物聯網在數字化教學傳感器中的應用分析

摘 要：至20世紀90年代物聯網概念出現以來，越來越多的人們對其產生興趣。物聯網是在計算機互聯網的基礎上，利用傳感器技術、無線數據通信、計算機處理等技術，構造一個覆蓋世界上萬事萬物的實物互聯網。將物聯網技術，與數字化實驗結合起來，研發具有物聯網功能的數字化教學傳感器已經是目前數字化實驗中很有發展前景的方向。將物聯網與數字化實驗結合起來必將帶來一場深刻的教學實驗的科技變革，帶來人類科技文明的飛躍。

關鍵詞：物聯網 數字化實驗 發展 應用

中圖分類號：G633.67 文獻標識碼：A 文章編號：1673-9795（2013）08（a）-0168-01

1 物聯網的概念

物聯網的概念是在1999年提出的，就是“物物相連的互聯網”。有兩層意思：（1）物聯網的核心和基礎仍然是互聯網，是在互聯網基礎上的延伸和擴展的網絡；（2）其用戶端延伸和擴展到了任何物品與物品之間進行信息交換和通訊。

2 數字化實驗的由來與現狀

傳統的物理，化學，生物實驗都是直接進行測量，學生的實驗數據需要自己記錄，如實驗過程十分復雜，要采集或者處理的數據量非常多，用傳統實驗方法就顯得很繁復，而這時數字化實驗就顯示巨大的威力，使學生寓教于樂，愛上實驗課程。在實驗過程中教師可以指導學生在實驗室中對實驗數據進行分析，處理學生可以對實驗結果進行比對，探討，更能體驗實驗的樂趣，更加享受實驗。這是數字化實驗的優勢所在。但目前的數字化實驗都是單一而孤立進行的，僅局限于一些近距離的小實驗，且傳感器和采集器多采用有線連接，若一個實驗需用到4～5個傳感器，那么采集器和傳感器的連接線就可以占滿半個實驗平臺，這樣實驗做起不是很方便。

3 物聯網與數字化實驗的結合

由于物聯網具有自由互聯，物物互聯的特點，啟發我們將物聯網的優勢與數字化實驗的優勢結合起來研發具有物聯網功能的數字化教學傳感器，實現教學傳感器的小型化，無線化，自由互聯化，采用ZIGBEE為基礎的物聯網系統，配上數字化傳感器，使教學實驗可以隨心所欲，自由伸展。其基本的架構如圖1所示。

其中傳感器側：

溫度補償模塊主要由溫度傳感器與精密分壓電阻及運算放大器組成，連接到嵌入式CPU模塊輸入端，嵌入式CPU對運算放大器送出的電壓信號進行采集，電壓信號通過內部A/D轉換器轉換成數字信號。

嵌入式CPU模塊是基于32位RISC的嵌入式處理機，由RISC機核和FLASH，RAM，EEPROM等組成，通過本模塊的JTAG口對CPU模塊進行仿真，燒寫等開發工作，用戶可以根據不同的傳感器類型，傳感器數據的不同等級，采用不同的通訊密碼算法，進行不同等級的開發。

ZIGBEE通訊模塊由芯片及晶振，電阻，電容等組成，芯片內置ZIGBEE認證堆棧和無線電，可配置的器件類型和網絡設置，通過SPI接口與嵌入式CPU模塊進行通訊。

傳感器數據采集模塊主要由可自由互換的傳感器，運算放大器電路，電阻，電容等組成，其作用是通過傳感器所獲取的電流，電壓的小信號進行放大，濾波，送入嵌入式CPU模塊進行A/D采樣，保持處理，從而得到有用的數字信號。

后備電池及電源電路模塊是用于轉換各部分所需的不同等級的電壓。

其中PC側：

PC側的嵌入式CPU模塊也是基于32位RISC的嵌入式處理機，由RISC機核和FLASH，RAM，EEPROM等組成，通過本模塊的JTAG口對CPU模塊進行仿真，燒寫等開發工作，用戶可以根據不同的傳感器類型，傳感器數據的不同等級，采用不同的通訊密碼算法，進行不同等級的開發。

ZIGBEE通訊模塊也是由芯片及晶振，電阻，電容等組成，芯片內置ZIGBEE認證堆棧和無線電，可配置的器件類型和網絡設置，通過SPI接口與嵌入式CPU模塊進行通訊。

USB通訊模塊是由全速USB芯片為核心組成，內置USB協議棧，可以通過PC機的USB口與PC機交換數據，同時將從PC的USB口得到5 V電源。

電源處理模塊將從USB側得到的電源轉換為各部分所需不同等級的低壓電源。

具體工作過程如下：

傳感器側的傳感器感知信號通過傳感器采集模塊將信號送入嵌入式CPU模塊，溫度補償模塊也將信號送入嵌入式CPU模塊，經嵌入式CPU模塊處理后將編碼加密后信號送入ZIGBEE通訊模塊，ZIGBEE模塊通過無線網絡將信號傳送給PC側的ZIGBEE模塊，PC側的ZIGBEE模塊將信號收錄后送入PC側的嵌入式CPU模塊，此模塊將信號進行解碼后通過USB信道送入PC機，再由PC機對多個或單個的傳感器信號按照不同的時間進行曲線擬合與顯示。從而構成分布式物聯網傳感器系統。

4 結語

物聯網是繼計算機、互聯網和移動通信網之后的又一次信息產業浪潮，是一個全新的技術領域，物聯網的發展，為從事互聯網和IT行業的工業者帶來了更多美好的希望，也成為國家振興產業的一個課題。對于教育，國家提出科教興國的戰略，如何讓我國的教育走在世界的前列，把先進技術及時的應用到教育行業，教育能夠真正的成為推動中國進步的有力保障，對于每一個有責任的公民都是一個值得思考的問題，將物聯網應用到教學實驗中，讓物聯網為教育服務，這是我們研究物聯網數字化傳感器的出發點與落腳點，通過不斷的積累，物聯網數字化教學傳感器一定會更好的為教育服務，為學生服務，將中國的實驗教學與創新教育推動到一個新的高度！