一種面向研究生的復合型實驗平臺設計與實現

劉濤　田逢春　謝鑫　譚曉衡　劉然

摘要：研究生實驗平臺是研究生教學實踐的主要途徑，對于培養研究生的科研創造能力的具有重要意義。針對專業型、學術型碩士和博士研究生實驗課程側重點和實際需求的差異，提出了一種復合式的實驗平臺設計方案并擬定了實驗內容大綱，對教育資源有限條件下的研究生實驗平臺建設進行了實踐和摸索。

關鍵詞：創新實踐基地；實驗平臺；實驗內容；研究生

中圖分類號：G643 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）33-0235-03

各高校研究生實驗平臺建設已逐步邁向成熟，參與其中的教育工作者在已有管理架構、運行機制和課程內容之上，從全面、規范和系統的角度總結了既得經驗。但也應當注意到，隨著研究生教育改革的發展，現有實驗平臺難免遇到新問題和新挑戰。就筆者所在學校而言，由于近年來專業型和學術型碩士研究生的出現，使得工科類專業型、學術型碩士和博士研究生對于實驗平臺和實驗課程的需求產生了較大分化，而學校限于師資、經費、場地等因素，無法為每一類研究生建設專門的實驗平臺。因此，建立一套面向理論課程、工程實踐和科學研究的復合型實驗平臺顯得尤為重要。

本文立足信號處理方向，兼顧專業型、學術型碩士和博士研究生的實際需求，設計并實現了一套基于“云終端-云監控中心-移動客戶端”的復合型實驗平臺，該平臺具有信息感知、傳輸、處理和推送能力。學生通過該平臺能夠進行課后實驗、工程項目實訓，理論研究探索等。本文將從系統架構和實驗大綱及內容安排等方面對該實驗平臺進行介紹。

一、實驗平臺系統結構

實驗平臺系統架構分為“信息感知云終端”、“云監控中心”和“移動用戶端”三部分。其中，“信息感知云終端”可進行大范圍布點，其主要功能是由傳感器陣列感知和采集環境質量數據，經過模數轉換后通過無線收發模塊將數據傳輸至“云監控中心”服務器；“云監控中心”將接收的環境質量數據進行存儲和分析，通過計算得到“信息感知云終端”所分布區域的環境質量信息并推送至“移動用戶端”；“移動用戶端”通常形式為智能手機，用戶通過安裝在智能手機中的特定APP查詢“信息感知云終端”地點的環境質量評測結果。

（一）信息感知終端

信息感知終端硬件結構主要包括有電源模塊、氣體傳感器陣列、溫濕度模塊、A/D轉換模塊、單片機、無線通信模塊等部分，系統結構框圖如圖2所示。圖中電源模塊可將外部直流電壓或電池電壓轉換為DC3.3V、DC4V、DC5V和DC7V電壓。其中DC3.3V為單片機、A/D轉換模塊、無線通信模塊、溫濕度模塊和GPS模塊供電。DC4V、DC5V和DC7V為傳感器陣列供電。傳感器陣列部分由3個金屬氧化物型氣敏傳感器和一個PM2.5傳感器組成，用于感知當前空氣質量。無線通信模塊通過串口與單片機連接，并讀取傳感器數據，采用GPRS進行環境數據傳輸。如圖3所示為信息感知終端實物圖。

信息感知終端軟件開發工具為MPLAB IDE V8.53，開發語言為C語言，輔助調試工具為網絡調試助手、串口調試助手等。該終端程序主要包括數據采集子程序、A/D轉換子程序、GPS定位子程序、GPRS數據傳輸子程序等。在該部分程序中，傳感器數據采樣頻率、GPS定位精度、數據傳輸周期等參數均可自由設定，以滿足不同環境的監測需求。

（二）云監控中心

云監控中心demo采用Microsoft Visual Studio 2010開發，開發語言為C/C++語言，后臺服務器租用的商用云服務器。云監控中心各單元子程序功能框圖如圖4所示，主要實現云監控中心與信息感知云終端的數據交互、云監控中心與移動用戶端的數據交互、傳感器數據的存儲及算法處理、地圖查詢及顯示等功能。

云監控中心的數據庫采用oracle數據庫，使用PLSQL developer軟件對數據庫進行操作，采用ADO連接數據庫的方法實現Microsoft Visual Studio 2010和數據庫之間的通信。

云監控中心的系統界面如圖5所示，在圖中，1處為地圖信息顯示；2處為信息感知云終端通信狀態顯示；3處為接收到的數據顯示；4處為用戶查詢信息顯示；5處為歷史數據查詢按鍵。

上圖中1框顯示地圖信息，圖中每個綠點代表一個信息感知云終端，單擊每個綠點將顯示當前監測點的監測結果，顯示包括空氣質量信息和采集時間。點擊按鈕5將彈出歷史數據查詢界面。

（三）移動用戶端

移動用戶端主要涉及APP應用程序的開發，開發工具為Eclipse2014，開發語言為Java語言，其功能應包括：提供與云監控中心的接口，接收云監控中心的推送信息，同時具備可視化界面，能夠提供窗口顯示服務器端的數據及對應的氣體種類和濃度，用戶可隨時隨地查詢各監測點的污染情況等。

