2023年传感器综合实训系统的设计与实现.docx

天道酬勤 传感器综合实训系统的设计与实现 摘 要：根据检测技术和传感器智能化最新研究，为满足物联网工程专业应用型人才培养的实际教学需要，分析了当前传感器实训平台存在的问题。结合软硬件别离的思想，设计了基于传感器检测的综合实训系统，主要介绍了系统总体结构和硬件结构设计，开发了一套实用型的软件系统，并以温湿度传感器为例，介绍了传感器数据的在线检测与处理。系统测试结果说明，所提系统具有配置简单、操作灵活、简单易用、可扩展性强等特点，且綜合了多款传感器的实际应用，满足了根底实践教学的根本需求。 关键词：传感器;实训系统;物联网中间件;数据采集;控制系统;串行通信 0 引 言 当前，传感器技术已经趋于智能化、小型化和多元化，在实际应用中涉及到多个行业[1-2];同时，也是信息时代各类应用的重要技术之一，是获取各类信息的必要技术和手段。在物联网工程专业教学中，传感器技术已经融入到相关专业的人才培养体系，传感器相关的知识已经嵌入到专业课程体系[3]，也出现了一些典型的物联网实验系统，如嵌入了无线传感器节点的实验系统[4]。 在物联网工程专业的课程设置中，主要介绍各类传感器的原理，并结合以单片机为核心的智能检测系统开展专业教学，但是大多数高校的实践教学主要是基于单片机系统开发[5]。通常对温湿度传感器、光敏传感器、红外光纤传感器、震动传感器、三轴加速度传感器等各类传感器的信息进行采集和处理，更多是偏重于传感器的原理与构成。 目前，大多数的传感器实训平台主要是针对传感器原理的硬件平台设计[6-7]，缺少必要的信息处理系统，给实践教学造成困惑。主要存在问题：一是实践教学效果差。学生对嵌入式单片机应用开发不熟悉，尤其是计算机类专业的培养目标定位于应用型人才，而传统的传感器实验系统具有片面性。二是根本理论知识的综合应用能力得不到有效的训练。传感器的根本理论最终要应用于实际的智能应用系统，大多数传感器实验是孤立的，没有把上层应用与多种传感器的具体应用结合起来，造成了专业技能达不到专业人才培养目标。 为了解决这些问题和进一步完善综合的实践教学体系，优化了传感器综合实训系统。同时，实训系统也应具有物联网设备中间件效劳[8-9]。为此，该系统也扩展了数据接口和效劳软件。 1 系统简介 该系统主要是基于传感器的物联网数据采集和处理的综合应用实训系统，主要采用模块化设计的思想，利用传感器实验硬件平台，集成了物联网中间件的软件系统，适用于高校的传感器课程的实验实训。实训系统的主要特点：一是集成了温湿度传感器、光敏传感器、红外光纤传感器、震动传感器、三轴加速度传感器等相关实验，综合性强，并且能够使学生易于理解底层硬件数据处理方式;二是充分考虑了系统运行过程中遇到的各类问题，具有较强的可操作性;三是人机交互简单，各类传感器的应用不尽相同，具有多元化的应用平台;四是集成了物联网中间件，易于系统扩展，而且相关的传感器数据也可以接入到其他平台。 2 系统结构 考虑到实验设备与软件系统之间有效的集成方式，设计了符合大多实际应用的系统。系统结构主要由各类传感器、单片机控制系统和应用软件等三局部组成，如图1所示。 2.1 硬件结构 硬件局部主要包括传感器和单片机控制系统。典型的传感器主要包括温湿度传感器、光敏传感器、红外光纤传感器、震动传感器、三轴加速度传感器等。单片机控制系统主要是以STM32嵌入式微处理器为核心的嵌入式集成系统。 为了简化实训系统，使学生更好地掌握串行通信机制，设计了RS 232串行通信接口，各传感器数据采集通过RS 232通信与上位机进行互联，所有数据也可以通过以太网上传到云效劳平台，这也是当前物联网的最新应用需求[10]。 