栗 辉，杨 旭，李 擎，崔家瑞，李希胜，张兆隆

（北京科技大学 自动化学院，北京 100083）

党中央、国务院于 2015年作出了建设世界一流大学和一流学科的重大战略决策，明确指出了高等学校着力培养具有历史使命感和社会责任心，富有创新精神和实践能力的各类创新型、应用型、复合型优秀人才的“双一流”建设任务[1-3]。

实验教学设备作为培养学生工程实践能力和创新精神的重要载体，其性能优劣直接影响学生培养的效果[4-7]。目前，我校自动化学院在本科实验教学仪器的建设上还存在以下问题：

（1）部分实验装置内容相对陈旧。实验项目经常跟不上时代发展步伐，紧跟科技前沿就更加无从谈起，这必然导致学生毕业后无法适应企业和社会需求。如物联网技术课程中只介绍了RS485、CAN等常用通信总线，未提及电力线载波通信技术，而电力线载波通信技术目前已广泛应用于电力用户信息采集系统和智能家居系统等。

（2）设备使用效率不高。教学设备功能相对单一，同一类课程不能复用同一实验箱，部分设备只能用于某一门课程几个学时的实验，比如仅“智能信号处理”的一系列课程就需要6家公司的8套实验箱才能完成，这也导致学生很难对智能信号处理流程形成比较系统的理解。

（3）实验设备开放性差，不利于二次开发。教仪厂家提供的实验设备一般不公开详细的开发资料，这就导致教师对设备具体细节不了解，无法直接指导学生，很多时候只能依靠厂家工程师讲解设备的使用方法，学生也只是按照实验指导书进行操作，很难满足综合性和创新性实验的教学需求。如嵌入式控制系统课程设计使用的华清远见公司的微控制器实验箱FS_STM4，目前只能开展蜂鸣器、ADC、TFT LCD等几个比较基础的实验，远远达不到教学大纲所要求的课程目标。

针对以上问题，学院鼓励教师自制实验设备，本团队结合在智能建筑领域的科研课题，研制了智能信号处理一体化创新实训平台。借助该平台，可以完成信号的检测、传输、处理和显示整个流程中所涉及的所有实验项目。

1 研制背景

本教学团队 2014年起与北京住总集团设计院开展密切科技合作，签署了产学研合作协议，并完成了3项企业委托课题。

在“公共建筑低功耗智能监控管理系统的研制”课题资助下，自主研发了包含节点群（环境信息/设备状态/电量检测、风扇/照明/空调/新风系统控制）、智能网关、上位机的公共建筑智能监控与能效管理系统，并完成了多个项目实施。其中环境监测仪、智能网关及上位机作为第一个超低能耗被动式建筑示范工程入驻雄安新区城乡管理服务中心。系统整体框架如图1所示。

图1 公共建筑智能监控与能效管理系统整体框图

该科研项目涉及自动化、测控技术与仪器、物联网、计算机科学与技术、机械工程等相关专业的知识点，具体对应关系如表1所示。

表1 项目涉及的课程及对应的知识点

在项目研制过程中取得的成果包括：授权发明专利2项、实用新型专利6项、软件著作权12项。这些科研成果为自制实验教学仪器设备提供了必要的技术支撑和知识产权保护。

北京科技大学自动化专业作为第五批国家级特色专业、卓越工程师培养计划专业，于2015年和2018年顺利通过了两轮工程教育专业认证，2016年获批北京高等学校示范性校内创新实践基地建设，并在实验实践类课程教学方面取得了一系列成果[8-15]。为了更好地发挥科学研究在实践教学中的促进作用，用科研反哺实验教学，本团队基于“公共建筑低功耗智能监控管理系统的研制”项目，开发了一体化创新实训平台。

