傳感器技術(shù)論文大全11篇

緒論：寫作既是個人情感的抒發(fā)，也是對學術(shù)真理的探索，歡迎閱讀由發(fā)表云整理的11篇傳感器技術(shù)論文范文，希望它們能為您的寫作提供參考和啟發(fā)。

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2傳感器技術(shù)在機電一體化中的應用價值

機電一體化技術(shù)包含機械制造技術(shù)、微電子技術(shù)、信息處理技術(shù)、自動控制技術(shù)以及人工智能技術(shù)等多方面內(nèi)容，在發(fā)展過程中直接導致了自動化技術(shù)的產(chǎn)生。而從某種程度上說，傳感器技術(shù)是機電一體化發(fā)展過程中不可缺少的關鍵技術(shù)，影響著機電一體化系統(tǒng)的自動化程度，具有非常重要的應用價值。

2.1傳感器技術(shù)在機械加工過程中的應用

眾所周知，在機械加工的過程中，需要檢測的地方有很多，下面將從兩個個方面進行簡要介紹：第一，將傳感器技術(shù)應用于機械的切削過程和機床運行過程。現(xiàn)階段，在切削方面，傳感器技術(shù)主要是對切削過程中的機械設備切削力的變化狀態(tài)進行控制，通過分析這個過程當中的相關數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)對設備運行狀態(tài)的了解，保證切削過程的順利進行，提高切削過程的生產(chǎn)效率，以及降低材料的消耗量。將傳感器技術(shù)應用到機床的運行當中，主要是為了對機床的驅(qū)動系統(tǒng)、溫度進行檢測，從而保證機床運行的安全性，通過分析得到的相應參數(shù)，從而不斷提高機床的運行效率和精度。第二，將傳感器技術(shù)應用到工件的生產(chǎn)過程。與切削和機床的運行過程相比，工件的生產(chǎn)過程監(jiān)視是非常重要，而且研究和應用也是最早、最多的。首先，在加工之前需要對所用的加工設備和坯件進行自動檢查，從而保證加工過程的正常進行，比如說自動判斷和調(diào)整坯件的夾持方位等；其次，在加工過程中，也有嚴格的要求，對切削的剫、力度、扭矩等參數(shù)都需要進行自動檢測，以保證加工條件處于最佳狀態(tài)，除此之外，對于在這個過程中加入傳感技術(shù)的其他目的還在于提高切削過程的生產(chǎn)效率；最后，在加工完成之后還需要對工件的合格與否進行測量，例如工件的尺寸、粗糙程度、形狀等，由于檢查的過程比較繁瑣和復雜，所以這些檢測需要能夠自動的進行，并且可以將檢測結(jié)果直接輸入到下一道程序，從而選用合格的產(chǎn)品。

2.2傳感器技術(shù)在汽車行業(yè)中的應用

近年來，隨著傳感器技術(shù)在汽車行業(yè)中的廣泛應用，現(xiàn)代汽車不斷朝著智能化、小型化和電子化發(fā)展，進入了全新時期。目前，在汽車的制造過程中，為了實現(xiàn)汽車的機電一體化，需要用自動控制系統(tǒng)來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機械式控制裝置，將先進的監(jiān)測和控制技術(shù)擴大到汽車的全身，從而全面改善汽車的功能，不斷增加汽車的人性化服務、減少排氣污染和汽油損耗、提高汽車的安全駕駛和舒適性。比如說，在實現(xiàn)汽車的一體化過程中，凡是和電子控制有關的系統(tǒng)或是裝置都離不開傳感器的應用，尤其是在安全報警裝置、信息裝置和自動變速器等裝置當中，所以這也要求傳感器能夠適應惡劣的環(huán)境，無論是塵土彌漫還是風雨交加的時候，都能夠保證具有很好的密封性，與此同時還應該具備一定的抗干擾能力，尤其是安裝在汽車發(fā)動機內(nèi)的傳感器，需要能夠承受得住發(fā)動機在工作時的高溫和高壓環(huán)境。

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2機房監(jiān)控系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

2.1ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點硬件設計ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點主要由六大模塊構(gòu)成，分別為LED指示燈、電源模塊、串口模塊、晶振模塊、射頻天線以及無線收發(fā)器。LED指示燈主要用于顯示系統(tǒng)網(wǎng)絡連接狀態(tài)。串口模塊用于傳輸數(shù)據(jù)信息，并接收相關指令控制協(xié)調(diào)器運轉(zhuǎn)。由于射頻天線在輸入和輸出為高阻與差動，故適用(115+180)的差動負載。為了進一步優(yōu)化ZingBee協(xié)調(diào)器節(jié)點性能，我們采用了不平衡變壓器。無線收發(fā)器工作電壓為3.3V，在運行過程中應采用電壓轉(zhuǎn)換模塊將5V電壓下降至3.3V無線收發(fā)器能夠同時接收兩種頻率的晶振電路，以此滿足監(jiān)控系統(tǒng)的不同電路需求。

2.2傳感器節(jié)點硬件設計傳感器節(jié)點主要由電源模塊、CC2430數(shù)據(jù)傳輸模塊、數(shù)據(jù)采集模塊以及外部數(shù)據(jù)存儲等模塊構(gòu)成。電源模塊使用兩節(jié)5號干電池，CC2430數(shù)據(jù)傳輸模塊負責數(shù)據(jù)的傳輸與采集，并通過與路由節(jié)點進行數(shù)據(jù)交換來控制命令。數(shù)據(jù)采集模塊主要負責采集系統(tǒng)監(jiān)控區(qū)域的濕度、溫度、水浸以及光照強度等信息，并將其轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)進程存儲。

2.3ZigBee協(xié)議棧ZigBee協(xié)議棧是分層的，每一層都需要向上一層進行數(shù)據(jù)的提供和管理功能，其主要包括網(wǎng)絡層、應用層、媒體訪問控制層以及物理層。其中應用層內(nèi)又劃分為ZDO、APS以及應用對象等。媒體訪問控制層與物理層位于協(xié)議棧子層的最底，屬于硬件系統(tǒng)，其他層則在這兩者智商，不屬于硬件系統(tǒng)。ZigBee協(xié)議棧的分層結(jié)構(gòu)簡潔明了，極大的方便了系統(tǒng)的設計和調(diào)控。

2.4無線傳感網(wǎng)軟件平臺搭建搭建無線傳感網(wǎng)軟件平臺需要一個良好的操作系統(tǒng)。操作系統(tǒng)能夠?qū)Ω黜椚蝿者M行調(diào)度并使整個系統(tǒng)正常運轉(zhuǎn)。不同；誒型設備的同一項處理可以視為同一任務，新建任務并添加至系統(tǒng)，操作系統(tǒng)即將新任務與ZigBee協(xié)議棧進行融合，使系統(tǒng)獲得新功能并投入使用，從而搭建出完整的無線傳感網(wǎng)軟件平臺。

篇（3）

通過上面的分析，可見待執(zhí)行器的無線傳感器網(wǎng)絡與普通無線傳感器網(wǎng)絡相比，既有優(yōu)勢也有缺點。優(yōu)勢為系統(tǒng)具有突出的實時性。因為系統(tǒng)在完成工作時直接利用執(zhí)行器節(jié)點對無線傳感器網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)進行分析與決策，事件消息無需傳遞至中心節(jié)點，只需臨近執(zhí)行器節(jié)點就可完成動作；其次可以幫助傳感器節(jié)點降低能耗，因為信息傳遞的跳數(shù)相比普通的無線傳感器網(wǎng)絡大幅降低，其節(jié)點數(shù)據(jù)的通信能量消耗也就隨之降低；第三傳感器網(wǎng)絡流量相對小，減少了通信網(wǎng)絡的資源沖突。信息傳遞主要集中在執(zhí)行器節(jié)點周圍，因此不同的事件所引發(fā)信息交叉?zhèn)鬟f的沖突減少；最后，減少了中心節(jié)點的運行負擔，中心節(jié)點主要負責信息的記錄與網(wǎng)絡性能的調(diào)整，不需要針對單個事件處理各種數(shù)據(jù)并作出決策。

帶執(zhí)行器節(jié)點網(wǎng)絡的結(jié)構(gòu)和應用

從本質(zhì)上看執(zhí)行器網(wǎng)絡就是帶有執(zhí)行器的無線傳感器網(wǎng)絡，傳感器負責從環(huán)境獲得信息，而執(zhí)行器節(jié)點負責對環(huán)境加以改變。傳感器和執(zhí)行器節(jié)點之間以無線鏈路的模式連接。

