基于開放實驗平臺的傳感器實驗課程改革

梅建宏 王碩南 萬真真 王永清

摘 要 針對目前傳感器實驗課程，在現有儀器設備基礎上開發了一種基于Arduino的開放實驗平臺。該平臺可開展各種新型傳感器的相關實驗，并可以進行二次開發及實現多傳感器信息融合等，可作為傳感器實驗教學的有效補充。通過開放實驗平臺的建設，可以豐富實驗教學內容、優化實驗教學模式，提高學生的創新思維，還可以服務和提升現有課程的教學水平。

關鍵詞 傳感器實驗 開放實驗 信息融合

新工科教育提倡技術發展新內容和更新工程人才知識體系，創新工程教育方式與手段，打造工程教育開放融合新生態，鼓勵以互聯網和工業智能為核心的工科專業與技術發展。為響應國家新工科建設的理念，針對傳感器實驗課程中存在的問題，開發了基于開放實驗平臺的傳感器實驗裝備。

1傳感器實驗課程教學現狀

目前我院傳感器實驗設備使用年限久，部分陳舊老化，只能開設驗證性實驗，不具備開設綜合性、設計性實驗的條件。此外，開設的實驗項目中，多數為傳統實驗項目，如應變、電容、電感等實驗項目，所測參數也局限于位移、重量等信息，落后于傳感器日新月異的發展速度。經調研，其他兄弟院校所購買的傳感器設備，均存在以上問題。因此，自制傳感器實驗儀器已經成為開設綜合性、設計性傳感器實驗的必要條件。

傳統的傳感器實驗教學主要有以下問題：一是實驗設備主要依托于廠商供貨，開展驗證性實驗，難以開展設計性，綜合性的實驗;二是實驗設備更新較慢，限制了學生對前沿傳感器的了解;三是傳統的設備難以對傳感器進行二次開發，對傳感器的應用場合理解欠缺;四是傳感器的虛擬仿真實驗難以開展。

為彌補傳統傳感器實驗教學的上述缺點，本校開展了傳感器的開放實驗項目以供學生進一步的深入學習。

2開放實驗平臺的方案

為解決上述問題，開發了一個由多傳感器組成的信息采集實驗平臺。該平臺基于ARDUINO控制模塊的數據采集系統，它與溫濕度傳感器和光敏電阻一起對周圍環境進行檢測。該系統由下位機和上位機兩部分組成。下位機包括核心控制模塊、光敏電阻和溫濕度傳感器以及液晶顯示模塊，控制模塊負責各個模塊的正常運行以及對數據的處理和分析。上位機主要實現PC端和手機終端對所采集信息的顯示、記錄和控制。上位機與下位機之間通過WIFI模塊實現通信。

系統主要分為下位機軟硬件的設計部分和上位機軟件的設計部分。下位機主控制器ARDUINO模塊采集各端點上的信息，如濕度、光照強度、聲音等，然后在液晶顯示器上顯示出來，并通過WIFI傳送至上位機監控界面;上位機主要負責對采集到的數據進行分析、處理、顯示、存儲。

本系統中的上位機軟件開發采用美國國家儀器公司（National Instruments，NI）的一種圖形化編程語言（G 語言）的開發環境—LabVIEW（Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench）又稱實驗室虛擬儀器工程平臺。LabVIEW 不僅引入了虛擬儀器（VI）的概念，同時在該平臺上靠編寫流程圖或框圖創建應用程序使得該款軟件具有界面簡單美觀、易于設計操作等優點。手機端APP采用Unity程序開發。該平臺除可實現多傳感器信息檢測的傳輸及顯示外，還可加以改進用于智能家居控制系統。

3開放實驗項目的實施

該開放實驗平臺提供了煙霧、溫度、濕度、超聲波等12種新型傳感器實驗供學生選擇。開放實驗項目不同于實驗課程所列實驗項目的是，開放實驗項目僅提供了實驗題目及要求，開放實驗項目的實驗方案需由學生自主擬定。因涉及多種不同原理的傳感器以及相應的軟硬件開發知識，學生在進行開放實驗項目時需提前自行查閱資料了解相應傳感器的知識，可以鍛煉學生自主完成實驗的能力。

此外，該平臺還可以結合其它科目完成綜合實驗，例如可以結合《自動控制原理》完成控制系統閉環實驗，并通過編程實現PID等控制算法。對于此類復雜實驗，可由學生自主結組完成，每個成員完成不同的功能模塊，并鍛煉學生的團隊協作能力。

4結束語

該開放實驗平臺實現后，可開設多個綜合性、設計性傳感器實驗，并具有可擴展、可二次開發等優點，可以彌補現有傳感器實驗設備的不足。該開放實驗平臺的建設，對提高傳感器實驗教學水平及質量具有重要意義：

（1）可提高《傳感器原理及應用實驗》中綜合性、設計性實驗項目的比例。

（2）可使學生在有限的實驗時間內，接觸并掌握更多種類的傳感器。

（3）該實驗平臺具備可擴展性及二次開發，可以根據傳感器技術的發展及時調整實驗項目。

（4）可面向大量本科生及研究生開放實驗項目，包括我校電子信息工程學院的全體學生、工商學院信息學部本科生、物理學院部分本科生等。

加強綜合實驗平臺的建設， 實現理論與實踐的交叉融合，對《傳感器原理及應用實驗》教學的發展與改革具有積極作用。

作者簡介：梅建宏（1982.1-），男，漢族，河北邢臺人，博士，講師，研究方向為無人艇導航。

參考文獻

[1] 田華，李敏，田靜，楊建利，馬東.任務驅動的開放式綜合實驗項目的設計與實施[J].教育教學論壇，2019（46）：275-276.

[2] 李壽杰，宋華軍，興雷，李鄭，劉東凱.基于機器視覺的氣冰球機器人實驗教學系統設計[J].實驗技術與管理，2020，37（01）：200-204.