2.2 软件结构 上层实训软件系统主要采用C#语言开发人性化的界面，实现了多功能展示，如图2所示。软件功能模块主要包括实验工程选择、资源文件浏览、系统维护和管理等。 实验工程选择模块可以选择温湿度传感器实验、光敏传感器实验、红外光纤传感器实验、震动传感器实验、三轴加速度传感器实验等。所有传感器的应用界面可以在运行界面中进行展示，各类传感器具有独特的应用场景。 设计的系统维护和管理模块主要包括串口参数设置、Log文件记录与查询、数据库参数配置等模块。通过实训系统，用户可以了解各类传感器的根本原理。通过实验要求的相关说明，用户可以充分了解实验的具体要求和相关要求。 需要注意的是，该软件需要上述的硬件支撑，要求通过串口连接传感器模块，且传感器模块需要符合相关的协议。另外，该软件提供了传感器数据接口，可以作为物联网中间件，以便扩展相关应用。 3 系统功能 3.1 参数配置功能 参数配置功能主要包括数据库的连接配置和RS 232通信参数的配置。采用多种配置方式，使学生掌握实际应用中的相关技术，既可以通过人机交互界面进行配置，也可以直接翻开XML配置文件进行配置。 用户可以根据各类传感器的实际应用需要，配置数据库连接参数和每个实验的串行设置，XML配置文件如图3所示。根据串行通信设置要求，重点是配置与单片机控制系统一致的相关串口号、波特率、数据位、停止位和奇偶校验位等参数。 3.2 检测功能 各传感器检测的主要功能包括数据显示、历史趋势、应用场景等，以温湿度传感器为例，简要介绍如下。 〔1〕数据显示功能：可以通过“温度模块〞和“湿度模块〞实时显示从传感器获得的数据，通过数据和状态条的方式显示。 〔2〕设置参数功能：主要是设置温度的上下限，方便进行数据处理，设置温度和湿度的报警值，同时，“温度模块〞中显示从传感器获得的报警值。 〔3〕报警状态：当温度或湿度的值到达或超过报警值时，报警指示将由绿色转换为红色，通过解除报警，可以将报警解除的命令发送给传感器硬件模块，如图4所示。 〔4〕显示历史数据：通过选择起止时间段后，可展示历史趋势，如图5所示。 4 结 语 本文针对传感器实践教学的需求，设计了基于多个传感器数据检测的综合实训系统，实现了传感器数据的检测、参数设置、数据处理等功能。经检测，系统运行稳定，具有较好的实践应用效果，到达了设计目的。 参考文献 [1]赵丹，肖继学，刘一.智能传感器技术综述[J].传感器与微系统，2023，33〔9〕：4-7. [2]廖先碧.传感技术实验教学平台的开发[D].成都：电子科技大学，2023. [3]王俊波.物联网专业应用型人才培养研究与改革[J].物联网技术，2023，5〔5〕：106-108. [4]畅丽红，裴焕斗，杨佩宗.基于龙芯平台的物联网实验系统的设计[J].现代电子技术，2023，41〔24〕：183-186. [5]戴娟，倪瑛.智能传感器物联网综合实训平台的设计[J].南京工业职业技术学院学报，2023，11〔2〕：64-66. [6]陈胜利，黄家龙，曾威威.工业自动化传感器教学实验平台的设计[J].化工自动化及仪表，2023，45〔8〕：640-643. [7]陈鑫洋.智能传感器实训系统研究与设计[J].电子测试，2023〔11〕：30-32. [8]陈海明，石海龙，李勐，等.物联网效劳中间件：挑战与研究进展[J].计算机学报，2023，40〔8〕：1725 -1749. [9]王攀藻.物联网终端设备软件的开发系统研究[J].计算机科学，2023，44〔z1〕：515-518. [10]曾建电，王田，贾维嘉，等.传感云研究综述[J].计算机研究与开展，2023，54〔5〕：925-939.