时间：2023-02-22 11:41:44
1．1工作原理
本研究以病原菌为检测对象，通过蛋白A将病原菌抗体固定于金叉指阵列微电极表面，制备了一种阻抗型传感器。以Fe(CN)3－/4－6作为氧化还原对，经过化学电阻抗谱表征电极表面修饰及抗原捕获过程，采用等效电路阐述其阻抗谱的变化。实验结果表明，待测溶液中病原菌浓度的对数值与叉指阵列微电极的电子传递阻抗的变化值呈线性关系。传感器系统将上面的输出信号进行电压放大、A/D转换等处理，然后由已知的定量检测模型得出表征被测物含量的数值，并通过LCD装置进行显示，且可在超过安全值时进行报警。
1．2基本结构
实现定量检测和自动报警等功能，单片机是核心部件。本设计选用STC89C52单片机，它是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，可满足系统工作的要求。该系统以STC89C52单片机为核心，包括阻抗测试模块、阻抗电压转换模块、电压放大电路模块、A/D转换模块和显示及报警模块。此系统采用模块化设计不仅便于扩充不同测量单元，而且可防止各模块间相互干扰，利于仪器稳定。
2硬件选型及电路设计
2．1集成放大器选择
A/D转换电路所需的电压幅值一般为2V，而叉指微电极输出的电压信号比较小，所以需要对叉指微电极输出的电压信号进行放大。主放大电路采用放大器ICL7650，其电路具有电源电压范围宽、静态功耗小、可单电源使用及价格低廉等优点，广泛应用在各种电路中。
2．2A/D转换模块设计
经放大电路输出的电压值是模拟信号，不能直接送入单片机进行处理，还必须进行A/D转换后送入单片机进行处理。本设计选择ADC0809芯片作为AD转换装置，此芯片功能简单，能稳定实现本设计的要求。
2．3显示及报警模块设计
2．3．1显示电路设计
传感器需要输出液晶显示结果，主要包括检测物名及物质浓度等。本系统选用LCD1602液晶显示屏，它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块，能够同时显示16×2(16列2行，即32个)字符，可满足显示检测物名称和浓度的要求。
2．3．2报警电路设计
为了实现超限自动报警的功能，需要蜂鸣器接受单片机发出的超限报警信号发出警报，警示微生物的数量已经超标。要实现自动报警的功能，可采用实现单频音报警。其接口电路较简单，发音元件为压电蜂鸣器，当在蜂鸣器两引脚上加3～15V直流工作电压时，可产生3kHz左右的蜂鸣振荡音响。压电式蜂鸣器结构简单、耗电少，更适于在单片机系统中应用。压电式蜂鸣器约需10mA的驱动电流，可在单片机一端口接一只三极管和电阻组成的驱动电路来驱动。浓度超标时，单片机P3．6输出高电平，驱动蜂鸣器报警，提醒检测者被测物超标，并做相应处理。
3软件设计
为了便于程序修改和升级，软件系统采用模块化设计方法，主要程序包括:主程序、键盘处理子程序、数据处理子程序、液晶显示子程序及报警子程序。系统工作流程为:检测人员通过键盘输入被测物种类，MCU通过判断处理之后，阻抗测试仪测量获得多个阻抗值，经阻抗电压转换电路和放大电路，A/D转换器处理，将得到的数字信号送入MCU;MCU对数字进行计算、比较等处理，得到被测物浓度，判断出浓度是否超限;接着，MCU将浓度送入LCD进行显示，判断比较结果是否需要进行报警，需要时则控制报警器报警。
4结论
为提高系统输出信号的精度，采用低速、高精度的DAC。此类DAC多采用SPI或IIC总线与主控制器通信，占用控制器的IO口较少。时下流行的STM32系列或MSP430系列微控器的硬件资源都满足要求。为便于野外现场使用，系统采用锂电池供电，这就要求主控制器具有较低的功耗以延长电池续航时间，以极低功耗著称的430单片机成为首选。由主控制器、时钟电路、复位电路构成了主控制器的最小系统。系统硬件总体框图如图1所示。按键和气象量显示模块主要实现人机交互功能，用来调节输出信号的大小，设置气象量和电信号之间的转换关系等。根据气象传感器输出信号的范围，可设定若干档位的输出信号，以覆盖传感器的范围即可。按键接在430单片机的中断口上。显示模块的控制和数据总线由单片机的IO口来提供。DAC模块是产生电压信号的核心。主控制器将数字量送给DAC后得到模拟电压信号，为使产生的信号和传感器范围一致，DAC的输出信号需进行调理。数字系统和电源都会对模拟部分产生干扰，引起误差。采用DC－DC电源隔离、DAC总线隔离提高DAC输出信号的精度。输出电信号和气象量之间存在转换关系，转换函数存储于EEPROM芯片中。为进一步提高精度，系统也需要定期检定。采用零满刻度校准的方法，用高精度的数字万用电表测量输出信号的实际值，将实际值和理想值的差值保存于EEPROM中，系统根据差值去修正输出信号，差值和转换函数都通过串口由上位机写入存储电路中。软件补偿切实提高了系统的稳定性和精度。
2模块电路设计
2．1主控制器端口分配及人机交互模块
主控制器选择TI公司的MSP430F169，利用其丰富的中断作为按键输入，内部自带的UART模块实现串口通信，采用IO口模拟SPI总线与DAC通信，低功耗的128×64LCD用于显示输出信号大小及对应的气象量。主控制器的最小系统及端口分配如图2所示。主控制器的P1．0～P1．3接按键，采用中断方式。4个按键的功能包括：调节电信号和气象量之间的转换关系键SET、增大和减小输出信号键UP和DOWN、确认保存参数键ENTER；P3．0～P3．3端口的RS、RW等为LCD的控制总线；P5．0～P5．7为LCD的数据总线；P3．6～P3．7为单片机部自带的UART模块的收发端口，用于串口通信；P4．0～P4．2作为DAC的SPI总线；P4．3～P4．6用于存储器的总线。TDO／TDI～TCK为单片机的下载口。P6．0端口MeaV为单片机内部自带的ADC模拟输入通道，用来监测系统电源。晶振X2和电容C1、C2构成时钟电路，电阻R8和电容C3构成上电复位电路。
2．2模拟信号产生DAC模块
为产生程控的高精度电压信号，采用高精度的数模转换芯片，辅以总线隔离、电源隔离等措施提高精度。工艺上采用四层印制板电路。产生的信号为微伏级，选用16位的低功耗、单通道电压输出型DAC芯片AD5660，满量程输出电压范围可达2．5V。软件编程模拟SPI总线与主控制器通信。AD5660内部硬件结构如图3所示，主要由数字量输入寄存器、电阻串型DAC、基准源、输出缓冲放大电路组成。由图3可知，AD5660内部含有一个增益为2的放大器。设D为载入DAC寄存器的二进制编码的十进制等效值，则输出电压VOUT的大小为16位的AD5660－1内置1．25V的基准电压，输入数字量D的范围为0～65535。根据式（1），输出电压VOUT的范围为：0～2．5V。采用总线隔离和电源隔离措施，以提高输出电压的精度。iCoupler技术的四通道数字隔离器ADUM1401具有优于光耦合器的出色性能［4］，系统利用ADUM1401作为DAC模块的SPI总线数据转换器，使AD5660的总线与主控制器完全隔离。同时，采用DC－DC芯片MEB01Z－05S05D为信号产生部分提供独立电源。MEB01Z－05S05D的输出功率可达到1W，且其具有极低的纹波，Vp－p≤10mV。其电路如图4所示。
2．3信号调理电路
湿度传感器输出信号为0～1V，气压传感器设置于模拟模式时，输出电压为0～5V，而总辐射传感器的输出信号十分微弱，小于30mV。DAC输出信号需要经过调理电路，产生与传感器输出范围和分辨率一致的信号。这里以产生0～30mV的微弱电压信号为例，设计其信号调理电路如图5所示。
2．4参数存储及串口构成软件补偿电路
除采用总线隔离、电源隔离、低温度系数电阻、低失调电压运放等提高系统输出信号的精度外。设计参数存储和串口通信电路，利用软件来对信号输出进行校准，进一步提高输出信号的精度。软件补偿的思路是采用零满刻度校准法，用高精度的61／2位数字万用电表测量系统在零点和满量程时的实际输出，并记录与理想值的偏差。上位机通过串口将偏差值写入到存储器中。系统每次进行D／A转换之间先读取存储器中的偏差值，并调整单片机送给DAC的数字量，使输出信号接近理想值。偏差值存储于EEPROM中，如图6所示。同时，气象量和电信号之间的转换函数关系也存储于EEPROM中。MSP430F169内部自带了UART模块，只需在辅以常用的MAX232构成电平转换电路即可与上位机通信。
3系统软件电路设计
系统任务主要包括时钟初始化、LCD的初始化、信息显示、系统电源电量显示、软件校准、按键切换输出档位等。根据各功能模块，确定系统的软件设计流程和中断服务程序功能。主程序主要完成初始化工作；电量检测需定期进行，故在定时中断服务程序中完成；档位切换和信息显示等在外部中断服务程序中实现；校准参数和转换函数通过串口的中断服务程序由上位机写入EEPROM中。系统主程序流程如图7所示。输出信号大小的调整由按键中断服务程序实现，图8为UP键按下时的服务程序流程。
4系统测试
为提高系统精度，PCB采用4层印制板。中间2层为GND和隔离后的电源。利用高精度的61／2位数字万用电表对系统进行零满刻度校准。校准步骤如下：（1）设定输出值为0mV，利用万用电表测量此时的实际输出电压值V1；（2）将V1通过串口调试助手写入下位机，单片机根据V1计算零点偏差，并保存于EEPROM中；（3）设定输出值为30mV，利用万用电表测量此时的实际输出电压值为V2；（4）将V2通过串口调试助手写入下位机，单片机根据V1，V2，计算线性校准函数的斜率和截距，并保存于EEPROM中。系统校准后，再通过按键切换输出档位，并用万用电表测量实际输出值，测试结果如表1所示。结果表明，系统经过软件校准后，输出微弱电压信号的误差小于10μV。但通过高速的数据采集卡测量，系统瞬时值存在80μV的抖动。分析其原因是由于万用电表测量时进行了滑动平均处理，测量值为短暂时间的平均值，抖动被抵消。经过反复测试和分析得知，虽然采用4层PCB在硬件上减小了干扰，但空气中的电磁场仍然在PCB板上形成了干扰。整个PCB需要采用一定的屏蔽措施或在有良好的电磁环境下测试。
5结束语
关键词：嵌入式系统；移动机器人；实践；教学平台
中图分类号：TP751.1 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2015）02-0223-03
Abstract： Higher education reform focused on "heavy practice， integrated heavy， heavy and innovation"，this paper introduced how to design a mobile robot teaching platform which was based on LPC1768 system. some experiments will design for student in order to improve students' practical ability. and could make student connect knowledge， practical application of knowledge and improve qualities together .
