一種面向研究生的復合型實(shí)驗平臺設計與實(shí)現論文

　　研究生實(shí)驗平臺是研究生教學(xué)實(shí)踐的主要途徑，對于培養研究生的科研創(chuàng )造能力的具有重要意義。針對專(zhuān)業(yè)型、學(xué)術(shù)型碩士和博士研究生實(shí)驗課程側重點(diǎn)和實(shí)際需求的差異，提出了一種復合式的實(shí)驗平臺設計方案并擬定了實(shí)驗內容大綱，對教育資源有限條件下的研究生實(shí)驗平臺建設進(jìn)行了實(shí)踐和摸索。

　　各高校研究生實(shí)驗平臺建設已逐步邁向成熟，參與其中的教育工作者在已有管理架構、運行機制和課程內容之上，從全面、規范和系統的角度總結了既得經(jīng)驗。但也應當注意到，隨著(zhù)研究生教育改革的發(fā)展，現有實(shí)驗平臺難免遇到新問(wèn)題和新挑戰。就筆者所在學(xué)校而言，由于近年來(lái)專(zhuān)業(yè)型和學(xué)術(shù)型碩士研究生的出現，使得工科類(lèi)專(zhuān)業(yè)型、學(xué)術(shù)型碩士和博士研究生對于實(shí)驗平臺和實(shí)驗課程的需求產(chǎn)生了較大分化，而學(xué)校限于師資、經(jīng)費、場(chǎng)地等因素，無(wú)法為每一類(lèi)研究生建設專(zhuān)門(mén)的實(shí)驗平臺。因此，建立一套面向理論課程、工程實(shí)踐和科學(xué)研究的復合型實(shí)驗平臺顯得尤為重要。

　　本文立足信號處理方向，兼顧專(zhuān)業(yè)型、學(xué)術(shù)型碩士和博士研究生的實(shí)際需求，設計并實(shí)現了一套基于“云終端-云監控中心-移動(dòng)客戶(hù)端”的復合型實(shí)驗平臺，該平臺具有信息感知、傳輸、處理和推送能力。學(xué)生通過(guò)該平臺能夠進(jìn)行課后實(shí)驗、工程項目實(shí)訓，理論研究探索等。本文將從系統架構和實(shí)驗大綱及內容安排等方面對該實(shí)驗平臺進(jìn)行介紹。

　　一、實(shí)驗平臺系統結構

　　實(shí)驗平臺系統架構分為“信息感知云終端”、“云監控中心”和“移動(dòng)用戶(hù)端”三部分。其中，“信息感知云終端”可進(jìn)行大范圍布點(diǎn)，其主要功能是由傳感器陣列感知和采集環(huán)境質(zhì)量數據，經(jīng)過(guò)模數轉換后通過(guò)無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊將數據傳輸至“云監控中心”服務(wù)器;“云監控中心”將接收的環(huán)境質(zhì)量數據進(jìn)行存儲和分析，通過(guò)計算得到“信息感知云終端”所分布區域的環(huán)境質(zhì)量信息并推送至“移動(dòng)用戶(hù)端”;“移動(dòng)用戶(hù)端”通常形式為智能手機，用戶(hù)通過(guò)安裝在智能手機中的特定APP查詢(xún)“信息感知云終端”地點(diǎn)的環(huán)境質(zhì)量評測結果。

　　(一)信息感知終端

　　信息感知終端硬件結構主要包括有電源模塊、氣體傳感器陣列、溫濕度模塊、A/D轉換模塊、單片機、無(wú)線(xiàn)通信模塊等部分，系統結構框圖如圖2所示。圖中電源模塊可將外部直流電壓或電池電壓轉換為DC3.3V、DC4V、DC5V和DC7V電壓。其中DC3.3V為單片機、A/D轉換模塊、無(wú)線(xiàn)通信模塊、溫濕度模塊和GPS模塊供電。DC4V、DC5V和DC7V為傳感器陣列供電。傳感器陣列部分由3個(gè)金屬氧化物型氣敏傳感器和一個(gè)PM2.5傳感器組成，用于感知當前空氣質(zhì)量。無(wú)線(xiàn)通信模塊通過(guò)串口與單片機連接，并讀取傳感器數據，采用GPRS進(jìn)行環(huán)境數據傳輸。如圖3所示為信息感知終端實(shí)物圖。

　　信息感知終端軟件開(kāi)發(fā)工具為MPLAB IDE V8.53，開(kāi)發(fā)語(yǔ)言為C語(yǔ)言，輔助調試工具為網(wǎng)絡(luò )調試助手、串口調試助手等。該終端程序主要包括數據采集子程序、A/D轉換子程序、GPS定位子程序、 GPRS數據傳輸子程序等。在該部分程序中，傳感器數據采樣頻率、GPS定位精度、數據傳輸周期等參數均可自由設定，以滿(mǎn)足不同環(huán)境的監測需求。

