基于物聯網技術的單片機實驗教學裝置設計

王建強

(榆林學院 信息工程學院，陜西 榆林 719000)

0 引言

國家“新工科”“智能制造2025”等重大戰略規劃背景下，要求高等學校培養出更多的適應新形勢的工科人才。為了響應國家戰略需求，支撐以新產業為特點的新經濟的發展，近年來各高校紛紛實行擴招政策，學生人數的迅速增加，給各高校的教學帶來了更大的壓力，特別是工科相關專業的實驗教學，面臨著師資短缺、管理手段落后、實驗資源缺乏等一系列的問題[1]。作為服務電子信息產業的高校電子信息類相關工科專業，實驗教學在整個人才培養過程中的地位尤為重要，“單片機原理及應用”作為電子科學與技術、自動控制技術、計算機科學與技術、物聯網工程等電子信息類相關專業的重要專業基礎課，其實驗教學已經不能適應新形式下的人才培養需求。

目前，盡管各高校采取了一系列的教學改革手段，如線上線下混合式教學[2]、引進新的教學理念[3]、項目驅動式實踐教學[4]、遠程實驗教學[5]等，取得了一定的成果，但在實驗過程監控，尤其在實驗成績考核環節仍采用傳統方式進行，無法解決效率低下，教師工作繁瑣等問題。物聯網應用技術的快速發展為解決該問題提供了新的思路，本文引入物聯網技術，設計了基于物聯網技術的實驗教學裝置，來加強對學生整個實驗過程的監控，減輕實驗成績評定環節的工作量，提高教學效果。

1 總體設計

1.1 設計思路

為實現對學生實驗過程的遠程管理監控，以簡化實驗結果考核環節的工作量，實現實驗過程中單片機運行狀態的記錄及數據上傳，在傳統“單片機原理及應用”實驗開發板的基礎上，增加一個實驗數據采集上傳模塊，并把采集的實驗過程數據上報至云端，具體來說分為數據采集和數據上傳至云平臺兩個過程。

首先，數據采集主要是通過采集單片機在整個實驗過程相關寄存器的狀態變化來實現。單片機的主要功能分兩類：外部控制和外部數據的感知。其工作過程均是通過由CPU來對相關寄存器的操作來實現的，因此可以通過在特定時間來監控單片機的相關寄存器來達到記錄整個實驗程序運行狀態的目的，從而記錄學生的實驗過程數據。而51單片機特殊功能寄存器數量較少也保證了該設計思路的可行性，以STC89C52單片機為例，其寄存器組主要包括I/O口鎖存器、定時器/計數器、串行口數據緩沖器和各種控制寄存器等，共有23個，都以特殊功能寄存器的形式出現[6]。在基礎實驗中，往往僅使用到了其中的部分寄存器，如要實現控制8位七段數碼管的顯示實驗，CPU可通過控制P1口的8位寄存器來確定顯示內容，通過控制P2口的8位寄存器中的8位中的某一位來決定由哪一位數碼管顯示，可通過控制定時器、中斷控制寄存器等來實現具體的顯示方式。這樣一來，對于該實驗，只需要在特定時間掃描上述寄存器的狀態變化，就可以實現實驗過程數據的采集。

其次，數據的上傳。由51單片機通過串口將采集到的實驗過程數據發送給云平臺通信模塊，云平臺通信模塊將該數據通過相關的物聯網通信協議上傳至云端。

1.2 總體組成

整個系統由實驗數據采集模塊、數據上傳模塊、云平臺模塊和實驗數據應用監控模塊4個模塊組成。首先，由51單片機實驗系統實現實驗過程中相關寄存器運行狀態的采集，并通過串口發送給數據上傳模塊；接下來數據上傳模塊通過TCP透傳的方式將數據上傳至云端；教師可以在監控端查看云端數據，完成實驗指導及成績的評定等工作。系統整體組成如圖1所示。

圖1 系統總體組成圖

2 系統硬件設計

2.1 實驗開發板硬件電路設計

實驗開發板主要由STC89C52最小系統、Led控制實驗模塊、按鍵模塊、數碼管顯示模塊等組成，具體電路設計如圖2所示。

圖2 實驗開發板硬件電路

2.2 數據傳輸模塊硬件設計

數據傳輸模塊由ESP8266來實現，通過串口與實驗開發板連接，通過TCP透傳與云平臺實現雙向通信，電路設計如圖3所示。

圖3 數據傳輸模塊硬件設計

3 測試及結果

3.1 測試環境的搭建

基于上述設計，搭建了測試環境，對學生“數碼管靜態顯示實驗”中用到的寄存器的運行狀態進行了數據的采集上傳。該實驗要求學生編程實現對8位7段共陽極數碼的控制，讓8位共陽極數碼管同時循環顯示0到7八個字符，時間間隔為1 s，理論分析各寄存器的狀態隨時間的變化如表1所示。

表1 數碼管靜態顯示寄存器狀態理論數據

首先，云平臺的搭建。包括按照Onenet官方流程在Onenet云平臺申請賬號、建立基于TCP透傳協議的產品、新建設備、Lua腳本設計上傳、數據流的設置等步驟；接著設置ESP8266與云平臺進行連接，以便上傳數據。由C51單片機通過AT指令對ESP8266進行初始化，使其處于TCP透傳模式下，并連接地址為183.230.40.40的云平臺遠程主機，端口號使用1811，發送登錄指令*357000#51IOT#51IotTest*，登錄后就可以把采集到的數據發送至云平臺并保存至數據庫；最后，數據導出并驗證。通過云平臺數據流界面查看上傳的數據并與理論分析數據進行對比驗證。

3.2 測試過程及結果

連接好硬件電路，P2口8位分別接8位共陽極數碼管的控制端，P1口的8位作為8位共陽極數碼管顯示內容控制輸入端，ESP8266模塊通過串口與單片機開發板連接；接著將編寫好的串口數據發送程序與實驗程序一起燒寫到STC89C52開發板中，最后上電，在實驗板觀察實驗現象，在云平臺上查看寄存器隨時間變化狀態。51單片機設計主程序流程圖如圖4所示。

圖4 主程序流程圖

程序運行后，可以看到開發板上的8位7段數碼管以1 s的時間間隔循環顯示字符0-7；云平臺數據流查看界面P1、P2數據流截圖如圖5所示。

圖5 云平臺導出數據圖

可以看到，在云平臺上，每隔1 s收到一次P1口及P2口的狀態數據，將該十進制的數據轉換為二進制后，正好與表1的數據項吻合，驗證了設計的正確性。

4 總結

本文應用物聯網技術，將“單片機原理及應用”實驗過程中單片機相關寄存器的狀態傳送到了云平臺上。基于這些數據，教師可以遠程對學生的實驗情況進行掌握，簡化了實驗的考核過程，一定程度上降低了教師的工作量。