傳感器節(jié)點感知和報告環(huán)境信息而執(zhí)行器節(jié)點負責對信息進行處理并行動，作用于環(huán)境。待執(zhí)行器節(jié)點的無線傳感器網(wǎng)絡的結(jié)構(gòu)因為信息傳遞的模式而存在差異，研究的方向也不盡相同。下面以星形拓撲為例進行分析，在研究中帶執(zhí)行器節(jié)點的無線傳感器網(wǎng)絡構(gòu)成一個星形拓撲，其BS充當網(wǎng)絡控制器和與上層網(wǎng)絡連接的網(wǎng)關。BS包括了有線總線和無線接口。其MAC層利用時分多址技術(shù)。每個傳感器集成到執(zhí)行器中，形成一個傳感器+執(zhí)行器的模塊化結(jié)構(gòu)。這些模塊可以進行單跳無線通信到達BS。利用傳感器和執(zhí)行器之間的時隙和頻隙差異，可以避免傳感器和執(zhí)行器之間的信息沖突。在WSAN的應用中，必須保證實時通信和已經(jīng)定義的時序行為，所以星形拓撲結(jié)構(gòu)是一種按照實時性的有效結(jié)構(gòu)方案。

在應用方面，WSAN的應用較為廣泛，如在畜牧業(yè)農(nóng)場控制公牛的攻擊行為，即在公牛的繁殖期限內(nèi)，公牛的攻擊性較強會帶來對自身的傷害。在飼養(yǎng)過程中可以利用帶執(zhí)行器的無線傳感器網(wǎng)絡對此行為進行控制，方法就是在公牛的項圈上安裝傳感器和執(zhí)行器，以此檢測公牛的行為模式。硬件平臺作為中心控制系統(tǒng)，集成大量的傳感器和執(zhí)行器，其利用處理器和閃存構(gòu)成。無線電收發(fā)設備和硬件平臺作為執(zhí)行器的集成刺激面板，安裝在項圈內(nèi)的特殊設計可以在執(zhí)行器的激發(fā)下工作。集成傳感器可以根據(jù)位置和速度采集公牛的運動形態(tài)，如果公牛出現(xiàn)類似攻擊的行為，則執(zhí)行器接收指令對公牛進行刺激，抑制其攻擊。

帶執(zhí)行器無線傳感網(wǎng)絡的協(xié)議設計

1通信協(xié)議的設計

為了在網(wǎng)絡中充分利用執(zhí)行器的計算和通信能力，帶執(zhí)行器節(jié)點的無線傳感器網(wǎng)絡的通信協(xié)議往往要復雜于普通的無線傳感器網(wǎng)絡。其除了包括傳感器之間的通信協(xié)議外還需要具備執(zhí)行器與傳感器之間的協(xié)議，以及執(zhí)行器節(jié)點之間的協(xié)議內(nèi)容共同組成。下面就這三個不同的協(xié)議內(nèi)容進行分析：

（1）傳感器節(jié)點的之間的通信協(xié)議。在某個特殊環(huán)境下，傳感器節(jié)點的信號都是以單跳的模式向周圍的執(zhí)行器節(jié)點傳遞，這種結(jié)構(gòu)對于待執(zhí)行器節(jié)點的無線傳感器網(wǎng)絡而言較為常見，對于需要傳感器之間進行通信的系統(tǒng)而言，可以使用普通傳感器網(wǎng)絡中的協(xié)議完成通信，在模擬環(huán)境中，傳感器節(jié)點可以直接將信息傳遞給執(zhí)行器節(jié)點，而不需要傳感器節(jié)點間的通信協(xié)議來支持；

（2）執(zhí)行器節(jié)點與傳感器節(jié)點的協(xié)議。在執(zhí)行器決策算法的支持下，這個協(xié)議僅僅需要在傳感器檢測到事件發(fā)生的時候，將事件消息和自身標示傳遞給最近執(zhí)行器即可實現(xiàn)功能。這樣的設計思路可以提高通信消息中有效消息的占比，從而提高節(jié)能效果；

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1 引言

力傳感器是目前廣泛使用的傳感器，在長期使用過程中，由于使用環(huán)境、本身結(jié)構(gòu)的變化，需要對其進行標定，以此保證測量的精度。近年來，隨著虛擬儀器技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，越來越多的技術(shù)人員開始基于該技術(shù)來開發(fā)自動化測量設備。博士論文，標定。虛擬儀器是基于計算機的儀器。計算機和儀器的密切結(jié)合是目前儀器發(fā)展的一個重要方向[1]。而在眾多的虛擬儀器開發(fā)平臺中，美國國家儀器公司（NI）的LabVIEW應用最為廣泛。本文主要介紹了基于LabVIEW的力傳感器標定程序的設計。

2 標定的原理

所謂標定（或現(xiàn)場校準）[2]就是指用相對標準的量來確定測試系統(tǒng)電輸出量與物理輸入量之間的函數(shù)關系的過程。標定是測試中極其重要的一環(huán)。標定除了能夠確定輸入量和輸出量之間的函數(shù)關系之外，還可以最大限度地消除測量系統(tǒng)中的系統(tǒng)誤差。

傳感器的校準采用靜態(tài)的方法，即在靜態(tài)標準條件下，采用一定標準等級（其精度等級為被較傳感器的3~5倍）的校準設備，對傳感器重復（不少于3次）進行全量程逐級加載和卸載測試，獲得各次校準數(shù)據(jù)，以確定傳感器的靜態(tài)基本性能指標和精度的過程。為簡化系統(tǒng)的設計，此處標準量采用砝碼加載的方式獲得。

3 系統(tǒng)組成

3.1硬件組成

系統(tǒng)的硬件組成如圖1所示：

圖1 系統(tǒng)硬件組成

由圖可以看出，系統(tǒng)主要包括計算機、力傳感器，數(shù)據(jù)采集卡、接線盒等。本系統(tǒng)中，力傳感器采用電阻應變式壓力傳感器，四個應變片采用全橋的工作方式。數(shù)據(jù)采集卡采用NI公司的PCI-6221，該采集卡的主要參數(shù)如下：它具有16個模擬輸入端口，2個模擬輸出端口，24個數(shù)字輸入輸出端口，采樣速率最高可達到250kS/s。接線盒采用NI公司的SC-2345，此接線盒直接與數(shù)據(jù)采集卡相連，接線盒上有SCC信號調(diào)理模塊插座。SCC模塊是NI公司提供的信號調(diào)理模塊，其上面包含信號調(diào)理電路，可以將傳感器處采集的信號轉(zhuǎn)換成適合數(shù)據(jù)采集卡讀取的信號。本系統(tǒng)所用的SCC模塊為SCC-SG04，此模塊適用于連接采用全橋工作方式的電阻應變式壓力傳感器。

3.2軟件組成

本系統(tǒng)軟件基于LabVIEW 8.2來開發(fā)。LabVIEW是一種圖形化的編程語言。博士論文，標定。博士論文，標定。與其他開發(fā)工具不同，用LabVIEW編程的過程不是寫代碼，而是畫“流程圖”。這樣可以使用戶從煩瑣的程序設計中解放出來，而將注意力集中在測量等物理問題本身。它主要針對各個領域的工程技術(shù)人員而設計，非計算機專業(yè)人員[1]。博士論文，標定。

因為所用的力傳感器屬于應變式電阻傳感器，其電阻變化率與應變可以保持很好的線性關系，即輸入與輸出量之間呈線性關系，所以可以用一條直線對校準數(shù)據(jù)進行擬合。此直線就稱為擬合直線，所求得的方程為擬合方程。圖2所示為傳感器標定程序的采樣頁面。

此程序采用LabVIEW的事件驅(qū)動編程技術(shù)進行編制的。事件[3]是對活動發(fā)生的異步通知。事件可以來自于用戶界面、外部I/O或程序的其它部分。在LabVIEW中使用用戶界面事件可使前面板用戶操作與程序框圖執(zhí)行保持同步。事件允許用戶每當執(zhí)行某個特定操作時執(zhí)行特定的事件處理分支。

圖2 標定程序采樣頁面

圖3 采樣程序

直線擬合的方法[2]有很多種，比如最小二乘法、平均選點法、斷點法等等。其中，最小二乘法精度比較高，此處利用它進行直線擬合。根據(jù)最小二乘法，假定是一組測量值，是相應的擬合值，mse為均方差，則擬合目標可以表達為，期望mse最小。

LabVIEW中的分析軟件庫提供了多種線性和非線性的曲線擬合算法，例如線性擬合、指數(shù)擬合、通用多項式擬合等等。本程序選擇Linear Fit.Vi 來實現(xiàn)最小二乘法線性擬合。

