)，學(xué)生不可隨意改變，限制了對學(xué)生進(jìn)行傳感器應(yīng)用電路設(shè)計能力的培養(yǎng);第二，各類傳感器之間互相獨(dú)立，學(xué)生每次只能針對一類傳感器進(jìn)行測量，無法實現(xiàn)多類傳感器之間的綜合測量，限制了對學(xué)生進(jìn)行多傳感器綜合應(yīng)用能力的培養(yǎng);第三，傳感器與測量實驗平臺采用有線連接，無法進(jìn)行無線測量，與實際應(yīng)用脫節(jié)，限制了對學(xué)生進(jìn)行工程綜合應(yīng)用能力的培養(yǎng);第四，不對學(xué)生開放內(nèi)部編程程序（包括信號分析、界面交互等），學(xué)生不能進(jìn)行二次開發(fā)，限制了實驗系統(tǒng)資源的開發(fā)再利用。以上缺點制約了課程實驗教學(xué)對學(xué)生綜合應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。因此，如何對傳感器技術(shù)課程的實驗教學(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，能夠?qū)Ω黝悅鞲衅鬟M(jìn)行與實際應(yīng)用密切相關(guān)的工程實踐，對提高應(yīng)用型人才培養(yǎng)質(zhì)量至關(guān)重要。

針對上述問題，本文在現(xiàn)有傳感器實驗設(shè)備的基礎(chǔ)上，面向工程實際應(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驗系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括21種傳感器測量單元，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)不同的測量需求靈活搭建組合測量調(diào)理電路;系統(tǒng)采用ZigBee通信技術(shù)，實現(xiàn)多種傳感器綜合測量，且面向?qū)嶋H應(yīng)用實現(xiàn)無線測量;利用LabVIEW虛擬測試平臺設(shè)計可二次開發(fā)的交互上位機(jī)，實現(xiàn)傳感器信號的分析處理及多功能界面交互等。

1 傳感器綜合實驗系統(tǒng)的構(gòu)成及功能

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

上位機(jī)采用美國國家儀器公司的LabVIEW虛擬測試平臺[9-10]，主程序完成系統(tǒng)登錄及實驗項目選擇，并調(diào)用各傳感器實驗的子程序完成實驗。各實驗子程序的主要功能包括：通信設(shè)置、參數(shù)設(shè)定、零點調(diào)整、實驗結(jié)構(gòu)框圖及原理圖顯示、信號分析、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)新實驗項目，根據(jù)課程學(xué)習(xí)的需要，對上位機(jī)的人機(jī)交互、信號存儲與顯示、信號分析與運(yùn)算等功能進(jìn)行二次開發(fā)，鍛煉創(chuàng)新能力。

2 硬件系統(tǒng)

傳感器綜合實驗系統(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種測量物理量、21種傳感器測量單元及相關(guān)調(diào)理電路。調(diào)理電路包括針對不同種類傳感器設(shè)計的專用調(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)實驗需求搭建連接，以實現(xiàn)傳感器的模塊化功能。通用調(diào)理電路包括信號放大電路、過濾電路、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)計增加了實驗設(shè)備的靈活性和通用性，節(jié)約了開發(fā)成本。

2.2 數(shù)據(jù)采集器

本文選用STM32F103C8T6單片機(jī)實現(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CC2530無線通信節(jié)點構(gòu)成無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊和無線交互協(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USB串口通信;上位機(jī)支持二次開發(fā)個性化交互界面以及增減或更改實驗項目設(shè)置等。

3 軟件系統(tǒng)

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

在子界面中，示波器窗口可以實時顯示測量曲線，并可對曲線參數(shù)進(jìn)行個性化設(shè)置。測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傳感器實驗過程及結(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，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[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，利用上位機(jī)軟件矯正其誤差，可以使測得溫度的精度為±0.2℃。

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

模塊（CC2530）的AD數(shù)據(jù)采集端口連接起來。用串口連接并配置無線交互協(xié)調(diào)器與開放式上位機(jī)之間的串口通信，學(xué)生在開放式上位機(jī)上完成基礎(chǔ)實驗項目和相應(yīng)的二次開發(fā)編程。

