新工科背景下智能信號處理一體化創新實訓平臺研制

栗 輝，楊 旭，李 擎，崔家瑞，李希勝，張兆隆

（北京科技大學 自動化學院，北京 100083）

黨中央、國務院于 2015年作出了建設世界一流大學和一流學科的重大戰略決策，明確指出了高等學校著力培養具有歷史使命感和社會責任心，富有創新精神和實踐能力的各類創新型、應用型、復合型優秀人才的“雙一流”建設任務[1-3]。

實驗教學設備作為培養學生工程實踐能力和創新精神的重要載體，其性能優劣直接影響學生培養的效果[4-7]。目前，我校自動化學院在本科實驗教學儀器的建設上還存在以下問題：

（1）部分實驗裝置內容相對陳舊。實驗項目經常跟不上時代發展步伐，緊跟科技前沿就更加無從談起，這必然導致學生畢業后無法適應企業和社會需求。如物聯網技術課程中只介紹了RS485、CAN等常用通信總線，未提及電力線載波通信技術，而電力線載波通信技術目前已廣泛應用于電力用戶信息采集系統和智能家居系統等。

（2）設備使用效率不高。教學設備功能相對單一，同一類課程不能復用同一實驗箱，部分設備只能用于某一門課程幾個學時的實驗，比如僅“智能信號處理”的一系列課程就需要6家公司的8套實驗箱才能完成，這也導致學生很難對智能信號處理流程形成比較系統的理解。

（3）實驗設備開放性差，不利于二次開發。教儀廠家提供的實驗設備一般不公開詳細的開發資料，這就導致教師對設備具體細節不了解，無法直接指導學生，很多時候只能依靠廠家工程師講解設備的使用方法，學生也只是按照實驗指導書進行操作，很難滿足綜合性和創新性實驗的教學需求。如嵌入式控制系統課程設計使用的華清遠見公司的微控制器實驗箱FS_STM4，目前只能開展蜂鳴器、ADC、TFT LCD等幾個比較基礎的實驗，遠遠達不到教學大綱所要求的課程目標。

針對以上問題，學院鼓勵教師自制實驗設備，本團隊結合在智能建筑領域的科研課題，研制了智能信號處理一體化創新實訓平臺。借助該平臺，可以完成信號的檢測、傳輸、處理和顯示整個流程中所涉及的所有實驗項目。

1 研制背景

本教學團隊 2014年起與北京住總集團設計院開展密切科技合作，簽署了產學研合作協議，并完成了3項企業委托課題。

在“公共建筑低功耗智能監控管理系統的研制”課題資助下，自主研發了包含節點群（環境信息/設備狀態/電量檢測、風扇/照明/空調/新風系統控制）、智能網關、上位機的公共建筑智能監控與能效管理系統，并完成了多個項目實施。其中環境監測儀、智能網關及上位機作為第一個超低能耗被動式建筑示范工程入駐雄安新區城鄉管理服務中心。系統整體框架如圖1所示。

圖1 公共建筑智能監控與能效管理系統整體框圖

該科研項目涉及自動化、測控技術與儀器、物聯網、計算機科學與技術、機械工程等相關專業的知識點，具體對應關系如表1所示。

表1 項目涉及的課程及對應的知識點

在項目研制過程中取得的成果包括：授權發明專利2項、實用新型專利6項、軟件著作權12項。這些科研成果為自制實驗教學儀器設備提供了必要的技術支撐和知識產權保護。

北京科技大學自動化專業作為第五批國家級特色專業、卓越工程師培養計劃專業，于2015年和2018年順利通過了兩輪工程教育專業認證，2016年獲批北京高等學校示范性校內創新實踐基地建設，并在實驗實踐類課程教學方面取得了一系列成果[8-15]。為了更好地發揮科學研究在實踐教學中的促進作用，用科研反哺實驗教學，本團隊基于“公共建筑低功耗智能監控管理系統的研制”項目，開發了一體化創新實訓平臺。