標定子程序的工作流程如下：用戶先通過多次采樣，獲得各個輸入量對應的輸出量，通過While循環(huán)的移位寄存器保存這些值。博士論文，標定。采樣完成后，把這些值輸入Linear Fit.Vi進行擬合，擬合的曲線在Graph控件中顯示出來，同時該Vi自動求出方程y=ax+b中的斜率a和截距b，這樣，輸入輸出量之間的函數(shù)關系就可以確定下來了，如圖4所示。

圖4 標定程序擬合前面板

4 小結(jié)

基于虛擬儀器的力傳感器標定程序能夠方便地對力傳感器進行標定。博士論文，標定。該系統(tǒng)具有人機界面友好，靈活方便，自動化程度高等特點。

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1、前言

地磁場的異常波動是發(fā)生地震的重要征兆，對地磁場異常的監(jiān)測可以為地震預報研究提供重要的數(shù)據(jù)資料 [1]。

虛擬儀器技術(shù)是利用編程軟件，按照測量原理,采用適當?shù)男盘柗治雠c處理技術(shù),編制具有測量功能的程序就可以構(gòu)成相應的測試儀器[2],降低了儀器的開發(fā)和維護費用,縮短了技術(shù)更新周期，顯著提高了儀器的柔性和性價比[3]。

2、硬件結(jié)構(gòu)

分布式地磁場異常監(jiān)測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。磁場傳感器通過RS232串口將計算出的地磁場方位值前期數(shù)據(jù)發(fā)送給電腦1，電腦1上的虛擬儀器軟件完成對信號的讀取、計算、分析、顯示、存儲等并通過電子郵件將相關數(shù)據(jù)傳送給遠端的電腦2。

3、軟件設計

3.1、軟件的總體功能

如圖2所示，監(jiān)測系統(tǒng)主要有數(shù)據(jù)采集模塊、顯示模塊、磁場異常報警模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)保存模塊、電子郵件發(fā)送模塊等組成。

3.2、軟件前面板

前面板如圖3所示,主要分為3個模塊:通信參數(shù)設置模塊、監(jiān)測結(jié)果顯示及保存模塊、異常報警模塊等。論文參考，電子郵件。論文參考，電子郵件。設置的通信參數(shù)主要有與傳感器通信時的波特率、數(shù)據(jù)位、數(shù)據(jù)文件保存的位置、軟件異常及地磁異常時發(fā)送電郵的收發(fā)件人電子信箱地址等。論文參考，電子郵件。論文參考，電子郵件。

圖2 軟件總體功能框圖

圖3 軟件前面板

3.3、地磁場方位值的計算

地磁場方位值計算模塊如圖4所示，將VISA讀取控件緩沖區(qū)中的字符串數(shù)組讀出，截取其中第9和第10個元素，進行數(shù)制、進制轉(zhuǎn)換得到地磁場方位值，接到前面板進行顯示。論文參考，電子郵件。論文參考，電子郵件。

圖4 方位值計算模塊

3.4異常報警

將當前時刻的方位值與正常方位值相比較，如果相差5度，即認為是地磁場的異常波動，報警指示燈亮，發(fā)出報警音，同時啟動郵件發(fā)送模塊。

3.5 數(shù)據(jù)保存模塊

調(diào)用日期/時間字符串控件，讀取windows日期時間，和地磁場方位值一起寫入指定目錄的txt文件中。當?shù)卮艌霎惓r，觸發(fā)磁場異常邏輯為真，寫入文件控件將從此時刻開始5秒內(nèi)的時間值、地磁場方位值寫入txt文件中。

圖5 郵件發(fā)送第一幀

圖6 郵件發(fā)送第二幀

3.6 郵件發(fā)送

4.實驗

如圖7所示，實驗方法為:將傳感器與電腦1串口相連，通過虛擬儀器軟件監(jiān)測地磁場的異常情況，當?shù)卮虐l(fā)生異常或接收傳感器數(shù)據(jù)異常時，電腦1上的監(jiān)測軟件報警，并把異常數(shù)據(jù)記錄到數(shù)據(jù)文件中，同時通過電子郵件模塊向指定信箱發(fā)送指定格式郵件，監(jiān)測者在電腦2上查看相關異常郵件。做法是轉(zhuǎn)動傳感器使其與地磁場磁北指向夾角為200°，用一塊磁鐵沿著與傳感器指向垂直的方向自遠及近靠近后又自近及遠離開傳感器，記錄下整個過程磁鐵與傳感器距離、地磁場方位值、異常情況及郵件接收情況。實驗結(jié)果如表1所示。

反復實驗表明，監(jiān)測軟件準確地記錄下了磁鐵靠近傳感器的過程中該處磁場的變化情況，且當?shù)卮女惓r電腦2及時地接收到了相關異常數(shù)據(jù)郵件。

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中圖分類號：G642文獻標識碼：A文章編號：1009-3044(2007)18-31739-01

Experimental Teaching Reform of Sensors Course

ZHANG Huai,Chen Fu-jun,YANG Yong,LIANG Feng

(Huanghuai University,Zhumadian 463000,China)

Abstract:Sensors is a most practical course, the students can verify theories through an experiment, and can strengthen the cultivation of the student’s innovation and practice ability. Aimed at the present situation of the experimental teaching for sensor of our university, we do some beneficial reform and the aim is to improve the practice ability of students and cultivate the innovative talents.

Key words:sensor experiment;teaching reform;cultivation of innovative talents

傳感器技術(shù)作為現(xiàn)代三大信息技術(shù)之一，廣泛應用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及日常生活中，是測控過程中反映被測對象、保證控制質(zhì)量的重要一環(huán)，也是自動化、測控技術(shù)、機械電子等專業(yè)的一門實踐性和應用性很強的基礎課。隨著計算機技術(shù)，信息技術(shù)和網(wǎng)絡技術(shù)的發(fā)展，傳感器技術(shù)與應用也飛速發(fā)展，而傳統(tǒng)的傳感器教學尤其是實踐環(huán)節(jié)的教學迫切需要改革創(chuàng)新。為此，針對我校傳感器實驗教學的現(xiàn)狀做一些有益的改革，旨在提高學生對傳感器原理及特性的理解并進而達到設計和應用的目的，培養(yǎng)高素質(zhì)技能型人才。

1 我國傳感器及實驗教學的發(fā)展及需求

傳感器及智能儀器儀表自上個世紀60年代以來一直作為自動化、測控技術(shù)、機械電子等專業(yè)的一門專業(yè)課程，特別是進入80年代后，國際上出現(xiàn)了“傳感器熱”：日本把傳感器技術(shù)列為80年代十大技術(shù)之首，美國把傳感器技術(shù)列為90年代的關鍵技術(shù)，我國把傳感器技術(shù)列為“八五”、“九五”的重點研究項目之一；并且2003年3月國家教育部緊跟國際科技發(fā)展步伐，已將傳感器的教學納入到普通高級中學物理課程的教學體系中。由此可見，傳感器在當今科技發(fā)展及國民教育體系中所處的重要地位。而對于傳感器本身又是一門實踐性和應用性很強的學科，而且傳感器實驗教學是整個教學環(huán)節(jié)中的一個重要子系統(tǒng)，因此，加強傳感器實驗教學以適應我國高等教育的任務――培養(yǎng)學生創(chuàng)新精神和實踐能力的需求。

2 傳感器實驗教學的現(xiàn)狀

長期以來，理論教學重于實驗教學的觀念根深蒂固，影響了傳感器教學的效果。傳統(tǒng)的傳感器教學尤其是實踐性環(huán)節(jié)迫切需要改革創(chuàng)新。傳統(tǒng)的傳感器實驗教學的問題主要反映在以下幾個方面：

2.1教學中存在不重視實驗的傾向

實驗教學是理論知識和實驗活動、間接經(jīng)驗與直接經(jīng)驗、抽象思維和形象思維、傳授知識與訓練技能相結(jié)合的過程。但是，對傳感器實驗教學現(xiàn)狀的調(diào)查結(jié)果表明，目前很多高校在教育觀念上，仍存在著重理論、輕實踐，重理論知識傳授、輕動手能力培養(yǎng)的傾向，在課程體系上，實驗教學少有獨立的教學體系以及相應的學分評價體系，實驗課從屬于理論課，實驗內(nèi)容含在理論課程中，實驗學時與內(nèi)容的開設隨意性強，隨意削減實驗學時成為普遍現(xiàn)象，實驗課時同理論課時比例不太合理等問題，從而大大影響了學生對傳感器特性的理解及在傳感器應用中解決實際問題能力的培養(yǎng)。

