面向應用型人才培養的傳感器實驗系統研究

2021-11-17 11:18:39龍浩黃娜李媛

北京聯合大學學報 2021年4期

龍浩黃娜李媛

[摘要]? 面向新工科教育背景下應用型人才培養的需求，構建新型的傳感器綜合實驗系統。該系統摒棄了傳統實驗教學裝置的固定結構，學生可根據實驗需求，自主搭建多種調理電路并實現功能擴展。系統采用無線通信技術，并與LabVIEW虛擬仿真平臺結合，整合傳感器信號的測量、傳輸、分析與處理，使學生在掌握傳感器原理基本理論知識的同時，從系統的角度建立完整的傳感器應用知識體系。基于該系統設計創新實驗項目綜合案例，以綜合實踐訓練的方式提高學生的科技創新和項目開發能力。教學實踐表明，該系統鍛煉和提升了學生的綜合應用能力，對相關領域應用型人才培養起到了推動作用。

[關鍵詞] 應用型人才;傳感器;實驗系統;綜合應用能力

[中圖分類號] G 642.0? [文獻標志碼] 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起云涌，在新一輪科技革命和產業變革的大背景下，教育部高等教育司提出，普通本科院校應該加大應用型人才培養，結合區域產業鏈布局，進行產教融合、校企合作，帶動區域經濟發展[1]。在新工科教育背景下的應用型人才教育更加強調實踐能力和創新能力培養[2-3]，實驗教學是培養應用型工程人才的必要環節，也是高校新工科建設的重要部分[2，4]。北京聯合大學作為首都應用型人才培養和科技創新的重要陣地，非常注重學生實踐及創新能力的培養，不斷加強實踐教學軟硬件環境建設，培養適應國家，特別是首都經濟社會發展需要的高素質應用型人才。

傳感器技術在計算機、自動化及物聯網等領域負責底層信號來源的獲取及轉換，其課程是工科專業的核心基礎課程。傳統的傳感器實驗教學裝置存在以下不足[5-7]：第一，實驗調理電路固定，且封裝在實驗箱內，學生不可隨意改變，限制了對學生進行傳感器應用電路設計能力的培養;第二，各類傳感器之間互相獨立，學生每次只能針對一類傳感器進行測量，無法實現多類傳感器之間的綜合測量，限制了對學生進行多傳感器綜合應用能力的培養;第三，傳感器與測量實驗平臺采用有線連接，無法進行無線測量，與實際應用脫節，限制了對學生進行工程綜合應用能力的培養;第四，不對學生開放內部編程程序（包括信號分析、界面交互等），學生不能進行二次開發，限制了實驗系統資源的開發再利用。以上缺點制約了課程實驗教學對學生綜合應用能力和創新能力的培養。因此，如何對傳感器技術課程的實驗教學模式進行改革，讓學生在掌握傳感器基本原理的同時，能夠對各類傳感器進行與實際應用密切相關的工程實踐，對提高應用型人才培養質量至關重要。

針對上述問題，本文在現有傳感器實驗設備的基礎上，面向工程實際應用，整合物聯網技術及虛擬儀器技術，研制了新型的傳感器綜合實驗系統。該系統包括21種傳感器測量單元，將其調理電路設置為最小單元結構，可由學生根據不同的測量需求靈活搭建組合測量調理電路;系統采用ZigBee通信技術，實現多種傳感器綜合測量，且面向實際應用實現無線測量;利用LabVIEW虛擬測試平臺設計可二次開發的交互上位機，實現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的構成及功能

改革原有實驗系統的信號調理、上位機交互及信號通信等環節，如圖1所示。系統結構以21種傳感器測量單元為基礎，將原有實驗裝置采集到的信號與無線數據發送節點連接，然后通過ZigBee組網通信[8]，由無線交互協調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進行分析和處理，進行數據存儲，輸出實驗報告等，實現無線多傳感器綜合測量功能。

上位機采用美國國家儀器公司的LabVIEW虛擬測試平臺[9-10]，主程序完成系統登錄及實驗項目選擇，并調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：通信設置、參數設定、零點調整、實驗結構框圖及原理圖顯示、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，學生可進行創新實驗項目，根據課程學習的需要，對上位機的人機交互、信號存儲與顯示、信號分析與運算等功能進行二次開發，鍛煉創新能力。

2 硬件系統

傳感器綜合實驗系統的硬件主要包括傳感器模塊（傳感器及其調理電路）、數據采集器、ZigBee模塊和開放式上位機。

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調理電路。調理電路包括針對不同種類傳感器設計的專用調理電路以及各種傳感器均適用的通用調理電路。傳感器與專用調理電路、通用調理電路之間根據實驗需求搭建連接，以實現傳感器的模塊化功能。通用調理電路包括信號放大電路、過濾電路、緩沖電路和定標處理電路等。專用調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構設計增加了實驗設備的靈活性和通用性，節約了開發成本。

2.2 數據采集器

本文選用STM32F103C8T6單片機實現數據采集。該單片機具有ARM Cortex-M 內核、32 bit 的位寬、64 KB的PROM、20 KB 的RAM和10路12位的ADC轉換口，最高系統時鐘為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無線通信節點構成無線數據收發模塊和無線交互協調器，組網方式為星型網絡結構。CC2530是一種高性能、低功耗、多功能的無線片上系統單片機，使用具有代碼預取功能的8051 CPU內核，它帶有極高性能的RF收發器并且抗干擾能力強，符合IEEE 802.15.4（2.4 GHz）通信協議標準。無線網絡搭建成本較低且可靠性高，可直接提供20 mA的電流驅動繼電器。

