虛實結(jié)合的無線DISLab系統(tǒng)

翁浩峰

無線DISLab系統(tǒng)簡介

DISLab（數(shù)字化信息系統(tǒng)）是一種將傳感器、數(shù)據(jù)采集器和計算機組合起來，共同完成對物理量測量的裝置。在實驗過程中應(yīng)用此裝置，可以直接在電腦上得到實驗數(shù)據(jù)，并通過圖表、圖線等具體分析出實驗結(jié)果，十分直觀與簡便，大大簡化了以往實驗課上繁瑣的計算過程，既節(jié)約了時間又讓學(xué)生感到直觀易懂。

本套DISLab系統(tǒng)由若干無線傳感器、數(shù)據(jù)采集器和計算機端軟件3部分組成。相比于現(xiàn)有DISLab系統(tǒng)，本套系統(tǒng)的優(yōu)點如下。

用無線的方式連接傳感器和數(shù)據(jù)采集器，傳感器可單獨安裝在運動物體上，可以完成有線傳感器無法完成的實驗數(shù)據(jù)采集，帶來了新的實驗測量方式。

用無線的方式接收來自傳感器的數(shù)據(jù)，沒有了線的束縛，可以使實驗裝置更加簡潔。

本系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集器可同時連接3路無線傳感器，以及多達30路有線模擬或數(shù)字傳感器，可以完成更復(fù)雜的實驗。

計算機端的軟件用Flash動畫軟件開發(fā)，可用動畫實時模擬真實實驗，實現(xiàn)虛擬實驗與真實實驗相結(jié)合，使實驗過程更清晰地得以展現(xiàn)。

可以用以前記錄的實驗數(shù)據(jù)驅(qū)動軟件，實現(xiàn)實驗過程的虛擬再現(xiàn)。

無線DISLab系統(tǒng)原理設(shè)計

實現(xiàn)無線DISLab系統(tǒng)設(shè)計最關(guān)鍵的問題是無線數(shù)據(jù)傳輸方式的選擇。現(xiàn)有無線數(shù)據(jù)傳輸方式有很多，可供使用的有無線電、紅外、藍牙、射頻、WiFi及短距離激光通訊等。經(jīng)比較，我選擇了藍牙作為無線DISLab系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸方式。

用于制作傳感器的單片機Arduino可以使用的藍牙模塊有很多，這里采用了HC-05主從一體藍牙模塊。在選擇完了無線方式后，就可以進行具體的無線DISLab設(shè)計了。

傳感器端設(shè)計

由于要在傳感器端加入藍牙模塊，所以需要利用Arduino處理來自傳感器的數(shù)據(jù)，然后再由藍牙模塊發(fā)射。

數(shù)據(jù)采集器端設(shè)計

數(shù)據(jù)采集器端主要用來接收來自傳感器端的數(shù)據(jù)，并且將這些數(shù)據(jù)進行處理后發(fā)送到電腦端。數(shù)據(jù)采集器與電腦端的連接利用usb線連接。

同組的模塊間通過設(shè)置不同的連接密碼進行區(qū)別，連接密碼初始化在藍牙模塊中。也就是說藍牙主機模塊1會自動連接傳感器端1中的藍牙從機模塊，藍牙主機模塊2會自動連接傳感器端2中的藍牙從機模塊，并且數(shù)據(jù)采集器端的Arduino能自動識別來自哪個傳感器端的數(shù)據(jù)。如果只使用一個無線傳感器進行實驗時，因為大多數(shù)計算機已經(jīng)集成了藍牙模塊，所以這個結(jié)構(gòu)可以簡化為：傳感器一無線傳輸一帶藍牙功能的計算機。

計算機端軟件的設(shè)計

由于不管是Arduino通過usb連接電腦還是直接利用藍牙連接電腦，都采用了串口數(shù)據(jù)傳輸，所以可以使用一個叫Serproxy的串口代理程序?qū)碜源诘臄?shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成Flash動畫可以讀取的數(shù)據(jù)。最后的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)和繪圖都由Flash動畫實現(xiàn)。