2.2實驗項目驗證型多于設計型

目前，我系使用的傳感器實驗裝置是由浙江高聯(lián)科技開發(fā)公司提供的CSY2000D型傳感器檢測技術(shù)實驗臺，它所提供的實驗項目大多為驗證性實驗，雖然各傳感器透明式封裝比較直觀，但缺乏設計性、綜合性要求，與工程實踐脫節(jié)嚴重。

2.3教學方式單調(diào)枯燥

傳統(tǒng)的傳感器實驗教學是注入式的，從實驗原理、步驟、實驗注意事項，甚至連實驗結(jié)果都面面俱到地由老師講解，然后由學生“按方抓藥”地操作。這使學生處于消極被動的地位，影響其學習主觀能動性的發(fā)揮，嚴重阻礙了學生的全面綜合素質(zhì)的培養(yǎng)。

2.4實驗經(jīng)費投入不足

實驗室建設對各高校來說是一項重要的投資，特別是對于一般的普通高校在資金有限的情況下，對實驗室的建設投入更少；而傳感器又是精密測量儀器，一般單個售價都在50元以上，我系于2003年購置的6臺CSY2000D型傳感器檢測技術(shù)試驗臺就高達1.83萬元/臺。因此，在資金緊張的情況下，使得高校擴招后由原來的一名學生一臺設備，改為2～3人一組，這樣在實驗過程中往往一個學生做，同組人旁觀，教學效果很不理想。

3 改革與探討

實驗教學是高等院校教學的重要組成部分，是對課堂所學理論知識的直觀認識和拓展應用，是學生理論聯(lián)系實際的重要途徑，它在培養(yǎng)學生綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力方面有著不可替代的重要作用。因此傳感器實驗教學必須從理論教學中解脫出來，實驗教學應與本課程特點緊密結(jié)合，做一次全面的改革：

3.1深化傳感器實驗教學改革，著力培養(yǎng)學生動手能力

為推進我國全面的素質(zhì)教育，培養(yǎng)學生創(chuàng)新精神和實踐能力，根據(jù)傳感器實驗教學的現(xiàn)狀和面臨的問題，充分調(diào)研，對目前的傳感器實驗教學進行全面改革：從本科培養(yǎng)計劃的約束，到實際實驗教學的實施；從教師的教學觀念，到學生的實驗的目的等各方面都要充分認識到傳感器實驗在傳感器教學中的重要性，在實際實驗教學中不斷培養(yǎng)學生獨立的操作動手能力。

總體上說，注重引導，加強實驗考核，使學生普遍對實驗重視程度提高，能主動預習準備實驗，甚至帶著問題進實驗室，學生的動手能力明顯增強。

3.2切實加強傳感器實驗室基礎建設和科學管理制度

實驗器材是開展實驗教學活動的基礎平臺，雖然傳感器實驗器材價格相對較貴，但也應逐漸增加傳感器實驗室經(jīng)費的投入，除了確保正常的教學實驗所需各項經(jīng)費外，還要投入一定經(jīng)費改進和完善現(xiàn)有儀器設備。同時，還要加強實驗室科學管理制度的建設，現(xiàn)在各高校的實驗室管理專職人員緊缺，一般由理論課老師來擔任實驗的教學和實驗室管理，其間存在管理漏洞，儀器損壞無法及時維修，嚴重影響實驗教學的開展。因此，傳感器實驗室要根據(jù)本學科的特點和自身條件建立切實可行的實驗室管理制度和實驗操作規(guī)程，逐漸形成較為完整的實驗教學管理和保證體系。

3.3加快傳感器實驗教材的編寫

實驗教材是提高實驗教學質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)。傳感器實驗是近幾年才在各高校普遍開設，據(jù)調(diào)查現(xiàn)階段各高校采用的傳感器實驗教材都是在廠家提供的儀器使用指南的基礎上編寫的講義，缺乏規(guī)范性、普適性。根據(jù)高校實驗教學改革和本學科發(fā)展的現(xiàn)狀更新充實實驗教學內(nèi)容和教學方法，編寫配套的、高水平的傳感器實驗教材是刻不容緩的。

3.4改革傳感器實驗教學的內(nèi)容及方法

3.4.1實驗教學內(nèi)容的改革

為了突出實踐教學，培養(yǎng)學生的應用意識、工程實踐能力，使學生“消化理論、發(fā)展能力”我們對該課程的實驗內(nèi)容進行了較大改革：一方面保留了一些基礎驗證性實驗，如電阻應變、電渦流位移特性、光纖傳感器位移特性實驗等，使學生通過這些實驗，理解傳感器的基木原理和特性，消化教學內(nèi)容；另一方面開設一些設計性實驗，如我們利用電阻應變片設計了數(shù)字電子秤，以及結(jié)合單片機知識設計出自動避障小車和全自動洗衣機控制器等，通過學生自己制作出一些小產(chǎn)品模型，使學生進一步認識到課堂中學過的傳感器在其中的限位、距離檢測等作用。在教學過程中除了要求學生寫出實驗報告外還要求撰寫設計論文，這樣更能夠?qū)⒃O計思想、方案論證、技術(shù)路線等一些列創(chuàng)造性工作反映出來，同時還可鍛煉學生的總結(jié)能力，為將來撰寫科技論文奠定基礎。

3.4.2實驗教學方法的改革

實驗課是驗證理論、應用理論、鍛煉學生動手能力的重要環(huán)節(jié)。在實驗指導的方法上,我們進行了一些改革探索，在實驗指導過程中,注意因材施教,采用啟發(fā)式教學方法,提示學生是否有更好的改進方法等等。如電阻應變實驗中對電子秤標定時反復調(diào)節(jié)Rw3、Rw4直至托盤空時電壓表顯示為0v、200g砝碼時顯示為0.2v。反復調(diào)節(jié)最終是可以達到要求，當學生反復調(diào)節(jié)幾次沒達到預期要求時可能不耐煩了，這時提示學生根據(jù)電阻應變式傳感器的測力原理及輸入輸出特性――線性關系，分析電路中Rw3、Rw4的作用可以看出Rw3起調(diào)節(jié)放大倍數(shù)――即線性關系中的斜率、Rw4起零點參考電壓調(diào)節(jié)――線性關系中的初始值的作用，經(jīng)過這樣比較對應后，很快可以得出這樣的快速調(diào)節(jié)方法：當托盤空時，調(diào)節(jié)Rw4使電壓表顯示為零；然后將10個砝碼全放入托盤，調(diào)節(jié)Rw3使電壓表顯示為0.2v；然后去掉全部砝碼記下此時電壓表讀數(shù)v0 (如0.002v)；再將砝碼全放入托盤調(diào)節(jié)Rw4使電壓表顯示為0.2-v0（如0.198v）；最后再調(diào)節(jié)Rw3使電壓表顯示為0.2v即可。通過像這個實驗一樣的實驗教學方法改革,我們認識到如果在每次實驗指導中都能夠采用啟發(fā)式的方法啟迪學生，發(fā)展學生的發(fā)散思維能力，那么一定能使學生舉一反三，達到學以致用的目的，同時還可激發(fā)學生的創(chuàng)新興趣。

3.5建立科學的實驗考核方案

成績評定方式對于實驗教學十分重要，它是這次傳感器實驗教學改革實施的總體指揮棒。學生最關心的就是成績，我們要充分利用這一法寶設計較為合理的考核方案，既能達到考察的目的，同時使學生通過試驗不僅能很好理解理論知識，還可以培養(yǎng)學生的動手、創(chuàng)新能力。為此，將成績評價定位在是否理解并靈活應用所學知識，以及鼓勵創(chuàng)新思想和創(chuàng)新實踐過程，而不僅僅是結(jié)果正確與否。在總結(jié)多年實驗課經(jīng)驗的基礎上，采用兩種結(jié)果驗收相結(jié)合的形式，一種形式是當面驗收，通過演示和口頭介紹展示實驗過程及實驗效果，并完成高質(zhì)量的實驗報告（包括利用VC、vb、matlab等軟件實現(xiàn)對測量數(shù)據(jù)的分析及相應的改進措施和仿真），這種方式是學生實踐活動結(jié)果的直觀體現(xiàn)；另一種形式是提交撰寫設計論文，相對與前者，這種形式更能夠?qū)⒃O計思想、方案論證、技術(shù)路線等一些列創(chuàng)造性工作反映出來，同時還可鍛煉學生的總結(jié)能力，為將來撰寫科技論文奠定基礎。學生的最終實驗成績是這兩部分成績的綜合。