2 一体化创新实训平台设计

2.1 设计思路

本平台从实验教学设备的科学性、工程性、实用性、安全性和一体化五个方面进行设计。科学性方面，在理论上涉及模拟电子、数字电子、传感器、单片机、嵌入式、计算机控制技术、虚拟仪器等多门自动化专业核心课程的主要知识点；工程性方面，源于横向工程项目成果；实用性方面，采用节点感知层、网关传输层和能耗管理层三层架构设计，能够同时满足多门课程实验，且实验平台易于操作、性能稳定；安全性方面，采用“底板+主板”设计思想，双板分离可以隔离220 V强电等不安全因素，通信接口均设计了安全指示灯和过压过流保护电路；一体化方面，涵盖了信号处理的完整信息链。

2.2 总体效果图

实验台长3.6 m、宽1.8 m，采用铝板作为支撑面、能同时容纳6～8名学生同步实验。平台照片如图2所示。

图2 一体化创新实训平台照片

2.3 各层组成设备介绍

2.3.1 节点感知层

1）节点感知层基本功能。

节点感知层主要包括信息采集、控制、驱动、通信、显示和接口等6类模块。采集的信息包括4个环境信息（PM2.5、CO2、温度、湿度）、4个状态信息（开/关窗、风扇、照明、空调）和3个电量信息（风扇、照明和空调）；控制对象包括风扇、照明和空调等3个，用于人体舒适度调节；驱动模块主要用于开关继电器和电机；显示模块主要包括LED指示灯和LCD显示；接口模块主要包括继电器输出、SPI、CAN总线、485总线、I2C和多个I/O口等接口。节点感知层的基本功能框图如图3所示。

图3 节点感知层基本功能框图

2）“底板+主板”设计方案。

为了保证实验设备的通用性、开放性与可扩展性，采用“通用底板+功能主板”的形式进行设计。底板与主板功能分配如图4所示。

图4 节点感知层底板+主板功能分配示意图

3）底板实物。

设计的通用底板实物如图5所示。

图5 节点感知层底板外观图

4）主板实物。

主板分为环境信息采集主板和电量检测主板两种，具体如图6所示。

图6 节点感知层主板外观图

图6 (a)显示模块中“T”表示温度；“RH”表示湿度；“CO2”表示二氧化碳；左侧绿色图形表示PM2.5浓度，分为红（＞100 μg/m3）、橙（35～100 μg/m3）、绿（＜35 μg/m3）三个等级。

2.3.2 网关传输层

网关传输层主要完成与节点感知层、能耗管理层进行通信，并存储节点感知层采集的数据。与节点感知层的通信方式有电力线载波、CAN总线和485总线；与能耗管理层的通信方式有GPRS、Wi-Fi和以太网三种方式，其中GPRS模块支持2个IP地址同时在线，Wi-Fi通信模块支持Station和AP双模双在线。智能网关支持三种通信协议，分别是376.1-2009、376.2-2009、DLT645-2007。

考虑到网关传输层功能的可扩展性，采用“标准化接口+CPU主板+底板+通信模块”的形式设计，原理框图及实物外观分别如图7和图8所示。

图7 网关传输层原理框图

图8 网关传输层实物图

2.3.3 能耗管理层

能耗管理层由上位机检测平台组成，完成智能建筑能耗检测与优化控制。具体功能包括数据的可视化展示和节点感知层环境信息设定值优化等。基于LabVIEW软件开发的总体展示界面如图9所示。

数据的可视化展示包括监控和统计两个方面，其界面如图10所示。

设定值优化功能首先基于人体舒适度指数、阶梯电价等信息确定目标函数，再用相关的优化算法确定节点感知层控制模块中环境信息的参数设定值，以达到能耗最小的目的。

图9 总体展示界面

图10 能耗管理层部分软件界面

3 实验项目设计和讲义编写

针对3个专业的7门课程，设计了一系列复杂度逐渐增加的实验项目66个，并配套编写了实验讲义，具体情况如下。

1）节点感知层实验项目。

现代传感器技术：信号调理电路、ADC模数转换、温度采集与转换、环境参数采集与滤波、设备状态采集点抄等5个实验项目。

单片机系统及应用：继电器、光电开关、系统滴答、UART-DMA通信、按键扫描、温度采集、SPI_FLASH_W25X16、PM2.5采集等8个实验项目。

嵌入式控制系统：CAN总线通信、RS485串行通信、FSMC驱动TFT液晶屏、5.5寸TFT彩屏触摸屏、SD卡FATFS文件系统、μCOS 操作系统、USB虚拟串口等10个实验项目。