部分無線傳感器簡介

無線力傳感器

由于高中物理中存在很多測量動態(tài)力的難點，所以必須應(yīng)用無線力傳感器。經(jīng)多次設(shè)計修改，最終制成雙應(yīng)變梁式力傳感器。此傳感器基本原理是在一個傳感器模塊中放入2個相同的應(yīng)變梁式力傳感器，其中一個連接鉤子用來連接外部物體，另外一個只連接一個配重。這樣當(dāng)傳感器在運動中有加速度時，利用連接配重的力傳感器的數(shù)據(jù)計算出連接外部物體鉤子的力的變化，從而抵消了由于鉤子引起的力的變化。雙應(yīng)變梁式無線力傳感器的實物見圖1。

在進行牛頓第二定律實驗中小車受力的測量實驗時，如果使用傳統(tǒng)實驗方法，就只能用重物的重力代替小車的受力，為了控制誤差，在實驗中小車的加速度就不能很大，因而實驗現(xiàn)象就不很明顯。有了現(xiàn)在的實驗裝置，就可以直接在小車上安裝無線力傳感器，直接測量小車受到的拉力，所以小車加速度可以比較大，實驗現(xiàn)象也更明顯。

無線速度傳感器

無線速度傳感器利用了光電門測速的原理。將光電門放置在軌道車上，然后將多個相同寬度的擋光片放置在軌道上，就可以利用光電門完成多次測速。現(xiàn)有光電門必須用有線方式連接到數(shù)據(jù)采集器，無法使用。所以必須對現(xiàn)有光電門進行改進，讓其與數(shù)據(jù)采集器之間采用無線數(shù)據(jù)傳輸。

無線電壓、電流傳感器

Arduino模擬電壓輸入端的可測量的最大電壓為5伏，10位精度（即大概可以精確到0.005伏），如果直接將模擬電壓輸入端作為電壓傳感器，也足以滿足高中物理電學(xué)測量的精度要求，所以可以直接將傳統(tǒng)的電壓表直接改裝成電壓傳感器，直接將Arduino的模擬電壓輸入端并聯(lián)到電壓表兩個接線柱上，由于Arduino模擬電壓輸入端的輸入阻抗在1兆歐姆以上，并聯(lián)在電壓表上后基本不改變電壓表的內(nèi)阻。圖2為電壓表改裝后的實物圖，電源可以內(nèi)置在電壓表內(nèi)部。

虛實結(jié)合的軟件端

本套無線DISLab系統(tǒng)的軟件端用Flash動畫軟件開發(fā)而成，因此具有動畫課件的特點，可以用動畫表現(xiàn)實驗過程。因為動畫的運動數(shù)據(jù)來自于真實的實驗，所以可以實現(xiàn)虛實結(jié)合的DIS實驗。而且每種實驗都既擁有DIS實驗的方便、準確、快速和可自動保存數(shù)據(jù)的特點，又擁有虛擬實驗的可視性和對動態(tài)過程的展示。圖3是碰撞實驗的界面截圖。

該項目獲得第30屆全國青少年科技創(chuàng)新大賽科技輔導(dǎo)員創(chuàng)新成果科技發(fā)明類一等獎。

專家評語

該項目制作的無線DISLab系統(tǒng)由若干無線傳感器、數(shù)據(jù)采集口和計算機方面軟件3部分組成。其中傳感器采用了模塊化設(shè)計。相比于現(xiàn)有系統(tǒng)的優(yōu)點：用無線方式代替有線傳輸，帶來了新的實驗測試方式，且實驗裝置更加簡潔；數(shù)據(jù)采集器可同時連接3路無線傳感器，可完成較復(fù)雜的實驗；使用Flash計算機動畫軟件使顯示過程更加清晰，實現(xiàn)虛實結(jié)合；模塊化設(shè)計，實現(xiàn)多樣化測量。建議利用此思想多開發(fā)實用項目，并開發(fā)外殼使其更加實用，不斷改進軟件使其更加適應(yīng)課堂教學(xué)。endprint