綦志勇+常排排

摘要：我國目前的傳感器應用技術課程在實際教學當中的實驗電路設計較為復雜且孤立性較高，很難應用到目前的計算機方向中的嵌入式與物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)當中，很多學校都缺乏完整的系統(tǒng)化的實驗電路存在，為了改變這個現(xiàn)狀，我們設計與實現(xiàn)了一套供物聯(lián)網(wǎng)與嵌入式專業(yè)使用的傳感器應用技術課程配套的實驗電路，希望能夠?qū)鞲衅鲬谜n程改革起到一定的促進作用。

關鍵詞：傳感器應用技術課程；教學；實驗電路設計；課程改革

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）10-0148-03

高職高專的傳感器與檢測技術課程的教學通常安排在電子、機電等專業(yè)，通過研究相關的教材，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)該課程教學內(nèi)容的基本模式是：傳感器原理介紹、傳感器計算公式推導、傳感器應用介紹幾個步驟。有些教材上會多一些項目化教學方法，就會多出一個實訓的環(huán)節(jié)[1]。這些實訓環(huán)節(jié)當中采用了更多的成熟的傳感器模塊，學生的主要任務就是初步了解這些傳感器模塊或是前端的傳感器敏感元件[2]。顯然在這種教學方式下已經(jīng)無法滿足目前物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)成為主流技術的人才應用要求，這尤其體現(xiàn)在嵌入式/物聯(lián)網(wǎng)這個行業(yè)，這種情況總結(jié)起來有幾個主要的原因造成的：

1） 嵌入式與物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的技術發(fā)展現(xiàn)狀、要求傳感器與檢測技術課程的教學過程當中將教學重點放在傳感器應用技術、傳感器敏感元件組成的模塊設計、傳感器模塊采集的數(shù)據(jù)到計算機之間的傳遞[3]。因為只有這樣，才能將傳感器技術作為應用技術直接提供到上位機，使得其能夠作為物聯(lián)網(wǎng)信息空間中的前端信息采集部分而使用。

2） 物聯(lián)網(wǎng)的信息空間中的基本節(jié)點為計算元節(jié)點[4]，該節(jié)點作為信息空間中的終端節(jié)點構(gòu)成了物聯(lián)網(wǎng)前端網(wǎng)絡組成的基礎設施。需要看到的是異構(gòu)型網(wǎng)絡中的絕大多數(shù)計算元節(jié)點將是帶有傳感器的簡單型網(wǎng)絡，其基本通訊方式很多為傳統(tǒng)的RS232、RS485通訊，因此傳感器與檢測技術課程教學當中已經(jīng)不僅僅是單獨的傳感器部分，仍然需要引入通訊部分的介紹。

3） 目前的傳感器與檢測技術課程當中的開設專業(yè)對課程教學內(nèi)容安排的影響很大。在機電類專業(yè)傳感器課程當中，強調(diào)了對被測量的檢測為目的的應用型傳感器實踐知識，這僅能體現(xiàn)在教材的改革上，尚無法體現(xiàn)在實際教學改革當中。在電子類專業(yè)傳感器課程當中側(cè)重于傳感器原理、基本結(jié)構(gòu)等內(nèi)容的教學過程[5]。這種方式對于本科階段學生而言是非常合適的，但是高等?？圃盒５膶W生難以接受理論為主的教學方式，況且這種教學方式對于以高職高專學生為培養(yǎng)對象的、獲取技能為首要目標的教學任務沒有起到推進作用。

4） 物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的高速發(fā)展對傳統(tǒng)行業(yè)造成了巨大沖擊，原來的獨立傳感器功能已經(jīng)無法滿足物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的需求，這種孤立點由于不具備通訊能力，故此無法作為信息采集前端加入到物聯(lián)網(wǎng)的傳感網(wǎng)絡當中[6]。因此，在傳感器與檢測技術教學過程當中，從教材改革到課程改革都要求加入通訊部分與計算機部分的內(nèi)容，作為其為物聯(lián)網(wǎng)前端信息傳感網(wǎng)絡的能力而擴充。