Key words： Embedded systems； mobile robot； practice； teaching platform；
机器人技术是一个国家科学技术水平和国民经济现代化、信息化的重要标志，而嵌入式系统则是机器人控制的核心部分[2]。针对笔者所在的院校向应用化改革的目标要求，设计了一门针对探索建立新型概念课的方法和方式，把知识的学习、素质的培养和实际应用联系起来。树立以学生为本，知识传授与能力培养并举，素质提高与协调发展并重的实验教学观念；以实验技能训练为核心，重应用，强调规范和精确[3-4]。本课程是将电子专业课程《C语言程序设计》，《嵌入式系统》，《传感器技术》， 《移动机器人技术》结合起来，将电子专业学生掌握的专业技能项目进行重新整合，建构一门新型实习实训课程。本课程着重于学生的应用能力的培养。
1 课程设计架构
本课程的设计根据学生的差异性分成两部分。
本课程的基础部分的整体框架是以传感器信号作为输入，以LPC1768作为CPU处理器[5]，以串口或者LCD1602作为输出显示。从而构成一个简单的系统。综合部分学生可以结合自动控制的内容，实现诸如温控系统、超声探障报警系统等内容的设计。总体框架如图1所示。
图1中最左边是传感器，示意图中列出了超声传感器，红外传感器，温度传感器。当然可以设计其余的传感器传入。中间是处理信息的中心也即是嵌入式系统，设计中采用的是cortex-M3芯片，右边是数据获取显示部分，可以采取串口通过USB转串口线在上位机超级终端上显示，也可以通过无线传输模块将数据传输到上位机上，通过超级终端上显示。还可以通过I2C挂接LCD1602，在LCD1602上显示数据信息。
本课程的扩展部分是自主控制移动机器人的设计。使用嵌入式系统LPC1768作为主CPU，实现移动机器人的运动控制以及传感器数据的获取，移动机器人周围会搭载一系列传感器，如超声传感器，红外传感器，陀螺仪，电子罗盘，里程计等等。通过CPU控制电机实现控制移动机器人运动，通过超声传感器和红外传感器结合实现移动机器人周围障碍物的探测，而后CPU会处理传感器数据，通过处理的信息会进一步控制移动机器人的运动，通过陀螺仪，电子罗盘，里程计等传感器信息去获取移动机器人的位置信息。因为涉及到移动机器人运动控制部分的内容，所以会将学生分成几个小组，也会将任务分成各个部分。让学生以综合作业的形式提交。
图2所示则为扩展部分移动机器人设计框架，左边是获取周围环境的传感器信息，右边是显示部分，可以通过串口或者是无线模块nrf24l01将数据传输到PC上。传感器的数据获取以及处理则在LPC1768上实现。由图2可以看出，此设计仅仅使用了创意之星的底层框架，会使用LPC1768控制舵机运行。传感器数据获取处理，以及移动机器人的控制也是由LPC1768实现的。由于考虑到CPU的处理能力，后续会继续在此基础上使用多CPU进行改进。
2 课程体系设计
本课程将分成理论课程，实验课程以及综合设计三块内容。
第一部分是嵌入式基础知识的学习。主要包括嵌入式系统的软硬件介绍，开发环境介绍，会就嵌入式C与普通C语言的区别以及一些嵌入式C中常用的关键字如volatile进行介绍。而后会对一些与传感器连接需要使用的外设接口进行介绍，包括四个小部分，分别是通用GPIO的介绍，定时计数器的介绍，无线通讯模块的介绍以及I2C接口的介绍。
第二部分是传感器相关模块的介绍。首先介绍什么是传感器，而后分别介绍各个传感器，包括红外传感器，温度传感器，超声传感器，电子罗盘，陀螺仪等。
第三部分会留出一段时间让学生以项目的形式自己设计一个系统。会给定一些可选题目，学生也可以选择自己感兴趣的传感器去进行研究，形成一个完整的系统，需要学生提交项目计划书，产品使用说明书以及软件测试代码，测试报告等内容。
与理论课程相对应的会有实验课程结合，针对嵌入式系统的基本知识会有5个实验相对应，分别是嵌入式开发环境如何使用，主要是介绍keil软件的使用，如何创建工程，如何调试代码等。而后是对于通用GPIO接口的使用，之后是定时计数器的使用，主要是实现利用定时器精确进行计时。最后是I2C总线的介绍和使用。
针对传感器知识也设计了相关的实验，首先针对红外传感器会让学生学习如何设计了一个简单的遥控器，针对温度传感器DS18B20，要求学生能够设计一个温度报警系统，能够获取当前温度信息，当温度信息超过一定限值的时候，通过蜂鸣器进行报警。针对超声传感器，主要可以用于获取15cm-4m范围内的环境信息，希望学生能够实现每次按键中断能够获取一个障碍物距离信息。且能够通过I2C接口将数据显示在LCD1602的屏幕上。接下来九轴传感器的数据信息获取是基于I2C接口的，所以需要学生在了解I2C接口的基础上能够获取九轴传感器上电子罗盘，陀螺仪，加速度计的数据信息，且能够进行相应的处理。
针对自选项目会分层次给出题目。一般性题目诸如温度报警控制系统，有毒气体探测报警系统，超声障碍探测系统等。针对自主控制移动机器人部分，会给出诸如多红外传感器感测移动机器人四周障碍系统设计，该设计会作为独立模块要求学生使用单片机实现），超声红外探测障碍系统：与第一部分的区别是会要求学生使用舵机控制超声传感器动态探测前方障碍等。
3 课程的教学方式
本课程属于全新课程建设，包含理论教学、实验教学以及项目驱动教学。
（1）对于嵌入式系统的教学采用理论知识，软件代码以及实验结合教学的方法。
由于嵌入式系统是一门综合性很强的课程。从工程的角度分析，它是涉及了机械、电子、计算机等多个学科的系统，单个学习者很难掌握当前嵌入式系统开发的全部知识和技能。因此，各个专业的嵌入式系统教学所侧重的内容是不同的。比如电子和电气专业的嵌入式课程的教学内容更多的侧重于硬件电路设计。就计算机专业的角度分析，嵌入式系统涉及了计算机体系结构、微机原理和接口技术、实时操作系统和计算机编程等诸多知识内容。而且目前存在多种不同的嵌入式硬件平台、嵌入式操作系统平台和开发工具，如何在诸多的技术中进行教学内容的选择，是首先需要解决的问题。本课程计划采取嵌入式系统教学采用理论知识，软件代码以及实验结合教学的方法。由于本实验实训课程主要着重于嵌入式系统的外设使用，因此会避开硬件设计、操作系统、makefile等相关内容，直接采取首先介绍各个接口，而后介绍用到的寄存器，之后介绍如何使用寄存器操作接口，如何使用下载器，通过例子代码以及实物演示的方法来介绍如何使用，之后通过给定实验题目让学生在实验课程上使用理论课学习的知识来编写代码实现相关外设使用。
（2）对于传感器知识部分，采取首先介绍相关传感器的理论知识，而后实物展示，之后通过讲解传感器数据获取，处理代码让学生大概了解内部的工作原理，由于时间限制所以不要求学生会编写所有的传感器内部数据获取、处理的代码，最后会在实验课提供给学生实验课程的相关传感器初始化，读取，使用的接口代码。学生只需要能够使用各个传感器的接口代码获取传感器数据就可以了。
（3）对于最后的综合实验课程以项目组织实施的方式对学生进行指导和管理。
嵌入式系统无处不在，越来越多的数码产品充斥着我们的日常生活，如手机、数码相机、各式各样的机器人、电子交通工具、智能仪器和车载电子系统等等，而且其更新升级的速度也越来越快。这些都体现了嵌入式系统的设计和开发需要有不断创新的精神，并且需要采用研究性方法来进行设计和开发。
传统的嵌入式教学只是注重于知识的单向传播，即老师向学生灌输最终的概念、原理和结论，学生则是被动的接收和被动的记忆。学生被禁锢在课堂上、实验指导书上，极大地限制了学生的素质和创新能力的培养。在本实验实训课程的教学中，通过项目和自行创新实验的设置，大大地激发了学生的创造潜力，培养了学生的科研能力。而且通过鼓励学生参加各种机器人相关的比赛，也能够提高了学生自主创新的积极性和成就感。
本设计最后的项目，可以学生自己提出一个自己想要实现的程序，而后利用我们LPC1768实现相关的内容，同时我们也会分层次给出几个设计题目供学生选择。如气体传感器探测系统。学生可以自己选择相关的传感器，目前气体传感器有MQ2气体传感器、可燃气体传感器、二氧化碳气体传感器、空气质量传感器等很多。学生可以自己选择某种传感器去进行设计。
如学生可以选择一个可燃气体传感器做一个可燃气体探测报警系统的设计。这种设计能够用于家庭，放在厨房，当厨房可燃气体超过一定数值的时候就能够报警，对于家用安全有非常重要的作用。学生也可以选择空气质量传感器做一个系统，当今社会越来越多的人对于空气质量的指标越来越重视，如果学生能够设计出一个这样的系统去实时探测当前的空气质量，既有实际意义也能够激发学生对于电子专业的强烈的兴趣。
此外对于项目设计，要求学生在整体项目完成的过程中需要有项目需求说明书，概要设计说明书，详细设计说明书，在设计的过程中需要有对于每个设计文件的说明书以及测试代码，测试文档。对于整体设计完成之后需要有结题相关文档等。让学生在过程中了解一个软件项目中应该要做的不仅仅只是软件代码编写，还包括需求说明，设计说明，详细设计说明文档，软件功能测试代码，软件功能测试文档，系统测试代码，系统测试文档等等内容。
4 课程的考核方式
课程考核由实物演示、设计报告和答辩等三个环节组成，分别按照40%、30%、30%的比例构成。要求学生演示自己的实物，需要提交自己设计产品的使用说明书以及实验报告，最后会有一个答辩环节，三者结合给出最后成绩。
5 总结
本课程主要是将本校电子专业学生所学习的知识融合起来，让学生能够利用所学的知识进行应用。笔者在所带嵌入式系统课程上针对基础设计部分做了尝试，效果良好。学生就在学习嵌入式系统理论知识，实验操作之后，最后的大作业就设计出温度报警系统，超声传感器测距模块等应用系统。
参考文献：
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[6] LPC2114_2124_2212_2214-02-user_cn 中文手册.
