基于無線傳輸的分布式數據處理實驗教學平臺設計

丁青鋒 鄧玉前 李宋

摘? 要：為了加強電子信息類專業知識的綜合應用，綜合多門專業課程實驗教學需求，設計了基于無線傳輸的分布式數據處理實驗教學平臺。通過DS18B20采集多點溫度數據將分布式溫度數據輸入到單片機無線發送模塊，多點溫度數據通過其配置的nRF24L01無線傳輸到單片機無線接收模塊，并將接收到的多路溫度數據通過RS232接口發送給計算機，利用VB實現溫度數據的多路采集、實時動態顯示、數據存儲等功能。實驗結果表明，該綜合實驗平臺具有功能全面、操作簡單、交互性強等優點，為學生實踐能力與創新能力的培養提供了一個良好的實踐平臺。

關鍵詞：分布式數據處理;實驗教學平臺;無線傳輸;電子信息類專業

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2019）21-0067-04

Abstract： In order to strengthen the comprehensive application of electronic information knowledge and meet the needs of many professional experimental educations， a distributed data-processing teaching platform for specialty experiments based on wireless transmission was designed. The DS18B20 collects multi-point temperature data and inputs the distributed temperature data into the wireless transmission module of the single-chip microcomputer. The multi-point temperature data is wirelessly transmitted to the wireless receiving module of the single-chip microcomputer through the configured nRF24L01， and the received multi-channel temperature data is sent to the computer through the RS232 interface. VB is used to realize multi-channel acquisition， real-time dynamic display and data storage of temperature data. The experimental results show that the comprehensive experimental platform has the advantages of comprehensive functions， simple operation and strong interactivity， which provides a good practice platform for the cultivation of students' practical ability and innovative ability.

Keywords： distributed data-processing; experimental teaching platform; wireless transmission; electronic information major

在如今絕大多數院校的電子信息類專業的課程體系中，課程實驗一般與某門理論課程相關聯，實驗課程的內容通常僅限于與之相關聯的理論課程的內容，具有很大的局限性[1-4]。同時，作為支柱產業的電子信息技術發展十分迅速，技術更新快，導致高校的課程特別是實驗課程往往落后于技術的進步，很難滿足實驗教學的需要[4]。因此，傳統單一性、老舊式的電子信息類實驗設備已不能滿足當代學生綜合能力和主動創新能力培養的需要。

針對電子信息類專業課程如傳感器技術、微機原理、計算機原理、通信原理等實驗教學中多個分布式數據無法集中處理的難題，設計了一種基于無線傳輸的分布式數據處理實驗教學創新平臺。該平臺可實現在同一平臺上開展多種電子信息類實驗，實現多個相關數據通過無線傳輸到計算機進行集中處理，具有操作簡單、實驗內容綜合全面、交互性強等優點，能夠滿足學生充分理解和掌握有關理論和實踐課程，加強學生的綜合應用能力，為電子信息類教學實驗提供了一個新的平臺。

一、總體設計方案

該綜合實驗平臺由配有無線射頻的溫度數據采集、發射模塊和配有無線射頻的接收模塊組成，兩模塊主要通過無線射頻進行通信。無線發射模塊主要用來負責采集溫度數據并將溫度數據進行無線發送;無線接收模塊主要用于負責接收多個節點的溫度數據，然后將采集到的多點溫度數據發送到PC機上，并由VB所設計的上位機進行數據的顯示、處理、儲存等。該平臺的結構框圖如圖1所示。

圖1 系統方案總體設計

二、硬件設計

（一）主控電路的設計

主控電路由STC單片機為核心和外設組成的最小系統[6-8]，主控電路模塊是電路設計中的重要一部分，該模塊對處理數據、傳輸數據等發揮著重要作用。

（二）溫度采集與報警電路設計

平臺采用生產生活中常用的溫度傳感器DS18B20，該傳感器是一種單總線的傳感器，具有唯一的地址編碼[9]。溫度采集電路如圖3所示。由于測溫后需要根據溫度值的高低進行報警，溫度過高時或者過低時進行報警。具體報警電路如圖4所示，采用模擬電路中的NPN三極管作為開關來控制蜂鳴器的報警。

圖3 溫度采集電路

（三）穩壓電路設計

平臺利用電壓為5V的USB供電，而nRF24L01無線射頻模塊的供電電壓范圍為1.9V到3.6V，電壓過高容易損壞該射頻模塊[9]。根據nRF24L01射頻模塊對供電的要求，選用LM1117-3.3V作為穩壓芯片，該芯片的輸出電流可達0.8A，具有限流和過熱保護的功能，以確保芯片的穩定性，電路圖如圖5所示。

