傳感器綜合實訓系統的設計與實現

摘 要：根據檢測技術和傳感器智能化最新研究，為滿足物聯網工程專業應用型人才培養的實際教學需要，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，主要介紹了系統總體結構和硬件結構設計，開發了一套實用型的軟件系統，并以溫濕度傳感器為例，介紹了傳感器數據的在線檢測與處理。系統測試結果表明，所提系統具有配置簡單、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。

關鍵詞：傳感器;實訓系統;物聯網中間件;數據采集;控制系統;串行通信

0 引 言

當前，傳感器技術已經趨于智能化、小型化和多元化，在實際應用中涉及到多個行業[1-2];同時，也是信息時代各類應用的重要技術之一，是獲取各類信息的必要技術和手段。在物聯網工程專業教學中，傳感器技術已經融入到相關專業的人才培養體系，傳感器相關的知識已經嵌入到專業課程體系[3]，也出現了一些典型的物聯網實驗系統，如嵌入了無線傳感器節點的實驗系統[4]。

在物聯網工程專業的課程設置中，主要介紹各類傳感器的原理，并結合以單片機為核心的智能檢測系統開展專業教學，但是大多數高校的實踐教學主要是基于單片機系統開發[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成。

目前，大多數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，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不熟悉，尤其是計算機類專業的培養目標定位于應用型人才，而傳統的傳感器實驗系統具有片面性。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，大多數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合起來，造成了專業技能達不到專業人才培養目標。

為了解決這些問題和進一步完善綜合的實踐教學體系，優化了傳感器綜合實訓系統。同時，實訓系統也應具有物聯網設備中間件服務[8-9]。為此，該系統也擴展了數據接口和服務軟件。

1 系統簡介

該系統主要是基于傳感器的物聯網數據采集和處理的綜合應用實訓系統，主要采用模塊化設計的思想，利用傳感器實驗硬件平臺，集成了物聯網中間件的軟件系統，適用于高校的傳感器課程的實驗實訓。實訓系統的主要特點：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實驗，綜合性強，并且能夠使學生易于理解底層硬件數據處理方式;二是充分考慮了系統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;四是集成了物聯網中間件，易于系統擴展，而且相關的傳感器數據也可以接入到其他平臺。

2 系統結構

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

2.1 硬件結構

硬件部分主要包括傳感器和單片機控制系統。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。單片機控制系統主要是以STM32嵌入式微處理器為核心的嵌入式集成系統。

為了簡化實訓系統，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，各傳感器數據采集通過RS 232通信與上位機進行互聯，所有數據也可以通過以太網上傳到云服務平臺，這也是當前物聯網的最新應用需求[10]。

2.2 軟件結構

上層實訓軟件系統主要采用C#語言開發人性化的界面，實現了多功能展示，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。

設計的系統維護和管理模塊主要包括串口參數設置、Log文件記錄與查詢、數據庫參數配置等模塊。通過實訓系統，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說明，用戶可以充分了解實驗的具體要求和相關要求。

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的協議。另外，該軟件提供了傳感器數據接口，可以作為物聯網中間件，以便擴展相關應用。

3 系統功能

3.1 參數配置功能

參數配置功能主要包括數據庫的連接配置和RS 232通信參數的配置。采用多種配置方式，使學生掌握實際應用中的相關技術，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。

用戶可以根據各類傳感器的實際應用需要，配置數據庫連接參數和每個實驗的串行設置，XML配置文件如圖3所示。根據串行通信設置要求，重點是配置與單片機控制系統一致的相關串口號、波特率、數據位、停止位和奇偶校驗位等參數。

3.2 檢測功能

各傳感器檢測的主要功能包括數據顯示、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）數據顯示功能：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據，通過數據和狀態條的方式顯示。

（2）設置參數功能：主要是設置溫度的上下限，方便進行數據處理，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：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換為紅色，通過解除報警，可以將報警解除的命令發送給傳感器硬件模塊，如圖4所示。

（4）顯示歷史數據：通過選擇起止時間段后，可展示歷史趨勢，如圖5所示。

4 結 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據檢測的綜合實訓系統，實現了傳感器數據的檢測、參數設置、數據處理等功能。經檢測，系統運行穩定，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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