一种面向研究生的复合型实验平台设计与实现

一种面向研究生的复合型实验平台设计与实现实验平台是研究生教学理论的重要途径，对于培养研究生的科研创造能力的具有主要意义。针对专业型、学术型硕士和博士研究生实验课程着重点和实际需求的差别，提出了一种复合式的实验平台设计方案并拟定了实验内容大纲，对教育资源有限条件下的研究生实验平台建设进行了理论和探索。各高校研究生实验平台建设已逐步迈向成熟，参与其中的教育工作者在已有管理架构、运行机制和课程内容之上，从全面、规范和系统的角度总结了既得经历体验。但也应当留意到，随着研究生教育改革的发展，现有实验平台难免碰到新问题和新挑战。就笔者所在学校而言，由于近年来专业型和学术型硕士研究生的出现，使得工科类专业型、学术型硕士和博士研究生对于实验平台和实验课程的需求产生了较大分化，而学校限于师资、经费、场地等因素，无法为每一类研究生建设专门的实验平台。因而，建立一套面向理论课程、工程理论和科学研究的复合型实验平台显得尤为主要。本文安身方向，兼顾专业型、学术型硕士和博士研究生的实际需求，设计并实现了一套基于“云终端-云监控中心-移动客户端〞的复合型实验平台，该平台具有信息感悟、传输、处理和推送能力。学生通过该平台能够进行课后实验、工程项目实训，理论研究探寻求索等。本文将从系统架构和实验大纲及内容布置等方面对该实验平台进行介绍。一、实验平台系统构造实验平台系统架构分为“信息感悟云终端〞、“云监控中心〞和“移动用户端〞三部分。其中，“信息感悟云终端〞可进行大范围布点，其重要功能是由传感器阵列感悟和收集环境质量数据，经过模数转换后通过无线收发模块将数据传输至“云监控中心〞效劳器;“云监控中心〞将接收的环境质量数据进行存储和分析，通过计算得到“信息感悟云终端〞所分布区域的环境质量信息并推送至“移动用户端〞;“移动用户端〞通常形式为智能手机，用户通过安装在智能手机中的特定APP查询“信息感悟云终端〞地点的环境质量评测结果。(一)信息感悟终端信息感悟终端硬件构造重要包含有电源模块、气体传感器阵列、温湿度模块、A/D转换模块、单片机、无线通信模块等部分，系统构造框图如此图2所示。图中电源模块可将外部直流电压或电池电压转换为DC3.3V、DC4V、DC5V和DC7V电压。其中DC3.3V为单片机、A/D转换模块、无线通信模块、温湿度模块和GPS模块供电。DC4V、DC5V和DC7V为传感器阵列供电。传感器阵列部分由3个金属氧化物型气敏传感器和一个PM2.5传感器构成，用于感悟当下空气质量。无线通信模块通过串口与单片机连接，并读取传感器数据，采取GPRS进行环境数据传输。如此图3所示为信息感悟终端实物图。信息感悟终端软件开发工具为MPLABIDEV8.53，开发语言为C语言，辅助调试工具为网络调试助手、串口调试助手等。该终端程序重要包含数据收集子程序、A/D转换子程序、GPS定位子程序、GPRS数据传输子程序等。在该部分程序中，传感器数据采样频率、GPS定位精度、数据传输周期等参数均可自在设定，以知足不同环境的监测需求。(二)云监控中心云监控中心demo采取MicrosoftVisualStudio2010开发，开发语言为C/C++语言，后台效劳器租用的商用云效劳器。云监控中心各单元子程序功能框图如此图4所示，重要实现云监控中心与信息感悟云终端的数据交互、云监控中心与移动用户端的数据交互、传感器数据的存储及算法处理、地图查询及显示等功能。云监控中心的数据库采取oracle数据库，使用PLSQLdeveloper软件对数据库进行操作，采取ADO连接数据库的方法实现MicrosoftVisualStudio2010和数据库之间的通信。云监控中心的系统界面如此图5所示，在图中，1处为地图信息显示;2处为信息感悟云终端通信状况显示;3处为接收到的数据显示;4处为用户查询信息显示;5处为历史数据查询按键。上图中1框显示地图信息，图中每个绿点代表一个信息感悟云终端，单击每个绿点将显示当下监测点的监测结果，显示包含空气质量信息和收集时间。点击按钮5将弹出历史数据查询界面。(三)移动用户端移动用户端重要牵涉APP应用程序的开发，开发工具为Eclipse2014，开发语言为Java语言，其功能应包含：提供与云监控中心的接口，接收云监控中心的推送信息，同时具备可视化界面，能够提供窗口显示效劳器端的数据及对应的气体种类和浓度，用户可随时随地查询各监测点的污染情况等。