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一種面向研究生的復(fù)合型實驗平臺設(shè)計與實現(xiàn)論文
研究生實驗平臺是研究生教學(xué)實踐的主要途徑，對于培養(yǎng)研究生的科研創(chuàng)造能力的具有重要意義。針對專業(yè)型、學(xué)術(shù)型碩士和博士研究生實驗課程側(cè)重點和實際需求的差異，提出了一種復(fù)合式的實驗平臺設(shè)計方案并擬定了實驗內(nèi)容大綱，對教育資源有限條件下的研究生實驗平臺建設(shè)進行了實踐和摸索。
各高校研究生實驗平臺建設(shè)已逐步邁向成熟，參與其中的教育工作者在已有管理架構(gòu)、運行機制和課程內(nèi)容之上，從全面、規(guī)范和系統(tǒng)的角度總結(jié)了既得經(jīng)驗。但也應(yīng)當(dāng)注意到，隨著研究生教育改革的發(fā)展，現(xiàn)有實驗平臺難免遇到新問題和新挑戰(zhàn)。就筆者所在學(xué)校而言，由于近年來專業(yè)型和學(xué)術(shù)型碩士研究生的出現(xiàn)，使得工科類專業(yè)型、學(xué)術(shù)型碩士和博士研究生對于實驗平臺和實驗課程的需求產(chǎn)生了較大分化，而學(xué)校限于師資、經(jīng)費、場地等因素，無法為每一類研究生建設(shè)專門的實驗平臺。因此，建立一套面向理論課程、工程實踐和科學(xué)研究的復(fù)合型實驗平臺顯得尤為重要。
本文立足信號處理方向，兼顧專業(yè)型、學(xué)術(shù)型碩士和博士研究生的實際需求，設(shè)計并實現(xiàn)了一套基于“云終端-云監(jiān)控中心-移動客戶端”的復(fù)合型實驗平臺，該平臺具有信息感知、傳輸、處理和推送能力。學(xué)生通過該平臺能夠進行課后實驗、工程項目實訓(xùn)，理論研究探索等。本文將從系統(tǒng)架構(gòu)和實驗大綱及內(nèi)容安排等方面對該實驗平臺進行介紹。
一、實驗平臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
實驗平臺系統(tǒng)架構(gòu)分為“信息感知云終端”、“云監(jiān)控中心”和“移動用戶端”三部分。其中，“信息感知云終端”可進行大范圍布點，其主要功能是由傳感器陣列感知和采集環(huán)境質(zhì)量數(shù)據(jù)，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后通過無線收發(fā)模塊將數(shù)據(jù)傳輸至“云監(jiān)控中心”服務(wù)器;“云監(jiān)控中心”將接收的環(huán)境質(zhì)量數(shù)據(jù)進行存儲和分析，通過計算得到“信息感知云終端”所分布區(qū)域的環(huán)境質(zhì)量信息并推送至“移動用戶端”;“移動用戶端”通常形式為智能手機，用戶通過安裝在智能手機中的特定APP查詢“信息感知云終端”地點的環(huán)境質(zhì)量評測結(jié)果。
(一)信息感知終端
信息感知終端硬件結(jié)構(gòu)主要包括有電源模塊、氣體傳感器陣列、溫濕度模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、單片機、無線通信模塊等部分，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)換為DC3.3V、DC4V、DC5V和DC7V電壓。其中DC3.3V為單片機、A/D轉(zhuǎn)換模塊、無線通信模塊、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個金屬氧化物型氣敏傳感器和一個PM2.5傳感器組成，用于感知當(dāng)前空氣質(zhì)量。無線通信模塊通過串口與單片機連接，并讀取傳感器數(shù)據(jù)，采用GPRS進行環(huán)境數(shù)據(jù)傳輸。如圖3所示為信息感知終端實物圖。
信息感知終端軟件開發(fā)工具為MPLAB IDE V8.53，開發(fā)語言為C語言，輔助調(diào)試工具為網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手、串口調(diào)試助手等。該終端程序主要包括數(shù)據(jù)采集子程序、A/D轉(zhuǎn)換子程序、GPS定位子程序、 GPRS數(shù)據(jù)傳輸子程序等。在該部分程序中，傳感器數(shù)據(jù)采樣頻率、GPS定位精度、數(shù)據(jù)傳輸周期等參數(shù)均可自由設(shè)定，以滿足不同環(huán)境的監(jiān)測需求。