（四）無線射頻與主控電路的連接

平臺無線通信所選用的射頻芯片為nRF24L01，該芯片內置硬件CRC檢錯和點對多點通信地址控制[10-11]，低功耗為3.6V以下工作。該模塊共有六個控制和數據信號，該模塊與單片機具體的接線圖如圖6所示。

（五）RS232串口電路設計

該綜合實驗平臺需要將主控模塊采集到的多路溫度信號傳送到PC機上，由上位機對相應的溫度數據的處理、顯示與儲存。本平臺采用串口通信的方式將溫度數據上傳到計算機上[12]。串口通信RS232的電路圖如圖7所示。

三、軟件設計

所設計的綜合實驗平臺利用C語言在KEIL編程環境下對單片機進行開發設計。對于配有無線射頻的溫度數據采集、發射模塊而言，首先對nRF24L01進行初始化配置，將射頻模塊的工作模式設定為發送模式，再啟動DS18B20進行溫度采集，并準備好要發送的數據，然后調用無線通信模塊發送數據，數據發送完畢等待到數據接收方的應答后再次返回進行溫度采集。其主要工作流程如圖8所示。

四、上位機設計

本綜合平臺的人機交互界面包括了數據顯示與報警界面、數據存儲與查詢界面，實用性強，操作簡單。

該綜合實驗平臺采用VB 6.0設計上位機。VB 6.0的最顯著的特點就是事件驅動，它的模塊化非常明顯[13-16]。根據系統應用設計要求和可視化的界面建立后，就可以按照系統各個模塊的特點，設計出相應的子模塊。該多通道溫度采集的程序執行步驟如圖9所示。

圖9 上位機溫度采集軟件結構圖

五、實驗調試及結果

（一）硬件電路

如圖10，硬件電路制作采用雙面PCB電路板，為了節約電路板面積，部分元件采用貼片封裝。通電后對各個電路板進行測試。其中，穩壓電路能正常穩壓到3.3V給nRF24L01供電。經測試該實驗平臺的硬件電路工作正常。

圖10 綜合實驗平臺硬件測試

（二）串口通信

在無線接收模塊能夠正常接收到采集點發送過來的溫度數據的情況下，將無線接收模塊與PC機用串口線進行連接，進行三節點的溫度數據接收。不同的節點的溫度數據加上標志位，通過串口發送到上位機上，上位機根據不同的標志位來判斷不同的節點的溫度值，當按鍵被按下時，開始接收數據，三節點溫度接收與顯示如圖11所示，數據接收穩定。

（三）數據實時顯示與存儲

數據顯示界面是平臺的主要顯示界面，界面由眾多的子模塊組成，其中包括了串口設置、數據的實時顯示、溫度報警指示、數據處理與存儲。測試時先進行串口的設置，然后在控制面板中點擊“開始采集”按鍵，開始接收經串口接收到的多路溫度數據，采集的實時曲線如圖12所示;當溫度異常時，開始報警指示，采集點一和采集點三溫度過高，綠色的圓變為紅色。經測試，該界面的子模塊的各項功能均能達到設計要求。

在能接收、顯示多路溫度數據的情況基礎上，設計一個溫度數據庫。在該溫度數據庫中建立一個數據表和相關數據表的字段設置，用來保存上位機串口接收到的溫度數據，將不同節點的溫度數據保存在對應的溫度存儲表的字段中，并且實現每隔一秒刷新數據表。具體溫度數的存儲查詢如圖13所示。

六、結束語

本文提出的基于多任務綜合教學實驗創新平臺涉及多門電子信息類課程知識，可以完成傳感器技術、單片機原理、通信原理等多門專業課程實驗教學。實驗結果效果表明，該平臺運行狀態良好，上位機與下位機通信穩定可靠。利用該平臺能加強學生對課程知識的綜合實踐能力，為教學、實驗和科研創造出了良好的條件。

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*基金項目：江西省教育規劃項目“‘新工科’背景下大學創新教學建設調查與比較研究”（編號：19YB068）;江西省學位與研究生教育教學改革研究項目“基于聯通主義學習的研究生‘現代無線網絡新技術’課程教學模式改革與創新”（編號：JXYJG-2017-078）;江西省學位與研究生教育教學改革研究項目（重點）“基于CIPP模型的專業學位研究生工程實踐能力培養的研究與實踐”（編號：JXYJG-2017-075）;2018年度華東交通大學課堂教學改革項目“基于MOOC的混合學習模式課堂教學改革與實踐（教學范式改革類）”（編號：2018KTJG04）

作者簡介：丁青鋒（1980-），男，漢族，安徽安慶人，博士，副教授，碩士生導師，研究方向：電子信息類教學、軌道無線通信系統理論與設計等。