4.2 配置參數(shù)及通信連接

首先，訪問開放式上位機(jī)的系統(tǒng)界面，輸入登錄信息;然后，在主界面中選擇Pt100傳感器的無線測溫實驗，進(jìn)入子系統(tǒng)界面，配置無線交互協(xié)調(diào)器與開放式上位機(jī)之間的串口通信地址，對實驗參數(shù)進(jìn)行設(shè)置和調(diào)整。

4.3 實驗結(jié)果

Pt100傳感器將檢測到的溫度信號傳送給信號調(diào)理模塊，經(jīng)過調(diào)整修正后的信號由數(shù)據(jù)采集器輸出，然后通過無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊傳送給無線交互協(xié)調(diào)器，由無線交互協(xié)調(diào)器對相關(guān)數(shù)據(jù)執(zhí)行壓縮和融合后，上傳給開放式上位機(jī)，在開放式上位機(jī)的系統(tǒng)界面中顯示實驗結(jié)果，從而完成各項實驗項目。Pt100傳感器實驗結(jié)果如圖5所示。

本實驗系統(tǒng)中Pt100溫度傳感器的工作電源是DC 24 V ，產(chǎn)生一個4～20 mA的電流，然后連接一個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，實驗結(jié)果測得第一組溫度為30℃，傳感器輸出電壓為2.51 V。對被測物體加熱，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)測得Pt100的電壓溫度特性曲線呈近似線性關(guān)系，并用測得的實際數(shù)據(jù)擬合成線性曲線。本實驗被測物體無須與上位機(jī)有線連接，采用無線監(jiān)測的方式，可測得實驗室空間各不同位置的溫度。實驗測得的溫度電壓數(shù)據(jù)被自動存儲在實驗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)號及實驗名稱命名，也可手動存儲至帶圖表的數(shù)據(jù)記錄文件中。學(xué)生可在實驗界面輸入實驗結(jié)論，打印包含測量數(shù)據(jù)和實驗結(jié)論的實驗報告。

5 結(jié)束語

本文以培養(yǎng)應(yīng)用型人才為宗旨，探索傳感器技術(shù)課程的實驗教學(xué)改革，從傳感器技術(shù)工程應(yīng)用相關(guān)的知識體系出發(fā)，與當(dāng)前熱點應(yīng)用案例緊密結(jié)合，研制開發(fā)了傳感器綜合實驗教學(xué)系統(tǒng)。該系統(tǒng)摒棄傳統(tǒng)的實驗教學(xué)裝置結(jié)構(gòu)，采用分散性布局，將信號感知、信號調(diào)理、無線通信、上位機(jī)交互等設(shè)備相互獨(dú)立設(shè)計，使實驗操作更加靈活，實驗拓展性強(qiáng)。學(xué)生通過傳感器基礎(chǔ)實驗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，開展綜合性更強(qiáng)的傳感器綜合訓(xùn)練。綜合訓(xùn)練項目包括樓宇室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)、火災(zāi)報警監(jiān)測系統(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)實驗系統(tǒng)在應(yīng)用型人才實踐能力培養(yǎng)方面的不足，使學(xué)生基于實驗系統(tǒng)建立完整的專業(yè)知識體系，提高學(xué)習(xí)興趣，鍛煉學(xué)生的工程實踐應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力。

我們在學(xué)校自動化專業(yè)2個班持續(xù)開展該傳感器綜合實驗系統(tǒng)教學(xué)實踐，取得了良好效果。學(xué)生的科技創(chuàng)新能力不斷增強(qiáng)，在科技競賽方面，獲得國家級特等獎2項，國家級一、二、三等獎8項，省部級獎項6項。學(xué)生積極申報“啟明星”科技創(chuàng)新項目，獲批國家級2項，市級5項。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，自動化專業(yè)畢業(yè)生就業(yè)大多集中在自動化領(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)生的工程實踐能力強(qiáng)，學(xué)生在畢業(yè)和就業(yè)銜接過程中過渡平穩(wěn)，在工作崗位上能快速勝任各類工程項目開發(fā)，這從側(cè)面也反映了本文所述的新型傳感器綜合實驗系統(tǒng)在應(yīng)用型人才培養(yǎng)方面的積極推動作用。本文提出的傳感器綜合實驗教學(xué)系統(tǒng)對自動化相關(guān)專業(yè)大學(xué)本科及專科的傳感器原理及應(yīng)用、檢測技術(shù)等課程的實驗教學(xué)亦有借鑒作用。

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（責(zé)任編輯 白麗媛）