关键词：数字化实验；初中物理实验；物理实验教学
中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2016）11-0059-2
数字化实验（DIS）是信息技术与物理教学整合的重要基础。数字化实验室的设备主要由传感器、数据采集器、计算机、配套系统软件及配套教具等构成。它以真实实验为基础，通过各种传感器替代传统的仪表，通过数据采集器将采集到的实验数据送往计算机进行数据处理、图线分析，借助计算机平台更直观地显示物理现象，更深刻地揭示物理规律。传感器是数字化实验室的重要组成部分。传感器包括力传感器、位移传感器、声波传感器、电压传感器、电流传感器、温度传感器、压强传感器、磁感应强度传感器等。它能够快速、高精度地适时采集物理实验中力热声光电等各种变化着的物理量数据。基于传感器的计算机实时数据采集和基于计算机数据处理软件的计算机建模和图像分析等技术是开展物理探究教学的两大技术支撑。
下面列举两个笔者在初中物理教学中利用DIS数字化系统的实验创新教学实例。
案例1 探究电流与电压的关系
传统教学中，学生进行分组实验时利用滑动变阻器多次改变定值电阻两端的电压，分别用电压表和电流表测出电压值和对应的电流值，再在坐标系中描点作图，通过数据和图像得出结论。但一节课的时间里，学生既要设计实验方案，包括设计实验电路和实验表格，又要完成定值电阻的电压、电流值的多次测量，需要较长的时间。而且，如果电压值取得太接近或者不是倍数关系，测出的数据不容易得出结论。因此，在实验前，很多教师往往会提醒学生使电压成整数倍变化，这样做的结果是学生确实容易发现规律、总结出结论，但是“探究”的意味就淡了许多，原本生动有趣的实验也变得枯燥乏味了。若非如此，学生就需要更多时间来进行更多次的实验，一节课的内容又很难完成。
应用DIS数字化系统就很轻松地解决了这个矛盾。
实验过程和数据分析：
1.按电路图连接电路，为使结论具有普遍性，将一个5 Ω和一个10 Ω的定值电阻串联进电路进行实验，用电压传感器和电流传感器代替电压表和电流表分别测定值电阻两端的电压和通过定值电阻的电流。
2.将电压传感器和电流传感器分别接入数据采集器。
3.打开计算机，进入数字化信息系统软件，新建实验，设置电阻的电流-电压关系图线。
4.闭合开关，移动滑动变阻器的滑片，改变定值电阻两端的电压，测量多组电压和电流值。计算机根据得到的电压值和电流值实时在界面上生成电流-电压关系图像，如图1所示。
⒌分析所得的实验数据和图像，得出结论。
从图像中能明显地看出通过定值电阻的电流与定值电阻两端的电压成正比。将电压、电流传感器引入测量小灯泡的电阻教学，就可以在很短的时间内清楚地记录下电流随电压变化的曲线。使教学手段更多样，促进教学目标的更好达成。使用数字传感器的好处一是时间短，通过设置，每隔0.1 s就会有一组电压电流数据对应的点描绘在坐标系中，因此在较短的时间（几秒钟）内就会有几十个点记录下来，同时生成I-U图像。二是数据多，结论更可靠。由于采集的数据较多，因此图像较为理想。
案例2 探究磁铁周围的磁场实验
实验装置如图2所示：
1.将磁传感器接入数据采集器。
2.打开数字化信息系统软件，新建实验，设置磁场强度-时间图线，时间设置为1 min，时间间隔设为10 ms。
3.将磁传感器探头向下，在条形磁体表面从条形磁体的中间开始匀速地向一个磁极移动（如图3），再从一个磁极匀速向另一个磁极移动，如此往复，测出磁场强度随时间的变化。
4.观察图像，总结条形磁铁周围的磁场分布特点。
应用磁感应传感器可以使学生明显地观察到电磁铁周围磁场强弱的变化，使我们肉眼看不见摸不着的磁场变得显而易见。
由以上数字化实验教学中的应用看出传感器的介入提升了实验的效率图像的展示，进一步培养了学生的观察能力和分析能力。让教师无需语言的赘述，通过理性的数学分析得出，使学生的认知水平得到提升。但数字化实验也存在一些问题，比如不利于学生对传统实验仪器的熟练操作和正确使用。同时，数字化设备对学生的科学探究方法、学习能力、创新能力、数字处理能力有较高的要求。因此，教师在教学过程中就必须再学习，必须接受新仪器、新手段，才能掌握好新的科技手段，并用在自己的教学工作中。
关键词：组合学；机械电子工程；应用
引言
组合学中的组合数学中对离散对象的处理问题，是计算机科学的核心内容。所以，在机械电子工程的优化编码领域，组合学可以起到一定的应用效果。而组合学中有关排列计数的研究，则可以应用到机械电子工程的传感器节点分布设计方面。而相对来说，机械电子工程是设计与实践相结合的学科，所以，作为很多计数学科基础的组合学可以被广泛的应用于机械电子工程设计中，从而为机械电子设计强大功能的实现提供保障。而为了了解组合学在机械电子工程中的实际应用情况，本文从案例角度对组合学在机械电子工程设计中的应用进行了研究。
1.在齿轮抗干涉设计方面的应用
在机械电子工程设计中，常常需要利用齿轮来完成设计的某项功能。但是在实际设计的过程中，齿轮之间常会出现一定的干涉的问题。为了解决齿轮的干涉问题，研究人员就需要进行抗干涉齿轮集机构的编码设置，从而保证由多个齿轮的鉴别齿组成的齿轮集机构具有一定的抗干扰性，进而实现整个设计的功能。所以，抗干涉齿轮集机构是一种用于引信保险和解除保险控制的机构。而组合学在这方面的应用，可以进一步优化编码，从而使整个机构的组合更为科学和有效[1]。
在完成机构结构和动作设计时，可以利用组合学中的“二维迷宫映射法”来进行编码设计结果的校验。这个思想其实就是采用迷宫映射的方式，将编码问题转换成映射图的k-顶点着色问题。而在这之前，验证者要进行迷宫映射图的“路格点”和“阱格点”概念的设置，并以“关键陷阱格点”和“十字叉”为判据。这样，验证者就能将编码问题转化成无向简单图。但是，采用该种方法进行编码设计结果验算时，密码齿轮层数越多，该种方法解答的复杂度也将越高。比如接受验证的抗干涉齿轮集机构的密码齿轮如果有3层，那么其相应的求解复杂度也将高达3n，而n的大小则取决于解锁密码的字长[2]。而在进行抗干涉齿轮集机构编码的顶点着色问题解答时，则需要利用组合学中的贪婪法来进行解决。而在实际设计的过程中，利用 Visual Basic 软件进行抗干涉齿轮集机构的编码及校验程序的编写，就是贪婪法应用的体现。在这个软件中，只要输入解锁符号序列，就可以自动生成二维迷宫映射图，并求解出回执密码齿轮编码的示意图。而验证序列是否与密码匹配的结果，则将会以文本文档的形式输出。实际上，随着科学技术的发展，现在的软件往往会带有编码模块和校验模块，而这些模块往往是在组合学的理论基础之上建立的。这些模块中不仅包含着大量的组合学算法，还可以实现机械电子工程设计程序的编码。在编码模块中，只要输入解锁符号序列，就可以生成关键路格点和关键陷阱格点，从而进行迷宫图的设计。而这些迷宫设计图是在满足误码立即解锁的基础上建立的，从而保证编码的准确性。但是需要注意的是，不同密码齿轮层的关键陷阱格点是采用不同的颜色来表示的。而校验模块则会自动执行密码齿轮的鉴别齿轮的编码校验运算，并以文档形式保存。总之，组合学在齿轮抗干涉设计方面的应用，在机械电子工程设计中已经取得了一定的发展。
2.在传感器设计方面的应用
在机械电子工程设计中，传感器的使用较为普遍。而在传感器的网络节点分布设计方面，组合学的应用起到了较大的作用。比如在进行相同区域的多个传感器分布位置设置时，各个传感器都会有一定的感应范围，从而形成一定的传感器网络。而只有在保证每个传感器被覆盖的面积最小情况下，才能使该区域的传感器起到最大的作用。所以，在进行传感器网络节点分布设计时，各个传感器可以被看作是组成系统的各个模块，而这些模块必须很好的组合起来，才能发挥出整个系统的功能，而这就涉及到了组合学的应用。因此，在进行这部分内容设计时，可以采用组合学中的1-色等圆覆盖问题来进行问题的解决。具体来说，就是将这个系统中某个传感器模块当做是节点，而节点模块则与微控制模块一样属于分立器件。在进行其他传感器模块位置设置时，要以该节点区域的k-色等圆覆盖问题研究[3]。而通过研究任意一点被多少个传感器覆盖的数据之后，就可以得出传感器模块分布的最好位置，从而进行传感器网络节点的分布设计。但是需要注意的是，在进行机械电子的传感器设计时，使用的传感器种类往往不同，而这就导致了每个传感器覆盖面积的不同。此时，就应该利用组合学中的k-不等圆覆盖问题进行2维覆盖面积的研究，从而进行传感器网络节点的分布设计。所以，机械电子工程设计的传感器设计问题，其实就是应用了组合学的有效组合算法进行了传感器网络节点的设计，从而解决了较为复杂的传感器区域覆盖问题。
3.结论
总而言之，机械电子工程学科涉及的学科及内容较广，既包含了制造类的学科，也包含了动力学的学科。但是组合学是由强大的理论体系所构成的，可以应用于机械电子工程设计的多个环节，从而使机械电子工程设计拥有更为完善的理论体系。而随着人工智能的发展，机械电子工程设计将获得更大的发展空间，而组合学在机械电子工程设计中的应用，可以进一步促进机械电子工程的发展。因此，本文针对组合学在机械电子工程中的应用问题进行的研究，有利于促进这两种学科的共同发展。
参考文献：
[1]潘雍，傅明星，于晨.机械电子工程综述[J].机电工程，2014，05（31）：554-557.
