基于无线传输的分布式数据处理实验教学平台设计

丁青锋 邓玉前 李宋

摘  要：为了加强电子信息类专业知识的综合应用，综合多门专业课程实验教学需求，设计了基于无线传输的分布式数据处理实验教学平台。通过DS18B20采集多点温度数据将分布式温度数据输入到单片机无线发送模块，多点温度数据通过其配置的nRF24L01无线传输到单片机无线接收模块，并将接收到的多路温度数据通过RS232接口发送给计算机，利用VB实现温度数据的多路采集、实时动态显示、数据存储等功能。实验结果表明，该综合实验平台具有功能全面、操作简单、交互性强等优点，为学生实践能力与创新能力的培养提供了一个良好的实践平台。

关键词：分布式数据处理;实验教学平台;无线传输;电子信息类专业

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2019）21-0067-04

Abstract： In order to strengthen the comprehensive application of electronic information knowledge and meet the needs of many professional experimental educations， a distributed data-processing teaching platform for specialty experiments based on wireless transmission was designed. The DS18B20 collects multi-point temperature data and inputs the distributed temperature data into the wireless transmission module of the single-chip microcomputer. The multi-point temperature data is wirelessly transmitted to the wireless receiving module of the single-chip microcomputer through the configured nRF24L01， and the received multi-channel temperature data is sent to the computer through the RS232 interface. VB is used to realize multi-channel acquisition， real-time dynamic display and data storage of temperature data. The experimental results show that the comprehensive experimental platform has the advantages of comprehensive functions， simple operation and strong interactivity， which provides a good practice platform for the cultivation of students' practical ability and innovative ability.

Keywords： distributed data-processing; experimental teaching platform; wireless transmission; electronic information major

在如今絕大多数院校的电子信息类专业的课程体系中，课程实验一般与某门理论课程相关联，实验课程的内容通常仅限于与之相关联的理论课程的内容，具有很大的局限性[1-4]。同时，作为支柱产业的电子信息技术发展十分迅速，技术更新快，导致高校的课程特别是实验课程往往落后于技术的进步，很难满足实验教学的需要[4]。因此，传统单一性、老旧式的电子信息类实验设备已不能满足当代学生综合能力和主动创新能力培养的需要。

针对电子信息类专业课程如传感器技术、微机原理、计算机原理、通信原理等实验教学中多个分布式数据无法集中处理的难题，设计了一种基于无线传输的分布式数据处理实验教学创新平台。该平台可实现在同一平台上开展多种电子信息类实验，实现多个相关数据通过无线传输到计算机进行集中处理，具有操作简单、实验内容综合全面、交互性强等优点，能够满足学生充分理解和掌握有关理论和实践课程，加强学生的综合应用能力，为电子信息类教学实验提供了一个新的平台。

一、总体设计方案

该综合实验平台由配有无线射频的温度数据采集、发射模块和配有无线射频的接收模块组成，两模块主要通过无线射频进行通信。无线发射模块主要用来负责采集温度数据并将温度数据进行无线发送;无线接收模块主要用于负责接收多个节点的温度数据，然后将采集到的多点温度数据发送到PC机上，并由VB所设计的上位机进行数据的显示、处理、储存等。该平台的结构框图如图1所示。

图1 系统方案总体设计

二、硬件设计

（一）主控电路的设计

主控电路由STC单片机为核心和外设组成的最小系统[6-8]，主控电路模块是电路设计中的重要一部分，该模块对处理数据、传输数据等发挥着重要作用。

（二）温度采集与报警电路设计

平台采用生产生活中常用的温度传感器DS18B20，该传感器是一种单总线的传感器，具有唯一的地址编码[9]。温度采集电路如图3所示。由于测温后需要根据温度值的高低进行报警，温度过高时或者过低时进行报警。具体报警电路如图4所示，采用模拟电路中的NPN三极管作为开关来控制蜂鸣器的报警。

图3 温度采集电路

（三）稳压电路设计

平台利用电压为5V的USB供电，而nRF24L01無线射频模块的供电电压范围为1.9V到3.6V，电压过高容易损坏该射频模块[9]。根据nRF24L01射频模块对供电的要求，选用LM1117-3.3V作为稳压芯片，该芯片的输出电流可达0.8A，具有限流和过热保护的功能，以确保芯片的稳定性，电路图如图5所示。