4 結(jié)束語

關于傳感器實驗課教學改革涉及面廣，環(huán)節(jié)多，是個比較復雜的問題。我們只是在這方面做了一些有益的嘗試，并取得了一定的成功經(jīng)驗。我們改革的目的很明確，就是要讓學生感覺到每一個實驗都是一次挑戰(zhàn)，要想取得成功必須要有充分的準備、嚴謹?shù)膽B(tài)度、細致的操作和靈活的思維。每一次實驗的完成，不僅要讓學生的實驗能力得到充分的訓練和提高，更重要的是要激發(fā)學生的主觀能動性和創(chuàng)造性。只有這樣才能為國家培養(yǎng)出具有較高的全面素質(zhì)的一流人才。

參考文獻：

篇（8）

隨著現(xiàn)代科學技術(shù)的高速發(fā)展，自動導引小車（Automatic Guided Vehicle AGV）得到了廣泛的應用。AGV以電池為動力，并裝有非接觸導航（導引）裝置，以電磁引導、激光引導、慣性引導及GPS引導等方式。可實現(xiàn)無人駕駛的運輸作業(yè)。它能在計算機監(jiān)控下，按路徑規(guī)劃和作業(yè)要求，精確地行走并停靠到指定地點，完成一系列作業(yè)。

AGV以輪式移動為特征，較之步行、爬行或其它非輪式的移動機器人具有行動快捷、工作效率高、結(jié)構(gòu)簡單、可控性強、安全性好等優(yōu)勢。AGV的活動區(qū)域無需鋪設軌道、支座架等固定裝置，不受場地、道路和空間的限制。在自動化物流系統(tǒng)中，最能充分地體現(xiàn)其自動性和柔性，實現(xiàn)高效、經(jīng)濟、靈活的無人化生產(chǎn)。

一、AGV導航系統(tǒng)的系統(tǒng)總體設計

本論文設計了磁帶引導AGV，完成尋跡、蔽障、PWM調(diào)速、人工控制等功能，為大量生產(chǎn)工業(yè)型AGV提供較好的研究基礎。系統(tǒng)模塊設計如圖1所示：

圖1

本論文主要對AGV的硬件系統(tǒng)進行設計，重點研究磁引導AGV的磁尋跡感器模塊軟硬件模塊、速度反饋模塊的設計。

二、磁尋跡傳感模塊設計

磁尋跡傳感器是AGV能否完成磁帶尋跡功能的關鍵，為了檢測到弱磁磁場的存在，要選用靈敏度更高的傳感器。本設計采用磁阻傳感器，可以測量到弱磁磁場的存在。由于磁阻傳感器輸出為模擬量輸出，需要通過響應的A/D轉(zhuǎn)換電路將信號輸入單片機。模塊設計如圖2所示。

圖2 磁尋跡傳感器硬件實現(xiàn)電路

三、速度反饋模塊設計

本論文AGV采用雙輪差速驅(qū)動方式，當電機負載增加時，電機的運行速度下降，一般額定轉(zhuǎn)速降落達3%～10%，為了使兩電機同速，必須要有反饋換環(huán)節(jié)對電機的速度進行反饋。只有組成了閉環(huán)系統(tǒng)，AGV的運動與速度才可控。碼盤接口硬件電路如圖3所示。兩編碼器的A和B兩相信號經(jīng)過74LS14施密特整形，分別接到單片機的P2.3和P2.2 以及INT0和INT1上。單片機對INT1和INT0的中斷次數(shù)計數(shù)來測量通道B的脈沖數(shù)，讀取P1.2的電平狀態(tài)來判斷電機的轉(zhuǎn)動方向。以上升沿觸發(fā)為例，當B路信號的上升沿引起中斷時，單片機判斷P2.2或P2.3信號的電平高低。若其為低，則電機正傳；為高，則電機反轉(zhuǎn)。電機的速度即為一個采樣周期中N值的變化量。電機的轉(zhuǎn)速為，式中，C為標度變化系數(shù)，可根據(jù)轉(zhuǎn)速的量綱來選擇，N為一個采樣周期中的計數(shù)值，它的符號反應電機的轉(zhuǎn)動方向。硬件實現(xiàn)電路如圖3所示。

圖3 光電編碼器實現(xiàn)電路圖

四、總結(jié)

本系統(tǒng)采用PWM調(diào)速及雙輪差速控制，使車輛依照車載傳感器確定的位置信息，沿著規(guī)定的行駛路線和停靠位置，自動行駛，完成規(guī)定的操作。論文對關鍵模塊的設計進行了詳細設計，經(jīng)驗證該系統(tǒng)設計可靠合理，能實現(xiàn)系統(tǒng)設計的基本功能。

參考文獻：

[1] 溫鋼云，黃道平. 計算機控制技術(shù)[M]. 華南理工大學出版社，2002.

篇（9）

1 引 言

生物傳感器（Biosensors）是一門集化學、生物學、醫(yī)學、物理學、電子技術(shù)等諸多學科于一身的交叉學科[1]。近年來， 隨著納米技術(shù)（Nanotechnology）和功能納米材料（Functional nano-materials）的迅速發(fā)展， 生物傳感器的性能已提高到一個新的水平[2]。基于功能納米材料的生物傳感器呈現(xiàn)出體積更小、檢測速度更快、靈敏度更高和可靠性更好等優(yōu)異性能， 在臨床診斷、工業(yè)控制、食品和藥物分析、環(huán)境監(jiān)測以及生物技術(shù)、生物芯片等諸多領域有著十分廣闊的應用前景[3，4]。 因此， 21世紀的第一個十年被稱之為“傳感的十載” [5]。在這10年中， 該領域的發(fā)展非常迅猛， 平均每年約有2000篇相關論文在國際雜志發(fā)表， 2011年度在國際雜志刊載發(fā)表的相關論文已超過3000篇，其中包括Nature Communications， Journal of the American Chemical Society， Analytical Chemistry， Angewndte Chemie International Edition， Chemistry-A Europe Journal等知名期刊。國內(nèi)相關領域的研究緊跟國際發(fā)展的步伐， 取得了較好的研究成果， 2011年度國內(nèi)期刊刊載相關論文60余篇， 其中在《分析化學》和《中國科學：化學》（中英、文版）上近40篇， 在很大程度上推動了國內(nèi)生命分析學科的發(fā)展。

2 基于功能納米材料的生物傳感器的研究現(xiàn)狀

不同納米結(jié)構(gòu)材料的生物功能化是生物傳感器研究的主要亮點和重點[6]。國內(nèi)在該領域的研究發(fā)展也十分迅速， 在2011年度中國期刊刊載發(fā)表基于功能納米材料的生物傳感器的論文中， 納米材料結(jié)構(gòu)涉及二維納米膜[7～18]、一維納米管[19～31]和零維納米粒子[32～46]， 其中研究工作以零維納米粒子和二維納米膜居多；分析對象廣泛， 包括DNA、大腸桿菌內(nèi)毒素、癌胚抗原、氨基酸、葡萄糖、酶、唾液分泌性免疫球蛋白 A、IgG、細胞＼， 基因、谷胱甘肽、過氧化氫等；傳感器類型有電化學傳感器、表面等離子共振（SPR）傳感器、石英晶體微天平（QCM）傳感器和光學傳感器， 其中多數(shù)為電化學傳感器， 在其它類型傳感器方面的探索研究還有待進一步加強。

2.1 二維納米膜

二維納米材料中最具代表性的是納米超薄膜。國內(nèi)研究利用不同的制備技術(shù)（如自組裝、電化學聚合及滴涂法），制得不同的納米超薄膜，建立各種生物傳感器。如Zhang等[7]通過靜電組裝的方式將雙鏈 DNA 膜組裝到納米 SnO2半導體電極上， 然后使用一種DNA雙鏈嵌入劑， 即Ru（bpy）2（dppz）2+作為光電信號分子， 根據(jù)電極的光電信號的變化， 研究光電傳感器中納米材料對DNA的損傷， 為納米材料的毒理學研究奠定了理論基礎。劉艷等[9]利用陽離子型聚合物聚二烯丙基二甲基氯化銨（PDDA）和功能化的帶負電荷的多壁碳納米管（MWCNTs）及石墨烯（GR）之間的靜電吸附， 通過層層自組裝的方法在GCE的表面制備了均一、穩(wěn)定的（PDDA/GR/PDDA/MWNTs）5 多層膜。由于GR和MWCNTs均具有良好的導電性能， 可以提高H2O2的氧化反應中電子傳遞的能力。該電極對H2O2的氧化顯示出較好的電催化活性， 對H2O2響應靈敏度高， 檢測范圍寬。在此基礎上可進一步對膜進行修飾， 如對生物分子的固定， 有望研制出靈敏度更高， 抗干擾性更好的生物傳感器。