2.4 上位機

上位機硬件為PC機，配置為Intel（R）Core（TM）i7-9700 CPU，3.8 GHz主頻，16 GB內存，64 bit Windows 10 操作系統。上位機（PC機）與ZigBee模塊之間通過USB串口通信;上位機支持二次開發個性化交互界面以及增減或更改實驗項目設置等。

3 軟件系統

傳感器實驗流程如圖3所示，首先輸入學生信息登錄實驗系統，進入主界面后選擇實驗項目，然后進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設備管理器查詢 [11];然后學生可以在子界面查看實驗電路圖、方塊圖等，設置實驗參數，進行實驗，實驗結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，并可對曲線參數進行個性化設置。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曲線，以及XY圖表生成的傳感器特性曲線。由于學生可自定義和設置的參數較多，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。

4 Pt100傳感器實驗過程及結果

4.1 硬件連接

首先，用連接線將Pt100傳感器與相應專用調理電路、通用調理電路之間連接起來，如圖4所示。調節劃片電阻器使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確性，應使用1 V電橋電源，A/D轉換器的5 V參考電源要穩定在1 mV級[12];Pt100傳感器、A/D轉換器和運算放大器的線性度要高。同時，利用上位機軟件矯正其誤差，可以使測得溫度的精度為±0.2℃。

其次，將信號調理模塊最終輸出的信號端口與無線數據收發

模塊（CC2530）的AD數據采集端口連接起來。用串口連接并配置無線交互協調器與開放式上位機之間的串口通信，學生在開放式上位機上完成基礎實驗項目和相應的二次開發編程。

4.2 配置參數及通信連接

首先，訪問開放式上位機的系統界面，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，進入子系統界面，配置無線交互協調器與開放式上位機之間的串口通信地址，對實驗參數進行設置和調整。

4.3 實驗結果

Pt100傳感器將檢測到的溫度信號傳送給信號調理模塊，經過調整修正后的信號由數據采集器輸出，然后通過無線數據收發模塊傳送給無線交互協調器，由無線交互協調器對相關數據執行壓縮和融合后，上傳給開放式上位機，在開放式上位機的系統界面中顯示實驗結果，從而完成各項實驗項目。Pt100傳感器實驗結果如圖5所示。

本實驗系統中Pt100溫度傳感器的工作電源是DC 24 V ，產生一個4～20 mA的電流，然后連接一個4～20 mA電流電路板，把4～20 mA的電流轉換為1～5 V的電壓[13-14]。圖5顯示，實驗結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℃，記錄一次數據，并顯示在前面板中，系統測得Pt100的電壓溫度特性曲線呈近似線性關系，并用測得的實際數據擬合成線性曲線。本實驗被測物體無須與上位機有線連接，采用無線監測的方式，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據被自動存儲在實驗程序同目錄下的電子表格文件中，表格文件以學生的姓名學號及實驗名稱命名，也可手動存儲至帶圖表的數據記錄文件中。學生可在實驗界面輸入實驗結論，打印包含測量數據和實驗結論的實驗報告。

5 結束語

本文以培養應用型人才為宗旨，探索傳感器技術課程的實驗教學改革，從傳感器技術工程應用相關的知識體系出發，與當前熱點應用案例緊密結合，研制開發了傳感器綜合實驗教學系統。該系統摒棄傳統的實驗教學裝置結構，采用分散性布局，將信號感知、信號調理、無線通信、上位機交互等設備相互獨立設計，使實驗操作更加靈活，實驗拓展性強。學生通過傳感器基礎實驗掌握了傳感器元件的基本原理和特性，具有一定的基礎應用能力。在此基礎上，開展綜合性更強的傳感器綜合訓練。綜合訓練項目包括樓宇室內環境監測系統、火災報警監測系統、溫室大棚環境監控系統及智能家居系統等。該系統彌補了傳統實驗系統在應用型人才實踐能力培養方面的不足，使學生基于實驗系統建立完整的專業知識體系，提高學習興趣，鍛煉學生的工程實踐應用能力和創新能力。

我們在學校自動化專業2個班持續開展該傳感器綜合實驗系統教學實踐，取得了良好效果。學生的科技創新能力不斷增強，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。學生積極申報“啟明星”科技創新項目，獲批國家級2項，市級5項。學生發表科技論文5篇，獲得軟件著作權登記4件。近年來，自動化專業畢業生就業大多集中在自動化領域相關企事業單位，就業率穩定在98%以上。對畢業生就業的跟蹤調查顯示，企業普遍認為學生的工程實踐能力強，學生在畢業和就業銜接過程中過渡平穩，在工作崗位上能快速勝任各類工程項目開發，這從側面也反映了本文所述的新型傳感器綜合實驗系統在應用型人才培養方面的積極推動作用。本文提出的傳感器綜合實驗教學系統對自動化相關專業大學本科及專科的傳感器原理及應用、檢測技術等課程的實驗教學亦有借鑒作用。

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