基于LabVIEW的測(cè)控仿真虛擬實(shí)驗(yàn)在遠(yuǎn)程開放教育中的應(yīng)用研究

孫雷

摘要：基于LabVIEW的測(cè)控仿真虛擬實(shí)驗(yàn)是虛擬實(shí)驗(yàn)的重要組成部分，此類實(shí)驗(yàn)通過虛擬儀器技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的融合實(shí)現(xiàn)在真實(shí)環(huán)境下實(shí)驗(yàn)的共享，將此類虛擬實(shí)驗(yàn)應(yīng)用于遠(yuǎn)程開放教育是一種新型的教學(xué)模式，可以有效解決遠(yuǎn)程開放教育實(shí)踐性教學(xué)的難題，尤其是遠(yuǎn)程開放教育操縱儀器的難題，本文圍繞在遠(yuǎn)程開放教育環(huán)境下基于LabVIEW的測(cè)控仿真虛擬實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)，以基于虛擬儀器的植物監(jiān)控虛擬實(shí)驗(yàn)為實(shí)例，探索構(gòu)建此類虛擬實(shí)驗(yàn)的方法和路徑，并在此基礎(chǔ)上提出了遠(yuǎn)程開放教育進(jìn)行此類虛擬實(shí)驗(yàn)的教學(xué)模式。

關(guān)鍵詞：遠(yuǎn)程開放;LabVIEW;虛擬實(shí)驗(yàn);測(cè)控

中圖分類號(hào)：G64 ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2020）17-0200-02

Abstract： The virtual experiment based on LabVIEW is an important part of virtual experiment. The virtual experiment based on virtual instrument technology and network technology realizes the sharing of experiment in real environment. It is a new teaching mode to apply this kind of virtual experiment to remote open education， which can effectively solve the difficult problem of practical teaching of remote open education， especially the problem of manipulating instrument.

Key words： remote Open ;LabVIEW;Virtual experiment; observe and control

1引言

實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)是高等學(xué)校理工科教育重要的組成部分，實(shí)驗(yàn)是培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力的重要的手段，近年來隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，遠(yuǎn)程開放教育得到了迅速的發(fā)展，已成為高等教育重要的組成部分[1]。但由于遠(yuǎn)程開放教育存在師生分離、實(shí)驗(yàn)設(shè)備缺乏等特點(diǎn)，實(shí)踐性環(huán)節(jié)已成為遠(yuǎn)程開放教育的難點(diǎn)，也是制約遠(yuǎn)程開放教育發(fā)展的瓶頸之一，虛擬實(shí)驗(yàn)的出現(xiàn)，許多遠(yuǎn)程開放教育學(xué)校建設(shè)了虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，學(xué)生可以通過虛擬實(shí)驗(yàn)網(wǎng)站做虛擬實(shí)驗(yàn)，得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果，受到遠(yuǎn)程開放教育學(xué)校普遍歡迎，近年來出現(xiàn)了虛擬儀器技術(shù)，用戶可以根據(jù)自己的需求，在計(jì)算機(jī)上定義和設(shè)計(jì)儀器完成一定的功能，將虛擬儀器技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的融合組成虛擬實(shí)驗(yàn)室，能夠解決遠(yuǎn)程開放教育中操控儀器的難題，尤其是傳感器實(shí)驗(yàn)等測(cè)量控制實(shí)驗(yàn)，具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。

本文以美國(guó)NI公司推出的虛擬儀器平臺(tái)LabVIEW為軟件開發(fā)平臺(tái)，探索構(gòu)建一個(gè)基于LabVIEW的測(cè)控仿真虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并探索將此平臺(tái)應(yīng)用于遠(yuǎn)程開放教育中的模式。

2 基于虛擬儀器的測(cè)控虛擬實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)

基于虛擬儀器的測(cè)控虛擬實(shí)驗(yàn)室直接控制的是遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備，以真實(shí)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備為實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停祟悓?shí)驗(yàn)的特點(diǎn)是一次只允許一個(gè)用戶操作實(shí)驗(yàn)，其他用戶進(jìn)行觀看，基于虛擬儀器的測(cè)控虛擬實(shí)驗(yàn)室的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

傳感器是測(cè)控虛擬實(shí)驗(yàn)室的重要組成部分，其主要功能是將系統(tǒng)外部各種類型的物理量轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，供數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行采集和處理，由于傳感器將外部轉(zhuǎn)換得到的電信號(hào)往往比較微弱或含有比較多的噪聲，不符合直接采集，信號(hào)調(diào)理設(shè)備對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大、濾波、隔離等調(diào)理措施，使得信號(hào)易于被數(shù)據(jù)采集設(shè)備讀取[2]。數(shù)據(jù)采集卡的功能是將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)可處理的數(shù)字信號(hào)，并傳遞到計(jì)算機(jī)中，LabVIEW平臺(tái)即虛擬儀器軟件，在圖1中將數(shù)據(jù)采集卡采集到數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，并將實(shí)時(shí)顯示的結(jié)果通過WEB服務(wù)器在用戶的電腦或手機(jī)等終端顯示。

3 基于虛擬儀器的植物監(jiān)控虛擬實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)

以中小植物的日常養(yǎng)護(hù)為背景，以植物的土壤濕度、空氣溫度、光照強(qiáng)度等的控制量為研究對(duì)象，開發(fā)一個(gè)基于虛擬儀器的植物監(jiān)控虛擬實(shí)驗(yàn)，測(cè)量植物周圍的環(huán)境溫度，將土壤濕度值、溫度值和光照強(qiáng)度顯示供給用戶查看，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架如圖2所示。