(二)云監(jiān)控中心
云監(jiān)控中心demo采用Microsoft Visual Studio 2010開發(fā)，開發(fā)語言為C/C++語言，后臺服務(wù)器租用的商用云服務(wù)器。云監(jiān)控中心各單元子程序功能框圖如圖4所示，主要實現(xiàn)云監(jiān)控中心與信息感知云終端的數(shù)據(jù)交互、云監(jiān)控中心與移動用戶端的數(shù)據(jù)交互、傳感器數(shù)據(jù)的存儲及算法處理、地圖查詢及顯示等功能。
云監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)庫采用oracle數(shù)據(jù)庫，使用PLSQL developer軟件對數(shù)據(jù)庫進行操作，采用ADO連接數(shù)據(jù)庫的方法實現(xiàn)Microsoft Visual Studio 2010和數(shù)據(jù)庫之間的通信。
云監(jiān)控中心的系統(tǒng)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(shù)據(jù)顯示;4處為用戶查詢信息顯示;5處為歷史數(shù)據(jù)查詢按鍵。
上圖中1框顯示地圖信息，圖中每個綠點代表一個信息感知云終端，單擊每個綠點將顯示當(dāng)前監(jiān)測點的監(jiān)測結(jié)果，顯示包括空氣質(zhì)量信息和采集時間。點擊按鈕5將彈出歷史數(shù)據(jù)查詢界面。
(三)移動用戶端
移動用戶端主要涉及APP應(yīng)用程序的開發(fā)，開發(fā)工具為Eclipse2014，開發(fā)語言為Java語言，其功能應(yīng)包括：提供與云監(jiān)控中心的接口，接收云監(jiān)控中心的推送信息，同時具備可視化界面，能夠提供窗口顯示服務(wù)器端的數(shù)據(jù)及對應(yīng)的氣體種類和濃度，用戶可隨時隨地查詢各監(jiān)測點的污染情況等。
圖6(a)-(d)為基于安卓系統(tǒng)開發(fā)APP操作界面：圖6(a)顯示的是放置在不同室內(nèi)外地點的各個信息感知終端，空氣質(zhì)量未超標(biāo)時顯示綠色圖標(biāo)，通過點擊終端編號，可以查詢該點檢測結(jié)果，同時自動重新定位，如圖6(b)所示;如若有監(jiān)測點空氣質(zhì)量超標(biāo)，點擊該點圖標(biāo)即可變?yōu)榧t色，如圖 6(c)所示;之后將會在查詢結(jié)果界面提示超標(biāo)污染物及其濃度，如圖6(d)所示。
二、實驗大綱及內(nèi)容
本實驗平臺以“服務(wù)研究生課程，積累工程實踐經(jīng)驗，培養(yǎng)科學(xué)創(chuàng)新能力”的目的，將相關(guān)實驗內(nèi)容分為三個遞進的層次：基本實驗項目、工程實訓(xùn)項目和研究支撐計劃。“基本實驗項目”是指立足研究生專業(yè)課程而開展的課程實驗;“工程實訓(xùn)項目”是為專業(yè)型研究生提供的綜合性實踐項目;“研究支撐計劃” 是為學(xué)術(shù)性碩士和博士研究生進行理論研究提供平臺支撐，研究者可根據(jù)自己的研究方向、課題和實驗平臺提供的軟硬件接口，在實驗平臺上進行二次開發(fā)，為其研究提供便捷的通道。
(一)基本實驗項目
基本實驗項目分為6個，其主要內(nèi)容如下：
1.“環(huán)境信息感知”：使用實驗平臺完成環(huán)境溫度和濕度信息的采集和轉(zhuǎn)換，使用人機界面進行相關(guān)信息的顯示和查詢;使用實驗平臺完成對空氣中污染物信息的采集和轉(zhuǎn)換并根據(jù)該信息對空氣質(zhì)量進行自動評估;使用實驗平臺完成PM2.5信息的采集和轉(zhuǎn)換，使用人機界面進行相關(guān)信息的顯示和查詢。
2.“云網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸”：使用“終端”設(shè)備，實現(xiàn)環(huán)境感知數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳送;使用“云端”設(shè)備，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收、存儲和查詢，完成“云端”數(shù)據(jù)庫的建立、修改與查詢。
3.“GPS定位”：使用實驗平臺完成各終端設(shè)備GPS信息的接收、提取、轉(zhuǎn)換和上傳;使用實驗平臺完成對空氣中污染物信息的采集和轉(zhuǎn)換并根據(jù)該信息對空氣質(zhì)量進行自動評估。
