毕业设计调研报告.pdf

通信与电子工程学院 毕业设计 论文 调研报告 题 目 基于 Arduino 开放实验室管理系统设计 学 院 专业班级 学 号 学生姓名 指导教师 2018 年 3 月 26 日 1 一 调研目的 随着教育教学的信息化发展 以信息化带动教育现代化 实现高校由传统高校向现代化 高校转变 教学资源的开放化已经成为一种趋势 我国高等教育的发展目标是提高学生综合 素质培养创新型的高技术人才 高校实验室是实验教学的承担者 具有较丰富的大型或先进 的实验仪器 实验室是整个教学体系的重要组成部分 可以为培养学生的工程素质和锻炼学 生的实践能力提供基地 也为学生开展课外科技活动提供条件 实验室的全面开放将直接为 学生提供自主发展和工程实践的平台 能够最大限度地挖掘实验室各种资源的使用潜力 促 进实验室仪器设备的有效利用 强化学生实践能力和创新能力 因此 实验室全面向学生开 放是高等学校培养适应新世纪国家经济建设与社会发展需要 也是培养具有国际竞争能力的 高素质创新型人才的客观要求 但是 开放实验室的成败在于管理 高校实验室在人才培养 中占有重要的作用 实验室的水平既体现在实验设备与实验环境等硬件条件 更体现在对其 的管理与服务上 1 近年来 很多高校根据自己的办学情况进行了实验室教学和管理的改革 尝试并开发了 开放实验室管理系统 但大部分管理系统仍采用人工或单机版管理系统完成 日常手工操作 的数据信息及数据库数据信息常常出现遗失或被篡改现象 数据信息没有安全保障 管理工 作繁杂 效率不高 有些学校的开放实验室管理系统只面向某个专业的学生提供服务 对于 跨校区 跨学院 跨专业实验预约则需要填写专门的申请表或通过其他申请方式来进行 有 的是只注重学生预约计费管理功能 对于一些综设型 创新型和毕业设计等需要较多时间和 仪器的实验 学生常常会因计时计费管理而挫伤其实验的积极性 不利于学生自主实践与创 新能力的培养 开放实验教学工作中进行的诸如创新性和研究性开放实验的教学改革和对开 放实验室管理的研究 仍然处在不断实践的阶段 研究工作还不够完善和系统 2 二 调研方法 1 网上查阅资料法 2 图书馆各数据库查阅资料法 3 实地调研法 2 三 三 调研内容调研内容 3 13 1 国外发展情况国外发展情况 在上个世纪七十年代末 实验室管理系统开始进入人们的视角 这些早期的实验室管理 系统一般是由各个实验室通过软件开发商或是自身的技术支持进行专门定制的 这种系统一 般不能通用 仅限于单一类型的实验室使用 这类实验室管理系统由于在重视程度上的不足 导致开放经费和技术支持上都有所欠缺 系统功能普遍单一 系统维护和功能调整比较困难 很难追上实验室本身的变化 此类实验室管理系统在国外已经基本被淘汰 但国内还有少数 的应用 3 经过一段时间的发展 实验室管理系统进入了发展的第二阶段 在 1982 年 基于 C S 用户 服务器 结构的管理系统开始出现 在这个时期 实验室管理系统的功能已经比较完 善了 同时也能满足实验室本身经常更新换代的需求 对于系统本身的升级和维护都能比较 容易的完成 第二代实验室管理系统的诞生 为实验室管理人员带来了真正意义上的信息化 管理系统 不过 这类系统也存在着不可回避的缺点 虽然系统已经比较完善 但是它的功 能升级 系统维护都是需要实验室管理系统系统管理员通过编程的手段进行处理 而普通实 验室管理人员并不具备这类技能 而计算机专业出身的实验室管理人员又很少有人能够把握 清楚实验室的运行机制 另外计算机类的人才流动性较大 这类人才的流失会造成对实验室 管理系统 正常运行造成影响 因此 在经过一段时间的使用以后 很多实验室机构都希望能 出现一种能够脱离编程技术人员影响的实验室管理系统 4 到了二十世纪末 第三代实验室管理系统开始出现 同第二代实验室管理系统相同 这 时的实验室管理系统仍然是采用的 C S 结构的系统 但并不需要实验室管理人员使用任何的 编程技术就能对实验室管理系统 的相关功能进行管理和定制 该类系统通过图形化的手段 使实验室管理系统的设置只需要使用简单的鼠标点击就可完成 任何具有计算机基础知识的 人员都能在通过短期的培训后熟练的使用系统进行实验室管理工作 并能按需维护管理实验 室管理系统的各种功能 同样的 第三代的实验室管理系统随着时间的推移和新技术的发展 也出现了许多新的问题 一 第三代实验室管理系统一般是采用的局域网进行网络管理 很 难推广到广域网或是万维网上进行大规模的使用 二 由于采用的是 C S 的系统模式 