數(shù)據(jù)采集包括：光感采集，土壤濕度采集以及溫度采集，利用光敏電阻因光強(qiáng)變化而改變自身阻值的特性，收集光感數(shù)據(jù);通過YL-69傳感器測(cè)量土壤濕度，該傳感器工作穩(wěn)定，對(duì)工作電壓要求為3.3V-5V，方便安裝在植物檢測(cè);測(cè)量溫度使用DS18B20傳感器，讓用戶知道周圍的溫度多少，該傳感器為獨(dú)特的單線接口，不需要外部元件，使用簡(jiǎn)單方便。

圖3是GPRS模塊電路圖，JP3為主控GPRS連接插座，其中： 1、2引腳為GND接地信號(hào)、 5、6 引腳TX2，7、8引腳RX2為主控板與GPRS板的串口通信。

4 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)

明確了實(shí)驗(yàn)的功能，采用模塊化設(shè)計(jì)，分為兩大模塊：下位機(jī)程序模塊和上位機(jī)處理模塊，下位機(jī)可具體劃分為兩個(gè)部分：微處理器程序模塊和GPRS模塊;上位機(jī)模塊，通過LabVIEW同GPRS模塊[3]進(jìn)行通信，將各個(gè)模塊進(jìn)行整合，將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示在電腦屏幕上，完成系統(tǒng)的功能。

4.1 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

下位機(jī)軟件由數(shù)據(jù)采集和GPRS無線傳輸組成，圖4是下位機(jī)的流程圖。

4.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)采用LabVIEW程序設(shè)計(jì)，LabVIEW程序設(shè)計(jì)語言是一種圖形化編輯語言，其特點(diǎn)是編程效率高，采用圖形化界面比較直觀， Lab View面板將GPRS傳送的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為波形圖，可以實(shí)時(shí)在線直觀監(jiān)測(cè)土壤溫度，空氣溫度、關(guān)系強(qiáng)度等參數(shù)[4]，并且將土壤參數(shù)實(shí)時(shí)值，上限值，下限值，報(bào)警燈依次展示出來。

5 虛擬實(shí)驗(yàn)的遠(yuǎn)程發(fā)布

考慮到虛擬實(shí)驗(yàn)是面向遠(yuǎn)程教育的，因此需要將此虛擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行遠(yuǎn)程發(fā)布，由于LabVIEW內(nèi)置了web發(fā)布工具，所以可以直接通過該工具進(jìn)行遠(yuǎn)程發(fā)布，在配置web服務(wù)器以后對(duì)HTTP、端口進(jìn)行配置，配置完發(fā)布即可[5]。

6 基于LabVIEW的測(cè)控仿真虛擬實(shí)驗(yàn)在遠(yuǎn)程開放教育中的教學(xué)模式

要將基于LabVIEW的測(cè)控仿真虛擬實(shí)驗(yàn)落地到遠(yuǎn)程教育教學(xué)實(shí)踐中，需確定虛擬實(shí)驗(yàn)的整體框架，根據(jù)調(diào)研，基于LabVIEW的測(cè)控虛擬實(shí)驗(yàn)包括登錄模塊、教學(xué)輔導(dǎo)模塊、學(xué)生做虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)K、學(xué)生提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告、教師批閱模塊、學(xué)生查詢實(shí)驗(yàn)成績(jī)模塊，為實(shí)現(xiàn)此功能，需建設(shè)數(shù)據(jù)庫將學(xué)生信息、教師信息、實(shí)驗(yàn)報(bào)告、實(shí)驗(yàn)成績(jī)記錄在數(shù)據(jù)庫中，在配置好數(shù)據(jù)源后，利用LabVIEW的LabSQL與數(shù)據(jù)源進(jìn)行連接，完成LabVIEW與數(shù)據(jù)庫的通訊。在此基礎(chǔ)上，確定基于LabVIEW的測(cè)控仿真虛擬實(shí)驗(yàn)在遠(yuǎn)程開放教育中的教學(xué)模式如圖5所示，學(xué)生和教師分部登錄系統(tǒng)，準(zhǔn)備做虛擬實(shí)驗(yàn)的學(xué)生向教師提出虛擬實(shí)驗(yàn)的請(qǐng)求，教師進(jìn)行指導(dǎo)，指導(dǎo)過程通過視頻共享給所有登錄系統(tǒng)的學(xué)員，準(zhǔn)備做虛擬實(shí)驗(yàn)的學(xué)生在教師的指導(dǎo)下利用傳感器做虛擬實(shí)驗(yàn)，其結(jié)果在LabVIEW面板上實(shí)時(shí)顯示，其他同學(xué)在線觀看了做實(shí)驗(yàn)同學(xué)的過程和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，做完實(shí)驗(yàn)以后學(xué)生做實(shí)驗(yàn)報(bào)告并提交，教師進(jìn)行批閱給出成績(jī)，學(xué)生查看實(shí)驗(yàn)成績(jī)。

7 結(jié)語

本文利用傳感器采集及處理模塊、 GPRS數(shù)據(jù)通信模塊以及上位機(jī)監(jiān)測(cè)中心模塊組建了基于LabVIEW的遠(yuǎn)程測(cè)控虛擬實(shí)驗(yàn)，該虛擬實(shí)驗(yàn)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的融合實(shí)現(xiàn)了在真實(shí)環(huán)境下實(shí)驗(yàn)的共享，此類虛擬實(shí)驗(yàn)具有造價(jià)成本低、實(shí)時(shí)性好、交互界面友善等優(yōu)點(diǎn)，可以有效地解決遠(yuǎn)程開放教育實(shí)踐性環(huán)節(jié)的難題，具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。

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【通聯(lián)編輯：王力】