【关键词】传感技术 教学内容 教学组织 实践教学
【基金项目】电子科技大学成都学院课堂教学内容改革项目“《传感器技术基础》课堂教学内容改革与研究”资助。
【中图分类号】G644 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2014）01-0226-02
传感技术的基本原理和应用已经成为现代科学技术人员必备的基础知识，是电子信息工程、测控技术与仪器、物联网等理工科专业必修或选修的课程。应用型本科院校，培养的是应用型复合人才，突出能力培养，这里的能力不仅包括自学能力、应用能力和实际动手能力，还应包括创新能力。当前，传感技术课程教学内容、实践教学都参照一般本科教学要求设立，因此需要对其进行教学改革，更好适应应用型本科院校的教学要求与培养目标。针对上述情况，对《传感技术基础》课程进行教学内容、教学组织安排、学科相关知识更新、以及实践教学环节进行研究探讨，这对于该课程的教学效果与该学科的长远发展都具有重要意义。
1.教学内容，变化多样
当前，传感器课程教学内容大多偏重于传感器本身的理论和设计，目标在培养研究型人才奠定知识基础。针对应用型本科院校，学生培养目标的定位是应用型、技术型人才。因此，着眼于传感器的理论研究和设计的教学内容不适用于应用型本科院校人才培养目标的要求。此类教学内容的安排会让学生感觉枯燥无味，大大降低教学效果。
传感技术基础课程的主要内容以各式各样传感器的知识点构架而成，加上新技术的发展，适应各种参数测量的传感器种类也在不断推陈出新，这就要求传感器教学内容发生相应的变化。而且，不同专业如电子信息工程、测控技术及仪器、自动化、物联网专业将来所面临的行业不同，检测各种参数的传感器种类也千差万别，现行的状况是所有专业采用同一教材、同一教学大纲，课堂教学内容单一化，缺乏目标性与侧重点。这类“一视同仁”教学内容设计，将会影响学生的竞争力。
2.教学组织，科学有效
传统的传感技术课程教学内容有的是单纯按传感器的原理分类进行组织安排，有的则是单纯按被测非电量分类进行组织。实际上单纯采用哪一种组织方法都各有优缺点。将这两种方法结合起来，先介绍传感器的工作原理，后介绍常见非电量电测法，使两种讲法优势互补、相得益彰。这样编排既便于学生理解传感器的工作原理，又便于了解各类非电量电测法本身的基本理论和多种测量方法[1-2]。
教师在讲授传感器工作原理时采用多媒体课件与板书相结合形式。课件把传感器的转换机理、信号处理电路等以动画形式形象直观的呈现出来，使学生易于接受，提高学生的学习兴趣，调动学生主动性。适当的板书，可以将传感器的原理与实质得到进一步的提炼，有利于学生对知识点的掌握。
后期在介绍传感器的非电量电测法时，目的在于应用。如何利用传感器对自然界非电量进行电测量，这是讲授的难点。可以运用案例教学法大大缩短理论与实践的差距，提高学生解决实际问题的能力。由于学生没有接触过传感器，教师可以在课堂上播放一些演示短片如烟雾报警器、温湿度控制器等，先由这些生活中的具体案例引起学生的学习兴趣，进而更进一步讲到测量方法。所以讲完每种传感器基本知识后要通过具体案例讲授来介绍应用情况。
讲授完大纲要求的基本内容以外，适当扩充新的内容，使学生能够及时了解当前传感器的发展方向，掌握传感器的发展动态，激发学生的学习兴趣。根据不同专业，介绍新型传感器，如纳米碳管气敏传感器和葡萄糖生物传感器等[3]。
3.实践教学，关注创新
实践教学是培养创新精神和提高创新能力的重要途径，需要加强实验室建设，彻底改造原有的实验内容，积极开发综合设计实验及课程设计，目的在于通过实践教学，培养学生应用各种不同的传感器去解决不同的实际应用问题以及将实际问题抽象为理论问题的能力。
为了注重增强课程的应用性，按照基本性实验、综合性实验以及设计性实验开展实践教学，培养学生理论联系实际、综合技术应用、创新意识和能力。综合设计性实验与传统验证性实验的最大不同在于：实验只提出目标和要求，没有详细的实验步骤、实验电路图，学生根据个人情况自主选择难度等级不同的实验，根据系统的性能要求，独立完成系统设计、系统搭建和调试，写出实验报告。所以，这些都极大地调动了学生学习的主动性和积极性，巩固了课程理论，激发了学习热情，培养了学生动手能力和独立思考的能力，使其观察、分析、解决问题的能力都得到了很大的提高[4]。
同时，为了加强学生理论联系实际的能力，在教学过程中还增加了课程设计这一教学环节。通过课程设计，使学生了解到了传感器在具体实际系统中的应用。这些不仅拓宽了学生的知识面， 而且还加深了学生对《传感技术基础》这门课的基本概念、分析方法及设计方法的理解。
4.结束语
教学相长，教学改革是一项永无止境的系统工程，它既促进了教师的教学、科研水平，而教师的科研成果又充实了课程内容，从而提高了讲课内容的知识性和趣味性，更加促进了教学。要切实提高《传感技术基础》的教学效果，不仅要从教学内容、教学组织等方面进行改革，还应加强师资培养、教材建设、实践教学条件等环节的建设。针对应用型本科院校学生培养，在今后教学过程中不断探索新思路、新方法，以期培养出更多、更好的创新型、应用型人才。
参考文献：
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关键词： 高职《传感器原理》 教学实践 教学改革
1.引言
我国的高等职业教育起步于上世纪80年代初期，90年代末期得到迅速发展。其区别于普通高等教育的比较流行的说法是，以职业岗位（或岗位群）的应职应岗能力为目标制订教学计划，并实施教学；且有别于普通高校重视理论教学，而更重视实践技术或技能培训，是以培养技术应用型专门人才为目标的，其培养模式以能力为中心。高职高专传感器原理课程是一门实践性很强的应用技术专业学科。各种传感器及传感技术，是人们正确获取各种信息，解决工程、生产及科研中遇到的各种具体问题的手段，该课程是应用电子、工业自动化、机电一体化、计算机应用等专业的专业课，教学方式有理论教学和实践教学（实验、课程设计）。如何分配两者的教学时数，将理论教学与实践教学有机结合起来，是提高教学质量的关键。
2.加强师资队伍建设，提高教师的实践教学能力
有位学者说：“教师要向学生释放知识的能量，首先自己要有丰富的宝藏；要撒布阳光到人心里，自己心中必须先有一轮太阳。”高职课程教育的特点，要求专业教师既有教学能力，又有该专业的实际工作经验。由于目前很多高职都是由原来的职业高中、中专、技校合并升格而成的，造成大多学校基础课老师多，专业课老师少，尤其是“双师型”教师奇缺，解决这个问题的主要途径有：一是从企事业单位选调符合要求的人员到学校任教；二是聘请“双师型”教师兼职教师；三是选派部分专职教师分批到企业生产一线锻炼或到条件好的实训基地进修；四是在高职教学的改革与实践中，注意培养和造就一批“双师型”、创新型、高素质的优秀教师。基于现今高职的情况，我认为采取后两种途径较为实际。并且通过我校的实践得到很好的体现。
3.加强课程建设，优化理论教学
《传感器原理》是一门理论性和实践性都很强的综合性课程，本课程系统地阐述了传感器的基本原理及有关信号测量电路，内容丰富、新颖，既有应用广泛的结构性传感器，又有正在发展的物性传感器和光导纤维传感器等。学生通过本课程的学习，可以获得比较全面而系统的传感器知识，为以后的工作打下坚实的基础。为了上好一门课，根据高职教学目标，首先要选好教材。近年来随着高等职业教育的进一步发展，适合高职教学的教材得到飞速发展，根据多年的教学实践，我们选择梁森等主编的《自动检测与转换技术》。兴趣是最好的老师。因此我非常重视每一堂课从内容到形式的设计，往往先选择合适的传感器实物导入，首先把该类传感器的工作原理介绍清楚，而后针对实物进行结构介绍，由同学们来完成对传感器实物的原理的叙述，最后作总结、补充。任何教材的编写因为要照顾到各个层面，其内容注重全而精。高职培养目标主要是为本省和当地的经济建设服务，所以要求我们围绕这一培养目标，要有所侧重。浙江省是自动化、仪表制作大省，而本地汽车、摩托车仪表生产企业较多，汽车、摩托车仪表中所用传感器为磁电、光电、霍尔传感器、流量、电容等。根据这个特点，在教学的安排上加强这方面所用到传感器的介绍，如磁电、光电、霍尔传感器，甚至加强磁、光物理知识的介绍，达到学生的理解和学习。
4.实践性教学形式多样，方法灵活
4.1实验室仪器的教学
实验是《传感器原理》的基础，也是实践性教学最常用的形式。在整个教学过程中其具有举足轻重的作用。其实验内容应是综合性和设计性的，首先通过综合性实验了解各种传感器的工作原理和特性，掌握各种传感器的参数的测试方法，加深对课本理论知识的理解；其次通过设计性实验达到电路方案的分析比较、设计计算、元件选择、安装调试等环节，初步掌握简单传感器电路的分析方法和工程设计方法。从元器件选择、安装调试等环节考虑，我们选择光电传感器实验为设计性实验内容，通过实验让学生掌握常用的光电器件及其基本的应用电路的设计和工作原理。
4.2参观教学与生产实践
根据当地企业生产传感器的情况，在学习完某类传感器的工作原理后，选择一次参观教学很有必要，参观教学也是一种学习，通过参观进一步了解传感器的工作原理和在实践中的应用，同时通过参观学习，既了解传感器的生产工艺和过程，安装调试的感性知识，又提高同学们学习传感器的兴趣。条件允许的话，还可让同学亲手安装调试，体验生产实践的操作过程。
4.3课程设计