嵌入式控制系统课程设计：CAN总线控制器设计、CAN转RS485模块设计、Wi-Fi转电力线载波模块设计、基于电力线载波的 PM2.5检测装置设计、基于RS485的开关窗控制系统设计、多合一（温湿度、PM2.5、CO2等）环境检测仪设计等6个实验项目。

2）网络传输层实验项目。

嵌入式控制系统：ARM Cortex-M4 基本外设应用、SDIO外设读写控制、USART转GPRS通信、USART转 Wi-Fi通信、智能网关-感知节点点抄等 8个实验项目。

物联网技术：网关—节点通信（载波/RS485/CAN）、网关—上位机通信（GPRS/Wi-Fi）、低压电力线载波组网等6个实验项目。

嵌入式控制系统课程设计：GPRS/4G/Wi-Fi转CAN/RS232/RS485/电力线载波多合一智能网关设计等12个实验项目。

3）能耗管理层实验项目。

虚拟仪器：LabVIEW 显示控件应用、LabVIEW串口通信、LabVIEW以太网通信、LabVIEW数据库、LabVIEW层次化设计、LabVIEW状态机、LabVIEW人机交互设计等6个实验项目；

嵌入式控制系统课程设计：基于 LabVIEW 与STM32的虚拟仪器设计等2个实验项目。

4）综合创新性实训项目。

自动化生产线实训：面向智能建筑的节点群协同通信、面向智能建筑的能耗管理一体化平台设计、基于人居行为的智能建筑环境检测与优化系统设计等 3个创新实训项目。

5）配套的一体化实验讲义。

为了方便教师和学生更好地熟悉实验平台，针对不同课程分别编写对应的实验讲义共计9本，其中，嵌入式控制系统课程按照平台的三层结构分为上、中、下三册，如图11所示。

图11 嵌入式控制系统实验讲义

4 应用效果

（1）近两年，该平台已应用到我校自动化学院自动化、测控技术与仪器、智能科学与技术3个专业，共计 2 000余名本科生的课内实验、课程设计和生产实训，平台应用学时数累计超过了1 600。

（2）基于该平台还完成了大量课外教学项目，并取得了一系列成果：立项了“基于 STM32的铝电解槽阳极导杆分布电流检测仪设计”等SRTP项目8项；孵化了“基于 LabVIEW 的分布式室外环境检测仪设计”等12个项目参加全国虚拟仪器大赛等省部级学科竞赛并获奖；转化为“信息类开放共享仪器设备的运行状态检测装置设计与开发”等本科毕业设计10项、“楼宇自动化监控系统与能耗优化研究”等研究生课题7项；发表“高等学校信息类实验设备开放共享模式探究”等中文核心期刊论文8篇；被授权“基于低压电力线载波的自组网抄表方法”等发明专利2项、“一种集中监控智能网关”等实用新型专利12项；登记“基于 LabVIEW—TCP/IP的建筑能耗采集综合管理系统软件”等软件著作权15项；学院学科竞赛获奖率一直稳居全校前两名。

（3）该平台于2019年8月获得第二届自动化类专业青年教师实验设备设计创客大赛银奖。

5 结语

在新工科建设背景下，设计了智能信号处理一体化创新实训平台，该平台由节点感知层、网络传输层和能耗管理层组成，形成了66个实验项目，编写了配套实验讲义，并应用到我校自动化学院3个专业的实验实践类课程中，全方位提升了学生的动手实践能力和创新意识。