4.“陣列數(shù)據(jù)采集與存儲”：使用實驗平臺實現(xiàn)ADC多路采樣，控制采樣頻率大小，比較不同采樣頻率對數(shù)字信號的影響;選擇合適的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進行陣列信號存儲并根據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)特點進行數(shù)據(jù)讀取和修改。
5.“陣列數(shù)據(jù)預(yù)處理與特征提取”：原始數(shù)據(jù)的噪聲處理，對實驗數(shù)據(jù)的分析，設(shè)計合理有效的濾波器(IIR/FIR濾波器)對實驗的噪聲進行濾除并對比效果;傳感器陣列數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理方法仿真與比較;典型陣列時頻域特征a提取方法仿真與比較。
6.“模式識別與人工智能算法”：常用聚類方法(PCA、k-NN、SOM、ART等)仿真與比較;人工嗅覺系統(tǒng)常用識別方法(ANN、SVM等)仿真與比較。
(二)工程實訓(xùn)項目
本項目旨在訓(xùn)練工程設(shè)計與實現(xiàn)方面的能力。培訓(xùn)研究生完成從事一項工程項目的方案設(shè)計、硬件組態(tài)、軟件設(shè)計、系統(tǒng)調(diào)試與測試等全過程的工程實踐能力。
設(shè)計要求：①通過若干信息感知終端(不超過10個)采集當(dāng)?shù)乜諝赓|(zhì)量數(shù)據(jù)并傳送至云端。②云端無差錯接收各信息終端采集的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)并分類匯總。③在云端進行污染源的溯源及污染擴散預(yù)測。④能夠通過手機APP完成空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)和氣味溯源監(jiān)測結(jié)果的實時查詢。
任務(wù)目標(biāo)：①掌握嵌入式系統(tǒng)(信息感知終端)的軟件開發(fā)流程與代碼實現(xiàn)。②掌握基于云端OS的數(shù)據(jù)收集軟件設(shè)計和代碼實現(xiàn)。③掌握基于安卓或IOS的APP開發(fā)流程及代碼實現(xiàn)。④掌握基于大數(shù)據(jù)分析的污染溯源和預(yù)測方法。
測試與分析內(nèi)容：①完成信息感知終端AD多路采樣。②云終端無差錯接收氣味終端上傳數(shù)據(jù)。氣味溯源和預(yù)測方法結(jié)果與實際情況相符。③基于 APP的手機人機界面設(shè)計：能夠?qū)Σ樵兊慕K端進行選擇并實時顯示該終端的氣味檢測結(jié)果。能夠查詢氣味溯源和預(yù)測結(jié)果并以適當(dāng)?shù)男问斤@示。
學(xué)生考核及學(xué)分認(rèn)定：完成實訓(xùn)實驗項目，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)實踐、工程實踐以及下廠實習(xí)的學(xué)分�？倢W(xué)分按實驗和項目包含的具體單項分配。完成實驗和訓(xùn)練項目相關(guān)內(nèi)容，經(jīng)實驗室指導(dǎo)老師評估考核，合格者給予相應(yīng)內(nèi)容的學(xué)分。
(三)研究支撐計劃
本實驗平臺“信息感知終端”所獲數(shù)據(jù)可作為研究人工嗅覺系統(tǒng)的原始數(shù)據(jù)，可開展系統(tǒng)背景干擾、漂移抑制、精度提高等方面的理論研究�！霸票O(jiān)控中心”所獲得數(shù)據(jù)可進一步用于環(huán)境大數(shù)據(jù)分析和污染溯源等研究。詳細研究步驟、內(nèi)容和方案等由學(xué)生自主擬定，經(jīng)導(dǎo)師和實驗指導(dǎo)教師審核批準(zhǔn)后方可進入實驗平臺。
三、總結(jié)與展望
隨著研究生招生種類多樣化的推進，已有實驗平臺和實驗內(nèi)容難以應(yīng)付多元化的教學(xué)和科研需求。本文提出的復(fù)合式實驗平臺建設(shè)是一種可以借鑒的解決思路，其主要優(yōu)勢表現(xiàn)在：實驗平臺硬件具有成本低、應(yīng)用范圍廣、可擴展性強等特點;實驗內(nèi)容和大綱編排體現(xiàn)了“層次化”理念，將實驗教學(xué)、工程實訓(xùn)、科研輔助結(jié)合為一個有機的整體。另一方面，實驗平臺硬件功能的擴展和大綱內(nèi)容的進一步充實將是下一步需要完成的工作。
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