为了更好地突出课程的应用性特点， 我们安排一周时间进行课程设计的教学内容，它是综合利用所学传感器知识完成一个传感器应用系统设计并在实验室实现。
其主要目标：
4.3.1通过解决一两个实际问题，巩固和加深对常用传感器的结构、原理、特性的认识和基本知识的理解，提高综合运用课程所学知识的能力。
4.3.2培养根据课题需要选学参考书籍，查阅手册、图表和文献资料的自学能力。通过独立思考，深入钻研有关问题，学会自己分析解决问题的方法。
4.3.3通过实际电路方案的分析比较、设计计算、元件选择、安装调试等环节，初步掌握简单传感器电路的分析方法和工程设计方法。
4.3.4掌握常用仪器设备的正确使用方法，学会简单传感器控制电路的实验调试和整机指标测试方法，提高动手能力。能在教师的指导下，完成课题任务。
4.3.5了解与课题有关的电子线路及元器件工程规范，按课程设计任务书的要求编写设计说明书，正确反映设计和实验成果，正确绘制电路图等。
4.3.6培养严肃认真的工作作风和科学态度。通过课程设计实践，逐步建立正确的生产观点、经济观点和全局观点，获得初步的应用经验，为以后从事生产和科研工作打下一定的基础。其成绩评定按以下标准执行：理论设计方案，演示所设计的系统，总成绩40%；设计报告，占总成绩20%；回答教师所提出的问题，占总成绩的30%；考勤情况，占总成绩的10%；考核成绩分为优、良、中、及格和不及格。
5.改革现行考核办法，树立全面考试观
考试是教育效果测量的主要形式，也是教学达标的重要环节。同时其结果对教师的组织教学工作起重要的作用。
5.1在考试考核方法选择方面
常规的考试方法是教师出题或建立试题库，采用闭卷形式，而且所考的内容往往是记忆的理论知识点，学生只要死记硬背住，就能获得较高的分数。造成同学平时学习不用功，考前临时抱佛脚，其结果使得很多高职高专学生学习兴趣不高，学习枯燥乏味。针对传感器原理课程是一门应用型课程，其考核也应体现这一特点。我们采用其一，开卷笔试（期中考试、期末考试），其考核内容为分析一些含传感器的实际应用电路，要求分析其工作原理；或采用学过传感器原理画出设置图，画出设计应用电路原理框图，简要说明检测、控制系统的工作原理。其二，采取论文、设计、调研报告与答辩相结合等方法实现对学生的考核（没有课程设计）。
5.2学生课程成绩的评判
根据以上的考核办法，成绩的组成也应充分体现考核方法的多样化，并合理分配各考核方法所占比例，组成传感器原理课程的最后成绩如下表。
注：对于已安排课程设计的，论文、调研报告可以实验操作形式考核定成绩。
6.结语
经过对2008、2009、2010届高职学生《传感器原理》课程的教学实践，可以看到学生对学习该课程的兴趣提高了，课堂教学不再是枯燥乏味的，教与学的互动性提高了，而且学生毕业设计的大多选有关传感器内容的，更重要的是毕业生毕业后能较快适应角色，受到用人单位的好评。
参考文献：
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[3][日]高桥.清编， 颜生先，石永富译.传感器技术入门 . 北京，国防工业出版社，1985.
【关键词】TinyOS；传感器网络节点；msp430；无线数传电台
Design of WSN Node on TinyOS Platform
Li Yuan-chao Gao Xiao-ding
（College of mechanical and electrical，Xi’an Polytechnic University，Xi’an 710048，China）
Abstract：The general rules and methods of building wireless sensor network（WSN）node are analyzed from aspects of hardware and software.The wireless sensor network has been built with the msp430 MCU and wireless digital radio.And the software of wireless sensor network has been developed on the tinyOS which is developed by the California Berkeley College for WSN field.
Keywords：TinyOS；WSN node；msp430；wireless digital radio
1.引言
无线传感器网络（WSN）是传感器和无线通讯以及电子等技术的结合，起初是用于解决因监测区域范围过大、监测节点过多或者环境太恶劣等的地方。随着该技术的发展，现今其已被应用于很多领域，不论是在环境的监测和保护方面，还在精细农业、医疗护理，甚至在军事领域以及目标方面都有很大的应用。如图1所示为以无线数传电台为传输媒介的传感器网络组成形式：监测区域内的大量传感器节点对监测区域内的环境参数进行监测，通过无线数传电台传送至汇聚节点，最后汇聚节点通过数据线传输到数据处理中心（计算机）进行数据的处理，其中传感器节点是无线传感器网络的关键部分。本文设计的传感器节点是在msp430控制芯片上移植TinyOS操作系统来实现数据采集、处理和传输。
2.无线传感器节点结构设计
无线传感器节点包括固定节点（锚点）和移动节点。固定节点便是位置固定的节点，其在整个无线传感器网络中的作用十分重要，移动节点或者其他新增节点可以通过固定节点对自己进行定位，而起移动节点的信息传递也要借助于固定的转发。根据监测对象的运动状态，整个网络中的节点可以都是固定节点，也可以是移动节点。
本文所设计的无线传感器网络系统是对某个地区的温湿度进行监测，所有节点都设计为固定节点；每个无线传感器节点的组成结构如图2所示。
3.无线传感器节点硬件设计
该传感器节点的硬件部分由msp430单片机模块、温湿度传感器模块、无线通信模块、电源模块和RS232通讯模块等组成，其中RS232模块是主节点独有的，它主要是用于主节点与PC通讯用的。
单片机模块主要是对采集的信息的处理。设计采用的TI的msp430f169芯片，该芯片是16位自带AD转换的低功耗芯片，选用该芯片简化了电路，也一定程度上减少了能耗，延长了该节点数据采集时间。msp430f169单片机的最小系统如图3所示。
本设计选择数字温度传感器，传感器将检测的信息直接送到单片机的IO口，由单片机处理后进行上传。其电路连接情况如图4所示。
本设计采用双电源供电模式：单片机模块由三块1.2v的干电池供电，这样就能保证msp430和温湿度传感器都在正常工作电压以内。无线数传模块单独供电，因为无线传输非常消耗电量。
4.无线传感器节点软件设计
节点的软件设计设计实际上就是对TinyOS系统的修改和移植。TinyOS采用了组件的结构，它是一个基于事件的系统.其设计的主要目标是代码量小、耗能少、并发性高、鲁棒性好，可以适应不同的应用.完整的系统由一个调度器和一些组件组成，应用程序与组件一起编译成系统.组件由下到上可分为硬件抽象组件、综合硬件组件和高层软件组件，高层组件向底层组件发出命令，底层组件向高层组件报告事件.调度器具有两层结构，第一层维护着命令和事件，它主要是在硬件中断发生时对组件的状态进行处理；第二层维护着任务（负责各种计算），只有当组件状态维护工作完成后，任务才能被调度.TinyOS的组件层次结构就如同一个网络协议栈，底层的组件负责接收和发送最原始的数据位，而高层的组件对这些位数据进行编码、解码，更高层的组件则负责数据打包、路由和传输数据.TinyOS体系结构如图5所示。
TinyOS无法直接在windows上进行裁剪和修改，本设计使用的方法是在windows上安装一个类linux系统的cygwin系统，并以此为平台安装TinyOS、nesC编辑器以及msp430 tools。通过这种方法解决了系统平台的搭建。
TinyOS的层次化思想就是把把组成系统的所有构件按照某种标准划分成层次，以分层的形式来组织系统。上层对下层通过构件接口进行命令调用，下层对上层通过构件接口进行事件通知。从上到下划分成应用层、管理层、硬件抽象层。
本节点的设计主要对通讯类模块、传感类模块和控制类模块进行编程，其他的一些则是根据需要对TinyOS系统进行裁剪。
5.结束语
本论文对无线传感网络节点的相关知识进行了简单介绍，提出了一套完整的以msp430f169控制器和无线数传电台为基础构建无线传感网络节点硬件平台的方案，构建了一个全新的无线传器网络硬件平台。对当前无线传感器网络领域流行的嵌入式系统TinyOS请进了概括的分析，并在新搭建的硬件平台上以TinyOS为基础设计了各硬件的驱动。系统设计完成后，通过10个该节点组成的无线网络对10个房间的温湿度变化进行了监测，其结果与实际温湿度变化相同，验证了整个节点软硬件系统的准据和可靠。
参考文献
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关键词：传感器应用技术课程；教学；实验电路设计；课程改革
中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）10-0148-03