電化學聚合法在二維膜的制備中因其簡單、快速的特性得到廣泛應用。張志軍等[10]以電化學聚合苯胺（ANI）/鄰氨基苯甲酸（OAA）， 制得在中性溶液中具有導電性的聚（苯胺-鄰氨基苯甲酸）（PAOAA）共聚物膜， 隨后負載Cu2+通過配位作用固定過氧化氫酶， 實現(xiàn)了蛋白的有效固定， 并保留了蛋白質(zhì)的活性， 為傳感器表面生物分子的有效固定提供了新途徑。張玉雪等[11]利用循環(huán)伏安法將新蒸單體吡咯和羧基化WMCNTs聚合到電極表面， 通過生物素-親和素體系固定探針， 制備了一種電化學DNA 生物傳感器， 成功實現(xiàn)了對沙門氏菌毒力基因invA 的特異性基因片段的快速檢測， 在食品與環(huán)境安全、臨床基因診斷、藥物篩選分析等領域有很廣泛的應用前景。Zhang等[12]在玻碳電極（GCE）表面電聚合了一層鄰氨基苯甲酸， 通過共價方法將抗-CEA（Ab1）捕獲在聚合物膜表面。固定有Ab1的電極和結(jié)合有堿基磷酸酶標記的抗-CEA（Ab1）的金納米粒子（AuNPs）復合物， 實現(xiàn)了對CEA的雙催化信號放大的夾層檢測法， 分析靈敏度提高了近百倍， 實現(xiàn)了CEA的高靈敏度電化學檢測。

滴涂法也是二維膜材料制備過程中常見的方法之一。汪紅梅等[15]依據(jù)慢性粒細胞白血病BCR/ABL融合基因的堿基序列， 設計了一種新型發(fā)夾結(jié)構(gòu)鎖核酸（LNA） 探針， 將該探針滴涂在金電極表面形成一超薄LNA探針膜層， 對慢性粒細胞白血病基因片段表現(xiàn)出良好的電化學響應信號， 有望在臨床慢性粒細胞白血病基因的早起診斷中得到應用。

在2011年度國內(nèi)基于二維功能納米膜作為分子識別元件在生物傳感器中的應用的研究工作中， 二維納米膜的制備方法多以電聚合和滴涂法為主， 只有很少一部分工作使用自組裝的方法制備二維納米膜。然而， 自組裝是目前制造納米材料最方便、最普遍的途徑之一， 特別對于制造結(jié)構(gòu)規(guī)則的功能納米材料， 自組裝已經(jīng)顯示出獨一無二的優(yōu)越性。因此， 今后應加強研究自組裝功能納米材料在生物傳感器領域中的應用研究。

篇（10）

Discussion on education of the postgraduate course: wireless sensor networks

Zhang Jianhui, Zeng Hong

Hangzhou dianzi university, Hangzhou, 310018, China

Abstract: This paper analyzed some appearing problems in teaching this course among postgraduate students, and designed a new way in theory teaching by designing and constructing test-bed, by designing and developing experiment items. Our new teaching way could change the unsmooth and bald status quo in unidirectionally teaching theoretical courses, and was a reference to promote the teaching development of postgraduate courses.

Key words: wireless wensor networks; teaching of theoretical course; self-developed test-bed; experiment item

無線傳感器網(wǎng)近年來成為IT領域的研究熱點[1]。2009年8月，總理提出盡快建立“感知中國”中心，促進我國無線傳感器網(wǎng)技術(shù)與產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。無線傳感器網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)核心，2010年7月20日，教育部向社會公布了2011年全國各高校140個本科新專業(yè)詳細名單，其中“物聯(lián)網(wǎng)工程”專業(yè)占據(jù)30個，高居榜首。無線傳感器網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)骨干課程之一，也是一門新課程。我們對該課程的教學方法作了些探索性的改革。

1 目前存在的問題

物聯(lián)網(wǎng)作為新專業(yè)有新的建設和教學思想[2]。而無線傳感器網(wǎng)作為新興行業(yè)的新課程，其理論基礎要求高，應用性也要強，因而給教學帶來新的挑戰(zhàn)。存在的主要問題有：

(1)教學內(nèi)容涉及廣與系統(tǒng)性教學的矛盾。無線傳感器網(wǎng)是一門應用性和理論基礎要求都很強的課程。該課程所講述的網(wǎng)絡是一種集成創(chuàng)新型技術(shù)，同時理解和運用好該技術(shù)需要一定理論基礎。它所涉及的內(nèi)容廣泛，需要多方面計算機基礎理論知識，且涵蓋面廣，包括概率論、圖論、高等數(shù)學、隨機過程等。同時，它涉及單片機編程、電子線路、無線電發(fā)射等多方面硬件知識。而這門課程的傳授對象是研究生，研究生班的學生往往來自不同專業(yè)，讀研期間的主修專業(yè)也各不相同，而其導師所指導的研究方向更是千差萬別。因而，如何系統(tǒng)地講授這門課，同時又能滿足學生不同需求，將成為面臨的難題。

(2)理論教學與實驗教學的脫節(jié)。無線傳感器網(wǎng)是門全新課程，問題(1)中所述特點使得在理論與實驗教學兩個方面的任務既各有特色又繁重，造成這兩方面的教學任務難以平衡。由于它是一門新課程，可以借鑒的教學經(jīng)驗并不多。而從橫向比較來看，類似應用性很強的課程，其教學方法一般單一地偏向理論教學或?qū)嶒灲虒W。

(3)傳統(tǒng)單向性教學模式的不良影響。多年來，研究生教學模式一般都是單向性的，即教師教、學生學，缺乏真正的互動，難以培養(yǎng)學生的獨立思維，更難以激發(fā)其主動性和創(chuàng)造性。從學生角度來看，這種教學模式從中學一直延續(xù)到研究生階段，沒有讓學生充分參與到教學中來，使得學生的學習效果無法保證，學習的興趣也不高。這種長期的被動式參與教學，使得學生失去了主動性、獨立性和主導性，形成了不良的學習和科研習慣，最終導致研究生創(chuàng)造性的缺失[5]。

2 改革方法

我們在Seminar[4]教學方法的基礎上，讓學生充分參與教學，體會完成科研任務的獨立性和自主性。總體改革方法是教師導引，學生參與學、教、實驗設計與實現(xiàn)全過程，形成單向教學向理論教學與實驗互動、學生參與轉(zhuǎn)變。在設計該方法時，要充分考慮到所在高校的歷史與優(yōu)勢，發(fā)揮其在電子電路設計、嵌入式編程等方面的堅實基礎與專業(yè)特色，觀察學院近幾年在無線傳感器網(wǎng)方面的發(fā)展速度，針對前一小節(jié)所提出的問題，給出相應的教學改革方法。

夯實基礎知識，劃分學習小組。本課程選擇的教材清華大學出版社出版、孫利民等編著的《無線傳感器網(wǎng)絡》為主教材，以劍橋大學出版社出版的Xiangyang Li的專著"Wireless Ad Hoc and Sensor Networks: Theory and Applications"為輔助教材。在掌握無線傳感器網(wǎng)絡這門課程的基礎知識的同時，根據(jù)學生所學專業(yè)和研究方向，將他們分為兩大組：理論組和應用組(如圖1所示)。對于理論組和應用組分別布置不同的課外作業(yè)。為此，筆者從計算機網(wǎng)絡、體系結(jié)構(gòu)和應用技術(shù)領域的一些最新國際頂級會議上，如SigComm，MobiCom，SenSys，InfoCom等，選擇理論和應用兩類論文。其中，根據(jù)每名學生的指導教師對研究方向的要求，對所選論文進行較細致的篩選。在所選出的論文中，學生可以根據(jù)自己的興趣進行再選擇。當然，學生也可以從指定的學術(shù)會議論文集中選擇論文。這是一個有限定的雙向選擇過程，所選論文包含諸多無線傳感器網(wǎng)絡應用案例和科研實例。這些論文作為課外作業(yè)讓學生自己去研讀，而教師會從兩個組中分別隨機抽取部分學生，分兩個階段，即理論階段和應用階段，讓其上講臺宣講其所讀的論文。在宣講過程中，大家可以自由提問和討論，學生由此可以充分參與到教和學的兩個環(huán)節(jié)。課堂的自由討論，使得學生從傳統(tǒng)課程授課模式中的被動聽課變?yōu)橹鲃訁⑴c，提高了學生對該課程的學習和參與興趣。為保證效率，教師對宣講和討論的時間做了限定，在討論的過程中也會做一些導引。