导致 用户系统在使用时 必须要在本地安装客户端 导致客户端的维护和问题处理的成本较高 三 由于使用的网络大多是局域网的缘故 很难能够整合不同地点的实验室数据 四 随着 智能移动设备的出现 很多人希望能够通过手持设备对实验室进行管理 而第三代实验室管 理系统由于系统本身的限制 无法完成这一需求 5 在信息化高速发展的过程中 人们对于实验室管理系统改革的需求越来越高 而第四代 也就是最新一代的实验室管理系统 也在 2004 年左右出现 新一代的实验室管理系统是基于 B S 结构的系统 它主要扎根于 Internet 之上 克服了第三代实验室管理系统的各种缺点 3 很快就成为了实验室管理系统的主流 第四代实验室管理系统具有很多优秀的特点 主要是 一 B S 模式的系统相对于 C S 模式而言 具有管理容易 因为 B S 不需要客户端 用户可 以通过网络浏览器就能对系统进行访问和操作 系统维护 功能升级成本低的优势 因为所 有的操作和管理都在服务器端进行 二 它是完全基于 Internet 的 通过 Internet 的整合 实验室管理系统可以轻易的与其他实验室进行信息数据共享 三 实验室管理人员可以随时 随地的通过连接互联网对系统进行操作 四 通过无线上网技术 人们也可以通过手持设备 对 实验室管理系统 进行访问和管理 这将为不在实验室的管理人员能够便利的了解实验室 当前状况 6 3 23 2 国内发展情况国内发展情况 国内开放实验教学的研究工作基本上起步于上世纪 90 年代 起初在一些重点高校中开 展 之后 有些高校或软件公司也陆续开发了开放实验室管理系统 多数基于 B S 架构开发 有的已可以面向全校师生提供开放性实验信息 但一般都是只面向某个专业的学生提供服务 对于跨校区 跨学院 跨专业实验预约则需要填写专门的申请表或通过其他申请方式来进行 有的是只注重学生预约计费管理功能 但对于一些综设型 创新型和毕业设计等需要较多时 间和仪器的实验 学生可能因计时计费管理而挫伤其实验的积极性 不利于学生自主实践与 创新能力的培养 7 总之 尽管目前国内各高校都越来越重视实验室的开放 越来越重视开放实验室管理系 统的开发 但某些高校在开放实验教学工作中进行的诸如创新性和研究性开放实验的教学改 革和对开放实验教学的研究 仍然处于不断实践的阶段 另外 高校仪器设备依然不同程度 存在着管分散封闭 开放程度不够 利用率偏低 使用效益差的状况 大型仪器设备缺乏科 学有效管理和使用共享 因此 对于高校开放实验室的管理 无论是开放实验体系建设的理 论研究方面 还是具体学科的开放实验教学方面都还有许多问题亟待解决 8 3 33 3 技术可行性技术可行性 Arduino 是一个基于开放源代码的软硬件平台 该平台由硬件和软件两部分组成 它实际 上是一个小而完善的微型计算机系统 这套系统采用超大规模集成电路技术把具有数据处理 能力的中央处理器 CPU 以及随机存储器 RAM 只读存储器 ROM 模拟及数字 I O 接口和中 断系统等多功能电路集成到一块芯片上 Arduino 的最大特点就是价格便宜并且好用 我们 可以在普通计算机上通过 Arduino 的开发环境编写程序并编译成功之后 就可以将文件下 载到 Arduino 系统板上的微控制器中 使 Arduino 系统能够通过各种传感器来感知环境的变 化 程序便会告诉 Arduino 电路板要做些什么了 Arduino 也就能按照我们编写的程序执行 相应的操作 实现我们需要的功能 9 Arduino 的主要功能特点如下 10 1 开放源代码的电路图设计程序开发接口免费下载也可依需求自己修改 2 使用低价格的微处理控制器 ATmega8 或 ATmega128 可以采用 USB 接口供电不需外接 4 电源也可以使用外部 9VDC 输入 3 支持 ISP 线上烧入器将 Bootloader 固件烧入芯片 Arduino 控制器内带 Bootloader 程序 是系统上电后运行的第一段代码 就好比 PC 机 BIOS 中的程序 启动就进行自检 配 置端口等等 当然 单片机是靠烧写熔丝位来设定上电从 boot 区启动的 使用这个程序就可 以直接把从串口发来的程序存放到 flash 区中 所以使用 Arduino 编译环境下载程序时就先 让单片机复位 启动 Bootloader 程序引导串口发过来的程序顺利写入 flash 区中 flash 可 以重复烧写因此想更新软件非常方便 有了Bootloader之后 可以通过串口或者USB to