高职高专的传感器与检测技术课程的教学通常安排在电子、机电等专业，通过研究相关的教材，发现大多数该课程教学内容的基本模式是：传感器原理介绍、传感器计算公式推导、传感器应用介绍几个步骤。有些教材上会多一些项目化教学方法，就会多出一个实训的环节[1]。这些实训环节当中采用了更多的成熟的传感器模块，学生的主要任务就是初步了解这些传感器模块或是前端的传感器敏感元件[2]。显然在这种教学方式下已经无法满足目前物联网已经成为主流技术的人才应用要求，这尤其体现在嵌入式/物联网这个行业，这种情况总结起来有几个主要的原因造成的：
1） 嵌入式与物联网行业的技术发展现状、要求传感器与检测技术课程的教学过程当中将教学重点放在传感器应用技术、传感器敏感元件组成的模块设计、传感器模块采集的数据到计算机之间的传递[3]。因为只有这样，才能将传感器技术作为应用技术直接提供到上位机，使得其能够作为物联网信息空间中的前端信息采集部分而使用。
2） 物联网的信息空间中的基本节点为计算元节点[4]，该节点作为信息空间中的终端节点构成了物联网前端网络组成的基础设施。需要看到的是异构型网络中的绝大多数计算元节点将是带有传感器的简单型网络，其基本通讯方式很多为传统的RS232、RS485通讯，因此传感器与检测技术课程教学当中已经不仅仅是单独的传感器部分，仍然需要引入通讯部分的介绍。
3） 目前的传感器与检测技术课程当中的开设专业对课程教学内容安排的影响很大。在机电类专业传感器课程当中，强调了对被测量的检测为目的的应用型传感器实践知识，这仅能体现在教材的改革上，尚无法体现在实际教学改革当中。在电子类专业传感器课程当中侧重于传感器原理、基本结构等内容的教学过程[5]。这种方式对于本科阶段学生而言是非常合适的，但是高等专科院校的学生难以接受理论为主的教学方式，况且这种教学方式对于以高职高专学生为培养对象的、获取技能为首要目标的教学任务没有起到推进作用。
4） 物联网行业的高速发展对传统行业造成了巨大冲击，原来的独立传感器功能已经无法满足物联网行业的需求，这种孤立点由于不具备通讯能力，故此无法作为信息采集前端加入到物联网的传感网络当中[6]。因此，在传感器与检测技术教学过程当中，从教材改革到课程改革都要求加入通讯部分与计算机部分的内容，作为其为物联网前端信息传感网络的能力而扩充。
5） 在高职高专计算机的嵌入式系统工程专业与物联网应用技术专业的传感器与检测技术课程的教学当中，传统的教学模式与教学方法都难以应用。隶属于电子工程专业的传感器与检测技术课程教学内容深度较大、技术孤立性强应用困难；而机电类专业的传感器与检测技术强调了独立传感器模块的应用，面向被测量的教学方式对于在计算机专业而言如果也采用类似做法，显然对于计算机专业的高职高专学生无法接受。
6） 在目前的课程实践教学当中，实际教学用具相当缺乏，很多技术较为先进的学校采用了软件仿真的方式进行传感器课程的教学工作。但是传感器模块是孤立的模块，最终需要一个相对比较大的硬件系统，作为对该课程中每个独立模块进行支持的载体[7]。
综上所述，在现在的高职高专计算机专业的传感器与检测技术课程开设过程当中，选择偏向计算机方向的教学方式与手段就是必要的。其中尤其是配套实验电路的设计与实现也成了一个需要重点关注的问题。针对此问题，本文就设计与实现了一套针对计算机方向的嵌入式与物联网专业的教学实验电路。
1总体架构设计
考虑到专科院校目前学生的总体层次，如果考虑了过于复杂的内容将会导致学生无所适从，如果太过简单学生又无法获取实际知识。这里需要考虑的两个典型的问题：第一个问题就是不能过于理论，但是也不能完全没有理论支持；第二个问题是实践不能过于复杂，但是又要兼顾到一定的实用性。综合这些因素，我们大致对实践电路系统的设计规划为：将传感器模块、自动控制技术、简单计算机通讯技术联合起来，设计与实现一个相对实用、相对简单的计算机干预测控系统。同时，考虑到该系统应当具有一定的实际应用功能，则我们设计了一个计算机干预室温自控系统，其大致的架构设计如下图示：
图1示意了一个室内恒温自动控制系统，照明系统当监控到室内有人的时候开启，当离开的时候关闭。室内恒温系统则利用温度传感器控制温度发生装置将温度恒定在一定范围之内。并且该系统的全部情况可以向计算机反馈，包含温度、是否有人、是否开启温度系统、是否开启照明系统等功能，计算机也可以实时通过远程调整温度范围的设定值。该系统的基本功能描述为：计算机能够随时干预该系统的开启工作状态、停止系统的工作状态、在系统的运行过程当中对系统的某些参数进行调节。
2模块设计与实现
依据总体架构的设计，下面逐个实现上述系统中的硬件部分。
1） 光电传感器模块
光电传感器模块的原理图设计如下图示：
这里这个模块的设计事实上并无必要，但是可以作为学生初步入门掌握的第一个模块，尤其是掌握DXP软件电路设计，并初步进行焊接与调试工作。
2） 继电器模块
继电器模块的原理图设计如下图示：
3） 温度传感器模块
温度传感器模块的原理图设计如图4示：
4） 通讯模块
通讯模块的原理图设计如下图示：
3算法设计
在考虑算法设计的时候，首先考虑前面提到的进程之间的通讯与互斥的问题。这里通讯是指进程之间的通讯，另外一个就是进程互斥的问题。那么这两个进程显然就是互斥的关系。下图就通过系统的应用功能行为来说明这些问题。
在图6中有两部分任务需要完成，左边部分为工作状态需要完成的任务，右边是非工作状态需要完成的任务。基于上述分析，给出参考算法如下：
算法1.1 主流程算法
算法：单片机端主流程
S1：系统初始化
S2：在无限循环中做如下事件
S2.1如果上位机有命令发来
若为启动工作过程命令
{
启动工作过程；
}
否则关闭工作过程；
S2.2如果数据收集完成
{
向上位机系统传递测到的系统状态数据 }
}
另外一个要点就是获取计算机发送过来的命令，参考第九章的方法即可，这里直接给出算法描述：
算法：单片机使用中断接收上位机一串符号的算法
输入：上位机发来的一个字节
输出：合法的字符串
S1：清除发送标志
S2：判断当前字符是否为包头
如果是包头，清缓冲准备从缓冲区起点开始存放数据
S3：如果当前是最后一个字节位置，则判断当前读入的字符是不是包尾
如果是则通知主函数可以读命令了
S4：存放该字节数据到当前缓冲位置
S5：缓冲区存放位置下移一个字节
S6：调节缓冲位置边界
算法1.2 接收计算机接命令与分析算法
3系统验证
硬件系统的设计思想基于模块化设计方法，只需要考虑如何实现图1的设计目标即可。在图1中，只需要明确考虑几个接口部分的连接方式、并采用确定的连接来练好这些接口线路即可，确定需要连接的几个部分如下：
1） 计算机与通讯模块的连接方式。
2） 单片机板与通讯模块的连接方式。
3） 单片机板与继电器模块的连接方式。
4） 单片机板与光电传感器模块的连接方式。
5） 单片机板与温度传感器模块的连接方式。
6） 继电器模块与外部受控的市电电路部分的连接方式。
7）继电器模块与外部受控的温度调节电路部分的连接方式。
下面就这几个方面的连接进行实际连接，并最终在实际线路连接完成之后，采用一定的方式进行简要测试，以确定这些线路连接均无问题。
连接好硬件之后需要对硬件进行测试工作，下面我们就列出这些步骤进行硬件测试工作：
第一步：连接好硬件核心板与硬件模块
第二步：新建一个工程，并编写代码
第三步：编译软件并生成hex文件
第四步：下载hex文件到核心板
第五步：观察模块的基本行为是否正确，若不正确则从第一步开始查找问题，并重复上述步骤。最终的实物硬件连接示意图如图：
4总结与展望
本文讨论了高等职业院校计算机方向中的嵌入式与物联网专业当中的实验硬件电路的设计与实现问题，在设计与实现该系统当中避开了电子、机电类专业中该课程实践的孤立性模块的缺点，引入了现代物联网技术当中的设计方式，并讨论了软件设计与实现的基本算法，与通讯部分的数据接收算法，在最后还对系统的可用性进行了技术验证工作。当然，该基本系统对于课程教学而言内容仍显不足，在后续的研究中应当考虑添加更多的传感器模块种类到这种设计思想当中。
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关键词：传感器;教学改革;实践创新能力
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）42-0112-02
“传感器与检测技术”课程是电气工程及其自动化的专业性很强的课，课程本身与实际联系很紧密[1]。传感器技术是以检测原理、材料科学、工艺加工为基础的一门综合性技术[2]。现在工业技术能够实现现代化，关键技术就是检测。检测技术能够为现代工业提供精确的数据，“传感器与检测技术”实际应用范围很广，结合实践教学创新能力培养的目标，针对本专业学生的特点，探讨该课程教学改革问题。
一、研究现状
近年来，随着社会的发展，对于创新性人才、实践性人才的需求越来越迫切。这就要求高校在培养人才时增加学生的实践性、创新性。培养学生的能力是素质教育的主要内涵之一，这里的能力当然包括实践能力[3]。传感器与检测技术作为实用性课程，需要增加学生的实践环节。这在很多高校已经开始进行改革，并且取得了一些效果。目前传感器与检测技术还是以理论教学为主，验证性实验为辅，学时上比较偏少。学生的学习积极性一般。缺乏实践项目或者实践课程来调动学生的学习积极性，提高学生的学习效率。学生只是为了考试成绩而学习，为了学分而学习。不是为了提高自己的能力而去学习。缺乏工程应用能力与创新能力。教学效果与教学目标存在较大差距。