在兩個階段(理論階段和應用階段)開始之前，教師分別講授兩個階段的基礎知識，即理論基礎知識和應用基礎知識。由于所涉及的內(nèi)容非常廣泛，講授一些入門知識，而對學生所要宣講論文的相關基礎知識要深入地講解。另外一個重要的組成部分是給學生講授獲取相關知識的技巧與途徑，例如如何使用圖書館資源及學術(shù)網(wǎng)站，如Google scholar，Citeseer等。

圖1 教學步驟圖

在上述過程中，理論組的學生偏重理解算法的原理，應用組的學生偏重算法實現(xiàn)所需的硬件運行原理和編程實現(xiàn)。筆者所在實驗室的主要研究方向之一是無線傳感器網(wǎng)絡，依托這個實驗室特點，在指導學生時采用TelosB傳感器節(jié)點，在TinyOS平臺上開發(fā)算法實現(xiàn)程序。

統(tǒng)分兼顧，學生自主。如圖1所示，在“理論(應用)基礎知識”階段中，通過讓學生自己閱讀學術(shù)論文，讓兩個組的學生分別對某一方面的理論知識有了具體了解，對無線傳感器網(wǎng)絡中的硬件原理也有了初步認識。在緊接著的“理論(應用)案例”階段中，從學生宣讀過的學術(shù)論文中挑選出幾篇經(jīng)典的論文，它們有算法設計及其性能的理論分析，又有實驗設計與驗證。為此，根據(jù)先前的理論組和應用組劃分，以及所選經(jīng)典論文，進一步將學生交叉分隊。一個分隊一般由5名學生組成：一名學生負責算法原理的解釋，兩名負責TinyOS編程和調(diào)試，一名負責數(shù)據(jù)采集與硬件平臺搭建，最后一名負責協(xié)調(diào)分隊整體工作并撰寫最終實驗報告。實際教學過程中，每隊學生人數(shù)和任務分配可以視情況做適當調(diào)整，例如，當理論組學生人數(shù)較多時，在每隊中負責算法原理解釋的學生可以適當增多。當分隊組建好以后，分給每名學生的任務以課外作業(yè)的形式完成。每個分隊的進度情況由該隊負責人以實驗報告的形式按階段提交給教師。同時，在協(xié)調(diào)學生完成作業(yè)的過程中，教師應逐個分析案例，這些案例中有涉及路由設計的，有涉及面向?qū)嶋H應用數(shù)據(jù)采集的，也有涉及網(wǎng)絡時延分析的，案例涵蓋面廣，以解決課程內(nèi)容涉及廣的問題。

案例分析結(jié)束以后，進入實驗驗證或者仿真分析。在這個過程中，主要分以下幾個階段：實驗平臺的構(gòu)建、實驗設計、實驗驗證及其實驗報告的撰寫。在這些過程中，學生不僅充分參與，而且在有些過程中，學生還起到主導的作用。實驗平臺的構(gòu)建需要一定的科研經(jīng)費支持，制作過程復雜，將在下文中闡述。在無線傳感器網(wǎng)絡的教學中，由于實驗條件限制，不一定都能搭建硬件平臺。另外，在教學中還發(fā)現(xiàn)，一個實驗平臺不能同時滿足多個分隊使用，而有些分隊的任務也不一定要在實驗平臺上進行。為此，讓部分有一定C/C++語言編程基礎的學生使用一個專門的網(wǎng)絡仿真平臺―OMNeT++[3]。

OMNeT++是一個面向?qū)ο蟮碾x散時間模擬器，由土耳其布達佩斯技術(shù)大學的Andras Varga等人設計。其內(nèi)核源代碼完全開放，采用標準C++語言編寫，可以運行于Linux，Windows等幾乎所有支持標準C++的系統(tǒng)平臺上。它采用了一種搭積木式的建模方式，可以應用于任何離散事件系統(tǒng)的計算機模擬和仿真，包括模擬通信網(wǎng)絡的業(yè)務流，模擬通信協(xié)議的模型，排隊網(wǎng)絡，模擬多處理器和其他分布式系統(tǒng)。對于教學比較有利的是OMNeT++完全免費，有很多現(xiàn)成的模塊、框架和范例，相關資源可從其官方網(wǎng)站[3]免費下載。在教學過程中，部分學生使用該仿真軟件，完成了一些無線傳感器網(wǎng)絡中的案例，如消息洪泛案例仿真(如圖2所示)，目標追蹤案例仿真(如圖3所示)。在圖2，3中，灰色點和白色點表示傳感器節(jié)點，灰點表示已經(jīng)接受到消息的節(jié)點；圖中間較大的點表示Sink節(jié)點；圖3左上角的黑色點表示目標。

圖2 消息洪泛仿真截圖 圖3 目標追蹤仿真截圖

自制實驗平臺，自己設計完成實驗，學生充分參與。需要實驗平臺驗證的分隊參與設計與構(gòu)建了一個無線傳感器網(wǎng)絡平臺(如圖6所示)。該平臺高2米，寬4米，由200個自制TelosB節(jié)點(如圖4所示)、50個多接口Hub(如圖5所示)和一臺臺式機組成。2009和2010級部分研究生參與了該實驗平臺的設計與搭建。在該實驗平臺上驗證理論或應用案例的每個分隊，都自行設計、開發(fā)、調(diào)試實驗和相應的TinyOS程序。根據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡這門課程教學的需要，以及學生科研和興趣的選擇，先后設計了6個實驗：時間同步、路由樹構(gòu)建、基于非時間同步的通信時間調(diào)度、消息洪泛、主被動式追蹤、人物辨別。

圖4 自制TelosB傳感器節(jié)點 圖5 多接口Hub

圖6 200個節(jié)點組成的測試平臺

3 結(jié)束語

在整個教學過程中，總體教學思路是：從課程基礎知識開始，將學生分成兩類(理論類和應用類)；根據(jù)學生的興趣和科研需要，有重點地講解具體的理論和應用基礎知識；而后以國際頂級會議論文為素材，從具體案例著手，通過讓學生充分參與的方式誘導學生理解理論知識(如圖論、概率論、隨機過程等)是如何在無線傳感器網(wǎng)絡這個應用性技術(shù)中應用的，也讓他們體驗無線傳感器網(wǎng)絡中的算法是如何在實際實驗平臺上實現(xiàn)的。整個過程從基礎理論知識細化到具體理論知識，再到具體案例分析，循序漸進，有重點、系統(tǒng)性地講授了這門知識涉及面廣、結(jié)構(gòu)較為龐雜的應用性課程。同時，在整個教學中，學生也從逐漸參與、充分參與到教和學中，到最后甚至在某些方面起到主導作用。新教學方法使得學生在研究生階段能夠體會從被動地學到主動地、獨立地完成一個完整的科研任務的轉(zhuǎn)變。這種轉(zhuǎn)變中蘊含著主動創(chuàng)新的種子，在長期的科研鍛煉中將會發(fā)芽結(jié)果。

參考文獻

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篇（11）

生產(chǎn)實踐表明測量裝置失效是導致連續(xù)工業(yè)過程控制間斷的重要因素之一[1]。因此，對連續(xù)工業(yè)過程進行傳感器置信度評估尤為重要。目前常用的方法有貝葉斯估計法、DS證據(jù)推理法、自適應神經(jīng)網(wǎng)絡模糊推理方法(ANFIS)和人工免疫網(wǎng)絡法等[2，3]。其中，連續(xù)生產(chǎn)過程中的物質(zhì)能量流模型和人工免疫網(wǎng)絡傳播模型相類似，所以利用這種關系進行傳感器置信度評估已成為近年來自動化領域研究的熱點。目前基于人工免疫網(wǎng)絡的傳感器置信度評估方法主要有:以Ishida為代表的動態(tài)識別免疫網(wǎng)絡和以Leonard M.Adleman為代表的基于DNA的陰性選擇[4-6]。而前者已成功地應用于水泥生產(chǎn)過程的設備傳感器置信度評估。但是Ishida動態(tài)識別方法中只能處理傳感器關系確定的情況。因此，本文引入了傳感器關系的非確定性約束，用于連續(xù)生產(chǎn)過程傳感器之間為非確定關系情況下的傳感器置信度評估。