5） 在高職高專計算機的嵌入式系統(tǒng)工程專業(yè)與物聯(lián)網(wǎng)應用技術專業(yè)的傳感器與檢測技術課程的教學當中，傳統(tǒng)的教學模式與教學方法都難以應用。隸屬于電子工程專業(yè)的傳感器與檢測技術課程教學內(nèi)容深度較大、技術孤立性強應用困難；而機電類專業(yè)的傳感器與檢測技術強調(diào)了獨立傳感器模塊的應用，面向被測量的教學方式對于在計算機專業(yè)而言如果也采用類似做法，顯然對于計算機專業(yè)的高職高專學生無法接受。

6） 在目前的課程實踐教學當中，實際教學用具相當缺乏，很多技術較為先進的學校采用了軟件仿真的方式進行傳感器課程的教學工作。但是傳感器模塊是孤立的模塊，最終需要一個相對比較大的硬件系統(tǒng)，作為對該課程中每個獨立模塊進行支持的載體[7]。

綜上所述，在現(xiàn)在的高職高專計算機專業(yè)的傳感器與檢測技術課程開設過程當中，選擇偏向計算機方向的教學方式與手段就是必要的。其中尤其是配套實驗電路的設計與實現(xiàn)也成了一個需要重點關注的問題。針對此問題，本文就設計與實現(xiàn)了一套針對計算機方向的嵌入式與物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的教學實驗電路。

1總體架構(gòu)設計

考慮到專科院校目前學生的總體層次，如果考慮了過于復雜的內(nèi)容將會導致學生無所適從，如果太過簡單學生又無法獲取實際知識。這里需要考慮的兩個典型的問題：第一個問題就是不能過于理論，但是也不能完全沒有理論支持；第二個問題是實踐不能過于復雜，但是又要兼顧到一定的實用性。綜合這些因素，我們大致對實踐電路系統(tǒng)的設計規(guī)劃為：將傳感器模塊、自動控制技術、簡單計算機通訊技術聯(lián)合起來，設計與實現(xiàn)一個相對實用、相對簡單的計算機干預測控系統(tǒng)。同時，考慮到該系統(tǒng)應當具有一定的實際應用功能，則我們設計了一個計算機干預室溫自控系統(tǒng)，其大致的架構(gòu)設計如下圖示：

圖1示意了一個室內(nèi)恒溫自動控制系統(tǒng)，照明系統(tǒng)當監(jiān)控到室內(nèi)有人的時候開啟，當離開的時候關閉。室內(nèi)恒溫系統(tǒng)則利用溫度傳感器控制溫度發(fā)生裝置將溫度恒定在一定范圍之內(nèi)。并且該系統(tǒng)的全部情況可以向計算機反饋，包含溫度、是否有人、是否開啟溫度系統(tǒng)、是否開啟照明系統(tǒng)等功能，計算機也可以實時通過遠程調(diào)整溫度范圍的設定值。該系統(tǒng)的基本功能描述為：計算機能夠隨時干預該系統(tǒng)的開啟工作狀態(tài)、停止系統(tǒng)的工作狀態(tài)、在系統(tǒng)的運行過程當中對系統(tǒng)的某些參數(shù)進行調(diào)節(jié)。

2模塊設計與實現(xiàn)

依據(jù)總體架構(gòu)的設計，下面逐個實現(xiàn)上述系統(tǒng)中的硬件部分。

1） 光電傳感器模塊

光電傳感器模塊的原理圖設計如下圖示：

這里這個模塊的設計事實上并無必要，但是可以作為學生初步入門掌握的第一個模塊，尤其是掌握DXP軟件電路設計，并初步進行焊接與調(diào)試工作。

2） 繼電器模塊

繼電器模塊的原理圖設計如下圖示：

3） 溫度傳感器模塊

溫度傳感器模塊的原理圖設計如圖4示：

4） 通訊模塊

通訊模塊的原理圖設計如下圖示：

3算法設計

在考慮算法設計的時候，首先考慮前面提到的進程之間的通訊與互斥的問題。這里通訊是指進程之間的通訊，另外一個就是進程互斥的問題。那么這兩個進程顯然就是互斥的關系。下圖就通過系統(tǒng)的應用功能行為來說明這些問題。