2 一體化創新實訓平臺設計

2.1 設計思路

本平臺從實驗教學設備的科學性、工程性、實用性、安全性和一體化五個方面進行設計。科學性方面，在理論上涉及模擬電子、數字電子、傳感器、單片機、嵌入式、計算機控制技術、虛擬儀器等多門自動化專業核心課程的主要知識點；工程性方面，源于橫向工程項目成果；實用性方面，采用節點感知層、網關傳輸層和能耗管理層三層架構設計，能夠同時滿足多門課程實驗，且實驗平臺易于操作、性能穩定；安全性方面，采用“底板+主板”設計思想，雙板分離可以隔離220 V強電等不安全因素，通信接口均設計了安全指示燈和過壓過流保護電路；一體化方面，涵蓋了信號處理的完整信息鏈。

2.2 總體效果圖

實驗臺長3.6 m、寬1.8 m，采用鋁板作為支撐面、能同時容納6～8名學生同步實驗。平臺照片如圖2所示。

圖2 一體化創新實訓平臺照片

2.3 各層組成設備介紹

2.3.1 節點感知層

1）節點感知層基本功能。

節點感知層主要包括信息采集、控制、驅動、通信、顯示和接口等6類模塊。采集的信息包括4個環境信息（PM2.5、CO2、溫度、濕度）、4個狀態信息（開/關窗、風扇、照明、空調）和3個電量信息（風扇、照明和空調）；控制對象包括風扇、照明和空調等3個，用于人體舒適度調節；驅動模塊主要用于開關繼電器和電機；顯示模塊主要包括LED指示燈和LCD顯示；接口模塊主要包括繼電器輸出、SPI、CAN總線、485總線、I2C和多個I/O口等接口。節點感知層的基本功能框圖如圖3所示。

圖3 節點感知層基本功能框圖

2）“底板+主板”設計方案。

為了保證實驗設備的通用性、開放性與可擴展性，采用“通用底板+功能主板”的形式進行設計。底板與主板功能分配如圖4所示。

圖4 節點感知層底板+主板功能分配示意圖

3）底板實物。

設計的通用底板實物如圖5所示。

圖5 節點感知層底板外觀圖

4）主板實物。

主板分為環境信息采集主板和電量檢測主板兩種，具體如圖6所示。

圖6 節點感知層主板外觀圖

圖6 (a)顯示模塊中“T”表示溫度；“RH”表示濕度；“CO2”表示二氧化碳；左側綠色圖形表示PM2.5濃度，分為紅（＞100 μg/m3）、橙（35～100 μg/m3）、綠（＜35 μg/m3）三個等級。

2.3.2 網關傳輸層

網關傳輸層主要完成與節點感知層、能耗管理層進行通信，并存儲節點感知層采集的數據。與節點感知層的通信方式有電力線載波、CAN總線和485總線；與能耗管理層的通信方式有GPRS、Wi-Fi和以太網三種方式，其中GPRS模塊支持2個IP地址同時在線，Wi-Fi通信模塊支持Station和AP雙模雙在線。智能網關支持三種通信協議，分別是376.1-2009、376.2-2009、DLT645-2007。

考慮到網關傳輸層功能的可擴展性，采用“標準化接口+CPU主板+底板+通信模塊”的形式設計，原理框圖及實物外觀分別如圖7和圖8所示。

圖7 網關傳輸層原理框圖

圖8 網關傳輸層實物圖

2.3.3 能耗管理層

能耗管理層由上位機檢測平臺組成，完成智能建筑能耗檢測與優化控制。具體功能包括數據的可視化展示和節點感知層環境信息設定值優化等。基于LabVIEW軟件開發的總體展示界面如圖9所示。

數據的可視化展示包括監控和統計兩個方面，其界面如圖10所示。

設定值優化功能首先基于人體舒適度指數、階梯電價等信息確定目標函數，再用相關的優化算法確定節點感知層控制模塊中環境信息的參數設定值，以達到能耗最小的目的。

圖9 總體展示界面

圖10 能耗管理層部分軟件界面

3 實驗項目設計和講義編寫

針對3個專業的7門課程，設計了一系列復雜度逐漸增加的實驗項目66個，并配套編寫了實驗講義，具體情況如下。

1）節點感知層實驗項目。

現代傳感器技術：信號調理電路、ADC模數轉換、溫度采集與轉換、環境參數采集與濾波、設備狀態采集點抄等5個實驗項目。

單片機系統及應用：繼電器、光電開關、系統滴答、UART-DMA通信、按鍵掃描、溫度采集、SPI_FLASH_W25X16、PM2.5采集等8個實驗項目。

嵌入式控制系統：CAN總線通信、RS485串行通信、FSMC驅動TFT液晶屏、5.5寸TFT彩屏觸摸屏、SD卡FATFS文件系統、μCOS 操作系統、USB虛擬串口等10個實驗項目。

