面向应用型人才培养的传感器实验系统研究

2021-11-17龙浩黄娜李媛

北京联合大学学报 2021年4期

龙浩黄娜李媛

[摘要] 面向新工科教育背景下应用型人才培养的需求，构建新型的传感器综合实验系统。该系统摒弃了传统实验教学装置的固定结构，学生可根据实验需求，自主搭建多种调理电路并实现功能扩展。系统采用无线通信技术，并与LabVIEW虚拟仿真平台结合，整合传感器信号的测量、传输、分析与处理，使学生在掌握传感器原理基本理论知识的同时，从系统的角度建立完整的传感器应用知识体系。基于该系统设计创新实验项目综合案例，以综合实践训练的方式提高学生的科技创新和项目开发能力。教学实践表明，该系统锻炼和提升了学生的综合应用能力，对相关领域应用型人才培养起到了推动作用。

[关键词] 应用型人才;传感器;实验系统;综合应用能力

[中图分类号] G 642.0 [文献标志码] A [文章编号] 1005-0310（2021）04-0067-06

Research on Experimental System of Sensor Technology for Applied Talents Cultivation

LONG Hao1，2， HUANG Na1，2， LI Yuan1，2

（1.Beijing Key Laboratory of Information Service Engineering， Beijing Union University，， Beijing 100101， China;

2.College of Robotics， Beijing Union University， Beijing 100027， China）

Abstract： An integrated experimental system for sensor applications is designed and used to cultivate the applied talents under the background of new engineering education reform. The system completely abandons the fixed structure of traditional experimental teaching device and adopts decentralized layout. Students can independently build a variety of conditioning circuits and expand system function according to the experimental needs. The system adopts wireless communication technology and combines with LabVIEW virtual instrument workbench to integrate the measurement， transmission， analysis and processing of sensor signal， so that students can master the basic theoretical knowledge of sensor principle and additionally establish a complete professional knowledge framework. Some comprehensive cases based on the system are designed to improve students ability of scientific innovation and project development. The results of the teaching practice show that the system improves students comprehensive application ability and promotes the cultivation of applied talents in related fields.

Keywords： Applied talents;Sensor;Experimental system;Comprehensive application ability〖SD〗

0 引言

世界百年未有之大變局正风起云涌，在新一轮科技革命和产业变革的大背景下，教育部高等教育司提出，普通本科院校应该加大应用型人才培养，结合区域产业链布局，进行产教融合、校企合作，带动区域经济发展[1]。在新工科教育背景下的应用型人才教育更加强调实践能力和创新能力培养[2-3]，实验教学是培养应用型工程人才的必要环节，也是高校新工科建设的重要部分[2，4]。北京联合大学作为首都应用型人才培养和科技创新的重要阵地，非常注重学生实践及创新能力的培养，不断加强实践教学软硬件环境建设，培养适应国家，特别是首都经济社会发展需要的高素质应用型人才。

传感器技术在计算机、自动化及物联网等领域负责底层信号来源的获取及转换，其课程是工科专业的核心基础课程。传统的传感器实验教学装置存在以下不足[5-7]：第一，实验调理电路固定，且封装在实验箱内，学生不可随意改变，限制了对学生进行传感器应用电路设计能力的培养;第二，各类传感器之间互相独立，学生每次只能针对一类传感器进行测量，无法实现多类传感器之间的综合测量，限制了对学生进行多传感器综合应用能力的培养;第三，传感器与测量实验平台采用有线连接，无法进行无线测量，与实际应用脱节，限制了对学生进行工程综合应用能力的培养;第四，不对学生开放内部编程程序（包括信号分析、界面交互等），学生不能进行二次开发，限制了实验系统资源的开发再利用。以上缺点制约了课程实验教学对学生综合应用能力和创新能力的培养。因此，如何对传感器技术课程的实验教学模式进行改革，让学生在掌握传感器基本原理的同时，能够对各类传感器进行与实际应用密切相关的工程实践，对提高应用型人才培养质量至关重要。

针对上述问题，本文在现有传感器实验设备的基础上，面向工程实际应用，整合物联网技术及虚拟仪器技术，研制了新型的传感器综合实验系统。该系统包括21种传感器测量单元，将其调理电路设置为最小单元结构，可由学生根据不同的测量需求灵活搭建组合测量调理电路;系统采用ZigBee通信技术，实现多种传感器综合测量，且面向实际应用实现无线测量;利用LabVIEW虚拟测试平台设计可二次开发的交互上位机，实现传感器信号的分析处理及多功能界面交互等。