RS232 线更新固件 4 可依据官方提供的 PCB 和 SCH 电路图 简化 Arduino 模组完成独立运作的微处理控 制 5 可简单地与传感器 各式各样的电子元件连接如红外线 超音波 热敏电阻 光敏电 阻 伺服马达等 6 支持多样的互动程序 如 Flash Max MSP VVVV PureData C Processin 等 使 用低价格的微处理控制器 11 7 应用方面利用 Arduino 突破以往只能使用鼠标 键盘 CCD 等输入的装置的互动内容 可以更简单地达成单人或多人游戏互动 Arduino 的功能特点使其得到了越来越广泛的应用 3 43 4 社会可行性社会可行性 Arduino 是一款便捷灵活 方便上手的开源电子原型平台 包含硬件 各种型号的 arduino 板 和软件 arduino IDE 它适用于艺术家 设计师 爱好者和对于 互动 有兴趣的朋 友们 Arduino 能通过各种各样的传感器来感知环境 通过控制灯光 马达和其他的装置来反 馈 影响环境 12 3 53 5 Arduino Uno Arduino Uno 开发环境开发环境简介简介 Arduino Uno 是 2011 年 9 月 25 日在纽约创客大会 New York Maker Faire 上发布的 型号名字 Uno 是意大利语中 一 的意思 用来表达 Arduino 软件的 1 0 版本 即 Uno Punto Zero 意大利语的 1 0 目前官网上已经出到 Arduino Uno R3 即第三版 13 1 微处理器 ATmega328 微处理器 片内包含 32KB Flash 0 5KB 由 BootLoader 使 用 2KB SRAM 1KB EEPROM 运行时钟频率为 16MHz 2 USB 接口 与电脑连接 用于从电脑中下载程序 同时给 Uno 单板供电 14 3 外接电源 当 Uno 脱离电脑独立运行时 用来给装置供电 一般使用 9V 电池供电即 可 4 电源管脚 地 可输出 5V 3 3V 也可以通过 Vin 给整个装置供电 5 模拟输入 6 个模拟输入 提供 10 bit 的解析度 0 1023 15 5 6 数字输入 输出 14 个数字输入 输出管脚 可以由程序自己定义为输入或者输出 其中 0 1 两个管脚是串口复用管脚 3 5 6 9 10 11 六个管脚可提供 8 位 0 255 的 PWM 输出 13 管脚与板上 LED 相连 当输出高电平时 LED 点亮 16 图 1 Arduino Uno 开发板 UNO 主要升级就是 USB 转串口模块 采用了 ATMEL 16U2 或者是 8U2 的单片机来模拟 转换芯片 速度更快更稳定 Arduino UNO 提供了自动复位设计 可以通过主机复位 这样 通过 Arduino 软件下在程序到 UNO 中软件可以自动复位 不需要在复位按钮 17 Arduino 有自己特有的编程语言 其语法规则类似 C C 语言 IDE 环境和语言把 AVR 单片机与硬件相关的一些参数都参数化并进行了很好的封装 因此不用开发者去了解其硬件 结构即可对其编程 实现设计者的设计意图和创意 18 但是 Arduino 的语言与 C C 语言运 行机制还是有一些区别的 Arduino 的程序中必须包括 setup 和 loop 两个函数 setup 函数 在系统上电或复位后运行一次 因此一些一次性的工作可以放在这个函数中运行 如在其中 做一些初始化工作 Loop 函数是 Arduino 软件项目的主体 系统上电并且运行完成 setup 函数后 就进入 loop 函数 并且该函数是一个无限循环的过程 19 Arduino 开发环境可以在其官方网站上下载免费使用 与一般的 Windows IDE 程序没有 特别的区别 在编程窗口下是一个串口监视器窗口 在许多程序的调试过程中需要 Arduino 传输给上位机一些信息以便于开发者判断程序的运行状况 或者得到程序的运行结果 可以 在 Arduino 中编入从串口输出中间结果的语句 便于开发者判断程序的运行 极大地方便了 项目的开发 20 四 调研总结 结论 通过为时 21 天的课题调研 我初步了解了开放实验室管理在国内外的研究情况和现状 6 大致上了解了开放实验室所面临的问题 同时 根据所发现的问题 初步设想出了运用Arduino 解决一些开放实验室管理问题的方法 让我对今后的毕业设计有了一个大致上的设计思路 首先要在实验室各处放置适当的传感器及其它控制器件 通过 