二、教学中存在的问题
传感器与检测技术作为当代控制系统设计的“感觉器官”，有很广的应用前途。该课程具有实战性较强的特点。如何使学生真正掌握检测技术和传感器的应用，是课程教学必须解决的问题。关键问题的解决就是对传感器与检测技术的全面教学改革。通过优化教学内容，改变传统的教学手段，通过实践教学应用，考试考核方法改革，让学生熟练各种传感器，掌握各种检测技术，并且能够熟练地应用到实际工程中。与具体的工程实践项目结合起来，提高学生应用能力、实践能力和创新能力，从而培养出适用于工程应用的人才。从现在的教学方式以及学生的实践能力培养方面来看，传感器与检测技术存在这几个问题。
1.采用大班授课的方式，教师将传感器与检测技术的应用方法满堂灌的方式传授给学生，学生只能是形象地去理解，不能学以致用，没有实际应用场合进行锻炼，学生的实际动手能力很难有所提高。
2.课程的内容多而杂，教学学时少，除了理论课，实验课的学时就更少，学生缺乏实际锻炼的机会。参加一些控制相关的竞赛类项目，学生就不能很好地应用传感器。
3.学生缺少实际应用传感器与检测技术的场合，不能够将理论应用与实际。所有的知识就停留在课本的教学里。缺少实际工程的锻炼机会。
4.由于学时的限制，学生对于传感器实物的认知也是很有限。在课堂上讲得再多的内容，在实际应用中，拿到一个实物器件，学生还是很陌生。特别是与单片机之类的相关课程结合应用时，学生基本是无处下手。
三、教学方法的提出
本文主要针对目前高校传感器与检测技术教学中存在的问题，积极探讨先进、有效的课程组织实施模式及实践环节的改革方法，进行理论方法探讨与改革实践。实现学生传感器与检测技术应用实践能力与创新能力的显著提升，符合人才市场的需求，可显著提升本专业学生的专业技术综合能力和就业竞争力指数。结合应用型高校电气类专业传感器与检测技术课程教学提出有建设性的研究思路和改革措施，将对该领域的研究成果进行补充和完善。针对这些问题本文提出以下几个解决方法：
1.教学理念更新。教学过程中注意教学与实践相结合，不仅讲授理论知识，而且将实物带到课堂上，让学生能够近距离地接触到传感器。通过多媒体授课，不仅传授理论知识，也将各种新型的传感器的图片投入到大屏幕上，让学生有个感性的认识，通过动画，学生可以看到实际生产中，传感器是怎么样使用的。并且将一些实际工程中与课程相关的通过多媒体直接展示给学生。增加学生的学习兴趣，提高学习效率。
2.整合教学资源。本课程教学学时少，实验学时少。为了解决此问题，可以将单片机课设、开放实验结合到一起。单片机原理及应用课程设计是学生重要的实践教学课程，要求学生以单片机为主芯片实现各种控制和检测方面的实际设计。很多设计的题目都应用传感器，控制及检测更不能离开传感器，正好可以拓展学生的实践能力、传感器的应用能力。
3.结合电子设计大赛、挑战杯等各种竞赛实现传感器的各种应用。引导学生积极参与电子设计大赛、挑战杯等竞赛、创新实验等，在设计中理解、认识各种传感器，可以很灵活地运用各种传感器，培养学生的实践能力、创新能力、设计能力、为将来的工作打下良好的设计基础。
四、教学方式的实施
通过查阅文献材料和对应用型本科院校实际调研，了解传感器与检测技术课程的教学现状，分析提高课程的教学质量的各种途径，吸取兄弟院校的优秀经验，进行教学内容的改革，实验内容的更新，重新架构优化教学内容。以多手段、多层次、多方面提高学生的实践能力、创新能力[4]。在实践教学中，不仅从本课程的实验教学出发，也可以从与之相联系的课程的实践教学出发，增加学生的实践机会，提高学生的实践能力。通过各种电子设计竞赛，挑战杯竞赛等让学生能够将传感器应用起来，使之成为培养学生的工具，而不是课程负担。
通过本专业的学生为实验点，进行实践教学，通过实际的过程及结果对本理论进行理论验证和研究分析。通过对教学实践具体改革措施进行归纳与分析，使之系统化、理论化，上升为教学经验成果。
1.文献研究法。根据课题研究目标及传感器与检测技术应用能力提高的关键问题，查找文献资料，全面掌握传感器与检测技术课程教学研究现状及思路。
2.实际调研法。采取深入与本课程相关的企业，实地考察调研的方法，调研实际应用案例，引进目前公司先进的检测设备工具应用于教学实践。
3.经验总结法。开展教育教学方法的各种研讨，包括课程内容、教学模式，教学手段、实验及设计题目等内容，总结最新的教学改革措施;对教学实践具体改革措施进行归纳与分析，使之系统化、理论化，上升为教学经验成果。
4.实践试点验证法。采取本专业学生进行试点实践和理论评估与分析，根据教学的结果及成果，总结理论成果和实践经验，发表教学研究论文。
五、结论
通过连续的课程教学实践，对于学生的创新能力的培养有了很大的提高。这主要体现在下面几个方面。首先，在大学生的电子设计大赛中，学生获得省级的奖项有明显的提高。其次就是大学生创新创业大赛取得了好名次，去年获得部级奖项一项。再次在获得创新学分方面有很多新的思路。毕业的学生，很多都是获得和传感器相关的创新学分。
除了学生创新能力提高之外，教师本身也获得很多收益：
1.通过对一些相应的高校和本课程相关的专业进行调研，从实践教学和创新能力的培养上，找出本课程在各高校中存在的共同问题。吸取先进的经验，找出自己的不足，形成研究成果。
2.通过对传感器与检测技术课程本身进行改革，包括教学内容、教学方法、教学手段、实践应用等方面。形成一套能够将传感器的理论与实践相结合的教学体系。增加学生的学习积极性，同时提高学生的学习能力，增强学生的实践工程能力。
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The Teaching Reform of the Sensor and Detection Technique Course under the Practice Teaching Innovation Ability Training Mode
JIANG Pi-jie，REN Guo-chen，ZHENG Chun-jiao
（Liaoning University of Technology Institute of electrical engineering，Jinzhou，Liaoning 121001，China）
关键词： 电涡流传感器； 探头； 测量电路； 非接触测量
中图分类号： TN911?34； TP216 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2013）08?0140?03
0 引 言
电涡流位移传感器长期工作可靠性好、灵敏度高、抗干扰能力强、非接触测量、响应速度快、不受油水等介质的影响，常被用于对大型旋转机械的轴位移、轴振动、轴转速等参数进行长期实时监测。其可以分析出设备的工作状况和故障原因，有效地对设备进行保护及进行预测性维修。从转子动力学、轴承学的理论上分析，大型旋转机械的运行状态主要取决于其核心——转轴，而电涡流位移传感器能直接测量转轴的各种运行状态，测量结果可靠、可信。本文主要针对电涡流传感器对金属的探测距离小，而在某些场合可能需要远距离金属探测的这种情况。本文设计了一种新型非接触宽线性范围的电涡流传感器，能提高电涡流传感器的灵敏度和检测距离。
1 电涡流传感器测距原理
图1所示为电涡流测距原理图。在图1中，当传感器头部线圈充有电流I时，在头部线圈中心附近就会产生磁场H1。由电磁场理论可知，当磁场H1附近没有金属或远离金属时，则发射的磁场能量就会释放；反之，则金属的表面将会在H1中感应产生涡流电场，该电场同样也会产生交变磁场H2，方向与H1相反。在H2的驱动下，传感器头部线圈电流I的幅度大小和相位就会不断变化改变，即线圈的有效阻抗会发生变化。这种变化的大小与传感器头部线圈到金属导体的距离等参数有关[1?3]。
在实际设计中，线圈密封于探头中，线圈阻抗的变化通过如图2所示的电子线路将其转换成一定量的电流或电压输出。晶体管T与电容[C1]，[C2]和探头线圈[L]构成电容三点式振荡器，振荡器的输出的电压幅度[Ux]与线圈阻抗成比例，因此改变被测金属与探头间距[d]，振荡器输出的振荡幅度[Ux]就会与探测间距[d]成近似成比例变化。[Ux]经检波、滤波、放大和非线性校正后输出电压 [1?3][Uo]。
2 电涡流传感器设计
2.1 探头的设计
对电涡流传感器而言，探头的设计比较关键。探头典型结构见图3所示，由头部（头部内嵌入线圈）、壳体、高频电缆、高频接头组成。头部直径取决于其内部线圈直径，线圈的直径决定传感器系统的基本性能—线性量程。
线圈是探头的核心，它的线圈的物理尺寸和电气参数设计对整个传感器系统的敏感产生重要影响。传统的传感器线圈设计手工绕制多个，然后对多个线圈逐个反复测试，从而求得最佳的线圈尺寸参数。现在，可借助计算机利用辅助设计软件将探头设计所需参数输入，传感器的输出电压随探测间距[d]的变化就可以计算得出，这样大大缩短了设计时间[3?5]。
2.2 振荡、整流滤波、放大和电压/电流转换器电路设计
本文所设计的电涡流传感器振荡、整流滤波和放大电路如图4（a）所示。晶体管T1 、电容[C2]，[C3]、探头线圈和运放A1A组成正反馈振荡电路，其谐振频率为[12πLC]。本文采用调幅法，当探头线圈远离被测金属时，[LC]并联谐振回路的谐振频率为[12πLC]，当探头线圈接近被测金属时，线圈的等效感抗发生变化，致使回路失谐而偏离谐振频率，振荡器输出的振荡幅度相应减小，使输出电压也减小，所以，输出电压与测量距离建立起函数关系，即[Uo=f（d）]。