　　(二)云監控中心

　　云監控中心demo采用Microsoft Visual Studio 2010開(kāi)發(fā)，開(kāi)發(fā)語(yǔ)言為C/C++語(yǔ)言，后臺服務(wù)器租用的商用云服務(wù)器。云監控中心各單元子程序功能框圖如圖4所示，主要實(shí)現云監控中心與信息感知云終端的數據交互、云監控中心與移動(dòng)用戶(hù)端的數據交互、傳感器數據的存儲及算法處理、地圖查詢(xún)及顯示等功能。

　　云監控中心的數據庫采用oracle數據庫，使用PLSQL developer軟件對數據庫進(jìn)行操作，采用ADO連接數據庫的方法實(shí)現Microsoft Visual Studio 2010和數據庫之間的通信。

　　云監控中心的系統界面如圖5所示，在圖中，1處為地圖信息顯示;2處為信息感知云終端通信狀態(tài)顯示;3處為接收到的數據顯示;4處為用戶(hù)查詢(xún)信息顯示;5處為歷史數據查詢(xún)按鍵。

　　上圖中1框顯示地圖信息，圖中每個(gè)綠點(diǎn)代表一個(gè)信息感知云終端，單擊每個(gè)綠點(diǎn)將顯示當前監測點(diǎn)的監測結果，顯示包括空氣質(zhì)量信息和采集時(shí)間。點(diǎn)擊按鈕5將彈出歷史數據查詢(xún)界面。

　　(三)移動(dòng)用戶(hù)端

　　移動(dòng)用戶(hù)端主要涉及APP應用程序的開(kāi)發(fā)，開(kāi)發(fā)工具為Eclipse2014，開(kāi)發(fā)語(yǔ)言為Java語(yǔ)言，其功能應包括：提供與云監控中心的接口，接收云監控中心的推送信息，同時(shí)具備可視化界面，能夠提供窗口顯示服務(wù)器端的數據及對應的氣體種類(lèi)和濃度，用戶(hù)可隨時(shí)隨地查詢(xún)各監測點(diǎn)的污染情況等。

　　圖6(a)-(d)為基于安卓系統開(kāi)發(fā)APP操作界面：圖6(a)顯示的是放置在不同室內外地點(diǎn)的各個(gè)信息感知終端，空氣質(zhì)量未超標時(shí)顯示綠色圖標，通過(guò)點(diǎn)擊終端編號，可以查詢(xún)該點(diǎn)檢測結果，同時(shí)自動(dòng)重新定位，如圖6(b)所示;如若有監測點(diǎn)空氣質(zhì)量超標，點(diǎn)擊該點(diǎn)圖標即可變?yōu)榧t色，如圖 6(c)所示;之后將會(huì )在查詢(xún)結果界面提示超標污染物及其濃度，如圖6(d)所示。

　　二、實(shí)驗大綱及內容

　　本實(shí)驗平臺以“服務(wù)研究生課程，積累工程實(shí)踐經(jīng)驗，培養科學(xué)創(chuàng )新能力”的目的，將相關(guān)實(shí)驗內容分為三個(gè)遞進(jìn)的層次：基本實(shí)驗項目、工程實(shí)訓項目和研究支撐計劃�！盎�本實(shí)驗項目”是指立足研究生專(zhuān)業(yè)課程而開(kāi)展的課程實(shí)驗;“工程實(shí)訓項目”是為專(zhuān)業(yè)型研究生提供的綜合性實(shí)踐項目;“研究支撐計劃” 是為學(xué)術(shù)性碩士和博士研究生進(jìn)行理論研究提供平臺支撐，研究者可根據自己的研究方向、課題和實(shí)驗平臺提供的軟硬件接口，在實(shí)驗平臺上進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，為其研究提供便捷的通道。

　　(一)基本實(shí)驗項目

　　基本實(shí)驗項目分為6個(gè)，其主要內容如下：

　　1.“環(huán)境信息感知”：使用實(shí)驗平臺完成環(huán)境溫度和濕度信息的采集和轉換，使用人機界面進(jìn)行相關(guān)信息的顯示和查詢(xún);使用實(shí)驗平臺完成對空氣中污染物信息的采集和轉換并根據該信息對空氣質(zhì)量進(jìn)行自動(dòng)評估;使用實(shí)驗平臺完成PM2.5信息的采集和轉換，使用人機界面進(jìn)行相關(guān)信息的顯示和查詢(xún)。

　　2.“云網(wǎng)絡(luò )數據傳輸”：使用“終端”設備，實(shí)現環(huán)境感知數據的網(wǎng)絡(luò )傳送;使用“云端”設備，實(shí)現數據的接收、存儲和查詢(xún)，完成“云端”數據庫的建立、修改與查詢(xún)。