1 传感器综合实验系统的构成及功能

改革原有实验系统的信号调理、上位机交互及信号通信等环节，如图1所示。系统结构以21种传感器测量单元为基础，将原有实验装置采集到的信号与无线数据发送节点连接，然后通过ZigBee组网通信[8]，由无线交互协调器收集布置在不同位置的多路传感器信号，再通过串口通信上传到开放式上位机进行分析和处理，进行数据存储，输出实验报告等，实现无线多传感器综合测量功能。

上位机采用美国国家仪器公司的LabVIEW虚拟测试平台[9-10]，主程序完成系统登录及实验项目选择，并调用各传感器实验的子程序完成实验。各实验子程序的主要功能包括：通信设置、参数设定、零点调整、实验结构框图及原理图显示、信号分析、电压显示、电流显示、波形显示、保存文件、输出打印等。除此以外，学生可进行创新实验项目，根据课程学习的需要，对上位机的人机交互、信号存储与显示、信号分析与运算等功能进行二次开发，锻炼创新能力。

2 硬件系统

传感器综合实验系统的硬件主要包括传感器模块（传感器及其调理电路）、数据采集器、ZigBee模块和开放式上位机。

2.1 传感器模块

如图2所示，传感器模块涉及11种测量物理量、21种传感器测量单元及相关调理电路。调理电路包括针对不同种类传感器设计的专用调理电路以及各种传感器均适用的通用调理电路。传感器与专用调理电路、通用调理电路之间根据实验需求搭建连接，以实现传感器的模块化功能。通用调理电路包括信号放大电路、过滤电路、缓冲电路和定标处理电路等。专用调理电路包括电桥电路、电容变换器、移相器、相敏检波器、电荷放大器等。传感器的这种模块化结构设计增加了实验设备的灵活性和通用性，节约了开发成本。

2.2 数据采集器

本文选用STM32F103C8T6单片机实现数据采集。该单片机具有ARM Cortex-M 内核、32 bit 的位宽、64 KB的PROM、20 KB 的RAM和10路12位的ADC转换口，最高系统时钟为72 MHz，工作电压为2～3.6 V，拥有CAN、IIC、SPI、USART和USB通信接口。

2.3 ZigBee模块

ZigBee模块选用多个CC2530无线通信节点构成无线数据收发模块和无线交互协调器，组网方式为星型网络结构。CC2530是一种高性能、低功耗、多功能的无线片上系统单片机，使用具有代码预取功能的8051 CPU内核，它带有极高性能的RF收发器并且抗干扰能力强，符合IEEE 802.15.4（2.4 GHz）通信协议标准。无线网络搭建成本较低且可靠性高，可直接提供20 mA的电流驱动继电器。

2.4 上位机

上位机硬件为PC机，配置为Intel（R）Core（TM）i7-9700 CPU，3.8 GHz主频，16 GB内存，64 bit Windows 10 操作系统。上位机（PC机）与ZigBee模块之间通过USB串口通信;上位机支持二次开发个性化交互界面以及增减或更改实验项目设置等。

3 软件系统

传感器实验流程如图3所示，首先输入学生信息登录实验系统，进入主界面后选择实验项目，然后进入该实验项目的子界面：首先配置串口资源，串口名称可通过上位机设备管理器查询 [11];然后学生可以在子界面查看实验电路图、方块图等，设置实验参数，进行实验，实验结束后可以打印输出实验报告等。

在子界面中，示波器窗口可以实时显示测量曲线，并可对曲线参数进行个性化设置。测量曲线包括用波形图表显示的电压、电流曲线和物理参数曲线，以及XY图表生成的传感器特性曲线。由于学生可自定义和设置的参数较多，为了保证界面简洁，增加可读性，其他功能采用子面板方式呈现。

4 Pt100传感器实验过程及结果

4.1 硬件连接

首先，用连接线将Pt100传感器与相应专用调理电路、通用调理电路之间连接起来，如图4所示。调节划片电阻器使Pt100的接口电流为2.55 mA，输出电压为2.5 V。为了提高温度测量的准确性，应使用1 V电桥电源，A/D转换器的5 V参考电源要稳定在1 mV级[12];Pt100传感器、A/D转换器和运算放大器的线性度要高。同时，利用上位机软件矫正其误差，可以使测得温度的精度为±0.2℃。

其次，将信号调理模块最终输出的信号端口与无线数据收发

模块（CC2530）的AD数据采集端口连接起来。用串口连接并配置无线交互协调器与开放式上位机之间的串口通信，学生在开放式上位机上完成基础实验项目和相应的二次开发编程。

4.2 配置参数及通信连接

首先，访問开放式上位机的系统界面，输入登录信息;然后，在主界面中选择Pt100传感器的无线测温实验，进入子系统界面，配置无线交互协调器与开放式上位机之间的串口通信地址，对实验参数进行设置和调整。