图4（a）中，二极管D1和电容C4，R7，C5构成整流滤波电路。整流滤波的作用是将高频电压信号转换成直流电压。运算放大器A1B完成对前级输出的直流电压信号的放大和调零作用。
其中调零电路是为了保证测量为零时，输出电压也为零，以免产生输出误差。该电路需要6.8 V的直流基准电源，由图4（b）电路来完成。
图5是一个由运算放大器构成的电压/电流转换器，通过简单计算可得输出电流和输入电压之间的关系：[Io=Vo100×120300]，这样就实现了传感器的电流输出。
3 实验结果
在+24电源供电，负载为10 kΩ，被测试件材料为40CrMo，环境温度20 ℃的测试条件下，对所设计探头直径为25 mm和50 mm的电涡流传感器进行测量，所测结果如表1所示。
4 讨 论
4.1 被测体尺寸与材料的对测量的影响
在测量过程中，被测金属导体的磁导率[μ]、电导率[σ]、尺寸因子[r]介对测量也有影响，因此除了探头、前置器、延伸电缆决定传感器系统的性能外，被测体的性能参数也对整个传感器系统的性能产生影响，如被测体表面的直径大小对测量有影响。一般地，为使测量更准确，当被测体表面为平面时，被测面应为探头头部直径的1.5倍以上为宜；当被测体为圆轴时，被测轴径应为探头头部直径的3倍以上为宜。被测体的厚度对测量结果也会产生影响。因此如果被测体厚度不够使传感器的灵敏度就会下降，通常钢等导磁厚度大于0.1 mm以上，铜、铝等弱导磁材料厚度大于0.6 mm以上的则不会影响测量的灵敏度[6?8]。
4.2 不规则被测体表面对测量的影响
在振动测量中不规则被测体表面会给实际的测量值造成误差，这些不规则被测体表面包括表面存在洞眼、刻痕等缺陷。如果被测面表面粗糙度较高，可以现对被测面进行衍磨或抛光后再测量，这样准确度就会明显提高（一般表面粗糙度Ra不超过0.8～1.6 μm）。
5 结 语
实验结果可看出：所设计的电涡流位移传感器，测量位移线性范围宽。在探头直径为50 mm时，电涡流传感器的线性度在2～29.5 mm之间，在29.5～35 mm和0～2 mm中存在一定的非线性误差，如果在上位机软件中采用线性校正可以进一步提高测量范围。
参考文献
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关键词：CC2530；SIM900A；云服务器；桥梁稳定性
中图分类号：TP277.2 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2016）12-00-03
0 引 言
在桥梁工程领域，随着各类自然及人为灾害的增加，对桥梁稳定性监测和预警的要求也越来越高。目前，桥梁监测主要集中在桥面、桥墩等桥体的监测，而对于桥梁桥墩所在基质（基础地质条件）的监测却相对较少。基质是桥梁稳定的重要基础，当基质经过流水冲刷，地质条件发生变化时，桥墩的稳定性会随基质变化直接影响整个桥梁的稳定性。
本文设计了一个基于CC2530无线传感网络，利用GPRS通讯及云服务器的桥梁基质监测系统。实现了将监测所得的各桥墩基质高度数据上传至云服务器处理并预警的功能。
1 系统简介
系统设计包含物联网层、承载网络和应用层三个部分，其中物联网层将CC2530作为基础，设计监测基质高度的无线传感器，每个桥墩都安装一个传感器作为ZigBee无线网络的终端或中继设备。协调器与SIM900A通过串口进行数据通讯，控制SIM900A连接GPRS，通过GPRS网络发送数据至服务器或接收来自服务器的指令。系统基础结构如图1所示。
根据ZigBee网络的特点[1]，网络内使用短地址进行通讯，而重新组网后短地址可能会发生变化，系统设计使用CC2530的长地址（IEEE地址）作为区分唯一设备的ID，长地址为64位全球唯一识别码，不会更改。服务器数据库保存桥墩的长地址，每次终端注册时数据库更新长地址对应的短地址。物联网层与服务器通讯简图如图2所示。
系统设计一座桥只有一个协调器和GSM模块，即一座桥只有一个确定的IP地址和端口。如图2所示，系统要与某座桥的某个桥墩进行通讯的步骤为：查询桥墩绑定的长地址――查询长地址对应的IP、端口及短地址――往IP和端口发送包含短地址的数据――IP对应的GSM模块收到数据――发送到协调器――通过短地址发送到终端。如此，系统即可实现服务器与多座桥不同桥墩传感器之间的通讯。
2 系统硬件设计
2.1 基质监测传感器设计
由于桥梁桥墩基质测量的特殊性，没有现成的即方便又经济的传感器可以使用，论文以CC2530为核心芯片设计了一款综合测量和无线通讯传感器。传感器采用磁环+普通的霍尔传感器作为测量部分[2]，CC2530作为中控部分，磁环和塑料垫片相隔放置于一定长度的PVC管中，一个磁环和垫片的高度为5 mm，即测量的精度为5 mm。传感器样机如图3所示。
图中所示为横向放置，正常安装时为竖向安装，传感器底座和PVC管为一体，穿过CC2530电路板，两者之间可以相互移动，当有位移时，电路板上的霍尔传感器感应到变化则通知CC2530产生一次中断，每产生一次中断移动5 mm距离。传感器在桥墩上安装的示意图如图4所示。
由图4可知，无线传感器的CC2530部分与大钢管为一体，安装固定在桥墩上，底座、PVC管同小钢管固定，PVC管穿过CC2530的感应器，小钢管套入大钢管内，底座沉入水底与基质接触。当基质高度降低时，小钢管跟随降低，当降低高度达到分辨率5 mm时，CC2530产生一次中断，系统监测到高度变化后，传感器计算当前高度，将高度数据通过协调器发送到服务器。
2.2 协调器设计
协调器电路设计与常用CC2530电路设计类似，加入SIM900A模块，利用串口与协调器通讯。其样机如图5所示。
2.3 供电设计
考虑到设备都在户外运行，系统设计协调器和传感器都采用太阳能板+蓄电池的供电模式。
3 CC2530程序设计
根据系统功能，程序设计分为协调器程序和无线传感器程序两个部分。无线传感器可以作为终端或中继使用。
3.1 协调器程序设计
协调器主要用于数据处理，组建ZigBee网络，接收桥墩的监测数据并通过SIM900A发送到服务器，接收服务器的控制查询数据并将数据下发至终端或中继设备。程序主要分为组网、串口通讯、无线通讯三个模块。
在组网程序方面，协调器运行Z-Stack协议栈与终端或中继设备组网，该部分程序只需在Z-Stack协议栈[3]基础上稍做修改即可。
串口程序的设计主要使用AT指令与SIM900A模块进行通讯。通过程序设计，让CC2530根据AT指令模式发送和接收数据并判断命令类型，实现GPRS连接和数据传输。与服务器间的数据通讯通过UDP实现。
无线通讯程序主要接收处理桥墩终端上传的数据，包括注册、心跳、高度数据、报警等，将数据按照协议格式通过串口和GPRS发送至服务器。处理串口转换过来的相关指令并发送至桥墩终端。协调器端程序流程图如图6所示。
3.2 终端传感器程序设计
终端传感器的主要功能包括与协调器组网通讯，接收协调器指令进行查询、设置基质初始高度等，监测基质高度变化，并将变化后的高度数据发送至协调器。按照功能区分，将终端程序的设计分为组网程序、传感器程序和无线接收处理三个模块。传感器端程序流程如图7所示。
图7 传感器端程序流程
终端组网程序同样使用Z-Stack协议栈，在协议栈的基础上稍做修改，组网时读取短地址和长地址并发送到协调器。
传感器程序主要利用I/O口中断，每中断一次表明基质高度发生5 mm变化，程序根据初始设置高度值计算当前高度并上报至协调器，若短时间内高度变化过快则发送报警指令等。
无线数据处理模块主要处理来自协调器的指令，包括查询、设置高度等指令。程序接收到指令后，根据协议做相应的处理。此外，程序还设计了1分钟定时向服务器发送心跳的功能，以表明设备在网，方便服务器处理。
4 云服务器功能设计
云服务器是系统运行的核心部分，论文所用系统将阿里云的云服务器作为基础，设计数据库和应用，实现桥梁基质的实时监测。云服务器主要包含数据库设计，网络通讯设计和应用层设计三个模块。人机界面设计如图8所示。
数据库设计使用SQL Server2008进行数据管理，根据系统功能数据库保存桥梁各桥墩传感器的长地址和短地址，保存每座桥梁SIM900A的IP地址和端口及每个桥墩的高度数据等。
网络通讯设计主要用于服务器跟桥梁和桥墩传感器之间的通讯。论文使用UDP完成，根据设计的通信协议以及数据库功能保证通讯正常进行。通讯指令包含注册、心跳、高度数据、设置、报警等类型。
应用层设计主要是人机界面设计。论文采用地图供应商提供的接口[4]，将监测的桥梁以地图模式显示，此外，还包括设备绑定、查询、报警等功能。
图中左侧为各桥梁以及桥墩的信息，中间为当前桥梁的地图位置，下方为桥梁各桥墩的基质高度信息。菜单包括绑定传感器、设置等功能。
5 结 语
本文设计了一种监测桥墩基质高度变化的传感器，利用ZigBee网络+云服务器实现了实时监测桥梁桥墩基质高度变化的功能，系统设计友好的人机界面将监测数据进行直观展现，系统无需人工值守即可实现远程实时监测、报警等功能。目前，该系统已在丽水市宣平港大桥投入测试阶段，测试期间系统稳定，各项功能均正常运行。
参考文献
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