基于開放實驗平臺的傳感器實驗課程改革

梅建宏 王碩南 萬真真 王永清

摘 要 針對目前傳感器實驗課程，在現(xiàn)有儀器設(shè)備基礎(chǔ)上開發(fā)了一種基于Arduino的開放實驗平臺。該平臺可開展各種新型傳感器的相關(guān)實驗，并可以進(jìn)行二次開發(fā)及實現(xiàn)多傳感器信息融合等，可作為傳感器實驗教學(xué)的有效補充。通過開放實驗平臺的建設(shè)，可以豐富實驗教學(xué)內(nèi)容、優(yōu)化實驗教學(xué)模式，提高學(xué)生的創(chuàng)新思維，還可以服務(wù)和提升現(xiàn)有課程的教學(xué)水平。

關(guān)鍵詞 傳感器實驗 開放實驗 信息融合

新工科教育提倡技術(shù)發(fā)展新內(nèi)容和更新工程人才知識體系，創(chuàng)新工程教育方式與手段，打造工程教育開放融合新生態(tài)，鼓勵以互聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)智能為核心的工科專業(yè)與技術(shù)發(fā)展。為響應(yīng)國家新工科建設(shè)的理念，針對傳感器實驗課程中存在的問題，開發(fā)了基于開放實驗平臺的傳感器實驗裝備。

1傳感器實驗課程教學(xué)現(xiàn)狀

目前我院傳感器實驗設(shè)備使用年限久，部分陳舊老化，只能開設(shè)驗證性實驗，不具備開設(shè)綜合性、設(shè)計性實驗的條件。此外，開設(shè)的實驗項目中，多數(shù)為傳統(tǒng)實驗項目，如應(yīng)變、電容、電感等實驗項目，所測參數(shù)也局限于位移、重量等信息，落后于傳感器日新月異的發(fā)展速度。經(jīng)調(diào)研，其他兄弟院校所購買的傳感器設(shè)備，均存在以上問題。因此，自制傳感器實驗儀器已經(jīng)成為開設(shè)綜合性、設(shè)計性傳感器實驗的必要條件。

傳統(tǒng)的傳感器實驗教學(xué)主要有以下問題：一是實驗設(shè)備主要依托于廠商供貨，開展驗證性實驗，難以開展設(shè)計性，綜合性的實驗;二是實驗設(shè)備更新較慢，限制了學(xué)生對前沿傳感器的了解;三是傳統(tǒng)的設(shè)備難以對傳感器進(jìn)行二次開發(fā)，對傳感器的應(yīng)用場合理解欠缺;四是傳感器的虛擬仿真實驗難以開展。

為彌補傳統(tǒng)傳感器實驗教學(xué)的上述缺點，本校開展了傳感器的開放實驗項目以供學(xué)生進(jìn)一步的深入學(xué)習(xí)。

2開放實驗平臺的方案

為解決上述問題，開發(fā)了一個由多傳感器組成的信息采集實驗平臺。該平臺基于ARDUINO控制模塊的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，它與溫濕度傳感器和光敏電阻一起對周圍環(huán)境進(jìn)行檢測。該系統(tǒng)由下位機和上位機兩部分組成。下位機包括核心控制模塊、光敏電阻和溫濕度傳感器以及液晶顯示模塊，控制模塊負(fù)責(zé)各個模塊的正常運行以及對數(shù)據(jù)的處理和分析。上位機主要實現(xiàn)PC端和手機終端對所采集信息的顯示、記錄和控制。上位機與下位機之間通過WIFI模塊實現(xiàn)通信。

系統(tǒng)主要分為下位機軟硬件的設(shè)計部分和上位機軟件的設(shè)計部分。下位機主控制器ARDUINO模塊采集各端點上的信息，如濕度、光照強度、聲音等，然后在液晶顯示器上顯示出來，并通過WIFI傳送至上位機監(jiān)控界面;上位機主要負(fù)責(zé)對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理、顯示、存儲。

本系統(tǒng)中的上位機軟件開發(fā)采用美國國家儀器公司（National Instruments，NI）的一種圖形化編程語言（G 語言）的開發(fā)環(huán)境—LabVIEW（Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench）又稱實驗室虛擬儀器工程平臺。LabVIEW 不僅引入了虛擬儀器（VI）的概念，同時在該平臺上靠編寫流程圖或框圖創(chuàng)建應(yīng)用程序使得該款軟件具有界面簡單美觀、易于設(shè)計操作等優(yōu)點。手機端APP采用Unity程序開發(fā)。該平臺除可實現(xiàn)多傳感器信息檢測的傳輸及顯示外，還可加以改進(jìn)用于智能家居控制系統(tǒng)。

3開放實驗項目的實施

該開放實驗平臺提供了煙霧、溫度、濕度、超聲波等12種新型傳感器實驗供學(xué)生選擇。開放實驗項目不同于實驗課程所列實驗項目的是，開放實驗項目僅提供了實驗題目及要求，開放實驗項目的實驗方案需由學(xué)生自主擬定。因涉及多種不同原理的傳感器以及相應(yīng)的軟硬件開發(fā)知識，學(xué)生在進(jìn)行開放實驗項目時需提前自行查閱資料了解相應(yīng)傳感器的知識，可以鍛煉學(xué)生自主完成實驗的能力。

此外，該平臺還可以結(jié)合其它科目完成綜合實驗，例如可以結(jié)合《自動控制原理》完成控制系統(tǒng)閉環(huán)實驗，并通過編程實現(xiàn)PID等控制算法。對于此類復(fù)雜實驗，可由學(xué)生自主結(jié)組完成，每個成員完成不同的功能模塊，并鍛煉學(xué)生的團(tuán)隊協(xié)作能力。

4結(jié)束語

該開放實驗平臺實現(xiàn)后，可開設(shè)多個綜合性、設(shè)計性傳感器實驗，并具有可擴(kuò)展、可二次開發(fā)等優(yōu)點，可以彌補現(xiàn)有傳感器實驗設(shè)備的不足。該開放實驗平臺的建設(shè)，對提高傳感器實驗教學(xué)水平及質(zhì)量具有重要意義：

（1）可提高《傳感器原理及應(yīng)用實驗》中綜合性、設(shè)計性實驗項目的比例。

（2）可使學(xué)生在有限的實驗時間內(nèi)，接觸并掌握更多種類的傳感器。

（3）該實驗平臺具備可擴(kuò)展性及二次開發(fā)，可以根據(jù)傳感器技術(shù)的發(fā)展及時調(diào)整實驗項目。

（4）可面向大量本科生及研究生開放實驗項目，包括我校電子信息工程學(xué)院的全體學(xué)生、工商學(xué)院信息學(xué)部本科生、物理學(xué)院部分本科生等。

加強綜合實驗平臺的建設(shè)， 實現(xiàn)理論與實踐的交叉融合，對《傳感器原理及應(yīng)用實驗》教學(xué)的發(fā)展與改革具有積極作用。

作者簡介：梅建宏（1982.1-），男，漢族，河北邢臺人，博士，講師，研究方向為無人艇導(dǎo)航。

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