嵌入式控制系統課程設計：CAN總線控制器設計、CAN轉RS485模塊設計、Wi-Fi轉電力線載波模塊設計、基于電力線載波的 PM2.5檢測裝置設計、基于RS485的開關窗控制系統設計、多合一（溫濕度、PM2.5、CO2等）環境檢測儀設計等6個實驗項目。

2）網絡傳輸層實驗項目。

嵌入式控制系統：ARM Cortex-M4 基本外設應用、SDIO外設讀寫控制、USART轉GPRS通信、USART轉 Wi-Fi通信、智能網關-感知節點點抄等 8個實驗項目。

物聯網技術：網關—節點通信（載波/RS485/CAN）、網關—上位機通信（GPRS/Wi-Fi）、低壓電力線載波組網等6個實驗項目。

嵌入式控制系統課程設計：GPRS/4G/Wi-Fi轉CAN/RS232/RS485/電力線載波多合一智能網關設計等12個實驗項目。

3）能耗管理層實驗項目。

虛擬儀器：LabVIEW 顯示控件應用、LabVIEW串口通信、LabVIEW以太網通信、LabVIEW數據庫、LabVIEW層次化設計、LabVIEW狀態機、LabVIEW人機交互設計等6個實驗項目；

嵌入式控制系統課程設計：基于 LabVIEW 與STM32的虛擬儀器設計等2個實驗項目。

4）綜合創新性實訓項目。

自動化生產線實訓：面向智能建筑的節點群協同通信、面向智能建筑的能耗管理一體化平臺設計、基于人居行為的智能建筑環境檢測與優化系統設計等 3個創新實訓項目。

5）配套的一體化實驗講義。

為了方便教師和學生更好地熟悉實驗平臺，針對不同課程分別編寫對應的實驗講義共計9本，其中，嵌入式控制系統課程按照平臺的三層結構分為上、中、下三冊，如圖11所示。

圖11 嵌入式控制系統實驗講義

4 應用效果

（1）近兩年，該平臺已應用到我校自動化學院自動化、測控技術與儀器、智能科學與技術3個專業，共計 2 000余名本科生的課內實驗、課程設計和生產實訓，平臺應用學時數累計超過了1 600。

（2）基于該平臺還完成了大量課外教學項目，并取得了一系列成果：立項了“基于 STM32的鋁電解槽陽極導桿分布電流檢測儀設計”等SRTP項目8項；孵化了“基于 LabVIEW 的分布式室外環境檢測儀設計”等12個項目參加全國虛擬儀器大賽等省部級學科競賽并獲獎；轉化為“信息類開放共享儀器設備的運行狀態檢測裝置設計與開發”等本科畢業設計10項、“樓宇自動化監控系統與能耗優化研究”等研究生課題7項；發表“高等學校信息類實驗設備開放共享模式探究”等中文核心期刊論文8篇；被授權“基于低壓電力線載波的自組網抄表方法”等發明專利2項、“一種集中監控智能網關”等實用新型專利12項；登記“基于 LabVIEW—TCP/IP的建筑能耗采集綜合管理系統軟件”等軟件著作權15項；學院學科競賽獲獎率一直穩居全校前兩名。

（3）該平臺于2019年8月獲得第二屆自動化類專業青年教師實驗設備設計創客大賽銀獎。

5 結語

在新工科建設背景下，設計了智能信號處理一體化創新實訓平臺，該平臺由節點感知層、網絡傳輸層和能耗管理層組成，形成了66個實驗項目，編寫了配套實驗講義，并應用到我校自動化學院3個專業的實驗實踐類課程中，全方位提升了學生的動手實踐能力和創新意識。