基于开放实验平台的传感器实验课程改革

梅建宏 王硕南 万真真 王永清

摘 要 针对目前传感器实验课程，在现有仪器设备基础上开发了一种基于Arduino的开放实验平台。该平台可开展各种新型传感器的相关实验，并可以进行二次开发及实现多传感器信息融合等，可作为传感器实验教学的有效补充。通过开放实验平台的建设，可以丰富实验教学内容、优化实验教学模式，提高学生的创新思维，还可以服务和提升现有课程的教学水平。

关键词 传感器实验 开放实验 信息融合

新工科教育提倡技术发展新内容和更新工程人才知识体系，创新工程教育方式与手段，打造工程教育开放融合新生态，鼓励以互联网和工业智能为核心的工科专业与技术发展。为响应国家新工科建设的理念，针对传感器实验课程中存在的问题，开发了基于开放实验平台的传感器实验装备。

1传感器实验课程教学现状

目前我院传感器实验设备使用年限久，部分陈旧老化，只能开设验证性实验，不具备开设综合性、设计性实验的条件。此外，开设的实验项目中，多数为传统实验项目，如应变、电容、电感等实验项目，所测参数也局限于位移、重量等信息，落后于传感器日新月异的发展速度。经调研，其他兄弟院校所购买的传感器设备，均存在以上问题。因此，自制传感器实验仪器已经成为开设综合性、设计性传感器实验的必要条件。

传统的传感器实验教学主要有以下问题：一是实验设备主要依托于厂商供货，开展验证性实验，难以开展设计性，综合性的实验;二是实验设备更新较慢，限制了学生对前沿传感器的了解;三是传统的设备难以对传感器进行二次开发，对传感器的应用场合理解欠缺;四是传感器的虚拟仿真实验难以开展。

为弥补传统传感器实验教学的上述缺点，本校开展了传感器的开放实验项目以供学生进一步的深入学习。

2开放实验平台的方案

为解决上述问题，开发了一个由多传感器组成的信息采集实验平台。该平台基于ARDUINO控制模块的数据采集系统，它与温湿度传感器和光敏电阻一起对周围环境进行检测。该系統由下位机和上位机两部分组成。下位机包括核心控制模块、光敏电阻和温湿度传感器以及液晶显示模块，控制模块负责各个模块的正常运行以及对数据的处理和分析。上位机主要实现PC端和手机终端对所采集信息的显示、记录和控制。上位机与下位机之间通过WIFI模块实现通信。

系统主要分为下位机软硬件的设计部分和上位机软件的设计部分。下位机主控制器ARDUINO模块采集各端点上的信息，如湿度、光照强度、声音等，然后在液晶显示器上显示出来，并通过WIFI传送至上位机监控界面;上位机主要负责对采集到的数据进行分析、处理、显示、存储。

本系统中的上位机软件开发采用美国国家仪器公司（National Instruments，NI）的一种图形化编程语言（G 语言）的开发环境—LabVIEW（Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench）又称实验室虚拟仪器工程平台。LabVIEW 不仅引入了虚拟仪器（VI）的概念，同时在该平台上靠编写流程图或框图创建应用程序使得该款软件具有界面简单美观、易于设计操作等优点。手机端APP采用Unity程序开发。该平台除可实现多传感器信息检测的传输及显示外，还可加以改进用于智能家居控制系统。

3开放实验项目的实施

该开放实验平台提供了烟雾、温度、湿度、超声波等12种新型传感器实验供学生选择。开放实验项目不同于实验课程所列实验项目的是，开放实验项目仅提供了实验题目及要求，开放实验项目的实验方案需由学生自主拟定。因涉及多种不同原理的传感器以及相应的软硬件开发知识，学生在进行开放实验项目时需提前自行查阅资料了解相应传感器的知识，可以锻炼学生自主完成实验的能力。

此外，该平台还可以结合其它科目完成综合实验，例如可以结合《自动控制原理》完成控制系统闭环实验，并通过编程实现PID等控制算法。对于此类复杂实验，可由学生自主结组完成，每个成员完成不同的功能模块，并锻炼学生的团队协作能力。

4结束语

该开放实验平台实现后，可开设多个综合性、设计性传感器实验，并具有可扩展、可二次开发等优点，可以弥补现有传感器实验设备的不足。该开放实验平台的建设，对提高传感器实验教学水平及质量具有重要意义：

（1）可提高《传感器原理及应用实验》中综合性、设计性实验项目的比例。

（2）可使学生在有限的实验时间内，接触并掌握更多种类的传感器。

（3）该实验平台具备可扩展性及二次开发，可以根据传感器技术的发展及时调整实验项目。

（4）可面向大量本科生及研究生开放实验项目，包括我校电子信息工程学院的全体学生、工商学院信息学部本科生、物理学院部分本科生等。

加强综合实验平台的建设， 实现理论与实践的交叉融合，对《传感器原理及应用实验》教学的发展与改革具有积极作用。

作者简介：梅建宏（1982.1-），男，汉族，河北邢台人，博士，讲师，研究方向为无人艇导航。

参考文献

[1] 田华，李敏，田静，杨建利，马东.任务驱动的开放式综合实验项目的设计与实施[J].教育教学论坛，2019（46）：275-276.

[2] 李寿杰，宋华军，兴雷，李郑，刘东凯.基于机器视觉的气冰球机器人实验教学系统设计[J].实验技术与管理，2020，37（01）：200-204.