虚拟仿真平台在“物联网应用系统设计”中的应用

程建平

(山西工程职业学院,山西 太原 030062)

0 引言

“新工科”建设和发展以新经济、新产业为背景,需要树立创新型、综合化和全周期工程教育的新理念,构建新兴工科和传统工科相结合的学科专业的新结构[1]。 “物联网应用系统设计”课程培养创新型、实践型的人才的需求越来越迫切。 在教学过程中还存在一些问题:一方面,一个完整的物联网应用系统分为3 个层次(感知层、网络层和应用层),完成一个物联网应用系统所需要的知识涉及电子、通信、计算机等多个学科,课程本身就是软硬件相结合,内容多且系统性较强,要在有限的学时内掌握物联网系统概念和理论知识,具有物联网应用系统开放能力,其难度可想而知[2-3]。 另一方面,目前控制中心所需芯片更新迅速,新嵌入式芯片的推出必然带来新的实验设备,而高校考虑到成本问题无法及时更新设备,这就导致多数高校对人才的培养与市场需求相脱节[4],教学质量无法得到有效提高。

“物联网应用系统设计”教学需要与时俱进,以市场为导向,不断在教学中引入新技术、新方案,培养市场需要且能用的人才。 而虚拟仿真教学顺应了教育信息化的发展趋势现实需要,对教育质量的提升和实验教学改革的深化产生了积极而重要的影响[5]。

通过对相关文献的搜集,虚拟仿真技术(Proteus)应用于“嵌入式系统”等硬件课程的实验教学已有先例[6],但是“物联网应用系统设计”课程中不仅仅包括硬件开发,还需要应用层的数据展示,本文提出利用LabVIEW 软件进行上位机编程,实现数据的存储与展示。 该虚拟仿真平台实现虚实结合,不受限于时间场所,很好地适应了高校学生的学习特点,又符合课程的编排特点,将理论和实际一体化落到实处。 以丰富的工程实践为主线启发学生的创新思维,培养学生的创新精神,使学生具备物联网应用系统的独立开发能力,对于培养学生的创新创业能力有很好的促进作用。

2 虚拟仿真平台搭建

基于学校课时有限、内容繁杂、实验设备更新不及时和教学技术输出与企业脱节等问题,本文通过构建Proteus 和LabVIEW 的虚拟仿真平台,并将该平台应用于“物联网应用系统设计”的课堂展示中以解决这些问题。

Proteus 是一款功能强大的虚拟仿真软件,是世界上著名的EDA 工具[7];LabVIEW 是NI 公司开发的图形化编程开发平台,具备强大的实时数据处理功能与显示功能。 本平台应用于“物联网应用系统设计”的教学过程中,实现虚拟仿真技术与教育教学相结合,有以下优点。

第一,Proteus 具有丰富的元器件资源,能够提供多种虚拟仪器。 一台电脑就相当于一个先进的电子实验工作台,实验过程中不必担心虚拟的元器件及仪器会损坏,同时,不论在元器件及仪器的采购上,还是在更新换代上,都极大程度地节约了实验室的资金投入。

第二,Proteus 操作界面简单,易学易用。 学生普遍学习基础较差,缺乏自信心,虚拟的实验可以反复操作,不断试错,让学生学习的信心倍增。

第三,LabVIEW 作为一个专为测试测量设计的编程语言,使用了工程师们最熟悉的图形化的编程方式,能够帮助学生高效快速的开发测试应用。

该虚拟仿真平台首先充分利用MDK 软件实现代码的编写,将编译后的HEX 文件加载在Proteus 软件绘制的电路中,可以直观地查看到实际硬件运行后的效果,接着利用LabVIEW 实现数据的采集存储展示,图形化界面效果更为直观明了。 该虚拟仿真平台能够让学生不受时间和硬件条件的局限,随时仿真进行实践操作,在有限的学时内更好地掌握物联网应用系统设计所需知识,提高学习效果。

3 温度检测系统的设计案例

3.1 需求设置及分析

(1)利用嵌入式芯片STM32 为控制中心,进行数据的采集,在上位机上可以进行数据的查看,数据查看可以是表格的形式也可以是图表形式。

(2)系统效果可以利用Proteus,VI 等多种方式查看实现的效果。

根据需求,学生能够自主选择设计一款数据检测系统,可以提高学生的创新能力和实践能力,例如学生选择设计一款温度检测系统,该系统将采集到的温度数据进行展示,也可以将历史数据存储于数据库中,系统结构如图1 所示。

图1 系统结构

3.2 硬件电路设计

该系统包括温湿度传感器,STM32F103R6 的最小系统、窗口调试工具Virtual Terminal、COMPIN 等元件,温湿度传感器可以进行温湿度的设置,STM32F103R6芯片可以实现数据的处理及发送,窗口调试工具可以查看发送的数据,COMPIN 元件实现硬件系统与上位机的通信,同时添加LCD1602 显示屏实时显示当前的温度。 完成电路设计后利用编程软件Keil 实现数据的采集与发送,核心代码如图2 所示。

图2 核心代码

3.3 上位机编程

LabVIEW 是一种基于图形化编程语言的虚拟仪器软件开发平台。 利用VISA 实现LabVIEW 的串行通信,VISA 作为测试程序和数据传输总线的中间层为应用程序和仪器总线的通信建立了通道。 利用LabVIEW设计实现了温度检测系统,观测者通过此平台可以方便地观察串口通信状态,直观地观察当前温度值以及历史采集的数据。 该系统主要由串口配置模块、数据显示模块、历史数据查看模块组成。 串口配置模块中采用VISA 模块实现与串口之间的通信,运行前需要配置好VISA 资源名称也就是COM 端口。 STM32 芯片利用USART 串口将数据通过COM 口发送到上位机,上位机接收数据无误后显示通信正常,并在数据显示模块中显示接收的数据值。 历史数据查看模块利用Excel 表格进行历史数据的再现。 不仅可以动态显示采集的温度数据,还可以将数据存储于MySQL 数据库中,以便后续使用,可用于评估温度的状态,系统界面如图3 所示。

图3 系统界面

3.4 系统验证

将编译后的HEX 文件加载于芯片上,启动温度采集,将数据传输到系统上,运行后的效果如图4 所示。图中左侧的仪表盘显示最新一次温度为9 摄氏度,通信正常,右侧表格显示了历史的温度数据及上报时间,达到预期目标。

图4 运行效果

4 结语

将基于Proteus 和LabVIEW 的虚拟仿真平台应用于“物联网应用系统设计”课程教学中,可以使学生全面了解硬件电路的设计、仿真和测试,熟练掌握上位机编程,利用该平台进行独立设计和解决实际问题,具备物联网应用系统设计开放能力。 该平台为理论与实践相结合提供了有效的教学方法,一定程度上能够提高教学效果。