　　3.“GPS定位”：使用實(shí)驗平臺完成各終端設備GPS信息的接收、提取、轉換和上傳;使用實(shí)驗平臺完成對空氣中污染物信息的采集和轉換并根據該信息對空氣質(zhì)量進(jìn)行自動(dòng)評估。

　　4.“陣列數據采集與存儲”：使用實(shí)驗平臺實(shí)現ADC多路采樣，控制采樣頻率大小，比較不同采樣頻率對數字信號的影響;選擇合適的數據結構進(jìn)行陣列信號存儲并根據數據結構特點(diǎn)進(jìn)行數據讀取和修改。

　　5.“陣列數據預處理與特征提取”：原始數據的噪聲處理，對實(shí)驗數據的分析，設計合理有效的濾波器(IIR/FIR濾波器)對實(shí)驗的噪聲進(jìn)行濾除并對比效果;傳感器陣列數據標準化處理方法仿真與比較;典型陣列時(shí)頻域特征a提取方法仿真與比較。

　　6.“模式識別與人工智能算法”：常用聚類(lèi)方法(PCA、k-NN、SOM、ART等)仿真與比較;人工嗅覺(jué)系統常用識別方法(ANN、SVM等)仿真與比較。

　　(二)工程實(shí)訓項目

　　本項目旨在訓練工程設計與實(shí)現方面的能力。培訓研究生完成從事一項工程項目的方案設計、硬件組態(tài)、軟件設計、系統調試與測試等全過(guò)程的工程實(shí)踐能力。

　　設計要求：①通過(guò)若干信息感知終端(不超過(guò)10個(gè))采集當地空氣質(zhì)量數據并傳送至云端。②云端無(wú)差錯接收各信息終端采集的空氣質(zhì)量數據并分類(lèi)匯總。③在云端進(jìn)行污染源的溯源及污染擴散預測。④能夠通過(guò)手機APP完成空氣質(zhì)量數據和氣味溯源監測結果的實(shí)時(shí)查詢(xún)。

　　任務(wù)目標：①掌握嵌入式系統(信息感知終端)的軟件開(kāi)發(fā)流程與代碼實(shí)現。②掌握基于云端OS的數據收集軟件設計和代碼實(shí)現。③掌握基于安卓或IOS的APP開(kāi)發(fā)流程及代碼實(shí)現。④掌握基于大數據分析的污染溯源和預測方法。

　　測試與分析內容：①完成信息感知終端AD多路采樣。②云終端無(wú)差錯接收氣味終端上傳數據。氣味溯源和預測方法結果與實(shí)際情況相符。③基于 APP的手機人機界面設計：能夠對查詢(xún)的終端進(jìn)行選擇并實(shí)時(shí)顯示該終端的氣味檢測結果。能夠查詢(xún)氣味溯源和預測結果并以適當的形式顯示。

　　學(xué)生考核及學(xué)分認定：完成實(shí)訓實(shí)驗項目，給予學(xué)生一定的學(xué)分，該學(xué)分可以計入研究生的教學(xué)實(shí)踐、工程實(shí)踐以及下廠(chǎng)實(shí)習的學(xué)分�？倢W(xué)分按實(shí)驗和項目包含的具體單項分配。完成實(shí)驗和訓練項目相關(guān)內容，經(jīng)實(shí)驗室指導老師評估考核，合格者給予相應內容的學(xué)分。

　　(三)研究支撐計劃

　　本實(shí)驗平臺“信息感知終端”所獲數據可作為研究人工嗅覺(jué)系統的原始數據，可開(kāi)展系統背景干擾、漂移抑制、精度提高等方面的理論研究�！霸票O控中心”所獲得數據可進(jìn)一步用于環(huán)境大數據分析和污染溯源等研究。詳細研究步驟、內容和方案等由學(xué)生自主擬定，經(jīng)導師和實(shí)驗指導教師審核批準后方可進(jìn)入實(shí)驗平臺。

　　三、總結與展望

　　隨著(zhù)研究生招生種類(lèi)多樣化的推進(jìn)，已有實(shí)驗平臺和實(shí)驗內容難以應付多元化的教學(xué)和科研需求。本文提出的復合式實(shí)驗平臺建設是一種可以借鑒的解決思路，其主要優(yōu)勢表現在：實(shí)驗平臺硬件具有成本低、應用范圍廣、可擴展性強等特點(diǎn);實(shí)驗內容和大綱編排體現了“層次化”理念，將實(shí)驗教學(xué)、工程實(shí)訓、科研輔助結合為一個(gè)有機的整體。另一方面，實(shí)驗平臺硬件功能的擴展和大綱內容的進(jìn)一步充實(shí)將是下一步需要完成的工作。

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