Arduino 收集传感器信息 分 析所得到的信息 控制安放在适当位置的控制器件 调研结束后 就要进行毕业设计的软件及硬件搭建了 相信通过老师的指导和这段时间 调研所得到的信息 毕业设计一定会圆满完成 7 参考文献 1 李燕歌 杜轻 韩雪 高校开放实验室管理系统设计 J 电脑知识与技术术 2016 12 29 94 95 2 曲娜 盛桂珍 杨海波 基于物联网技术的智慧开放实验室管理系统设计 J 实验技术与 管理 2015 32 12 140 142 3 李艳丽 基于 Arduino 平台的物联网网关设计 单片机与嵌入式系统应用 2017 17 9 73 77 4 何晓冬 基于 ZigBee 和 Arduino 开源平台智能网关的设计与实现 信息记录材料 2016 0 4 59 61 5 禹谢华 邓林茂 张晓云等 基于 Android 的智能家居控制系统的设计与实现 山东农业大 学学报 自然科学版 2017 48 4 532 536 6 刘美英 金永昌 左合君等 建设开放实验室 培养学生的创新能力 实验室研究与探索 20 15 34 12 241 244 7 程静 赵挚 王梓平等 高校开放实验室存在的问题及应对措施 卫生职业教育 2017 35 6 83 84 8 兰萍 严李强 张克刚等 基于导师制的信息技术类开放实验室管理模式构建 实验技术与 管理 2016 33 1 239 242 9 Akram Syed Ali Zachary Zanzinger Deion Debose Brent Stephens Open Source Building Science Sensors OSBSS A low cost Arduino based platform for long term indoor environmental data collection J Building and Environment 2016 10 0 000 114 126 10 Badruzaman A Rusdiana M R Gilang T Martini Instrumental Develovement of 50 Meters Free Style Swimming Speed Measurement Based on Microcontroller Arduino U no J IOP Conference Series Materials Science and Engineering 2017 180 000 012 214 012214 11 Ana Dalia Pano Azucena Jose de Jesus Rangel Magdaleno Esteban TleloCuautle Antonio de Jesus Quintas Valles Arduino based chaotic secure communication syst em using multi directional multi scroll chaotic oscillators J Nonlinear Dynamic s 2017 87 4 2203 2217 12 Byungwan Jo Zafar Baloch Internet of Things Based Arduino Intellig ent Moni toring and Cluster Analysis of Seasonal Variation in Physicochemical Pa rameters of Jungnangcheon an Urban Stream J Water 2017 9 3 220 220 8 13 Francisco M L pez Rodr guez Federico Cuesta Andruino A1 Low Cost Educational Mobile Robot Based on Android and Arduino J Journal of Intelligent and Robotic Systems 2016 81 1 63 76 14 NORAZMIRA MD NOHNAHRIZUL ADIB KADRI JULIANA USMAN DEVELOPMENT OF ARDUINO BASED HAND DYNAMOMETER ASSISTIVE DEVICE J Journal of Mechanics in Medi cine D O