1　傳感器置信度評估算法Ishida動態(tài)識別免疫網(wǎng)絡是在N.K.Jerne系統(tǒng)級識別方法基礎上提出的。N.K.Jerne認為在免疫網(wǎng)絡理論中，免疫系統(tǒng)由識別集合組成，識別集合中的一些抗原可以被其他抗原激活，并產(chǎn)生抗體;而這些抗體又可以激活其他的抗原。通過這種方式，刺激可以從一個抗原傳播到另外一個抗原，直至影響整個網(wǎng)絡。對刺激信號的辨識不是一個抗原單獨完成的，而是通過抗原相互連接的網(wǎng)絡進行的[7，8]。Ishida動態(tài)識別免疫網(wǎng)絡方法利用傳感器之間的約束條件為每個傳感器建立測試單元。在用動態(tài)識別免疫網(wǎng)絡進行傳感器置信度評估時，網(wǎng)絡主體與傳感器相對應，免疫細胞的濃度與傳感器的可靠性相對應，網(wǎng)絡平衡狀態(tài)與傳感器正常狀態(tài)相對應，外部刺激信號和測試單元的測試結(jié)果相對應。因此，這個網(wǎng)絡中的每一個傳感器不僅測量工業(yè)過程的物理量，還要評估其他傳感器的可靠性。在同一工業(yè)過程中，溫度、壓力、流量等傳感器的測量值之間既互相獨立又互相聯(lián)系;只要利用簡單的工業(yè)過程知識就能建立起這些傳感器之間具有確定性的約束，所以這種方法實現(xiàn)起來較為簡單。這種模型可用圖1的結(jié)構(gòu)表示。圖1　動態(tài)人工免疫網(wǎng)絡圖中是一個包含n個節(jié)點的人工免疫網(wǎng)絡Nais(p(i)ais)，i =1，…，n。其中p(i)ais是網(wǎng)絡的第i個節(jié)點， p(i)ais= {Aais，I(1)ais，I(2)ais，…，I(m)ais}，Aais表示網(wǎng)絡中的抗體，I(i)ais表示第i個抗體的獨特位。在Ishida的方法中，p(i)ais與工業(yè)現(xiàn)場中的第i個傳感器的邏輯位置相對應，抗體Aais與傳感器實體相對應，抗體Aais的濃度與傳感器的可信度對應，獨特位I(1)ais，I(2)ais，…，I(m)ais對應m個測試單元。對Aais(Aais∈p(i)ais)的刺激由第i個傳感器和其他傳感器建立的測試單元對應的獨特位I(1)ais，I(2)ais，…，I(m)ais產(chǎn)生。但是，測試單元存在如下缺點[3]:測試單元的結(jié)果只能用0，1，-1來表示，不能利用人工經(jīng)驗等一些非確定知識。針對這些缺點本文進行了改進，設計了新型的測試單元。針對Ishida測試單元存在的不足，本文設計了模糊測試單元，使其能夠反應傳感器數(shù)值間的非確定性關系。在動態(tài)識別免疫網(wǎng)絡中，獨特位Iais實際上就是傳感器數(shù)值Sj和Sk的關系的體現(xiàn)，而這種關系用在模糊論域可分為5個等級:{Sj小于Sk，Sj小于等于Sk，Sj在Sk的附近變化，Sj大于等于Sk，Sj大于Sk}。Sj和Sk之間的模糊關系則代表了動態(tài)識別免疫網(wǎng)絡中抗體之間刺激的強度。設在t時刻，抗體Aais對應的傳感器j通過獨特位I(jk)ais收到來自k傳感器的刺激為I(jk)ais(t)，則其隸屬度為I(jk)ais(t) =∪5l=112πσaisle-(sj-sk-μaisl)22σ2aisl(1)式中I(jk)ais(t)∈(0，1)，兩個數(shù)列之間的關系是互易的，所以I(jk)ais(t)=I(kj)ais(t);ηaisl，σaisl(l=1，2，3，4，5)是不同等級的隸屬度函數(shù)的中的常數(shù)，由Sj和Sk之間的統(tǒng)計關系決定。由外部刺激引起抗體濃度ri產(chǎn)生變化，可表示為dr(i)aisdt=∑nj=1R(i)aisI(ij)ais∑ni=1R(i)aisξais+r(i)ais(1-ξais) (2)R(i)ais=2arctan(qais·r(i)ais)π(1-Rd)+Rd(3)式中Rd∈(0，1)，經(jīng)驗值取0.001;R(i)ais表示節(jié)點p(i)ais對應的第i個傳感器的可信度，R(i)ais越大，傳感器的可信度越高，由于qais·rais>0，所以Rais∈(Rd，1);ξais為靈敏度系數(shù);qais是網(wǎng)絡平衡狀態(tài)的調(diào)節(jié)系數(shù)，主要作用是傳感器網(wǎng)絡在正常時的可信度調(diào)節(jié)在一個合適的范圍內(nèi)。

轉(zhuǎn)貼于 2　參數(shù)確定的方法在本算法中，需要確定的參數(shù)有兩類:一類是式(1)影響對獨特位刺激程度的參數(shù)μais和σais，另一類是影響網(wǎng)絡平衡狀態(tài)的參數(shù)ξais和qais。參數(shù)μais和σais主要表征了和獨特位對應的測試單元中兩個傳感器之間的關系。這種關系通常是生產(chǎn)工藝所要求的(或者工業(yè)過程特性決定的)。要確定參數(shù)μais和σais，首先要獲取這兩個傳感器大量的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，然后以它們相同時刻測量值的差作為樣本。μais是該樣本的正態(tài)分布的均值，σais是該樣本的正態(tài)分布的均方差。參數(shù)ξais和qais影響網(wǎng)絡的平衡狀態(tài)，如圖2所示。從圖中可以看出:ξais越大，網(wǎng)絡對外界的反映就越靈敏，但容易產(chǎn)生誤報。qais越大Rais正常狀態(tài)下就越大;但是，qais過大會造成測量失效狀態(tài)下的可信度變大，容易發(fā)生漏報。參數(shù)ξais和qais可以通過學習得到。在傳感器正常工作狀態(tài)下，qais可通過以下公式得到qais(t+1) = qais(t)+αais(Rais-R0) (4)式中αais為步長系數(shù);R0為qais調(diào)節(jié)時傳感器正常狀態(tài)下置信度的平均值，一般可取0.7。在某個時刻，1732傳　感　技　術(shù)　學　報2008年能比較試驗。ANFIS結(jié)構(gòu)如圖4所示，酵罐三個溫度傳感器，兩個作為輸入，另外一個作為輸出，對傳感器輸入值的隸屬度劃分為兩個區(qū)間:正常和異常。經(jīng)過訓練以后和分別對應于兩個輸入傳感器的“標準可信度”。圖4　ANFIS的結(jié)構(gòu)例如，當對于罐頂傳感器的置信度評估時，建立2個ANFIS:ANFIS-1:輸入為罐頂傳感器和罐中部傳感器，輸出為罐底傳感器，w(1)top表征罐頂傳感器的置信度。ANFIS-2:輸入為罐頂傳感器和罐底傳感器，輸出為罐中部傳感器，w(2)top表征罐頂傳感器的置信度。那么，罐頂傳感器的置信度為w(1)top和w(2)top的平均值。其余兩個傳感器的評估方法也同樣。AN-FIS實驗使用和人工免疫網(wǎng)絡實驗相同的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)窗口大小為30 ks。由于兩個實驗中的置信度沒有可比性，人工免疫網(wǎng)絡算法中的置信度來源于人工經(jīng)驗，ANFIS的標準的可信度來源于歸一化的權(quán)系數(shù)。因此，論文比較的是:傳感器“故障”引起的其置信度變化率ηt，ηt=| Rm-Ra|Rm(6)式中:Rm表示正常狀態(tài)下的置信度，Ra表示異常情況下的置信度。對比實驗的結(jié)果如表2所示，從中可以看出，兩種方法結(jié)果是一致的，而當偏差數(shù)據(jù)較大時，ANFIS方法ηt的較大，對故障數(shù)據(jù)比較敏感，在偏差較小時，人工免疫網(wǎng)絡算法的ηt較大，對故障數(shù)據(jù)比較敏感。因此，人工免疫網(wǎng)絡算法適用的數(shù)值范圍更廣一些。表2　對比實驗的ηt結(jié)果傳感器偏差數(shù)據(jù)/℃人工免疫網(wǎng)絡方法ANFIS方法罐頂傳感器-0.50 34.6% 57.7%罐中部傳感器-0.30 18.1% 4.8%罐底傳感器-0.15 6.4% 0.2%

3　結(jié)論論文研究了連續(xù)過程中傳感器具有非確定關系情況下的傳感器置信度評估。實驗證明:①具有模糊測試單元的人工免疫網(wǎng)絡能夠使用人工經(jīng)驗對傳感器的數(shù)據(jù)置信度進行評估;②具有模糊測試單元的參數(shù)物理意義明顯、確定方法簡單易行。但是，論文中的算法在某些情況下抗干擾能力較弱。例如，圖3(c)所示情況應用單條件的閥值比較的方法輸出的結(jié)果不穩(wěn)定，論文將用復合的判決條件的方法在此深入研究。

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