（四）无线射频与主控电路的连接

平台无线通信所选用的射频芯片为nRF24L01，该芯片内置硬件CRC检错和点对多点通信地址控制[10-11]，低功耗为3.6V以下工作。该模块共有六个控制和数据信号，该模块与单片机具体的接线图如图6所示。

（五）RS232串口电路设计

该综合实验平台需要将主控模块采集到的多路温度信号传送到PC机上，由上位机对相应的温度数据的处理、显示与储存。本平台采用串口通信的方式将温度数据上传到计算机上[12]。串口通信RS232的电路图如图7所示。

三、软件设计

所设计的综合实验平台利用C语言在KEIL编程环境下对单片机进行开发设计。对于配有无线射频的温度数据采集、发射模块而言，首先对nRF24L01进行初始化配置，将射频模块的工作模式设定为发送模式，再启动DS18B20进行温度采集，并准备好要发送的数据，然后调用无线通信模块发送数据，数据发送完毕等待到数据接收方的应答后再次返回进行温度采集。其主要工作流程如图8所示。

四、上位机设计

本综合平台的人机交互界面包括了数据显示与报警界面、数据存储与查询界面，实用性强，操作简单。

该综合实验平台采用VB 6.0设计上位机。VB 6.0的最显著的特点就是事件驱动，它的模块化非常明显[13-16]。根据系统应用设计要求和可视化的界面建立后，就可以按照系统各个模块的特点，设计出相应的子模块。该多通道温度采集的程序执行步骤如图9所示。

图9 上位机温度采集软件结构图

五、实验调试及结果

（一）硬件电路

如图10，硬件电路制作采用双面PCB电路板，为了节约电路板面积，部分元件采用贴片封装。通电后对各个电路板进行测试。其中，稳压电路能正常稳压到3.3V给nRF24L01供电。经测试该实验平台的硬件电路工作正常。

图10 综合实验平台硬件测试

（二）串口通信

在无线接收模块能够正常接收到采集点发送过来的温度数据的情况下，将无线接收模块与PC机用串口线进行连接，进行三节点的温度数据接收。不同的节点的温度数据加上标志位，通过串口发送到上位机上，上位机根据不同的标志位来判断不同的节点的温度值，当按键被按下时，开始接收数据，三节点温度接收与显示如图11所示，数据接收稳定。

（三）数据实时显示与存储

数据显示界面是平台的主要显示界面，界面由众多的子模块组成，其中包括了串口设置、数据的实时显示、温度报警指示、数据处理与存储。测试时先进行串口的设置，然后在控制面板中点击“开始采集”按键，开始接收经串口接收到的多路温度数据，采集的实时曲线如图12所示;当温度异常时，开始报警指示，采集点一和采集点三温度过高，绿色的圆变为红色。经测试，该界面的子模块的各项功能均能达到设计要求。

在能接收、显示多路温度数据的情况基础上，设计一个温度数据库。在该温度数据库中建立一个数据表和相关数据表的字段设置，用来保存上位机串口接收到的温度数据，将不同节点的温度数据保存在对应的温度存储表的字段中，并且实现每隔一秒刷新数据表。具体温度数的存储查询如图13所示。

六、结束语

本文提出的基于多任务综合教学实验创新平台涉及多门电子信息类课程知识，可以完成传感器技术、单片机原理、通信原理等多门专业课程实验教学。实验结果效果表明，该平台运行状态良好，上位机与下位机通信稳定可靠。利用该平台能加强学生对课程知识的综合实践能力，为教学、实验和科研创造出了良好的条件。

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*基金项目：江西省教育规划项目“‘新工科’背景下大学创新教学建设调查与比较研究”（编号：19YB068）;江西省学位与研究生教育教学改革研究项目“基于联通主义学习的研究生‘现代无线网络新技术’课程教学模式改革与创新”（编号：JXYJG-2017-078）;江西省学位与研究生教育教学改革研究项目（重点）“基于CIPP模型的专业学位研究生工程实践能力培养的研究与实践”（编号：JXYJG-2017-075）;2018年度华东交通大学课堂教学改革项目“基于MOOC的混合学习模式课堂教学改革与实践（教学范式改革类）”（编号：2018KTJG04）

作者简介：丁青锋（1980-），男，汉族，安徽安庆人，博士，副教授，硕士生导师，研究方向：电子信息类教学、轨道无线通信系统理论与设计等。