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摘要：我国目前的传感器应用技术课程在实际教学当中的实验电路设计较为复杂且孤立性较高，很难应用到目前的计算机方向中的嵌入式与物联网专业当中，很多学校都缺乏完整的系统化的实验电路存在，为了改变这个现状，我们设计与实现了一套供物联网与嵌入式专业使用的传感器应用技术课程配套的实验电路，希望能够对传感器应用课程改革起到一定的促进作用。
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。
参考文献：
[1] 潘炜.传感器与检测技术综合实验课程设计[J].实验技术与管理，2015（11）：218-230.
[2] 任晓娜，刘苹，陈美荣，等.《传感器与检测技术》课程的教学探索与改革[J].成都纺织高等专科学校学报，2014（1）：82-85.
[3] 杨汇军，王俊生.《传感器与检测技术》课程教学改革的探索与实践[J].中国电力教育，2011（9）：188-199.
[4] 綦志勇，常排排.面向普适计算环境的嵌入式系统研究[J].计算机科学，2011（l3）：179-181.
[5] 王捷婷.机电一体化专业中传感器与检测技术课程教材建设探索[J].高等函授学报：自然科学版， 2012（11）.
[6] 沈苏彬，毛燕琴，范曲立，等.物联网概念模型与体系结构[J].南京邮电大学学报：自然科学版， 2010（8）：1-8.
[7] 荣国平，刘天宇，谢明娟，等.嵌入式系统开发中敏捷方法的应用研究综述[J].软件学报，2012（11）：267-283.
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。
参考文献：
[1] 潘炜.传感器与检测技术综合实验课程设计[J].实验技术与管理，2015（11）：218-230.
[2] 任晓娜，刘苹，陈美荣，等.《传感器与检测技术》课程的教学探索与改革[J].成都纺织高等专科学校学报，2014（1）：82-85.
[3] 杨汇军，王俊生.《传感器与检测技术》课程教学改革的探索与实践[J].中国电力教育，2011（9）：188-199.
[4] 綦志勇，常排排.面向普适计算环境的嵌入式系统研究[J].计算机科学，2011（l3）：179-181.
[5] 王捷婷.机电一体化专业中传感器与检测技术课程教材建设探索[J].高等函授学报：自然科学版， 2012（11）.
[6] 沈苏彬，毛燕琴，范曲立，等.物联网概念模型与体系结构[J].南京邮电大学学报：自然科学版， 2010（8）：1-8.
[7] 荣国平，刘天宇，谢明娟，等.嵌入式系统开发中敏捷方法的应用研究综述[J].软件学报，2012（11）：267-283.