图6(a)-(d)为基于安卓系统开发APP操作界面：图6(a)显示的是放置在不同室内外地点的各个信息感悟终端，空气质量未超标时显示绿色图标，通过点击终端编号，能够查询该点检测结果，同时自动从新定位，如此图6(b)所示;如若有监测点空气质量超标，点击该点图标即可变为红色，如此图6(c)所示;之后将会在查询结果界面提示超标污染物及其浓度，如此图6(d)所示。二、实验大纲及内容本实验平台以“效劳研究生课程，积累工程理论经历体验，培养科学创新能力〞的目的，将相关实验内容分为三个递进的条理：基本实验项目、工程实训项目和研究支撑计划。“基本实验项目〞是指安身研究生专业课程而开展的课程实验;“工程实训项目〞是为专业型研究生提供的综合性理论项目;“研究支撑计划〞是为学术性硕士和博士研究生进行理论研究提供平台支撑，研究者可根据自己的研究方向、课题和实验平台提供的软硬件接口，在实验平台上进行二次开发，为其研究提供便捷的通道。(一)基本实验项目基本实验项目分为6个，其重要内容如下：1.“环境信息感悟〞：使用实验平台完成环境温度和湿度信息的收集和转换，使用人机界面进行相关信息的显示和查询;使用实验平台完成对空气中污染物信息的收集和转换并根据该信息对空气质量进行自动评估;使用实验平台完成PM2.5信息的收集和转换，使用人机界面进行相关信息的显示和查询。2.“云网络数据传输〞：使用“终端〞设备，实现环境感悟数据的网络传送;使用“云端〞设备，实现数据的接收、存储和查询，完成“云端〞数据库的建立、修改与查询。3.“GPS定位〞：使用实验平台完成各终端设备GPS信息的接收、提取、转换和上传;使用实验平台完成对空气中污染物信息的收集和转换并根据该信息对空气质量进行自动评估。4.“阵列数据收集与存储〞：使用实验平台实现ADC多路采样，控制采样频率大小，比较不同采样频率对数字信号的影响;选择适宜的数据构造进行阵列信号存储并根据数据构造特点进行数据读取和修改。5.“阵列数据预处理与特征提取〞：原始数据的噪声处理，对实验数据的分析，设计合理有效的滤波器(IIR/FIR滤波器)对实验的噪声进行滤除并比照效果;传感器阵列数据标准化处理方法仿真与比较;典型阵列时频域特征a提取方法仿真与比较。6.“形式辨别与人工智能算法〞：常用聚类方法(PCA、k-NN、SOM、ART等)仿真与比较;人工嗅觉系统常用辨别方法(ANN、SVM等)仿真与比较。(二)工程实训项目本项目旨在训练工程设计与实现方面的能力。培训研究生完成从事一项工程项目的方案设计、硬件组态、软件设计、系统调试与测试等全经过的工程理论能力。设计要求：①通过若干信息感悟终端(不跨越10个)收集当地空气质量数据并传送至云端。②云端无错误过失接收各信息终端收集的空气质量数据并分类汇总。③在云端进行污染源的溯源及污染扩散预测。④能够通过手机APP完成空气质量数据和气味溯源监测结果的实时查询。任务目的：①把握嵌入式系统(信息感悟终端)的软件开发流程与代码实现。②把握基于云端OS的数据采集软件设计和代码实现。③把握基于安卓或IOS的APP开发流程及代码实现。④把握基于大数据分析的污染溯源和预测方法。测试与分析内容：①完成信息感悟终端AD多路采样。②云终端无错误过失接收气味终端上传数据。气味溯源和预测方法结果与实际情况相符。③基于APP的手机人机界面设计：能够对查询的终端进行选择并实时显示该终端的气味检测结果。能够查询气味溯源和预测结果并以适当的形式显示。学生考核及学分认定：完成实训实验项目，给予学生一定的学分，该学分能够计入研究生的教学理论、工程理论以及下厂实习的学分。总学分按实验和项目包括的详细单项分配。完成实验和训练项目相关内容，经实验室指点教师评估考核，合格者给予相应内容的学分。(三)研究支撑计划本实验平台“信息感悟终端〞所获数据可作为研究人工嗅觉系统的原始数据，可开展系统背景干扰、漂移抑制、精度提升等方面的理论研究。“云监控中心〞所获得数据可进一步用于环境大数据分析和污染溯源等研究。具体研究步骤、内容和方案等由学生自立拟定，经导师和实验指点老师审核批准后方可进入实验平台。三、总结与瞻望随着研究生招募生源种类多样化的推进，已有实验平台和实验内容难以应付多元化的