圖6（a）-（d）為基于安卓系統開發APP操作界面：圖6（a）顯示的是放置在不同室內外地點的各個信息感知終端，空氣質量未超標時顯示綠色圖標，通過點擊終端編號，可以查詢該點檢測結果，同時自動重新定位，如圖6（b）所示；如若有監測點空氣質量超標，點擊該點圖標即可變為紅色，如圖6（c）所示；之后將會在查詢結果界面提示超標污染物及其濃度，如圖6（d）所示。

二、實驗大綱及內容

本實驗平臺以“服務研究生課程，積累工程實踐經驗，培養科學創新能力”的目的，將相關實驗內容分為三個遞進的層次：基本實驗項目、工程實訓項目和研究支撐計劃?！盎緦嶒烅椖俊笔侵噶⒆阊芯可鷮I課程而開展的課程實驗；“工程實訓項目”是為專業型研究生提供的綜合性實踐項目；“研究支撐計劃”是為學術性碩士和博士研究生進行理論研究提供平臺支撐，研究者可根據自己的研究方向、課題和實驗平臺提供的軟硬件接口，在實驗平臺上進行二次開發，為其研究提供便捷的通道。

（一）基本實驗項目

基本實驗項目分為6個，其主要內容如下：

1.“環境信息感知”：使用實驗平臺完成環境溫度和濕度信息的采集和轉換，使用人機界面進行相關信息的顯示和查詢；使用實驗平臺完成對空氣中污染物信息的采集和轉換并根據該信息對空氣質量進行自動評估；使用實驗平臺完成PM2.5信息的采集和轉換，使用人機界面進行相關信息的顯示和查詢。

2.“云網絡數據傳輸”：使用“終端”設備，實現環境感知數據的網絡傳送；使用“云端”設備，實現數據的接收、存儲和查詢，完成“云端”數據庫的建立、修改與查詢。

3.“GPS定位”：使用實驗平臺完成各終端設備GPS信息的接收、提取、轉換和上傳；使用實驗平臺完成對空氣中污染物信息的采集和轉換并根據該信息對空氣質量進行自動評估。

4.“陣列數據采集與存儲”：使用實驗平臺實現ADC多路采樣，控制采樣頻率大小，比較不同采樣頻率對數字信號的影響；選擇合適的數據結構進行陣列信號存儲并根據數據結構特點進行數據讀取和修改。

5.“陣列數據預處理與特征提取”：原始數據的噪聲處理，對實驗數據的分析，設計合理有效的濾波器（IIR/FIR濾波器）對實驗的噪聲進行濾除并對比效果；傳感器陣列數據標準化處理方法仿真與比較；典型陣列時頻域特征a提取方法仿真與比較。

6.“模式識別與人工智能算法”：常用聚類方法（PCA、k-NN、SOM、ART等）仿真與比較；人工嗅覺系統常用識別方法（ANN、SVM等）仿真與比較。

（二）工程實訓項目

本項目旨在訓練工程設計與實現方面的能力。培訓研究生完成從事一項工程項目的方案設計、硬件組態、軟件設計、系統調試與測試等全過程的工程實踐能力。

設計要求：①通過若干信息感知終端（不超過10個）采集當地空氣質量數據并傳送至云端。②云端無差錯接收各信息終端采集的空氣質量數據并分類匯總。③在云端進行污染源的溯源及污染擴散預測。④能夠通過手機APP完成空氣質量數據和氣味溯源監測結果的實時查詢。

任務目標：①掌握嵌入式系統（信息感知終端）的軟件開發流程與代碼實現。②掌握基于云端OS的數據收集軟件設計和代碼實現。③掌握基于安卓或IOS的APP開發流程及代碼實現。④掌握基于大數據分析的污染溯源和預測方法。

測試與分析內容：①完成信息感知終端AD多路采樣。②云終端無差錯接收氣味終端上傳數據。氣味溯源和預測方法結果與實際情況相符。③基于APP的手機人機界面設計：能夠對查詢的終端進行選擇并實時顯示該終端的氣味檢測結果。能夠查詢氣味溯源和預測結果并以適當的形式顯示。

學生考核及學分認定：完成實訓實驗項目，給予學生一定的學分，該學分可以計入研究生的教學實踐、工程實踐以及下廠實習的學分?？倢W分按實驗和項目包含的具體單項分配。完成實驗和訓練項目相關內容，經實驗室指導老師評估考核，合格者給予相應內容的學分。

（三）研究支撐計劃

本實驗平臺“信息感知終端”所獲數據可作為研究人工嗅覺系統的原始數據，可開展系統背景干擾、漂移抑制、精度提高等方面的理論研究?！霸票O控中心”所獲得數據可進一步用于環境大數據分析和污染溯源等研究。詳細研究步驟、內容和方案等由學生自主擬定，經導師和實驗指導教師審核批準后方可進入實驗平臺。

三、總結與展望

隨著研究生招生種類多樣化的推進，已有實驗平臺和實驗內容難以應付多元化的教學和科研需求。本文提出的復合式實驗平臺建設是一種可以借鑒的解決思路，其主要優勢表現在：實驗平臺硬件具有成本低、應用范圍廣、可擴展性強等特點；實驗內容和大綱編排體現了“層次化”理念，將實驗教學、工程實訓、科研輔助結合為一個有機的整體。另一方面，實驗平臺硬件功能的擴展和大綱內容的進一步充實將是下一步需要完成的工作。

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