在圖6中有兩部分任務需要完成，左邊部分為工作狀態(tài)需要完成的任務，右邊是非工作狀態(tài)需要完成的任務?；谏鲜龇治?，給出參考算法如下：

算法1.1 主流程算法

算法：單片機端主流程

S1：系統(tǒng)初始化

S2：在無限循環(huán)中做如下事件

S2.1如果上位機有命令發(fā)來

若為啟動工作過程命令

{

啟動工作過程；

}

否則關閉工作過程；

S2.2如果數(shù)據(jù)收集完成

{

向上位機系統(tǒng)傳遞測到的系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù) }

}

另外一個要點就是獲取計算機發(fā)送過來的命令，參考第九章的方法即可，這里直接給出算法描述：

算法：單片機使用中斷接收上位機一串符號的算法

輸入：上位機發(fā)來的一個字節(jié)

輸出：合法的字符串

S1：清除發(fā)送標志

S2：判斷當前字符是否為包頭

如果是包頭，清緩沖準備從緩沖區(qū)起點開始存放數(shù)據(jù)

S3：如果當前是最后一個字節(jié)位置，則判斷當前讀入的字符是不是包尾

如果是則通知主函數(shù)可以讀命令了

S4：存放該字節(jié)數(shù)據(jù)到當前緩沖位置

S5：緩沖區(qū)存放位置下移一個字節(jié)

S6：調(diào)節(jié)緩沖位置邊界

算法1.2 接收計算機接命令與分析算法

3系統(tǒng)驗證

硬件系統(tǒng)的設計思想基于模塊化設計方法，只需要考慮如何實現(xiàn)圖1的設計目標即可。在圖1中，只需要明確考慮幾個接口部分的連接方式、并采用確定的連接來練好這些接口線路即可，確定需要連接的幾個部分如下：

1） 計算機與通訊模塊的連接方式。

2） 單片機板與通訊模塊的連接方式。

3） 單片機板與繼電器模塊的連接方式。

4） 單片機板與光電傳感器模塊的連接方式。

5） 單片機板與溫度傳感器模塊的連接方式。

6） 繼電器模塊與外部受控的市電電路部分的連接方式。

7）繼電器模塊與外部受控的溫度調(diào)節(jié)電路部分的連接方式。

下面就這幾個方面的連接進行實際連接，并最終在實際線路連接完成之后，采用一定的方式進行簡要測試，以確定這些線路連接均無問題。

連接好硬件之后需要對硬件進行測試工作，下面我們就列出這些步驟進行硬件測試工作：

第一步：連接好硬件核心板與硬件模塊

第二步：新建一個工程，并編寫代碼

第三步：編譯軟件并生成hex文件

第四步：下載hex文件到核心板

第五步：觀察模塊的基本行為是否正確，若不正確則從第一步開始查找問題，并重復上述步驟。最終的實物硬件連接示意圖如圖：

4總結(jié)與展望

本文討論了高等職業(yè)院校計算機方向中的嵌入式與物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)當中的實驗硬件電路的設計與實現(xiàn)問題，在設計與實現(xiàn)該系統(tǒng)當中避開了電子、機電類專業(yè)中該課程實踐的孤立性模塊的缺點，引入了現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)技術當中的設計方式，并討論了軟件設計與實現(xiàn)的基本算法，與通訊部分的數(shù)據(jù)接收算法，在最后還對系統(tǒng)的可用性進行了技術驗證工作。當然，該基本系統(tǒng)對于課程教學而言內(nèi)容仍顯不足，在后續(xù)的研究中應當考慮添加更多的傳感器模塊種類到這種設計思想當中。

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