4.3 实验结果

Pt100传感器将检测到的温度信号传送给信号调理模块，经过调整修正后的信号由数据采集器输出，然后通过无线数据收发模块传送给无线交互协调器，由无线交互协调器对相关数据执行压缩和融合后，上传给开放式上位机，在开放式上位机的系统界面中显示实验结果，从而完成各项实验项目。Pt100传感器实验结果如图5所示。

本实验系统中Pt100温度传感器的工作电源是DC 24 V ，产生一个4～20 mA的电流，然后连接一个4～20 mA电流电路板，把4～20 mA的电流转换为1～5 V的电压[13-14]。图5显示，实验结果测得第一组温度为30℃，传感器输出电压为2.51 V。对被测物体加热，温度每升高5℃，记录一次数据，并显示在前面板中，系统测得Pt100的电压温度特性曲线呈近似线性关系，并用测得的实际数据拟合成线性曲线。本实验被测物体无须与上位机有线连接，采用无线监测的方式，可测得实验室空间各不同位置的温度。实验测得的温度电压数据被自动存储在实验程序同目录下的电子表格文件中，表格文件以学生的姓名学号及实验名称命名，也可手动存储至带图表的数据记录文件中。学生可在实验界面输入实验结论，打印包含测量数据和实验结论的实验报告。

5 结束语

本文以培养应用型人才为宗旨，探索传感器技术课程的实验教学改革，从传感器技术工程应用相关的知识体系出发，与当前热点应用案例紧密结合，研制开发了传感器综合实验教学系统。该系统摒弃传统的实验教学装置结构，采用分散性布局，将信号感知、信号调理、无线通信、上位机交互等设备相互独立设计，使实验操作更加灵活，实验拓展性强。学生通过传感器基础实验掌握了传感器元件的基本原理和特性，具有一定的基础应用能力。在此基础上，开展综合性更强的传感器综合训练。综合训练项目包括楼宇室内环境监测系统、火灾报警监测系统、温室大棚环境监控系统及智能家居系统等。该系统弥补了传统实验系统在应用型人才实践能力培养方面的不足，使学生基于实验系统建立完整的专业知识体系，提高学习兴趣，锻炼学生的工程实践应用能力和创新能力。

我们在学校自动化专业2个班持续开展该传感器综合实验系统教学实践，取得了良好效果。学生的科技创新能力不断增强，在科技竞赛方面，获得国家级特等奖2项，国家级一、二、三等奖8项，省部级奖项6项。学生积极申报“启明星”科技创新项目，获批国家级2项，市级5项。学生发表科技论文5篇，获得软件著作权登记4件。近年来，自动化专业毕业生就业大多集中在自动化领域相关企事业单位，就业率稳定在98%以上。对毕业生就业的跟踪调查显示，企业普遍认为学生的工程实践能力强，学生在毕业和就业衔接过程中过渡平稳，在工作岗位上能快速胜任各类工程项目开发，这从侧面也反映了本文所述的新型传感器综合实验系统在应用型人才培养方面的积极推动作用。本文提出的传感器综合实验教学系统对自动化相关专业大学本科及专科的传感器原理及应用、检测技术等课程的实验教学亦有借鉴作用。

[参考文献]

[1] 王晓刚.思辨与创新能力培养模式下的应用型大学产教融合体系研究[J].教育理论与实践，2019，39（6）： 20-21.

[2] 杨文斌.产学深度融合新工科人才培养的探索与实践[J].高等工程教育研究， 2020（2）： 54-60.

[3] 宋春丽，陈棉，张子德，等.新工科背景下高校食品专业实验教学改革探索[J].安徽农业科学，2021，49（8）：275-276+279.

[4] 徐晓玲，余佼，张明辉，等.基于LabVIEW的传感器虚拟综合实验系统设计[J].实验技术与管理，2019，36（2）：134-136+140.

[5] 罗万成.虚拟现实技术与“新工科”人才培养：以重庆文理学院为例[J].重庆高教研究，2018，6（1）：65-77.

[6] 向峰，周敏，江志刚，等.面向工业工程的智能物联综合实验应用研究[J].教育教学论坛，2017（18）：267-268.

[7] 水恒华，沈卫康，张亮，等.基于物联网技术的电力通信虚拟仿真实验室建设研究[J].南京工程学院学报（社会科学版），2016，16（4）：74-77.

[8] 沈林涛，王凯.基于物联网技术的实验设备监控系统设计与实现[J].软件导刊，2021，20（2）：119-123.

[9] 段凌飞，张宏桥，何益.基于物联网技术人机互动演示实验系统设计[J].机电工程技术，2018，47（9）：100-104.

[10] 王继伟，王家胜，吕宝君，等.基于LabVIEW平台的生产法测量车床静刚度实验系统[J].青岛农业大学学报（自然科学版），2021，

38（1）：74-78.